Khi tốc độ liên kết vượt qua vài chục gigabit mỗi giây, thứ bạn đo được trên màn hình máy hiện sóng không còn là tín hiệu của thiết bị cần đo nữa — nó là tín hiệu đó cộng thêm toàn bộ ảnh hưởng của đồ gá, đầu nối, đường dẫn và đầu dò nằm giữa. Signal integrity ở mức này vì vậy luôn đi kèm một câu hỏi phụ: làm sao tách phần đóng góp của đồ gá ra khỏi kết quả? Câu trả lời là de-embedding, và nó đã có chuẩn riêng từ năm 2020.
Signal integrity: bài toán thực sự là gì
Ở tốc độ thấp, một đường dẫn chỉ là dây nối. Ở tốc độ cao, cùng đường dẫn đó trở thành một mạng bốn cực có suy hao phụ thuộc tần số, có phản xạ tại mọi điểm gián đoạn trở kháng, có xuyên âm sang cặp lân cận và có độ trễ nhóm không phẳng. Tổng hợp lại, chúng làm biên độ xung giảm, sườn xung thoải ra, và năng lượng của một bit tràn sang các bit kế tiếp — hiện tượng ISI, nguyên nhân chính khiến mắt tín hiệu khép lại.
Ba lớp suy giảm cần phân biệt vì cách xử lý khác nhau hoàn toàn. Suy hao chèn tăng theo căn bậc hai của tần số do hiệu ứng bề mặt cộng với tổn hao điện môi tăng tuyến tính — bù được bằng cân bằng hoá ở phía thu. Phản xạ sinh từ gián đoạn trở kháng — chỉ sửa được bằng thiết kế, không bù được bằng cân bằng hoá. Xuyên âm đến từ cặp lân cận — chỉ giảm được bằng khoảng cách và định tuyến. Một trong những giá trị lớn nhất của phép đo kênh đầy đủ là chỉ ra ba thành phần này đóng góp bao nhiêu, để nhóm thiết kế biết nên sửa ở đâu.
Vì sao phải de-embedding — đồ gá không bao giờ vô hình
Bạn không thể cắm đầu nối 3,5 mm của máy đo trực tiếp vào một cặp vi dải trên bo mạch. Giữa hai bên luôn có đồ gá: đường launch, đầu nối, via, đoạn dẫn tới điểm cần đo. Ở 1 GHz, phần này gần như không ảnh hưởng. Ở 25 GHz, chính nó có thể gây suy hao vài dB và phản xạ đủ lớn để làm sai hoàn toàn kết luận về kênh cần đo.
De-embedding là phép toán bóc mô hình đồ gá ra khỏi kết quả đo, để lại đúng phần thiết bị cần đo. Về bản chất, ta đo được chuỗi đồ gá trái → DUT → đồ gá phải, dựng được mô hình S-parameter của hai đồ gá, rồi khử ngược chúng đi. Điều kiện để phép khử đúng: mô hình đồ gá phải chính xác, và bản thân dữ liệu đo phải hợp lệ về mặt vật lý.
Chính điều kiện thứ hai là chỗ nhiều phép de-embedding thất bại lặng lẽ. Nếu dữ liệu S-parameter đầu vào vi phạm tính nhân quả, tính thụ động hoặc tính tương hỗ, phép khử vẫn chạy và vẫn cho ra một file kết quả trông bình thường — nhưng kết quả đó không mô tả thực tế nào cả.
IEEE 370-2020: chuẩn hoá đồ gá và chất lượng dữ liệu
Trước 2020, mỗi hãng và mỗi nhóm thiết kế làm de-embedding theo cách riêng, và không có cách khách quan để nói kết quả của ai đáng tin hơn. IEEE Std 370-2020 lấp đúng khoảng trống đó: chuẩn hoá việc đặc trưng hoá đồ gá và interconnect tới 50 GHz, quy định yêu cầu điện của đồ gá, mô tả phương pháp de-embedding dựa trên 2x-Thru, và — phần thường bị bỏ qua nhưng quan trọng nhất — đưa ra thang đo chất lượng dữ liệu để chấm điểm bộ S-parameter trước khi dùng.
Nguyên lý 2x-Thru rất gọn: chế tạo một cấu trúc chuẩn gồm đúng hai đồ gá nối lưng vào nhau, không có DUT ở giữa. Đo cấu trúc này, ta có đặc tính của hai đồ gá cộng lại; mặt phẳng chuẩn của DUT nằm ở một nửa độ trễ của chuẩn 2x-Thru. Điều kiện tiên quyết là đồ gá trên bo đo và đồ gá trong chuẩn 2x-Thru phải cùng trở kháng, cùng độ trễ và cùng suy hao — nếu chúng khác nhau, phép khử sẽ mang sai số đó vào kết quả.
Về công cụ, ứng dụng Automated Fixture Removal (AFR) của Keysight tự động hoá quy trình này; kết quả của AFR đã được so sánh và bám sát phương pháp 2x-Thru mã nguồn mở mô tả trong IEEE 370 — nghĩa là bạn dùng công cụ thương mại nhưng vẫn nằm trong khung chuẩn.
Năm kỹ thuật de-embedding và khi nào dùng cái nào
TRL (Thru-Reflect-Line) — độ chính xác cao nhất, mặt phẳng chuẩn xác định bằng chính hình học đường dẫn. Nhược điểm: cần nhiều chuẩn hiệu chuẩn với độ dài khác nhau, tốn diện tích bo và chỉ phủ được băng tần giới hạn cho mỗi đoạn line. Dùng khi cần độ chính xác cao nhất và có sẵn diện tích bo.
2x-Thru — chỉ cần một cấu trúc chuẩn, tự động hoá tốt, là phương pháp được IEEE 370 chuẩn hoá. Đây là lựa chọn mặc định hợp lý cho phần lớn công việc hằng ngày.
1x-Reflect — dùng khi không thể chế tạo được cấu trúc 2x-Thru, ví dụ đồ gá không đối xứng. Độ chính xác thấp hơn 2x-Thru.
Mô phỏng full-wave 3D — dựng mô hình đồ gá bằng mô phỏng điện từ thay vì đo. Hữu ích khi đồ gá không thể tách rời, nhưng độ chính xác phụ thuộc hoàn toàn vào việc mô hình có khớp với vật thật hay không.
Port extension — chỉ dịch mặt phẳng chuẩn theo pha, không bù suy hao và không bù phản xạ. Nhanh và tiện cho việc căn chỉnh sơ bộ, nhưng không phải de-embedding thật sự; đừng dùng nó cho kết quả cuối cùng ở tần số cao.
Chọn thiết bị đo kênh tốc độ cao
Băng thông cần thiết được quyết định bởi nội dung phổ của tín hiệu, không phải bởi tốc độ bit. Quy tắc thực hành: cần phủ tới hài bậc ba của tần số Nyquist để giữ được hình dạng sườn xung. Ba lớp thiết bị tương ứng ba lớp bài toán.
Đo thời gian thực, cần bắt sự kiện đơn và phân tích giao thức — chọn máy hiện sóng thời gian thực băng thông cao. Keysight UXR0104A thuộc dòng Infiniium UXR cho 10 GHz băng thông, 128 GSa/s trên 4 kênh với đầu nối 3,5 mm và ADC 10 bit. Độ phân giải 10 bit là điểm đáng chú ý: nó cho dải động lớn hơn hẳn ADC 8 bit truyền thống, điều rất có giá trị khi tín hiệu đã bị suy hao nặng qua kênh dài. Cả dòng UXR mở rộng tới 110 GHz băng thông và 256 GSa/s, vẫn giữ ADC 10 bit.
Đo mắt tín hiệu lặp lại, cần độ nhiễu nền thấp nhất — chọn máy hiện sóng lấy mẫu. Keysight N1092D thuộc dòng DCA-M dùng cho phép đo mắt và phân tích jitter trên tín hiệu tuần hoàn, nơi máy lấy mẫu cho nhiễu nền và jitter nội tại thấp hơn máy thời gian thực. Phân rã jitter và cách đọc mắt tín hiệu được trình bày chi tiết trong bài đo jitter và eye diagram trên máy hiện sóng Keysight.
Gỡ rối mạch nhúng, đo nguồn và tín hiệu điều khiển đi kèm — không cần băng thông cực đại mà cần nhiều kênh và bộ giải mã giao thức. Keysight MSOX3104G phục vụ lớp công việc này, thường chạy song song với máy băng thông cao trong cùng một bàn thí nghiệm.
Sáu lưu ý khi de-embedding trong thực tế
1. Kiểm tra chất lượng dữ liệu trước khi khử. Chạy các phép kiểm nhân quả, thụ động, tương hỗ theo IEEE 370. Dữ liệu xấu vào thì kết quả xấu ra, và nó không tự báo lỗi.
2. Chế tạo cấu trúc 2x-Thru cùng lô với bo đo. Khác lô thì khác hằng số điện môi, khác độ dày đồng, và mô hình đồ gá sẽ lệch.
3. Đừng de-embedding quá tay. Khử luôn cả phần thuộc về DUT là lỗi phổ biến khi mặt phẳng chuẩn đặt sai; kết quả sẽ đẹp một cách không thực tế.
4. Giữ nguyên tư thế cáp giữa hiệu chuẩn và đo. Cáp uốn khác đi là pha khác đi.
5. Kiểm tra dải tần hợp lệ của mô hình. Mô hình đồ gá chỉ đúng trong dải đã đo; ngoại suy ra ngoài dải là bịa số.
6. So sánh chéo bằng hai phương pháp. Nếu 2x-Thru và TRL cho kết quả lệch nhau đáng kể, vấn đề nằm ở đồ gá hoặc ở dữ liệu, không phải ở DUT.
Phép đo chỉ đáng tin khi thiết bị được hiệu chuẩn
De-embedding là phép toán khuếch đại sai số: nếu dữ liệu đo vào đã lệch, phép khử sẽ làm lệch thêm chứ không sửa được. Vì vậy, độ chính xác biên độ và pha của máy đo — máy hiện sóng băng thông cao cũng như máy phân tích mạng dùng để đặc trưng hoá đồ gá — là nền móng của toàn bộ quy trình. Hiệu chuẩn định kỳ theo chuẩn liên kết là cách duy nhất giữ nền móng đó ổn định.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng thí nghiệm hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho thiết bị đo tốc độ cao. Cần tư vấn cấu hình đo kênh, quy trình de-embedding theo IEEE 370, hoặc lịch hiệu chuẩn thiết bị hiện có, liên hệ hotline 0908 173 345.
