深入淺出談TDR阻抗測試

Chrent為什么要測阻抗？

計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等領(lǐng)域的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)人員正面臨著越來越快的時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)速率，隨之，信號(hào)完整性變得越來越重要。在當(dāng)前的高工作速率下，影響信號(hào)上升時(shí)間、脈寬、時(shí)序、抖動(dòng)或噪聲內(nèi)容的任何事物都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。為保證信號(hào)完整性，必須了解和控制信號(hào)經(jīng)過的傳輸環(huán)境的阻抗。阻抗不匹配和不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致反射，增加系統(tǒng)噪聲和抖動(dòng)，在整體上降低信號(hào)的質(zhì)量。

阻抗控制是當(dāng)前許多數(shù)字系統(tǒng)、元器件規(guī)范的一部分，如USB3.0、HDMI、PCI Express、DP、Serial ATA、XAUI等。業(yè)內(nèi)已普遍使用仿真工具設(shè)計(jì)高速電路，仿真加快了設(shè)計(jì)周期，最大限度地減少了錯(cuò)誤數(shù)量。但仿真之后，必須進(jìn)行工程驗(yàn)證來檢驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)，其中就包括阻抗測量。

ChrentTDR原理

TDR是時(shí)域反射儀英文(Time Domain Reflectometry)的首字母縮寫，用來測量信號(hào)在通過某類傳輸環(huán)境傳導(dǎo)時(shí)引起的反射，如電路板走線、電纜、連接器、背板等。TDR是一種通用的時(shí)域測試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于PCB、電纜、連接器、背板、IC 等測試領(lǐng)域。TDR可測傳輸線的特性阻抗，并顯示出每個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。

TDR通過向傳輸路徑中發(fā)送一個(gè)階躍脈沖信號(hào)，階躍信號(hào)沿著傳輸線傳輸，當(dāng)傳輸路徑中阻抗發(fā)生變化，部分能量就會(huì)被反射，剩余的能量會(huì)繼續(xù)傳輸。

TDR原理-Contd

利用儀器觀測階躍脈沖源輸入點(diǎn)上的傳輸線信號(hào)，儀器上的波形以時(shí)間順序顯示入射和反射傳播信號(hào)總和。只要知道發(fā)射波的幅度及測量反射波的幅度，就可以計(jì)算阻抗的變化。同時(shí)只要測量由發(fā)射波到反射波再到達(dá)發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間差就可以計(jì)算阻抗變化的位置。

傳輸線中的阻抗發(fā)生變化將導(dǎo)致階躍脈沖信號(hào)的幅度變化

TDR如何計(jì)算阻抗

TDR單端阻抗

利用示波器可以計(jì)算顯示出傳輸線各個(gè)點(diǎn)的阻抗，可以在示波器的屏幕上顯示一條TDR阻抗曲線，曲線的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)傳輸線上的每一點(diǎn)的特性阻抗。

TDR差分阻抗

差分阻抗是指在差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)下在兩條線路中測量的阻抗。為提供真正的差分阻抗測量功能，TDR的兩條通道中的通道提供了一個(gè)差分TDR的階躍。

TDR在信號(hào)完整性SI(Signal Integrity)中的應(yīng)用——Reflection(反射)

TDR分辨率

階躍脈沖的上升時(shí)間越快，可測的傳輸線長度越短，分辨率越高

實(shí)際分辨率(演示電路板，微帶)

如何改變TDR上升時(shí)間

為了與實(shí)際信號(hào)保持一致，很多規(guī)范要求，阻抗測量時(shí)TDR的上升時(shí)間與實(shí)際信號(hào)保持一致；外加不同上升時(shí)間的硬件濾波器來改變TDR的上升時(shí)間；利用示波器的Filter功能進(jìn)行軟件濾波改變TDR的上升時(shí)間得到相應(yīng)的測試結(jié)果。

TDR探頭

在TDR測試中，特別是PCB板的阻抗測試，需要通過探頭將階躍脈沖信號(hào)點(diǎn)測DUT以完成測試，TDR探頭由探頭前端、探頭電纜等組成。

TDR和S參數(shù)轉(zhuǎn)換

TDR是時(shí)域響應(yīng)，S參數(shù)是頻域響應(yīng)，F(xiàn)FT后可以轉(zhuǎn)換成頻域的S參數(shù)。

ChrentTDR測量項(xiàng)目

差分阻抗、單端阻抗、串?dāng)_測試、信號(hào)傳輸時(shí)延delay、時(shí)滯Skew、上升時(shí)間、寄生電感/寄生電容、S參數(shù)、電纜/走線的長度、仿真眼圖

TDR應(yīng)用

TDR通過對(duì)反射現(xiàn)象的觀察可以找到被測試線路中的不連續(xù)點(diǎn)，如短路、斷路、過孔、走線寬度變化等。TDR也可以支持測量PCB走線、線纜的長度。

TDR是測量特性阻抗最簡明的方式

PCB線路

電纜

多芯片模塊

發(fā)現(xiàn)和測量阻抗不連續(xù)點(diǎn)或變化

在連接器中

PCB上的拐角和過孔

從連接器轉(zhuǎn)到電路板/從電路板轉(zhuǎn)到IC封裝

Chrent取樣示波器TDR和實(shí)時(shí)示波器TDR

實(shí)時(shí)示波器TDR阻抗測試

測試結(jié)果對(duì)比

Chrent

VNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

VNA是測量被測件(DUT)頻率響應(yīng)的儀器，測量的時(shí)候給被測器件輸入一個(gè)正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后通過計(jì)算輸入信號(hào)與傳輸信號(hào)(S21)或反射信號(hào)(S11)之間的矢量幅度得到測量結(jié)果；在測量的頻率范圍內(nèi)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行掃描就可以獲得被測器件的頻率響應(yīng)特性；在測量接收機(jī)中使用帶通濾波器可以把噪聲和不需要的信號(hào)從測量結(jié)果中去掉，提高測量精度。

VNA

VNA使用的是連續(xù)波(CW)信號(hào)。特定場景都要優(yōu)先選擇脈沖射頻信號(hào)·可以表征S參數(shù)、匹配復(fù)數(shù)阻抗、以及進(jìn)行時(shí)域測量等。

基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀VNA的TDR

VNA通常用于器件或傳輸線的S參數(shù)測試，是一種頻域測試方法。它發(fā)出正弦波同時(shí)測量入射電壓和反射電壓的矢量比。正弦波的頻率經(jīng)過掃頻，獲得DUT對(duì)頻率函數(shù)的響應(yīng)。

測S參數(shù)時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于給輸入了不同頻率的正弦波，得到對(duì)于所有正弦信號(hào)的頻率響應(yīng)之后，然后進(jìn)行IFFT逆傅里葉變換，就能得到時(shí)域上的沖激函數(shù)，把沖激函數(shù)積分，即可得到階躍的TDR信號(hào)。

時(shí)域vs頻域；TDR vs VNA

VNA和TDR的比較

S參數(shù)：VNA和TDR的比較

為什么選擇TDR?

可重復(fù)的、準(zhǔn)確的真正差分測量

比VNA更快、校準(zhǔn)和使用更簡便

支持檢定、標(biāo)準(zhǔn)一致性檢驗(yàn)和制造測試

直觀的多用途平臺(tái)，除S參數(shù)外，提供了直觀的時(shí)域結(jié)果

為滿足串行數(shù)據(jù)要求專門設(shè)計(jì)的工具

基于TDR的解決方案與VNA比較-總結(jié)

基于TDR的解決方案的優(yōu)勢：

校準(zhǔn)簡便，因此：快速吞吐量、簡便易用

在滿足差分串行數(shù)據(jù)應(yīng)用要求時(shí)成本要低25%-35%

基于TDR的解決方案已知的問題：

動(dòng)態(tài)范圍較低

基于TDR的解決方案最高70dB, 而傳統(tǒng)VNA最高則達(dá)到100dB

70dB特別適合串行數(shù)據(jù)應(yīng)用

典型測量范圍為-10到-40dB