tdr測(cè)試的原理及方法介紹

TDR概述

TDR是多個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)，包括：Time-Domain Reflectometry—時(shí)域反射技術(shù)，一種對(duì)反射波進(jìn)行分析的遙控測(cè)量技術(shù)，在遙控位置掌握被測(cè)量物件的狀況。TDR主要由三部分構(gòu)成：快沿信號(hào)發(fā)生器，采樣示波器和探頭系統(tǒng)。

TDR測(cè)試原理及測(cè)試方法

隨著數(shù)字電路工作速度得提高，PCB板上信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高，如PCI-Express的信號(hào)速率已經(jīng)達(dá)到2.5Gb/s，SATA的信號(hào)速率已經(jīng)達(dá)到3Gb/s，新的標(biāo)準(zhǔn)如PCI-Express II、XAUI、10G以太網(wǎng)的工作速率更高。隨著數(shù)據(jù)速率的提高，信號(hào)的上升時(shí)間會(huì)更快。當(dāng)快上升沿的信號(hào)在電路板上遇到一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生更大的反射，這些信號(hào)的反射會(huì)改變信號(hào)的形狀，因此線路阻抗是影響信號(hào)完整性的一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于高速電路板來(lái)說(shuō)，很重要的一點(diǎn)就是要保證在信號(hào)傳輸路徑上阻抗的連續(xù)性，從而避免信號(hào)產(chǎn)生大的反射。相應(yīng)的，對(duì)于測(cè)試來(lái)說(shuō)也需要測(cè)試高速電路板的信號(hào)傳輸路徑上阻抗的變化情況并分析問(wèn)題原因，從而更好地定位問(wèn)題，例如PCI-Express和SATA等標(biāo)準(zhǔn)都需要精確測(cè)量傳輸線路的阻抗。下表是SATA對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)連接的電纜和連接器的阻抗和衰減的要求：

要進(jìn)行阻抗測(cè)試，一個(gè)快捷有效地方法就是TDR（時(shí)域反射計(jì)）方法。TDR的工作原理是基于傳輸線理論，工作方式有點(diǎn)象雷達(dá)。如下圖所示，當(dāng)有一個(gè)階躍脈沖加到被測(cè)線路上，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生反射，已知源阻抗Z0，則根據(jù)反射系數(shù)ρ就可以計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)阻抗ZL的大小。

最簡(jiǎn)單的TDR測(cè)量配置是在寬帶示波器的模塊中增加一個(gè)階躍脈沖發(fā)生器。階躍脈沖發(fā)生器發(fā)出一個(gè)快上升沿的階躍脈沖，同時(shí)接收模塊采集反射信號(hào)的時(shí)域波形。如果被測(cè)件的阻抗是連續(xù)的，則信號(hào)沒(méi)有反射，如果有阻抗的變化，就會(huì)有信號(hào)反射回來(lái)。根據(jù)反射回波的時(shí)間可以判斷阻抗不連續(xù)點(diǎn)距接收端的距離，根據(jù)反射回來(lái)的幅度可以判斷相應(yīng)點(diǎn)的阻抗變化。下圖是TDR的工作方式和對(duì)一個(gè)被測(cè)件的TDR波形。

TDR通常顯示反射和阻抗變化情抗，TDT（時(shí)域傳輸）通常顯示傳輸延遲。器件或者通道的阻抗不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致傳輸信號(hào)失真，因此TDR/TDT是增強(qiáng)信號(hào)完整性的重要工具。

多年以來(lái)，Agilent86100系列Infiniium DCA 主機(jī)和54754A差分TDR模塊的強(qiáng)大組合為T(mén)DR/TDT測(cè)量提供了卓越的解決方案。為了滿(mǎn)足當(dāng)前高速數(shù)字串行接口方面的嚴(yán)格要求，TDR/TDT測(cè)量功能也進(jìn)行了重大改進(jìn)，從而能夠輕松獲得精確得結(jié)果。下圖是用Agilent86100和54754A模塊進(jìn)行TDR測(cè)試的一個(gè)實(shí)例。

影響TDR測(cè)試精度的因素

A）TDR 校準(zhǔn)是獲得正確結(jié)果的最快方式

要獲得正確的測(cè)試結(jié)果，必須正確消除因測(cè)試夾具或線纜導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差。Agilent TDR校準(zhǔn)采用數(shù)字濾波器技術(shù)，使用短路和負(fù)載參考設(shè)備建立了一個(gè)校準(zhǔn)平面，從而消除系統(tǒng)誤差以提供精確的結(jié)果。下圖是TDR校準(zhǔn)的工作原理和進(jìn)行TDR校準(zhǔn)前后測(cè)試結(jié)果的比較，可以看到校準(zhǔn)后的反射波形更加清晰地反映出了阻抗的變化情況。

B）S參數(shù)測(cè)量

86100C選件202只需一鍵輕觸，即可從時(shí)域TDR/TDT的結(jié)果快速獲得頻域的S參數(shù)（S11回波損耗或S21插入損耗）結(jié)果。

C）多重反射的校正：

當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)中有多個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)，由于每個(gè)點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，而且反射回來(lái)的波形再碰到阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)還有可能再反射回去，因此會(huì)造成TDR的波形變形，不利于進(jìn)行精確測(cè)量。86100C選件202增加了多重反射校正功能，可以補(bǔ)償多次反射對(duì)TDR波形的影響。下同是多重反射校正前后TDR波形的比較，可以看到校正后的波形去掉了多重反射的影響。

D）TDR階躍脈沖的質(zhì)量

發(fā)送到被測(cè)設(shè)備的TDR階躍脈沖的質(zhì)量會(huì)影響TDR測(cè)量的結(jié)果。精心設(shè)計(jì)的54754A模塊可以最大限度減小偏差，以獲得具有小國(guó)重和振蕩的清晰脈沖，從而減少測(cè)量誤差。從TDR校準(zhǔn)獲得的數(shù)字濾波可以模擬不同上升時(shí)間的階躍脈沖，以驗(yàn)證實(shí)際信號(hào)脈沖的反射情況。使用TDR校準(zhǔn)還可以模擬更快階躍脈沖的反射情況。下圖顯示的是不同上升時(shí)間的階躍脈沖的反射結(jié)果。

E）通過(guò)加快實(shí)際階躍脈沖來(lái)改善分辨率

Picosecond Pulse Lab（皮秒脈沖試驗(yàn)室）的信號(hào)源增強(qiáng)模塊通過(guò)應(yīng)用9pS上升時(shí)間的階躍脈沖可以提供更精細(xì)的距離分辨率。使用信號(hào)源增強(qiáng)模塊時(shí)需要于更高帶寬的接收模塊配合使用，Agilent的86118A是最優(yōu)秀的接收機(jī)模塊，具有70G帶寬和遠(yuǎn)端探頭，可消除因?yàn)檫B接電纜導(dǎo)致的性能降級(jí)。下圖是使用脈沖增強(qiáng)模塊和寬帶接收機(jī)進(jìn)行TDR測(cè)試的實(shí)例。

F）通過(guò)PLTS進(jìn)行全面的差分測(cè)試

基于TDR的N1930A物理層測(cè)試解決方案，為詳細(xì)的差分線路測(cè)試提供了完整的解決方案。該系統(tǒng)具有16相S參數(shù)和廣泛的校準(zhǔn)測(cè)試功能。Agilent的PLTS系統(tǒng)同時(shí)還具有眼圖模擬功能，可以模擬真實(shí)信號(hào)經(jīng)過(guò)線路傳輸以后的眼圖形狀，并可以提取線路的RLCG 模型用于仿真建模分析。下圖是PLTS的分析結(jié)果實(shí)例：

G）TDR附件：

為了方便地進(jìn)行TDR測(cè)試，同時(shí)有盡可能減小測(cè)試誤差，Agilent還提供很多TDR的測(cè)試附件。

TDR測(cè)試PCB板的線路阻抗

1、阻抗測(cè)試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

阻抗并不是想象中穩(wěn)定的直線，而是波瀾起伏。在前端和后端會(huì)受到探頭或者開(kāi)路的影響，中間由于生產(chǎn)制程的關(guān)系，也會(huì)有波動(dòng)。

那么，我們?cè)趺磁袛鄿y(cè)試結(jié)果呢？怎么確定生產(chǎn)的PCB阻抗是否滿(mǎn)足要求呢？首先來(lái)看看IPC規(guī)范，IPC2557A建議的測(cè)量區(qū)間是DUT的30%~70%區(qū)間。

再來(lái)看看Intel以及現(xiàn)在主流PCB板廠的測(cè)試習(xí)慣，為了避開(kāi)Launch區(qū)域以及反射區(qū)域的影響，測(cè)試區(qū)間建議是DUT的50%到70%區(qū)域。

用TDR來(lái)測(cè)試線路阻抗，我們首先要了解測(cè)試區(qū)間的要求，才能準(zhǔn)確理解測(cè)量得到的結(jié)果。

2、探頭對(duì)阻抗測(cè)試結(jié)果的影響

通常來(lái)說(shuō)，TDR測(cè)試的時(shí)候，會(huì)用以下幾種探頭：

其中，板廠通常會(huì)用手持探棒點(diǎn)測(cè)，Probe的影響呈現(xiàn)感性。SI實(shí)驗(yàn)室常用SMA來(lái)連接測(cè)試線纜，SMA在阻抗測(cè)試中可能呈現(xiàn)容性。兩種探頭對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響如下圖所示：

由于Probe的感性或者容性影響，最終DUT的測(cè)試結(jié)果會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)的偏差。