Sequid TDR阻抗測試方案（一）

寬帶阻抗受控系統的實(shí)現給中心電子構建部件——印刷電路板(PCB)的設計師、制造商和質(zhì)量保證管理人員提出了艱巨的挑戰。這個(gè)挑戰不是源于缺乏電磁設計知識，而且源于PCB行業(yè)中巨大的價(jià)格壓力：也就是說(shuō)，在開(kāi)發(fā)人員看來(lái)完全適合GHz范圍時(shí)鐘速率的理想射頻(RF)基材幾乎沒(méi)有使用過(guò)。   與此相反，在整個(gè)基材中介電常數(DC)不均勻的低成本FR4材料倒是經(jīng)常使用。另外，將核心材料和半固化片壓合成多層PCB經(jīng)常導致幾何上的不勻稱(chēng)，進(jìn)一步增加了不確定性的來(lái)源。然而，為了滿(mǎn)足規定的容差，許多PCB制造商提供對線(xiàn)路阻抗的檢查服務(wù)，繼而要求額外的阻抗測試板。這些測試板通常位于PCB邊緣，因此只能部分代表分布在整個(gè)生產(chǎn)面板上的實(shí)際感興趣傳輸線(xiàn)的特性。在最壞的情況下，被測的測試板可能在規定范圍內，但實(shí)際感興趣的傳輸線(xiàn)卻不滿(mǎn)足要求。   阻抗波動(dòng)經(jīng)常是不可容忍的 除了材料和生產(chǎn)工藝的特殊變化外，設計參數變化(比如層的改變，到GND平面、PCB邊界或其它傳輸線(xiàn)的距離太短)也時(shí)有發(fā)生，最終導致不可容忍的傳輸線(xiàn)阻抗波動(dòng)。阻抗波動(dòng)的后果是時(shí)鐘沿劣化，出現碼間干擾，進(jìn)而造成不可接受的誤碼率，最終導致性能劣化甚至系統故障。  

通過(guò)時(shí)域反射法(TDR)能以很高的精度確定線(xiàn)路阻抗。TDR技術(shù)從20世紀70年代就開(kāi)始使用了，主要用于檢測地下或海底電纜中發(fā)生的故障。圖1顯示了基于TDR技術(shù)的阻抗測量裝置的框圖。TDR本身只包含一個(gè)電壓階躍發(fā)生器和帶數據采集單元的寬帶采樣器。

圖1：一個(gè)基于TDR技術(shù)的阻抗測量系統框圖。(所有照片來(lái)自Sequid)   基本的測量原理是這樣的：電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)階躍信號，通過(guò)適配器、電纜和探針傳到待測設備(DUT)。當在待測設備的整個(gè)長(cháng)度上時(shí)發(fā)生相互作用時(shí)，信號將經(jīng)歷部分反射，并傳回檢測器，從而實(shí)現待測設備波形阻抗的空間測量。許多人從雷達應用中了解這種基本原理，因此也常把TDR稱(chēng)為電纜雷達。   階躍信號的上升時(shí)間tr確定了空間分辨率，因此應該盡可能短(對于Sequid DTDR-65來(lái)說(shuō)，tr≈  65ps，因此空間分辨率大約為5mm)。發(fā)生器和采樣器(其模擬輸入帶寬至少是10GHz)之間的同步對于低噪聲工作(即抖動(dòng)值只有幾個(gè)ps)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。最理想的是使用“真正直通的”采樣器，不需要外部的信號分離器或耦合器。這種好處是顯而易見(jiàn)的，因為寬帶信號分離器通常是阻性的，會(huì )增加插損和噪聲。最后，TDR儀器還要有一個(gè)數據記錄單元，這個(gè)單元通常是用微處理器或FPGA實(shí)現。   高頻TDR設備正常情況下并不使用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，而是使用順序或隨機的采樣技術(shù)。與頻閃儀相似，這些設備憑借合理的技術(shù)可以記錄快速變化的周期性信號。數據處理和可視化任務(wù)一般在PC上執行，可完全集成在高端儀器中，或通過(guò)USB或以太網(wǎng)連接。   測量物體到TDR的適配是一個(gè)要求很?chē)赖娜蝿?wù)。舉例來(lái)說(shuō)，差分阻抗測量必須使用高精度的相位匹配電纜和探針。如果不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，偶數模式和奇數模式轉換將降低測量精度。另外，探針的頭應該設計得與待測設備阻抗相匹配，才能實(shí)現可能最高精度的測量。  

市場(chǎng)上的不同系統

在越來(lái)越快的數字世界中，線(xiàn)路阻抗的測量業(yè)已表明是目前最重要的TDR應用。圖2顯示了對無(wú)干擾(綠色曲線(xiàn))和有干擾(紅色曲線(xiàn))傳輸線(xiàn)的這種空間分辨式測量例子。

只有傳輸路徑上所有元件(不僅包括蝕刻線(xiàn)，而且包括電纜、連接器甚至集成電路中的終端電阻)都是阻抗匹配的，才能在發(fā)送器和接收器之間實(shí)現無(wú)反射的信號傳輸，從而得到最高的比特率。因此，在評估差分和單端線(xiàn)的信號完整性時(shí)阻抗控制是一個(gè)很重要的因素。

開(kāi)發(fā)人員和制造商可以從大量不同類(lèi)型的差分TDR系統(DTDR)中選擇一種用于阻抗控制：從極具成本效益的系統到特別昂貴的系統。一些著(zhù)名的測量技術(shù)制造商提供高精度的高端TDR系統。這些系統可以在高速示波器領(lǐng)域找到，一般都結合了必要的附件，如(D)TDR探針。這些設備非常適合用來(lái)測量高達20Gbit/s及以上的傳輸系統。然而對高端設備制造商來(lái)說(shuō)，阻抗控制似乎只是一個(gè)利基市場(chǎng)。因此他們不提供專(zhuān)用的工業(yè)化解決方案，潛在用戶(hù)在達到最終的“阻抗測量”目標之前很快會(huì )迷失在無(wú)數普通的射頻測量技術(shù)之中。此外，由于其高性能和通用性，所有這些系統都屬于高價(jià)格領(lǐng)域，這使得投資缺乏吸引力，特別是如果TDR不是持續使用時(shí)。

在工業(yè)和特殊產(chǎn)品測量技術(shù)領(lǐng)域可以發(fā)現一些通用性較低的TDR。在過(guò)去二十年中這些領(lǐng)域已經(jīng)建立起了特定的標準程序。這些設備及相關(guān)軟件針對測量測試板阻抗進(jìn)行了優(yōu)化，在許多PCB制造商那里都有部署。然而，這些TDR不太適合用于PCB內部隨機傳輸線(xiàn)的設計與測試，理由是缺少合適的探針——更糟糕的是——太慢的信號上升時(shí)間tr導致太小的信號帶寬，繼而只允許對最小長(cháng)度約10cm的線(xiàn)進(jìn)行表征。

作為第三個(gè)版本，還有“自我制作的”解決方案。這方面市場(chǎng)上有為數不多的極具成本效益的(D)TDR設備。這樣進(jìn)一步購買(mǎi)組件(TDR探針和相位調整電纜)一般就能滿(mǎn)足技術(shù)上的先決條件。不過(guò)在這種情況下，必須在數據記錄、誤差減小、阻抗計算和結果歸檔等方面開(kāi)發(fā)合適的軟件，以便可以追問(wèn)源自某個(gè)來(lái)源的解決方案最終并不具有更高的成本效益和安全性。

Sequid GmbH公司最初開(kāi)發(fā)過(guò)高分辨率和高精度的TDR系統，用于判斷魚(yú)肉的質(zhì)量。在與德國PCB制造商Elekonta Marek GmbH的合作過(guò)程中，現有的基本技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為很高性能的系統(Sequid DTDR-65)，能夠滿(mǎn)足阻抗控制測量的所有需求。這是一種高穩定的差分時(shí)域反射計，適合速率高達10Gbit/s的差分和單端傳輸線(xiàn)的阻抗測量。這種儀器具有65ps的階躍信號發(fā)生器，因此支持對測試板和實(shí)際電路的高分辨率測量。另外，DTDR-65具有特別好的抖動(dòng)性能(Jrms<500fs)，而這種性能通常是高端設備才有的。

同時(shí)開(kāi)發(fā)的軟件解決方案能夠讓非射頻專(zhuān)家也能順利完成阻抗的測量。這種解決方案不僅包含基本功能(比如設備控制)，還包含用于顯示線(xiàn)路阻抗的直觀(guān)可操作功能。容差模板使得做出通過(guò)/失敗(PASS/FAIL)聲明非常簡(jiǎn)單。下面介紹了一些簡(jiǎn)單的應用例子。

圖3呈現的是RG 405同軸電纜的反射圖，其中的同軸電纜分別按照組裝規范(1)和沒(méi)有按照組裝規范(2)裝配了SMA連接器。兩種RG 405電纜的線(xiàn)路阻抗Z0≈51.5Ω，連接器區域的過(guò)渡非常明顯。在錯誤安裝連接器的情況下，電容下降(朝低阻抗變形)是可見(jiàn)的。當外部和內部導體安裝靠得太近時(shí)這種效應會(huì )頻繁發(fā)生(也就是構建了一個(gè)電容)。