深入浅出谈TDR阻抗测试

 

Chrent为什么要测阻抗？

计算机、通信系统、视频系统和网络系统等领域的数字系统开发人员正面临着越来越快的时钟频率和数据速率，随之，信号完整性变得越来越重要。在当前的高工作速率下，影响信号上升时间、脉宽、时序、抖动或噪声内容的任何事物都会影响整个系统的性能和可靠性。为保证信号完整性，必须了解和控制信号经过的传输环境的阻抗。阻抗不匹配和不连续会导致反射，增加系统噪声和抖动，在整体上降低信号的质量。
 

阻抗控制是当前许多数字系统、元器件规范的一部分，如USB3.0、HDMI、PCI Express、DP、Serial ATA、XAUI等。业内已普遍使用仿真工具设计高速电路，仿真加快了设计周期，最大限度地减少了错误数量。但仿真之后，必须进行工程验证来检验仿真设计，其中就包括阻抗测量。

 

ChrentTDR原理

TDR是时域反射仪英文(Time Domain Reflectometry)的首字母缩写，用来测量信号在通过某类传输环境传导时引起的反射，如电路板走线、电缆、连接器、背板等。TDR是一种通用的时域测试技术，广泛应用于PCB、电缆、连接器、背板、IC 等测试领域。TDR可测传输线的特性阻抗，并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)。    

TDR通过向传输路径中发送一个阶跃脉冲信号，阶跃信号沿着传输线传输，当传输路径中阻抗发生变化，部分能量就会被反射，剩余的能量会继续传输。
 

 

TDR原理-Contd

利用仪器观测阶跃脉冲源输入点上的传输线信号，仪器上的波形以时间顺序显示入射和反射传播信号总和。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，就可以计算阻抗的变化。同时只要测量由发射波到反射波再到达发射点的时间差就可以计算阻抗变化的位置。    

传输线中的阻抗发生变化将导致阶跃脉冲信号的幅度变化

 

TDR如何计算阻抗

 

TDR单端阻抗

利用示波器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，可以在示波器的屏幕上显示一条TDR阻抗曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的特性阻抗。

 

TDR差分阻抗

差分阻抗是指在差分信号驱动下在两条线路中测量的阻抗。为提供真正的差分阻抗测量功能，TDR的两条通道中的通道提供了一个差分TDR的阶跃。

TDR在信号完整性SI(Signal Integrity)中的应用——Reflection(反射)    

 

TDR分辨率

阶跃脉冲的上升时间越快，可测的传输线长度越短，分辨率越高
 

实际分辨率(演示电路板，微带)   

 

如何改变TDR上升时间

为了与实际信号保持一致，很多规范要求，阻抗测量时TDR的上升时间与实际信号保持一致；外加不同上升时间的硬件滤波器来改变TDR的上升时间；利用示波器的Filter功能进行软件滤波改变TDR的上升时间得到相应的测试结果。

 

TDR探头

在TDR测试中，特别是PCB板的阻抗测试，需要通过探头将阶跃脉冲信号点测DUT以完成测试，TDR探头由探头前端、探头电缆等组成。

 

TDR和S参数转换

TDR是时域响应，S参数是频域响应，FFT后可以转换成频域的S参数。

 

 

ChrentTDR测量项目

差分阻抗、单端阻抗、串扰测试、信号传输时延delay、时滞Skew、上升时间、寄生电感/寄生电容、S参数、电缆/走线的长度、仿真眼图

 

TDR应用

TDR通过对反射现象的观察可以找到被测试线路中的不连续点，如短路、断路、过孔、走线宽度变化等。TDR也可以支持测量PCB走线、线缆的长度。
 

TDR是测量特性阻抗最简明的方式

PCB线路

电缆

多芯片模块

发现和测量阻抗不连续点或变化

在连接器中

PCB上的拐角和过孔

从连接器转到电路板/从电路板转到IC封装

 

 

Chrent取样示波器TDR和实时示波器TDR 

实时示波器TDR阻抗测试

测试结果对比

 

 

Chrent

VNA矢量网络分析仪
 

VNA是测量被测件(DUT)频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号(S21)或反射信号(S11)之间的矢量幅度得到测量结果；在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性；在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

 

VNA

VNA使用的是连续波(CW)信号。特定场景都要优先选择脉冲射频信号·可以表征S参数、匹配复数阻抗、以及进行时域测量等。

 

基于矢量网络分析仪VNA的TDR

VNA通常用于器件或传输线的S参数测试，是一种频域测试方法。它发出正弦波同时测量入射电压和反射电压的矢量比。正弦波的频率经过扫频，获得DUT对频率函数的响应。

测S参数时，实际上相当于给输入了不同频率的正弦波，得到对于所有正弦信号的频率响应之后，然后进行IFFT逆傅里叶变换，就能得到时域上的冲激函数，把冲激函数积分，即可得到阶跃的TDR信号。

时域vs频域；TDR vs VNA

VNA和TDR的比较    

S参数：VNA和TDR的比较

 

为什么选择TDR?

可重复的、准确的真正差分测量
 

比VNA更快、校准和使用更简便

支持检定、标准一致性检验和制造测试

直观的多用途平台，除S参数外，提供了直观的时域结果    

为满足串行数据要求专门设计的工具

 

基于TDR的解决方案与VNA比较-总结

基于TDR的解决方案的优势：
 

校准简便，因此：快速吞吐量、简便易用

在满足差分串行数据应用要求时成本要低25%-35%

基于TDR的解决方案已知的问题：

动态范围较低

基于TDR的解决方案最高70dB, 而传统VNA最高则达到100dB

70dB特别适合串行数据应用

典型测量范围为-10到-40dB