5．阻抗TDR測試

隨著數字電路工作速度的提高，PCB板上信號的傳輸速率也越來越高。隨著數據速率的提高，信號的上升時間會更快。當快上升沿的信號在電路板上遇到一個阻抗不連續點時就會產生更大的反射，這些信號的反射會改變信號的形狀，因此線路阻抗是影響信號完整性的一個關鍵因素。對于高速電路板來說，很重要的一點就是要保證在信號傳輸路徑上阻抗的連續性，從而避免信號產生大的反射。相應地，例如，PCI-Express和SATA等總線標準都需要精確測量傳輸線路的阻抗。

要進行阻抗測試的一個快捷有效的方法就是TDR（Time Domain Reflectometry，時域反射計）方法。TDR的工作原理是基于傳輸線理論，工作方式有點像雷達，如圖2.18所示。當有一個階躍脈沖加到被測線路上，在阻抗不連續點就會產生反射，已知源阻抗Z0，則根據反射系數ρ就可以計算出被測點的阻抗ZL。

最普遍使用的TDR測量設備是在采樣示波器的測量模塊中增加一個階躍脈沖發生器。階躍脈沖發生器發出一個快上升沿的階躍脈沖，同時接收模塊采集反射信號的時域波形。如果被測件的阻抗是連續的，則信號沒有反射，如果有阻抗的變化，就會有信號反射回來。根據反射回波的時間可以判斷阻抗不連續點距接收端的距離，根據反射回來的幅度可以判斷相應點的阻抗變化。圖2.19是一款50GHz帶寬的TDR測量模塊的內部電路，其中包含了一個6ps的階躍信號發生器。

圖2.20是用采樣示波器對一個測試夾具進行TDR測試后得到的波形，可以看到，TDR得到的反射波形的變化直觀反映了被測通路上阻抗的變化情況，這對于分析阻抗不連續點以及優化阻抗設計非常有幫助。

當選擇TDR設備進行阻抗測試時，需要考慮的主要因素是：階躍脈沖的上升時間、接收機帶寬、測量通道數、分析功能及誤差修正能力等。

首先，TDR測試主要用于分辨信號走線路徑上各個點的阻抗變化情況，但當兩個阻抗不連續點的反射波形在時間上離得太近時，就很難分清是一個點還是兩個點（見圖2.21）。根據IPC-TM-650規范的定義，TDR系統的時間分辨率定義為TDR系統的上升時間的一半，而距離分辨率為其時間分辨率對應的傳輸距離。需要注意的是，在IPC-TM-650規范中，這個時間分辨率是以兩個阻抗不連續點間單向的傳輸時間定義的，實際測試中考慮到信號往返的時間，其在真實的TDR波形上對應的時間分辨率其實是其兩倍，也就是系統的上升時間。

當然，還可以進一步把這個時間分辨率折算到距離分辨率，以FR4板材的微帶走線為例，其信號傳輸速度約為2×108m/s，則100ps的系統上升時間對應的距離分辨率為10mm，如果要區分更小的距離，就需要使用邊沿更陡的TDR測試系統。另外，即使不需要分辨很短距離的兩個阻抗不連續點，如果要測試的PCB走線長度較短，也會對TDR測試系統的上升時間有要求，以保證在反射波形中有一段比較平坦的可供測量的區域。在IPC-TM-650規范中把TDR系統能夠測量的最短PCB走線的長度定義為4倍的時間分辨率對應的走線長度。同樣以FR4板材的微帶線為例，如果要測試的PCB走線長度小于40mm，也需要使用上升時間小于100ps的TDR測試系統。正因為這個原因，很多PCB或者電纜的阻抗測試規范中都會對均勻測試線的長度有一個最小的要求，或者要求選擇一段特定位置的均勻阻抗區域進行測試。

關于上升時間還有一點需要注意的是，并不是上升時間越快越好。系統上升時間越陡帶來的好處是時間或距離分辨率更好，但是在實際測量時，由于接觸點電感效應，陡的邊沿引起的振蕩或者阻抗不連續點處的反射也會更加強烈，因此一般測量時會選擇與實際工作信號類似或略快的上升時間進行阻抗測試。

其次，要注意前面提到的系統上升時間，并不僅僅是指TDR測試系統內部的階躍信號發生器的上升時間，而是指階躍信號發生器的上升時間和接收采樣模塊組成的系統的上升時間。對于很多TDR測量模塊來說，其接收模塊本身的上升時間與階躍信號發生器的上升時間可能是不一樣的。例如有兩款50GHz的TDR測量模塊，雖然其接收模塊的帶寬都為50GHz，接收模塊對應的上升時間都為7ps；但是其階躍信號發生器的上升時間卻有可能不一樣，可能一款為12 ps而另一款為6 ps。對于這種情況，有時儀器廠商會給出校準后的系統上升時間，如果沒有給出，可以根據以下公式近似估算測量系統的上升時間。

除了上升時間和帶寬因素外，根據實際測試需要還要選擇合適的通道數及校準方法。

通常來說，如果要做差分的TDR阻抗測量，有2個測試通道就夠了；但如果還要做傳輸參數（例如差分插入損耗）的測量，就需要4個測試通道；如果同時還要做2個或多個差分通道間的串擾測試，就可能需要8個甚至更多的測量通道。

另外，階躍發生器直接發出的階躍脈沖可能會有一些過沖或者振蕩，用于接收TDR反射波形的示波器帶寬可能也是有限的，更普遍的情況是實際使用測試電纜也是有損耗的，這些都會造成注入被測件或反射回來的波形的失真。為了對這些因素進行修正，很多TDR測試設備中也借鑒了矢量網絡分析儀的校準技術，可以通過連接標準開路、短路、直通件進行系統的頻響修正。當通道數比較多時，校準步驟會非常煩瑣且容易出錯，所以現代的TDR設備還借鑒了矢量網絡分析儀中電子校準件的技術，可以通過USB口控制電子校準件的內部負載切換，快速完成多個通道的校準工作。需要注意的是，TDR設備中使用的電子校準件與矢量網絡分析儀的工作原理類似，但結構上還是有區別的，最重要的是TDR設備發出的是直流階躍脈沖，因此其校準件也是從直流開始工作的，而矢量網絡分析儀的校準件是不能用于直流場合的。圖2.22是16通道的TDR測量系統及相應的電子校準件。

除了這些硬件功能外，現代的TDR設備的軟件功能也更加豐富（見圖2.23），例如友好的設置向導可以快速管理和校準多個測量通道；S參數轉換功能可以方便從頻域觀察信號的插入損耗、回波損耗以及串擾等；測試通道的去嵌入功能可以消除測試電纜或某一段PCB走線的影響（前提是知道相應通道的S參數模型）；而來自于現代矢量網絡分析儀中的自動夾具移除（Automatic Fixture Removal, AFR）功能則可以在不專門設計校準件的情況下快速進行測試夾具修正。這些功能都大大擴展了TDR設備的應用領域和靈活性。