TDR阻抗測量如何工作

2021-04-25

TDR阻抗測量如何工作

測量阻抗并檢查PCB走線(xiàn)不同點(diǎn)的故障和不連續性并非易事。這是因為阻抗是交流特性，無(wú)法像電阻一樣進(jìn)行測量。時(shí)域反射儀（TDR）阻抗測量對于確保PCB設計中的信號完整性至關(guān)重要。 TDR將脈沖饋送到測試試樣上的PCB跡線(xiàn)/傳輸線(xiàn)上。然后，它通過(guò)分析反射波形的幅度變化來(lái)測量特性阻抗。請注意，只有在注入的脈沖在其路徑上經(jīng)歷任何不連續性時(shí)，TDR才會(huì )觀(guān)察反射。如果沒(méi)有間斷或無(wú)故障，脈沖將被傳輸線(xiàn)遠端提供的終端吸收，因此不會(huì )產(chǎn)生反射。但是，這是一個(gè)理想的情況。使用TDR圖表顯示阻抗的任何變化。

什么是時(shí)域反射儀（TDR）？

時(shí)域反射儀（TDR）是一種電子設備，它使用反射波形來(lái)解密PCB跡線(xiàn)，電纜，連接器等的特征阻抗。它檢查連接器，PCB或任何其他電氣路徑中的電氣不連續性。讓我們討論一些重要的TDR功能。

速度系數（ V F ）

對于TDR操作，必須知道通過(guò)PCB走線(xiàn)的信號脈沖速度。使用V F， TDR將反射脈沖花費的時(shí)間轉換為距離。V F是PCB走線(xiàn)上的脈沖速度與光速的比率。

準確性

TDR精度取決于速度因子（V F）。最好從兩端測試跡線(xiàn)。

輸出脈沖電平

可以改變輸出脈沖電平以幫助定位不連續點(diǎn)。較小的走線(xiàn)路徑不連續以及傳輸線(xiàn)遠端的走線(xiàn)都將需要較高的脈沖電平。近端故障處的高脈沖能量將使所顯示跡線(xiàn)的大部分失真，因此將需要較低的脈沖電平。 

范圍

最初，最好將范圍設置為超出預期的走線(xiàn)長(cháng)度，以便可以看到完整的圖片。如果TDR顯示屏上沒(méi)有大故障，則可能會(huì )錯過(guò)。 

自動(dòng)故障查找

許多TDR具有自動(dòng)設施，可以幫助您識別某些故障。還必須手動(dòng)使用TDR，以從儀器中獲得最大收益。

影響TDR分辨率的因素

如果TDR系統的分辨率不足，則可以將小的或緊密間隔的不連續性一起平滑化為波形中的單個(gè)像差。這種影響不僅可能掩蓋了某些不連續性，而且還可能導致阻抗測量和讀數不準確。

TDR阻抗測量中的上升時(shí)間

來(lái)自信號路徑中任何不連續的反射的上升時(shí)間等于或慢于入射脈沖的上升時(shí)間。電路路徑上兩個(gè)不連續點(diǎn)之間的間距決定了它們的反射在TDR波形上的定位程度。很難測量?jì)蓚€(gè)不連續點(diǎn)的距離是否小于系統上升時(shí)間的一半。 T分辨率=?（T R（系統））

通過(guò)TDR測量控制上升時(shí)間

在大多數情況下，最快的上升時(shí)間是可取的，但是有時(shí)，快速上升時(shí)間會(huì )使TDR產(chǎn)生令人困惑的結果。 讓我們舉一個(gè)例子：如果我們測試上升35ps的微帶線(xiàn)的阻抗，它會(huì )提供良好的分辨率。但是，即使是最高速度的邏輯系列也無(wú)法匹配TDR步驟的35ps上升時(shí)間。典型的發(fā)射極耦合邏輯系列（ECL）的輸出上升時(shí)間范圍為200ps至2ns。微帶中的小不連續部分（例如，短截線(xiàn)或尖角）產(chǎn)生的反射將非常明顯，并且可能會(huì )在上升時(shí)間為35ps時(shí)產(chǎn)生大的反射。

另一方面，由ECL驅動(dòng)且上升時(shí)間為1ns的同一條傳輸線(xiàn)可能會(huì )產(chǎn)生可忽略的反射。 可以通過(guò)折衷實(shí)際操作信號所需的環(huán)境來(lái)糾正誤導性的阻抗讀數。通常最好看到傳輸線(xiàn)的TDR對上升時(shí)間的響應類(lèi)似于實(shí)際的電路操作。為此，某些TDR測量系統提供了一種增加入射脈沖的表觀(guān)上升時(shí)間的方法。

TDR阻抗測量中的邊沿速度

阻抗是在脈沖的平坦頂部而不是邊緣測量的。那么，邊緣速度的相關(guān)性是什么？邊緣速度的確決定了測量分辨率：即，快速邊緣將顯示出短暫的間斷；較慢的邊緣只能看到較長(cháng)的不連續性。但是，由于快速邊沿確實(shí)會(huì )響應短的不連續性，因此它們對探針尖端，信號注入墊和過(guò)孔的不連續性以及注入點(diǎn)處測試走線(xiàn)的不連續性（通常）有很大的反應。例如，差分對擴展到探頭墊。這導致波形像差，這些像差通常會(huì )掩蓋或扭曲測量波形的測試區域。

像差或振鈴對TDR阻抗測量的影響

像差就像先入為主的概念。振鈴是入射脈沖中像差的一個(gè)示例。像差在入射脈沖之前達到不連續點(diǎn)并開(kāi)始產(chǎn)生反射。這些早期反射會(huì )降低TDR分辨率，從而導致間隔不緊密的不連續性無(wú)法識別。

影響TDR測量精度的因素

有幾個(gè)因素會(huì )影響TDR阻抗測量系統的準確性。

參考阻抗

所有TDR阻抗測量都是通過(guò)將反射脈沖幅度與入射脈沖幅度進(jìn)行比較來(lái)完成的，并以歐姆或rho為單位提供結果。但是，整個(gè)測量過(guò)程取決于參考阻抗（ Z o ）的精度。例如，某些TDR模塊使用連接器作為穩定的阻抗參考來(lái)計算反射系數。

步幅和基線(xiàn)校正

現代TDR儀器會(huì )定期監視基線(xiàn)和入射步幅。它允許對TDR系統進(jìn)行自動(dòng)補償，即使步進(jìn)幅度偏移漂移，也適用于非?？芍貜偷臏y量。

入射脈沖的像差

如果脈沖與被測線(xiàn)相比在短時(shí)間內沒(méi)有穩定下來(lái)，則入射脈沖像差會(huì )在測量反射脈沖的準確幅度時(shí)引起錯誤。

噪音

隨機噪聲在進(jìn)行小阻抗變化測量時(shí)會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題?，F代TDR測量?jì)x器使用信號平均技術(shù)來(lái)減少隨機噪聲的影響。但是平均會(huì )降低TDR系統的處理速度。

互連精度

互連組件和探頭到DUT的接口也會(huì )產(chǎn)生反射，并可能產(chǎn)生感應反射。這些反射必須穩定下來(lái)以確保測量精度。最好使探頭尖端和接地線(xiàn)短，以免發(fā)生此類(lèi)問(wèn)題。

電纜損耗

由于測試電纜較長(cháng)，因此DUT阻抗看起來(lái)高于其實(shí)際值。而且，入射脈沖到達電纜末端時(shí)，其上升時(shí)間和穩定時(shí)間會(huì )降低。這是電纜損耗如何影響TDR測量精度的原因，因為入射階躍的有效幅度與預期的不同。當DUT阻抗接近50歐姆時(shí)，可以忽略這種幅度誤差，但是對于更大或更小的阻抗，必須考慮到這一點(diǎn)。

TDR測試以進(jìn)行阻抗測量

TDR測試儀將信號入射到測試試樣上的PCB導體上，以測量其穿過(guò)傳輸介質(zhì)時(shí)的反射。如果導體具有均勻的阻抗并正確端接，則反射將為零，并且入射脈沖將被端接吸收到遠端。 

相反，如果存在阻抗變化，則某些入射信號將被反射回源（在這種情況下為TDR）。TDR將這些反射與由標準阻抗產(chǎn)生的反射進(jìn)行比較。這就是確定信號路徑中不連續阻抗的方式。到反射阻抗的距離也可以根據脈沖返回所需的時(shí)間來(lái)計算。

TDR阻抗測量如何完成？

TDR需要兩條平行運行的導線(xiàn)來(lái)識別阻抗的變化。任何連接，電纜/走線(xiàn)類(lèi)型，電纜/走線(xiàn)中斷或故障都會(huì )導致阻抗值變化。每種類(lèi)型的更改都會(huì )對TDR顯示產(chǎn)生不同的影響。正反射將表示較高的阻抗值，而低反射將表示較低的阻抗值。

基本的TDR操作。

TDR阻抗測量存在局限性。最短系統 上升時(shí)間?？偵仙龝r(shí)間由驅動(dòng)脈沖和 監視反射的示波器或采樣器的總上升時(shí)間組成 。重要的事實(shí)是走線(xiàn)的特性阻抗實(shí)際上不會(huì )隨頻率變化，而是走線(xiàn)結構的固有特性。

時(shí)域或頻域。哪個(gè)才是真正的游戲規則改變者？

TDR是時(shí)域反射儀。它不在頻域中運行。脈沖中存在的高頻諧波主要體現在上升（或下降）邊沿速度上。但是，阻抗是在脈沖的平坦頂部而不是邊緣測量的。 在上升時(shí)間較快的脈沖的情況下，與上升時(shí)間較慢的脈沖相比，傅立葉變換顯示出更高的頻率諧波。盡管在時(shí)域中進(jìn)行測試時(shí)，所有脈沖諧波都會(huì )一起反射，并且反射是其所有頻率的組合。

對于頻率測試，您必須使用頻域測試儀，例如VNA，它將使正弦波掃過(guò)一系列頻率并在特定頻率下執行測試。通常，這是為了確定那些頻率下的信號損失。由于可能的缺點(diǎn)，電路板制造廠(chǎng)通常不使用VNA。即，前端是脆弱的并且容易損壞，并且它需要熟練的操作者的手動(dòng)干預。同樣，結果從一個(gè)用戶(hù)到下一個(gè)用戶(hù)也有所不同，所涉及的時(shí)間通常是幾秒到幾分鐘。

另一方面，可以使TDR更加健壯，供不熟練的操作員使用，并在不到一秒鐘的時(shí)間內進(jìn)行測量和計算。它可以使一個(gè)用戶(hù)到另一個(gè)用戶(hù)獲得可重復的結果，并且可以輕松地編程測試參數，而無(wú)需用戶(hù)干預。 從理論上講，線(xiàn)路阻抗會(huì )迅速下降到穩定水平，如下圖所示。Er可能隨頻率降低；請參閱下面給出的頻率相關(guān)參數表。

單端偏移50ohm帶狀線(xiàn)。

介電常數Er隨頻率的增加而降低，如下表所示，但由于Z o與Er的平方根成反比，因此對阻抗的影響最小。這只是一個(gè)沒(méi)有名字的產(chǎn)品的典型表。4.2的根= 2.0494，3.98的根= 1.995：僅變化2.7％。

該表顯示了與頻率有關(guān)的參數。

在依賴(lài)于頻率的求解器中使用此數據，走線(xiàn)的阻抗看起來(lái)像這樣（請注意，額外的1.5ohms以及在800kHz左右幾乎平坦的事實(shí)）。

使用頻率相關(guān)的求解器時(shí)，示例走線(xiàn)的阻抗。

您可能想知道為什么它最初會(huì )下降。這是因為跡線(xiàn)橫截面中的電流分布開(kāi)始偏向面向參考平面的跡線(xiàn)側，而不是在四個(gè)表面周?chē)鶆虻胤植?。因此，靠近基準平面移?dòng)可減小環(huán)路電感并增加視在電容，兩者都傾向于減小阻抗。 額外的1.5ohms是由于銅電導率（或電阻率，如果您愿意）和趨膚深度（幾千赫茲以上）引起的。

阻力表現為向上傾斜。

該電阻在TDR跡線(xiàn)上沿顯示器的長(cháng)度顯示為向上傾斜（跡線(xiàn)越長(cháng)，電阻越大）。 正如我提到的關(guān)于優(yōu)惠券的問(wèn)題，一些OEM與我討論了將專(zhuān)用測試或“虛擬”走線(xiàn)包含在完整的裸露電路板中，以進(jìn)行板載阻抗測量的問(wèn)題。他們希望這樣做的原因是，由于樣板在面板上的物理位置，使得樣板邊緣的樣板可能無(wú)法充分，準確地表示板載跟蹤條件。虛擬軌跡由于位于同一位置，因此可以更準確地表示板載尺寸和環(huán)境，它們確實(shí)具有其他潛在優(yōu)勢，但也存在自身的問(wèn)題。

考慮以下問(wèn)題：

如何在不影響電路板其余部分的情況下將參考平面綁在一起？在使用中，電路板帶有耦合電容器，并連接到阻抗非常低的電源。

將寶貴的電路板空間用于每個(gè)電路板上的走線(xiàn)和測試點(diǎn)，從而增加了制造成本。

在每塊板上測試跡線(xiàn)（如果不打算對每個(gè)板塊進(jìn)行測試，那么每塊板的測試跡線(xiàn)又有什么意義呢？）又導致成本增加。

在測試區域中不太容易處理。

跡線(xiàn)配置（雜散等）可能會(huì )引入不需要的和誤導的波形偽像。

實(shí)際上不可能對探針進(jìn)行跡線(xiàn)和參考平面的適當訪(fǎng)問(wèn)。

簡(jiǎn)而言之，板上帶狀線(xiàn)走線(xiàn)旨在在加載和供電時(shí)達到目標阻抗。這些條件在裸板上并不常見(jiàn)，因此，除非為此目的設計了測試走線(xiàn)，否則板上的測量可能會(huì )產(chǎn)生很大的誤導性（讀?。鹤杩垢哂谀繕酥担?。因此，使用優(yōu)惠券。 電路板制造商更容易在構建過(guò)程中測試帶狀線(xiàn)，因為在構建過(guò)程中的某個(gè)階段，每條帶狀線(xiàn)都是一個(gè)微帶（層壓之前）。在此過(guò)程中，更容易測試走線(xiàn)和單個(gè)參考平面。閱讀微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)有什么區別？

現場(chǎng)求解器可以在構建的此過(guò)渡階段預測走線(xiàn)的阻抗。如果按照設計準確地完成了隨后的疊片，則將達到最終的目標阻抗。 TDR測量給出了反射的平均高度。讓我們看看添加高頻諧波時(shí)平均脈沖高度如何變化： 下圖顯示了基波及其三次諧波的添加：

當添加更多的高頻諧波時(shí)，平均脈沖高度會(huì )發(fā)生變化。

如果添加了五次諧波：

當添加5次諧波時(shí)，平均脈沖高度會(huì )發(fā)生變化。

現在，所有高達23次的諧波都被添加了。

當添加多達23次諧波時(shí)，平均脈沖高度會(huì )發(fā)生變化。

讓我們看一下在加法之前分量正弦波達到23次諧波的情況：

分量正弦波高達23次諧波。

我們可以得出結論，增加高次諧波可使反射更加平坦，而不會(huì )改變其幅度。

TDR阻抗測量的反射系數

TDR阻抗測量是根據反射系數定義的。術(shù)語(yǔ)“ρ”是反射脈沖幅度與入射脈沖幅度之比。閱讀我們的文章，了解如何限制PCB傳輸線(xiàn)中的阻抗不連續和信號反射。

對于固定終端（'Z L '），ρ=（V反射/ V入射），可以根據傳輸線(xiàn)的特性阻抗（Z o）和負載阻抗（Z L）來(lái)指定ρ 。

V反射/ V入射=（Z L -Z o）/（Z L + Z o）

現在，我們可以添加值以檢查匹配負載，短路和開(kāi)路負載的情況。在此，ρ的取值范圍在+1到-1之間，其中“ 0”表示匹配的負載條件。

一種。    如果Z L = Z o，則負載匹配。V Reflected等于0，并且ρ也等于0。

ρ=（V反射/ V入射）= 0 / V = 0

b。Z L = 0表示短路。這意味著(zhù)V Reflected和V Incident極性相等。   

ρ=（V反射/ V入射）= -V / V = -1

C。 Z L =∞ 表示開(kāi)路。這意味著(zhù)V Reflected和V Incident極性相同。 

ρ=（V反射/ V入射）= V / V = 1

傳輸線(xiàn)和負載的阻抗計算

Z L = Z o（（1 +ρ）/（1-ρ））

TDR阻抗測量值可以在垂直量級上以伏特，歐姆或ρ來(lái)顯示，在水平軸上以時(shí)間來(lái)顯示。 使用各種阻抗和端接檢查下面給出的TDR結果。

開(kāi)路，短路，匹配和不匹配的終端。

電容性和電感性負載終端和不連續性。

串聯(lián)-并聯(lián)和并聯(lián)-串聯(lián)電容/電感負載。

如何使用TDR檢查PCB走線(xiàn)不連續？

下圖中給出的波形是理想脈沖通過(guò)傳輸介質(zhì)傳播的結果。TDR設置可產(chǎn)生具有快速上升時(shí)間的精確控制的脈沖?，F在讓我們沿著(zhù)相同的傳輸路徑發(fā)送數據脈沖。數據脈沖像差將在傳輸路徑中遇到多個(gè)不連續點(diǎn)，從而導致隨機，間歇性問(wèn)題。這就是執行TDR阻抗測量以獲得更好的信號完整性（校正不連續性之后）的原因。閱讀導致PCB信號完整性問(wèn)題的9個(gè)因素。

TDR測量可提供更好的信號完整性。

差分傳輸線(xiàn)的TDR阻抗測量

大多數高速設計使用差分傳輸線(xiàn)方法。單端TDR阻抗測量技術(shù)也適用于差分傳輸線(xiàn)。與傳輸線(xiàn)的特征阻抗和傳播速度相關(guān)的傳播有兩種獨特的模式，也稱(chēng)為奇數模式和偶數模式阻抗。這里是一些測量差分阻抗的技巧。

通過(guò)計算一條線(xiàn)路上的阻抗，而互補信號驅動(dòng)另一條線(xiàn)路，可以測量奇數模式阻抗。

差分阻抗是在兩條線(xiàn)被差分驅動(dòng)的情況下測量的。

差分阻抗是奇數模式阻抗的兩倍。

偶數模式阻抗是在一條線(xiàn)路上測量的，而等效信號則在另一條線(xiàn)路上進(jìn)行測量。

共模阻抗定義為并聯(lián)連接的線(xiàn)路的阻抗，是偶數模式阻抗的一半。

TDR模塊為兩個(gè)通道中的每個(gè)通道提供一個(gè)極性可選的步進(jìn)脈沖，以測量準確的差分阻抗。通過(guò)這種方法，差動(dòng)系統實(shí)際上可以被差分驅動(dòng)。分別獲取差分線(xiàn)各側的響應并將其評估為差分量。通過(guò)將TDR系統設置為具有互補入射階躍并使用歐姆單位，將兩個(gè)通道相加會(huì )產(chǎn)生差分阻抗。

時(shí)域反射儀（TDR）測試為表征單端和差分傳輸線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )的阻抗提供了一種方便而強大的方法。TDR利用了以下事實(shí)：傳輸線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò )中阻抗的任何變化都會(huì )引起反射，該反射是不連續幅度的函數。 具有現代TDR功能的儀器會(huì )自動(dòng)比較入射和反射幅度，以直接讀取共模和差分阻抗的阻抗，反射系數和時(shí)間。

此外，儀器內置的波形數學(xué)功能可以在用戶(hù)選擇的上升時(shí)間內自動(dòng)顯示TDR結果。這使得可以看到DUT對在最終應用中將遇到的信號的響應。通過(guò)采用一致的程序，靜態(tài)保護和良好的測量習慣，您將獲得穩定和準確的TDR結果。 我們可以得出結論，如果rho = 0且TDR結果沒(méi)有報告反射，則跡線(xiàn)沒(méi)有間斷。