作者： Dr. Thorsten Sokoll， Dr. Ove Schimmer

寬帶阻抗受控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給中心電子構(gòu)建部件——印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)師、制造商和質(zhì)量保證管理人員提出了艱巨的挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)不是源于缺乏電磁設(shè)計(jì)知識(shí)，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(shù)（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(dǎo)致幾何上的不勻稱，進(jìn)一步增加了不確定性的來(lái)源。然而，為了滿足規(guī)定的容差，許多PCB制造商提供對(duì)線路阻抗的檢查服務(wù)，繼而要求額外的阻抗測(cè)試板。這些測(cè)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)際感興趣傳輸線的特性。在最壞的情況下，被測(cè)的測(cè)試板可能在規(guī)定范圍內(nèi)，但實(shí)際感興趣的傳輸線卻不滿足要求。

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(shè)計(jì)參數(shù)變化（比如層的改變，到GND平面、PCB邊界或其它傳輸線的距離太短）也時(shí)有發(fā)生，最終導(dǎo)致不可容忍的傳輸線阻抗波動(dòng)。阻抗波動(dòng)的后果是時(shí)鐘沿劣化，出現(xiàn)碼間干擾，進(jìn)而造成不可接受的誤碼率，最終導(dǎo)致性能劣化甚至系統(tǒng)故障。

通過(guò)時(shí)域反射法（TDR）能以很高的精度確定線路阻抗。TDR技術(shù)從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始使用了，主要用于檢測(cè)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(cè)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(shù)據(jù)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(cè)量系統(tǒng)框圖。

基本的測(cè)量原理是這樣的：電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，通過(guò)適配器、電纜和探針傳到待測(cè)設(shè)備（DUT）。當(dāng)在待測(cè)設(shè)備的整個(gè)長(zhǎng)度上時(shí)發(fā)生相互作用時(shí)，信號(hào)將經(jīng)歷部分反射，并傳回檢測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)設(shè)備波形阻抗的空間測(cè)量。許多人從雷達(dá)應(yīng)用中了解這種基本原理，因此也常把TDR稱為電纜雷達(dá)。

階躍信號(hào)的上升時(shí)間tr確定了空間分辨率，因此應(yīng)該盡可能短（對(duì)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(duì)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(hào)分離器或耦合器。這種好處是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)閷拵盘?hào)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(shù)據(jù)記錄單元，這個(gè)單元通常是用微處理器或FPGA實(shí)現(xiàn)。

高頻TDR設(shè)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(jī)的采樣技術(shù)。與頻閃儀相似，這些設(shè)備憑借合理的技術(shù)可以記錄快速變化的周期性信號(hào)。數(shù)據(jù)處理和可視化任務(wù)一般在PC上執(zhí)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(cè)量物體到TDR的適配是一個(gè)要求很嚴(yán)的任務(wù)。舉例來(lái)說(shuō)，差分阻抗測(cè)量必須使用高精度的相位匹配電纜和探針。如果不能滿足這個(gè)要求，偶數(shù)模式和奇數(shù)模式轉(zhuǎn)換將降低測(cè)量精度。另外，探針的頭應(yīng)該設(shè)計(jì)得與待測(cè)設(shè)備阻抗相匹配，才能實(shí)現(xiàn)可能最高精度的測(cè)量。

市場(chǎng)上的不同系統(tǒng)

在越來(lái)越快的數(shù)字世界中，線路阻抗的測(cè)量業(yè)已表明是目前最重要的TDR應(yīng)用。圖2顯示了對(duì)無(wú)干擾（綠色曲線）和有干擾（紅色曲線）傳輸線的這種空間分辨式測(cè)量例子。

圖2：正確安裝SMA連接器（1，綠）和錯(cuò)誤安裝SMA連接器（2，紅）時(shí)RG 405同軸電纜的反射圖。

只有傳輸路徑上所有元件（不僅包括蝕刻線，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(xiàn)無(wú)反射的信號(hào)傳輸，從而得到最高的比特率。因此，在評(píng)估差分和單端線的信號(hào)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型的差分TDR系統(tǒng)（DTDR）中選擇一種用于阻抗控制：從極具成本效益的系統(tǒng)到特別昂貴的系統(tǒng)。一些著名的測(cè)量技術(shù)制造商提供高精度的高端TDR系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以在高速示波器領(lǐng)域找到，一般都結(jié)合了必要的附件，如（D）TDR探針。這些設(shè)備非常適合用來(lái)測(cè)量高達(dá)20Gbit/s及以上的傳輸系統(tǒng)。然而對(duì)高端設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，阻抗控制似乎只是一個(gè)利基市場(chǎng)。因此他們不提供專用的工業(yè)化解決方案，潛在用戶在達(dá)到最終的“阻抗測(cè)量”目標(biāo)之前很快會(huì)迷失在無(wú)數(shù)普通的射頻測(cè)量技術(shù)之中。此外，由于其高性能和通用性，所有這些系統(tǒng)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(xù)使用時(shí)。

在工業(yè)和特殊產(chǎn)品測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域可以發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)程序。這些設(shè)備及相關(guān)軟件針對(duì)測(cè)量測(cè)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(nèi)部隨機(jī)傳輸線的設(shè)計(jì)與測(cè)試，理由是缺少合適的探針——更糟糕的是——太慢的信號(hào)上升時(shí)間tr導(dǎo)致太小的信號(hào)帶寬，繼而只允許對(duì)最小長(zhǎng)度約10cm的線進(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(shù)不多的極具成本效益的（D）TDR設(shè)備。這樣進(jìn)一步購(gòu)買組件（TDR探針和相位調(diào)整電纜）一般就能滿足技術(shù)上的先決條件。不過(guò)在這種情況下，必須在數(shù)據(jù)記錄、誤差減小、阻抗計(jì)算和結(jié)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(tǒng)，用于判斷魚肉的質(zhì)量。在與德國(guó)PCB制造商Elekonta Marek GmbH的合作過(guò)程中，現(xiàn)有的基本技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為很高性能的系統(tǒng)（Sequid DTDR-65），能夠滿足阻抗控制測(cè)量的所有需求。這是一種高穩(wěn)定的差分時(shí)域反射計(jì)，適合速率高達(dá)10Gbit/s的差分和單端傳輸線的阻抗測(cè)量。這種儀器具有65ps的階躍信號(hào)發(fā)生器，因此支持對(duì)測(cè)試板和實(shí)際電路的高分辨率測(cè)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(shè)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家也能順利完成阻抗的測(cè)量。這種解決方案不僅包含基本功能（比如設(shè)備控制），還包含用于顯示線路阻抗的直觀可操作功能。容差模板使得做出通過(guò)/失?。≒ASS/FAIL）聲明非常簡(jiǎn)單。下面介紹了一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用例子。

圖3呈現(xiàn)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(guī)范（1）和沒(méi)有按照組裝規(guī)范（2）裝配了SMA連接器。兩種RG 405電纜的線路阻抗Z0≈51.5Ω，連接器區(qū)域的過(guò)渡非常明顯。在錯(cuò)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(dāng)外部和內(nèi)部導(dǎo)體安裝靠得太近時(shí)這種效應(yīng)會(huì)頻繁發(fā)生（也就是構(gòu)建了一個(gè)電容）。

圖3：正確安裝SMA連接器（1，綠）和錯(cuò)誤安裝SMA連接器（2，紅）時(shí)RG 405同軸電纜的反射圖。

圖4顯示了4層印刷測(cè)試電路上的差分傳輸線的阻抗曲線。傳輸路徑一開(kāi)始是第一層（頂層）中的微帶線，然后通過(guò)一個(gè)過(guò)孔轉(zhuǎn)到第二層，此時(shí)仍然是微帶線，再通過(guò)第二個(gè)過(guò)孔回到第一層表面。這個(gè)路線經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)，最終在第一層終止。顯然這個(gè)測(cè)試電路不能達(dá)到100Ω的目標(biāo)阻抗：微帶線和帶狀線的特征阻抗分別是Z0≈120Ω和Z0≈110Ω。從這張圖中可以明顯看出，過(guò)孔的電容因素會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際系統(tǒng)中的信號(hào)完整性，尤其是在高數(shù)據(jù)速率時(shí)更甚。

圖4：在FR4基板的兩個(gè)不同層上布線的差分線反射圖。

作為最后一個(gè)例子，圖5顯示了USB 3.0連接器和電纜的反射圖。USB 3.0組件的額定阻抗是Z0=90Ω±7Ω。TDR設(shè)備仍然工作在100Ω的參考阻抗上（時(shí)間范圍t《12.2ns）。從測(cè)試適配器到USB 3.0連接器的轉(zhuǎn)換引起的第一次反射發(fā)生在大約12.3ns，正如預(yù)期的那樣與所有測(cè)量一致。曲線3（綠色）代表開(kāi)放式適配器的結(jié)果，其中的快速阻抗上升指示適配器的（高阻抗）末端。曲線4和5（紅色和藍(lán)色）代表兩種不同的USB 3.0電纜組件，每個(gè)組件由一個(gè)適配器和一個(gè)后續(xù)電纜組成。雖然電纜都在規(guī)范之內(nèi)，但適配器不符合規(guī)范。特別是紅色曲線表明最大阻抗約為122Ω，產(chǎn)生了嚴(yán)重反射，進(jìn)而可能導(dǎo)致USB 3.0控制器降低數(shù)據(jù)速率。

總之，所有例子清楚地表明，開(kāi)發(fā)人員能夠利用DTDR-65直觀深入地觀察傳輸路徑。開(kāi)發(fā)人員和質(zhì)檢人員的任務(wù)通常包含對(duì)所獲得的結(jié)果進(jìn)行容易理解的歸檔。這項(xiàng)任務(wù)非常重要，但遺憾的是非常耗時(shí)，而且單調(diào)乏味。不過(guò)這種不受歡迎的工作現(xiàn)在可以用內(nèi)置的自動(dòng)化報(bào)告生成工具極大地簡(jiǎn)化，只需幾次點(diǎn)擊就能形成圖形化和統(tǒng)計(jì)性的擴(kuò)展性評(píng)估結(jié)果。另外，對(duì)大多數(shù)普通線路類型來(lái)說(shuō)還可以使用在線阻抗計(jì)算器。

圖5：帶開(kāi)放電路（3）和兩個(gè)不同USB 3.0電纜組件（4和5）的USB 3.0適配器的反射圖。

支持廣泛應(yīng)用

必要的附件包含了高質(zhì)量的相位調(diào)整過(guò)的同軸電纜以及TDR探針，可用于不同類型應(yīng)用：工業(yè)探針用于生產(chǎn)過(guò)程中的系列測(cè)量，高精度探針用于研發(fā)——見(jiàn)圖6。DTDR-65還具有卓越的電磁屏蔽性能，完全可以在電池供電的移動(dòng)應(yīng)用中使用。

圖6：用于時(shí)域反射計(jì)DTDR-65的不同探針和附件。

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