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走線不同點的故障和不連續性并非易事。這是因為阻抗是交流特性，無法像電阻一樣進行測量。時域反射儀（TDR）阻抗測量對于確保PCB設計中的信號完整性至關重要。 TDR將脈沖饋送到測試試樣上的PCB跡線/傳輸線上。然后，它通過分析反射波形的幅度變化來測量特性阻抗。請注意，只有在注入的脈沖在其路徑上經歷任何不連續性時，TDR才會觀察反射。如果沒有間斷或無故障，脈沖將被傳輸線遠端提供的終端吸收，因此不會產生反射。但是，這是一個理想的情況。使用TDR圖表顯示阻抗的任何變化。

什么是時域反射儀（TDR）？

時域反射儀（TDR）是一種電子設備，它使用反射波形來解密PCB跡線，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PCB走線的信號脈沖速度。使用V F， TDR將反射脈沖花費的時間轉換為距離。V F是PCB走線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。

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。較小的走線路徑不連續以及傳輸線遠端的走線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長度，以便可以看到完整的圖片。如果TDR顯示屏上沒有大故障，則可能會錯過。 

自動故障查找

許多TDR具有自動設施，可以幫助您識別某些故障。還必須手動使用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間

來自信號路徑中任何不連續的反射的上升時間等于或慢于入射脈沖的上升時間。電路路徑上兩個不連續點之間的間距決定了它們的反射在TDR波形上的定位程度。很難測量兩個不連續點的距離是否小于系統上升時間的一半。 T分辨率=?（T R（系統））

通過TDR測量控制上升時間

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

另一方面，由ECL驅動且上升時間為1ns的同一條傳輸線可能會產生可忽略的反射。 可以通過折衷實際操作信號所需的環境來糾正誤導性的阻抗讀數。通常最好看到傳輸線的TDR對上升時間的響應類似于實際的電路操作。為此，某些TDR測量系統提供了一種增加入射脈沖的表觀上升時間的方法。

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的不連續性。但是，由于快速邊沿確實會響應短的不連續性，因此它們對探針尖端，信號注入墊和過孔的不連續性以及注入點處測試走線的不連續性（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示例。像差在入射脈沖之前達到不連續點并開始產生反射。這些早期反射會降低TDR分辨率，從而導致間隔不緊密的不連續性無法識別。

影響TDR測量精度的因素

有幾個因素會影響TDR阻抗測量系統的準確性。

參考阻抗

所有TDR阻抗測量都是通過將反射脈沖幅度與入射脈沖幅度進行比較來完成的，并以歐姆或rho為單位提供結果。但是，整個測量過程取決于參考阻抗（ 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計算反射系數。

步幅和基線校正

現代TDR儀器會定期監視基線和入射步幅。它允許對TDR系統進行自動補償，即使步進幅度偏移漂移，也適用于非?？芍貜偷臏y量。

入射脈沖的像差

如果脈沖與被測線相比在短時間內沒有穩定下來，則入射脈沖像差會在測量反射脈沖的準確幅度時引起錯誤。

噪音

隨機噪聲在進行小阻抗變化測量時會產生問題?，F代TDR測量儀器使用信號平均技術來減少隨機噪聲的影響。但是平均會降低TDR系統的處理速度。

互連精度

互連組件和探頭到DUT的接口也會產生反射，并可能產生感應反射。這些反射必須穩定下來以確保測量精度。最好使探頭尖端和接地線短，以免發生此類問題。

電纜損耗

由于測試電纜較長，因此DUT阻抗看起來高于其實際值。而且，入射脈沖到達電纜末端時，其上升時間和穩定時間會降低。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，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。

TDR測試以進行阻抗測量

TDR測試儀將信號入射到測試試樣上的PCB導體上，以測量其穿過傳輸介質時的反射。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生的反射進行比較。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間來計算。

TDR阻抗測量如何完成？

TDR需要兩條平行運行的導線來識別阻抗的變化。任何連接，電纜/走線類型，電纜/走線中斷或故障都會導致阻抗值變化。每種類型的更改都會對TDR顯示產生不同的影響。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 上升時間?？偵仙龝r間由驅動脈沖和 監視反射的示波器或采樣器的總上升時間組成 。重要的事實是走線的特性阻抗實際上不會隨頻率變化，而是走線結構的固有特性。

時域或頻域。哪個才是真正的游戲規則改變者？

TDR是時域反射儀。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。 在上升時間較快的脈沖的情況下，與上升時間較慢的脈沖相比，傅立葉變換顯示出更高的頻率諧波。盡管在時域中進行測試時，所有脈沖諧波都會一起反射，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，電路板制造廠通常不使用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干預。同樣，結果從一個用戶到下一個用戶也有所不同，所涉及的時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間內進行測量和計算。它可以使一個用戶到另一個用戶獲得可重復的結果，并且可以輕松地編程測試參數，而無需用戶干預。 從理論上講，線路阻抗會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參數表。

單端偏移50ohm帶狀線。

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。這只是一個沒有名字的產品的典型表。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的參數。

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

使用頻率相關的求解器時，示例走線的阻抗。

您可能想知道為什么它最初會下降。這是因為跡線橫截面中的電流分布開始偏向面向參考平面的跡線側，而不是在四個表面周圍更均勻地分布。因此，靠近基準平面移動可減小環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跡線上沿顯示器的長度顯示為向上傾斜（跡線越長，電阻越大）。 正如我提到的關于優惠券的問題，一些OEM與我討論了將專用測試或“虛擬”走線包含在完整的裸露電路板中，以進行板載阻抗測量的問題。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境，它們確實具有其他潛在優勢，但也存在自身的問題。

考慮以下問題：

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電路板上的走線和測試點，從而增加了制造成本。

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

在測試區域中不太容易處理。

跡線配置（雜散等）可能會引入不需要的和誤導的波形偽像。

實際上不可能對探針進行跡線和參考平面的適當訪問。

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

現場求解器可以在構建的此過渡階段預測走線的阻抗。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，平均脈沖高度會發生變化。

如果添加了五次諧波：

當添加5次諧波時，平均脈沖高度會發生變化。

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，平均脈沖高度會發生變化。

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。術語“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），可以根據傳輸線的特性阻抗（Z o）和負載阻抗（Z L）來指定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 =∞ 表示開路。這意味著V Reflected和V Incident極性相同。 

ρ=（V反射/ V入射）= V / V = 1

傳輸線和負載的阻抗計算

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來顯示，在水平軸上以時間來顯示。 使用各種阻抗和端接檢查下面給出的TDR結果。

開路，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-并聯和并聯-串聯電容/電感負載。

如何使用TDR檢查PCB走線不連續？

下圖中給出的波形是理想脈沖通過傳輸介質傳播的結果。TDR設置可產生具有快速上升時間的精確控制的脈沖?，F在讓我們沿著相同的傳輸路徑發送數據脈沖。數據脈沖像差將在傳輸路徑中遇到多個不連續點，從而導致隨機，間歇性問題。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信號完整性問題的9個因素。

TDR測量可提供更好的信號完整性。

差分傳輸線的TDR阻抗測量

大多數高速設計使用差分傳輸線方法。單端TDR阻抗測量技術也適用于差分傳輸線。與傳輸線的特征阻抗和傳播速度相關的傳播有兩種獨特的模式，也稱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。

通過計算一條線路上的阻抗，而互補信號驅動另一條線路，可以測量奇數模式阻抗。

差分阻抗是在兩條線被差分驅動的情況下測量的。

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路上測量的，而等效信號則在另一條線路上進行測量。

共模阻抗定義為并聯連接的線路的阻抗，是偶數模式阻抗的一半。

TDR模塊為兩個通道中的每個通道提供一個極性可選的步進脈沖，以測量準確的差分阻抗。通過這種方法，差動系統實際上可以被差分驅動。分別獲取差分線各側的響應并將其評估為差分量。通過將TDR系統設置為具有互補入射階躍并使用歐姆單位，將兩個通道相加會產生差分阻抗。

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

此外，儀器內置的波形數學功能可以在用戶選擇的上升時間內自動顯示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。通過采用一致的程序，靜態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結果沒有報告反射，則跡線沒有間斷。