TDR阻抗测量如何工作

2021-04-25

TDR阻抗测量如何工作

测量阻抗并检查PCB走线不同点的故障和不连续性并非易事。这是因为阻抗是交流特性，无法像电阻一样进行测量。时域反射仪（TDR）阻抗测量对于确保PCB设计中的信号完整性至关重要。 TDR将脉冲馈送到测试试样上的PCB迹线/传输线上。然后，它通过分析反射波形的幅度变化来测量特性阻抗。请注意，只有在注入的脉冲在其路径上经历任何不连续性时，TDR才会观察反射。如果没有间断或无故障，脉冲将被传输线远端提供的终端吸收，因此不会产生反射。但是，这是一个理想的情况。使用TDR图表显示阻抗的任何变化。

什么是时域反射仪（TDR）？

时域反射仪（TDR）是一种电子设备，它使用反射波形来解密PCB迹线，电缆，连接器等的特征阻抗。它检查连接器，PCB或任何其他电气路径中的电气不连续性。让我们讨论一些重要的TDR功能。

速度系数（ V F ）

对于TDR操作，必须知道通过PCB走线的信号脉冲速度。使用V F， TDR将反射脉冲花费的时间转换为距离。V F是PCB走线上的脉冲速度与光速的比率。

准确性

TDR精度取决于速度因子（V F）。最好从两端测试迹线。

输出脉冲电平

可以改变输出脉冲电平以帮助定位不连续点。较小的走线路径不连续以及传输线远端的走线都将需要较高的脉冲电平。近端故障处的高脉冲能量将使所显示迹线的大部分失真，因此将需要较低的脉冲电平。 

范围

最初，最好将范围设置为超出预期的走线长度，以便可以看到完整的图片。如果TDR显示屏上没有大故障，则可能会错过。 

自动故障查找

许多TDR具有自动设施，可以帮助您识别某些故障。还必须手动使用TDR，以从仪器中获得最大收益。

影响TDR分辨率的因素

如果TDR系统的分辨率不足，则可以将小的或紧密间隔的不连续性一起平滑化为波形中的单个像差。这种影响不仅可能掩盖了某些不连续性，而且还可能导致阻抗测量和读数不准确。

TDR阻抗测量中的上升时间

来自信号路径中任何不连续的反射的上升时间等于或慢于入射脉冲的上升时间。电路路径上两个不连续点之间的间距决定了它们的反射在TDR波形上的定位程度。很难测量两个不连续点的距离是否小于系统上升时间的一半。 T分辨率=½（T R（系统））

通过TDR测量控制上升时间

在大多数情况下，最快的上升时间是可取的，但是有时，快速上升时间会使TDR产生令人困惑的结果。 让我们举一个例子：如果我们测试上升35ps的微带线的阻抗，它会提供良好的分辨率。但是，即使是最高速度的逻辑系列也无法匹配TDR步骤的35ps上升时间。典型的发射极耦合逻辑系列（ECL）的输出上升时间范围为200ps至2ns。微带中的小不连续部分（例如，短截线或尖角）产生的反射将非常明显，并且可能会在上升时间为35ps时产生大的反射。

另一方面，由ECL驱动且上升时间为1ns的同一条传输线可能会产生可忽略的反射。 可以通过折衷实际操作信号所需的环境来纠正误导性的阻抗读数。通常最好看到传输线的TDR对上升时间的响应类似于实际的电路操作。为此，某些TDR测量系统提供了一种增加入射脉冲的表观上升时间的方法。

TDR阻抗测量中的边沿速度

阻抗是在脉冲的平坦顶部而不是边缘测量的。那么，边缘速度的相关性是什么？边缘速度的确决定了测量分辨率：即，快速边缘将显示出短暂的间断；较慢的边缘只能看到较长的不连续性。但是，由于快速边沿确实会响应短的不连续性，因此它们对探针尖端，信号注入垫和过孔的不连续性以及注入点处测试走线的不连续性（通常）有很大的反应。例如，差分对扩展到探头垫。这导致波形像差，这些像差通常会掩盖或扭曲测量波形的测试区域。

像差或振铃对TDR阻抗测量的影响

像差就像先入为主的概念。振铃是入射脉冲中像差的一个示例。像差在入射脉冲之前达到不连续点并开始产生反射。这些早期反射会降低TDR分辨率，从而导致间隔不紧密的不连续性无法识别。

影响TDR测量精度的因素

有几个因素会影响TDR阻抗测量系统的准确性。

参考阻抗

所有TDR阻抗测量都是通过将反射脉冲幅度与入射脉冲幅度进行比较来完成的，并以欧姆或rho为单位提供结果。但是，整个测量过程取决于参考阻抗（ Z o ）的精度。例如，某些TDR模块使用连接器作为稳定的阻抗参考来计算反射系数。

步幅和基线校正

现代TDR仪器会定期监视基线和入射步幅。它允许对TDR系统进行自动补偿，即使步进幅度偏移漂移，也适用于非常可重复的测量。

入射脉冲的像差

如果脉冲与被测线相比在短时间内没有稳定下来，则入射脉冲像差会在测量反射脉冲的准确幅度时引起错误。

噪音

随机噪声在进行小阻抗变化测量时会产生问题。现代TDR测量仪器使用信号平均技术来减少随机噪声的影响。但是平均会降低TDR系统的处理速度。

互连精度

互连组件和探头到DUT的接口也会产生反射，并可能产生感应反射。这些反射必须稳定下来以确保测量精度。最好使探头尖端和接地线短，以免发生此类问题。

电缆损耗

由于测试电缆较长，因此DUT阻抗看起来高于其实际值。而且，入射脉冲到达电缆末端时，其上升时间和稳定时间会降低。这是电缆损耗如何影响TDR测量精度的原因，因为入射阶跃的有效幅度与预期的不同。当DUT阻抗接近50欧姆时，可以忽略这种幅度误差，但是对于更大或更小的阻抗，必须考虑到这一点。

TDR测试以进行阻抗测量

TDR测试仪将信号入射到测试试样上的PCB导体上，以测量其穿过传输介质时的反射。如果导体具有均匀的阻抗并正确端接，则反射将为零，并且入射脉冲将被端接吸收到远端。 

相反，如果存在阻抗变化，则某些入射信号将被反射回源（在这种情况下为TDR）。TDR将这些反射与由标准阻抗产生的反射进行比较。这就是确定信号路径中不连续阻抗的方式。到反射阻抗的距离也可以根据脉冲返回所需的时间来计算。

TDR阻抗测量如何完成？

TDR需要两条平行运行的导线来识别阻抗的变化。任何连接，电缆/走线类型，电缆/走线中断或故障都会导致阻抗值变化。每种类型的更改都会对TDR显示产生不同的影响。正反射将表示较高的阻抗值，而低反射将表示较低的阻抗值。

基本的TDR操作。

TDR阻抗测量存在局限性。最短系统 上升时间。总上升时间由驱动脉冲和 监视反射的示波器或采样器的总上升时间组成 。重要的事实是走线的特性阻抗实际上不会随频率变化，而是走线结构的固有特性。

时域或频域。哪个才是真正的游戏规则改变者？

TDR是时域反射仪。它不在频域中运行。脉冲中存在的高频谐波主要体现在上升（或下降）边沿速度上。但是，阻抗是在脉冲的平坦顶部而不是边缘测量的。 在上升时间较快的脉冲的情况下，与上升时间较慢的脉冲相比，傅立叶变换显示出更高的频率谐波。尽管在时域中进行测试时，所有脉冲谐波都会一起反射，并且反射是其所有频率的组合。

对于频率测试，您必须使用频域测试仪，例如VNA，它将使正弦波扫过一系列频率并在特定频率下执行测试。通常，这是为了确定那些频率下的信号损失。由于可能的缺点，电路板制造厂通常不使用VNA。即，前端是脆弱的并且容易损坏，并且它需要熟练的操作者的手动干预。同样，结果从一个用户到下一个用户也有所不同，所涉及的时间通常是几秒到几分钟。

另一方面，可以使TDR更加健壮，供不熟练的操作员使用，并在不到一秒钟的时间内进行测量和计算。它可以使一个用户到另一个用户获得可重复的结果，并且可以轻松地编程测试参数，而无需用户干预。 从理论上讲，线路阻抗会迅速下降到稳定水平，如下图所示。Er可能随频率降低；请参阅下面给出的频率相关参数表。

单端偏移50ohm带状线。

介电常数Er随频率的增加而降低，如下表所示，但由于Z o与Er的平方根成反比，因此对阻抗的影响最小。这只是一个没有名字的产品的典型表。4.2的根= 2.0494，3.98的根= 1.995：仅变化2.7％。

该表显示了与频率有关的参数。

在依赖于频率的求解器中使用此数据，走线的阻抗看起来像这样（请注意，额外的1.5ohms以及在800kHz左右几乎平坦的事实）。

使用频率相关的求解器时，示例走线的阻抗。

您可能想知道为什么它最初会下降。这是因为迹线横截面中的电流分布开始偏向面向参考平面的迹线侧，而不是在四个表面周围更均匀地分布。因此，靠近基准平面移动可减小环路电感并增加视在电容，两者都倾向于减小阻抗。 额外的1.5ohms是由于铜电导率（或电阻率，如果您愿意）和趋肤深度（几千赫兹以上）引起的。

阻力表现为向上倾斜。

该电阻在TDR迹线上沿显示器的长度显示为向上倾斜（迹线越长，电阻越大）。 正如我提到的关于优惠券的问题，一些OEM与我讨论了将专用测试或“虚拟”走线包含在完整的裸露电路板中，以进行板载阻抗测量的问题。他们希望这样做的原因是，由于样板在面板上的物理位置，使得样板边缘的样板可能无法充分，准确地表示板载跟踪条件。虚拟轨迹由于位于同一位置，因此可以更准确地表示板载尺寸和环境，它们确实具有其他潜在优势，但也存在自身的问题。

考虑以下问题：

如何在不影响电路板其余部分的情况下将参考平面绑在一起？在使用中，电路板带有耦合电容器，并连接到阻抗非常低的电源。

将宝贵的电路板空间用于每个电路板上的走线和测试点，从而增加了制造成本。

在每块板上测试迹线（如果不打算对每个板块进行测试，那么每块板的测试迹线又有什么意义呢？）又导致成本增加。

在测试区域中不太容易处理。

迹线配置（杂散等）可能会引入不需要的和误导的波形伪像。

实际上不可能对探针进行迹线和参考平面的适当访问。

简而言之，板上带状线走线旨在在加载和供电时达到目标阻抗。这些条件在裸板上并不常见，因此，除非为此目的设计了测试走线，否则板上的测量可能会产生很大的误导性（读取：阻抗高于目标值）。因此，使用优惠券。 电路板制造商更容易在构建过程中测试带状线，因为在构建过程中的某个阶段，每条带状线都是一个微带（层压之前）。在此过程中，更容易测试走线和单个参考平面。阅读微带线和带状线有什么区别？

现场求解器可以在构建的此过渡阶段预测走线的阻抗。如果按照设计准确地完成了随后的叠片，则将达到最终的目标阻抗。 TDR测量给出了反射的平均高度。让我们看看添加高频谐波时平均脉冲高度如何变化： 下图显示了基波及其三次谐波的添加：

当添加更多的高频谐波时，平均脉冲高度会发生变化。

如果添加了五次谐波：

当添加5次谐波时，平均脉冲高度会发生变化。

现在，所有高达23次的谐波都被添加了。

当添加多达23次谐波时，平均脉冲高度会发生变化。

让我们看一下在加法之前分量正弦波达到23次谐波的情况：

分量正弦波高达23次谐波。

我们可以得出结论，增加高次谐波可使反射更加平坦，而不会改变其幅度。

TDR阻抗测量的反射系数

TDR阻抗测量是根据反射系数定义的。术语“ρ”是反射脉冲幅度与入射脉冲幅度之比。阅读我们的文章，了解如何限制PCB传输线中的阻抗不连续和信号反射。

对于固定终端（'Z L '），ρ=（V反射/ V入射），可以根据传输线的特性阻抗（Z o）和负载阻抗（Z L）来指定ρ 。

V反射/ V入射=（Z L -Z o）/（Z L + Z o）

现在，我们可以添加值以检查匹配负载，短路和开路负载的情况。在此，ρ的取值范围在+1到-1之间，其中“ 0”表示匹配的负载条件。

一种。    如果Z L = Z o，则负载匹配。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。这意味着V Reflected和V Incident极性相等。   

ρ=（V反射/ V入射）= -V / V = -1

C。 Z L =∞ 表示开路。这意味着V Reflected和V Incident极性相同。 

ρ=（V反射/ V入射）= V / V = 1

传输线和负载的阻抗计算

Z L = Z o（（1 +ρ）/（1-ρ））

TDR阻抗测量值可以在垂直量级上以伏特，欧姆或ρ来显示，在水平轴上以时间来显示。 使用各种阻抗和端接检查下面给出的TDR结果。

开路，短路，匹配和不匹配的终端。

电容性和电感性负载终端和不连续性。

串联-并联和并联-串联电容/电感负载。

如何使用TDR检查PCB走线不连续？

下图中给出的波形是理想脉冲通过传输介质传播的结果。TDR设置可产生具有快速上升时间的精确控制的脉冲。现在让我们沿着相同的传输路径发送数据脉冲。数据脉冲像差将在传输路径中遇到多个不连续点，从而导致随机，间歇性问题。这就是执行TDR阻抗测量以获得更好的信号完整性（校正不连续性之后）的原因。阅读导致PCB信号完整性问题的9个因素。

TDR测量可提供更好的信号完整性。

差分传输线的TDR阻抗测量

大多数高速设计使用差分传输线方法。单端TDR阻抗测量技术也适用于差分传输线。与传输线的特征阻抗和传播速度相关的传播有两种独特的模式，也称为奇数模式和偶数模式阻抗。这里是一些测量差分阻抗的技巧。

通过计算一条线路上的阻抗，而互补信号驱动另一条线路，可以测量奇数模式阻抗。

差分阻抗是在两条线被差分驱动的情况下测量的。

差分阻抗是奇数模式阻抗的两倍。

偶数模式阻抗是在一条线路上测量的，而等效信号则在另一条线路上进行测量。

共模阻抗定义为并联连接的线路的阻抗，是偶数模式阻抗的一半。

TDR模块为两个通道中的每个通道提供一个极性可选的步进脉冲，以测量准确的差分阻抗。通过这种方法，差动系统实际上可以被差分驱动。分别获取差分线各侧的响应并将其评估为差分量。通过将TDR系统设置为具有互补入射阶跃并使用欧姆单位，将两个通道相加会产生差分阻抗。

时域反射仪（TDR）测试为表征单端和差分传输线和网络的阻抗提供了一种方便而强大的方法。TDR利用了以下事实：传输线或网络中阻抗的任何变化都会引起反射，该反射是不连续幅度的函数。 具有现代TDR功能的仪器会自动比较入射和反射幅度，以直接读取共模和差分阻抗的阻抗，反射系数和时间。

此外，仪器内置的波形数学功能可以在用户选择的上升时间内自动显示TDR结果。这使得可以看到DUT对在最终应用中将遇到的信号的响应。通过采用一致的程序，静态保护和良好的测量习惯，您将获得稳定和准确的TDR结果。 我们可以得出结论，如果rho = 0且TDR结果没有报告反射，则迹线没有间断。