PCB行业的差分TDR应用.pdf

PCB 行业的差分TDR 应用 作者：泰克科技中国有限公司高级应用工程师 周英航 摘要：TDR （Time Domain Reflectometry）是PCB 行业检测产品的特征阻抗是否符合或达到 预计要求的最主要的测试方法。随着计算机和通信系统的串行总线速度显著提高，对 PCB 走线特别是差分走线的阻抗控制提出了更高的要求。如何验证PCB 中差分走线的特征阻抗是 否达到设计要求成为了 PCB 生产商以及高速数字电路设计 员必须关注的问题。本文结合 PCB 行业公认的测试标准IPC-TM-650 手册，重点讨论真差分TDR 测试方法的原理以及特点。 关键词：PCB 电路板、TDR、真差分TDR、特征阻抗、Coupon、IPC-TM-650、实时示波器、阶 跃信号 1. 引言 为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。 在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往 USB2.0、LVDS 以及FireWire1394 的几百Mbps 到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、 XAUI/2XAUI、XFI 的几个Gbps 乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB 客户对差分走线的 阻抗控制要求越来越高。这使PCB 生产商以及高速PCB 设计人员所面临的前所未有的挑战。 2. IPC-TM-650 手册以及PCB 特征阻抗测试背景 IPC-TM-650 测试手册，是一套非常全面的PCB 行业测试规范，从PCB 的机械特性、化 学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。 其中PCB 板电气特性要求在Section 2.5 中描 ，而.7a （IPC-TM-650 官方网 站下载链接 全面的介绍了PCB 特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走 线的阻抗测试。 3. TDR 的基本原理以及IPC-TM-650 对TDR 设备的基本要求 3 ．1 TDR 的基本原理： 图1 是一个阶跃信号 （即数字信号的上升/下降沿）在传输线 （如PCB 的走线）上传输 时的示意图。而传输线是通过电介质与GND 分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号 到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此传输线在此位 置上是有对地的电流回路的，因此就有阻抗的存在。但是该阻抗只有阶跃信号自身才能“感 觉到”，这就是我们所说的特征阻抗。 1 1 阶跃信号在传输线中的传输情况 当传输线上出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化的地方阶跃信号就会产生反射的现 象，如果将反射信号进行取样并显示在示波器的屏幕上，就会得出如图2 所示的波形，从波 形中我们可以看出一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化。 2TDR 测试反映传输线的阻抗信息 同时我们可以比较图2 中的两个波形。这是使用两台分辨率不同的TDR 设备在测试同一 条传输线时获得的测试结果。对于传输线阻抗变化的反映一个明显而另一个不明显。TDR 设 备感 传输线阻抗不连续的分辨率取决于TDR 设备所发出的阶跃信号上升时间的快慢，上升 时间快所获得的分辨率就高。而TDR 设备的上升时间往往和测试系统的带宽紧密相关，带宽 高的测试系统有更快的上升时间，从另外一个角度来考虑 TDR 设备的系统带宽限制了 TDR 测试的分辨率。在IPC-TM-650 测试手册中对TDR 设备的上升时间是按照系统上升时间（t ） sys 2 来定义的。当我们要测量一台TDR 设备的系统上升时间时，我们可以短路一台TDR 设备的输 出，此时可以测出该TDR 设备的tsys （上升时间以及下降时间）。例如图3 的TDR 设备的系统 上升时间就高达28ps 左右： 3TDR 系统上升/ 下降