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。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。

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板电气特性要求在第2.5节中描述,而其中的2.5.5.7a(IPC-TM-650官方网站下载链接 /zixunimg/rfeefocusimg/www.ipc.org/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2-5-5-7a.pdf)则全面的介绍了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。

TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求

1.TDR的基本原理

图1是一个阶跃信号在传输线(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。

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。

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设备感知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(tsys)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。

图1:阶跃信号在传输线中的传输情况

图2:TDR测试反映传输线的阻抗信息

图3

如图6所示:阶跃信号A和阶跃信号B是一对方向相反、幅度相等且同时发出的差分阶跃信号。

由于注入DUT(被测设备)中的TDR阶跃脉冲是差分信号,因此TDR设备可以直接测出差分走线的特征阻抗。使用差分阶跃信号进行真差分TDR测试,给使用者带来的最大好处就是可以实现虚拟接地,如图7所示。

但是如果我们用一台实时示波器来观测这两个阶跃脉冲,我们可以看到如图9所示的波形,我们可以看出两个阶跃脉冲之间的真实时序关系,存在着2us的时间差。也就是说这两个阶跃信号不是差分信号。

图11是一个带宽高达18GHz的差分TDR探头在进行差分TDR测试时的情况。它的探针间距可以在0.5mm～4.5mm之间连续可调,即使在测试一个比圆珠笔尖还要微小的测试点时仍然可以非常从容地以单手完成操作。

由于探头的带宽高达18GHz,因此可以获得很高的测试分辨率,图12是对一块“coupon”的差分走线进行测试时获得的结果。红色波形是对“coupon”最初的测试结果,随后在走线上贴上了一个很小的胶条(红色圆圈所示部位)然后再进行测试,获得了如白色波形的测试结果。可见由于贴上小胶条所带来的微小阻抗不连续也能够通过高带宽差分TDR探头清晰地反映出来。