為了提高傳輸速率和傳輸距離，電腦和通訊產(chǎn)業(yè)正逐步轉(zhuǎn)移到高速串列匯流排，在晶片-晶片、板卡-板卡與背板間實(shí)現(xiàn)高速互連。這些高速串列匯流排的速率正從過(guò)去USB2.0、LVDS及FireWire1394的幾百M(fèi)bps，提升到當(dāng)前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的數(shù)Gbps，甚至達(dá)10Gbps，這意味著電腦與通訊業(yè)的PCB廠商對(duì)差分走線的阻抗控制要求將越來(lái)越高，因此使PCB制造商及高速PCB設(shè)計(jì)人員面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合PCB業(yè)界的測(cè)試標(biāo)淮IPC-TM-650手冊(cè)，討論真實(shí)差分TDR測(cè)試方法的原理及特點(diǎn)。

 

IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)是一套全面性PCB產(chǎn)業(yè)測(cè)試規(guī)格，從PCB的機(jī)械特性、化學(xué)特性、物理特性、電氣特性、環(huán)境特性等方面提供了詳盡測(cè)試方法及測(cè)試要求。該手冊(cè)的2.5節(jié)描述了PCB電氣特性，而其中的2.5.5.7a則全面介紹了PCB特征阻抗測(cè)試方法和相應(yīng)的測(cè)試儀器要求，并包含了單端走線和差分走線的阻抗測(cè)試。

 

TDR基本原理

圖1是一個(gè)階躍訊號(hào)在傳輸線(如PCB走線)上傳輸時(shí)的示意圖。而傳輸線是透過(guò)電介質(zhì)與GND分隔的，就像無(wú)數(shù)個(gè)微小的電容器并聯(lián)。當(dāng)電訊號(hào)到達(dá)某個(gè)位置時(shí)，就會(huì)使該位置上的電壓產(chǎn)生變化，如同為電容器充電。由于傳輸線在此位置上具備對(duì)地電流迴路，因此會(huì)產(chǎn)生阻抗。但該阻抗只有階躍訊號(hào)自身才能感覺(jué)到，這就是所謂的特征阻抗。

 

當(dāng)傳輸線上出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時(shí)，在阻抗變化之處的階躍訊號(hào)就會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，若對(duì)反射訊號(hào)進(jìn)行取樣并顯示在示波器屏幕上，就會(huì)得到圖2所示的波形，該波形顯示了一條被測(cè)試的傳輸線在不同位置上的阻抗變化。

 

我們可以比較圖2中的兩個(gè)波形。這是使用兩臺(tái)解析度不同的TDR設(shè)備在測(cè)試同一條傳輸線時(shí)獲得的測(cè)試結(jié)果。兩款設(shè)備對(duì)傳輸線阻抗變化的反映不同，一個(gè)明顯而另一個(gè)不明顯。TDR設(shè)備感測(cè)傳輸線阻抗不連續(xù)的解析度主要取決于TDR設(shè)備發(fā)出之階躍訊號(hào)上升時(shí)間的快慢，快的上升時(shí)間可獲得高解析度。而TDR設(shè)備的上升時(shí)間往往和測(cè)試系統(tǒng)的頻寬相關(guān)，頻寬高的測(cè)試系統(tǒng)擁有更快的上升時(shí)間。從另一個(gè)角度考慮，TDR設(shè)備的系統(tǒng)頻寬限制了TDR測(cè)試的解析度。在IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)中，對(duì)TDR設(shè)備的上升時(shí)間是依照系統(tǒng)上升時(shí)間(tsys)來(lái)定義。在測(cè)量一臺(tái)TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時(shí)間時(shí)，可以讓一臺(tái)TDR設(shè)備的輸出短路，此時(shí)可測(cè)出該TDR設(shè)備的(tsys)(上升及下降時(shí)間)。圖3的TDR設(shè)備系統(tǒng)上升時(shí)間約為28ps。

圖1：階躍訊號(hào)在傳輸線中的傳輸情況
 

圖2：TDR測(cè)試反映傳輸線的阻抗資訊

 

圖3：TDR系統(tǒng)上升/下降時(shí)間的測(cè)定

 

圖4是另一臺(tái)TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升/下降時(shí)間測(cè)試結(jié)果，約在38ps~40ps之間。這代表不同的TDR設(shè)備在系統(tǒng)上升/下降時(shí)間上有很大區(qū)別，因此其呈現(xiàn)的傳輸線阻抗測(cè)試解析度也有很大不同。

圖4：另一臺(tái)TDR設(shè)備的上升/下降時(shí)間測(cè)量結(jié)果

 

系統(tǒng)上升時(shí)間和解析度的關(guān)系可用下列公式表示：

Resolution= (tsys*V)/2，V為電訊號(hào)在被測(cè)試傳輸線上的傳輸速率。

為方便測(cè)試者瞭解TDR測(cè)試解析度及PCB走線的最小測(cè)試長(zhǎng)度，IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)也提供了速查數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5：IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)提供的對(duì)照表

 

差分TDR設(shè)備基本要求

在以往的IPC-TM-650手冊(cè)中，對(duì)PCB差分TDR測(cè)試的要求較為寬松。手冊(cè)中允許測(cè)試者根據(jù)TDR測(cè)試設(shè)備的情況使用兩種不同的方法。

 

方法一：當(dāng)測(cè)試者擁有差分TDR測(cè)試設(shè)備時(shí)，測(cè)試設(shè)備同時(shí)打出兩個(gè)幅度相等、方向相反的階躍脈沖，并透過(guò)這對(duì)差分訊號(hào)的相互作用直接測(cè)出差分走線阻抗。

 

方法二：當(dāng)測(cè)試者沒(méi)有差分TDR測(cè)試設(shè)備時(shí)，測(cè)試設(shè)備在差分走線(A線與B線)時(shí)，先在A線上打出階躍訊號(hào)，測(cè)試A階躍訊號(hào)在A線上的反射特性記為AA，同時(shí)測(cè)出A階躍訊號(hào)在B線上的感應(yīng)訊號(hào)，記錄為BA。隨后，在B線上打出階躍訊號(hào)，測(cè)試B階躍訊號(hào)在B線上的反射特性記為BB，同時(shí)測(cè)出B階躍訊號(hào)在A線上的感應(yīng)訊號(hào)，記錄為AB。透過(guò)對(duì)獲得的AA、AB、BB、BA四個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，可得出差分走線阻抗。該方法又稱為‘偽差分(Super-Position)’。

 

但是在目前的最新版IPC-TM-650手冊(cè)中，僅僅保留了方法一中的真差分TDR測(cè)試描述。而不再有方法二的‘偽差分’TDR測(cè)試方法描述。以下將就兩種差分TDR測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比。

 

1. 真差分測(cè)試法

如圖6所示：階躍訊號(hào)A和階躍訊號(hào)B是一對(duì)方向相反、幅度相等且同時(shí)發(fā)出的差分階躍訊號(hào)。我們不但在差分TDR設(shè)備上看到差分的階躍訊號(hào)，當(dāng)使用一臺(tái)即時(shí)示波器觀測(cè)這對(duì)階躍訊號(hào)時(shí)，也能證實(shí)這是真正的差分訊號(hào)。

圖6：真實(shí)差分TDR測(cè)試系統(tǒng)顯示的波形

 

由于注入DUT(待測(cè)設(shè)備)中的TDR階躍脈沖是差分訊號(hào)，因此TDR設(shè)備可以直接測(cè)出差分走線的特征阻抗。使用差分階躍訊號(hào)進(jìn)行真差分TDR測(cè)試，為使用者帶來(lái)的最大好處就是可以實(shí)現(xiàn)虛擬接地，如圖7所示。

圖7：虛擬接地原理

 

由于差分走線和差分訊號(hào)是平衡的，差分訊號(hào)的中心電壓點(diǎn)和地平面是等電勢(shì)的，因此在使用差分階躍訊號(hào)進(jìn)行差分TDR測(cè)試時(shí)，只要保證通道A和通道B共地，即無(wú)需與DUT之間接地。

 

2. 偽差分法

如圖8所示，階躍訊號(hào)A和階躍訊號(hào)B并非同時(shí)打出，且方向不是相反，因此注入到DUT中的階躍訊號(hào)完全不是差分訊號(hào)。

圖8：偽差分法TDR測(cè)試原理

 

在這種‘偽差分TDR’設(shè)備屏幕上，往往會(huì)經(jīng)過(guò)人為的軟體調(diào)整，讓我們看到同時(shí)發(fā)出且方向相反的階躍訊號(hào)。

但若用一臺(tái)即時(shí)示波器來(lái)觀測(cè)這兩個(gè)階躍脈沖，則可看到如圖9所示的波形，可看出兩個(gè)階躍脈沖間的真實(shí)即時(shí)關(guān)系中存在著2us的時(shí)間差，即這兩個(gè)階躍訊號(hào)并不是差分訊號(hào)。

圖9：用即時(shí)示波器觀察‘偽差分’法TDR系統(tǒng)波形

 

這種TDR階躍脈沖稱為偽差分訊號(hào)，因?yàn)樗](méi)有真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速差分訊號(hào)的傳輸過(guò)程，即幅度相等，方向相反。因此這種方法不能直接測(cè)出DUT的差分阻抗，只能使用軟體計(jì)算方法對(duì)差分阻抗測(cè)試進(jìn)行模擬運(yùn)算。在TDR設(shè)備上得到經(jīng)過(guò)運(yùn)算的2個(gè)幅度相等，極性相反階躍脈沖。這種差分TDR測(cè)試帶來(lái)的侷限性是：無(wú)法真實(shí)獲得差分訊號(hào)間的同時(shí)相互作用、無(wú)法實(shí)現(xiàn)虛擬接地；且當(dāng)進(jìn)行差分TDR測(cè)試時(shí)，通道A和通道B的探棒都必須有各自獨(dú)立的接地點(diǎn)。但在PCB內(nèi)部的真實(shí)差分走線附近往往找不到接地點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法在PCB內(nèi)部對(duì)真實(shí)的差分走線進(jìn)行測(cè)量。

 

為解決偽差分TDR設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB內(nèi)部真實(shí)走線進(jìn)行差分TDR測(cè)量的問(wèn)題，一般的PCB生產(chǎn)商都會(huì)在PCB周圍加上具有接地點(diǎn)的差分走線測(cè)試條，稱為‘Coupon’，圖10為典型的PCB，上方是測(cè)試用‘Coupon’，下方是板內(nèi)的真實(shí)走線。為方便探棒連接，測(cè)試點(diǎn)的間距通常達(dá)100mil　(2.54mm)，已大幅超越差分走線間距；測(cè)試點(diǎn)旁邊還會(huì)放置接地點(diǎn)，間距同樣為100mil。

圖10：電路板上Coupon與真實(shí)走線的差別

 

Coupon測(cè)試的侷限性與差異

從圖10中可看到測(cè)試‘coupon’和板內(nèi)真實(shí)走線間的差別：

1. 雖然走線間距、走線寬度一致，但coupon測(cè)試點(diǎn)的間距固定為100mil(即最初的雙列直插式IC接腳間距)，而板內(nèi)真實(shí)走線的末端(即晶片接腳)間距是不同的，隨著QFP、PLCC、BGA封裝的出現(xiàn)，晶片接腳間距遠(yuǎn)小于雙列直插式IC封裝間距。

 

2. coupon走線是理想的直線，而板內(nèi)真實(shí)走線往往是彎曲的。PCB設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員很容易將coupon的走線理想化，但PCB上的真實(shí)走線則會(huì)因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致走線不規(guī)則。

 

3. coupon與板內(nèi)真實(shí)走線在整個(gè)PCB上的位置不同。coupon都位于PCB邊緣，在PCB出廠時(shí)往往會(huì)被生產(chǎn)商去掉。而板內(nèi)真實(shí)走線的位置則相當(dāng)多樣，有的靠近電路板邊緣，有的位于板中央。

 

由于上述差異，導(dǎo)致coupon的特征阻抗往往與板內(nèi)真實(shí)走線阻抗存在幾項(xiàng)差異。首先是coupon測(cè)試點(diǎn)間距與coupon走線的間距不同，導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)與走線之間的阻抗不連續(xù)。而PCB內(nèi)的真實(shí)差分走線末端(即晶片接腳)間距往往與走線間距相等或非常相近，因此會(huì)帶來(lái)不同的阻抗測(cè)試結(jié)果。

 

其次是彎曲的走線與理想走線反映的阻抗變化不一致。在走線彎折處的特征阻抗往往不連續(xù)，而coupon的理想化走線則不能反映由于走線彎曲所帶來(lái)的阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。

 

第三是coupon與真實(shí)走線在PCB上的位置不同。目前的PCB均采多層走線設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)過(guò)壓制。當(dāng)PCB壓制時(shí)，電路板上的不同位置所受到的壓力也不可能一致，如此將導(dǎo)致PCB不同位置上的介電常數(shù)不同，特征阻抗也當(dāng)然不同。

 

由此可見(jiàn)，僅對(duì)PCB的coupon進(jìn)行TDR測(cè)試并不能完全反映PCB內(nèi)真實(shí)走線的特征阻抗。無(wú)論是PCB生產(chǎn)商、高速電路設(shè)計(jì)人員或制造者，都希望能對(duì)PCB內(nèi)的真實(shí)高速差分走線直接進(jìn)行TDR測(cè)試，以獲得淮確的特征阻抗資訊。阻礙真實(shí)測(cè)試的主要原因有兩項(xiàng)：難以找到差分TDR探棒的接地點(diǎn)；以及差分走線的末端間距是多變的。

 

差分TDR測(cè)試優(yōu)勢(shì)

如果TDR設(shè)備發(fā)出的階躍訊號(hào)是差分訊號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)虛擬接地，即差分TDR探棒無(wú)需與被測(cè)試的PCB接地。只要測(cè)試者手中有一個(gè)間距可調(diào)的差分TDR探棒即可完成測(cè)試。

 

圖11是一個(gè)頻寬達(dá)18GHz的差分TDR探棒在進(jìn)行差分TDR測(cè)試時(shí)的情況。它的探針間距可在0.5mm~4.5mm間連續(xù)可調(diào)，即使在測(cè)試一個(gè)比圓珠筆尖還微小的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，仍能讓設(shè)計(jì)人員以單手完成作業(yè)。

圖11：高頻寬差分TDR探棒進(jìn)行精密的TDR探測(cè)

 

由于探棒頻寬達(dá)18GHz，因此可獲得很高的測(cè)試解析度，圖12是對(duì)coupon差分走線進(jìn)行測(cè)試時(shí)獲得的結(jié)果。紅色波形是對(duì)coupon最初的測(cè)試結(jié)果，隨后在走線上貼上了一個(gè)很小的膠條(紅色圓圈所示部位)然后再進(jìn)行測(cè)試，獲得了如白色波形的測(cè)試結(jié)果，顯示出僅貼上小膠條所帶來(lái)的微小阻抗不連續(xù)也能透過(guò)高頻寬差分TDR探棒清晰地反映出來(lái)。

圖12：高頻寬TDR差分探棒進(jìn)行PCB差分探測(cè)獲得的結(jié)果

 

真實(shí)差分的TDR設(shè)備配合高頻寬差分探棒進(jìn)行PCB差分特征阻抗測(cè)試時(shí)，無(wú)需在PCB內(nèi)辛苦地尋找接地點(diǎn)，只要探針調(diào)整到合適的間距，即可輕松對(duì)PCB內(nèi)的真實(shí)差分走線進(jìn)行探測(cè)。

 

本文小結(jié)

使用一臺(tái)真實(shí)差分的TDR設(shè)備，并利用差分訊號(hào)可實(shí)現(xiàn)虛擬接地的便利性，再搭配間距可調(diào)的差分TDR探棒，將能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB內(nèi)真實(shí)差分走線的特征阻抗測(cè)量，讓高速PCB設(shè)計(jì)人員和PCB制造商在進(jìn)行PCB測(cè)試時(shí)獲得極高的測(cè)試效率和淮確的測(cè)試結(jié)果。