5．阻抗TDR测试

随着数字电路工作速度的提高，PCB板上信号的传输速率也越来越高。随着数据速率的提高，信号的上升时间会更快。当快上升沿的信号在电路板上遇到一个阻抗不连续点时就会产生更大的反射，这些信号的反射会改变信号的形状，因此线路阻抗是影响信号完整性的一个关键因素。对于高速电路板来说，很重要的一点就是要保证在信号传输路径上阻抗的连续性，从而避免信号产生大的反射。相应地，例如，PCI-Express和SATA等总线标准都需要精确测量传输线路的阻抗。

要进行阻抗测试的一个快捷有效的方法就是TDR（Time Domain Reflectometry，时域反射计）方法。TDR的工作原理是基于传输线理论，工作方式有点像雷达，如图2.18所示。当有一个阶跃脉冲加到被测线路上，在阻抗不连续点就会产生反射，已知源阻抗Z0，则根据反射系数ρ就可以计算出被测点的阻抗ZL。

最普遍使用的TDR测量设备是在采样示波器的测量模块中增加一个阶跃脉冲发生器。阶跃脉冲发生器发出一个快上升沿的阶跃脉冲，同时接收模块采集反射信号的时域波形。如果被测件的阻抗是连续的，则信号没有反射，如果有阻抗的变化，就会有信号反射回来。根据反射回波的时间可以判断阻抗不连续点距接收端的距离，根据反射回来的幅度可以判断相应点的阻抗变化。图2.19是一款50GHz带宽的TDR测量模块的内部电路，其中包含了一个6ps的阶跃信号发生器。

图2.20是用采样示波器对一个测试夹具进行TDR测试后得到的波形，可以看到，TDR得到的反射波形的变化直观反映了被测通路上阻抗的变化情况，这对于分析阻抗不连续点以及优化阻抗设计非常有帮助。

当选择TDR设备进行阻抗测试时，需要考虑的主要因素是：阶跃脉冲的上升时间、接收机带宽、测量通道数、分析功能及误差修正能力等。

首先，TDR测试主要用于分辨信号走线路径上各个点的阻抗变化情况，但当两个阻抗不连续点的反射波形在时间上离得太近时，就很难分清是一个点还是两个点（见图2.21）。根据IPC-TM-650规范的定义，TDR系统的时间分辨率定义为TDR系统的上升时间的一半，而距离分辨率为其时间分辨率对应的传输距离。需要注意的是，在IPC-TM-650规范中，这个时间分辨率是以两个阻抗不连续点间单向的传输时间定义的，实际测试中考虑到信号往返的时间，其在真实的TDR波形上对应的时间分辨率其实是其两倍，也就是系统的上升时间。

当然，还可以进一步把这个时间分辨率折算到距离分辨率，以FR4板材的微带走线为例，其信号传输速度约为2×108m/s，则100ps的系统上升时间对应的距离分辨率为10mm，如果要区分更小的距离，就需要使用边沿更陡的TDR测试系统。另外，即使不需要分辨很短距离的两个阻抗不连续点，如果要测试的PCB走线长度较短，也会对TDR测试系统的上升时间有要求，以保证在反射波形中有一段比较平坦的可供测量的区域。在IPC-TM-650规范中把TDR系统能够测量的最短PCB走线的长度定义为4倍的时间分辨率对应的走线长度。同样以FR4板材的微带线为例，如果要测试的PCB走线长度小于40mm，也需要使用上升时间小于100ps的TDR测试系统。正因为这个原因，很多PCB或者电缆的阻抗测试规范中都会对均匀测试线的长度有一个最小的要求，或者要求选择一段特定位置的均匀阻抗区域进行测试。

关于上升时间还有一点需要注意的是，并不是上升时间越快越好。系统上升时间越陡带来的好处是时间或距离分辨率更好，但是在实际测量时，由于接触点电感效应，陡的边沿引起的振荡或者阻抗不连续点处的反射也会更加强烈，因此一般测量时会选择与实际工作信号类似或略快的上升时间进行阻抗测试。

其次，要注意前面提到的系统上升时间，并不仅仅是指TDR测试系统内部的阶跃信号发生器的上升时间，而是指阶跃信号发生器的上升时间和接收采样模块组成的系统的上升时间。对于很多TDR测量模块来说，其接收模块本身的上升时间与阶跃信号发生器的上升时间可能是不一样的。例如有两款50GHz的TDR测量模块，虽然其接收模块的带宽都为50GHz，接收模块对应的上升时间都为7ps；但是其阶跃信号发生器的上升时间却有可能不一样，可能一款为12 ps而另一款为6 ps。对于这种情况，有时仪器厂商会给出校准后的系统上升时间，如果没有给出，可以根据以下公式近似估算测量系统的上升时间。

除了上升时间和带宽因素外，根据实际测试需要还要选择合适的通道数及校准方法。

通常来说，如果要做差分的TDR阻抗测量，有2个测试通道就够了；但如果还要做传输参数（例如差分插入损耗）的测量，就需要4个测试通道；如果同时还要做2个或多个差分通道间的串扰测试，就可能需要8个甚至更多的测量通道。

另外，阶跃发生器直接发出的阶跃脉冲可能会有一些过冲或者振荡，用于接收TDR反射波形的示波器带宽可能也是有限的，更普遍的情况是实际使用测试电缆也是有损耗的，这些都会造成注入被测件或反射回来的波形的失真。为了对这些因素进行修正，很多TDR测试设备中也借鉴了矢量网络分析仪的校准技术，可以通过连接标准开路、短路、直通件进行系统的频响修正。当通道数比较多时，校准步骤会非常烦琐且容易出错，所以现代的TDR设备还借鉴了矢量网络分析仪中电子校准件的技术，可以通过USB口控制电子校准件的内部负载切换，快速完成多个通道的校准工作。需要注意的是，TDR设备中使用的电子校准件与矢量网络分析仪的工作原理类似，但结构上还是有区别的，最重要的是TDR设备发出的是直流阶跃脉冲，因此其校准件也是从直流开始工作的，而矢量网络分析仪的校准件是不能用于直流场合的。图2.22是16通道的TDR测量系统及相应的电子校准件。

除了这些硬件功能外，现代的TDR设备的软件功能也更加丰富（见图2.23），例如友好的设置向导可以快速管理和校准多个测量通道；S参数转换功能可以方便从频域观察信号的插入损耗、回波损耗以及串扰等；测试通道的去嵌入功能可以消除测试电缆或某一段PCB走线的影响（前提是知道相应通道的S参数模型）；而来自于现代矢量网络分析仪中的自动夹具移除（Automatic Fixture Removal, AFR）功能则可以在不专门设计校准件的情况下快速进行测试夹具修正。这些功能都大大扩展了TDR设备的应用领域和灵活性。