高分辨率TDR測試以及應用

　　引言

　　當快速邊沿信號在被測試器件上的傳輸時(shí)，如果遇到阻抗不連續的情況，就會(huì )產(chǎn)生反射。因此通過(guò)對反射現象的觀(guān)察可以找到被測試線(xiàn)路中的不連續點(diǎn)，如短路、斷路、過(guò)孔、走線(xiàn)寬度變化等等。人們不僅希望TDR設備可以用于PCB走線(xiàn)、電纜等產(chǎn)品的阻抗測量，還希望TDR設備能應用在芯片的失效分析（FA）以及高速電路板的電路模型提取。當測試者需要對阻抗不連續點(diǎn)進(jìn)行精確定位時(shí)，他必須擁有一臺高分辨率的TDR設備。

　　TDR設備的分辨率

　　一臺TDR設備內部其實(shí)有兩個(gè)重要的組成部分。一部分是階躍信號發(fā)生器，它可以發(fā)出上升時(shí)間極快的階躍信號。另一部分是高帶寬的取樣器，它可以將DUT上反射回來(lái)的信號進(jìn)行接收、取樣并在儀器的屏幕上顯示出來(lái)。業(yè)界往往使用高帶寬取

樣示波器作為T(mén)DR測試設備的平臺。

　　TDR設備能發(fā)現或者感知的最?。醋疃蹋┑淖杩共贿B續距離的能力稱(chēng)之為分辨率。理論上一個(gè)階躍信號在DUT上傳輸時(shí)能分辨（或稱(chēng)為感知）的最小的阻抗不連續距離為電信號在該階躍信號的上升時(shí)間內在DUT上傳輸的距離。假設一個(gè)階躍信號的上升時(shí)間為t，假設電信號在某材質(zhì)被測電路上的傳輸速率為v，那么其距離分辨率l滿(mǎn)足下面的等式：
　　l=vt

　　因此一臺TDR設備要獲得更高的分辨率那么其階躍信號發(fā)生器所發(fā)出的階躍信號上升時(shí)間就必須更短。

　　同時(shí)，我們應當注意到TDR設備還有另外一個(gè)重要的組成部分即高帶寬取樣器?？剂恳慌_TDR設備的分辨率時(shí)還必須將取樣器的帶寬考慮在內。帶寬不同的取樣器有不同的自身上升時(shí)間指標，帶寬越高的取樣器擁有更快的上升時(shí)間。取樣器的上升時(shí)間和帶寬之間有如下的經(jīng)驗公式可以換算：
　　T=0.35/Bandwidth

　　取樣器在對反射回來(lái)的信號進(jìn)行取樣時(shí)，會(huì )由于取樣器自身存在上升時(shí)間而影響到TDR測量的分辨率。在考察一臺TDR設備的分辨率時(shí)候，單純關(guān)注階躍信號發(fā)生器的上升時(shí)間或者是高速取樣器的帶寬都是不全面的。因此在PCB行業(yè)的測試規范IPC-TM-650測試手冊中，就提出了TDR設備的系統上升時(shí)間的概念，記為T(mén)sys。Tsys表征了一臺TDR設備的整體特性，Tsys可以在TDR設備上直接測定，方法是將一個(gè)短路器端接在TDR設備的接口上，并對TDR設備獲取的波形進(jìn)行上升時(shí)間/下降時(shí)間測量，測得的結果就是系統上升時(shí)間和下降時(shí)間了。圖1為T(mén)ektronix 80E04 TDR模塊的系統上升/下降時(shí)間測定結果。

　　我們可以通過(guò)TDR設備的系統上升時(shí)間來(lái)?yè)Q算出TDR設備分辨率L。如下面的公式：
　　L=(v * Tsys)/2

　　因為我們是通過(guò)高速取樣器將反射波進(jìn)行接收后對Tsys測定的，因此可以通俗的說(shuō)階躍信號已經(jīng)在DUT上“一來(lái)一回”的“走”了兩次。所以在計算分辨率時(shí)需要除以2。以FR4材質(zhì)的PCB板的表層走線(xiàn)（v約為5.5 inch/ns）為例，使用80E04組成的TDR系統可以達到約2mm的分辨率。80E04 TDR模塊的測試分辨能力對于PCB板阻抗測試以及電纜阻抗測試來(lái)說(shuō)已經(jīng)是足夠高了。

　　但是對于PCB板的過(guò)孔、芯片內部的開(kāi)路、短路等情況2mm的分辨率就略顯不足，需要TDR設備具有更高的分辨率。PCB板的過(guò)孔是毫米級的，芯片內部的走線(xiàn)長(cháng)度在幾個(gè)毫米到一厘米之間。因此要完成對PCB過(guò)孔的電路模型提取以及芯片內部走線(xiàn)的短路、短路定位需要TDR設備的分辨率優(yōu)于1mm。

　　高分辨率TDR的探測探頭是TDR測試系統的組成部分

　　在進(jìn)行TDR探測時(shí)，我們必須通過(guò)一個(gè)工具將快速階躍信號注入DUT以完成測試，這個(gè)工具就是TDR探頭了。圖2是進(jìn)行TDR測試時(shí)常用的一種單端探頭，由探頭前端、探頭電纜以及防靜電模塊控制線(xiàn)組成。該探頭標稱(chēng)帶寬18GHz，當該探頭連接到TDR測試設備上時(shí)，系統帶寬就會(huì )被限制在18GHz以下，TDR測試的分辨率也就隨之下降。該探頭完全勝任于PCB板的走線(xiàn)特征阻抗測試，但是在進(jìn)行PCB走線(xiàn)的過(guò)孔測量以及芯片失效分析測試時(shí)就顯得力不從心了?？梢?jiàn)如果我們單純擁有一個(gè)高分辨率的TDR設備是不夠的，我們還需要一個(gè)高帶寬的TDR探頭。

　　影響TDR探頭帶寬的因素有很多，例如探頭電纜的長(cháng)度、探頭前端的尺寸等等。一般的說(shuō)，探頭電纜越長(cháng)對高頻信號的衰減就越大，帶寬就越低。探頭前端的尺寸越大帶寬就越低。

　　因此，盡量的縮短探頭電纜甚至不用探頭電纜就成了提高探測帶寬的一個(gè)簡(jiǎn)單但非常有效且必要的措施。

　　TDR模塊的延伸電纜可以將模塊最大限度的靠近DUT，減少由于TDR探頭的電纜對探測帶寬所帶來(lái)的影響。