幾乎所有的數(shù)位高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與制造商都面臨著必須考慮高頻
PCB設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)，特別是關(guān)于最佳資料轉(zhuǎn)換率只可能在具有正確阻抗率的傳輸路徑上實(shí)現(xiàn)。因此，建置以寬頻阻抗控制的系統(tǒng)，為中心電子建構(gòu)元件──印刷電路板(PCB)的設(shè)計(jì)師、制造商和品管人員帶來(lái)了艱巨挑戰(zhàn)。
這并不是因?yàn)槿狈﹄姶旁O(shè)計(jì)知識(shí)，而是來(lái)自PCB產(chǎn)業(yè)的巨大價(jià)格壓力：從開(kāi)發(fā)人員的角度來(lái)看，幾乎不曾利用過(guò)適于GHz范圍的時(shí)脈速率的射頻(RF)材料，反而經(jīng)常使用整個(gè)基材中介電常數(shù)(DC)都不均勻的低成本FR4材料。再者，將核心與預(yù)浸料壓合成多層PCB時(shí)經(jīng)常導(dǎo)致幾何不勻稱(chēng)，進(jìn)一步增加了不確定性的來(lái)源。
然而，為了滿(mǎn)足所規(guī)定的容差，許多PCB制造商提供線(xiàn)性阻抗檢測(cè)服務(wù)，因而要求額外的阻抗測(cè)試板。這些測(cè)試板通常位于PCB邊緣，因此只能部份代表分佈在整個(gè)生產(chǎn)面板上真正發(fā)生問(wèn)題的傳輸線(xiàn)。在最壞的情況下，被測(cè)的測(cè)試板可能在規(guī)定范圍內(nèi)，而實(shí)際有問(wèn)題的傳輸線(xiàn)則否。
阻抗波動(dòng)經(jīng)常是不可容忍的
除了材料和生產(chǎn)制程的特殊變化外，設(shè)計(jì)參數(shù)變化(例如層的改變，到GND平面、PCB邊界或其它傳輸線(xiàn)的距離太短)也時(shí)有發(fā)生，最終導(dǎo)致不可容忍的傳輸路徑阻抗波動(dòng)。其后果是時(shí)脈邊緣退化、符碼之間干擾，進(jìn)而造成不可接受的誤碼率，最終導(dǎo)致性能退化甚至系統(tǒng)故障。
透過(guò)時(shí)域反射儀(TDR)能以高精密度確定線(xiàn)性阻抗。TDR從1970年代就開(kāi)始使用了，主要用于檢測(cè)地下或海底電纜所發(fā)生的故障。圖1顯示基于TDR技術(shù)的阻抗測(cè)量設(shè)置方塊圖。TDR本身只包含一個(gè)電壓階波產(chǎn)生器以及帶有資料擷取單元的寬頻取樣器。
圖1：采用TDR的阻抗測(cè)量系統(tǒng)方塊圖。
基本的測(cè)量原理是這樣的：電壓產(chǎn)生器發(fā)出一個(gè)階波訊號(hào)，經(jīng)過(guò)配接器、電纜和探棒傳送到待測(cè)物(DUT)。當(dāng)在DUT的整個(gè)長(zhǎng)度發(fā)生互動(dòng)時(shí)，訊號(hào)經(jīng)歷部份反射后傳回檢測(cè)器，因而實(shí)現(xiàn)DUT波形阻抗的空間測(cè)量。許多人由于從雷達(dá)應(yīng)用了解這個(gè)基本原理，因此也常把TDR稱(chēng)為電纜雷達(dá)。
階波訊號(hào)的上升時(shí)間tr可決定空間解析度，因此應(yīng)該盡可能短(對(duì)于Sequid D-TDR-65來(lái)說(shuō)，tr 65ps的空間解析度大約為5mm)。產(chǎn)生器和取樣器(其類(lèi)比輸入頻寬至少約10GHz)之間的同步對(duì)于低雜訊作業(yè)(即抖動(dòng)值僅幾板秒)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。最理想的是使用‘真正直通的’取樣器，因而不需要使用外部訊號(hào)分離器或藕合器。這種好處是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)閷掝l訊號(hào)分離器通常是阻性的，會(huì)增加插入損耗與雜訊。最后，TDR還配備了一個(gè)資料記錄單元，它通常是以微處理器或FPGA建置。
高頻TDR設(shè)備通常并不使用即時(shí)取樣，而是采用依序或隨機(jī)的取樣技術(shù)。這些設(shè)備類(lèi)似于頻閃儀，能以適合的技術(shù)記錄快速變化的周期性訊號(hào)。資料處理和視覺(jué)化任務(wù)一般在PC上執(zhí)行，可完全整合在高階儀器中，只需透過(guò)USB或乙太網(wǎng)連接即可。
測(cè)量物體到TDR的適配性是一項(xiàng)要求嚴(yán)格的任務(wù)。舉例來(lái)說(shuō)，差分阻抗測(cè)量作業(yè)必須使用高精密度的相位匹配電纜和探棒。如果無(wú)法達(dá)到這些要求，偶數(shù)模式和奇數(shù)模式轉(zhuǎn)換將會(huì)降低測(cè)量精密度。另外，探棒頭設(shè)計(jì)應(yīng)該與DUT阻抗相匹配，才能實(shí)現(xiàn)最高精密度測(cè)量作業(yè)。
市場(chǎng)上的不同系統(tǒng)
在越來(lái)越快速的數(shù)位世界中，線(xiàn)性阻抗的測(cè)量業(yè)已成為目前最重要的TDR應(yīng)用了。圖2顯示對(duì)于無(wú)干擾(綠色曲線(xiàn))以及受干擾(紅色曲線(xiàn))的傳輸線(xiàn)類(lèi)型的空間分辨測(cè)量示例。
圖2：受干擾(紅)以及無(wú)干擾(綠)的傳輸線(xiàn)(TDR訊號(hào))反射圖。
只有所有元件(包括蝕刻線(xiàn)、電纜、連接器甚至是IC的終端電阻)上的傳輸路徑都是阻抗匹配時(shí)，才能在發(fā)送器和接收器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)反射的訊號(hào)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)最高的位元速率。因此，在評(píng)估差分和單端線(xiàn)路的訊號(hào)完整性時(shí)，阻抗控制才是重要的因素。
開(kāi)發(fā)人員和制造商可以從大量不同類(lèi)型的差分TDR系統(tǒng)(D-TDR)中選擇一種用于阻抗控制：從極具成本效益的系統(tǒng)到特別昂貴的系統(tǒng)。多家知名的測(cè)量技術(shù)制造商均提供高精密度的高階TDR系統(tǒng)，可在高速示波器領(lǐng)域找到，這些系統(tǒng)一般都結(jié)合了必要的附件，如(D)TDR探棒。這些設(shè)備非常適合用來(lái)測(cè)量高達(dá)20Gbit/s及以上的傳輸系統(tǒng)。
然而，對(duì)于高階設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，阻抗控制似乎只是一個(gè)利基市場(chǎng)。因此，他們不提供專(zhuān)用的工業(yè)化解決方案，而潛在用戶(hù)在達(dá)到最終的‘阻抗測(cè)量’目標(biāo)以前，可能都處于一種很快就迷失在無(wú)數(shù)普通RF測(cè)量技術(shù)的叢林中。此外，由于其高性能和通用性，所有這些系統(tǒng)都屬于高價(jià)格領(lǐng)域，因而使其投資缺乏吸引力，特別是如果TDR不持續(xù)使用時(shí)。
在工業(yè)和特殊產(chǎn)品測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，可以找到一些通用性較低的TDR。過(guò)去二十年來(lái)，這些領(lǐng)域已經(jīng)建立起了特定的標(biāo)淮程序。這些設(shè)備與相關(guān)軟體已針對(duì)測(cè)量測(cè)試板阻抗進(jìn)行了最佳化，持續(xù)部署在許多PCB制造商那兒。然而，這些TDR不太適合用于PCB內(nèi)部隨機(jī)傳輸線(xiàn)的設(shè)計(jì)與測(cè)試，理由是缺少合適的探棒，更糟糕的是，太慢的訊號(hào)上升時(shí)間tr導(dǎo)致太低訊號(hào)頻寬，從而只顯示具有最小長(zhǎng)度約10cm的線(xiàn)性特征。
這些都是市場(chǎng)上許多成本的(D)TDR設(shè)備。進(jìn)一步購(gòu)買(mǎi)元件(TDR探棒和相位調(diào)整電纜)通常就能滿(mǎn)足技術(shù)上的先決條件。不過(guò)在這種情況下，必須在資料記錄、誤差減少、阻抗運(yùn)算和結(jié)果歸檔等方面開(kāi)發(fā)合適的軟體，以便開(kāi)發(fā)檔案，從而產(chǎn)生必須開(kāi)發(fā)的檔案。因此，令人質(zhì)疑的是一款來(lái)自開(kāi)放來(lái)源的解決方案最終是否就更具有成本效益？
Sequid GmbH公司最初開(kāi)發(fā)高解析度和高精密度的TDR系統(tǒng)，用于判斷魚(yú)肉的品質(zhì)。在與德國(guó)PCB制造商Elekonta Marek的過(guò)程中，其現(xiàn)有的基本技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展為很高性能的系統(tǒng)(Sequid DTDR-65)，能夠滿(mǎn)足阻抗控制測(cè)量的所有需求。這是一種高穩(wěn)定的差分時(shí)域反射計(jì)，適合速率高達(dá)10Gbit/s的差分和單端傳輸線(xiàn)的阻抗測(cè)量。這種儀器還具有65ps的階波訊號(hào)產(chǎn)生器，因此支援針對(duì)測(cè)試板和實(shí)際電路的高解析度測(cè)量。此外，DTDR-65具有特別好的抖動(dòng)性能(Jrms<500fs)，而這種性能通常是高階設(shè)備才有的。
同時(shí)，所開(kāi)發(fā)的軟體解決方案能夠讓非射頻專(zhuān)家順利完成阻抗測(cè)量。這種解決方案不僅包含基本功能(如設(shè)備控制)，還包含了用于顯示線(xiàn)性阻抗的可直觀(guān)作業(yè)功能。容差光罩使其易于判定通過(guò)/失敗(PASS/FAIL)，但以下介紹一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用。
圖3顯示RG 405同軸電纜的反射圖，其中的同軸電纜分別按照組裝規(guī)格(1)以及未按照組裝規(guī)格(2)裝配SMA連接器。兩種RG 405電纜的線(xiàn)性阻抗Z0 51.5Ω，連接器區(qū)域的轉(zhuǎn)變非常明顯。在錯(cuò)誤安裝連接器的情況下，電容器下降(朝低阻抗變形)是可見(jiàn)的。而當(dāng)外部和內(nèi)部導(dǎo)體安裝靠得太接近(即建構(gòu)一個(gè)電容器)時(shí)這種效應(yīng)會(huì)頻繁發(fā)生。
圖3：正確安裝SMA連接器(1/綠)以及錯(cuò)誤安裝SMA連接器(2/紅)的RG 405同軸電纜反射圖。
圖4顯示4層印刷測(cè)試電路上的差分傳輸線(xiàn)阻抗曲線(xiàn)。傳輸路徑一開(kāi)始是第一層(頂層)的微帶線(xiàn)，然后通過(guò)一個(gè)過(guò)孔轉(zhuǎn)至第二層時(shí)仍然維持微帶線(xiàn)，再通過(guò)第二個(gè)過(guò)孔回到第一層表面。這個(gè)路線(xiàn)經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)后在第一層終止。顯然這個(gè)測(cè)試電路無(wú)法達(dá)到100Ω的目標(biāo)阻抗：微帶線(xiàn)和帶狀線(xiàn)的特征阻抗分別是Z0 120Ω和Z0 110Ω。從圖中可以明顯看出，過(guò)孔的電容器因素會(huì)嚴(yán)重影響實(shí)際系統(tǒng)中的訊號(hào)完整性，尤其是在高資料速率時(shí)更明顯。
圖4：在FR4基板兩個(gè)不同層上佈線(xiàn)的差分線(xiàn)反射圖。
圖5顯示USB 3.0連接器和電纜的反射圖。USB 3.0元件的額定阻抗是Z0=90Ω±7Ω。TDR設(shè)備仍然作業(yè)于100Ω的參考阻抗上(時(shí)間范圍t<12.2ns)。從測(cè)試配接器到USB 3.0連接器的轉(zhuǎn)換引起的第一次反射發(fā)生在大約12.3ns，正如預(yù)期的與所有測(cè)量一致。曲線(xiàn)3(綠色)代表開(kāi)放式配接器的結(jié)果，其中的快速阻抗上升指示配接器的(高阻抗)末端。曲線(xiàn)4和5(紅色和藍(lán)色)代表兩種不同的USB 3.0電纜元件，每個(gè)元件由一個(gè)配接器和一個(gè)后續(xù)電纜組成。雖然電纜都在規(guī)格之內(nèi)，但配接器不符合規(guī)格。特別是紅色曲線(xiàn)顯示最大阻抗約為122Ω，產(chǎn)生的嚴(yán)重反射則可能導(dǎo)致USB 3.0控制器降低資料速率。
圖5：具有開(kāi)放電路(3)和兩個(gè)不同USB 3.0線(xiàn)纜(4和5)的USB 3.0配接器反射圖。
總之，開(kāi)發(fā)人員可利用差分時(shí)域反射儀直覺(jué)且深入地觀(guān)察傳輸路徑。開(kāi)發(fā)人員和品管人員的任務(wù)通常包含對(duì)所取得的結(jié)果進(jìn)行易于理解的歸檔。這項(xiàng)任務(wù)非常重要，但遺憾的是非常耗時(shí)且單調(diào)乏味。不過(guò)，利用內(nèi)建的自動(dòng)化報(bào)告產(chǎn)生工具，已能大幅簡(jiǎn)化這項(xiàng)繁瑣的任務(wù)了，只需幾次點(diǎn)選就能輕松形成圖形化和統(tǒng)計(jì)性的深入評(píng)估報(bào)告。此外，對(duì)于大多數(shù)普通線(xiàn)性類(lèi)型來(lái)說(shuō)還可以使用線(xiàn)上阻抗計(jì)算器。
必要的配件包含了相位調(diào)整過(guò)的高品質(zhì)同軸電纜以及TDR探棒，可用于不同類(lèi)型應(yīng)用：工業(yè)探棒用于生產(chǎn)過(guò)程中的序列測(cè)量，高精度探棒用于研發(fā)——見(jiàn)圖6。DTDR-65還具有卓越的電磁保護(hù)性能，完全可以在電池供電的行動(dòng)應(yīng)用中使用。
圖6：用于時(shí)域反射儀DTDR-65的不同探棒和配件。
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