获得信号完整性的测量技术

来源: 作者:2018年02月08日 20:01

TDR(时域反射)测量可以为一根电缆或 PCB(印制电路板)走线的信号完整性提供直接描述,以及分析 IC 的性能与故障。TDR 测量沿电缆或 PCB 走线发送一个快速脉冲,并显示返回的反射,用于表示阻抗的变化。阻抗变化可以非常强,如开路或短路情况,或者是数 fF 这么微小,如一个 PCB 过孔。该技术以 OTDR(光 TDR)形式,利用了电子系统中介电常数与光学系统中折射率之间的等效性这一特点。

图1HP54120A主机与54121A测试头一起能完成单端TDR和TDT测量

TDR 的历史

上世纪30 年代晚期的工程师开始采用 TDR 测量土壤的介电常数与水分含量。今天,很多工程师仍然用这种技术作多种地理测量,如地震断

层与桥梁“冲刷”,这是在快速河流下出现的危险情况,尤其是在冰冻条件下。流水从桥墩、埋藏设备和类似结构处带走沉积物,造成这种情况(参考文献 1、参考文献 2 和参考文献 3)。二战以后,工程师用独立的脉冲发生器和示波器完成 TDR 测试。数字逻辑芯片生成 5V 摆幅的脉冲,制造出足以被检测到的反射。上世纪60 年代末有一项重要进步,当时的惠普公司(现在的Agilent)推出了用于其 140主示波器的1415A插入式仪器。这款高性能仪器第一次在一部装置中集成了脉冲发生器和采样头。上世纪70年代,Tektronix推出了1502和 1503TDR测试套件,在电缆完整性测试方面获得了广泛应用。军队一直是 TDR装备的热心用户,Tek 提供这些产品的军规版。核弹测试时需要用 TDR评测数英里的电缆,以及爆炸区内的地球物理现象。

Tektronix 与惠普的技术实现将在今后几十年内继续下去。惠普开发了 20 GHz 的 54120A 主机和 54121A 测试头(图 1)。这些产品包括计算机化的 TDR 测试套件,并能做 TDT(时域传输),后者除了发送脉冲的输入和数字化反射以外,还需要其它用于监控电路传输的输入。这种方法可以确定电路的损耗特性;而用一种纯反射仪器不可能测出这些损耗。示波器在采样头中使用了来自惠普网络分析仪的探测器。

图2这台带四个SD-24TDR模块的Tektronix11801B可以做四对差分TDR测量示波器迹线显示应为50VPCB走线上有10V的变化TDR显示出如何通过布局和连接器选择改善这种状况

上世纪80 年代时,Tektronix 推出了 50 GHz 11801 示波器主机,以及 20 GHz SD-24 差分 TDR 模块(图 2)。为实现其它模块监控传输,11801可以完成 TDR 和 TDT,并可以评估差分信号,如 LVDS(低压差分信令)和 SCSI(小型计算机系统接口)电路中的信号。该示波器后来发展成为 11801C,而带有一个 35 ps 上升时间脉冲发生器的模块则保持不变。该示波器多年来一直在业内广为应用,尽管它的用户界面有点难以捉摸,可能更适合于通过 GPIB(通用接口总线)控制,而不是一名工程师在前面板操作。惠普并没有满足于既得的荣誉,不久以后推出了 18GHz 的 54754A 模块,用于 86100A 主机。Tektronix也跟随推出用于 CSA803(源于 11801C)的 17 ps 80E04 模块。现在 Tektronix公司的模块包括70GHz的 DSA8200主机以及50GHz的80E10 模块。同时,竞争对手 LeCroy 则提供 100GHz 的WaveExpert 100H,以及一个20GHz 的ST-20 TDR模块(图3)。

图3可以将ST-20TDR模块用于LeCroy的顶级采样示波器WaveExpert100H

Picosecond Pulse Labs制造的TDR可算是终极设备:4022附加模块可接受Tektronix、Agilent或其它TDR 的脉冲,速度达到令人惊讶的 9 ps 上升时间。Picosecond 亦制造脉冲发生器,但用4022加快一台示波器脉冲速度的方法有自己的优点。Picosecond首席技术官 Clayton Smith 称:“我们把它做成可与示波器中的现有软件一起工作。” Picosecond 亦为各家示波器OEM制造TDR模块。

除了高档 TDR 的发展以外,还有些仪器能完成 TDR 在上世纪50年代就开始做的工作:检查长电缆有无短路、开路和断线。这一功能对美国海军非常重要,因为现代舰艇都有数英里长的电缆。广播与电视运营商亦用 TDR 寻找天线塔上同轴电缆的裂缝。Tektronix 的 TS90 TelScout TS90 100 就是一种这样的机器;另外还有 Spirent E2520 型测试仪,它可以评估长达 9800 英尺的双绞线电缆。

技术前提

TDR 的理论涉及一些有关波形传播以及传输线阻抗的数学(参考文献 4 与参考文献 5)。TDR 的物理现象既不容易理解,也不直观。一个波去试探电缆的短路或开路部分似乎很普通。多数人都能直接观察到这个现象。较有挑战性的是这个概念:向一个开路电路传播的波会加在输入波上,使其加倍,而进入一个完全短路电路的波则反射回负电势,使相关波形为 0V。如你所料,如果传输线采用其特性阻抗终端,如对 50Ω 电缆用 50Ω,则不会发生反射,并且脉冲不受损伤。唯一符合逻辑的是,终端电阻值略高于匹配阻抗时,会在脉冲反射中产生一个小凸起,而较低阻值的电阻则会在脉冲中造成一个下降。终端为感性或容性情况下的反射也很直观,因为电容是高频短路,而电感是高频开路(图 4)。

图4图中所示各种不同的终端或传输途径反应在脉冲波型中变化显示了阻抗沿传输线路和在终端处的性质特征其中传输线路可以是一根电缆或者是IC中的导线

传统的传输线集总元件模型导致了另一件事情:该模型是一串电感,其间用电容并联接地。电容与电感之比决定了特性阻抗的准确值,例如,50Ω、75Ω或300Ω。物理学证明,空中的一根线有电感,所以只要有一个电流流经这根线,就会产生一个满足高斯定律的磁场:如果在一个任意闭合数学表面内的空间有一个净电荷 Q,则通过其

表面的电通量Φ为 Q/eo。

设想空间中的一根线,它提供传输线集总元件模型中看到的分布电感。现在,假设使这根线在空间中靠近地平面或基准平面。这种接近使模型产生了集总电容。似乎将线靠近平面应当能减小阻抗,因为电容增加了。同样,若一根 PCB 走线在接地层上方有一个粗点,则也会增加电容,减小沿该点的阻抗。一个过孔表现为一个小电容,它与接地层耦合,降低阻抗。反之,一根小跳线(如接头金手指)会离开电路板面和接地层,因此减小了分布电容,增加了沿这段传输线的阻抗。采用 TDR 测量时,可以在 PCB 走线上放上自己的一根手指或一个金属工具,并直接在示波器屏幕上查看阻抗变化情况(像增加电容一样)。

TDR理论表明,脉冲上升时间越快,仪器能分辨的特征越小。过去简单的电缆测试仪有纳秒级的上升时间。而今天的 TDR 仪器可以检查短路电缆和 PCB 走线、连接器阻抗,以及 IC 封装阻抗。因此,它们需要的上升时间为 10 ps~30 ps 量级。这些快速脉冲需要一台高速示波器来记录反射与传输。高分辨率 TDR 测量的极速需求使 TDR 模块几乎总是相对低采样速率的采样(或等效时间)示波器的组成部分。这些设备前端中的高速模拟放大器支持的带宽远远高于最好的实时示波器。

示波器中的触发器电路会在每次触发事件后,略微移动设备的采集点(图 5)。这种技术可以在屏幕上显示每个触发事件的一组摆动采样时,“画”出快速波形。不过,采样示波器只能用于重复的波形。每次扫描都不同的视频、雷达或手机信号只会显示为一团模糊。这一限制在 TDR 测试时不是问题,因为脉冲都是重复波形,可以连续送入测试电路,使采样示波器有时间建立起波形图。

图5一个单位采样时间内示波器不会在一次扫描中获得所有的扫描点使从触发事件到数据采集之间不产生差别这样一部分扫描点会在每次扫描中添加进来多次扫描之后便可形成波形图如图所示首先红色扫描点被取样并添加至延时当中然后是黑色点蓝色点等由于示波器的取样是连续的因此还提供预触发取样机制

Dima Smolyansky 是 Tektronix 产品营销经理,也是 EDN 的特约撰稿人,他表示:“采样示波器最初是开发用于解决实时示波器不能满足的带宽需求。”更多观点可见他的文章“TDR 与 S 参数测量:你需要多高的性能?”他说:“实时示波器是在10GHz~20GHz范围内,而采样示波器可以给你更宽的带宽,达70GHz以上。采样示波器在时域上更加准确,与实时示波器相比,相同带宽下它是一个低成本的方案。”

设计考虑

系统级工程师更喜欢呆在时域中,而不是RF与模拟IC设计者喜欢的频域。系统级工程师把TDR看作一种探索高速电路性能的更自然和更直观的方法。反之,TDR的频域等效参数是散射参数,或S参数。一个优秀的理论团体描述了两种测量技术的信息等效性(参考文献6)。你可以在频域中,用VNA(矢量网络分析仪)直接测量S参数,即用一个固定波幅的正弦波扫进一个电路,同时记录反射与传输信号的波幅与相位。知道了这些 S 参数的相位与波幅,就可以确定电路的特性,频带宽度与VNA可以扫描的示波器相当。VNA有宽的动态范围(或信噪比SNR),以及与示波器合作扫描的窄带滤波器;因此,它们可以抑制大多数带外噪声。与之相反,必须用宽带示波器完成TDR测量,因此它也具有所有宽带电路表现出的特性,即有较高的有效噪声本底。

图6图中的连接器之间的传输线上焊接了两根导线这些导线的存在增加了电容值并在TDR图中显示为阻抗值的降低

RF 和微波工程师喜欢 VNA 上的 S 参数,这有几个原因:其一是它们的动态范围,可以达到 130 dB。另外,RF 工程师经常需要了解电路的稳态性能。他们假设电路中的振荡器正在运行,并且一个相对窄的频段(如 1900 MHz 的手机频率)正在通过系统。另一方面,关心信号完整性的工程师必须注意整个频谱。他们需要了解在电缆或走线上出现一个直流电压后,自己的系统对一串脉冲如何反应。这种情况使人们更青睐于使用 TDR 测量。设计 PLL(锁相环)的工程师有两个问题:他们必须在回路运行时确定其工作特性,并且他们还有时域问题,即必须在数毫秒以后观察回路锁定情况。这个问题可能代表着数百万或数亿个循环的主要工作频率,并使PLL的开发工作面临特殊的挑战。这些问题使PLL的设计、仿真与测试成为令人畏惧的任务

工程师应该留意一些警告,虽然 S 参数在频域和 TDR 在时域有数学等效性。时域与频域之间存在 FFT(快速付利叶变换)和反向 FFT 的重要计算法,经常涉及因果律和无源性(参考文献8)。当计算未考虑到过渡时间以及其它导致时域问题的延迟时,就会出现因果问题。类似的问题也出现在无源性上:进入时域的反向变换可能分给无源电路元件能量,产生错误结果。从时域进入频域也强制加上了 SNR 限制。由于时域测量受制于宽带噪声,即使最好的 TDR设置在高频时也只产生 50 dB 的 SNR。这个数字可能还算够用。另外,你可能需要用一台VNA,直接在频域中取得S参数数据。记住要权衡在一台机器上获得S参数和TDR测量的方便性,以及在两个域中至少验证一次测量的要求。尽管如此,有些TDR能够完成与一台9ps上升时间TDR和一台50GHz VNA的对比,

因此,如果正确地使用了适当的设备,就能在两个域之间作转换(参考文献9)。TDR的可靠S参数数据要求一台有短上升时间的脉冲发生器,以及一台宽带宽的示波器。同样,对S参数数据作反向FFT而产生TDR数据时,需要VNA上有足够的带宽,才能给出你希望在时域中看到的细节。

用一台性能良好的 TDR 可以获得相当好的空间分辨率(图 6 和图 7)。快于 10 ps 脉冲发生器与 50 GHz 或 100 GHz 带宽示波器的出现可以将 TDR 用于 IC 封装开发和故障分析。如果 TDR 可以分辨出毫米段上的阻抗,则可以看到接线的效果,以及金属化损伤是否会使一只 IC 性能失常。有了高速脉冲发生器和示波器,就可以实现微小的空间分辨率(表 1)。另外,有些高性能示波器带有进一步改进有效分辨率的软件技术,用于校准来自设备和连接待测设备与电路电缆的反射。

表1

消除测试夹具的作用只是现代 TDR示波器软件的优点之一。Agilent 86100A 主机的软件可以用两个正脉冲获得差分 TDR 测量。在两个通道同时使用相同极性的脉冲,能确保两个通道采用相同波形作激励。困难的是使一个脉冲的上升时间和下降时间精确对应,因此差分脉冲生成会导致一种共模误差。Agilent 示波器发出两个相同极性的脉冲;然后它的软件作反转并重叠在响应上,这样得到的波形就与一个差分 TDR 完全一致,但误差较小。Agilent 的一名产品经理 Joachim Vobis 称:“由于电子电路匹配性好得多,提高了精度。”

图7图6中导线的影响造成了阻抗值图线出现了下降形状使用9秒的脉冲发生器可产生图7中上半部分所示的曲线图形示波器内部的脉冲发生器可产生下半部分的图形

LeCroy 在其 WaveExpert 100H 示波器中也有类似的强大软件。标准的 TDR 分析软件包可以用于校准测试夹具,从 TDR 数据生成两个端口的差分 S 参数。示波器带有一个向导,指导用户完成设计与校准过程。你还可以将内部脉冲发生器的上升时间从 20 ps 设为一个更小的值,如串行接口标准集团规定的值。

在Tektronix的 DSA8200 采样示波器中,软件 TDR 和 TDT 只是整个软件包的一部分,软件包用于分析通信参数。Tektronix公司亦提供iConnect软件,它运行在DSA8200主机上,或在一台PC上独立运行(图8)。它将TDR数据转换为S参数、分析抖动,并改善 DSA8200的原生 TDR 分辨率。该软件亦使用 TDR 数据来推导出被分析电路的 SPICE 模型,举例说,你可以对一根承载高速 LVDS 串行数据的带状电缆建立一个 SPICE 模型。然后将这个 SPICE 模型交给 IC 设计者,以显示负载的复杂阻抗,或者在系统级仿真时评估传输介质。

图8Tektronix提供的名为iConnect的软件可把TDR数据转换成S参数并可利用这些数据生成SPICE模型

TDR 已经从一个用于检查电缆的简单技术,变成为一种确定快速数字信号完整时域特性的复杂方法。TDT 也在发展,现在的分辨率已可以用于检查并确定 IC 内部结构与电路的特性。另外,强大的软件也推进了 TDR 的应用,从在示波器波形上查看凸块,到校准欧姆级和英寸级的结果。软件可以使 TDR 数据产生 S 参数频域特性,甚至推断出一个等效的 SPICE 模型。生成模型的示波器图形也可以用于验证模型的仿真,并产生有效的结果。

TDR 结果比频域分析有一个重要优势:TDR 图可显示出一个电路中的阻抗问题所在。Picosecond Pulse Labs 的 Smith 称:“它帮助你隔离出问题,这些问题也许能用 VNA 在频域中显示出来,但你不知道问题在电路的哪里。TDR 能确定信号路径出现问题的精确点。”Smith 继续指出了一些高速连接器的真实问题。“我们购买了一种全回转边沿插入 SMA 连接器,用来评估我们的测试设置。我们通过这些连接器看到了信号完整性方面的巨大差异。简单说,显然工程师用了 VNA 和频域分析,但 TDR 响应很糟糕。”有了 TDR,就可以获得即时、直观的结果,告诉你从哪里着手改进自己的电路。请务必把这种有价值的测量技术纳入自己的调试技术宝库。

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