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PCB设计大讲堂:差分时域反射仪克服线性阻抗测试挑战

发布时间 :2018-02-03 15:12 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
几乎所有的数位高速系统设计人员与制造商都面临着必须考虑高频PCB设计方面的挑战,特别是关于最佳资料转换率只可能在具有正确阻抗率的传输路径上实现。因此,建置以宽频阻抗控制的系统,为中心电子建构元件──印刷电路板(PCB)的设计师、制造商和品管人员带来了艰巨挑战。
 
这并不是因为缺乏电磁设计知识,而是来自PCB产业的巨大价格压力:从开发人员的角度来看,几乎不曾利用过适于GHz范围的时脉速率的射频(RF)材料,反而经常使用整个基材中介电常数(DC)都不均匀的低成本FR4材料。再者,将核心与预浸料压合成多层PCB时经常导致几何不匀称,进一步增加了不确定性的来源。
 
然而,为了满足所规定的容差,许多PCB制造商提供线性阻抗检测服务,因而要求额外的阻抗测试板。这些测试板通常位于PCB边缘,因此只能部份代表分佈在整个生产面板上真正发生问题的传输线。在最坏的情况下,被测的测试板可能在规定范围内,而实际有问题的传输线则否。
 
阻抗波动经常是不可容忍的
除了材料和生产制程的特殊变化外,设计参数变化(例如层的改变,到GND平面、PCB边界或其它传输线的距离太短)也时有发生,最终导致不可容忍的传输路径阻抗波动。其后果是时脉边缘退化、符码之间干扰,进而造成不可接受的误码率,最终导致性能退化甚至系统故障。
 
透过时域反射仪(TDR)能以高精密度确定线性阻抗。TDR从1970年代就开始使用了,主要用于检测地下或海底电缆所发生的故障。图1显示基于TDR技术的阻抗测量设置方块图。TDR本身只包含一个电压阶波产生器以及带有资料撷取单元的宽频取样器。
 
采用TDR的阻抗测量系统方块图
图1:采用TDR的阻抗测量系统方块图。
 
基本的测量原理是这样的:电压产生器发出一个阶波讯号,经过配接器、电缆和探棒传送到待测物(DUT)。当在DUT的整个长度发生互动时,讯号经历部份反射后传回检测器,因而实现DUT波形阻抗的空间测量。许多人由于从雷达应用了解这个基本原理,因此也常把TDR称为电缆雷达。
 
阶波讯号的上升时间tr可决定空间解析度,因此应该尽可能短(对于Sequid D-TDR-65来说,tr 65ps的空间解析度大约为5mm)。产生器和取样器(其类比输入频宽至少约10GHz)之间的同步对于低杂讯作业(即抖动值仅几板秒)来说至关重要。最理想的是使用‘真正直通的’取样器,因而不需要使用外部讯号分离器或藕合器。这种好处是显而易见的,因为宽频讯号分离器通常是阻性的,会增加插入损耗与杂讯。最后,TDR还配备了一个资料记录单元,它通常是以微处理器或FPGA建置。
 
高频TDR设备通常并不使用即时取样,而是采用依序或随机的取样技术。这些设备类似于频闪仪,能以适合的技术记录快速变化的周期性讯号。资料处理和视觉化任务一般在PC上执行,可完全整合在高阶仪器中,只需透过USB或乙太网连接即可。
 
测量物体到TDR的适配性是一项要求严格的任务。举例来说,差分阻抗测量作业必须使用高精密度的相位匹配电缆和探棒。如果无法达到这些要求,偶数模式和奇数模式转换将会降低测量精密度。另外,探棒头设计应该与DUT阻抗相匹配,才能实现最高精密度测量作业。
 
市场上的不同系统
在越来越快速的数位世界中,线性阻抗的测量业已成为目前最重要的TDR应用了。图2显示对于无干扰(绿色曲线)以及受干扰(红色曲线)的传输线类型的空间分辨测量示例。
 
受干扰(红)以及无干扰(绿)的传输线(TDR讯号)反射图
图2:受干扰(红)以及无干扰(绿)的传输线(TDR讯号)反射图。
 
只有所有元件(包括蚀刻线、电缆、连接器甚至是IC的终端电阻)上的传输路径都是阻抗匹配时,才能在发送器和接收器之间实现无反射的讯号传输,从而实现最高的位元速率。因此,在评估差分和单端线路的讯号完整性时,阻抗控制才是重要的因素。
 
开发人员和制造商可以从大量不同类型的差分TDR系统(D-TDR)中选择一种用于阻抗控制:从极具成本效益的系统到特别昂贵的系统。多家知名的测量技术制造商均提供高精密度的高阶TDR系统,可在高速示波器领域找到,这些系统一般都结合了必要的附件,如(D)TDR探棒。这些设备非常适合用来测量高达20Gbit/s及以上的传输系统。
 
然而,对于高阶设备制造商来说,阻抗控制似乎只是一个利基市场。因此,他们不提供专用的工业化解决方案,而潜在用户在达到最终的‘阻抗测量’目标以前,可能都处于一种很快就迷失在无数普通RF测量技术的丛林中。此外,由于其高性能和通用性,所有这些系统都属于高价格领域,因而使其投资缺乏吸引力,特别是如果TDR不持续使用时。
 
在工业和特殊产品测量技术领域,可以找到一些通用性较低的TDR。过去二十年来,这些领域已经建立起了特定的标淮程序。这些设备与相关软体已针对测量测试板阻抗进行了最佳化,持续部署在许多PCB制造商那儿。然而,这些TDR不太适合用于PCB内部随机传输线的设计与测试,理由是缺少合适的探棒,更糟糕的是,太慢的讯号上升时间tr导致太低讯号频宽,从而只显示具有最小长度约10cm的线性特征。
 
这些都是市场上许多成本的(D)TDR设备。进一步购买元件(TDR探棒和相位调整电缆)通常就能满足技术上的先决条件。不过在这种情况下,必须在资料记录、误差减少、阻抗运算和结果归档等方面开发合适的软体,以便开发档案,从而产生必须开发的档案。因此,令人质疑的是一款来自开放来源的解决方案最终是否就更具有成本效益?
 
Sequid GmbH公司最初开发高解析度和高精密度的TDR系统,用于判断鱼肉的品质。在与德国PCB制造商Elekonta Marek的过程中,其现有的基本技术进一步发展为很高性能的系统(Sequid DTDR-65),能够满足阻抗控制测量的所有需求。这是一种高稳定的差分时域反射计,适合速率高达10Gbit/s的差分和单端传输线的阻抗测量。这种仪器还具有65ps的阶波讯号产生器,因此支援针对测试板和实际电路的高解析度测量。此外,DTDR-65具有特别好的抖动性能(Jrms<500fs),而这种性能通常是高阶设备才有的。
 
同时,所开发的软体解决方案能够让非射频专家顺利完成阻抗测量。这种解决方案不仅包含基本功能(如设备控制),还包含了用于显示线性阻抗的可直观作业功能。容差光罩使其易于判定通过/失败(PASS/FAIL),但以下介绍一些简单的应用。
 
图3显示RG 405同轴电缆的反射图,其中的同轴电缆分别按照组装规格(1)以及未按照组装规格(2)装配SMA连接器。两种RG 405电缆的线性阻抗Z0 51.5Ω,连接器区域的转变非常明显。在错误安装连接器的情况下,电容器下降(朝低阻抗变形)是可见的。而当外部和内部导体安装靠得太接近(即建构一个电容器)时这种效应会频繁发生。

 正确安装SMA连接器(1/绿)以及错误安装SMA连接器(2/红)的RG 405同轴电缆反射图
图3:正确安装SMA连接器(1/绿)以及错误安装SMA连接器(2/红)的RG 405同轴电缆反射图。
 
图4显示4层印刷测试电路上的差分传输线阻抗曲线。传输路径一开始是第一层(顶层)的微带线,然后通过一个过孔转至第二层时仍然维持微带线,再通过第二个过孔回到第一层表面。这个路线经过几次反复后在第一层终止。显然这个测试电路无法达到100Ω的目标阻抗:微带线和带状线的特征阻抗分别是Z0 120Ω和Z0 110Ω。从图中可以明显看出,过孔的电容器因素会严重影响实际系统中的讯号完整性,尤其是在高资料速率时更明显。
 
在FR4基板两个不同层上佈线的差分线反射图
图4:在FR4基板两个不同层上佈线的差分线反射图。
 
图5显示USB 3.0连接器和电缆的反射图。USB 3.0元件的额定阻抗是Z0=90Ω±7Ω。TDR设备仍然作业于100Ω的参考阻抗上(时间范围t<12.2ns)。从测试配接器到USB 3.0连接器的转换引起的第一次反射发生在大约12.3ns,正如预期的与所有测量一致。曲线3(绿色)代表开放式配接器的结果,其中的快速阻抗上升指示配接器的(高阻抗)末端。曲线4和5(红色和蓝色)代表两种不同的USB 3.0电缆元件,每个元件由一个配接器和一个后续电缆组成。虽然电缆都在规格之内,但配接器不符合规格。特别是红色曲线显示最大阻抗约为122Ω,产生的严重反射则可能导致USB 3.0控制器降低资料速率。
 
具有开放电路(3)和两个不同USB 3.0线缆(4和5)的USB 3.0配接器反射图。
图5:具有开放电路(3)和两个不同USB 3.0线缆(4和5)的USB 3.0配接器反射图。
 
总之,开发人员可利用差分时域反射仪直觉且深入地观察传输路径。开发人员和品管人员的任务通常包含对所取得的结果进行易于理解的归档。这项任务非常重要,但遗憾的是非常耗时且单调乏味。不过,利用内建的自动化报告产生工具,已能大幅简化这项繁琐的任务了,只需几次点选就能轻松形成图形化和统计性的深入评估报告。此外,对于大多数普通线性类型来说还可以使用线上阻抗计算器。
 
必要的配件包含了相位调整过的高品质同轴电缆以及TDR探棒,可用于不同类型应用:工业探棒用于生产过程中的序列测量,高精度探棒用于研发——见图6。DTDR-65还具有卓越的电磁保护性能,完全可以在电池供电的行动应用中使用。
 具有开放电路(3)和两个不同USB 3.0线缆(4和5)的USB 3.0配接器反射图。
图6:用于时域反射仪DTDR-65的不同探棒和配件。


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