高速数据传输密技TDR基础篇

Ｔｅｓｔ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ

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高速数据传输密技

ＴＤＲ基础篇

◆陈乃塘

ＴＤＲ悬“ＴｉｍｅＤｏｍａ讯Ｒｅｆｌｅｃ｜ｏｍｅｔ呵”兰个英文字的简称，传统上用来定位寻找出连接轴线的错误所在。若非专业人士，很少有人会注纛到他的存在。数据通信一脚迈入Ｇｌｇａｂｉｔ等级，无论

Ｐｒｏｂｅｓ）。图３中，５０欧姆的ｚｏ是

姆。ＴＤＲ并不像一般示波器，不能使用有源探针（ＡｃｔｉｖｅＰｒｏｂｅｓ）或分阻式探针（Ｒｅ

ｓｉ

ｓｔｏ

ｒ

Ｄｉｖｉｄ

ｅｒ

是信号线路板．零部件连接座，连接器或连接线，高速载送下的

ＴＤ

Ｒ测量系统的特性阻抗

蠢鞭信号的整台牲分析，麓可ｌ汲借助ＴＤＲ搭蠢分析工曩来进行。

（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｌｍｐｅｄａｎｃｅ），ｚｄｕｔ是

待测装置ＤｕＴ的阻抗。而瞬间的

单端式ＴＤＲ的测量

为了便于了解，可将ＴＤＲ仪器设备视为一个拥有大约１

８～

连接环境下，测量时，信号与接地的连接是必要的。由于其宽广的带宽特性，在高频领域中是探索阻抗与网络特性的极佳工具之一，与传统的示波器略有区别。ＴＤＲ送出信号到待测装置ＤｕＴ，通过反射信号来求得关于ＤＵＴ的信息，如阻抗、信号延迟等。Ｒａｍｂｕｓ的２８欧姆、电缆线电视的７５欧姆等，都可以测量得准确无比。

Ｒｅ

ｓｏｕ

ｌ／２Ｖ是因为５０欧姆的系统内阻与连接线特性阻抗５０欧姆所产生的分压

■图ｌＵＳＢ２．０Ｈｉ曲Ｓｐｅｅｄ有加入ＴＤＲ的项目

２０ＧＨｚ、带宽极为宽广的取样示波器，只是，该仪器设备可以产生一种称之为“ｓｔｅｐ步级”的信号。待测的装置（ＤｕＴ）只需通过连接线、探针与治具，连接到ＴＤＲ设备上，就可以直接进行测量。ＤｕＴ就是“待

测装置——Ｄｅｖｉｃｅ

简称。

ｕｎｄｅｒＴｅｓｔ”的

为了确保测量的高度可靠性，ＴＤＲ设备的频带要够宽广、信号的上升时间要接近理想值，也就是越快越好。除了设备的基本需求之外，高品质的连接线，探针与治具，也是不可或缺，否则会劣化送到待测装置的信号波形，无形中会降低测量的精确性。如图２所示，在单端式

（Ｓｉｎｇｌｅ—ｅｎｄＴＤＲｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）的

■图２ＴＤＲ连接到待测装置的连接范例

ｒｃｅ是

ＴＤＲ的系统等效阻抗，现在所用的数值为精准的５０欧

６２－。芝碱矿衙诫二馘ｆ茹湎ｒ～■衄衄盔圈固囫■………………………　

测试＆自动化

效用。当１／２Ｖ到达ＤｕＴ时，若是彼端呈现开路的状态，则是信号全部反射，达到入射步级信号的位阶Ｖ。反之若是短路则是掉至零电位。

从图３我们可以看出一个很有趣的现象，从测量的位置端来看，ＴＤＲ所呈现的似乎全是信号来回的

延迟（ｒｏｕｎｄ

ｔｒｉｐ

也就是所衍生出来的信号波形。信号的陷落是并联电容（ｓ

ｈ

ｕ

ｎ

有一个简单的法则可以帮助记忆。不过还是要看图５，才能解释得

清楚。

ｔ

ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）的缘故，若是信号有凸起的情况，就是串联电感（ｓｅｒｉｅｓｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）所引起的效应。若是有电感Ｌ与电容ｃ的混合，那情形会变得很复杂吗？图４解释得一清二楚。

与上面所采用的解说方式一样，对于这些无源器件来说，皆是视为所谓地集总元件

●图３典型的波形图

假设在线路板上有两个过孔或

通孑Ｌ（ｖｉａ），只要其间隔时间大于

ＴＤＲ信号上升时间的一半，该两处

ｄｅｌａｙ）。也就是说

明了一件事情，设计者在考虑信号迟延时，必须将之除以二。其中的“ｐ”就是大家熟知的反射系数

（ｒｅｎｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ），因此，当终

端是５０欧姆的时候，信号就维持在１／２Ｖ的入射步级信号水平。

％肌。，砂。砌，簪专

（Ｌ

ｕ

ｍｐ

ｅ

ｄ

乙。ｒ乙篙吃，瓮

。

ｐ＝篆＝筹老

ｌ：。ｍ，

ｚ…ｒ＋Ｚｕ

Ｅｌｅｍｅｎｔ）来看

㈣

‘１Ｊ

●图４使用ＴＤＲ测量无源器互连的各种状况

待。反过来说，若是串接的是电容，并接的是电感，对于ＴＤＲ信号来说，犹如一个高通滤波

器（Ｈｉｇｈ—ｐａｓｓ

－Ｚ。瓦景麓＝㈣

从图３可以看出，从０到５０欧姆的测量会比５０到无穷大欧姆的测量轻松，真实的世界里，任何超过１，０００欧姆的阻抗，就几乎是无穷大的数值范围了。毕竟一个自由空间

（Ｆ

ｒｅｅ

Ｆｉｌｔｅｒ），这时候情况就复杂得多，在此不作讨论。

而ＴＤＲ的

ｓｐ

ａｃ

ｅ）的特性阻抗

（ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＩｍｐｅｄａｎｃｅ）也不过

是３７７欧姆罢了。无论是线路板、晶片封装、连接器到连接线，不会超出这个数值的范围。

ＴＤＲ测量最为有趣的地方，就在于电容效应或电感效应的影响，

信号分辨能力与信号上升时间，也是很容易被混淆的地方。有解释的必要。

……●圈盟固团圆哑墨囫■姗亡吱６一Ｅ矗亡试幽Ｉ西

２的４后 ６３

－＿冒豳瞄嗣—叠冒＿謦冒＿墨圈豳Ｔｅｓｔ＆全ｕ：ｏ吖宁ｔｉｏｒ］

■图５

ＴＤＲ的分辨能力解说圈

于此环境，

而是如图６

以测量出串扰（Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）的特性，无论是单端传输或差端传输之间。如果ＴＤＲ没备提供ｒ８个单端或４对差端的通道，那么这４对差动端彼此之间的串扰，就可以轻易通过

ＴＤＲ观察出来。

Ｔ

Ｄ

的结果。

ＴＤＲ允许让

设计者观察

出１／１０～ｌ／５

信号上升时间的不连续性之处，约

■图６ＴＤＲ不会反射的细微的不连续处，实际的信号更不会被影响

Ｒ必须内置去除时滞

（Ｄｅ—ｓｋｅｗ）的基本功能，用来确保差动端的两个信号同时到达待测装

略为５下。

ｐｓ一卜

置ＤｕＴ端。才能够提供测量的准确性。所谓的差动阻抗（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ

目前的高速数字通信，比如

Ｇｉｇａｂｉｔ乙

Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）乃是定义成两条线之间看进去所表现的阻抗。此外，也有共模阻抗（ｃ

ｏｍｍｏｎ

Ｍｏｄ

ｅ

Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）的存在。要小心的是，该对差动线有可能是非对称的场合，差动阻抗与共模阻抗，可用以

下的公式来表示：

太网络或

Ｉｎ“ｎｉｂａｎｄ

等，其信号

的不连续性都可以分辨出来。反之，如果间隔时间不到ＴＤＲ信号上升时间的一半，【Ｉ！ＩＪ只能够分辨出一个不连续性的地方，这间接地解释出

ＴＤＲ的分辨能力限制。

的上升时间还是小于３０～４０ｐｓ，使

ＺｊｌｍⅥｕ“｜＝Ｚ’“硼ｍ。七Ｚｔｍ协ｌｃ２

用者通过ＴＤＲ可以找出信号途径的不连续处。如果一个细微的不连续处，对于快速的ＴＤＲ信号都不会引起信号反射，实际的慢速信号更不

会产生重大影响。

ｚ。。。。。＝｛亟丛净剜

从公式可看出，差动阻抗式采用ｏｄｄＭｏｄｅ的方式，而共模阻抗是采用Ｅｖｅｎ

Ｍｏｄｅ的方式。要测量

如果所使用的连接线、探针与治具，能够提供一个３０～４０ｐｓ上升时间的系统，那么两个过孔的最少间隔为１５～２０ｐｓ。以介电常数Ｅｒ等于４的四层板来说，相当于２．５～

３ｍｍ（０．１英寸）的分辨能力，可以视之为ＴＤＲ的分辨限制点。

差动式ＴＤＲ的测量

目前高速输入／输出接口或总

线，如ＵＳＢ２．０、ｌ３９４、ＰＣＩ

Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ

Ｅｘｐｒｅｓｓ、

Ｚｏｄｄ—ｌｉｎｅ

ｌ与Ｚｏｄｄ—ｌｉｎｅ２的阻抗，工

程人员需要连接ＴＤＲ的两个输出到

待测的传输线上，当然，不要忘了接

ＦｉｂｒｅＣｈａｎｎｅｌ、Ｇｉｇａｂｉｔ乙

地线。而ＴＤＲ信号的驱动必须表现相反的方向，也就是差动的激励方式。然后，测量该对差动线的每一条线的阻抗。同理，要测量ｚｅ、，ｅ。一ｌｉｎｅｌ与ｚｅｖｅｎ—ｌｉｎｅ２的阻抗，ＴＤＲ必须是相同的方向，亦即共模的激励方式。

太网络与ＲａｐｉｄＩ／ｏ等，都是采用差

从实际的应用环境上来看，大多是在观察单一的不连续性地方，好比说过孔、封装的接合线等等。因此，刚才所说的法则似乎并不适用

动式的数据传输方式（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ

ＴＤＲ

ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）。而差动的特

性阻抗测量，更是ＴＤＲ能尽情发挥长处的地方。同时，差动ＴＤＲ也可

６４＿２０６４／６　

ＭＩｃＲｏ—ＥＬＥｃＴＲｏＮＩｃｓ●ＩＥ墨墨圆田宙冒墨墨墨田罡墨冒！圈■

测试＆自动化

若是该对差动线表现完全对称的时升时间就为

■图７一个简易差动ＴＤＲ探针连接到待测物的传输线

候，上面的数学式就可以归纳成：

５８ｐｓ。若是指

Ｚ。帆。。ｆ。Ｚ地地ｍ。Ｚ。ｍ。。ｊ：ｋ攀

定１７．５ＧＨｚ的

３ｄＢ带宽，在若是该对差动线存在耦合连接线端的（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）的情况时，可以发现一上升时间就

件很有意思的事情。用以下的公式

约为４０ｐｓ。

来表示：

乙ｍ；２譬瓦ｒ恶

一般连接线都是使用

ＳＭＡ的连接

Ｚ。。

器，不仅性能■图８信号多重反射的效应

可以接受，也

其中的Ｌｓｅｌｆ、Ｃｓｅｌｆ、Ｌｍ与Ｃｍ

能够直接锁进是该对线单位长度所表现的自感与常见的２０ＧＨｚ互感的电感量与电容量。

ＴＤＲ模块的

Ｃｔｏｔａｌ＝Ｃｓｅｌｆ＋Ｃｍ

３．５

ｍｍ连接

存在耦合（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）的情况

头。当针对线时，ｏｄｄＭｏｄｅ阻抗总是低于信号线

路板、晶片封的独自阻抗，同时，也略低于Ｅｖｅｎ装或连接器做

Ｍｏｄｅ的阻抗值。从设计上的观点来ＴＤＲ测试时，

说，差动阻抗与共模阻抗是极为有一个设计者就用的参数。而ｏｄｄＭｏｄｅ与Ｅｖｅｎ也必须寻得一

Ｍｏｄｅ在信号模拟时或是互连的场个接近信号位置的接地位置。若是使请留意一件事，ＴＤＲ示波器乃合，就很有用。而ＴＤＲ的连接线与用长接地线，由于寄生电感的效应，是利用前面所提及的数学公式来计探针，对于ＴＤＲ信号上升的时问的对于测量的准确性有劣化的影响。

算反射系数（ｒｅｎｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）影响也是必然的。其中，ｔＴＤＲ是没有对于线路板的单一走线或是连以及待测装置的阻抗。但该公式的连接线时的测量值，ｆ３。。正是为连接接线，是极为单纯的区段，ＴＤＲ肯前提是，假设示波器知道入射电压

线与探针的３ｄｂ带宽。

定可以准确地读出阻抗值。然而，在信号（ＩｎｃｉｄｅｎｔＶｏｌｔａｇｅ）明知阻抗

现实的环境里是远比上述的情况复不连续性发生的位置。而现实的世杂许多，真实的世界里，线路板的走界里，ＴＤＲ信号的传递是经过多重线有可能跨越多层板、经过多个过

阻抗的互联环境。在每一个阻抗不如果指定一个ＴＤＲ拥有１０Ｇｚ，孔、甚至连接器，而产生多处阻抗的连续性的地点，都有部分信号反射指定３ｄＢ带宽的连接线，ＴＤＲ本身的不连续性。最为明显的效应就是多回来，部分信号向前迈进，甚至是反３０ｐｓ上升时间，那么在连接线端的上

重反射（Ｍｕｌｔｉｐｌｅｒｅｎｅｃｔｉｏｎｓ）。

射信号回来的信号又会再度反射回

●圆躅墨跚皿匝ＭＩＣ的一ＥＬＥｃＴＲＯＮＩ豳芝ｏｂ４／一６５

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去。因此，信号在ＴＤＲ示波器与待洲装置之间，来来回回地游荡。此种悄景就够成了刚才所说的多重反射

（ｍｕｌｔｉｐｌｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）效应。也有人

能使得阻抗测量错误的发生几率会增加。列举一个实际的范例来解释这种现象。

试着考虑一段线路板表面的走线，也就是大家所熟知的“Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ”。刚开始是一英寸长度

的５０欧姆，紧接着是５英寸长度的２５欧姆，然后才又回复到ｌ英寸长度的５０欧姆。其测量到的可能结果

范例如图９所示。

用“鬼影”（Ｇｈｏｓｔ）这个字眼来描述。所以若是没汁或使用不当，有可

很明显多重阻抗的互联环境引起严重的多重反射，造成阻抗读取的错误。再来看一个很实际的例子，乃是ＢＧＡ封装的一个断线现象。其测量到可能结果，也有可能如图１０所示。

若是依赖ＴＤＲ波形曲线（虚线所示）来判断正确的失败位置可能

会令人感到略为模糊。这也是多重反射现象引起的后遗症之一。再来，一些关于测试品质上的琐事，也是要步步为营。比如说测量机器打开电源后，最好让机器维持约２０～３０分钟温度稳定之后，再进行实际的测量动作。测试仪器经常性的校正与正规化（ｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ），也要按期实施，忽略不得。

如果线路板的走线是呈现分歧的状态，比如说星状的连接型态（ｓｔａｒＴｏｐｏｌｏｇｙ）或是串联连接型态

（ＤａｉｓｙＣｈａｉｎ）的引线（ｓｔｕｂ）等。

为了简化测量，有必要有一些参考准则存在才行得通。以星状的连接型态来说，可以将之简化成多个并行的传输线，ＴＤＲ示波器所量得的阻抗为ｚｌ／Ｎ。而串联型态的引线，只要其长度远小于信号在接口上传递的上升时间，这些引线皆可以视为集总元件的电容来看待。如此一

来，测试马上就可以化繁为简。

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