測試平臺上的阻抗測試方案

寬帶阻抗受控系統(tǒng)的實現(xiàn)給中心電子構建部件——印刷電路板（PCB）的設計師、制造商和質量保證管理人員提出了艱巨的挑戰(zhàn)。這個挑戰(zhàn)不是源于缺乏電磁設計知識，而且源于PCB行業(yè)中巨大的價格壓力：也就是說，在開發(fā)人員看來完全適合GHz范圍時鐘速率的理想射頻（RF）基材幾乎沒有使用過。

與此相反，在整個基材中介電常數(shù)（DC）不均勻的低成本FR4材料倒是經(jīng)常使用。另外，將核心材料和半固化片壓合成多層PCB經(jīng)常導致幾何上的不勻稱，進一步增加了不確定性的來源。然而，為了滿足規(guī)定的容差，許多PCB制造商提供對線路阻抗的檢查服務，繼而要求額外的阻抗測試板。這些測試板通常位于PCB邊緣，因此只能部分代表分布在整個生產(chǎn)面板上的實際感興趣傳輸線的特性。在最壞的情況下，被測的測試板可能在規(guī)定范圍內，但實際感興趣的傳輸線卻不滿足要求。

阻抗波動經(jīng)常是不可容忍的

除了材料和生產(chǎn)工藝的特殊變化外，設計參數(shù)變化（比如層的改變，到GND平面、PCB邊界或其它傳輸線的距離太短）也時有發(fā)生，最終導致不可容忍的傳輸線阻抗波動。阻抗波動的后果是時鐘沿劣化，出現(xiàn)碼間干擾，進而造成不可接受的誤碼率，最終導致性能劣化甚至系統(tǒng)故障。

通過時域反射法（TDR）能以很高的精度確定線路阻抗。TDR技術從20世紀70年代就開始使用了，主要用于檢測地下或海底電纜中發(fā)生的故障。圖1顯示了基于TDR技術的阻抗測量裝置的框圖。TDR本身只包含一個電壓階躍發(fā)生器和帶數(shù)據(jù)采集單元的寬帶采樣器。

圖1：一個基于TDR技術的阻抗測量系統(tǒng)框圖。

基本的測量原理是這樣的：電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個階躍信號，通過適配器、電纜和探針傳到待測設備（DUT）。當在待測設備的整個長度上時發(fā)生相互作用時，信號將經(jīng)歷部分反射，并傳回檢測器，從而實現(xiàn)待測設備波形阻抗的空間測量。許多人從雷達應用中了解這種基本原理，因此也常把TDR稱為電纜雷達。

階躍信號的上升時間tr確定了空間分辨率，因此應該盡可能短（對于Sequid DTDR-65來說，tr≈65ps，因此空間分辨率大約為5mm）。發(fā)生器和采樣器（其模擬輸入帶寬至少是10GHz）之間的同步對于低噪聲工作（即抖動值只有幾個ps）來說至關重要。最理想的是使用“真正直通的”采樣器，不需要外部的信號分離器或耦合器。這種好處是顯而易見的，因為寬帶信號分離器通常是阻性的，會增加插損和噪聲。最后，TDR儀器還要有一個數(shù)據(jù)記錄單元，這個單元通常是用微處理器或FPGA實現(xiàn)。

高頻TDR設備正常情況下并不使用實時采樣技術，而是使用順序或隨機的采樣技術。與頻閃儀相似，這些設備憑借合理的技術可以記錄快速變化的周期性信號。數(shù)據(jù)處理和可視化任務一般在PC上執(zhí)行，可完全集成在高端儀器中，或通過USB或以太網(wǎng)連接。

測量物體到TDR的適配是一個要求很嚴的任務。舉例來說，差分阻抗測量必須使用高精度的相位匹配電纜和探針。如果不能滿足這個要求，偶數(shù)模式和奇數(shù)模式轉換將降低測量精度。另外，探針的頭應該設計得與待測設備阻抗相匹配，才能實現(xiàn)可能最高精度的測量。

市場上的不同系統(tǒng)

在越來越快的數(shù)字世界中，線路阻抗的測量業(yè)已表明是目前最重要的TDR應用。圖2顯示了對無干擾（綠色曲線）和有干擾（紅色曲線）傳輸線的這種空間分辨式測量例子。

圖2：正確安裝SMA連接器（1，綠）和錯誤安裝SMA連接器（2，紅）時RG 405同軸電纜的反射圖。

只有傳輸路徑上所有元件（不僅包括蝕刻線，而且包括電纜、連接器甚至集成電路中的終端電阻）都是阻抗匹配的，才能在發(fā)送器和接收器之間實現(xiàn)無反射的信號傳輸，從而得到最高的比特率。因此，在評估差分和單端線的信號完整性時阻抗控制是一個很重要的因素。

開發(fā)人員和制造商可以從大量不同類型的差分TDR系統(tǒng)（DTDR）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)。一些著名的測量技術制造商提供高精度的高端TDR系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以在高速示波器領域找到，一般都結合了必要的附件，如（D）TDR探針。這些設備非常適合用來測量高達20Gbit/s及以上的傳輸系統(tǒng)。然而對高端設備制造商來說，阻抗控制似乎只是一個利基市場。因此他們不提供專用的工業(yè)化解決方案，潛在用戶在達到最終的“阻抗測量”目標之前很快會迷失在無數(shù)普通的射頻測量技術之中。此外，由于其高性能和通用性，所有這些系統(tǒng)都屬于高價格領域，這使得投資缺乏吸引力，特別是如果TDR不是持續(xù)使用時。