基于TDR规范的阻抗差分阻抗测试方法及应用

TDR基础：仪器产生阶跃信号
TDR基于一简单的概念：当能量沿着媒介传播时，遇到阻 抗变化，就会有一部分能量反射回来，反射回的能量、注 入到媒介的能量与阻抗的变化有理论上的数学关系。因而 TDR测量阻抗的过程是：先向传输线发送一个上升时间很 快的阶跃信号，阶跃信号将沿着传输线传输：
传播 阶跃
阶跃 源 传输线 特性 阻抗 Z = Z 0
TDR 基础：TDR分辨率
为此，TDR规范在第2页"4.1.1"提出对TDR仪器的要求： 4.1.1 TDR instrumentation that contains a pulse(step) generator and an oscilloscope with the following features is required: 35 ps maximum reflected into the open instrument port. Step aberrations: Less than 3% from 10ns to 35ps before step?? Mainframe oscillocope bandwidth of at least 10 Ghz.
示波器测量点
阶跃 源
Z1 = Z0
Z2 > Z0
TDR 基础：整个系统结构和阻抗算法
TDR 基础：TDR曲线映射着传输线的各点
其中ρ是反射系数，Z 0 是参考阻抗（一般为50ohm，由测 试系统决定），Z是待测阻抗。由此仪器可以计算显示出 传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的屏幕上显示一条 TDR曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系 数或特征阻抗。
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基于TDR规范的阻抗、差分阻 测试方法及应用 抗
内容概要
数字系统设计人员正面临着越来越快的信号速度，控制传 输线特性阻抗正变得日益重要。 测试PCB、Cable、Connector等传输线特性阻抗的最常用 方法是TDR方法。本文基于TDR规范，介绍：
TDR原理 阻抗、差分阻抗测试方法 精确测量的校准方法 TDR与应用软件的结 合 的典型应 TDR 用 TDR的方法去测试分析传 学习了本课程应该能够正确应用 输线的阻抗、差分阻抗。结合信号完整性理论，深入一步 能够测试分析互连的性能，从而能够帮助我们在实际中发 现和解决信号完整性问题。
许多因素影响着TDR 测量的精度，包括：TDR仪器的阶 响 跃应和采样头性能，探头与待测物连接的寄生参数，电缆 、探头和待测物损耗，多重反射和测量中使用的参考阻抗 的精度等。
TDR校准方法：TDR规范中的校准方 法
为了提高TDR测试的精度和可重复性，TDR规范提供了两 种校准方法：
规范中的5.1节：Calibration-Stored Reference Method 规范中的5.3节：Calibration-In Situ Reference Method 这两种校准方法都适合于单端TDR、差分/共模TDR的测量 。 规范第5页（5.0节最后）写明：如果TDR仪器的电压偏置 没有漂移发生的话，两种方法是完全相同的。 要使用第2种方法如果the voltage offset drift plus the uncertainty of measurement is greater than 0.1% of the measured incident step amplitude.
目前世界上能够满足此要求的只有：TDS8000B+80E04 TDR
差分TDR测量：TDS8000B+80E04差分TDR 测量操作步骤
在Setup里打开TDR，进行Autoset，进
行矢量显示，进行平均； 与单线TDR不同之处是选中C3、C4，改 变TDR脉冲极性，如左图； 关闭窗口，调节放大被测传输线部分； 点中左上角的fx，在M1函数里输入 C3+C4，得出M1曲线，打开Cursor或用 自动测量测试M1的阻抗值为差分阻抗值 。如下页图所示：
TDS8000B+80E04共模TDR测量操作步骤
同样打开Setup里的TDR，与差分TDR操作类似，不同之 处是改变发出的脉冲为同样的极性； 打开左上角的fx，在M2里输入C3*C4/（C3+C4），如下 图： 对M2进行Cursor 测量或自动测量即得 共模阻抗值， 如下页图：
TDR校准方法：TDR测试误差 源
阻抗和信号完整性问题
计算机、通信系统、视频系统和网络系统等领域的数字系 统开发人员正面临着越来越快的时钟频率和数据速率，随 之，信号完整性变得越来越重要。在当前的高工作速率下 ，影响信号上升时间、脉宽、时序、抖动或噪声内容的任 何事物都会影响整个系统的性能和可靠性。为保证信号完 整性，必须了解和控制信号经过的传输环境的阻抗。阻抗 不匹配和不连续会导致反射，增加系统噪声和抖动，在整 体上降低信号的质量。 阻抗控制是当前许多数字系统、元器件规范的一部分，如 USB2.0，Firewire（IEEE 1394），PCI Express， Infiniband，Serial ATA，XAUI等规范。业内已经普遍 使用仿真工具设计高速电路，仿真加快了设计周期，最大 限度地减少了错误数量。但是仿真之后，必须进行工程验 证来检验仿真设计，这其中就包括阻抗测量。
TDR校准方 法：
Stored Reference Method
此方法与Intel PCB测试方法上介绍的offset方法类似。
首先在被测件的位置连接Airline空气线，假设阻抗值为： Zref，
Airline的另一端连接一段末端开路的电缆，测量Airline的反射电 压作为参考电压 Vref 去掉电缆，加上探头，测得探头开路反射电压为 Vinc，去掉 Airline，连接被测件，测得被测件得反射电压为 Vline 由公式计算出被测件阻抗：
现在世界上只有TDS8000B+80E04 TDR内置了此校准方 法，模块内置有一根空气线,可以自动监视基线和入射阶 跃幅度,可以自动补偿系统，计算被测件的反射系统和特 征阻抗。
TDR与应用软件的结合：TDR校准和阻抗测 量软件
实用于非标准探测互连环境中的校准 使用TDR规范中的校正方法1进行
TDR 基础：阻抗变化
传输线中的阻抗变化将导致传播阶跃的幅度变化
阻抗变化点
阶跃 源 特性 = Z0 阻抗 Z 1 特性 > Z0 阻抗 Z 2
TDR 基础：发射信号、反射信号和示波器监测
阻抗变化导致某些能量反射回到来源，其余能量仍将传输。 使用示波器监测阶跃源输入点上的传输线信号,示波器波形 将以适当的时间顺序显示入射和反射传播信号总和。
差分TDR测量：差分和共模的电场、磁场
下面是一个差分驱动和共模驱动的图示，图中显示了相应 的电场、磁场分布。
差分TDR测量：齐模、偶模阻抗图示
下面是齐模/差分，偶模/共模阻抗的图示。
差分TDR测量：差分阻抗测试方法
TDR 规范在13页 " 7.1" 介绍了差分TDR 的原理： Differential TDR instrumentation injects two equal pulses of opposite polarity into the coupled transmission lines ??，如下面图示：
IPC规范了阻抗、差分阻抗的测试方法
测试PCB、Cable、Connector等互连环境的特性阻抗的 最常用的方法是使用时域反射计TDR。TDR规范由 IPC.org制订，可以在网站上免费下载： www.ipc.org/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2.5.5.7.pdf ，下面就基于TDR规范介绍阻抗、差分阻抗测试方法，精 确测量的校准方法，TDR的应用等内 容。
校准（如下图）。 校准后能够进行自动测试， 并能够把测试结果存到数据库中。
TDR与应用软件的结合：PCB、Cable等大 批量测试软件PCBtest8000
TDR 基础：TDR探头
规范的"4.3"介绍了TDR探头的情况，结合Intel的PCB测 试方法，TDR探头主要有三类：
Handheld手持探头 SMA探头 MicroProbe微探头
TDR 基础：两种典型的手持TDR探头
9GHZ带宽P6150：
20GHZ带宽P8018：
差分TDR测量：越来越多的设计采用串行总 线来传输高速信号
目前世界上能够满足此要求的只有：
TDS8000B+80E04（TDR模块）
TDR 基础：改变TDR上升时间
尽管在许多情况下，大家希望最快的上升时间，这样能够 提供更好的分辨率，但在某些情况下，极快的上升时间在 TDR 测量中也会给出误导性结果。 为了与实际信号保持一致，很多规范要求，阻抗测量时 TDR的上升时间与实际信号保持一致，如USB2.0要求 400ps的TDR上升时间，Infinband要求200ps的TDR上 升时间等。 TDS8000B+80E04 TDR采用了Intel PCB测试方法上推 荐的Filter方法，这种方法应变迅速，不要求任何额外的 校准步骤。过滤的波形结果与使用外部发生器发生同等脉 冲所作的类似测量非常一致。适合于单端、差分阻抗、共 模阻抗的测量。
TDR 基础：TDR分辨率
看下面图，理想的TDR曲线应该是实心的曲线，但是实 测 际量显示的结果却是虚心的曲线，这是为什么呢？这是因 为TDR分辨率不足所 致。 Z0 Z1, tD Z0
ρ
Байду номын сангаас
tr(system)
2tD
t01 t12
显示的时间
TDR 基础：TDR分辨率
多种因素影响着TDR系统分辨间隔紧密的不连续点的能力 。如果TDR系统的分辨率不足，间隔小或间隔紧密的不连 续点可以平滑成波形中的一个畸变。这种效应不仅会隐藏 某些不连续性，还可能会导致阻抗读数不准确。 TDR测量时发出的阶跃脉冲的上升时间是影响TDR分辨率 最关键因素： 的
差分传输线具有两种独特的传播方式，每种方式都具有自 己的特性阻抗。大多数资料把这两种方式称为奇模阻抗和 偶模阻抗。 奇模阻抗被定义为通过监测一条线路，而另一条线路通过 互补信号驱动而测量的阻抗。差分阻抗是指在差分驱动时 在两条传输线中测量的阻抗。差分阻抗是奇模阻抗的两倍 。 偶模阻抗被定义为通过监测一条线路，而另一条线路先通 过同等信号驱动而测量的阻抗。共模阻抗是指并连在一起 的线路的阻抗，是偶模阻抗的二分之一。
由于信号完整性问题，越来越多的采用差分线来传输信号：
差分结构：由于共模抑制，能够更好地抗干扰 差分结构：由于抵消场，降低辐射噪声（EMI） 差分结构：实现了更加精确的时序控制 差分结构：由于抗干扰能力及降低辐射能量，减少了串扰 差分结构：减少了由于电流瞬变导致的电源噪声
差分TDR测量：齐模/差分阻抗、偶模/共模阻 抗
Offset校准方法是在被测件的位置连接Airline，测量 Airline的阻抗，测量结果与Airline的标称值比较，得出 得误差作为以后测试的系统误差，实际的测量结果减去此 误差得出的就是被测件的阻抗值。
TDR校准方 法：
In Situ Reference Method
此方法是在被测件的前端始终连接Airline（阻抗 Zref）， 每次测量都检测Airline的反射电压作为 Vref ，Airline后面 端接的探头的开路反射电压作为 Vinc ，被测件测量的反射 电压作为Vline。 由同样的公式计算出被测件的阻抗：
TDR 基础：TDR波形变化处反映寄生参数
当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲 线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻 抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因 而TDR也可以用来进行互连建模。TDA公司的IConnect软 就 件是一个典型的基于TDR的建模软件，可以直接装在 TDS8000B中调用TDR/TDT参数进行互连的建模仿 真。