測(cè)試平臺(tái)上的阻抗測(cè)試方案

寬帶阻抗受控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給中心電子構(gòu)建部件——印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)師、制造商和質(zhì)量保證管理人員提出了艱巨的挑戰(zhàn)。這個(gè)挑戰(zhàn)不是源于缺乏電磁設(shè)計(jì)知識(shí)，而且源于PCB行業(yè)中巨大的價(jià)格壓力：也就是說，在開發(fā)人員看來完全適合GHz范圍時(shí)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(gè)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(dǎo)致幾何上的不勻稱，進(jìn)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(duì)線路阻抗的檢查服務(wù)，繼而要求額外的阻抗測(cè)試板。這些測(cè)試板通常位于PCB邊緣，因此只能部分代表分布在整個(gè)生產(chǎn)面板上的實(shí)際感興趣傳輸線的特性。在最壞的情況下，被測(cè)的測(cè)試板可能在規(guī)定范圍內(nèi)，但實(shí)際感興趣的傳輸線卻不滿足要求。

阻抗波動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)有發(fā)生，最終導(dǎo)致不可容忍的傳輸線阻抗波動(dòng)。阻抗波動(dòng)的后果是時(shí)鐘沿劣化，出現(xiàn)碼間干擾，進(jìn)而造成不可接受的誤碼率，最終導(dǎo)致性能劣化甚至系統(tǒng)故障。

通過時(shí)域反射法（TDR）能以很高的精度確定線路阻抗。TDR技術(shù)從20世紀(jì)70年代就開始使用了，主要用于檢測(cè)地下或海底電纜中發(fā)生的故障。圖1顯示了基于TDR技術(shù)的阻抗測(cè)量裝置的框圖。TDR本身只包含一個(gè)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(gè)基于TDR技術(shù)的阻抗測(cè)量系統(tǒng)框圖。

基本的測(cè)量原理是這樣的：電壓發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)，通過適配器、電纜和探針傳到待測(cè)設(shè)備（DUT）。當(dāng)在待測(cè)設(shè)備的整個(gè)長度上時(shí)發(fā)生相互作用時(shí)，信號(hào)將經(jīng)歷部分反射，并傳回檢測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)設(shè)備波形阻抗的空間測(cè)量。許多人從雷達(dá)應(yīng)用中了解這種基本原理，因此也常把TDR稱為電纜雷達(dá)。

階躍信號(hào)的上升時(shí)間tr確定了空間分辨率，因此應(yīng)該盡可能短（對(duì)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(duì)于低噪聲工作（即抖動(dòng)值只有幾個(gè)ps）來說至關(guān)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(hào)分離器或耦合器。這種好處是顯而易見的，因?yàn)閷拵盘?hào)分離器通常是阻性的，會(huì)增加插損和噪聲。最后，TDR儀器還要有一個(gè)數(shù)據(jù)記錄單元，這個(gè)單元通常是用微處理器或FPGA實(shí)現(xiàn)。

高頻TDR設(shè)備正常情況下并不使用實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，而是使用順序或隨機(jī)的采樣技術(shù)。與頻閃儀相似，這些設(shè)備憑借合理的技術(shù)可以記錄快速變化的周期性信號(hào)。數(shù)據(jù)處理和可視化任務(wù)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(cè)量物體到TDR的適配是一個(gè)要求很嚴(yán)的任務(wù)。舉例來說，差分阻抗測(cè)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(gè)要求，偶數(shù)模式和奇數(shù)模式轉(zhuǎn)換將降低測(cè)量精度。另外，探針的頭應(yīng)該設(shè)計(jì)得與待測(cè)設(shè)備阻抗相匹配，才能實(shí)現(xiàn)可能最高精度的測(cè)量。

市場(chǎng)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(cè)量業(yè)已表明是目前最重要的TDR應(yīng)用。圖2顯示了對(duì)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(cè)量例子。

圖2：正確安裝SMA連接器（1，綠）和錯(cuò)誤安裝SMA連接器（2，紅）時(shí)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(shí)現(xiàn)無反射的信號(hào)傳輸，從而得到最高的比特率。因此，在評(píng)估差分和單端線的信號(hào)完整性時(shí)阻抗控制是一個(gè)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(cè)量技術(shù)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(lǐng)域找到，一般都結(jié)合了必要的附件，如（D）TDR探針。這些設(shè)備非常適合用來測(cè)量高達(dá)20Gbit/s及以上的傳輸系統(tǒng)。然而對(duì)高端設(shè)備制造商來說，阻抗控制似乎只是一個(gè)利基市場(chǎng)。因此他們不提供專用的工業(yè)化解決方案，潛在用戶在達(dá)到最終的“阻抗測(cè)量”目標(biāo)之前很快會(huì)迷失在無數(shù)普通的射頻測(cè)量技術(shù)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(jià)格領(lǐng)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(shí)。