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PCB設計大講堂:差分時域反射儀克服線性阻抗測試挑戰

time : 2019-09-10 09:32       作者:凡億pcb

幾乎所有的數位高速系統設計人員與制造商都面臨著必須考慮高頻PCB設計方面的挑戰,特別是關于最佳資料轉換率只可能在具有正確阻抗率的傳輸路徑上實現。因此,建置以寬頻阻抗控制的系統,為中心電子建構元件──印刷電路板(PCB)的設計師、制造商和品管人員帶來了艱巨挑戰。
 
這并不是因為缺乏電磁設計知識,而是來自PCB產業的巨大價格壓力:從開發人員的角度來看,幾乎不曾利用過適于GHz范圍的時脈速率的射頻(RF)材料,反而經常使用整個基材中介電常數(DC)都不均勻的低成本FR4材料。再者,將核心與預浸料壓合成多層PCB時經常導致幾何不勻稱,進一步增加了不確定性的來源。
 
然而,為了滿足所規定的容差,許多PCB制造商提供線性阻抗檢測服務,因而要求額外的阻抗測試板。這些測試板通常位于PCB邊緣,因此只能部份代表分佈在整個生產面板上真正發生問題的傳輸線。在最壞的情況下,被測的測試板可能在規定范圍內,而實際有問題的傳輸線則否。
 
阻抗波動經常是不可容忍的
除了材料和生產制程的特殊變化外,設計參數變化(例如層的改變,到GND平面、PCB邊界或其它傳輸線的距離太短)也時有發生,最終導致不可容忍的傳輸路徑阻抗波動。其后果是時脈邊緣退化、符碼之間干擾,進而造成不可接受的誤碼率,最終導致性能退化甚至系統故障。
 
透過時域反射儀(TDR)能以高精密度確定線性阻抗。TDR從1970年代就開始使用了,主要用于檢測地下或海底電纜所發生的故障。圖1顯示基于TDR技術的阻抗測量設置方塊圖。TDR本身只包含一個電壓階波產生器以及帶有資料擷取單元的寬頻取樣器。
 
采用TDR的阻抗測量系統方塊圖
圖1:采用TDR的阻抗測量系統方塊圖。
 
基本的測量原理是這樣的:電壓產生器發出一個階波訊號,經過配接器、電纜和探棒傳送到待測物(DUT)。當在DUT的整個長度發生互動時,訊號經歷部份反射后傳回檢測器,因而實現DUT波形阻抗的空間測量。許多人由于從雷達應用了解這個基本原理,因此也常把TDR稱為電纜雷達。
 
階波訊號的上升時間tr可決定空間解析度,因此應該盡可能短(對于Sequid D-TDR-65來說,tr 65ps的空間解析度大約為5mm)。產生器和取樣器(其類比輸入頻寬至少約10GHz)之間的同步對于低雜訊作業(即抖動值僅幾板秒)來說至關重要。最理想的是使用‘真正直通的’取樣器,因而不需要使用外部訊號分離器或藕合器。這種好處是顯而易見的,因為寬頻訊號分離器通常是阻性的,會增加插入損耗與雜訊。最后,TDR還配備了一個資料記錄單元,它通常是以微處理器或FPGA建置。
 
高頻TDR設備通常并不使用即時取樣,而是采用依序或隨機的取樣技術。這些設備類似于頻閃儀,能以適合的技術記錄快速變化的周期性訊號。資料處理和視覺化任務一般在PC上執行,可完全整合在高階儀器中,只需透過USB或乙太網連接即可。
 
測量物體到TDR的適配性是一項要求嚴格的任務。舉例來說,差分阻抗測量作業必須使用高精密度的相位匹配電纜和探棒。如果無法達到這些要求,偶數模式和奇數模式轉換將會降低測量精密度。另外,探棒頭設計應該與DUT阻抗相匹配,才能實現最高精密度測量作業。
 
市場上的不同系統
在越來越快速的數位世界中,線性阻抗的測量業已成為目前最重要的TDR應用了。圖2顯示對于無干擾(綠色曲線)以及受干擾(紅色曲線)的傳輸線類型的空間分辨測量示例。
 
受干擾(紅)以及無干擾(綠)的傳輸線(TDR訊號)反射圖
圖2:受干擾(紅)以及無干擾(綠)的傳輸線(TDR訊號)反射圖。
 
只有所有元件(包括蝕刻線、電纜、連接器甚至是IC的終端電阻)上的傳輸路徑都是阻抗匹配時,才能在發送器和接收器之間實現無反射的訊號傳輸,從而實現最高的位元速率。因此,在評估差分和單端線路的訊號完整性時,阻抗控制才是重要的因素。
 
開發人員和制造商可以從大量不同類型的差分TDR系統(D-TDR)中選擇一種用于阻抗控制:從極具成本效益的系統到特別昂貴的系統。多家知名的測量技術制造商均提供高精密度的高階TDR系統,可在高速示波器領域找到,這些系統一般都結合了必要的附件,如(D)TDR探棒。這些設備非常適合用來測量高達20Gbit/s及以上的傳輸系統。
 
然而,對于高階設備制造商來說,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化解決方案,而潛在用戶在達到最終的‘阻抗測量’目標以前,可能都處于一種很快就迷失在無數普通RF測量技術的叢林中。此外,由于其高性能和通用性,所有這些系統都屬于高價格領域,因而使其投資缺乏吸引力,特別是如果TDR不持續使用時。
 
在工業和特殊產品測量技術領域,可以找到一些通用性較低的TDR。過去二十年來,這些領域已經建立起了特定的標淮程序。這些設備與相關軟體已針對測量測試板阻抗進行了最佳化,持續部署在許多PCB制造商那兒。然而,這些TDR不太適合用于PCB內部隨機傳輸線的設計與測試,理由是缺少合適的探棒,更糟糕的是,太慢的訊號上升時間tr導致太低訊號頻寬,從而只顯示具有最小長度約10cm的線性特征。
 
這些都是市場上許多成本的(D)TDR設備。進一步購買元件(TDR探棒和相位調整電纜)通常就能滿足技術上的先決條件。不過在這種情況下,必須在資料記錄、誤差減少、阻抗運算和結果歸檔等方面開發合適的軟體,以便開發檔案,從而產生必須開發的檔案。因此,令人質疑的是一款來自開放來源的解決方案最終是否就更具有成本效益?
 
Sequid GmbH公司最初開發高解析度和高精密度的TDR系統,用于判斷魚肉的品質。在與德國PCB制造商Elekonta Marek的過程中,其現有的基本技術進一步發展為很高性能的系統(Sequid DTDR-65),能夠滿足阻抗控制測量的所有需求。這是一種高穩定的差分時域反射計,適合速率高達10Gbit/s的差分和單端傳輸線的阻抗測量。這種儀器還具有65ps的階波訊號產生器,因此支援針對測試板和實際電路的高解析度測量。此外,DTDR-65具有特別好的抖動性能(Jrms<500fs),而這種性能通常是高階設備才有的。
 
同時,所開發的軟體解決方案能夠讓非射頻專家順利完成阻抗測量。這種解決方案不僅包含基本功能(如設備控制),還包含了用于顯示線性阻抗的可直觀作業功能。容差光罩使其易于判定通過/失敗(PASS/FAIL),但以下介紹一些簡單的應用。
 
圖3顯示RG 405同軸電纜的反射圖,其中的同軸電纜分別按照組裝規格(1)以及未按照組裝規格(2)裝配SMA連接器。兩種RG 405電纜的線性阻抗Z0 51.5Ω,連接器區域的轉變非常明顯。在錯誤安裝連接器的情況下,電容器下降(朝低阻抗變形)是可見的。而當外部和內部導體安裝靠得太接近(即建構一個電容器)時這種效應會頻繁發生。

 正確安裝SMA連接器(1/綠)以及錯誤安裝SMA連接器(2/紅)的RG 405同軸電纜反射圖
圖3:正確安裝SMA連接器(1/綠)以及錯誤安裝SMA連接器(2/紅)的RG 405同軸電纜反射圖。
 
圖4顯示4層印刷測試電路上的差分傳輸線阻抗曲線。傳輸路徑一開始是第一層(頂層)的微帶線,然后通過一個過孔轉至第二層時仍然維持微帶線,再通過第二個過孔回到第一層表面。這個路線經過幾次反復后在第一層終止。顯然這個測試電路無法達到100Ω的目標阻抗:微帶線和帶狀線的特征阻抗分別是Z0 120Ω和Z0 110Ω。從圖中可以明顯看出,過孔的電容器因素會嚴重影響實際系統中的訊號完整性,尤其是在高資料速率時更明顯。
 
在FR4基板兩個不同層上佈線的差分線反射圖
圖4:在FR4基板兩個不同層上佈線的差分線反射圖。
 
圖5顯示USB 3.0連接器和電纜的反射圖。USB 3.0元件的額定阻抗是Z0=90Ω±7Ω。TDR設備仍然作業于100Ω的參考阻抗上(時間范圍t<12.2ns)。從測試配接器到USB 3.0連接器的轉換引起的第一次反射發生在大約12.3ns,正如預期的與所有測量一致。曲線3(綠色)代表開放式配接器的結果,其中的快速阻抗上升指示配接器的(高阻抗)末端。曲線4和5(紅色和藍色)代表兩種不同的USB 3.0電纜元件,每個元件由一個配接器和一個后續電纜組成。雖然電纜都在規格之內,但配接器不符合規格。特別是紅色曲線顯示最大阻抗約為122Ω,產生的嚴重反射則可能導致USB 3.0控制器降低資料速率。
 
具有開放電路(3)和兩個不同USB 3.0線纜(4和5)的USB 3.0配接器反射圖。
圖5:具有開放電路(3)和兩個不同USB 3.0線纜(4和5)的USB 3.0配接器反射圖。
 
總之,開發人員可利用差分時域反射儀直覺且深入地觀察傳輸路徑。開發人員和品管人員的任務通常包含對所取得的結果進行易于理解的歸檔。這項任務非常重要,但遺憾的是非常耗時且單調乏味。不過,利用內建的自動化報告產生工具,已能大幅簡化這項繁瑣的任務了,只需幾次點選就能輕松形成圖形化和統計性的深入評估報告。此外,對于大多數普通線性類型來說還可以使用線上阻抗計算器。
 
必要的配件包含了相位調整過的高品質同軸電纜以及TDR探棒,可用于不同類型應用:工業探棒用于生產過程中的序列測量,高精度探棒用于研發——見圖6。DTDR-65還具有卓越的電磁保護性能,完全可以在電池供電的行動應用中使用。
 具有開放電路(3)和兩個不同USB 3.0線纜(4和5)的USB 3.0配接器反射圖。
圖6:用于時域反射儀DTDR-65的不同探棒和配件。