高分辨率TDR測試以及應用
引言
當快速邊沿信號在被測試器件上的傳輸時,如果遇到阻抗不連續(xù)的情況,就會產(chǎn)生反射。因此通過對反射現(xiàn)象的觀察可以找到被測試線路中的不連續(xù)點,如短路、斷路、過孔、走線寬度變化等等。人們不僅希望TDR設備可以用于PCB走線、電纜等產(chǎn)品的阻抗測量,還希望TDR設備能應用在芯片的失效分析(FA)以及高速電路板的電路模型提取。當測試者需要對阻抗不連續(xù)點進行精確定位時,他必須擁有一臺高分辨率的TDR設備。
TDR設備的分辨率
一臺TDR設備內(nèi)部其實有兩個重要的組成部分。一部分是階躍信號發(fā)生器,它可以發(fā)出上升時間極快的階躍信號。另一部分是高帶寬的取樣器,它可以將DUT上反射回來的信號進行接收、取樣并在儀器的屏幕上顯示出來。業(yè)界往往使用高帶寬取
樣示波器作為TDR測試設備的平臺。
TDR設備能發(fā)現(xiàn)或者感知的最?。醋疃蹋┑淖杩共贿B續(xù)距離的能力稱之為分辨率。理論上一個階躍信號在DUT上傳輸時能分辨(或稱為感知)的最小的阻抗不連續(xù)距離為電信號在該階躍信號的上升時間內(nèi)在DUT上傳輸?shù)木嚯x。假設一個階躍信號的上升時間為t,假設電信號在某材質(zhì)被測電路上的傳輸速率為v,那么其距離分辨率l滿足下面的等式:
l=vt
因此一臺TDR設備要獲得更高的分辨率那么其階躍信號發(fā)生器所發(fā)出的階躍信號上升時間就必須更短。
同時,我們應當注意到TDR設備還有另外一個重要的組成部分即高帶寬取樣器??剂恳慌_TDR設備的分辨率時還必須將取樣器的帶寬考慮在內(nèi)。帶寬不同的取樣器有不同的自身上升時間指標,帶寬越高的取樣器擁有更快的上升時間。取樣器的上升時間和帶寬之間有如下的經(jīng)驗公式可以換算:
T=0.35/Bandwidth
取樣器在對反射回來的信號進行取樣時,會由于取樣器自身存在上升時間而影響到TDR測量的分辨率。在考察一臺TDR設備的分辨率時候,單純關注階躍信號發(fā)生器的上升時間或者是高速取樣器的帶寬都是不全面的。因此在PCB行業(yè)的測試規(guī)范IPC-TM-650測試手冊中,就提出了TDR設備的系統(tǒng)上升時間的概念,記為Tsys。Tsys表征了一臺TDR設備的整體特性,Tsys可以在TDR設備上直接測定,方法是將一個短路器端接在TDR設備的接口上,并對TDR設備獲取的波形進行上升時間/下降時間測量,測得的結果就是系統(tǒng)上升時間和下降時間了。圖1為Tektronix 80E04 TDR模塊的系統(tǒng)上升/下降時間測定結果。
我們可以通過TDR設備的系統(tǒng)上升時間來換算出TDR設備分辨率L。如下面的公式:
L=(v * Tsys)/2
因為我們是通過高速取樣器將反射波進行接收后對Tsys測定的,因此可以通俗的說階躍信號已經(jīng)在DUT上“一來一回”的“走”了兩次。所以在計算分辨率時需要除以2。以FR4材質(zhì)的PCB板的表層走線(v約為5.5 inch/ns)為例,使用80E04組成的TDR系統(tǒng)可以達到約2mm的分辨率。80E04 TDR模塊的測試分辨能力對于PCB板阻抗測試以及電纜阻抗測試來說已經(jīng)是足夠高了。
但是對于PCB板的過孔、芯片內(nèi)部的開路、短路等情況2mm的分辨率就略顯不足,需要TDR設備具有更高的分辨率。PCB板的過孔是毫米級的,芯片內(nèi)部的走線長度在幾個毫米到一厘米之間。因此要完成對PCB過孔的電路模型提取以及芯片內(nèi)部走線的短路、短路定位需要TDR設備的分辨率優(yōu)于1mm。
高分辨率TDR的探測探頭是TDR測試系統(tǒng)的組成部分
在進行TDR探測時,我們必須通過一個工具將快速階躍信號注入DUT以完成測試,這個工具就是TDR探頭了。圖2是進行TDR測試時常用的一種單端探頭,由探頭前端、探頭電纜以及防靜電模塊控制線組成。該探頭標稱帶寬18GHz,當該探頭連接到TDR測試設備上時,系統(tǒng)帶寬就會被限制在18GHz以下,TDR測試的分辨率也就隨之下降。該探頭完全勝任于PCB板的走線特征阻抗測試,但是在進行PCB走線的過孔測量以及芯片失效分析測試時就顯得力不從心了??梢娙绻覀儐渭儞碛幸粋€高分辨率的TDR設備是不夠的,我們還需要一個高帶寬的TDR探頭。
影響TDR探頭帶寬的因素有很多,例如探頭電纜的長度、探頭前端的尺寸等等。一般的說,探頭電纜越長對高頻信號的衰減就越大,帶寬就越低。探頭前端的尺寸越大帶寬就越低。
因此,盡量的縮短探頭電纜甚至不用探頭電纜就成了提高探測帶寬的一個簡單但非常有效且必要的措施。
TDR模塊的延伸電纜可以將模塊最大限度的靠近DUT,減少由于TDR探頭的電纜對探測帶寬所帶來的影響。
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