logo
为了提高传输速度和传输距离，计算机和通信产业转移到高速串行汇流排，实现了晶片、卡-板卡和背板之间的高速互连。这些高速串行汇流排的速度从过去USB2.0、LVDS以及FireWire 1394的数百Mbps上升到现在PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的数量Gbps，进而上升到10Gbps，这意味着计算机和通信业的PCB制造商对差分走线的阻抗控制要求越来越高PCB制造商及高速PCB设计者面临着前所未有的挑战。本文，PCB行业测试标淮IPC？TM650结合手册，讨论真实差分TDR测试方法的原理和特征。
IPC-TM-650试验手册为全面性PCB产业试验标准，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等方面提供了详细的试验方法和试验要求。在本手册的2.5节中，对PCB电气特性进行说明，其中2.57a全面介绍PCB特性阻抗测试方法及对应的测试器具要求，包括单端走线及差分走线阻抗测试。
TDR基本原理
图1是在传输路径（例如PCB上传输步骤信号的情况下的示意图。另一方面，传输线通过介质从GND分离出来，使得无数微电容器并联连接。当电信号到达某个位置时，为了给电容器充电，那个位置的电压会发生变化。传输线在该位置具有对地电流电路，因此产生阻抗。然而，该阻抗是仅在步骤信号本身中感受到的所谓特征阻抗。
当传输线中出现阻抗不连续时，在阻抗变化处的步长信号中产生反射现象，当对反射信号进行采样并在示波器屏幕上显示时，获得图2所示的波形，并且该波形表示所测试传输线的不同位置处的阻抗变化。
可以比较图2的两个波形。这是使用两个分辨率不同的TDR设备测试相同传输路径时获得的测试结果。两个装置对传输线阻抗变化的反映不同，一个是明显的，另一个是不清楚的。TDR设备感测传输线阻抗不连续的分析度主要取决于TDR设备发出的步长信号的上升时间的速度，并且快速上升时间可以获得高分析度。另一方面，TDR设备的上升时间多与测试系统的频率宽度有关，频率宽度高的测试系统具有更快的上升时间。从另一个角度，TDR设备的系统频率宽度限制TDR测试的分析度。IPCTM在650测试手册中，根据系统启动时间tsys定义设备的上升时间。在测量一台TDR的设备的系统上升时间时，可以使一台TDR的设备的输出短路，此时，可以测量该TDR的设备的tsys（上升和下降时间）。图3的TDR设备系统的上升时间约为28ps。
图1：传输路径中的步骤信号的传输状况
图2:TDR反映传输路径阻抗信息的测试
图3:TDR系统的上升/下降时间的测量
图4是其他TDR装置的系统启动/下降时间测试结果，约为38ps~40ps。这意味着不同的TDR设备在系统的上升/下降时间上有很大的差异，因此，所示的传输线阻抗测试的分析度也大不相同。
图4：其他TDR设备的启动？下降时间测量结果
系统的上升时间和分辨率的关系用以下公式表示。
Resolution=（tsys*V）/2，V是被测试传输线中电信号的传输速度。
为了便于测试者理解TDR测试分辨率及PCB走线的最小测试长度，IPC-TM-650试验手册中也提供了速报数据（图5）。
图5:IPC-TM-650试验手册提供对照表
差分TDR设备基本要求
在以往的IPC-TM-650手册中，对PCB差分TDR测试的要求比较缓慢。在手册中，允许测试者根据TDR测试装置的状况使用两种不同的方法。
方法1：当测试者具有差分TDR测试装置时，测试装置同时打出两个振幅相等、方向相反的步进脉冲，通过该差分信号的相互作用直接测量差分走线阻抗。
方法2：测试者差分TDR测试没有设备时，测试装置在差分走线（A线和B线）中，首先对A线输入步进信号，将A线中的A步进信号的反射特性记为AA，并且测定B线中的A步进信号的感应信号，并记录为BA。然后，对B线输入步进信号，将B线中B步进信号的反射特性记录为BB，并且测量A线中B步进信号的感应信号，将其记录为AB。通过计算得到的AA、AB、BB、BA的4个数值，得到差分走线阻抗。这种方法也被称为lsquo。伪差分（Super-Position）rsquo;。
但是，在现在的最新版IPC-TM-650手册中，只保存方法1的真正的差分TDR测试记述。已经没有办法了；伪差分rsquo;TDR测试方法的说明。以下，对两个差分TDR测试方法进行比较。
1.真差分测试法
如图6所示，步骤信号A和步骤信号B的一对方向相反，振幅相等，同时被发出差分阶跃讯号。差分TDR不仅在设备上看到差分的步长信号，而且当用一个即时示波器观察到该步长信号时，也可以确认这是真的差分信号。
图6：实时差分TDR测试系统显示波形
因为注入DUT（测量对象设备）中的TDR步进脉冲是差分信号，所以TDR装置能够直接测量差分走线的特征阻抗。使用差分阶跃讯号进行真差分TDR测试，如图7所示，给予用户的最大优点是能够实现虚拟接地。
图7：虚拟接地原理
差分走线和差分信号是平衡的，差分信号的中心电压点和接地面是等电位，所以在使用差分阶跃讯号进行差分TDR测试的情况下，只要信道A和信道B的共地被保证，就不需要DUT之间的接地。
2. 伪差分法
如图8所示，步骤信号A和步骤信号B不是同时提出的，方向相反，所以注入DUT的步骤信号不是差分信号。
图8:伪差分法TDR试验原理
这样的lsquo；伪差分TDRrsquo;在装置画面中，通常通过人为的软件调整同时发送，显示方向相反的步骤信号。
然而，当用一个即时示波器观察到这两个步长脉冲时，可以看到如图9所示的波形，并且可以看出两个步长脉冲之间的实时关系存在2us的时间差。也就是说，这两个步骤信号不是差分信号。
图9：用即时示波器观察lsquo；伪差分rsquo;法TDR系统波形
该TDR步骤脉冲是高速差分信号的传输过程，即振幅相等、方向相反，因此被称为伪差分信号。因此，在该方法中，不能直接测量DUT的差分阻抗，只能使用软体计算法对差分阻抗测试进行模拟运算。计算的两个振幅相等，极性相反的步进脉冲由TDR装置获得。差分TDR测试所引起的限制是差分信号之间的同时相互作用不能真实地获得，不能实现虚拟接地。另外，在进行差分TDR测试的情况下，信道A和信道B的探测必须分别具有独立的接地点。但是，在PCB内部的真实差分走线附近找不到接地点，在PCB内部无法测定真实差分走线的情况很多。
伪差分TDR为了解决设备难以测量PCB内部的实走线差分TDR的问题，一般的PCB制造商在PCB周围安装有接地点差分走线测试棒，称为lsquo。couponrsquo;，图10是表示测试用lsquo的典型的PCB。couponrsquo;，下面是板内的实线。为了便于探针连接，试验点的间隔通常达到100mil（2.54mm），大大超过了差分走线的间隔。测试点旁边也设有连接位置，间隔相同为100mil。
图10：基板上coupon与实际走线的不同
coupon考试的界限和差异
从图10可以看到测试lsquo。couponrsquo;与板中实际线条的不同之处：
1.走线间距、走线宽度一致，coupon试验点的间距固定在100mil（即最初的两列直插式IC销间距），板内实际走线的末端（即晶片销）间距不同，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现晶圆针脚间距远小于两列直插式IC封装间距。
2.coupon线是理想的直线，板内的实际线往往弯曲。PCB设计者和生产者容易理想化coupon的生产线，但是PCB上的实际生产线由于各种因素而导致生产线不规则。
3.coupon与板内实际的走线整体PCB上的位置不同。coupon都在PCB的末端，PCB出货时多被制造商删除。板内的实际布线位置相当多样，既有接近电路板边缘的，也有位于板中央的。
由于上述差异，coupon的特征阻抗通常与板内的实际布线阻抗有若干差异。首先，coupon试验点间隔与coupon走线间隔不同，试验点与走线之间的阻抗不连续。另一方面，PCB内的真正的差分走线末端（即，晶片引脚）间距往往与线间距相等或非常接近，因此带来不同的阻抗测试结果。
接下来，弯曲的行驶线和理想的行驶线反映的阻抗变化不一致。虽然线折弯的特征阻抗通常不连续，但是coupon的理想化导线不能反映由于线折弯引起的阻抗不连续现象。
第三个位置是coupon与PCB上的实线不同的位置。现在的PCB是多层布线设计，生产时需要压缩。当压缩PCB时，在电路基板上的不同位置接受的压力也不能一致，PCB在不同位置导致介电常数不同，特征阻抗当然也不同。
因此，在仅PCB的coupon的TDR测试中，不能完全反映PCB内实际的走线特性阻抗。PCB制造商、高速电路设计者或制造商希望直接PCB内的实际高速差分走线测试TDR以获得淮确的特征阻抗信息。阻碍实际测试的主要原因有两个。难以找到差分TDR探棒的连接位置。以及差分走线的末端间隔多变。
差分TDR测试优点
TDR如果从设备发送的步长信号是差分信号，则可以不需要虚拟接地，即差分TDR探棒测试的PCB接地。如果测试者的手有可调整的间隔差分TDR探棒，则可以完成测试。
图11是频率宽度18GHz的差分TDR探棒是差分TDR测试的情况。那个探测间距在0.5mm~4.5mm之间可以连续调整，即使试验了比圆珠笔前端还要微小的试验点，也可以让设计者一只手完成工作。
图11：高频宽度差分TDR探棒精密TDR检测
由于探测频率宽为18GHz，因此获得高测试分辨率，图12是测试coupon差分走线时获得的结果。红色波形是针对coupon的第一个测试结果，然后在线路上粘贴小磁带（红色圆圈所表示的部位）进行测试，显示出如白色波形的测试结果那样，仅粘贴小磁带即可不连续地通过高频宽度差分TDR探棒也能明确地反映红色波形。
图12:高频宽度TDR差分通过探测PCB差分的结果
实际差分的TDR装置与高频宽度差分探针组合PCB差分进行特征阻抗测试时，只要在PCB内不费力地调整接地点，就可以容易地检测PCB内的实差分走线。
正文摘要
使用1台实际差分的TDR设备，利用差分信号实现虚拟接地的便利性，通过组合可调节距的差分TDR探棒，能够简单地实现PCB内的果实差分走线的特征阻抗测量高速PCB设计者和PCB制造商在进行PCB测试时可以得到非常高的测试效率和淮确的测试结果。
