當(dāng)快速邊沿信號(hào)在被測(cè)試器件上的傳輸時(shí)，如果遇到阻抗不連續(xù)的情況，就會(huì)產(chǎn)生反射。因此通過(guò)對(duì)反射現(xiàn)象的觀察可以找到被測(cè)試線路中的不連續(xù)點(diǎn)，如短路、斷路、過(guò)孔、走線寬度變化等等。人們不僅希望TDR設(shè)備可以用于PCB走線、電纜等產(chǎn)品的阻抗測(cè)量，還希望TDR設(shè)備能應(yīng)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(dāng)測(cè)試者需要對(duì)阻抗不連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，他必須擁有一臺(tái)高分辨率的TDR設(shè)備。了解更多可移步到http://www.dgkd.net/lingrechongji/
TDR設(shè)備的分辨率

一臺(tái)TDR設(shè)備內(nèi)部其實(shí)有兩個(gè)重要的組成部分。一部分是階躍信號(hào)發(fā)生器，它可以發(fā)出上升時(shí)間極快的階躍信號(hào)。另一部分是高帶寬的取樣器，它可以將DUT上反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行接收、取樣并在儀器的屏幕上顯示出來(lái)。業(yè)界往往使用高帶寬取樣示波器作為TDR測(cè)試設(shè)備的平臺(tái)。

TDR設(shè)備能發(fā)現(xiàn)或者感知的zui?。磟ui短）的阻抗不連續(xù)距離的能力稱之為分辨率。理論上一個(gè)階躍信號(hào)在DUT上傳輸時(shí)能分辨（或稱為感知）的zui小的阻抗不連續(xù)距離為電信號(hào)在該階躍信號(hào)的上升時(shí)間內(nèi)在DUT上傳輸?shù)木嚯x。假設(shè)一個(gè)階躍信號(hào)的上升時(shí)間為t，假設(shè)電信號(hào)在某材質(zhì)被測(cè)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(tái)TDR設(shè)備要獲得更高的分辨率那么其階躍信號(hào)發(fā)生器所發(fā)出的階躍信號(hào)上升時(shí)間就必須更短。

同時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)注意到TDR設(shè)備還有另外一個(gè)重要的組成部分即高帶寬取樣器。考量一臺(tái)TDR設(shè)備的分辨率時(shí)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(shí)間指標(biāo)，帶寬越高的取樣器擁有更快的上升時(shí)間。取樣器的上升時(shí)間和帶寬之間有如下的經(jīng)驗(yàn)公式可以換算：

T=0.35/Bandwidth

取樣器在對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行取樣時(shí)，會(huì)由于取樣器自身存在上升時(shí)間而影響到TDR測(cè)量的分辨率。在考察一臺(tái)TDR設(shè)備的分辨率時(shí)候，單純關(guān)注階躍信號(hào)發(fā)生器的上升時(shí)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(cè)試規(guī)范IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)中，就提出了TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時(shí)間的概念，記為Tsys。Tsys表征了一臺(tái)TDR設(shè)備的整體特性，Tsys可以在TDR設(shè)備上直接測(cè)定，方法是將一個(gè)短路器端接在TDR設(shè)備的接口上，并對(duì)TDR設(shè)備獲取的波形進(jìn)行上升時(shí)間/下降時(shí)間測(cè)量，測(cè)得的結(jié)果就是系統(tǒng)上升時(shí)間和下降時(shí)間了。圖1為Tektronix80E04TDR模塊的系統(tǒng)上升/下降時(shí)間測(cè)定結(jié)果。

我們可以通過(guò)TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時(shí)間來(lái)?yè)Q算出TDR設(shè)備分辨率L。如下面的公式：

L=（v*Tsys）/2

因?yàn)槲覀兪峭ㄟ^(guò)高速取樣器將反射波進(jìn)行接收后對(duì)Tsys測(cè)定的，因此可以通俗的說(shuō)階躍信號(hào)已經(jīng)在DUT上"一來(lái)一回"的"走"了兩次。所以在計(jì)算分辨率時(shí)需要除以2。以FR4材質(zhì)的PCB板的表層走線（v約為5.5inch/ns）為例，使用80E04組成的TDR系統(tǒng)可以達(dá)到約2mm的分辨率。80E04TDR模塊的測(cè)試分辨能力對(duì)于PCB板阻抗測(cè)試以及電纜阻抗測(cè)試來(lái)說(shuō)已經(jīng)是足夠高了。

但是對(duì)于PCB板的過(guò)孔、芯片內(nèi)部的開(kāi)路、短路等情況2mm的分辨率就略顯不足，需要TDR設(shè)備具有更高的分辨率。PCB板的過(guò)孔是毫米級(jí)的，芯片內(nèi)部的走線長(zhǎng)度在幾個(gè)毫米到一厘米之間。因此要完成對(duì)PCB過(guò)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(shè)備的分辨率優(yōu)于1mm。

高分辨率TDR的探測(cè)探頭是TDR測(cè)試系統(tǒng)的組成部分

在進(jìn)行TDR探測(cè)時(shí)，我們必須通過(guò)一個(gè)工具將快速階躍信號(hào)注入DUT以完成測(cè)試，這個(gè)工具就是TDR探頭了。圖2是進(jìn)行TDR測(cè)試時(shí)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(biāo)稱帶寬18GHz，當(dāng)該探頭連接到TDR測(cè)試設(shè)備上時(shí)，系統(tǒng)帶寬就會(huì)被限制在18GHz以下，TDR測(cè)試的分辨率也就隨之下降。該探頭*勝任于PCB板的走線特征阻抗測(cè)試，但是在進(jìn)行PCB走線的過(guò)孔測(cè)量以及芯片失效分析測(cè)試時(shí)就顯得力不從心了?？梢?jiàn)如果我們單純擁有一個(gè)高分辨率的TDR設(shè)備是不夠的，我們還需要一個(gè)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(zhǎng)度、探頭前端的尺寸等等。一般的說(shuō)，探頭電纜越長(zhǎng)對(duì)高頻信號(hào)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(cè)帶寬的一個(gè)簡(jiǎn)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zui大限度的靠近DUT，減少由于TDR探頭的電纜對(duì)探測(cè)帶寬所帶來(lái)的影響。

由于TDR測(cè)試模塊的體積較大，不方便手持探測(cè)，因此會(huì)使用一種類似于機(jī)床那樣的設(shè)備將模塊固定，移動(dòng)DUT向TDR模塊靠攏完成探測(cè)。人們把這種類似機(jī)床的裝置稱為ProbeStation。

使用TDR模塊延伸電纜和ProbeStation能將現(xiàn)有的TDR設(shè)備性能發(fā)揮到*，配合80E04TDR模塊所能獲得測(cè)試的分辨率也只有2mm左右，仍然不能滿足高分辨率TDR用戶的需求。

更高分辨率TDR的解決方案

要從根本上提高TDR測(cè)試的分辨率就必須尋找上升沿更快的階躍信號(hào)發(fā)生器和更高帶寬的取樣器。在此之前人們已經(jīng)找到了由多個(gè)獨(dú)立儀器所組成的解決方案。

在組合方案中，使用Picosecond公司高速階躍信號(hào)發(fā)生器（4022）配合泰克公司高帶寬取樣器80E06組合成一套高分辨率的TDR測(cè)試系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。該測(cè)試系統(tǒng)由高速階躍信號(hào)發(fā)生器Picosecond4022配合70GHz帶寬的取樣模塊80E06組成，標(biāo)稱的系統(tǒng)上升時(shí)間達(dá)到9ps，可獲得超高的TDR測(cè)試分辨率。

80E10高分辨率測(cè)試模塊

雖然高分辨率TDR組合方案能獲得明顯高于原有80E04方案的測(cè)試分辨率，但是也存在一些問(wèn)題。例如：易用性問(wèn)題，組合方案離不開(kāi)繁雜的電纜連接，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT的探測(cè)；阻抗測(cè)量讀數(shù)問(wèn)題，組合方案在儀器上讀出的數(shù)值只能是電壓值而無(wú)法直接獲得阻抗值或者反射率值；測(cè)試儀器的補(bǔ)償、校準(zhǔn)以及一致性問(wèn)題，組合方案的兩個(gè)組成部分來(lái)自不同的供應(yīng)商，因此或多或少的存在儀器的溫度補(bǔ)償、校準(zhǔn)以及一致性問(wèn)題。組合方案更像是科學(xué)研究用的設(shè)備而不是商品化測(cè)試設(shè)備。由單一的供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)一體化高分辨率TDR測(cè)量仍然是測(cè)試者所期望的。
zui近Tektronix公司推出了全新的高分辨率TDR模塊80E10、80E08。其中80E10模塊的系統(tǒng)上升時(shí)間高達(dá)15ps（典型值）。

克服TDR測(cè)試中的多重反射

當(dāng)測(cè)試者使用高分辨率TDR設(shè)備對(duì)芯片進(jìn)行失效分析或者是對(duì)高速的PCB背板進(jìn)行TDR測(cè)試時(shí)，可能會(huì)遇到芯片內(nèi)部或者是PCB背板的各種復(fù)雜的走線情況所帶來(lái)的多重反射現(xiàn)象，從而給尋找短路/斷路點(diǎn)的位置帶來(lái)了很大的困難。多重反射的產(chǎn)生如圖4所示。
當(dāng)被測(cè)試的走線上存在多個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)，例如DUT的走線含有多個(gè)轉(zhuǎn)角或者穿層，那么信號(hào)在穿越每?jī)蓚€(gè)相鄰的阻抗不連續(xù)點(diǎn)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生反射，所有的反射信號(hào)會(huì)疊加在一起后反映在儀器上的波形將會(huì)是亂的。多重反射的存在導(dǎo)致測(cè)試者無(wú)法將測(cè)試波形結(jié)果與DUT走線相對(duì)應(yīng)，帶來(lái)疑惑。

如果使用TDR軟件，將原始的TDR測(cè)試波形按照反射的情況進(jìn)行分段，通過(guò)解卷積（De-convolution/又稱為去卷積）算法可糾正多重反射給測(cè)試帶來(lái)的影響，還原真實(shí)的面貌。獲得與DUT走線情況相符合的阻抗測(cè)試結(jié)果。圖5是通過(guò)軟件糾正多重反射之后的波形與原始波形的對(duì)比。
綠色波形是有明顯的多重反射存在的測(cè)試波形，紅色波形是經(jīng)過(guò)軟件糾正后的波形。從原始波形上看，我們根本無(wú)法找到被測(cè)試走線的終點(diǎn)，按照TDR測(cè)試的常識(shí)我們知道走線的終點(diǎn)表現(xiàn)在波形上應(yīng)該是快速上升到無(wú)窮大，而綠色波形則*無(wú)法找到走線的終點(diǎn)，令測(cè)試者無(wú)法講測(cè)試結(jié)果與被測(cè)試走線的情況相對(duì)應(yīng)，造成很大的誤解。而經(jīng)過(guò)軟件糾正的紅色波形，令測(cè)試者可以輕易的找到被測(cè)試走線的終點(diǎn)，將測(cè)試結(jié)果和被測(cè)試走線的情況對(duì)應(yīng)起來(lái)。了解更多可移步到冷熱沖擊試驗(yàn)機(jī)http://www.dgkd.net/lingrechongji/

小結(jié)

以往的系統(tǒng)上升時(shí)間為28ps的TDR設(shè)備在常見(jiàn)材質(zhì)的DUT上分辨率已經(jīng)達(dá)到2mm左右，*適合于常規(guī)的測(cè)試應(yīng)用，例如PCB板以及電纜的特征阻抗測(cè)試。當(dāng)測(cè)試者需要獲得更高分辨率需求時(shí)，不僅需要從探測(cè)的方式上讓TDR測(cè)試設(shè)備發(fā)揮zui大的效能，例如使用延伸電纜、ProbeStation等，而且需要更高系統(tǒng)上升時(shí)間的TDR設(shè)備，從根本上提高系統(tǒng)測(cè)試分辨率。在很多高分辨率TDR的測(cè)試場(chǎng)合，多重反射現(xiàn)象是很常見(jiàn)的，使用TDR測(cè)試軟件對(duì)含有多重反射的原始波形進(jìn)行糾正，是非常有效的分析方法。