关于PCB电路板差分阻抗测试方法介绍

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　　随着时代的发展，为了提高传输速率和传输距离,计算机和通讯产业正逐步转移到高速串行总线,在芯片-芯片、板卡-板卡与背板间实现高速互连.这些高速串行总线的速率正从过去USB2.0、LVDS及FireWire1394的几百Mbps,提升到当前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的数Gbps,甚至达10Gbps,这意味着计算机与通讯业的PCB厂商对差分走线的阻抗控制要求将越来越高,因此使PCB制造商及高速PCB设计人员面临前所未有的挑战.本文将结合PCB业界的测试标准IPC-TM-650手册,讨论真实差分TDR测试方法的原理及特点.
　　IPC-TM-650测试手册是一套全面性PCB产业测试规格,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尽测试方法及测试要求.该手册的2.5节描述了PCB电气特性,而其中的2.5.5.7a则全面介绍了PCB特征阻抗测试方法和相应的测试仪器要求,并包含了单端走线和差分走线的阻抗测试.
　　TDR基本原理
　　图1是一个阶跃讯号在传输线(如PCB走线)上传输时的示意图.而传输线是透过电介质与GND分隔的,就像无数个微小的电容器并联.当电讯号到达某个位置时,就会使该位置上的电压产生变化,如同为电容器充电.由于传输线在此位置上具备对地电流回路,因此会产生阻抗.但该阻抗只有阶跃讯号自身才能感觉到,这就是所谓的特征阻抗.
　　当传输在线出现阻抗不连续的现象时,在阻抗变化之处的阶跃讯号就会产生反射现象,若对反射讯号进行取样并显示在示波器屏幕上,就会得到图2所示的波形,该波形显示了一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化.
　　我们可以比较图2中的两个波形.这是使用两台分辨率不同的TDR设备在测试同一条传输线时获得的测试结果.两款设备对传输线阻抗变化的反映不同,一个明显而另一个不明显.TDR设备感测传输线阻抗不连续的分辨率主要取决于TDR设备发出之阶跃讯号上升时间的快慢,快的上升时间可获得高分辨率.而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽相关,带宽高的测试系统拥有更快的上升时间.从另一个角度考虑,TDR设备的系统带宽限制了TDR测试的分辨率.在IPC-TM-650测试手册中,对TDR设备的上升时间是依照系统上升时间(tsys)来定义.在测量一台TDR设备的系统上升时间时,可以让一台TDR设备的输出短路,此时可测出该TDR设备的(tsys)(上升及下降时间).图3的TDR设备系统上升时间约为28ps.

                        
　　                                                             图1:阶跃讯号在传输线中的传输情况
　　图2:TDR测试反映传输线的阻抗信息

                                   
　　图3:TDR系统上升/下降时间的测定
　　图4是另一台TDR设备的系统上升/下降时间测试结果,约在38ps~40ps之间.这代表不同的TDR设备在系统上升/下降时间上有很大区别,因此其呈现的传输线阻抗测试分辨率也有很大不同.

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