PCB电路板差分阻抗测试技术.docVIP

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. 图4:另一台TDR设备的上升/下降时间测量结果 系统上升时间和分辨率的关系可用下列公式表示: Resolution= (tsys*V)/2,V为电讯号在被测试传输在线的传输速率. 为方便测试者了解TDR测试分辨率及PCB走线的最小测试长度,IPC-TM-650测试手册也提供了速查数据(图5). 图5:IPC-TM-650测试手册提供的对照表 差分TDR设备基本要求 在以往的IPC-TM-650手册中,对PCB差分TDR测试的要求较为宽松.手册中允许测试者根据TDR测试设备的情况使用两种不同的方法. 方法一:当测试者拥有差分TDR测试设备时,测试设备同时打出两个幅度相等、方向相反的阶跃脉冲,并透过这对差分讯号的相互作用直接测出差分走线阻抗. 方法二:当测试者没有差分TDR测试设备时,测试设备在差分走线(A线与B线)时,先在A在线打出阶跃讯号,测试A阶跃讯号在A在线的反射特性记为AA,同时测出A阶跃讯号在B在线的感应讯号,记录为BA.随后,在B在线打出阶跃讯号,测试B阶跃讯号在B在线的反射特性记为BB,同时测出B阶跃讯号在A在线的感应讯号,记录为AB.透过对获得的AA、AB、BB、BA四个数值进行计算,可得出差分走线阻抗.该方法又称为‘伪差分(Super-Position)’. 但是在目前的必威体育精装版版IPC-TM-650手册中,仅仅保留了方法一中的真差分TDR测试描述.而不再有方法二的‘伪差分’TDR测试方法描述.以下将就两种差分TDR测试方法进行对比. 1. 真差分测试法 如图6所示:阶跃讯号A和阶跃讯号B是一对方向相反、幅度相等且同时发出的差分阶跃讯号.我们不但在差分TDR设备上看到差分的阶跃讯号,当使用一台实时示波器观测这对阶跃讯号时,也能证实这是真正的差分讯号. 图6:真实差分TDR测试系统显示的波