实验四 使用TDR观测讯号反射实验.doc

實驗四 使用TDR觀測訊號反射實驗 原理說明 當傳送訊號的波長遠超過印刷電路板線路之長度時，即訊號頻率低則無需考慮到反射與阻抗匹配的問題，但現在所面臨的電路都是具有高速的特性，因此必須考慮高頻所衍生的一些電磁現象。例如：當DRAM晶片組的時脈速率與P-4 CPU之速度都已達非常高的頻率，阻抗匹配變得很重要，匹配不好會有反射現象發生，其所造成的振鈴波形將嚴重影響訊號的品質，可能造成誤動作，因此在設計高速電路印刷電路板佈線就變得很重要了，必需以傳輸線的方式看待，即每條佈線有其特性阻抗。利用時域反射儀(TDR)可以用來測量印刷電路板上佈線的特性阻抗，進而確保阻抗匹配。下圖說明要達到阻抗匹配的必須RS=Zo=RL，訊號的傳輸才會最具效率，其“訊號完整性（Signal Integrity），也才最好。光從空氣進入水中，是不是會有部份能量反射，部份穿透？傳輸線的現象也很類似。當Z0不等於ZL時，便會有部份的能量反射回輸出端。萬一彼此阻抗未能匹配時，則必將會有些許能量往“發送端”反彈，進而形成反射雜訊（Noise）。任何傳輸線，若在其終端所接之阻抗與傳線特性阻抗相等，就是阻抗匹配沒有反射波。而反射現象的發生就是負載阻抗與Z0不匹配時，入射波中的部分能量，將會在負載端產生反射，因而產生反射，轉向信號源方向行進。設若信號阻抗亦未與線路阻抗匹配，將在產生反射，如是一再往返，在信號源與負載兩端，會形成多重反射。最後的總效應可以看作同時有一個入射波與一個反射波，在傳輸線上行進。反射波形演算方法為 Vi(1)=【R0 / （R0+RS）】*V 、 Vs（0+）=【R0 / （R0+RS）】*V+Vs（0－）t=0+、 ρs=（RS－RO）/（RS＋RO）、 ρl=（RL－RO）/（RL＋RO）。 TD Vi（1） VL（1）=VL（0）+Vi（1） ×（1+ρl） 2TD Vr= ρl×Vi（1）=Vi（2） Vs（2）=Vs（0+）+ Vi（2）×（1+ρs） Vr（2）=ρs×Vi（2） 3TD = Vi（3） VL（3）= VL（1）+Vi（3） ×（1+ρl） 4TD Vr= ρl×Vi（3）=Vi（4） Vs（4）=Vs（2）+ Vi（4）×（1+ρs） Vr（2）=ρs×Vi（4） 5TD = Vi（5） VL（5）= VL（3）+Vi（5） ×（1+ρl） Vr= ρl×Vi（5）=Vi（6）  時域反射分析儀(TDR)是由一部極高速示波器和一個步階信號產生器所構成。圖4.1為其方塊示意圖，其原理是由步階信號產生器產生一個步階信號Ei到待測物，然後測量反射信號的大小Er並記錄延遲時間，反射係數(=Er/Ei，利用反射係數即已知的儀器特性阻抗Zo，即可推算待測物的特性阻抗Z=Zo(1+()/(1-()、雜散電容及雜散電感等值。一般主要的應用為測量電纜線斷點的距離、印刷電路板佈線的特性阻抗、雜散電容及雜散電感值的估算及IC封裝電氣參數的抽取等。以下就針對印刷電路板的特性阻抗及雜散電容電感的應用說 明如下： TDR應用於印刷電路板佈線特性阻抗的量測 印刷電路板傳輸線的特性阻抗Z=(L/C)1/2，而使用TDR測量的公式為，其中。圖4.2為使用TDR測量印刷電路板佈線由粗變細的反射圖形，內圖為印刷電路板佈線的示意圖，游標點1為50(的佈線， ，所以反射係數(=0.2，代入公式得游標點2的阻抗為75(。 圖4.3為當負載為開路、短路及2倍 及1/2倍Zo時從TDR應該可以量測到的反射波形圖，當負載開路Z=(，(=1，Er=Ei，顯示2倍Ei的反射波形。當負載短路Z=0，(=-1，Er=-Ei入射及反射波形互相抵消，所以得到0的反射波形。當負載為2Zo時， (=1/3，Er=Ei/3，所以得到4Ei/3的反射波形。而當負載為Zo/2時， (=-1/3，Er=-Ei/3，所以得到2Ei/3的反射波形。 圖4.4為不連續佈線時可測得之TDR反射波形，特性阻抗， 圖4.4 不連續佈線時可測得之TDR反射波形示意圖 剛開始之小波浪圖形為SMA接頭的雜散電感及電容效應，其次為50(之佈線，當佈線較粗時電容C大而電感L小，所以顯示反射圖形之特性阻抗較低。而當佈線較細時電感L大電容C小，顯示反射圖形之特性阻抗較高。也就是說波形比50(線低的表示具有電容效應而比50(線高的表示具有電感效應。 TDR應用於估算電容及電感參數 從上面已知反射波形之特