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PCB設計大講堂:PCB電路板差分阻抗測試技術

發(fā)布時間 :2018-01-26 10:42 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設計部
為了提高傳輸速率和傳輸距離,電腦和通訊產(chǎn)業(yè)正逐步轉(zhuǎn)移到高速串列匯流排,在晶片-晶片、板卡-板卡與背板間實現(xiàn)高速互連。這些高速串列匯流排的速率正從過去USB2.0、LVDS及FireWire1394的幾百Mbps,提升到當前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的數(shù)Gbps,甚至達10Gbps,這意味著電腦與通訊業(yè)的PCB廠商對差分走線的阻抗控制要求將越來越高,因此使PCB制造商及高速PCB設計人員面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文將結合PCB業(yè)界的測試標淮IPC-TM-650手冊,討論真實差分TDR測試方法的原理及特點。
 
IPC-TM-650測試手冊是一套全面性PCB產(chǎn)業(yè)測試規(guī)格,從PCB的機械特性、化學特性、物理特性、電氣特性、環(huán)境特性等方面提供了詳盡測試方法及測試要求。該手冊的2.5節(jié)描述了PCB電氣特性,而其中的2.5.5.7a則全面介紹了PCB特征阻抗測試方法和相應的測試儀器要求,并包含了單端走線和差分走線的阻抗測試。
 
TDR基本原理
圖1是一個階躍訊號在傳輸線(如PCB走線)上傳輸時的示意圖。而傳輸線是透過電介質(zhì)與GND分隔的,就像無數(shù)個微小的電容器并聯(lián)。當電訊號到達某個位置時,就會使該位置上的電壓產(chǎn)生變化,如同為電容器充電。由于傳輸線在此位置上具備對地電流迴路,因此會產(chǎn)生阻抗。但該阻抗只有階躍訊號自身才能感覺到,這就是所謂的特征阻抗。
 
當傳輸線上出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時,在阻抗變化之處的階躍訊號就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象,若對反射訊號進行取樣并顯示在示波器屏幕上,就會得到圖2所示的波形,該波形顯示了一條被測試的傳輸線在不同位置上的阻抗變化。
 
我們可以比較圖2中的兩個波形。這是使用兩臺解析度不同的TDR設備在測試同一條傳輸線時獲得的測試結果。兩款設備對傳輸線阻抗變化的反映不同,一個明顯而另一個不明顯。TDR設備感測傳輸線阻抗不連續(xù)的解析度主要取決于TDR設備發(fā)出之階躍訊號上升時間的快慢,快的上升時間可獲得高解析度。而TDR設備的上升時間往往和測試系統(tǒng)的頻寬相關,頻寬高的測試系統(tǒng)擁有更快的上升時間。從另一個角度考慮,TDR設備的系統(tǒng)頻寬限制了TDR測試的解析度。在IPC-TM-650測試手冊中,對TDR設備的上升時間是依照系統(tǒng)上升時間(tsys)來定義。在測量一臺TDR設備的系統(tǒng)上升時間時,可以讓一臺TDR設備的輸出短路,此時可測出該TDR設備的(tsys)(上升及下降時間)。圖3的TDR設備系統(tǒng)上升時間約為28ps。
圖1:階躍訊號在傳輸線中的傳輸情況
圖1:階躍訊號在傳輸線中的傳輸情況
 
圖2:TDR測試反映傳輸線的阻抗資訊
圖2:TDR測試反映傳輸線的阻抗資訊
 
圖3:TDR系統(tǒng)上升/下降時間的測定
圖3:TDR系統(tǒng)上升/下降時間的測定
 
圖4是另一臺TDR設備的系統(tǒng)上升/下降時間測試結果,約在38ps~40ps之間。這代表不同的TDR設備在系統(tǒng)上升/下降時間上有很大區(qū)別,因此其呈現(xiàn)的傳輸線阻抗測試解析度也有很大不同。
圖4:另一臺TDR設備的上升/下降時間測量結果
圖4:另一臺TDR設備的上升/下降時間測量結果
 
系統(tǒng)上升時間和解析度的關系可用下列公式表示:
Resolution= (tsys*V)/2,V為電訊號在被測試傳輸線上的傳輸速率。
為方便測試者瞭解TDR測試解析度及PCB走線的最小測試長度,IPC-TM-650測試手冊也提供了速查數(shù)據(jù)(圖5)。
圖5:IPC-TM-650測試手冊提供的對照表
圖5:IPC-TM-650測試手冊提供的對照表
 
差分TDR設備基本要求
在以往的IPC-TM-650手冊中,對PCB差分TDR測試的要求較為寬松。手冊中允許測試者根據(jù)TDR測試設備的情況使用兩種不同的方法。
 
方法一:當測試者擁有差分TDR測試設備時,測試設備同時打出兩個幅度相等、方向相反的階躍脈沖,并透過這對差分訊號的相互作用直接測出差分走線阻抗。
 
方法二:當測試者沒有差分TDR測試設備時,測試設備在差分走線(A線與B線)時,先在A線上打出階躍訊號,測試A階躍訊號在A線上的反射特性記為AA,同時測出A階躍訊號在B線上的感應訊號,記錄為BA。隨后,在B線上打出階躍訊號,測試B階躍訊號在B線上的反射特性記為BB,同時測出B階躍訊號在A線上的感應訊號,記錄為AB。透過對獲得的AA、AB、BB、BA四個數(shù)值進行計算,可得出差分走線阻抗。該方法又稱為‘偽差分(Super-Position)’。
 
但是在目前的最新版IPC-TM-650手冊中,僅僅保留了方法一中的真差分TDR測試描述。而不再有方法二的‘偽差分’TDR測試方法描述。以下將就兩種差分TDR測試方法進行對比。
 
1. 真差分測試法
如圖6所示:階躍訊號A和階躍訊號B是一對方向相反、幅度相等且同時發(fā)出的差分階躍訊號。我們不但在差分TDR設備上看到差分的階躍訊號,當使用一臺即時示波器觀測這對階躍訊號時,也能證實這是真正的差分訊號。
圖6:真實差分TDR測試系統(tǒng)顯示的波形
圖6:真實差分TDR測試系統(tǒng)顯示的波形
 
由于注入DUT(待測設備)中的TDR階躍脈沖是差分訊號,因此TDR設備可以直接測出差分走線的特征阻抗。使用差分階躍訊號進行真差分TDR測試,為使用者帶來的最大好處就是可以實現(xiàn)虛擬接地,如圖7所示。
圖7:虛擬接地原理
圖7:虛擬接地原理
 
由于差分走線和差分訊號是平衡的,差分訊號的中心電壓點和地平面是等電勢的,因此在使用差分階躍訊號進行差分TDR測試時,只要保證通道A和通道B共地,即無需與DUT之間接地。
 
2. 偽差分法
如圖8所示,階躍訊號A和階躍訊號B并非同時打出,且方向不是相反,因此注入到DUT中的階躍訊號完全不是差分訊號。
圖8:偽差分法TDR測試原理
圖8:偽差分法TDR測試原理
 
在這種‘偽差分TDR’設備屏幕上,往往會經(jīng)過人為的軟體調(diào)整,讓我們看到同時發(fā)出且方向相反的階躍訊號。
但若用一臺即時示波器來觀測這兩個階躍脈沖,則可看到如圖9所示的波形,可看出兩個階躍脈沖間的真實即時關系中存在著2us的時間差,即這兩個階躍訊號并不是差分訊號。
圖9:用即時示波器觀察‘偽差分’法TDR系統(tǒng)波形
圖9:用即時示波器觀察‘偽差分’法TDR系統(tǒng)波形
 
這種TDR階躍脈沖稱為偽差分訊號,因為它并沒有真正實現(xiàn)一個高速差分訊號的傳輸過程,即幅度相等,方向相反。因此這種方法不能直接測出DUT的差分阻抗,只能使用軟體計算方法對差分阻抗測試進行模擬運算。在TDR設備上得到經(jīng)過運算的2個幅度相等,極性相反階躍脈沖。這種差分TDR測試帶來的侷限性是:無法真實獲得差分訊號間的同時相互作用、無法實現(xiàn)虛擬接地;且當進行差分TDR測試時,通道A和通道B的探棒都必須有各自獨立的接地點。但在PCB內(nèi)部的真實差分走線附近往往找不到接地點,導致無法在PCB內(nèi)部對真實的差分走線進行測量。
 
為解決偽差分TDR設備難以實現(xiàn)對PCB內(nèi)部真實走線進行差分TDR測量的問題,一般的PCB生產(chǎn)商都會在PCB周圍加上具有接地點的差分走線測試條,稱為‘Coupon’,圖10為典型的PCB,上方是測試用‘Coupon’,下方是板內(nèi)的真實走線。為方便探棒連接,測試點的間距通常達100mil (2.54mm),已大幅超越差分走線間距;測試點旁邊還會放置接地點,間距同樣為100mil。
圖10:電路板上Coupon與真實走線的差別
圖10:電路板上Coupon與真實走線的差別
 
Coupon測試的侷限性與差異
從圖10中可看到測試‘coupon’和板內(nèi)真實走線間的差別:
1. 雖然走線間距、走線寬度一致,但coupon測試點的間距固定為100mil(即最初的雙列直插式IC接腳間距),而板內(nèi)真實走線的末端(即晶片接腳)間距是不同的,隨著QFP、PLCC、BGA封裝的出現(xiàn),晶片接腳間距遠小于雙列直插式IC封裝間距。
 
2. coupon走線是理想的直線,而板內(nèi)真實走線往往是彎曲的。PCB設計人員和生產(chǎn)人員很容易將coupon的走線理想化,但PCB上的真實走線則會因為各種因素導致走線不規(guī)則。
 
3. coupon與板內(nèi)真實走線在整個PCB上的位置不同。coupon都位于PCB邊緣,在PCB出廠時往往會被生產(chǎn)商去掉。而板內(nèi)真實走線的位置則相當多樣,有的靠近電路板邊緣,有的位于板中央。
 
由于上述差異,導致coupon的特征阻抗往往與板內(nèi)真實走線阻抗存在幾項差異。首先是coupon測試點間距與coupon走線的間距不同,導致測試點與走線之間的阻抗不連續(xù)。而PCB內(nèi)的真實差分走線末端(即晶片接腳)間距往往與走線間距相等或非常相近,因此會帶來不同的阻抗測試結果。
 
其次是彎曲的走線與理想走線反映的阻抗變化不一致。在走線彎折處的特征阻抗往往不連續(xù),而coupon的理想化走線則不能反映由于走線彎曲所帶來的阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。
 
第三是coupon與真實走線在PCB上的位置不同。目前的PCB均采多層走線設計,在生產(chǎn)時需經(jīng)過壓制。當PCB壓制時,電路板上的不同位置所受到的壓力也不可能一致,如此將導致PCB不同位置上的介電常數(shù)不同,特征阻抗也當然不同。
 
由此可見,僅對PCB的coupon進行TDR測試并不能完全反映PCB內(nèi)真實走線的特征阻抗。無論是PCB生產(chǎn)商、高速電路設計人員或制造者,都希望能對PCB內(nèi)的真實高速差分走線直接進行TDR測試,以獲得淮確的特征阻抗資訊。阻礙真實測試的主要原因有兩項:難以找到差分TDR探棒的接地點;以及差分走線的末端間距是多變的。
 
差分TDR測試優(yōu)勢
如果TDR設備發(fā)出的階躍訊號是差分訊號,就可以實現(xiàn)虛擬接地,即差分TDR探棒無需與被測試的PCB接地。只要測試者手中有一個間距可調(diào)的差分TDR探棒即可完成測試。
 
圖11是一個頻寬達18GHz的差分TDR探棒在進行差分TDR測試時的情況。它的探針間距可在0.5mm~4.5mm間連續(xù)可調(diào),即使在測試一個比圓珠筆尖還微小的測試點時,仍能讓設計人員以單手完成作業(yè)。
圖11:高頻寬差分TDR探棒進行精密的TDR探測
圖11:高頻寬差分TDR探棒進行精密的TDR探測
 
由于探棒頻寬達18GHz,因此可獲得很高的測試解析度,圖12是對coupon差分走線進行測試時獲得的結果。紅色波形是對coupon最初的測試結果,隨后在走線上貼上了一個很小的膠條(紅色圓圈所示部位)然后再進行測試,獲得了如白色波形的測試結果,顯示出僅貼上小膠條所帶來的微小阻抗不連續(xù)也能透過高頻寬差分TDR探棒清晰地反映出來。
圖12:高頻寬TDR差分探棒進行PCB差分探測獲得的結果
圖12:高頻寬TDR差分探棒進行PCB差分探測獲得的結果
 
真實差分的TDR設備配合高頻寬差分探棒進行PCB差分特征阻抗測試時,無需在PCB內(nèi)辛苦地尋找接地點,只要探針調(diào)整到合適的間距,即可輕松對PCB內(nèi)的真實差分走線進行探測。
 
本文小結
使用一臺真實差分的TDR設備,并利用差分訊號可實現(xiàn)虛擬接地的便利性,再搭配間距可調(diào)的差分TDR探棒,將能輕松實現(xiàn)對PCB內(nèi)真實差分走線的特征阻抗測量,讓高速PCB設計人員和PCB制造商在進行PCB測試時獲得極高的測試效率和淮確的測試結果。


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