高分辨率TDR測試以及應用

當快速邊沿信號在被測試器件上的傳輸時(shí)，如果遇到阻抗不連續的情況，就會(huì )產(chǎn)生反射。因此通過(guò)對反射現象的觀(guān)察可以找到被測試線(xiàn)路中的不連續點(diǎn)，如短路、斷路、過(guò)孔、走線(xiàn)寬度變化等等。人們不僅希望TDR設備可以用于PCB走線(xiàn)、電纜等產(chǎn)品的阻抗測量，還希望TDR設備能應用在芯片的失效分析（FA）以及高速電路板的電路模型提取。當測試者需要對阻抗不連續點(diǎn)進(jìn)行定位時(shí)，他必須擁有一臺高分辨率的TDR設備。了解更多可移步到http://www.dgkd.net/lingrechongji/
TDR設備的分辨率

一臺TDR設備內部其實(shí)有兩個(gè)重要的組成部分。一部分是階躍信號發(fā)生器，它可以發(fā)出上升時(shí)間極快的階躍信號。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T(mén)DR測試設備的平臺。

TDR設備能發(fā)現或者感知的zui?。磟ui短）的阻抗不連續距離的能力稱(chēng)之為分辨率。理論上一個(gè)階躍信號在DUT上傳輸時(shí)能分辨（或稱(chēng)為感知）的zui小的阻抗不連續距離為電信號在該階躍信號的上升時(shí)間內在DUT上傳輸的距離。假設一個(gè)階躍信號的上升時(shí)間為t，假設電信號在某材質(zhì)被測電路上的傳輸速率為v，那么其距離分辨率l滿(mǎn)足下面的等式：

l=vt

因此一臺TDR設備要獲得更高的分辨率那么其階躍信號發(fā)生器所發(fā)出的階躍信號上升時(shí)間就必須更短。

同時(shí)，我們應當注意到TDR設備還有另外一個(gè)重要的組成部分即高帶寬取樣器?？剂恳慌_TDR設備的分辨率時(shí)還必須將取樣器的帶寬考慮在內。帶寬不同的取樣器有不同的自身上升時(shí)間指標，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)驗公式可以換算：

T=0.35/Bandwidth

取樣器在對反射回來(lái)的信號進(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測量的分辨率。在考察一臺TDR設備的分辨率時(shí)候，單純關(guān)注階躍信號發(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)的測試規范IPC-TM-650測試手冊中，就提出了TDR設備的系統上升時(shí)間的概念，記為T(mén)sys。Tsys表征了一臺TDR設備的整體特性，Tsys可以在TDR設備上直接測定，方法是將一個(gè)短路器端接在TDR設備的接口上，并對TDR設備獲取的波形進(jìn)行上升時(shí)間/下降時(shí)間測量，測得的結果就是系統上升時(shí)間和下降時(shí)間了。圖1為T(mén)ektronix80E04TDR模塊的系統上升/下降時(shí)間測定結果。

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

L=（v*Tsys）/2

因為我們是通過(guò)高速取樣器將反射波進(jìn)行接收后對Tsys測定的，因此可以通俗的說(shuō)階躍信號已經(jīng)在DUT上"一來(lái)一回"的"走"了兩次。所以在計算分辨率時(shí)需要除以2。以FR4材質(zhì)的PCB板的表層走線(xiàn)（v約為5.5inch/ns）為例，使用80E04組成的TDR系統可以達到約2mm的分辨率。80E04TDR模塊的測試分辨能力對于PCB板阻抗測試以及電纜阻抗測試來(lái)說(shuō)已經(jīng)是足夠高了。

但是對于PCB板的過(guò)孔、芯片內部的開(kāi)路、短路等情況2mm的分辨率就略顯不足，需要TDR設備具有更高的分辨率。PCB板的過(guò)孔是毫米級的，芯片內部的走線(xiàn)長(cháng)度在幾個(gè)毫米到一厘米之間。因此要完成對PCB過(guò)孔的電路模型提取以及芯片內部走線(xiàn)的短路、短路定位需要TDR設備的分辨率優(yōu)于1mm。

高分辨率TDR的探測探頭是TDR測試系統的組成部分

在進(jìn)行TDR探測時(shí)，我們必須通過(guò)一個(gè)工具將快速階躍信號注入DUT以完成測試，這個(gè)工具就是TDR探頭了。圖2是進(jìn)行TDR測試時(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(xiàn)組成。該探頭標稱(chēng)帶寬18GHz，當該探頭連接到TDR測試設備上時(shí)，系統帶寬就會(huì )被限制在18GHz以下，TDR測試的分辨率也就隨之下降。該探頭*勝任于PCB板的走線(xiàn)特征阻抗測試，但是在進(jìn)行PCB走線(xiàn)的過(guò)孔測量以及芯片失效分析測試時(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(cháng)度、探頭前端的尺寸等等。一般的說(shuō)，探頭電纜越長(cháng)對高頻信號的衰減就越大，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探頭的電纜對探測帶寬所帶來(lái)的影響。

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

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

更高分辨率TDR的解決方案

要從根本上提高TDR測試的分辨率就必須尋找上升沿更快的階躍信號發(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測試系統，見(jiàn)圖3。該測試系統由高速階躍信號發(fā)生器Picosecond4022配合70GHz帶寬的取樣模塊80E06組成，標稱(chēng)的系統上升時(shí)間達到9ps，可獲得超高的TDR測試分辨率。

80E10高分辨率測試模塊

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)現對DUT的探測；阻抗測量讀數問(wèn)題，組合方案在儀器上讀出的數值只能是電壓值而無(wú)法直接獲得阻抗值或者反射率值；測試儀器的補償、校準以及一致性問(wèn)題，組合方案的兩個(gè)組成部分來(lái)自不同的供應商，因此或多或少的存在儀器的溫度補償、校準以及一致性問(wèn)題。組合方案更像是科學(xué)研究用的設備而不是商品化測試設備。由單一的供應商實(shí)現一體化高分辨率TDR測量仍然是測試者所期望的。
zui近Tektronix公司推出了全新的高分辨率TDR模塊80E10、80E08。其中80E10模塊的系統上升時(shí)間高達15ps（典型值）。

克服TDR測試中的多重反射

當測試者使用高分辨率TDR設備對芯片進(jìn)行失效分析或者是對高速的PCB背板進(jìn)行TDR測試時(shí)，可能會(huì )遇到芯片內部或者是PCB背板的各種復雜的走線(xiàn)情況所帶來(lái)的多重反射現象，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。
當被測試的走線(xiàn)上存在多個(gè)阻抗不連續點(diǎn)時(shí)，例如DUT的走線(xiàn)含有多個(gè)轉角或者穿層，那么信號在穿越每?jì)蓚€(gè)相鄰的阻抗不連續點(diǎn)時(shí)都會(huì )產(chǎn)生反射，所有的反射信號會(huì )疊加在一起后反映在儀器上的波形將會(huì )是亂的。多重反射的存在導致測試者無(wú)法將測試波形結果與DUT走線(xiàn)相對應，帶來(lái)疑惑。

如果使用TDR軟件，將原始的TDR測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(chēng)為去卷積）算法可糾正多重反射給測試帶來(lái)的影響，還原真實(shí)的面貌。獲得與DUT走線(xiàn)情況相符合的阻抗測試結果。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比。
綠色波形是有明顯的多重反射存在的測試波形，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)法找到被測試走線(xiàn)的終點(diǎn)，按照TDR測試的常識我們知道走線(xiàn)的終點(diǎn)表現在波形上應該是快速上升到無(wú)窮大，而綠色波形則*無(wú)法找到走線(xiàn)的終點(diǎn)，令測試者無(wú)法講測試結果與被測試走線(xiàn)的情況相對應，造成很大的誤解。而經(jīng)過(guò)軟件糾正的紅色波形，令測試者可以輕易的找到被測試走線(xiàn)的終點(diǎn)，將測試結果和被測試走線(xiàn)的情況對應起來(lái)。了解更多可移步到冷熱沖擊試驗機http://www.dgkd.net/lingrechongji/

小結

以往的系統上升時(shí)間為28ps的TDR設備在常見(jiàn)材質(zhì)的DUT上分辨率已經(jīng)達到2mm左右，*適合于常規的測試應用，例如PCB板以及電纜的特征阻抗測試。當測試者需要獲得更高分辨率需求時(shí)，不僅需要從探測的方式上讓TDR測試設備發(fā)揮zui大的效能，例如使用延伸電纜、ProbeStation等，而且需要更高系統上升時(shí)間的TDR設備，從根本上提高系統測試分辨率。在很多高分辨率TDR的測試場(chǎng)合，多重反射現象是很常見(jiàn)的，使用TDR測試軟件對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。