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測試與測量  

PCB電路板差分阻抗測試技術

上網時間: 2006年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PCB電路板  TDR  真差分TDR  特徵阻抗  Coupon 

為了提高傳輸速率和傳輸距離,電腦和通訊產業正逐步轉移到高速串列匯流排,在晶片-晶片、板卡-板卡與背板間實現高速互連。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Gbps,甚至達10Gbps,這意味著電腦與通訊業的PCB廠商對差分走線的阻抗控制要求將越來越高,因此使PCB製造商及高速PCB設計人員面臨前所未有的挑戰。本文將結合PCB業界的測試標準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產業測試規格,從PCB的機械特性、化學特性、物理特性、電氣特性、環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節描述了PCB電氣特性,而其中的2.5.5.7a則全面介紹了PCB特徵阻抗測試方法和相應的測試儀器要求,並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與GND分隔的,就像無數個微小的電容器並聯。當電訊號到達某個位置時,就會使該位置上的電壓產生變化,如同為電容器充電。由於傳輸線在此位置上具備對地電流迴路,因此會產生阻抗。但該阻抗只有階躍訊號自身才能感覺到,這就是所謂的特徵阻抗。

當傳輸線上出現阻抗不連續的現象時,在阻抗變化之處的階躍訊號就會產生反射現象,若對反射訊號進行取樣並顯示在示波器螢幕上,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。這是使用兩台解析度不同的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的解析度主要取決於TDR設備發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的頻寬相關,頻寬高的測試系統擁有更快的上升時間。從另一個角度考慮,TDR設備的系統頻寬限制了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上升時間(tsys)來定義。在測量一台TDR設備的系統上升時間時,可以讓一台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設備系統上升時間約為28ps。


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3:TDR系統上升/下降時間的測定

圖4是另一台TDR設備的系統上升/下降時間測試結果,約在38ps~40ps之間。這代表不同的TDR設備在系統上升/下降時間上有很大區別,因此其呈現的傳輸線阻抗測試解析度也有很大不同。


圖4:另一台TDR設備的上升/下降時間測量結果

系統上升時間和解析度的關係可用下列公式表示:

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據(圖5)。


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測試的要求較為寬鬆。手冊中允許測試者根據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、方向相反的階躍脈衝,並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。隨後,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,當使用一台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測試系統顯示的波形

由於注入DUT(待測設備)中的TDR階躍脈衝是差分訊號,因此TDR設備可以直接測出差分走線的特徵阻抗。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虛擬接地,如圖7所示。


圖7:虛擬接地原理

由於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並非同時打出,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

在這種‘偽差分TDR’設備螢幕上,往往會經過人為的軟體調整,讓我們看到同時發出且方向相反的階躍訊號。

但若用一台即時示波器來觀測這兩個階躍脈衝,則可看到如圖9所示的波形,可看出兩個階躍脈衝間的真實即時關係中存在著2us的時間差,即這兩個階躍訊號並不是差分訊號。


圖9:用即時示波器觀察‘偽差分’法TDR系統波形

這種TDR階躍脈衝稱為偽差分訊號,因為它並沒有真正實現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設備上得到經過運算的2個幅度相等,極性相反階躍脈衝。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設備難以實現對PCB內部真實走線進行差分TDR測量的問題,一般的PCB生產商都會在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

Coupon測試的侷限性與差異

從圖10中可看到測試‘coupon’和板內真實走線間的差別:

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,晶片接腳間距遠小於雙列直插式IC封裝間距。

2. coupon走線是理想的直線,而板內真實走線往往是彎曲的。PCB設計人員和生產人員很容易將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則。

3. coupon與板內真實走線在整個PCB上的位置不同。coupon都位於PCB邊緣,在PCB出廠時往往會被生產商去掉。而板內真實走線的位置則相當多樣,有的靠近電路板邊緣,有的位於板中央。

由於上述差異,導致coupon的特徵阻抗往往與板內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。而PCB內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。在走線彎折處的特徵阻抗往往不連續,而coupon的理想化走線則不能反映由於走線彎曲所帶來的阻抗不連續現象。

第三是coupon與真實走線在PCB上的位置不同。目前的PCB均採多層走線設計,在生產時需經過壓製。當PCB壓製時,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不同,特徵阻抗也當然不同。

由此可見,僅對PCB的coupon進行TDR測試並不能完全反映PCB內真實走線的特徵阻抗。無論是PCB生產商、高速電路設計人員或製造者,都希望能對PCB內的真實高速差分走線直接進行TDR測試,以獲得準確的特徵阻抗資訊。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測試優勢

如果TDR設備發出的階躍訊號是差分訊號,就可以實現虛擬接地,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間連續可調,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。


圖11:高頻寬差分TDR探棒進行精密的TDR探測

由於探棒頻寬達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,隨後在走線上貼上了一個很小的膠條(紅色圓圈所示部位)然後再進行測試,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

真實差分的TDR設備配合高頻寬差分探棒進行PCB差分特徵阻抗測試時,無需在PCB內辛苦地尋找接地點,只要探針調整到合適的間距,即可輕鬆對PCB內的真實差分走線進行探測。

本文小結

使用一台真實差分的TDR設備,並利用差分訊號可實現虛擬接地的便利性,再搭配間距可調的差分TDR探棒,將能輕鬆實現對PCB內真實差分走線的特徵阻抗測量,讓高速PCB設計人員和PCB製造商在進行PCB測試時獲得極高的測試效率和準確的測試結果。

作者:周英航

高級應用工程師

Tektronix(中國)公司




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