一、引言

為了提高傳輸速率和傳輸距離，計(jì)算機(jī)行業(yè)和通信行業(yè)越來(lái)越多的采用高速串行總線。在芯片之間、板卡之間、背板和業(yè)務(wù)板之間實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)。這些高速串行總線的速率從以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的幾百M(fèi)bps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、XAUI/2XAUI、XFI的幾個(gè)Gbps乃至10Gbps。計(jì)算機(jī)以及通信行業(yè)的PCB客戶對(duì)差分走線的阻抗控制要求越來(lái)越高。這使PCB生產(chǎn)商以及高速PCB設(shè)計(jì)人員所面臨的前所未有的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合PCB行業(yè)公認(rèn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IPCTM-650手冊(cè)，重點(diǎn)討論真差分TDR測(cè)試方法的原理以及特點(diǎn)。

二、IPC-TM-650手冊(cè)以及PCB特征阻抗測(cè)試背景

IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)是一套非常全面的PCB行業(yè)測(cè)試規(guī)范，從PCB的機(jī)械特性、化學(xué)特性、物理特性、電氣特性、環(huán)境特性等各方面給出了非常詳盡的測(cè)試方法以及測(cè)試要求。其中PCB板電氣特性要求在第2.5節(jié)中描述，而其中的2.5.5.7a,則全面的介紹了PCB特征阻抗測(cè)試方法和對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器要求，重點(diǎn)包括單端走線和差分走線的阻抗測(cè)試。

三、TDR的基本原理及IPC-TM-650對(duì)TDR設(shè)備的基本要求

3.1 TDR的基本原理

圖1是一個(gè)階躍信號(hào)在傳輸線(如PCB的走線)上傳輸時(shí)的示意圖。而傳輸線是通過(guò)電介質(zhì)與GND分隔的，就像無(wú)數(shù)個(gè)微小的電容的并聯(lián)。電信號(hào)到達(dá)某個(gè)位置時(shí)，就會(huì)令該位置上的電壓產(chǎn)生變化，就像是給電容充電。因此，傳輸線在此位置上是有對(duì)地的電流回路的，因此就有阻抗的存在。但是該阻抗只有階躍信號(hào)自身才能“感覺(jué)到”，這就是我們所說(shuō)的特征阻抗。

當(dāng)傳輸線上出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時(shí)，在阻抗變化的地方階躍信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生反射的現(xiàn)象，如果將反射信號(hào)進(jìn)行取樣并顯示在示波器的屏幕上，就會(huì)得出如圖2所示的波形，從波形中我們可以看出一條被測(cè)試的傳輸線在不同位置上的阻抗變化。同時(shí)我們可以比較圖2中的兩個(gè)波形。這是使用兩臺(tái)分辨率不同的TDR設(shè)備在測(cè)試同一條傳輸線時(shí)獲得的測(cè)試結(jié)果。對(duì)于傳輸線阻抗變化的反映一個(gè)明顯而另一個(gè)不明顯。TDR設(shè)備感知傳輸線阻抗不連續(xù)的分辨率取決于TDR設(shè)備所發(fā)出的階躍信號(hào)上升時(shí)間的快慢，上升時(shí)間快所獲得的分辨率就高。而TDR設(shè)備的上升時(shí)間往往和測(cè)試系統(tǒng)的帶寬緊密相關(guān)，帶寬高的測(cè)試系統(tǒng)有更快的上升時(shí)間。

從另外一個(gè)角度來(lái)考慮，TDR設(shè)備的系統(tǒng)帶寬限制了TDR測(cè)試的分辨率。在IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)中對(duì)TDR設(shè)備的上升時(shí)間是按照系統(tǒng)上升時(shí)間(tsys)來(lái)定義的。當(dāng)我們要測(cè)量一臺(tái)TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時(shí)間時(shí)，我們可以短路一臺(tái)TDR設(shè)備的輸出，此時(shí)可以測(cè)出該TDR設(shè)備的(tsys)(上升時(shí)間以及下降時(shí)間)。例如圖3的TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時(shí)間就高達(dá)28ps左右。

圖4是另一臺(tái)TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升/下降時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，系統(tǒng)的上升/下降時(shí)間在38ps～40ps之間。可見(jiàn)不同的TDR設(shè)備在系統(tǒng)上升/下降時(shí)間上是有很大的區(qū)別的，由此帶來(lái)的就是傳輸線阻抗測(cè)試分辨率的很大不同。

系統(tǒng)上升時(shí)間和分辨率的關(guān)系可以用下列的公式來(lái)描述：

Resolution= (tsys*V)/2，V為電信號(hào)在被測(cè)試傳輸線上的傳輸速率。

為了方便測(cè)試者了解TDR測(cè)試的分辨率以及PCB板走線的最小測(cè)試長(zhǎng)度，在IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)的表4-1(圖5)中給出了速查數(shù)據(jù)。

3.2 IPC-TM-650手冊(cè)對(duì)差分TDR設(shè)備的基本要求

IPC-TM-650測(cè)試手冊(cè)是一套非常全面的PCB行業(yè)測(cè)試規(guī)范，從PCB的機(jī)械特性、化學(xué)特性、物理特性、電氣特性、環(huán)境特性等各方面給出了非常詳盡的測(cè)試方法以及測(cè)試要求。在以往的IPC-TM-650手冊(cè)中，對(duì)PCB差分TDR測(cè)試的要求較為寬松。手冊(cè)中允許測(cè)試者根據(jù)TDR測(cè)試設(shè)備的情況使用兩種不同的方法。

方法一：當(dāng)測(cè)試者擁有差分TDR測(cè)試設(shè)備時(shí)，測(cè)試設(shè)備同時(shí)打出兩個(gè)幅度相等、方向相反的階躍脈沖，并通過(guò)這對(duì)差分信號(hào)的相互作用直接測(cè)出差分走線的阻抗。

方法二：當(dāng)測(cè)試者沒(méi)有差分TDR測(cè)試設(shè)備時(shí)，測(cè)試設(shè)備在差分走線(A線與B線)時(shí)，先在A線上打出階躍信號(hào)，測(cè)試A階躍信號(hào)在A線上的反射特性記作AA，同時(shí)測(cè)出A階躍信號(hào)在B線上的感應(yīng)信號(hào)，記錄為BA。隨后，在B線上打出階躍信號(hào)，測(cè)試B階躍信號(hào)在B線上的反射特性記作BB，同時(shí)測(cè)出B階躍信號(hào)在A線上的感應(yīng)信號(hào)，記錄為AB。通過(guò)對(duì)獲得的AA、AB、BB、BA四個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算可以得出差分走線的阻抗。該方法又叫做“Super-Position”。

但是在(2004年3月版)IPC-TM-650手冊(cè)中，僅僅保留了方法一中的真差分TDR測(cè)試描述。而不再有方法二的“偽差分”TDR測(cè)試方法的描述。