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解读实时示波器如何实现TDR阻抗测试

随着计算机、通信系统、视频系统和网络系统中开发的时钟频率和数据速率越来越快,信号完整性越来越重要,如PCIE5.0的数据速率已经达到32Gb/s,USB4.0的信号速率已经达到40Gb/s。要传输这么高速率的信号,信号上升时间、定时、抖动或噪声等都会影响整个系统的可靠性。为保证信号完整性,必需了解和控制信号经过的传输线的阻抗。数据速率的越来越高,信号的上升时间也越来越快,阻抗不匹配和偏差可能会导致反射,当快上升沿的信号在电路板上遇到阻抗不连续的位置就会产生很大的反射,会降低信号质量,影响信号完整性。因此走线阻抗是影响高速信号完整性的一个非常关键的因素。对于高速电路,很重要的一点是要保证信号传输路径上阻抗的连续性,这样可以避免信号产生大的反射。因此需要测试高速电路板的信号传输路径上阻抗的变化情况,从而可以分析问题原因,更好地定位问题的根源,保证高质量的产品快速进入市场。


在高速信号电路设计中,经常采用差分传输模式,差分阻抗的测试不同于单端阻抗测试;另外,在高速信号电路中,多个相邻的信号之间会产生串扰。对PCB走线特别是差分走线的阻抗控制提出了更高的要求。如何验证差分阻抗是否达到设计要求成为高速设计的工程师关注的问题。目前验证电缆、连接器、PCB板、背板等传输线特性阻抗的最常用方法是TDR方法。


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什么是TDR?

TDR是时域反射计英文(Time Domain Reflectometry)的第一字母缩写,时域反射计(TDR)用来测量信号在通过某类传输环境传导时引起的反射,如电路板走线、电缆、连接器、背板等。TDR是一种通用的时域测试技术,广泛应用于PCB、电缆、连接器、背板、IC等测试领域。TDR可测传输线的特性阻抗,并显示出每个阻抗不连续点的位置和特性(阻抗、感抗和容抗)

TDR就是通过向传输路径中发送一个阶跃脉冲信号,阶跃信号将沿着传输线传输,当传输路径中阻抗发生变化, 部分能量就会被反射, 剩余的能量会继续传输,利用仪器观测阶跃脉冲源输入点上的传输线信号,仪器上的波形以时间顺序显示入射和反射传播信号总和。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度,就可以计算阻抗的变化。同时只要测量由发射波到反射波再到达发射点的时间差就可以计算阻抗变化的位置。

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TDR如何计算阻抗

反射系数ρ等于反射回来的电压除以输入电压,反射发生在阻抗不连续的位置。根据反射原理,可以获得待测位置的阻抗。下面的阻抗计算公式,其中Vreflected及Vincident 分别为反射波幅度及入射波幅度,Z为待测阻抗,Zref为TDR的参考阻抗,通常为50欧姆。从下图公式可以看出,当ρ=0时,待测阻抗为标准阻抗Zref;当ρ=1时,待测阻抗为无穷大,表示开路;当ρ=-1时,待测阻抗为0,表示短路。


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