利用TDR (时域反射计)测量传输延时

利用TDR (时域反射计)测量传输延时

随着时钟速率的提高，利用高速示波器有源探头测量延时的传统方法很难获得准确结果。这些探头成为高速信号通路的一部分，并造成被测信号的失真，引入误差。探头还必须直接置于器件引脚，以消除PCB (印刷电路板)引线长度产生的延时误差，满足探头位置的这一要求是困难而复杂的过程。本文介绍了如何利用TDR (时域反射计)测量降低探头误差的方法，有助于提高传输延时测量精度。

分析方法

本文基于以下三个前提：

1. 利用TDR (时域反射计)减小探头误差。TDR通常用来测量信号通路长度与阻抗变化的关系。TDR也是测量传输延时的重要工具。
2. 避免直接探测。由于加载的原因，有源探头会使测量变得复杂，并引入误差。
3. 利用一个实例演示这一方法。本文将以MAX9979为例，该芯片为高速引脚电子电路，适合于ATE系统。芯片内部集成了双路高速驱动器、有源负载以及工作在1Gbps以上的窗比较器。

此处介绍的方法适用于任何高速器件。

TDR原理

TDR测试方法中，沿信号通路传输高速信号边沿，并观察其反射信号。反射能够说明信号通路的阻抗以及阻抗变化时信号延时的变化，TDR测试的简单示意图如图1所示。


图1. TDR原理，TDR测量基于反射系数ρ，其中ρ = (V_REFLECTED/V_INCIDENT)。最终，Z_O= ρ × (1 + ρ)/(1 - ρ)。

从图1可以得到两个重要概念：

1. T_DLY是我们将要测量的PCB (印刷电路板)引线延时。
2. Z_O是被测PCB引线的阻抗。

仪器和评估板

为了测量纳秒级的延时，需要非常快的脉冲发生器、高速示波器以及高速探头。我们也可以利用具有TDR测量功能的Tektronix? 8000 (图2)系列示波器(TDS8000、CSA8000或CSA8200)，配合80E04 TDR采样模块使用。本文采用MAX9979EVKIT (评估板)、Hewlett Packard 8082A脉冲发生器和TDS8000/80E04进行演示。图3所示为MAX9979EVKIT部分电路。可以选择使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脉冲发生器，同样能够获得相似结果。


图2. Tektronix TDS8000系列具有采样模式的示波器


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图3. MAX9979EVKIT (部分)

分析中将进行以下测量：

• 从PCB的SMA边缘连接器DATA1/NDATA1至MAX9979 IC输入引脚DATA1/NDATA1的延时。从MAX9979的DUT1 (被测器件)输出通过SMA连接器J18的延时。
• 连接DUT1输出至CSA8000的测试电缆延时。
• 从DATA1/NDATA1输入至DUT1输出，通过电缆到达CSA8000的总延时。
• 最后，计算MAX9979的实际延时。

DATA1/NDATA1输入建模

由于人们对TDR响应比较困惑，我们首先利用SPICE仿真器构建输入延时的模型。然后我们将仿真结果与实际测量进行比较，参见图4。


图4. 等效输入原理图和最终仿真模型

图4注释：

• PCB引线设定为6in长，阻抗为65Ω。实际上，这是DATA1/NDATA1 PCB引线的真实阻抗。理想情况下为50Ω，但我们从TDR测量结果将会看到该值为63Ω。
• NDATA1输出端接至地。由于DATA1和NDATA1对称，而且距离MAX9979引脚的长度相同，所以仅测量DATA1的PCB引线。
• 对信号发生器的12in电缆进行建模，但实际传输延时测量证明并不需要这一建模。

DATA1/NDATA1输入仿真

图5所示为TPv3的SPICE仿真波形。


图5. 图4所示模型的SPICE仿真(节点TPv3)，在MAX9979EVKIT DATA1输入采集到数据。

从图5数据可以得出以下几点结论：

• 输入信号为阶跃函数。这次仿真中，阶跃幅度为0.5V。以此模拟CSA8000产生的TDR信号。
• 时间代表模型中不同单元的延时：
  1. 第1级表示发生器的12in电缆。延时大约为3ns，是实际延时的两倍。实际电缆延时为1.5ns。
  2. 第2级表示DATA1 PCB引线。延时大约为2ns，PCB延时为该值的一半，或1ns。
  3. 其它延时为脉冲通过DATA1 PCB引线的反射。
• Y轴反映了不同元件的阻抗，单位为伏特，可转换为阻抗。
• X轴为单次输入阶跃信号造成的模拟信号反射，参照图1对信号进行比较。这些信号的长度代表通过不同元件的延时。

MAX9979的传输延时测量

按照以下六个步骤进行传输延时测量。

第1步：测量连接DUT1节点到CSA8000垂直输入的2in长SMA电缆的延时(图6)。


图6. 2in SMA电缆的CSA8000 TDR

测量时：

• 将2in长SMA-SMA电缆连接至80E04 TDR模块的一路输入，另一端保持开路。
• 利用TDR的下拉菜单进行测量。
• 注意，这看起来很像图1中的“开路”示例。此处测得的延时为804ps，由于是两倍的电缆延时，所以电缆延时为402ps。
• 还需注意的是，第2级阶跃实际为顶部和底部之间的一半。根据TDR原理，表示2in长度电缆实际阻抗为50Ω。
• 这条2in电缆是我们测量延时的通路之一。

第2步：测量DATA1输入信号的PCB引线延时/阻抗。


图7. DATA1 PCB TDR阻抗测量

从该数据可以获得以下几项信息：

• 图7与图5中的仿真曲线相同，证明了模型的准确性。