利用TDR (时域反射计)测量传输延时
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2.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 = (VREFLECTED/VINCIDENT)。最终,ZO = ρ × (1 + ρ)/(1 - ρ)。从图1可以得到两个重要概念:
1.TDLY是我们将要测量的PCB (印刷电路板)引线延时。
2.ZO是被测PCB引线的阻抗。
仪器和*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 (*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
图3. MAX9979EVKIT (部分)
分析中将进行以下测量:
1.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。
2.连接DUT1输出至CSA8000的测试电缆延时。
3.从DATA1/NDATA1输入至DUT1输出,通过电缆到达CSA8000的总延时。
4.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:
1.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。
2.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。
3.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
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输入采集到的数据。
从图5数据可以得出以下几点结论:
1.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。
2.时间代表模型中不同单元的延时:
a.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。
b.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。
c.其它延时为脉冲通过DATA1 PCB引线的反射。
3.Y轴反映了不同元件的阻抗,单位为伏特,可转换为阻抗。
4.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:
1.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。
2.利用TDR的下拉菜单进行测量。
3.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。
4.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。
5.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
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