高分辨率TDR测试以及应用

　　引言

　　当快速边沿信号在被测试器件上的传输时，如果遇到阻抗不连续的情况，就会产生反射。因此通过对反射现象的观察可以找到被测试线路中的不连续点，如短路、断路、过孔、走线宽度变化等等。人们不仅希望TDR设备可以用于PCB走线、电缆等产品的阻抗测量，还希望TDR设备能应用在芯片的失效分析（FA）以及高速电路板的电路模型提取。当测试者需要对阻抗不连续点进行精确定位时，他必须拥有一台高分辨率的TDR设备。

　　TDR设备的分辨率

　　一台TDR设备内部其实有两个重要的组成部分。一部分是阶跃信号发生器，它可以发出上升时间极快的阶跃信号。另一部分是高带宽的取样器，它可以将DUT上反射回来的信号进行接收、取样并在仪器的屏幕上显示出来。业界往往使用高带宽取

样示波器作为TDR测试设备的平台。

　　TDR设备能发现或者感知的最小（即最短）的阻抗不连续距离的能力称之为分辨率。理论上一个阶跃信号在DUT上传输时能分辨（或称为感知）的最小的阻抗不连续距离为电信号在该阶跃信号的上升时间内在DUT上传输的距离。假设一个阶跃信号的上升时间为t，假设电信号在某材质被测电路上的传输速率为v，那么其距离分辨率l满足下面的等式：
　　l=vt

　　因此一台TDR设备要获得更高的分辨率那么其阶跃信号发生器所发出的阶跃信号上升时间就必须更短。

　　同时，我们应当注意到TDR设备还有另外一个重要的组成部分即高带宽取样器。考量一台TDR设备的分辨率时还必须将取样器的带宽考虑在内。带宽不同的取样器有不同的自身上升时间指标，带宽越高的取样器拥有更快的上升时间。取样器的上升时间和带宽之间有如下的经验公式可以换算：
　　T=0.35/Bandwidth

　　取样器在对反射回来的信号进行取样时，会由于取样器自身存在上升时间而影响到TDR测量的分辨率。在考察一台TDR设备的分辨率时候，单纯关注阶跃信号发生器的上升时间或者是高速取样器的带宽都是不全面的。因此在PCB行业的测试规范IPC-TM-650测试手册中，就提出了TDR设备的系统上升时间的概念，记为Tsys。Tsys表征了一台TDR设备的整体特性，Tsys可以在TDR设备上直接测定，方法是将一个短路器端接在TDR设备的接口上，并对TDR设备获取的波形进行上升时间/下降时间测量，测得的结果就是系统上升时间和下降时间了。图1为Tektronix 80E04 TDR模块的系统上升/下降时间测定结果。

　　我们可以通过TDR设备的系统上升时间来换算出TDR设备分辨率L。如下面的公式：
　　L=(v * Tsys)/2

　　因为我们是通过高速取样器将反射波进行接收后对Tsys测定的，因此可以通俗的说阶跃信号已经在DUT上“一来一回”的“走”了两次。所以在计算分辨率时需要除以2。以FR4材质的PCB板的表层走线（v约为5.5 inch/ns）为例，使用80E04组成的TDR系统可以达到约2mm的分辨率。80E04 TDR模块的测试分辨能力对于PCB板阻抗测试以及电缆阻抗测试来说已经是足够高了。

　　但是对于PCB板的过孔、芯片内部的开路、短路等情况2mm的分辨率就略显不足，需要TDR设备具有更高的分辨率。PCB板的过孔是毫米级的，芯片内部的走线长度在几个毫米到一厘米之间。因此要完成对PCB过孔的电路模型提取以及芯片内部走线的短路、短路定位需要TDR设备的分辨率优于1mm。

　　高分辨率TDR的探测探头是TDR测试系统的组成部分

　　在进行TDR探测时，我们必须通过一个工具将快速阶跃信号注入DUT以完成测试，这个工具就是TDR探头了。图2是进行TDR测试时常用的一种单端探头，由探头前端、探头电缆以及防静电模块控制线组成。该探头标称带宽18GHz，当该探头连接到TDR测试设备上时，系统带宽就会被限制在18GHz以下，TDR测试的分辨率也就随之下降。该探头完全胜任于PCB板的走线特征阻抗测试，但是在进行PCB走线的过孔测量以及芯片失效分析测试时就显得力不从心了。可见如果我们单纯拥有一个高分辨率的TDR设备是不够的，我们还需要一个高带宽的TDR探头。

　　影响TDR探头带宽的因素有很多，例如探头电缆的长度、探头前端的尺寸等等。一般的说，探头电缆越长对高频信号的衰减就越大，带宽就越低。探头前端的尺寸越大带宽就越低。

　　因此，尽量的缩短探头电缆甚至不用探头电缆就成了提高探测带宽的一个简单但非常有效且必要的措施。

　　TDR模块的延伸电缆可以将模块最大限度的靠近DUT，减少由于TDR探头的电缆对探测带宽所带来的影响。

由于TDR测试模块的体积较大，不方便手持探测，因此会使用一种类似于机床那样的设备将模块固定，移动DUT向TDR模块靠拢完成探测。人们把这种类似机床的装置称为Probe Sta