浅谈tdr测试的原理和常见问题

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1、浅谈浅谈 TDR 测试的原理和常见问题测试的原理和常见问题 唐亮 胡海洋 本文从TDR测试原理，TDR与网络分析仪测试方法的比较，以及测试TDR测试常见的问题进行了全面的讨论。结合上述介绍，文章对安捷伦54754A TDR测试模块的特点进行了全面总结。 一一 TDR 测试原理测试原理 评价频率响应的最普通的方法是在频域中解 Maxwell 方程。这个过程能够把系统所有的物理和电气特性都考虑进去，包括传输线。因而已经有很多基于此原理的测量方法来帮助电气工程师分析信号完整性。 当和其他测试方法比较时， 时域反射 （TDR： Time Domain Reflector） 可以提供更加直观观察 DUT

2、 的特性。TDR 使用阶跃信号发生仪和示波器，在被测得传输线上发送一个快速的上升沿，再特定的点上用示波器观察反射电压波形。 这种技术可以测出传输显得特性阻抗，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）。所有这些信息都是示波器上实时显示。相对于其他技术，TDR 能够给出更多的关于系统宽带相应的信息。 图 1 时域反射计工作原理 阶跃信号发生器向被测系统产生一个正向的阶跃信号。该信号沿着传输线向前传输。如果负载组抗等于传输线的特性阻抗，将没有信号反射，示波器上能看到的只有发送的阶跃信号。 假如负载存在失配，将有部分的输入信号被反射，示波器上将出现反射信号和输入信号的叠加。 图 2 是

3、一个传输线的测试波形，由此可以看出，对于非连续的阻抗，示波器对应位置将出现变化的波形，由此我们就能够分析每个中断点的特性。 TDR测试的典型结果 A: 50 Ohm 电缆 B: 微波传输带开始 C: 50 Ohm微波传输带 D: 75 Ohm微波传输带 E: 50 Ohm微波传输带 F: 开路 二二 TDR 与其他测试方法的比较与其他测试方法的比较 最常用的测量传输线和负载的方AB CDE F 图 2 时域反射计测试结果 法是向系统发送一个正弦波，并观察线上不连续点的波形。这种测试方法中，我们要计算SWR(驻波比) 并将它看作系统的参数。当系统有数个阻抗不连续点时，SWR测试往往不能分开这些点

4、。另外，当系统拥有很宽的带宽时，必须测量很多频点的SWR，测试很枯燥并且耗费时间。 另一个常见的测量传输线的仪器是矢量网络分析仪(VNA)。这时，信号源产生一个连续扫频的正弦波来激励 DUT。VNA 测量 DUT 的反射信号和传输信号。反射信号可以用多种格式显示，包括 SWR 和反射系数。假如 VSA 带有 IFFT，我们就可以用和 TDR 一样的格式来显示信号。 假如用户对于频域 S 参数很熟悉的话，这将是一个很好的办法。 长久以来，VNA 作为传统的 S 参数测量工具。在测量插入损耗和回波损耗的各种仪器中， 更是广为人知的“标准”频域测量仪器。它具有世界上最精确和最广泛的动态范围。 很多熟

5、悉频域的用户对于 TDR 的测试结果表示怀疑。图 3 是VNA 和 TDR 之间的差分插入损耗(SDD11)对比。蓝色为带有 TDR 校准的 TDR，它显示在高达大约 10 GHz 的范围内与 VNA(红色)测试结果高度匹配。 该结果证明带有 TDR 校准的 TDR 具有与 VNA 相当的精度。 VNA 也并不是万能的，它的强大是建立在复杂校准的基础上，也不能直接在直流情况下进行测量，当被测件很长时（电缆） ，完成低频测量也要花费很长时间。TDR 由于从 DC 开始测量，具有良好的低频信号，TDR 具有相当大的存储深度，可以有效的测量长电缆的 S 参数。另外，VNA 的价格高出 TDR 很多。

6、 TDRPNA高频段系统频响对信号 功率的影响。高频段测 试精度下降在整个测试频率范围 内，激励信号功率保 持固定。保证高频段 测试的精度FrequencyAmplitude (Dynamic Range)010G20G5G15G-110-500 TDR and VNA operate hereVNA only图 4 TDR 和 VNA 的对比 图 3 TDR 测试动态范围 vs VNA 测试动态范围 VNA TDR 原理 采用扫频的方式 采用时域反射的方式 激励方式 正弦波信号激励（窄带） 阶越信号激励（宽带） 接收方式 窄带接收 宽带接收 易于使用 TDR 的设置简便 眼图测试 NA 示波

7、器, TDR, 抖动, 眼图分析 测试速度 TDR 具有更快的测试速度 预算 $30k$100k USD $35k USD 频率范围 3G67GHz 13-15GHz 动态范围 110dB 45dB 三三 TDR 的典型应用的典型应用 由下表常见的数字信号接口可以看出，6 GHz 带宽的示波器也仅仅能满足今天的 PCI-E 系统。而所有未来主要的标准都至少需要 10-12 GHz 的带宽！ Serial Bus Standard Data Rate Fundamental Frequency 3rd Harmonic Frequency 5th Harmonic Frequency SATA

8、I 1.5 Gb/s 0.75 GHz 2.25 GHz 3.75 GHz DVI 1.65 Gb/s 0.825 GHz 2.475 GHz 4.125 GHz PCI Express I 2.5 Gb/s 1.25 GHz 3.75 GHz 6.25 GHz SATA II 3.0 Gb/s 1.5 GHz 4.5 GHz 7.5 GHz XAUI 3.125 Gb/s 1.56 GHz 4.69 GHz 7.81 GHz Fibre Channel 4.25 Gb/s 2.125 GHz 6.375 GHz 10.625 GHz FBD 4.8 Gb/s 2.4 GHz 7.2 GHz

9、12.0 GHz PCI Express II 5.0 Gb/s 2.5 GHz 7.5 GHz 12.5 GHz SATA III 6.0 Gb/s 3.0 GHz 9.0 GHz 15.0 GHz CEI 6.25 Gb/s 3.125 GHz 9.375 GHz 15.625 GHz Proprietary 7.0 Gb/s 3.5 GHz 10.5 GHz 17.5 GHz 10 GbE 10.0 Gb/s 5.0 GHz 15.0 GHz 25.0 GHz 另外高速数字通信的传输线路(例如连接器和印刷电路板线路)需要精确控制阻抗，否则可能会影响高速信号的信号完整性。PC1-Expre

10、ss 或串行 ATA 等新标准需要精确侧量传输线路的 S 参数和阻抗。 我们可以使用 TDR 和 S 参数分析软件来分析这些问题并在设计初解决他们。在 PCB、连接器和电缆上进行基于工业标准的阻抗和 S 参数测量。下表是 TDR 可以完成的测试。 单端测试单端测试 差分测试差分测试 测量传输线的特征阻抗 差模阻抗 测量传输显得时域延迟 奇模阻抗 Connector Cable DIMM PCB 精确测量传输线上的信号速度 共模阻抗 建立器件的非连续模型 偶模阻抗 建立器件的宽带宽模型 四四 TDR 应用中的常见问题应用中的常见问题 1 激励信号保真度和接收系统噪声问题激励信号保真度和接收系统噪

11、声问题 用于测量的阶越信号的形状对 TDR/TDT 测量的准确性非常重要。时域反射计测量是测量 DUT 对激励的阶越信号的响应，DUT 阻抗不连续性反映为反射信号的变化。因此，如果激励的阶越信号存在过冲或不平坦性等异常，则会直接导致 DUT 阻抗测试的幅度误差。所以，要提高 TDR 测试的精度，首先需要保证激励信号的保真度，既尽力减小激励信号的过冲和不平坦性。 另一方面，作为 TDR 系统测试接收机的示波器本底噪声也是直接影响 TDR 测试幅度误差的重要原因。由于本底噪声随机叠加在激励阶越信号和 DUT 反射信号之上，因此，无法通过校准进行克服，故此，提高TDR 阻抗测试的另一个重要因素是巨大

12、可能降低接收机（示波器）的本底噪声。 2 上升沿时间问题上升沿时间问题 实际上，任何测试系统都只能具有有限的测量带宽 （频域上） ， 即等效于低通滤波器。与之相应，系统在时域上具有有限的上升时间或响应速度。 如果 TDR 测试系统的响应过慢，则 DUT 的阻抗不连续特性可能被掩盖，甚至是无法分辨。如上图所示，同一器件在不同上升时间（由上至下，上升时间分别为100ps, 35ps 和 20ps）情况下进行测试，其阻抗不连续点的测量有很大的差异。除了幅度上的差异外，最主要的是时间轴上的分辨率随上升沿的加快而得到提高。 TDR 测试系统的整体上升时间由下式决定： 22 Scopestepsystem

13、TrTrTr+= 其中，Trstep是阶越信号的上升时间，Trscope是示波器带宽对应的上升时间。 通常阶越信号经过两个相邻的阻抗不连续点之间的时间大于TDR测试系统的上升时间（Trsystem）的二分之一，则这两个阻抗不连续点是可以被此TDR系统分辨的。 因此，不可否认，激励阶越信号的上升沿快慢对于 TDR 的时间分辨率测量非常关键。确切来说，用于测量的示波器带宽及积激励阶越信号的上升沿快慢决定了 TDR 阻抗不连续性点的最小分辨率。 那么是否可以这样认为，TDR 激励阶越信号源上升沿越快，则该 TDR 越好呢？实际上，这种认识是片面的。 图 5. 上升时间对 TDR 测试的影响 1）首先

14、，实际的测试系统还要包含测试夹具（电缆，转接器，连接器及探针等） ，由于测试夹具的性能，可能会大大略化 TDR 实际测试系统的上升时间，参考下式： 222 fixtureScopestepsystemTrTrTrTr+= 也就是说，如果测试夹具无法满足更快的上升时间，则选择上升沿再快的 TDR 也是没有意义的。 2）选择多快的上升沿的 TDR 主要取决于 DUT 的工作速率（或频率范围） 。对于大多 TDR 说应用来说，DUT 的工作速率 95%以上的 TDR 应用，35ps 上升时间的 TDR 系统是足够的。 而且，对于本身工作速率不高的系统，过快的上升沿会产生额外的过冲和多次反射，不但不会

15、提高测试精度，反而会引入不必要的误差。 更重要的是，TDR 的分辨率不仅仅取决于上升沿时间，综合信号脉冲保真度和 TDR 校准技术对于 TDR 的分辨率也有相当大的影响。所以，用户在选择 TDR 测试模块时，不能单纯追求更快的上升沿时间，必须综合考虑系统的各个方面，才能达到完成更高质量的测量。 3 真假差分问题真假差分问题 大多说高速应用中都采用差分信号，其原因在于： 1) 差分信号自己控制基准电压，所以能够很容易地识别小信号。在一个以Ground做基准的单端信号系统里，测量信号的精确值依赖系统内Ground的一致性。信号源和信号接收器距离越远，其局部Ground的电压值之间有差异的可能性就越

16、大。 从差分信号恢复的信号值在很大程度上与Ground的精确值无关，而在某一范围内。 2) 差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源几乎相同程度地影响差分信号对的每一端。既然电压差异决定信号值，这样将忽视在两个导体上出现的任何同样干扰。除了对干扰不大灵敏外，差分信号比单端信号生成的 EMI 还要少。 3) 差分信号在一个单电源系统,能够从容精确地处理双极信号。为了处理单端,单电源系统的双极信号,我们必须在地和电源干线之间某任意电压处（通常是中点）建立一个虚地。用高于虚地的电压来表示正极信号,低于虚地的电压来表示负极信号。接下来，必须把虚地正确地分布到整个系统里。而对于差分信号，不需要这样一个虚地，这就使我们处理和传播双极信号有一个高保真度，而无须依赖虚地的稳定性。 由于差分信号的广泛应用，TDR 系统也应具有差分信号测试能力。TDR 差分测试中，有两种方法： 1） “真”差分激励：采用同时输出正向(V+)和反向(V-)的激励阶越信号进行“真”差分测试。？ 2）