《PCB阻抗测量技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PCB阻抗测量技术（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、PCB阻抗测量技术安捷伦科技（中国）有限公司：孙灯亮PCB传输线的特征阻抗和差分阻抗PCB这些PCB上的传输现代的智能手机，计算机，通信设备等电子产品都内含复杂的 线负责把各种芯片连接在一起，并进行互相通信。糸统级互联图1现代高速电路中的传输线互连衡量PCB上传输线的最重要指标是特征阻抗，或叫特性阻抗，简称阻抗。PCB传输线的特征阻抗不是直流电阻，它属于长线传输中的概念。在高频范围内， 信号传输过程中，信号边沿到达的地方，信号线和参考平面（电源或地平面）间由于电场的建立，会产 生一个瞬间电流，如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个 瞬态电流I，而如果信号的瞬态电压为V,在信
2、号传输过程中，传输线就会等效成一。信号在传输的过程个电阻，大小为-，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。Tr,USI”R_._图2传输线用等效的集中参数电路RLCG描述传输线的特征阻抗主要与传输线的结构有关系。把传输线分成一小段一下段，如图2所示，每一段用等效的集中参数RLCG电路表示，传输线即可用电报方程来表达：电报方程的通解为:其中:为传播常数为特征阻抗由于R, G远小于jwL, jwC,所以通常所说的特征阻抗或阻抗是指:这个是最终的特征阻抗公式， 从公式中可见，传输线的特征阻抗只与寄生电感和寄生电 容有关，而与频率
3、没有关系，单位也直接用欧姆来表示。寄生电感和寄生电容与传输线结构和介电常数有关，而介电常数与频率也有一些关系， 所以特征阻抗与频率也有微弱的关系。PCB中常见的几种传输线结构如图 3所示。B.嵌入式微带线:C、对称带状线:D.:不对称带状线地平h1 bl图3 PCB中常见的单端传输线结构微带线指的是处于 PCB板外层的线路。微带线的电场穿透两种不同的介电质，相对较难控制阻抗。空气的介电常数较PCB为低，所以整体微带线的等效介电常数较低（约为2）。信号在微带线上的传输速率较快（约为每英寸145ps）。因为在微带线分布在PCB的表面，可以节省层数进行高密度布线，但是较容易受到干扰。带状线是指处于
4、PCB板内层的线路。带状线的电场只在PCB的范围内，相对较易控制阻抗。带状线周围介质的介电常数较高（约为185ps）。因为在PCB的里面，所以不容易受干扰。4.4），信号传输速度相对较慢（约为每英寸图4微带线和带状线电场和磁场分布对于微带线或带状线， 都有如下特征：阻抗与走线宽度和走线厚度成反比；阻抗与叠层板高度成正比；阻抗与叠层板的介电常数的平方根成反比。所以研发设计PCB或工厂生产PCB时通过控制走线的宽度，厚度，叠层高度，及使用不同的PCB板材，就可以控制 PCB传输线的特征阻抗。随着信号速率越来越高，差分信号变得越来越普遍，其主要优点如下。1. 由于差分传输线结构共模抑制能力强，可以更
5、好的抗干扰。2. 由于差分传输线结构的两根线间是平衡的，它们之间的电磁场将抵消，能够更好地 降低辐射。3. 差分传输结构可实现更加精确的时序控制，可减少由于电流瞬变导致的电源噪声。PCB上的差分传输线结构如下图。比较常用的是边对边耦合的微带差分线和边对边耦的 带状差分线。这两种结构不论设计或生产都比较容易进行阻抗控制。E.微带线边对边耦合:F.带状线边对边耦合:h是平更* tt* jtG.对称上下耦合:H.不对称上下耦合:MTUnn建平奁堆平面唸平面=堆平直hl图5 PCB差分传输线结构差分传输结构或差分传输线具有两种独特的传播方式，每种方式都有自己的特征阻抗。 大多数资料把这两种方式称为奇模
6、阻抗和偶模阻抗。奇模阻抗被定义为通过监测一条线路， 而另一条线路通过互补信号驱动而测量的阻抗。差分阻抗是指在差分驱动时在两条传输线中测量的阻抗。差分阻抗是奇模阻抗的两倍。偶模阻抗被定义为通过监测一条线路，而另一条线路通过同等信号驱动而测量的阻抗。共模阻抗是指并连在一起的线路的阻抗，是偶模阻抗的二分之一。当两根戋由差分信争区动时r其中一根鏡麦现的阻抗走义为奇槿阻抗。当两根戋由共模信爭区动时其中一根鏡丢现的沮抗定义为偶模阻抗。图5差分传输线的奇模阻抗和偶模阻抗差分阻抗和奇模阻抗的计算公式如下：共模阻抗和偶模阻抗的计算公式如下:養分/奇模电磁场tWi 1TojMnrmit 3 *差分/共模结构的电磁
7、场分布和模型PCB阻抗和差分阻抗测试仪器和探头现在测试PCB阻抗的仪器主要有两种：基于采样示波器的时域反射计TDR和基于网络分析仪的ENA-TDR图7是典型的时域反射计 TDR,由采样示波器86100D和TDR模块54754A组成，其典 型的TDR指标是：硬件上升时间 40ps，归一化的上升时间25ps （最低16ps）。0FTL MBTW.TWIBIML口图786100D采样示波器和 54754A TDR测试模块图8是现在比较流行的基于网络分析仪E5071C的ENA-TDR由2端口或4端口 E5071C矢量网络分析仪和 TDR选件构成，其典型的 TDR指标是：上升时间22ps。眼图图8 基于
8、网络分析仪的 ENA-TDR测量PCB单端阻抗或差分阻抗，探头是必不可少的一部分。如果已经在被测PCB上设计了 SMA接头或测试夹具，可以用同轴电缆直接连接被测件测量。大多数情况都是裸PCB或裸的测试条，这时需要用探头测量。探头可以自己制作，如图9所示，是本人自己制作的差分TDR探头，实际使用效果还是非常好的。自己制作时需要注意地线的连接，制作单端 探头时地线与信号针之间形成的环路面积尽量小；制作差分探头时两根信号针之间的环路面积尽量小。同轴电缆中间的信号线一般较粗，制作时需要用锉刀把信号线挫细成针，有利于探测。图9自制的差分TDR探头当然最好还是用与仪器配套的探头，如图10所示的N1021B
9、差分TDR探头可以用于传统的基于采样示波器 86100D的TDR仪器，也可以用于基于网络分析仪E5071C的ENA-TDF。N1021B的典型指标是：带宽 18GHz,可变探针间距范围 0.5mm2.54mm。Tr图11时域反射计TDR工作原理图10N1021B差分TDR探头基于采样示波器的 TDR测量原理时域反射计TDR是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器，它是利用时域反射的原理进行特 性阻抗的测量。图1是TDR工作原理图。E-Cr)硏跃信号发生器前蚩低号设覽：200 mV, 250 kHz号菠上升沿时间T 35 psTDR包括三部分组成:1)幅度200mv,上升时间35ps,频率250KHz
10、快沿信号发生器：典型的发射信号的特征是： 方波。采样示波器：通用的采样示波器； 探头系统：连接被测件和 TDR仪器。测试信号的运行特征参考图 2所示。图3是计算被测传输线特征阻抗的计算公式。特征BEiA Z = Zg退护L变化点示传砖則宰点图12 TDR测试信号在传输线上的运动特征7 =7利用源沮抗和反肘呑1-/數计算员载胆抗P=Y反射系数计算负载阴抗是霽少？TD尺能够根据公式庁动计算出站果图13 TDR计算被测件特征阻抗的计算公式其中P是反射系数，Z0是参考阻抗（一般为 50ohm，由测试系统決定），Z是待测阻 抗。由此仪器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的荧幕上显示一条TD
11、R曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系数或特征阻抗。当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不不连续，而且這些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用來进行互连建模，可以直接在仪器上读出寄生的电感或电容，或通过仿真软 件建立更详细的模型。flta）图15 从TDR曲线上的波动处可计算出寄生电容或电感L基于网络分析仪的 ENA-TDR测量原理网络分析仪 VNA是测量被测件（DUT）频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号（S21）或反射信号（S11）之间的矢量幅度比
12、（图14）得到测量结果；在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性（图15 ）;在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。输入信号W反射倍号端口 T揣口 2S11）披測件图16输入信号、反射信号和传输信号示意图输入信号信号甲带通滤波器被测件第N个点甘糠止iAF粹止频率扫描mm图17在测量频率范围内扫描正弦波激励信号，就可用VNA测得被测器件的频率响应特众所周知，频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用 VNA获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性（图4 ）。再通过对冲激响应
13、特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在TDR示波器上观察到的响应特性是一样的。由于积分计算非常耗时， 因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶因此变换的卷积原理进行计算一一把输入信号的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积, 然后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，我们可以快速计算出阶跃响应特性。正弦波扫描频军响应B0IF! J f FTIF! J T FT冲激输入1. f冲激咆应S1积分J t微分1积分徹分阶跟辅入1M图18从傅立叶逆变换中推导出的阶跃响应特性与冲激响应特性之间的关系通过傅立叶逆变换得到的时域特性的时间分辨率和时间测量范围分别对应于最高
14、测量 频率的倒数和频率扫描间隔的倒数（图15）。例如，若最高测量频率是10 GHz，则时间分辨率为100 ps。我们似乎可以认为通过不断缩小频率扫描的间隔就可以无限地扩大测量的 时间范围，但事实上却存在限制。 因为傅立叶逆变换中使用的频率数据在频域中必须是等距 的，若扫描的频率间隔比 VNA的最低测量频率还要小，那么就不能执行傅立叶逆变换。例如，如果 VNA的最低测量频率是 100 kHz，则在时域测量中能够得到的最大时间测量范 围就是10 us，对于TDR的测量应用，这足够了。2;AFIMF1/AF图19时域参数（时间分辨率和时间测量范围）与频域参数（最大频率和扫描频率间隔）之间的关系图16显示的是使用基于网络分析仪E5071C的ENA-TDR和基于示波器86100D的TDR ,对同一被测件的阻抗进行测量，得到的响应曲线之间的相关性。两个测量结果之间的差别不到 0.4 Q。
