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如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?

發(fā)布時(shí)間:2017-04-05 來源:Bernard Hyland 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】隨著時(shí)鐘速率的提高,利用高速示波器有源探頭測量延時(shí)的傳統(tǒng)方法很難獲得準(zhǔn)確結(jié)果。這些探頭成為高速信號通路的一部分,并造成被測信號的失真,引入誤差。探頭還必須直接置于器件引腳,以消除PCB (印刷電路板)引線長度產(chǎn)生的延時(shí)誤差,滿足探頭位置的這一要求是困難而復(fù)雜的過程。本文介紹了如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量降低探頭誤差的方法,有助于提高傳輸延時(shí)測量精度。
 
分析方法
 
本文基于以下三個(gè)前提:
 
1、利用TDR (時(shí)域反射計(jì))減小探頭誤差。TDR通常用來測量信號通路長度與阻抗變化的關(guān)系。TDR也是測量傳輸延時(shí)的重要工具。
 
2、避免直接探測。由于加載的原因,有源探頭會使測量變得復(fù)雜,并引入誤差。
 
3、利用一個(gè)實(shí)例演示這一方法。本文將以MAX9979為例,該芯片為高速引腳電子電路,適合于ATE系統(tǒng)。芯片內(nèi)部集成了雙路高速驅(qū)動器、有源負(fù)載以及工作在1Gbps以上的窗比較器。
此處介紹的方法適用于任何高速器件。
 
TDR原理
 
TDR測試方法中,沿信號通路傳輸高速信號邊沿,并觀察其反射信號。反射能夠說明信號通路的阻抗以及阻抗變化時(shí)信號延時(shí)的變化,TDR測試的簡單示意圖如圖1所示。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖1. TDR原理,TDR測量基于反射系數(shù)ρ,其中ρ = (VREFLECTED/VINCIDENT)。最終,ZO = ρ × (1 + ρ)/(1 - ρ)。
 
從圖1可以得到兩個(gè)重要概念:
 
1、TDLY是我們將要測量的PCB (印刷電路板)引線延時(shí)。
 
2、ZO是被測PCB引線的阻抗。
 
儀器和評估板
 
為了測量納秒級的延時(shí),需要非??斓拿}沖發(fā)生器、高速示波器以及高速探頭。我們也可以利用具有TDR測量功能的Tektronix? 8000 (圖2)系列示波器(TDS8000、CSA8000或CSA8200),配合80E04 TDR采樣模塊使用。本文采用MAX9979EVKIT (評估板)、Hewlett Packard 8082A脈沖發(fā)生器和TDS8000/80E04進(jìn)行演示。圖3所示為MAX9979EVKIT部分電路??梢赃x擇使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脈沖發(fā)生器,同樣能夠獲得相似結(jié)果。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖2. Tektronix TDS8000系列具有采樣模式的示波器
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖3. MAX9979EVKIT (部分)
 
分析中將進(jìn)行以下測量:
 
  • 從PCB的SMA邊緣連接器DATA1/NDATA1至MAX9979 IC輸入引腳DATA1/NDATA1的延時(shí)。從MAX9979的DUT1 (被測器件)輸出通過SMA連接器J18的延時(shí)。
  • 連接DUT1輸出至CSA8000的測試電纜延時(shí)。
  • 從DATA1/NDATA1輸入至DUT1輸出,通過電纜到達(dá)CSA8000的總延時(shí)。
  • 最后,計(jì)算MAX9979的實(shí)際延時(shí)。
 
DATA1/NDATA1輸入建模
 
由于人們對TDR響應(yīng)比較困惑,我們首先利用SPICE仿真器構(gòu)建輸入延時(shí)的模型。然后我們將仿真結(jié)果與實(shí)際測量進(jìn)行比較,參見圖4。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖4. 等效輸入原理圖和最終仿真模型
 
圖4注釋:
 
  • PCB引線設(shè)定為6in長,阻抗為65Ω。實(shí)際上,這是DATA1/NDATA1 PCB引線的真實(shí)阻抗。理想情況下為50Ω,但我們從TDR測量結(jié)果將會看到該值為63Ω。
  • NDATA1輸出端接至地。由于DATA1和NDATA1對稱,而且距離MAX9979引腳的長度相同,所以僅測量DATA1的PCB引線。
  • 對信號發(fā)生器的12in電纜進(jìn)行建模,但實(shí)際傳輸延時(shí)測量證明并不需要這一建模。
 
DATA1/NDATA1輸入仿真
 
圖5所示為TPv3的SPICE仿真波形。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖5. 圖4所示模型的SPICE仿真(節(jié)點(diǎn)TPv3),在MAX9979EVKIT DATA1輸入采集到的數(shù)據(jù)。
 
從圖5數(shù)據(jù)可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:
 
  • 輸入信號為階躍函數(shù)。這次仿真中,階躍幅度為0.5V。以此模擬CSA8000產(chǎn)生的TDR信號。
  • 時(shí)間代表模型中不同單元的延時(shí):
            a.第1級表示發(fā)生器的12in電纜。延時(shí)大約為3ns,是實(shí)際延時(shí)的兩倍。實(shí)際電纜延時(shí)為1.5ns。

            b.第2級表示DATA1 PCB引線。延時(shí)大約為2ns,PCB延時(shí)為該值的一半,或1ns。
  • 其它延時(shí)為脈沖通過DATA1 PCB引線的反射。
  • Y軸反映了不同元件的阻抗,單位為伏特,可轉(zhuǎn)換為阻抗。
  • X軸為單次輸入階躍信號造成的模擬信號反射,參照圖1對信號進(jìn)行比較。這些信號的長度代表通過不同元件的延時(shí)。
  •  
MAX9979的傳輸延時(shí)測量
 
按照以下六個(gè)步驟進(jìn)行傳輸延時(shí)測量。
 
第1步:測量連接DUT1節(jié)點(diǎn)到CSA8000垂直輸入的2in長SMA電纜的延時(shí)(圖6)。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖6. 2in SMA電纜的CSA8000 TDR
 
測量時(shí):
 
  • 將2in長SMA-SMA電纜連接至80E04 TDR模塊的一路輸入,另一端保持開路。
  • 利用TDR的下拉菜單進(jìn)行測量。
  • 注意,這看起來很像圖1中的“開路”示例。此處測得的延時(shí)為804ps,由于是兩倍的電纜延時(shí),所以電纜延時(shí)為402ps。
  • 還需注意的是,第2級階躍實(shí)際為頂部和底部之間的一半。根據(jù)TDR原理,表示2in長度電纜實(shí)際阻抗為50Ω。
  • 這條2in電纜是我們測量延時(shí)的通路之一。
 
第2步:測量DATA1輸入信號的PCB引線延時(shí)/阻抗。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖7. DATA1 PCB TDR阻抗測量
 
從該數(shù)據(jù)可以獲得以下幾項(xiàng)信息:
 
  • 圖7與圖5中的仿真曲線相同,證明了模型的準(zhǔn)確性。
  • 光標(biāo)用于測量線路阻抗。第1級階躍為49.7Ω,代表CSA8000電纜。與我們的預(yù)期結(jié)果一致。
  • 第二光標(biāo)顯示97.8Ω,為MAX9979內(nèi)部DATA1/NDATA1兩端的100Ω電阻(參見圖4)。與我們的預(yù)期結(jié)果一致。
  • 第2級階躍阻抗不是50Ω。這一級為DATA1 PCB阻抗,大約為63Ω。這意味著DATA1和NDATA1的PCB引線不是我們所希望的50Ω。
  • 大幅值為150Ω,是額外的50Ω電纜和100Ω電阻,只存在于第3級反射。
 
該測量可以簡化為:
 
  • 將12in SMA電纜的一端連接至CSA8000。將電纜另一端連接至MAX9979EVKIT的DATA1 SMA輸入連接器。
  • 將NDATA1的SMA連接器通過SMA接地,從圖4可以看出這一點(diǎn)。12in SMA電纜的長度與延時(shí)測量無關(guān),但應(yīng)盡可能短。
  • 無需對MAX9979EVKIT供電。該測量針對焊接到電路板上的MAX9979進(jìn)行,但不需要上電。有些用戶更喜歡使用沒有焊接器件的電路板進(jìn)行測量。斷開MAX9979將產(chǎn)生更清晰的3級階躍信號,仿真圖1所示開路狀態(tài)。兩種配置下,實(shí)際時(shí)間測量結(jié)果相同。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖8. 波形與圖7相同,但為擴(kuò)展后的波形,測量延時(shí)。
 
圖8所示,測量第2級階躍—DATA1 PCB引線延時(shí)。注意:
 
  • 第1級階躍為電纜,我們對其延時(shí)并不感興趣。
  • 測量值為1.39ns,PCB延時(shí)為該值的一半,或?yàn)?.695ns。這一延時(shí)確實(shí)大于模型的延時(shí),但我們僅利用模型估算延時(shí)加以比較。
  • 測量在信號的傾斜沿進(jìn)行。這些傾斜沿代表電路板SMA和MAX9979 DATA1引腳的電容效應(yīng)。因此,在這些傾斜沿之間進(jìn)行測量能夠確保測試結(jié)果包含了SMA和PIN延時(shí)。還需注意的是,波形中存在凸峰:這是SMA連接器與電路板之間的電感產(chǎn)生的。由此,需要在凸峰之前進(jìn)行測量,以確保獲取完整的電路板延時(shí)。進(jìn)一步的TDR測量讀數(shù)將突顯這些電容和電感造成的傾斜沿和凸峰。
 
第3步:測量DUT1輸出信號的PCB引線延時(shí)/阻抗。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖9. DUT1 PCB TDR延時(shí)和阻抗測量
 
圖9所示示波器波形是采用與圖7、圖8相同的設(shè)置產(chǎn)生的。我們現(xiàn)在采用一條2in長SMA電纜連接CSA8000 80E04模塊和MAX9979EVKIT的DUT1 SMA。注意:
 
  • 第1級階躍表示2in電纜。TDR信號為0.5V,第1級階躍為250mV。說明我們電纜的阻抗為50Ω,與預(yù)期情況一致。
  • DUT1延時(shí)是在兩個(gè)傾斜沿之間進(jìn)行測量得到的,與上述DATA1測量說明相同。然而,需要注意的是:這些傾斜沿之間的電平同樣為50Ω。該值表明較短的DUT1 PCB金屬線非常接近于理想的50Ω。
  • 從上述內(nèi)容得到DATA1引線阻抗為63Ω,DUT1節(jié)點(diǎn)阻抗為50Ω。這意味著DATA1輸入的金屬線寬比DUT1輸出的線寬窄。理想情況下,它們應(yīng)該相同。TDR測量發(fā)現(xiàn)了這一差異,這不一定是系統(tǒng)錯(cuò)誤。DUT1引線阻抗稍高是由于較窄的金屬線造成的,但它同時(shí)也減小了DATA1金屬線的電容。數(shù)據(jù)線是最長的引線,為了保證最寬頻帶的要求,該電容應(yīng)盡量小。
  • DUT1的PCB延時(shí)很難測量,其阻抗與電纜相同。如果MAX9979沒有焊接到電路板上,我們將看到“開路”狀態(tài)的三級階躍信號。但是,在焊接了MAX9979的條件下仍然可以測量到這一延時(shí)。通過檢查電容效應(yīng)產(chǎn)生的傾斜沿,可以看出SMA連接器在電路板的焊接位置以及MAX9979 DUT1引腳的位置。我們同樣可以查看SMA連接器電感產(chǎn)生的凸峰,確認(rèn)它處于兩個(gè)傾斜沿之間。解決了這些問題,可以測得延時(shí)為360ps,將該值減半,得到實(shí)際DUT1 PCB電路板的延時(shí),該延時(shí)為180ps。
 
第4步:用兩條相同的SMA電纜連接差分信號發(fā)生器,測量CSA8000的基線延時(shí)。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖10. 測量來自發(fā)生器的DATA1/NDATA1信號
 
圖10所示,C1和C2是兩個(gè)互補(bǔ)PECL信號,幅值大約為450mV。這些DATA1和NDATA1信號直接由外部的信號發(fā)生器產(chǎn)生,送入CSA8000輸入。我們采用CSA8000的20GHz采樣探頭,從該數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)果:
 
  • M1是差分信號C1 - C2的數(shù)學(xué)計(jì)算值,幅值為900mV,10%/90%上升和下降時(shí)間接近于700ps。這意味著DATA1/NDATA1信號上沒有任何干擾。
  • 我們還對Crs或M1差分信號的過零點(diǎn)進(jìn)行測量,測得數(shù)據(jù)為29.56ns。觸發(fā)示波器,我們僅關(guān)注這些過零點(diǎn)中的一個(gè)。給MAX9979上電,然后測量相同過零點(diǎn),因?yàn)樗峭ㄟ^整個(gè)電路板的延時(shí)。
  • 該延時(shí)還包括兩條輸入電纜的延時(shí),因?yàn)檫@些電纜也被用于測量通過電路板的信號延時(shí),其延時(shí)相互抵消。盡管如此,最好還是使用盡可能短的電纜,只是該延時(shí)對傳輸延時(shí)測量并不重要。
 
第5步:MAX9979EVKIT上電。
 
如何利用TDR (時(shí)域反射計(jì))測量傳輸延時(shí)?
圖11. MAX9979上電并為CSA8000的50Ω負(fù)載產(chǎn)生3V信號
 
將DATA1和NDATA1信號連接至已上電的MAX9979EVKIT的DATA1/NDATA1輸入。使用與第4步相同的電纜。按照傳輸延時(shí)測量技術(shù)資料的規(guī)定,將MAX9979設(shè)置為規(guī)定的0V至3V信號,并將輸出端接至50Ω。本例中,50Ω負(fù)載為CSA8000輸入,從圖11獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示:
 
  • 當(dāng)前的輸出信號幅值為0V至1.5V,與預(yù)期情況一致,由于50Ω負(fù)載的存在而被除以2。
  • 上升和下降時(shí)間完全在MAX9979的技術(shù)指標(biāo)范圍內(nèi)。由此,我們可以確認(rèn)由干凈、有效的DATA1/NDATA1驅(qū)動產(chǎn)生完好、干凈、有效的輸出。
  • CSA8000保持與第5步相同的設(shè)置,觸發(fā)方式與第4步相同。我們可以看到過零點(diǎn)為33.77ns。
 
第6步:計(jì)算MAX9979的傳輸延時(shí)。
 
通過MAX9979EVKIT的總延時(shí)為:
 
 33.77ns - 29.56ns = 4.21ns
 
計(jì)算測量結(jié)果:
 
  • 減去0.695ns的DATA1 PCB引線延時(shí),所得延時(shí)為3.515ns。
  • 減去0.18ns的DUT1 PCB引線延時(shí),所得延時(shí)為3.335ns。
  • 減去CSA8000的2in電纜延時(shí),該延時(shí)為402ps,所得延時(shí)為2.933ns。
 
MAX9979技術(shù)指標(biāo)中,這種配置下的標(biāo)稱延時(shí)為2.9ns。這里,我們可以得到焊接了MAX9979的評估板的延時(shí)為2.933ns,非常接近于預(yù)期值。
 
總結(jié)
 
以上分析表明利用TDR測量傳輸延時(shí)具有以下優(yōu)勢:
 
  • 傳輸延時(shí)測量結(jié)果非常準(zhǔn)確。
  • 無需有源探頭(避免由此引入的誤差)。
  • 簡單技巧可用于絕大多數(shù)傳輸測量。
  • 阻抗測量保證正確的連接器和PCB引線阻抗。
  • 利用TDR信號能夠分析信號通路的附加電容和電感,必要時(shí)可作為重新設(shè)計(jì)的反饋信息。
  • 簡化模型和仿真工具確保獲得正確結(jié)果,并可驗(yàn)證測量配置。
  • 采用良好的測試方法測量關(guān)鍵指標(biāo)。
 
隨著信號速率的提高,時(shí)序測量的誤差和錯(cuò)誤會造成不正確的電路規(guī)劃、器件選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。高速測量中保持良好的方法能夠避免亡羊補(bǔ)牢造成的損失。本文著重強(qiáng)調(diào)了這些良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。
 
 
 
 
 
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