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

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肃范
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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 PCB, 这些 PCB 上的传输线负责把各种芯片连接在一起, 并进行互相通信图 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,

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 PCB, 这些 PCB 上的传输线负责把各种芯片连接在一起, 并进行互相通信图 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, 在信号传输过程中, 传输线就会等效成一个电阻, 大小为, 把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗信号在传输的过程中, 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 :

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 PCB

2 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 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 4.4), 信号传输速度相对较慢 ( 约为每英寸 185ps) 因为在 PCB 的里面, 所以不容易受干扰图 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

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,

3 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图 5 差分阻抗和奇模阻抗的计算公式如下 : 差分传输线的奇模阻抗和偶模阻抗

共模阻抗和偶模阻抗的计算公式如下 : 图 6 差分 / 共模结构的电磁场分布和模型 PCB

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

16ps) 图 7 86100D 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

4 共模阻抗和偶模阻抗的计算公式如下 : 图 6 差分 / 共模结构的电磁场分布和模型 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) 图 D 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

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

5 图 8 基于网络分析仪的 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 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-TDR N1021B 的典型指标是 : 带宽 >18GHz, 可变探针间距范围 0.5mm~2.54mm

6 图 10 N1021B 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 工作原理图图 11 时域反射计 TDR 工作原理 TDR 包括三部分组成 : 1) 快沿信号发生器 : 典型的发射信号的特征是 : 幅度 200mv, 上升时间 35ps, 频率 250KHz 方波 2) 采样示波器 : 通用的采样示波器 ; 3) 探头系统 : 连接被测件和 TDR 仪器 4) 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

7 图 12 TDR 测试信号在传输线上的运动特征图 13 TDR 计算被测件特征阻抗的计算公式

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图 15 从 TDR 曲线上的波动处可计算出寄生电容或电感基于网络分析仪的 ENA-TDR 测量原理网络分析仪 VNA 是测量被测件

8 图 14 TDR 曲线与被测传输线一一对应其中 ρ 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 TDR 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图 15 从 TDR 曲线上的波动处可计算出寄生电容或电感基于网络分析仪的 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 ( 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

9 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, 提高测量精度图 16 输入信号反射信号和传输信号示意图图 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性众所周知, 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

变换的卷积原理进行计算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, 因此我们可以快速计算出阶跃响应特性图 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测量频率的倒数和频率扫描间隔的倒数 ( 图 15) 例如,

10 变换的卷积原理进行计算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, 因此我们可以快速计算出阶跃响应特性图 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

11 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 0.4Ω 图 20 ENA-TDR 和 86100D TDR 的测量结果之间的相关性 TDR 测量仪器系统的校准许多因素影响着 TDR 测量的精度, 主要包括 :TDR 仪器的阶跃响应, 采样头性能, 探头与被测件连接的寄生参数, 电缆探头和被测件损耗, 多重反射和测量中使用的参考阻抗的精度等为此, 测试仪器系统需要经过校准才能保证测量的精度

图 21 TDR 仪器的误差源业界采用了许多校准方法来保证 TDR 测量的精度, 主要有 : 1: 偏置校准方法 ( 适用于基于采样示波器的 TDR) 2: 归一化校准方法 ( 适用于基于采样示波器的 TDR) 3: 电子校准件 SOLT 校准方法 ( 适用于基于网络分析仪的 ENA-TDR) 适用于基于采样示波器的 TDR 的偏置校准方法是在被测件的位置连接一个标准阻抗件,

12 图 21 TDR 仪器的误差源业界采用了许多校准方法来保证 TDR 测量的精度, 主要有 : 1: 偏置校准方法 ( 适用于基于采样示波器的 TDR) 2: 归一化校准方法 ( 适用于基于采样示波器的 TDR) 3: 电子校准件 SOLT 校准方法 ( 适用于基于网络分析仪的 ENA-TDR) 适用于基于采样示波器的 TDR 的偏置校准方法是在被测件的位置连接一个标准阻抗件, 测量标准阻抗件的阻抗, 测量结果与标准阻抗件的标称值比较, 得出的误差作为以后测试的系统误差, 实际的测量结果减去此误差得出的就是被测件的阻抗值标准参考阻抗件可以是空气线, 或精密的同轴电缆, 或精密电阻图 22 TDR 偏置校准方法适用于基于采样示波器的 TDR 的归一化校准方法的过程是先测量短路和 50 欧姆标准, 得出参考面的时间信息, 对于标准负载的连接线路和探头的频响信息, 以此作为校准表示波器实际测量的时域波形做 FFT, 计算频域响应, 计算的结果与标准 50 欧姆测量的结果进行归一化数学运算, 运算后的频域结果再转换成时域波形即可得出归一化后的结果整个处理过程如下图所示

图 23 归一化处理过程基于网络分析仪的 EAN-TDR 校准方法比较多, 按照精度和难易程度画图如下图所示其中精度最高, 使用最方便的是使用电子校准件进行全端口校准, 校准速度也是非常快,4 端口校准几秒即可完成所以选择和使用 ENA-TDR, 建议配备和使用电子校准件图 24 基于网络分析仪的 ENA-TDR 校准方法这些校准方法几乎都是校准到被测件的测试端口,

13 图 23 归一化处理过程基于网络分析仪的 EAN-TDR 校准方法比较多, 按照精度和难易程度画图如下图所示其中精度最高, 使用最方便的是使用电子校准件进行全端口校准, 校准速度也是非常快,4 端口校准几秒即可完成所以选择和使用 ENA-TDR, 建议配备和使用电子校准件图 24 基于网络分析仪的 ENA-TDR 校准方法这些校准方法几乎都是校准到被测件的测试端口, 对于传输线的损耗和因为阻抗不连续而引发的多重反射还是没有办法处理损耗自今无法方便的处理, 测试时尽量不要测试太长的线 ( 短于 0.5 米 ) 如果测试长线, 要两头分别测试, 读值以靠近测试端口的为准, 这样可以避开被测 PCB 传输线损耗带来的测试误差对于多重反射, 需要用仪器支持的软件算法进行处理如下图所示, 被测传输线阻抗不连续, 在每个不连续的位置都会引发反射, 反射的信号又因为阻抗不连续, 还会发生二次反射, 如此就会产生多重反射误差实际计算公式比较复杂, 在此暂不列出一般的基于采样

14 示波器的 TDR 不支持多种反射校准, 但是一旦增加了转换成 S 参数的选件, 里面都会支持多重反射的校准基于网络分析仪的 ENA-TDR 直接支持多重反射校准, 命名与基于采样示波器的 TDR 一样, 叫 Peeling 图 25 PCB 传输线因为阻抗不连续引发的多重发射 TDR 分辨率的概念 TDR 分辨率指的是 : 用 TDR 测试时, 能够分辨的最小距离如果测试长度较长结构较一致的传输线,TDR 的上升时间对测试结果影响较小特征阻抗与信号频率一般是没有关系的, 但是因为介电常数与频率有一定的关系, 所以有些被测件的测试结果会因为测试上升时间的不同而不同, 但差别是非常小的, 比如小于 0.5 欧姆, 埋没在测量不确定度之内如果测试距离较短或结构变化加大的传输线, 比如芯片封装连接器,TDR 上升时间对测量结果影响较大因为这个短距离的传输通道已经不能用分布参数的传输线模型来表征了, 需要使用集中参数的模型, 而集中参数的模型的阻抗与频率关系较大, 所以不同上升时间的 TDR 测试结果差别较大 TDR 能够分辨的传输线最小长度即是 TDR 分辨率, 与 TDR 上升时间关系较大因为 TDR 仪器采用脉冲快速边沿的反射法测试特征阻抗, 而这个边沿自身的上升时间在被测件上的电气长度是个模糊区域, 即 TDR 仪器没法分辨的区域, 这个区域就是 TDR 分辨率, 所不能够分辨的微小区域

$1 TDR 在典型介电常数材料上的分辨率介电常数\ Air ( ) Teflon ( ) FR4 ( ) Alumina ( ) GaAs ( )$

15 图 26 用 35ps 和 9ps 的 TDR 测试短距离传输线结果的不同 TDR 分辨率不仅仅与 TDR 上升时间有关系, 还与被测件介电常数 ε 有关系, 因为信号传输速度与介电常数有关系 TDR 分辨率的公式如下 : 基于这个公式, 计算和验证的各种材料传输线的 TDR 分辨率如下表所示表 1 TDR 在典型介电常数材料上的分辨率介电常数\ Air ( ) Teflon ( ) FR4 ( ) Alumina ( ) GaAs ( ) 上升时间 5.0ps 750um 518um 350um 240um 209um 10.0ps 1500um 1035um 699um 479um 418um

16 15.0ps 2250um 1553um 1049um 719um 626um 40.0ps 6000um 4140um 2798um 1917um 1671um 从表中可以看出, 对于常用的 FR4 板材, 典型的 40ps TDR 的分辨率是 :2.798mm 现在典型的 TDR 的上升时间是 35ps, 若要测试封装连接器等短距离传输线, 那么要达到小于 9ps 上升时间的方案是什么呢? 如下图所示即为一个典型方案图 27 小于 9ps TDR 测试方案这个方案需要用到 Picosecond Pulse Labs 的 4020 模块或 Agilent 的 N2806A 快沿信号发生器, 还需要用到 Agilent 的 DCA 主机,54754A TDR 模块, 和 75GHz 带宽的 86118A 采样头 54754A TDR 模块发出 TDR 脉冲激励 4020 或 N2806A,4020 或 N2806A 产生小于 9ps 的 TDR 脉冲,86118A 采集被测件反射的信号,DCA 里的公式计算结果, 得出最终的测试结果 DCA 支持归一化校准功能, 确保测试的精度 PCB 阻抗测量操作步骤下面分别介绍基于 86100D 的 TDR 和基于 E5071C 的 ENA-TDR 的操作步骤两类仪器的 TDR 测量操作都是非常简单的基于 86100D 的 TDR 操作步骤 1: 在软件界面里, 点击 TDR Setup 快捷图标可以看到 TDR/TDT 的设置界面 2: 在这个界面里, 在 Stimulus Mode 选框下可以选择单端 Single Ended, 共模 Common 或者差分 Differential 测量模式选择 Differential, 并将设置界面里的 Diff TDR 显示复选框选中, 即可显示差分时域反射的测量波形, 用以测量差分阻抗

图 28 86100D TDR 测试设置界面 3: 点击上图左下脚的 Calibration Wizard 校准向导, 开始校准处理点击 Next 开始下一步, 这一步会显示需要模块的垂直校准, 点击 Next 进行模块垂直校准, 点击 skip 会略去模块校准如果选择了模块校准, 会提示断开模块的所有连接, 保证没有电缆, 短路件或端接件连接在模块的前端通道接口上

17 图 D TDR 测试设置界面 3: 点击上图左下脚的 Calibration Wizard 校准向导, 开始校准处理点击 Next 开始下一步, 这一步会显示需要模块的垂直校准, 点击 Next 进行模块垂直校准, 点击 skip 会略去模块校准如果选择了模块校准, 会提示断开模块的所有连接, 保证没有电缆, 短路件或端接件连接在模块的前端通道接口上点击 Continue, 按照提示, 连接 50ohm 高精度负载 ( 或输入实际的 DC 电阻值 ) 到通道 1, 点击 Continue 对于通道 2, 同样会有此界面完成模块校准, 或者 skip 模块校准后, 连接上探头或测试电缆, 会出现如下的界面连接上被测件, 观察被测件的反射波形区域, 调整水平时基旋钮和延时旋钮, 使得被测件的全部都能够显示在屏幕当中

Horizontal 处的水平时基旋钮 ( 下图左侧所示 ) 和水平延时旋钮 ( 下图右侧图标所示 ), 使得屏幕范围内显示为被测件的区间或者点中鼠标左键拖动鼠标画一个框圈中感兴趣的测量区域, 即可放大这部分的波形, 如下图所示图 30 被测件显示区域 7: 在旋转这两个旋钮时, 在屏幕的下方会显示时基

18 图 29 校准中的时基调整 4: 卸掉夹具和被测件, 此时探头或 cable 连接接头作为参考面, 按照提示想到依次连接短路 /50ohm 端接件, 最后完成校准过程按照测量需求, 可以改变有效上升延时间 ( 在 TDR 设置界面的左中位置 ) 5: 关闭 TDR Setup 按 Auto Scale 按钮, 观察屏幕显示, 可以看到入射及反射情况, 将探头点测被测件之前可以看到全反射发生的位置 ( 即探头尖端断面位置 ), 将探头点测到被测件或者用测量电缆连接到被测件, 观察波形可以看到发生全反射的位置 ( 即被测件远离测试点一端的断面 ) 6: 在确定被测件的物理位置区间后, 旋转在仪器面板 Horizontal 处的水平时基旋钮 ( 下图左侧所示 ) 和水平延时旋钮 ( 下图右侧图标所示 ), 使得屏幕范围内显示为被测件的区间或者点中鼠标左键拖动鼠标画一个框圈中感兴趣的测量区域, 即可放大这部分的波形, 如下图所示图 30 被测件显示区域 7: 在旋转这两个旋钮时, 在屏幕的下方会显示时基 ( 每格代表的时间 ) 及延时信息按下仪器屏幕下方 Markers 下面的按钮, 在屏幕中出现光标, 旋转光标旋钮对应调整测量波形的位置, 在 TDR 测试模式下, 有两个光标可以使用在屏幕右下方会显示出光标与波形轨迹相交处的时刻值 X 及阻抗值 Y( 欧姆 ), 在按下 Marker Unit 按钮后可以把测量值的单位

基于 E5071C 的 ENA-TDR 的操作步骤 1:ENA-TDR 图形用户界面经过精心设计, 可以提供类似于传统 TDR 示波器的外观和感受, 甚至对于不熟悉矢量网络分析仪和 S

19 改为电压或反射百分比为确定阻抗不连续点 ( 波形中有突起或凹陷 ) 的位置, 以两个光标确定被测件的起点和不连续点的时刻差异, 可以根据其与到达被测件最后断面的时间差异的比例推算出来在被测件上发生阻抗不连续点的物理位置注意光标所测量的时间为反射回来到达仪器接收端的时刻, 所以在判断某位置距离入射点的延时时要将读数除以 2 基于 E5071C 的 ENA-TDR 的操作步骤 1:ENA-TDR 图形用户界面经过精心设计, 可以提供类似于传统 TDR 示波器的外观和感受, 甚至对于不熟悉矢量网络分析仪和 S 参数测量的用户, 也可以提供直观的操作步骤设置向导可以指导用户执行所有必要步骤, 从而直观无误地进行设置校准和测量图 31 ENA-TDR 界面 2: 选择 DUT 类型选择被测设备 (DUT) 的类型支持单端型 1 端口 2 端口和 4 端口, 以及差分 1 端口 2 端口类型

20 图 32 被测件类型选择 3: 执行误差校正根据以下提示执行误差校正提示各不相同, 其取决于第一步中所选择的误差校正方法图 33 夹具时间偏差校准图 34 用电子校准件 ECal 进行全端口校准 4: 测量 DUT 长度可自动测量 DUT 的长度, 并将其用于设置时基提示说明 : 测试不同长度的多个 DUT 时, 要用最长的 DUT 来测量 DUT 长度, 以便所有测量都可以使用相同的设置

阻抗时, 静电有 3 种来源 : 测试环境, 人体, 被测件一般需要配置专用的测试环境, 需要戴防静电手环, 以保证测试环境和人体进行充分的放电

21 图 35 被测件长度测量设置 5: 设置上升时间设置上升时间, 对低速边沿条件下表征预期的性能图 36 上升时间设置 6: 被测件测量系统已准备就绪, 可进行被测件特性表征所必需的全部测量, 用多个光标 Marker 可以读出各个点的阻抗值 TDR 测量仪器静电防护测试 PCB 阻抗时, 静电有 3 种来源 : 测试环境, 人体, 被测件一般需要配置专用的测试环境, 需要戴防静电手环, 以保证测试环境和人体进行充分的放电而对于被测件的放电, 要基于采用什么样的仪器分别考虑如果是基于采样示波器的 TDR, 需要仔细处理静电防护而如果是基于网络分析仪的 ENA-TDR, 则不需要过渡处理静

22 电防护由于内部结构的原因, 基于采样示波器的 TDR 很难在内部增加静电放电 (ESD) 保护电路, 因此容易受静电放电影响而损坏图 37 为基于采样示波器的 TDR 的方框简图为了最大程度地降低测试端口输入信号的损耗, 采样器直接连接到测试端口上阶跃信号发生器则采用了隧道二极管隧道二极管是一种低阻抗器件, 适合于与负载连接的环境如果在图 37 中 A 点位置插入保护电路, 保护电路的杂散电容和 A 点的阻抗将形成一个低通滤波器, 这会使阶跃激励信号产生失真, 导致测量出现误差图 37 基于采样示波器的 TDR 没法增加 ESD 保护电路而在网络分析仪中很容易使用 ESD 保护电路正弦波激励信号在测量时会扫过网络分析仪的整个测量频率范围, 测量结果从输入与输出信号的矢量比中得到因此, 即使保护电路会导致部分损耗, 使用矢量比也可以消除这些损耗, 从而确保测量精度不受影响可以采用两种方法用于保护基于采样示波器的 TDR 不容易受静电损坏其一是使用二极管限制器比如,N9355CK01 是一款二极管限制器, 用于保护敏感示波器通道不受电过载应力 (EOS) 和静电放电 (ESD) 的破坏电压超过 ±2V 时, 可以破坏采样示波器中使用的高性能采样器限幅器可大幅降低过载电压等损坏仪器敏感器件的可能性, 从而确保示波器能够长时间稳定运行 TDR 模块中步进发生器使用 0.2 V 的电压, 远低于 N9355CK01 限制器的二极管阀值如果信号电压不超出 -0.5V 至 +0.5V 的范围,N9355CK01 可用于保护 TDR 模块和其他类似模块的电通道

图 38 N9355CK01 二极管限制器用于 TDR 仪器的 ESD 保护第二种方法比较常用, 静电防护效果也比较好, 就是使用防静电部件或模块这中防静电部件或模块的内部结构如下图所示, 内部是一个开关, 通常情况下都是通过 50 欧姆与地接通当连接好被测件后, 在被测件上的静电都通过 50 欧姆放掉后, 人为的发一个控制信号, 让开关接通 TDR 模块, 进行正常的阻抗测量图 39

23 图 38 N9355CK01 二极管限制器用于 TDR 仪器的 ESD 保护第二种方法比较常用, 静电防护效果也比较好, 就是使用防静电部件或模块这中防静电部件或模块的内部结构如下图所示, 内部是一个开关, 通常情况下都是通过 50 欧姆与地接通当连接好被测件后, 在被测件上的静电都通过 50 欧姆放掉后, 人为的发一个控制信号, 让开关接通 TDR 模块, 进行正常的阻抗测量图 39 基于采样示波器的传统 TDR 的 ESD 保护方法针对 54754A 差分 TDR 模块, 如下是典型的防静电模块和部件下图是一个防静电模块, 这个防静电模块的内部包括两个开关, 支持差分测量正常时, 内部开关开合到 50 欧姆负载上测试时, 有一个用脚踩的开关控制器, 需要测试时, 脚踩一下, 即发了一个控制信号, 让开关接通 TDR 模块通道进行测量测试完成, 再脚踩一下, 即可让开关接通到 50 欧姆负载上

图 40 安捷伦提供的 ESD 保护模块下图是 TDR 防静电部件, 工作原理与防静电模块一样, 只是放置于仪器外部, 内部也是一对开关, 由外部脚踩开关控制器控制正常时, 开关连通 50 欧姆到地, 需要测试时, 用脚踩发一个控制信号让开关连通 TDR 模块进行正常测量, 测试完成后再用脚踩发一个控制信号让被测件与 TDR 模块断开图 41 Picosecond ATE 提供的 ESD

Agilent E5071C ENA Option TDR Enhanced Time Domain Analysis Technical Overview[G/DK]. Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[2011-12-05]. [2] 孙灯亮. 基于 TDR 规范的阻抗, 差分阻抗测试方法及应用 [G/DK].[2002-04].

24 图 40 安捷伦提供的 ESD 保护模块下图是 TDR 防静电部件, 工作原理与防静电模块一样, 只是放置于仪器外部, 内部也是一对开关, 由外部脚踩开关控制器控制正常时, 开关连通 50 欧姆到地, 需要测试时, 用脚踩发一个控制信号让开关连通 TDR 模块进行正常测量, 测试完成后再用脚踩发一个控制信号让被测件与 TDR 模块断开图 41 Picosecond ATE 提供的 ESD 保护模块 ( 安捷伦型号 83480AK02) 可见, 使用基于采样示波器的 TDR 在防静电处理方面比较复杂, 而基于网络分析仪的 ENA-TDR 则没有这样的问题, 所以现在越来越多的用户和使用者都使用基于网络分析仪的 ENA-TDR 进行 PCB, 电缆, 连接器等的阻抗测量参考文献 [1] Agilent Technologies,Inc. Agilent E5071C ENA Option TDR Enhanced Time Domain Analysis Technical Overview[G/DK]. Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[ ]. [2] 孙灯亮. 基于 TDR 规范的阻抗, 差分阻抗测试方法及应用 [G/DK].[ ]. [3] Agilent Technologies,Inc. Agilent N1021B 18GHz Differential TDR Probe Kit[G/DK]. Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[ ]. [4] Agilent Technologies,Inc.High-precision Time-domain Reflectometry with the Agilent 86100

25 Digital Communications Analyzer and Picosecond Pulse Labs 4020 Source Enhancement Module[G/DK].Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[ ]. [5] Agilent Technologies,Inc.Differential Impedance Measurement with Time Domain Reflectometry[G/DK]. Santa Clara:Agilent Technologies,Inc.[ ].

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Application Note Transient Voltage Suppressors (TVS) for 表 1 VISHAY 的 SM6T 系列的电特性 25 C 型号击穿电压器件标识码 V BR AT I T I T 测试电流 (ma) 关态电压 V RM 漏电流 I RM AT V VISHAY GE NERAL SEMICONDUCTOR 瞬态电压抑制器应用笔记用于汽车电子保护的瞬态电压抑制器 (TVS) Soo Man (Sweetman) Kim, Vishay I) TVS 的重要参数 TVS 功率等级 TVS Vishay TVS 10 μs/1000 μs (Bellcore 1089) 1 TVS ESD 8 μs/20 μs 2 1 10 µs 10 µs/1000