摘要：本文从信号传输完整性角度出发，阐述了特征阻抗在传输线中的重要意义，并在此基础上介绍了时域反射技术在阻抗测试中的基本原理。同时将国内首次研发的ASIDA TDR阻抗测量仪与国外的特征阻抗测试仪进行了比较，分析性能特征。
关键字：信号完整性、特征阻抗、时域反射技术、TDR阻抗测量仪
1.绪论
1.1前言
随着小型、高频、多功能电子产品的快速发展，特征阻抗作为传输线的重要标志一直是PCB行业关注的对象。当信号在传输线上传播时，信号感受到的瞬态阻抗值一旦发生变化，就会对信号的完整性造成巨大影响。因此，用于高频信号传输的PCB线路板，不仅要测量线路的“通”、“断”和“短路”是否符合要求，而且还应对PCB信号传输线的特征阻抗进行测试和控制，保证传输信号的完整性。
在高速电路设计中，信号从驱动源输出，在许多特征阻抗值不同的线路上传输，如果信号感受的阻抗保持不变或变化在接受范围内，那么信号的质量就保持完整；然而，一旦传输过程中的阻抗值发生突变，信号立即会发生失真，影响终端接受数据的正确性。因此,对线路板特征阻抗值进行检测已经是PCB设计和制造行业发展的一个必然趋势。
1.2 国内外TDR技术的发展
目前，对于阻抗的测量，时域反射技术是国内外公认控制特性阻抗测试较好的方法。该方法允许阻抗随信号通道的测试长度的变化而改变，以反射电压的形式表示出阻抗的变化，它不仅可以计算信号通道上的特征阻抗，而且可以对特征阻抗突变位置进行xx定位。
TDR时域反射技术早在60年代就已经提出，经过长期大量的研究，在国外产出了大量基于TDR的特征阻抗测试仪，其中具有代表性的有英国Polar公司生产的CITS 500特征阻抗测试仪，美国Tektronix公司生产的TDS 8000特征阻抗测试仪和美国Agilent公司生产的TDR 2000 ATE特征阻抗测试仪。这些仪器在近几年内垄断了国内PCB阻抗检测领域，经过多年不懈的努力，正业科技协同电子科技大学强强联手，组织科研团队成功研发了基于时域反射技术的ASIDA TDR阻抗测量仪，率先打破了这种垄断格局，在PCB阻抗检测领域中得到了顾客的一致好评。
2.TDR原理
2.1特征阻抗
特征阻抗也称为特性阻抗，它是在甚高频、超高频范围内的概念，它不是直流电阻，属于长线传输中的概念。
当信号在传输线上传播时，把它走得每一步所受到的阻抗称为瞬态阻抗，瞬态阻抗的值等于线上所加的电压和电流之比，瞬态阻抗的求法可以用零阶模型（图1）来定量分析。
图1 零阶模型图
从上图零阶模型中，假设相邻电容的步长为Δx，每小段距离的电容大小就是单位长度的电容量CL与步长Δx的乘积，即C=CL*ΔX。假设每个步长Δx非常小，时间间隔Δt非常短，Δt等于步长Δx除以信号的传输速度v，即Δt=Δx/v；电容的电荷量Q等于电容乘以两端电压V ，即Q=C*V，则信号线上传输的瞬态电流I为
瞬态阻抗Z就等于施加的电压与瞬态电流的比值，表达式为
式中瞬态阻抗Z的单位为Ω，单位长度电容量CL单位为pF/in，速度v表示材料中的光速，εr表示材料的介电常数。从上式中可以看出，信号受到的瞬态阻抗仅由传输线的两个固有参数决定，即由传输线的横截面和材料的特性共同决定，与传输线的长度无关，只要这两个参数保持不变，信号受到的瞬态阻抗就是一个常数。
对于均匀的传输线，在上面传输的信号在任何一处受到的瞬态阻抗都是相同的，把这种反映传输线特性的恒定瞬态阻抗称为“特征阻抗”，它是描述传输线的电气特性和信号与传输线相互作用关系的一个重要参数。特征阻抗在数值上与瞬态阻抗相等，它是传输线的固有属性，仅与材料特性、介电常数和单位长度电容量有关，而与传输线的长度无关。如果传输线的宽度是变化的，那么整条导线就没有特征阻抗；如果传输线的几何结构和材料特性保持不变，那么传输线的特征阻抗就是恒定的，这时仅用特征阻抗这一项就可以xx描述传输线的特性了，这为PCB线路检测提供了依据。
2.2 影响特征阻抗的因素
在高频信号PCB板生产制造过程中，影响阻抗大小的主要因素有：导线宽度，线路厚度、跌层板高度和材料的介电常数，各因素与阻抗间的关系如下：
a.阻抗值与线路宽度成反比： Z0 ∝ 1/W
b.阻抗值与线路厚度成反比： Z0 ∝ 1/T
c.阻抗值与叠层板高度成正比：Z0 ∝ H
d.阻抗值与材料介电常数的平方根成正比：Z0 ∝ sqrt(ɛr)
如线宽对阻抗的影响，见图2
图2 线宽对特性阻抗的影响
从上图可以看出线路在B点和C点的宽度增加，相应的阻抗值减少，在A点和D点宽度一致，阻抗值也保持一致。因此，通过对传输线阻抗值的检测为PCB线路的生产工艺提供分析依据。
2.3 时域反射技术
信号在传输过程中，如果传输路径的特征阻抗值发生变化，信号就会在阻抗不连续点就会发生反射。
设某条传输线存在某区域阻抗值不匹配，当信号到达瞬态阻抗不同的两个区域交界面时，假设没有反射，则信号在交界面两侧的电压和电流是相同的，关系如下：
V1=V2 I1=I2
两侧阻抗值为：
Z1=V1/I1 Z2=V2/I2
从上面分析得出，在交界面处的瞬态阻抗值相等，与已知矛盾，所以上面假设不成立，即在交界面处必然存在一个反射电压，如图3。
图3 信号反射交界面
从上图可知，初始信号Vin传播到到阻抗不同的两个区域的交界面时，分别产生了一个往源端方向传播的反射电压Vref和一个穿越界面继续往前传播的透射电压Vtran，根据信号的传播特性，交界面两侧的电压关系为：
Vtran = Vin + Vref
对于交界面两侧的电流，根据电流在传输线上的连续性，可以假设入射电流Iin流动方向是向前的，那么反射电流Iref 是向后流动的，透射电流Itran 是继续往前传播的，所以交界面两处的电流关系式为：
Itran= Iin - Iref
联系瞬态阻抗公式可以得出：
Vtran / Z2= Vin / Z1- Vref/ Z2
最终推论得出：
Vref / Vin=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)=ρ
Vtran / Vin=2*Z2/(Z2+Z1)=t
把上式的ρ称为反射系数，t 称为传输系数。从上可知，反射信号量是由瞬态阻抗的变化量来决定，两个区域的瞬态阻抗差异越大，反射的信号量就越大。
从上述分析可得信号在不均匀的传输线上传输过程中，一部分将从不连续的阻抗处返回到源端，当反射信号到达源端时，如果源端阻抗与传输线不相等，则信号将再次发生反射；同样另一部分继续传输的信号在遇到阻抗不均匀点时同样继续发生反射。因此，信号在阻抗不均匀的传输线上会不断发射，随着时间的推移，信号反射最终达到一种稳定状态，通过测量信号从发射点到反射点再回到发射点的时间差就能定位阻抗变化位置，这就是时域反射技术。
例如传输线的末端是开路，源电压是1V，内阻是10Ω，传输线的时延时间为1ns,特性阻抗是50Ω，则进入传输线传播的初始电压是1V*50/（10+50）=0.84V。信号传播经过时间1ns后，到达线末端，遇到开路形成无穷大的阻抗，产生0.84V的反射电压，此时，在线末端测得的电压为0.84V+0.84V=1.68V。再经过时间1ns，0.84V的反射电压到达源端，又一次遇到了阻抗突变，此时，源端的反射系数是（10-50）/（10+50）=-0.67，这时会有0.84V*（-0.67）=-0.56V电压反射回末端。当然，这个新的反射电压又会从末端反射回源端，即-0.56V电压将被反射回来，此-0.56V的反射电压到达信号源端仍然会发生反射，反射电压是+0.37V。这种过程将不断进行，可以用图4来表示。
图4 信号反射模型
2.4 TDR内部结构与测试原理
TDR阻抗测量仪的内部电压源是一个高速脉冲发生器，它产生快速上升的电压脉冲，紧接电压源的是一个50Ω的xx内阻，然后紧靠该电阻的是实际测试点，高速采样示波器测的就是该点的电压值，见图5。与该点相连的是一根50Ω同轴电缆，它把信号连接到与被测件DUT相连接的接头上。整个过程就是信号从脉冲源出发，进入被测件，然后利用高速采样示波器测得内部测试点的总电压，并显示在屏幕上，此总电压是原始电压和反射电压的叠加。
图5 TDR测量仪内部框图
TDR的阻抗测试方法是基于传输线的反射原理而实现的，假设信号电压为400mV,在阶跃信号产生之前，测试点的测量电压是0V，进入测试点后，经过电源内阻和传输线的分压测得电压为400mV*50/(50+50)=200mV的入射电压,然后200mV的电压继续沿着传输线传输到DUT。如果DUT是一个50Ω的终端，根据传输线反射原理，信号不发生反射，因此200mV的信号幅度保持不变；如果DUT为开路，同样根据传输线反射原理，DUT处得到200mv*(∽-50)/(∽+50)=200mV的反射电压，这个反射电压经过传输线返回到测试点，此时200mV的入射电压与200mV的反射电压进行叠加，即总电压值为400mV；如果DUT是短路，同理，DUT得到的是200mv*(0-50)/(0+50)=-200mV，然后200mV的入射电压与-200mV的反射电压进行叠加，即总电压值为0V。TDR最终测量的波形如图6所示。
图6 DUT开短路时TDR的响应
在一般的情况下，如果信号在传输的路径上遇到瞬态阻抗发生改变，那么新的反射电压就会发生，这个新的反射电压会返回到测试点处，叠加到原来的信号幅度上，并可以通过示波器上显示出来。在实际应用中，入射阶跃脉冲幅度是已知的，只要知道反射脉冲的幅度，便知道了反射系数ρ；对于一个已知系统，信号传输线路特征阻抗值Z0是已知的，求出了反射系数便可以通过以下公式计算出瞬态阻抗Z。
根据反射信号和入射阶跃信号的时间关系以及它们两者幅度的大小关系，就可以确定出DUT的输入阻抗或不连续的类型和大小。至于阻抗变化位置可以通过测量信号从发射点到反射点再回到反射点得时间差来计算，公式如下：
其中L为阻抗变化位置，V为信号在介质中的传输速度，T为发射信号到反射信号再到出发点的时间，C为光速，Ɛr 为介电常数。
3. ASIDA TDR阻抗测试仪简介
3.1 ASIDA TDR阻抗测试仪技术指标
ASIDA TDR特性阻抗测试仪是采用上述时域反射技术设计的阻抗测试系统，是国内第一家自主研发的阻抗测试仪，它通过高精度、高速数据采集电路和配套的算法将反射电压的变化转换成实际线路阻抗的变化，能够自动、快速、准确测试出PCB迹线的特性阻抗值，并能及时的提供测试波形分析、统计数据分析、自动记录测试数据和出具检测报告等功能。适用于PCB电路板制造厂商的研发、设计、生产和品质管理，为高频线路板提供了一套快速、准确和经济的解决方法。该测量仪器的主要技术指标如下：
ASIDA TDR特性阻抗测试仪体积小、结构紧凑，目前支持双通道，可进行2个单端阻抗和1个差分阻抗的测试。在单端阻抗测试中，以50Ω的空气棒为标准，允许阻抗测量误差在±1%内，平均一次测量时间为0.7s；在差分测试中，以100Ω的差分空气棒为标准，允许阻抗测量误差在±2%内，平均一次测量时间为1.5s。在高速线路板中，越来越多的信号传输是通过差分线路实现的，它不仅能够进行共模抑制，而且抗干扰能力强，能有效的提高信号完整性。而差分线路最主要的电气特性表现为差分阻抗，因此，对差分线路进行阻抗测试分析是信号完整性的必要保障，同时，该TDR测量仪能对差分传输线的奇模阻抗和偶模阻抗进行测量分析。
3.2 ASIDA TDR阻抗测试仪性能
TDR测试原理虽然简单，但对于要得到一个xx的TDR响应，其精度取决于测量设备和测量系统。测量设备包括高速脉冲发生器、高速采样示波器和信号控制板，测试系统包括测量的所有部件，如电缆、探针以及被测件的类型。大多数情况下，测试系统是最重要的影响因素，如接口传输损失、电缆损失、操作流程等，因此，需要对TDR阻抗测试系统的性能进行分析。
ASIDA TDR阻抗仪具有一套完善的校准系统，它能够正确xx测试夹具或线缆导致的系统误差。该TDR阻抗仪采用标准空气棒通过TDR内部响应分别对单端阻抗和差分阻抗进行系统校准，从而xx系统误差以提供xx的测试结果，使校准后的线路阻抗轨迹的波形更加清晰。图7是TDR阻抗仪校准后对50Ω的空气棒测试所得波形，从TDR阻抗测试波形可以看出阻抗偏差的轨迹，显示了阻抗测试值和突变位置，为信号传输提供质量保障。
图7 阻抗测试波形
ASIDA TDR阻抗仪分辨率高，可真实反应线路阻抗变化，达到阻抗测试要求。在TDR阻抗测试系统中，分辨率起着至关重要的作用，它是由系统上升时间和阶跃偏差共同决定的。分辨率不足，那么在间隔很小或间隔紧密的不连续点可能会平滑地转化成波形中的一个畸变，这会隐藏线路阻抗某些不连续点，而且可能会导致阻抗读数不xx，那么就不能够反映线路阻抗真实变化情况。用空气棒作为标准，通过MSA对ASIDA TDR阻抗仪进行系统分析，得出该测量系统的有效分辨率级数ndc=220,远大于标准要求值5，说明该TDR阻抗测量系统有足够的分辨力，它能够探测被测件的过程变差，能对线路阻抗和信号的完整性分析提供可靠依据。
ASIDA TDR阻抗仪重复性能高，它体现在不同时间对同一部件进行测量产生结果的重复性。通过试验用同一空气棒在不同的时间间隔对其进行1000次测量，测量数据的重复性偏差在1%范围内。在TDR阻抗测量仪中，影响重复性的主要因素包括以下几点：
·探头和夹具的稳定性
·电缆线的质量
·系统测量程序
·仪器使用和校准情况
通过重复性分析，体现了TDR阻抗仪器的设备变差小，测量准确度高，满足阻抗测试要求。
3.3 ASIDA TDR阻抗测试仪与国外同类产品的比较
目前，ASIDA TDR阻抗仪在国内中小型公司的PCB线路阻抗检测中得到了广泛的应用，获得客户一致好评。在客户的协同下，将ASIDA TDR阻抗仪与国际品牌的TDR阻抗测试仪进行了一次比较试验，在随机选取15块线路板，在不同的TDR阻抗测试仪上进行测量，测试数据如下：
通过数据，绘出3台TDR阻抗仪对不同线路板的测试曲线，见图8。从中可以看3条曲线大致重合，偏差小，不超过1%,xx偏差值小于4Ω。从上述实验中可以得出，ASIDA TDR阻抗仪与国外的水平在不断的接近，在数据测量准确度上与国际品牌不相上下。
图8 ASIDA TDR阻抗仪与国际品牌阻抗仪测试数据对比
4.总结
综上，采用时域反射技术设计的ASIDA TDR特性阻抗测试仪已成功突破了国内界限，在阻抗检测方面准确度高、重复稳定性好、系统变差小等，为高频线路板阻抗分析提供了一套标准的测试方法。目前，该TDR阻抗测试仪已在国内开辟了市场，与国际同类型的TDR阻抗仪相比形成了一款具有价值竞争力的产品。接下来，ASIDA TDR阻抗测试仪重点将在性能的进一步提升和多通道同步测试功能的拓展。