高精度TDR可调探头的研制及应用

许丽芬 蔡 林 王天生 欧志强

（广东正业科技股份有限公司，广东 东莞 523808）

1 前言

在数字化信息时代，作为电子设备中的各个电子元器件间相互连接的载体PCB的线路，已不只是作为电流流通传输线，而是要作为信号传输线的作用。这就要求，对于高频信号和高速数字信号的PCB线路的电气测试，不仅要测试线路的通、断和短路，而且还要测量信号传输时要求的阻抗值是否满足规定要求，才能判定该线路板是否合格。

作为信号传输的阻抗线路，在传统的PCB生产工艺和测量方法里，PCB生产商一般都是根据电子设计工程师提供的阻抗设计要求，在PCB板周边制作相应的阻抗参考线，用传统的测量方法来测试阻抗参考线路判定该阻抗值是否满足要求。此时测量阻抗参考线的阻抗值，只是一个参考值，并不能完全真实的反应实际阻抗线路的阻抗值，在信号传输质量要求高的阻抗线路里，这就影响到信号的传输，由此可见传统的参考阻抗线路制作方式及测量方法已不能满足要求。由以上原因可知，越来越多的PCB厂家的客户要求提供板内真实阻抗线路的阻抗值将成为趋势。

2 阻抗匹配原则

引发高频、高速数字信号完整性问题的信号质量和延时，主要由线路互连、电源和器件所引起。信号在PCB传输线传输时是一个瞬态的过程，每一个瞬间信号所在位置不同，其感受到的“环境”有可能不同，因此PCB传输线局部环境变化时，即阻抗变化时，会影响到信号的行为，并最后反映到信号波形中，这就要求PCB传输线的各个连接点阻抗必须匹配，并且要与信号发送器激励源阻抗及负载阻抗相匹配，这就是阻抗匹配原则。

特性阻抗是指PCB传输线作为信号传输线时同时存在分布电容和分布电感，信号在向前传输的过程中，如果传输线是均匀的，信号不论传输到哪个位置所感受到得阻抗都一样，就可以用一个阻抗值表示整条传输线的阻抗值，即特性阻抗。特性阻抗公式如下：

Z0表示阻抗值，L表示单位长度的电感值，C表示单位长度的电容值。

在PCB信号传输线里，由于各种原因，即使是单一的信号传输线，传输线也不可能完全均匀，沿传输线各点瞬态阻抗是变化的。只要这种变化小，就可以用特性阻抗近似表示整体阻抗，即理想信号传输线。也可以说是PCB传输线阻抗绝对匹配。图1是理想状态下信号传输线的瞬态阻抗集总参数模型。

3 阻抗设计的重要意义

阻抗设计的重要意义就是保证信号完整性，而信号完整性主要依赖于传输线的阻抗匹配。在现实生产的阻抗线路中，特性阻抗并不是单一的，还有差分阻抗等，其影响的因素有：

（1）介电常数，与阻抗值成反比 （Dk值越高，Z0值越低）；

（2）线路层与地线层间介质层的厚度，与阻抗值成正比，参考层间介质层厚度（介质层越厚，Z0值越高）；

（3）线宽，与阻抗成反比（线宽值越小，Z0值越高）；

（4）铜厚，与阻抗值成反比（铜越厚，Z0值越低）；

（5）差分阻抗相邻线路与线路之间的间距，与阻抗值成正比（间距越小，Z0值越低）；

（6）线路层与线路层间介质层厚度，与阻抗值成反比；

（7）阻焊厚度，与阻抗值成反比（阻焊越厚，Z0值越低）。

又由于在实际的PCB信号传输线都有损耗，信号在有损耗的传输线上传输，并不是所有的能量都能传输到接收端，因此就出现信号延时，影响信号延时的传输线损耗因素有：

①阻性损耗；

②介质损耗；

③耦合损耗到临近线；

④阻抗不连续；

⑤对外辐射。

因此由以上影响因素可知，阻抗设计的重要意义在于综合考虑影响因素，保证PCB信号传输线阻抗匹配，从而保证信号完成性。以图2为常见的实际PCB信号传输线设计及生产的阻抗板。

图2（A）图形是减少阻抗不连续，避免线路走线设计为直角；图2（B）图形是根据时序要求，差分信号线设计为等长，因此线路走线设计为蛇线形。

4 高精度TDR可调探头的研制

4.1 研制高精度TDR可调探头的意义

研制高精度TDR（时域反射）可调探头的意义从以下几点分析可知：

真实PCB信号线路类型：根据高频、高数字信号在PCB信号线上传输要求的信号完整性推出的阻抗匹配原则，又由阻抗匹配原则得知阻抗设计的意义，可知阻抗线路的类型多样性，如图2所示。

传统的测量方法：由于受到当时TDR测试系统及测量工具的影响，难以实现对PCB内部真实信号传输线进行TDR阻抗测量，一般的PCB生产商都会在PCB板边或中间加上具有测试点的测试条，称为阻抗参考线。典型的PCB阻抗参考线，为方便测试探针的连接，测试点的间距通常达2.54 mm（0.1 inch）或更大。如图3阻抗参考线。

PCB信号线路板制作的阻抗参考线和真实阻抗线区别：

（1）参考线测试点的间距一般固定为2.54 mm、3.54 mm、5.08 mm，而板内真实阻抗线的端接间距不同的，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现，芯片接脚间距远小于双列直插式IC封装间距（如2.54 mm）。

（2）参考线线路是理想的直线，而板内真实阻抗线路一般是不规则的。PCB设计人员和生产人员很容易将参考线的线路理想化，但PCB上的真实阻抗线路则会因为各种因素导致线路不规则。

（3）参考线线路与板内真实阻抗线路在整个PCB上的位置不同。参考线线路都位于电路板边缘,在PCB出厂时会被生产商去掉。而板内真实走线的位置则相当多样，分布无规律。

（4）参考线线路一般都是唯一，而板内真实阻抗线路由于PCB板布线空间的影响，周围会存在其他线路，比如信号线、地线、电源线、过孔等。

（5）由以上4项可知：导致参考线的阻抗与板内真实阻抗线的阻抗存在如下差异。第一是参考线测试点间距与参考线线路的间距不同，导致测试点与线路之间的阻抗不连续。而PCB板内的真实阻抗线末端间距与走线间距相等或非常相近，因此会导致阻抗测试结果存在差异。第二是不规则的线路与理想线路反映的阻抗变化不一致。在线路转弯处（如蛇线形）的阻抗如果没有控制好绕线参数会导致阻抗不连续,而参考线是理想化线路则不能反映由于线路弯曲所带来的阻抗不连续现象。第三是参考线与真实阻抗线在PCB板上所处的位置不同，PCB采用多层走线设计时，在生产时需经过压制，如果是FPC板，FPC一般都是双面板，板子比较薄，贴覆盖膜时，目前大多数FPC生产厂家多采用人工粘贴，因此不论是PCB压制或FPC人工粘覆盖膜，电路板上的不同位置所受到的压力也不可能完全一致，这样就导致PCB不同位置上的介电常数不同或者FPC覆盖膜粘贴不均匀，都会导致阻抗值不同。最后是其它线路的干扰引起的阻抗不一致。由于真实阻抗线路周围有其他线路的存在，其会受到其他线路的干扰，而参考线线路所处环境较单一，其自身没有其他线路的干扰，因此参考线路不能真实反应板内阻抗值的变化。图4列举阻抗参考线和真实的阻抗线区别，表1是实测阻抗参考线和真实的阻抗线阻抗值。

由此可见，仅对PCB的参考线进行TDR阻抗测试并不能真实反应PCB线路阻抗。无论是PCB生产商、高频电路设计人员或制造者，都希望能对PCB板内的真实信号线路直接进行TDR阻抗测试，以获得准确的阻抗信息。因此研制高精度TDR可调探头，解决PCB生产商、高频电路设计人员或制造者测试PCB板内真实线路阻抗的问题就显得十分必要了。

表1 实测阻抗参考线和真实的阻抗线阻抗值

4.2 高精度TDR可调探头设计原理

高精度TDR可调探头制作原理分为两部分，机械设计原理和电子设计原理。

4.3 高精度TDR可调探头机械设计原理

高精度TDR可调探头的机械设计原理是通过改变探头中两根测试探棒间的距离，使测试探针间距与被测阻抗线路测试点距离相匹配达到准确测试。两根测试探棒间距离的改变是通过两根探棒分别固定在两块滑块上，两块滑块中间穿插一个可旋转滚轮，通过旋转滚轮达到移到探棒的效果。

4.4 高精度TDR可调探头电子设计原理

高精度TDR可调探头电子设计原理从TDR阻抗测量方法，可调探头自身阻抗与TDR测试系统阻抗匹配度及差分可调探头参考地线处理方法可知。

4.4.1 TDR阻抗测量方法

TDR阻抗测量方法是通过信号反射得到线路中阻抗变化。其测量方法是TDR测试仪输出阻抗50 W，通过50 W测试电缆连接到被测目标线路。仪器输出高频率的阶跃信号，如果被测目标线路有阻抗变化，将会发生信号反射，TDR根据反射量的大小就能计算出阻抗变化。其测量方法如图5。

图5 TDR阻抗测量方法

依据反射公式，反射系数为ρ，入射信号为Vin，反射信号为Vr，被测线路入口处测得的信号为Vmeas，因此就有如公式（1）。

4.4.2 可调探头自身阻抗与TDR测试系统阻抗匹配度

由TDR阻抗测量方法得出的被测件阻抗计算公式可知，制作可调探头时，其组成部件测试探棒和探针，可通过探棒连接器与50 W电缆线连接，以探棒连接器为信号入口点测得探棒和探针的阻抗值。由于TDR可调探头是TDR阻抗测试仪测试PCB信号阻抗线的连接体，当测试件来看待而不是被测件，就要求其自身阻抗必需与TDR测试系统的阻抗相匹配。作为TDR可调探头关键部件的测试探棒和探针，两者的材料和制作工艺尤为重要。测试探棒和探针的材料选的是与TDR测试仪校准标准件一样的空气棒，其阻抗精度高，达到（50±1%）W；测试探棒和探针制作工艺是两者为一体，以测试探棒的金属心通过加工制成探针，减少测试探棒与探针因焊接引起的阻抗不连续，因此其阻抗匹配好，精度高。表2列举TDR差分可调探头和传统差分固定探头各项性能。

4.4.3 TDR差分可调探头参考地线处理方法

对于特性阻抗，由于信号电流主要从信号线流向参考地线，构成电流回路，其阻抗测试必须有两个测试点，即信号和参考地测试点，因此单线探头只要处理好信号探棒和参考地探棒相互移动距离即可。

但对于差分阻抗，信号使用两条阻抗传输线传输信号，差分驱动器和接收器均有两个信号传输端口同时传接信号，因此真实的PCB差分阻抗设计只有两个信号端口。在理想状态下差分驱动器的输送的两个信号边沿对齐，极性相反的阶跃信号，沿着各自的传输线，到达接收器；如果不考虑两个信号之间的特殊关系，对其中的任意一个信号和单线信号没有区别。由于高精度TDR差分可调探头信号探棒选择的是阻抗值精度极高的标准件制作，其两根测试探棒分别从两根50Ω电缆线接收的信号沿各自单线传输到探针末端，其两根信号测试探棒的信号电流回路如图6所示。

表2 TDR差分可调探头和传统差分固定探头各项性能

图6 TDR差分可调探头两根信号测试探棒电流回路

就像上面所阐述的，真实的PCB差分阻抗线路设计只有两个信号端口，两个差分信号电压方向相反，因而对应的电流方向相反，对于PCB差分信号来讲就构成一个虚拟回路，其电流回路如图7所示。

由图6、图7所示可知，差分可调探头信号测试探棒电流回路和被测件PCB差分信号电流回路不同，因此为了测试PCB差分信号线阻抗，必须在TDR差分可调探头的两根信号测试探棒末端的参考地端接，平衡两根信号线参考地线电流，实现与真实PCB差分信号线虚拟接地一致。如图8高精度TDR差分可调探头参考地线端接设计原理图及实物图。

5 测试数据分析

测试数据分析主要通过高精度TDR可调探头与固定探头做测试数据及波形对比、做MSA测试验证及与国外同类型的可调探头做测试对比，分析其性能。

5.1 高精度TDR可调探头与固定探头做测试数据及波形对比

高精度TDR可调探头与固定探头做测试数据对比：

验证方法：随机抽取10根不同的差分参考阻抗线，用高精度TDR差分可调探头与差分固定探头做测试对比。具体测试数据如表3。

高精度TDR可调探头与固定探头做测试波形对比：

验证方法：随机抽取1根长度等于7 cm的差分参考阻抗线，用高精度TDR差分可调探头与差分固定探头做测试对比。具体测试波形如图9。

由测试数据绘制的曲线图可知，高精度TDR差分可调探头测试的数据与差分固定探头测试的基本一致，最大偏差为0.5 W，偏差率为0.25%。又由测试波形可知，高精度TDR差分可调探头测试较短阻抗线路的波形比差分固定探头测试的较平滑。由此可见，高精度TDR差分可调探头能满足测试要求。

5.2 MSA测试验证

MSA（测试系统分析）测试验证主要以高精度TDR差分可调探头为测量工具进行实施。

5.2.1 高精度TDR差分可调探头的重复性和再现性数据分析

验证方法：任意抽取10条真实差分信号线路，阻抗从90 W ～ 100 W，测量要求范围为±10%，对每条真实差分信号线路从1至10标记不同的序号；让测量人A以通常方法随机对这10条真实差分信号线路进行1次测量，测量时要求测量人不能看到真实差分信号线路的序号，每测完一条真实差分信号线路后可以查看线路上的序号，并将测量数据填入到MSA GR&R分析表中；让测量人B和测量人C重复测量人A的步骤；让测量人A、B、C对所有的真实差分信号线路循环测量3次，将测量数据填入到高精度TDR差分可调探头重复性和再现性数据表。

由以上测试数据分析可知，设备变差占3.3%，测量人变差占1.5%，重复性和再现性（GRR）变差占3.6%，零件变差将近99.9%，说明零件变差是测量系统的变差主要来源，测量人员和测量工具的变差小，说明高精度TDR差分可调探头操作简单，测量数值接近真值。且该测量系统的有效分辨率级数ndc=38.631，大于5，表示该测量工具有足够的分辨力，能够探测过程变差。

5.2.2 高精度TDR差分可调探头的稳定性分析

验证方法：任意抽取两根不同类型的阻抗线路，FPC差分信号阻抗线路和阻抗参考线各一条，让同一个测量人每天对每个样品以通常方法进行5次测量，连续18天对数据进行采集；将测量的数据输入到稳定性分析表中。

由测量数据分析可知，所有的X均值控制和R极差控制都在控制限内，说明测量工具的重复性是稳定的，且测量一致性高。

5.2.3 高精度TDR差分可调探头的偏倚性分析

验证方法：任取一根差分信号阻抗线为标准样品，对该阻抗线测量10次，取其均值作为基准值；让一个测量人以通常方法对该差分阻抗线测量15次；将测量的数据输入到偏倚分析表中。

由测量数据分析可知，该测量工具的偏倚性是在置信水平为95%的条件下进行分析的，数据结果表明偏倚=0值落在置信区间（-0.0101，0.1061）内，说明偏倚可接受，表示测量工具测量准确度高。

5.3 高精度TDR可调探头与国外同类型的可调探头测试对比

验证方法：任意抽取10条不同类型的阻抗线路（单线50Ω和差分100），在客户的协同下，将高精度TDR可调探头与国外同类型的可调探头进行了一次对比测试，测试数据对比如表7。

由测试数据对比可知，绘出两款不同TDR可调探头对不同阻抗线路的测试曲线，从中可以看2条曲线大致重合，偏差小，不超过1.5%，最大偏差值小于1.5 W。从上述实验中可以得出，此款高精度TDR可调探头与国外的水平比较接近，在数据测量准确度上与国际品牌大致一致。

6 总结

综上所述，高精度TDR可调探头能够满足PCB电路真实阻抗线路的测量要求。只要你有TDR测试系统，且该系统能够满足平衡差分信号参考地线电流的，均能使用该款探头。目前该款TDR可调探头已有在国内多家PCB厂家使用。

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[3]Russel Jacobson, Stephen Walsh, DanReid.MSA标准手册第三版[J]. 测量技术, 2002,69-108.