半导体自动测试系统时域反射研究

王娜

早在60年代就产生了时域反射计TDR（Time-Domain Reflectometry）技术。该技术是用来检测沿传输线传播的时间阶跃电压。它用示波器检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗。TDR是多个英文单词的缩写，包括：Time-Domain Reflectometry-时域反射技术，它是一种对反射波进行分析的遥控测量技术，在遥控位置掌握被测量物件的状况。70年代了解到作为频率函数的网络反射系数的傅里叶变换就是作为时间函数的反射系数。可用网络分析仪在频域测量的数据计算和显示网络作为时间函数的网络阶跃和激冲响应。使在反射和传输中传统TDR能力增加了在频带有限网络进行测量的潜力。在反射模式中网络分析仪测量作为频率函数的反射系数。可把该反射系数看成是入射电压和反射电压的传递函数。反变换将反射系数转换为时间函数（激冲响应）。可用该反射系数与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。在传输模式中。网络分析仪测量作为频率函数的二端口器件的传递函数。反变换将该传递函数转换为二端口器件的激冲响应。用该激冲响应与输入阶跃或脉冲的卷积计算阶跃和激冲响应。TDR时域反射技术是测量传输线特性阻抗的主要工具。TDR主要由三部分构成：快沿信号发生器，采样示波器和探头系统。在最终测试生产区域，产品测试包括测试主机（Main Frame）和被测样品。这两部分是由测试接口相连。这个测试接口通常包括测试板，数据线，芯片接口底座，弹簧针等等。 通常测试主机是工作正常的， 那这个测试接口怎么样呢？但事实上许多情况是一个测试生产的过程是由许多部分组成，它是测试主机，测试板和测试程序的组合体。 在生产转产时， 终测系统的调试是对技术人员和生产人员的梦魇，特别是高频率和多管脚的产品。 由于每个部分需要在不同硬件之间连接，机械连接的部分总是问题点，而且弹簧针接触偏移，总会导致较小的连接阻抗。

调试测试组件的连接问题是非常耗时的。它很明显需要一种易于操作的方法去处理每一个单一组件的连接问题。这可以很容易地发现问题，以至于每个工程师可以改正和预先解决问题。这篇论文将阐述怎样运用时域反射（TDR）的方法。

1 传输线模型和时域反射 （TDR）介绍

任何信号传输路径都存在一些电容和电感，它们非常微小，而且对低频信号没有影响，但它会对高频信号的传输产生影响。对于几何结构非常好的传输路径，单位长度的电感和电容已经被很好的定义了，传输线的概念允许简化很多东西。输入一个入射信号，一个无限不失真的传输线就可以认为是一个接地电阻。对于有限的传输线，它将在末端反射这个信号。反射信号的标志和幅值取决于传输线的阻抗和负载阻抗。反射信号将在传输线的两端反复传输。

传输线具有以下属性：

1）单位长度的电感值Lc和电容值Cc

2）特性阻抗Z0

3）信号传播速度Vp和信号传输延迟Tpd

4）单位长度的欧姆阻抗Rc

通常我们用Z0和Tpd来衡量传输线，这是因为这可以利用基础电路理论的简单应用。

1.1 传输线里的反射

当传输线里的信号到达特征阻抗变化的位置点，只会有一部分信号通过，而且剩下的将会反射回来。反射信号的数量取决于变化点之前和之后的阻抗比率，ZL是负载阻抗，Z0是传输线阻抗，当负载阻抗不是简单的欧姆阻抗，而且传输线也有不同阻抗。经过反射之后，反射信号流回传输线的开端，在那它又被反射回去，周而复始。每一次反射的波形都会叠加传输线上的现有电压。

1.2 时域反射

当阻抗随着传输线变化，反射的幅度也会随之变化。如果之前我们知道线阻抗，就也可以判断它之后的阻抗。反射信号将在线上返回知道它到达起始点。如果信号传输速率是已知的，它有可能源自传播延迟和其他信息。

时域反射测量系统：阶跃信号发生器产生了一个上升沿的入射波作用于待测传输系统，阶跃信号以在线路中传输的速度在传输线中沿线传递，如果负载阻抗和传输线的特性阻抗相同，就没有波会被反射，所有在示波器上看到的只有通过传输线监测点的入射波阶跃电压。如果终端负载不匹配，部分入射波将会被反射，在示波器上会出现反射电压波和入射电压波代数上的叠加。

2 UP1600 IG-XL 时域反射（TDR）工作分析

对于UP1600测试机台，TDR测量是产品工程师执行和检查机械连接，IG-XL的TDR模块是一整套计算每一个数字信道的追踪延迟时间，然后计算出驱动的补偿和比较时间响应。系统时间校准测量和补偿在驱动，比较器和弹簧针终端之间固有的时间延迟。TDR是另一种测量和补偿在被测样品和弹簧针终端之间的时间延迟。

IG-XL TDR方法像一个二维参数测试。由于，反射波会增强入射波和电压幅度，大约是输入电压的2倍。TDR模块做电压比较在第二个上升沿，然后根据每一次比较幅度的通过区间计算波形的延迟时间和斜率。

IG-XL TDR将在程序验证之后，和在第一次测试之前，测量每一个被选的通道。这样可以在已知程序工作正常的情况下，进行硬件的调试，它可以减少不必要的消耗。每次检测时，如果有错误出现，IGXL都会显示哪个通道TDR失败，这样可以有助于工程技术人员进行有针对性的调试。

3 UP1600 时域反射（TDR）应用分析

IG-XL TDR模块当响应时间超过通过区间就会报告一个错误。通常这是由于弹簧针短路到地线或其他信号通路，所以这里有两个对TDR模块的束缚：

1）如果继电器卡损坏，在继电器切换前后都将会得到相同的探测延迟时间，然后TDR值将是0，但测试系统不会报错。

2）如果弹簧针或底座与测试板连接不好，TDR的时间会小于正常值，但测试系统也将不会报错。

优化的方法：

在探测延迟时间计算之后，增加判断条件， 对于不正常的TDR值显示报警。对于TDR模块的深入应用，我们可以对驱动比较结果做一个全范围点图，再加上点图可以像示波器能够显示反射信号和分析信号的阻抗。

4 结论

IG-XL 提供了TDR方法，它能够计算数字通道的信号传输延迟，而且做相对应的延迟时间补偿。TDR方法也是一种检查测试机与测试板，底座，弹簧针等等之间调试和连接问题的有效方法。但这种放需要優化，增加不正常测试值的报警功能。而且，IG-XL TDR方法可以更新为可视化人机界面去调试信号问题。