使用TDR進行阻抗測量

2021-02-20 PCB設計與信號完整性仿真

「單端信號線寬5.2mil,控制阻抗50。差分線寬6mil,線間距6.5mil控制阻抗90……」

當我們把PCB文件交給板廠進行生產的時候,多少都會提一些阻抗的要求,可能是單端阻抗,也可能是差分,要求的阻抗值也各有差異。那麼這些阻抗是如何測量出來的呢?

那還不簡單,小學二年級就學過歐姆定律I=U/R,一通計算輕輕鬆鬆,這局我輸不了,再不濟就去某寶上買個萬用表,我能測電阻是多大的,我就能測你走線,這一局我贏定了。

要是愛情也這麼簡單就好了……

但是真的有這麼簡單嗎?

首先要明確的一個概念是,阻抗並不等同於電阻。關於兩者的區別,某度上面有非常詳細的解釋,就不再介紹。

了解兩者的差別後會發現靠萬用表是無法測量到阻抗的。要測得阻抗,需要使用阻抗分析儀,大概長這樣:

測量原理是基於TDR,那麼什麼是TDR?

TDR也叫作時域反射計,這個名字就已經包含了全部的關鍵信息。翻譯過來就是通過發射時域波形,然後檢測波形的反射來得到阻抗。

在小學二年級學完歐姆定律之後,小學三年級我們就學習了:當阻抗不匹配時就會發生反射,如果Z2<Z1那麼發生負反射,反之則為正反射,反射係數是:(Z2-Z1)/(Z2+Z1)。同時信號有一定的傳輸速度,那麼就可以根據反射波形的到達時間來得出阻抗不連續點的位置。

這就是TDR所需要掌握的全部知識,沒有掌握也並不要緊,畢竟仿真軟體是我們的生活好助手,能讓軟體做的事情,我們就不要自己動手算。

要測量TDR阻抗,首先我們需要一個信號源產生一個上升沿非常陡峭的階躍信號。並設置輸出阻抗50,這樣只要傳輸鏈路和我們輸出阻抗不匹配就能產生反射。

接下來我們放入幾段阻抗值各不相同的走線,每段走線延時都是0.5ns:

再放上我們的電壓觀測點,這樣整個鏈路就搭建完成:

根據前面的反射係數,帶入源端阻抗值,我們就可以編寫出對應的公式,然後利用反射來測得這個鏈路的阻抗,就像這樣:

 

一切都很順利,除了沒那麼完美。可以看見我們傳輸線路的阻抗依次是50、34、84、60,但我們通過這個仿真獲得的結果卻是這樣:

除了第一次阻抗不匹配是準確的外,其餘的結果都出現了偏差。其實都沒有,造成測量結果出現偏差的原因是由於反射的反覆存在,而我們的公式考慮的情況則過於單一,因此只有第一次測量的結果是準確的。這種方式只適合於大家去熟悉原理,如果要實際應用,這個公式還要經過更多的變換,不然則有較大的誤差。如果想要準確的仿真阻抗值,又不想琢磨反射過來反射過去的,那也是有辦法的,我們下期見!

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