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PCB差分走線的阻抗控制技術(二)
2014/09/12
Lee
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四、兩種差分TDR測試方法的對比
方法一：真差分測試法如圖6所示：階躍信號A和階躍信號B是一對方向相反、幅度相等且同時發出的差分階躍信號。
我們不但在差分TDR設備上看到差分的階躍信號，而且當我們使用一臺實時示波器來觀測這對階躍信號時可以證實這是真正的差分信號。
由于注入DUT(被測設備)中的TDR階躍脈沖是差分信號，因此TDR設備可以直接測出差分走線的特征阻抗。使用差分階躍信號進行真差分TDR測試，給使用者帶來的最大好處就是可以實現虛擬接地，如圖7所示。
由于差分走線和差分信號是平衡的，差分信號的中心電壓點和地平面是等電勢的，因此在使用差分階躍信號進行差分TDR測試時，只要保證通道A和通道B共地，是不需要與DUT之間接地的。
方法二：“Super-Position”法(偽差分)如圖8所示，階躍信號A和階躍信號B不是同時打出的，且方向不是相反的，因此注入到DUT中的階躍信號完全不是差分信號。
在這種“偽差分TDR”設備自身的屏幕上，往往會經過人為的軟件調整，令我們看到的階躍信號同時發出且方向相反的。
但是如果我們用一臺實時示波器來觀測這兩個階躍脈沖，我們可以看到如圖9所示的波形，我們可以看出兩個階躍脈沖之間的真實時序關系，存在著2us的時間差。也就是說這兩個階躍信號不是差分信號。
這樣的TDR階躍脈沖稱為偽差分信號，因為它并沒有真正實現一個高速差分信號的傳輸過程，即幅度相等，方向相反。因此這種方法不能直接測出DUT的差分阻抗，只能使用軟件計算的方法對差分阻抗測試進行模擬計算。
在TDR設備上得到經過計算后得到的2個幅度相等，極性相反階躍脈沖。這種差分TDR測試帶來的局限性是：差分信號之間同時的相互作用無法真實地獲得；無法實現虛擬接地，在進行差分TDR測試時通道A和通道B的探頭都必須有各自獨立的接地點。但是在PCB板內部的真實差分走線附近往往找不到接地點，導致無法在PCB板子內部對真實的差分走線進行測量。
為了解決“偽差分”TDR設備難以實現對PCB板內部真實走線進行差分TDR測量的問題，一般的PCB生產商都會在PCB板的周圍做上帶有接地點的差分走線測試條，稱之為“Coupon”，圖10就是一個典型的PCB板，上方是測試用的“Coupon”，下方是板子內部的真實走線。為了方便探頭連接，測試點的間距一般做的很大，高達100mil(即2.54mm)，已經大大超過了差分走線的間距。同時還在測試點的旁邊會放置接地點，間距同樣是100mil。
五、“Coupon”測試的局限性與差異
從圖10我們可以看到測試“coupon”和板內真實走線之間的差別：
1 、雖然走線間距、走線寬度是一致的， 但是“coupon”測試點的間距固定為100mil(即最初的雙列直插式IC的引腳間距)，而板內真實走線的末端(即芯片的引腳)間距是不同的，隨著QFP、PLCC、BGA封裝的出現，芯片的引腳間距都遠小于雙列直插式IC封裝(即“coupon”測試點的間距)間距。
2、“coupon”走線是理想的直線，而板內真實走線往往是彎曲的、多樣的。PCB設計人員和生產人員很容易將“coupon”的走線理想化，但是PCB板上的真實走線則會因為各種各樣的因素導致走線不規則化。
3、“coupon”和板內真實走線在整個PCB板上的位置不同。“coupon”都位于PCB板邊沿，在PCB板出廠時往往會被生產商去掉。而板內真實走線的位置則是多樣的，有的在靠近板子的邊沿，有的位于板子的中央。
由于上述幾個差異的存在，導致“coupon”的特征阻抗往往與板內真實走線阻抗存在如下的幾個差異：
第一，“coupon”測試點間距“coupon”走線的間距不同，會導致測試點與走線之間帶來阻抗不連續。而PCB板內的真實差分走線末端(即芯片的引腳)間距往往是與走線間距相等或者非常相近的。由此會帶來阻抗測試結果的不同。
第二，彎曲的走線與理想的走線所反映出來的阻抗變化是不一致的。在走線彎曲轉折的地方特征阻抗往往是不連續的，而“coupon”的理想化走線則不能反映由于走線彎曲所帶來的阻抗不連續現象。
第三，“coupon”與真實的走線在PCB板上的位置不同。目前的PCB板都采用多層走線的設計，在生產時需要經過壓制。當PCB板壓制時，板子不同的位置所受到的壓力不可能做到一致，這樣制成的PCB板在不同的位置上介電常數往往不相同，特征阻抗也當然不同。可見僅僅對PCB板的“coupon”進行TDR測試是不能完全反映PCB板內真實走線的真實特征阻抗的。無論是PCB板的生產商還是高速電路設計者、制造者都希望能對PCB板內的真實高速差分走線直接進行TDR測試，獲得最準確的特征阻抗信息。阻礙真實測試的主要原因有以下兩個：
難以找到差分TDR探頭的接地點，高速PCB設計人員不會在設計高速差分走線時在走線的末端(即芯片引腳)附近放置固定間距的接地點；差分走線的末端(即芯片的引腳)間距是多變的，必需要一個間距可調的差分探頭來實現探測
六、真差分TDR測試的優勢
我們之前討論差分TDR測試方法時，我們了解到如果TDR設備發出的階躍信號是差分信號，就可以實現虛擬接地，即差分TDR探頭無需與被測試的PCB板接地。只要測試者手中有一個間距可調的差分TDR探頭即可完成測試。
圖11是一個帶寬高達18GHz的差分TDR探頭在進行差分TDR測試時的情況。它的探針間距可以在0.5mm～4.5mm之間連續可調，即使在測試一個比圓珠筆尖還要微小的測試點時仍然可以非常從容地以單手完成操作。
由于探頭的帶寬高達18GHz，因此可以獲得很高的測試分辨率，圖12是對一塊“coupon”的差分走線進行測試時獲得的結果。紅色波形是對“coupon”最初的測試結果，隨后在走線上貼上了一個很小的膠條(紅色圓圈所示部位)然后再進行測試，獲得了如白色波形的測試結果。可見由于貼上小膠條所帶來的微小阻抗不連續也能夠通過高帶寬差分TDR探頭清晰地反映出來。
真差分的TDR設備配合高帶寬差分探頭進行PCB差分特征阻抗測試時，無需在PCB板內苦苦的尋找接地點，只要探針調整到合適的間距，即可輕松的對PCB板內的真實差分走線進行探測。
七、 本文小結：
使用一臺真差分的TDR設備，利用差分信號可以實現虛擬接地的便利，配合間距可調的差分TDR探頭可以輕松實現對PCB板內真實差分走線的特征阻抗測量。令高速PCB設計人員和PCB制造者在進行PCB測試時獲得極高的測試效率和準確的測試結果。
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