Verbindungsanalyse: TDR

Informationen zu TDR: Anwendungen, Nachteile beim Messen, Tipps und Techniken.
Die anhaltende starke Zunahme der Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalen in elektronischen Designs macht es notwendig, Hochfrequenzverbindungen zu charakterisieren, da eine Nichtbeachtung zu vielen Designänderungen und Verzögerungen bei der Markteinführung von Produkten führen kann. Das Zeitbereichsreflektometer (TDR) hat seit seiner Einführung, als es zur Identifizierung von Kabelfehlern verwendet wurde, einen langen Weg zurückgelegt. Wenn Ihre Designs Signale mit Anstiegszeiten von weniger als einer Nanosekunde verwenden, sind die Übertragungsleitungseigenschaften der Verbindungen wichtig. TDR ist ein vielseitiges und intuitives Tool, mit dem Sie die Leistung Ihrer Verbindungen überprüfen können, um die drei wichtigen Fragen schnell und routinemäßig zu beantworten: Entspricht meine Verbindung den Spezifikationen, funktioniert sie in meiner Anwendung und wo kann ich sie verbessern? leistung? leistung? Das TDR ist nicht nur eine einfache Übertragungsleitungs-Radarstation, die Impulse über die Leitung sendet und auf Reflexionen von Impedanzunterbrechungen achtet. Es ist auch ein Instrument, das in der Lage ist, Topologiemodelle erster Ordnung und S-Parameter-Verhaltensmodelle direkt bereitzustellen.Wir werden die fünf wichtigsten Single-Port-TDR-Anwendungen diskutieren, von den gebräuchlichsten bis zu den fortschrittlichsten.

1. Messung des Wellenwiderstands und der Gleichmäßigkeit einer Übertragungsleitung

Um eine ideale verlustfreie Übertragungsleitung zu erreichen, gibt es nur zwei Parameter, die die Verbindung vollständig charakterisieren: ihre charakteristische Impedanz und ihre Zeitverzögerung. Dies ist die einfachste und häufigste Anwendung von TDR. Der TDR sendet eine kalibrierte Durchgangsflanke von ungefähr 200 mV an das zu testende Gerät (DUT). Jede Änderung der momentanen Impedanz, der die Flanke auf ihrem Weg begegnet, führt dazu, dass das Signal zurückreflektiert wird, basierend auf der Änderung, die es in der Impedanz sieht. Auf dem TDR-Bildschirm wird die konstante Einfallsspannung von 200 mV zuzüglich etwaiger reflektierter Spannung angezeigt. Abbildung 1 zeigt die TDR-Antwort einer Mikrostreifen-Übertragungsleitung und einer offenen Referenz. Das DUT ist eine zweiteilige Mikrostreifen-Übertragungsleitung mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω und 40 Ω und einem offenen Ende. Die blaue Spur zeigt die Antwort des TDR, wenn das Kabel nicht mit dem DUT verbunden ist, und definiert den Anfang des Kabels. Die gelbe Spur des TDR zeigt die kleine reflektierte Spannung vom SMA-Vorlaufanschluss, gefolgt vom 50-Ω-Abschnitt, dem kleinen Spannungsabfall vom 40-Ω-Abschnitt (mit niedrigerer Impedanz) und dem offenen Ende der Spur. Aus der TDR-Antwort können wir die momentane Impedanz jedes Segments unter Verwendung von Spurmarkierungen oder durch Umwandeln der vertikalen Spannungsskala in eine Impedanzskala erhalten. Mit dieser Methode können wir die Gleichmäßigkeit der Leitungsimpedanz bewerten.
Ein Nachteil ist, dass wir davon ausgehen, dass alle gemessenen Spannungen, die vom TDR kommen, auf Reflexionen von Impedanzsprüngen zurückzuführen sind. Es ist eine gute Annahme, wenn bis zum Ort des Markers nur kleine Impedanzsprünge vorhanden sind. In Abbildung 2 sehen wir die gemessene TDR-Antwort einer einheitlichen Übertragungsleitung aus nominaler Sicht auf einer vergrößerten vertikalen Skala von 2 Ω/div. Die Impedanz der Bildschirmmitte ist auf 50 Ω eingestellt. Die große Spitze, die Sie am Anfang der Linie sehen, ist die induktive Diskontinuität des SMA-Startanschlusses, die bei dieser hohen Auflösung riesig aussieht. In diesem Maßstab sieht die glatte Übertragungsleitung nicht so glatt aus. Ist diese Variation echt oder eine Art Artefakt? Es gibt zwei wichtige Artefakte, die dieses Verhalten verursachen können. Erstens könnte es eine Verschlechterung der Anstiegszeit im einfallenden Signal geben.
Es ist möglicherweise nicht perfekt flach, wie eine ideale Gaußsche Stufenflanke. Schließlich ist das auf dem TDR angezeigte reflektierte Signal tatsächlich die Reflexion des einfallenden Signals. Wenn das einfallende Signal einen langen Schwanz hat, sehen wir diesen langen Schwanz in der TDR-Antwort und es kann als Variation des Impedanzprofils fehlinterpretiert werden. Eine Methode zur Umgehung dieses Problems besteht darin, die kalibrierte Antwortfunktion des Keysight DCA 86100D TDR-Sampling-Oszilloskops zu verwenden, wie wir es in diesem Fall tun. Eine weitere Quelle von Artefakten sind typische Leitungsverluste. Die Leiterbahn könnte einen verteilten Serienwiderstand oder eine verteilte Shunt-Leitfähigkeit aufweisen. Der Serienwiderstand führt dazu, dass die reflektierte Spannung weiter unten in der Leitung ansteigt, während die Shunt-Konduktanz dazu führt, dass die reflektierte TDR-Reaktion weiter unten in der Leitung abnimmt, wie in diesem Fall. Eine Möglichkeit zu beurteilen, ob ein Impedanzprofil tatsächlich eine Änderung der momentanen Impedanz der Übertragungsleitung oder ein Artefakt zeigt, besteht darin, die TDR-Antwort der Leitung an beiden Enden zu messen. Wenn es real ist, sollten wir sehen, wie sich die Steigung der Antwort in Abhängigkeit vom Ende der Linie ändert, von der aus wir starten. Wenn es sich um eines der beiden Artefakte handelt, sieht die Antwort auf dem Bildschirm gleich aus, unabhängig davon, von welchem ​​Endpunkt wir starten, wie in Abbildung 3 dargestellt.

2. Messung der Zeitverzögerung einer Übertragungsleitung

Die Zeitverzögerung einer Übertragungsleitung von einem Ende zum anderen kann mithilfe von Markern direkt vom TDR-Display aus gemessen werden. In Abbildung 4 sehen wir TDR-Antworten für einen offenen Draht und wenn das DUT angeschlossen ist. Um die Genauigkeit zu erhöhen, wird die Mittelpunktzeit zwischen den zwei Antworten mit offenem Ende verwendet. Das Zeitintervall vom Beginn der Reflexion vom offenen Ende des Kabels bis zur Reflexion vom am weitesten entfernten offenen Ende des DUT ist die Gesamtumlaufzeit. Die Zeitverzögerung ist halb so groß. Um die Messintegrität von Montageartefakten wie dem Vorlaufstecker sicherzustellen, kann eine Testleitung eingefügt werden, um die Charakterisierung der Leiterplatte und jeder Schicht zu unterstützen. Beispielsweise können Referenzpatches mit bekanntem Abstand an zwei Stellen auf der Übertragungsleitung hinzugefügt werden, wie in Abbildung 5. Diese kleinen Unvollkommenheiten oder Patches können mit dem TDR leicht erkannt werden, wenn der 2 Ω/div verwendet wird.

3. Präzise Messung der Signalgeschwindigkeit auf einer Übertragungsleitung

Mit der End-to-End-Methode zur Messung der Zeitverzögerung können wir eine genaue Messung der Geschwindigkeit des Signals erhalten, das sich über die Übertragungsleitung ausbreitet, unabhängig vom Typ des Vorlaufsteckers. Dies wird erreicht, indem der physische Abstand, der die beiden Referenzflecken trennt, durch die erhaltene Zeitverzögerung dividiert wird. In Abbildung 5 sind zwei negative Tropfen der Referenzfelder mit bekanntem Abstand dargestellt. Die Zeitdifferenz zwischen diesen beiden negativen Einbrüchen ist die Umlaufzeit zwischen den Patches.

4. Extraktion der rohen Dielektrizitätskonstante des Laminats

Die Geschwindigkeit des Übertragungsleitungssignals ist direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante Dk, die das Signal sieht. Im Fall einer v-Streifenleitungs-Übertragungsleitung kann die effektive Dielektrizitätskonstante unter Verwendung der folgenden einfachen Beziehung extrahiert werden: Dk=(0.3/v)2, wobei 0.3 die Lichtgeschwindigkeit in m/ns ist Die elektrischen Feldlinien befinden sich im rauen Laminat und einige in der Luft. Das Signal sieht eine Mischung aus diesen beiden Materialien, wodurch eine effektive Dielektrizitätskonstante Dkeff entsteht. Dieser Wert beeinflusst die Geschwindigkeit des Signals und kann aus der gemessenen Geschwindigkeit des Signals extrahiert werden.

5. Erstellen eines Modells einer Diskontinuität oder Verbindung

Das Integrieren von Strukturen wie Testfeldern, Komponentenanschlüssen, Ecken und Lücken in den Rückweg erzeugt Diskontinuitäten. Diskontinuitäten können als kapazitiv, induktiv und resistiv charakterisiert werden. Diese Strukturen sind nicht einheitlich und es kann ein 3D-Feldlöser erforderlich sein, um sie zu berechnen. Manchmal ist der schnellste Weg, Ihre Impedanz zu testen, eine Struktur zu erstellen und sie zu messen. Aus der gemessenen Antwort können wir die Auswirkung des Signals empirisch abschätzen, wenn wir die Anstiegszeit des TDR an die Anstiegszeit der Anwendung anpassen. Wir können direkt vom TDR-Bildschirm aus die Menge an Rauschen von der reflektierten Spannung messen, die wir möglicherweise im System sehen. Eine andere Methode wäre die Verwendung des TDR, um ein einfaches Modell erster Ordnung für die Struktur zu extrahieren und dieses Modell in einer Simulation auf Systemebene zu verwenden, um die Auswirkung der Diskontinuität zu bewerten. Zum Beispiel ermöglicht uns das TDR zu beobachten, dass Ecken (oder 90-Grad-Krümmungen) eine ähnliche Reaktion wie ein Kondensator mit lokalisierten Konstanten haben. Mithilfe der TDR-Messung können wir den Kapazitätswert für das Kondensatormodell mit lokalisierten Konstanten erhalten und dieses Modell in einer Systemsimulation verwenden, um zu beurteilen, ob eine Ecke ein potenzielles Problem darstellen oder ignoriert werden kann. Für die gleiche Impedanzspur nimmt die Kapazitätsmenge an einer Ecke mit der Breite der Linie zu. Es ist interessant, sich daran zu erinnern, dass die Kapazität einer Ecke etwa 1 fF pro 0,025 mm Linienbreite für eine 50-Ω-Leitung beträgt. Bei Leitungen mit einer Breite von 1,524 mm und 0,127 mm beträgt die Kapazität einer Ecke also etwa 60 fF bzw. 5 fF. Wenn wir schließlich mehr Präzision oder ein Modell mit höherer Bandbreite benötigen, als wir direkt vom Bildschirm erhalten können, können wir die gemessenen Daten vom TDR verwenden und in ein Modellierungs- oder Simulationstool wie SPICE oder ADS übersetzen, um es zu erstellen ein genaueres Modell.