利用TDR (時域反射計)測量傳輸延時
摘要:隨著時鐘速率的提高,利用高速示波器有源探頭測量延時的傳統方法很難獲得準確結果。這些探頭成為高速信號通路的一部分,并造成被測信號的失真,引入誤差。探頭還必須直接置于器件引腳,以消除PCB (印刷電路板)引線長度產生的延時誤差,滿足探頭位置的這一要求是困難而復雜的過程。本文介紹了如何利用TDR (時域反射計)測量降低探頭誤差的方法,有助于提高傳輸延時測量精度。
分析方法
本文基于以下三個前提:
1.利用TDR (時域反射計)減小探頭誤差。TDR通常用來測量信號通路長度與阻抗變化的關系。TDR也是測量傳輸延2.時的重要工具。
2.避免直接探測。由于加載的原因,有源探頭會使測量變得復雜,并引入誤差。
3.利用一個實例演示這一方法。本文將以MAX9979為例,該芯片為高速引腳電子電路,適合于ATE系統。芯片內部集成了雙路高速驅動器、有源負載以及工作在1Gbps以上的窗比較器。
此處介紹的方法適用于任何高速器件。
TDR原理
TDR測試方法中,沿信號通路傳輸高速信號邊沿,并觀察其反射信號。反射能夠說明信號通路的阻抗以及阻抗變化時信號延時的變化,TDR測試的簡單示意圖如圖1所示:
圖1. TDR原理,TDR測量基于反射系數ρ,其中ρ = (VREFLECTED/VINCIDENT)。較終,ZO = ρ × (1 + ρ)/(1 - ρ)。從圖1可以得到兩個重要概念:
1.TDLY是我們將要測量的PCB (印刷電路板)引線延時。
2.ZO是被測PCB引線的阻抗。
儀器和評估板
為了測量納秒級的延時,需要非常快的脈沖發生器、高速示波器以及高速探頭。我們也可以利用具有TDR測量功能的Tektronix® 8000 (圖2)系列示波器(TDS8000、CSA8000或CSA8200),配合80E04 TDR采樣模塊使用。本文采用MAX9979EVKIT (評估板)、Hewlett Packard 8082A脈沖發生器和TDS8000/80E04進行演示。圖3所示為MAX9979EVKIT部分電路。可以選擇使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脈沖發生器,同樣能夠獲得相似結果。
圖2. Tektronix TDS8000系列具有采樣模式的示波器
圖3. MAX9979EVKIT (部分)
分析中將進行以下測量:
1.從PCB的SMA邊緣連接器DATA1/NDATA1至MAX9979 IC輸入引腳DATA1/NDATA1的延時。從MAX9979的DUT1 (被測器件)輸出通過SMA連接器J18的延時。
2.連接DUT1輸出至CSA8000的測試電纜延時。
3.從DATA1/NDATA1輸入至DUT1輸出,通過電纜到達CSA8000的總延時。
4.較后,計算MAX9979的實際延時。
DATA1/NDATA1輸入建模
由于人們對TDR響應比較困惑,我們首先利用SPICE仿真器構建輸入延時的模型。然后我們將仿真結果與實際測量進行比較,參見圖4。
圖4. 等效輸入原理圖和較終仿真模型
圖4注釋:
1.PCB引線設定為6in長,阻抗為65Ω。實際上,這是DATA1/NDATA1 PCB引線的真實阻抗。理想情況下為50Ω,但我們從TDR測量結果將會看到該值為63Ω。
2.NDATA1輸出端接至地。由于DATA1和NDATA1對稱,而且距離MAX9979引腳的長度相同,所以僅測量DATA1的PCB引線。
3.對信號發生器的12in電纜進行建模,但實際傳輸延時測量證明并不需要這一建模。
DATA1/NDATA1輸入仿
圖5所示為TPv3的SPICE仿真波形。
圖5. 圖4所示模型的SPICE仿真(節點TPv3),在MAX9979EVKIT DATA1輸入采集到的數據。
從圖5數據可以得出以下幾點結論:
1.輸入信號為階躍函數。這次仿真中,階躍幅度為0.5V。以此模擬CSA8000產生的TDR信號。
2.時間代表模型中不同單元的延時:
a.第1級表示發生器的12in電纜。延時大約為3ns,是實際延時的兩倍。實際電纜延時為1.5ns。
b.第2級表示DATA1 PCB引線。延時大約為2ns,PCB延時為該值的一半,或1ns。
c.其它延時為脈沖通過DATA1 PCB引線的反射。
3.Y軸反映了不同元件的阻抗,單位為伏特,可轉換為阻抗。
4.X軸為單次輸入階躍信號造成的模擬信號反射,參照圖1對信號進行比較。這些信號的長度代表通過不同元件的延時。
MAX9979的傳輸延時測量
按照以下六個步驟進行傳輸延時測量。
第1步:測量連接DUT1節點到CSA8000垂直輸入的2in長SMA電纜的延時(圖6)。
圖6. 2in SMA電纜的CSA8000 TDR
測量時:
1.將2in長SMA-SMA電纜連接至80E04 TDR模塊的一路輸入,另一端保持開路。
2.利用TDR的下拉菜單進行測量。
3.注意,這看起來很像圖1中的“開路”示例。此處測得的延時為804ps,由于是兩倍的電纜延時,所以電纜延時為402ps。
4.還需注意的是,第2級階躍實際為頂部和底部之間的一半。根據TDR原理,表示2in長度電纜實際阻抗為50Ω。
5.這條2in電纜是我們測量延時的通路之一。
第2步:測量DATA1輸入信號的PCB引線延時/阻抗。
圖7. DATA1 PCB TDR阻抗測量
從該數據可以獲得以下幾項信息:
1.圖7與圖5中的仿真曲線相同,證明了模型的準確性。
2.光標用于測量線路阻抗。第1級階躍為49.7Ω,代表CSA8000電纜。與我們的預期結果一致。
3.第二光標顯示97.8Ω,為MAX9979內部DATA1/NDATA1兩端的100Ω電阻(參見圖4)。與我們的預期結果一致。
4.第2級階躍阻抗不是50Ω。這一級為DATA1 PCB阻抗,大約為63Ω。這意味著DATA1和NDATA1的PCB引線不是我們所希望的50Ω。
5.大幅值為150Ω,是額外的50Ω電纜和100Ω電阻,只存在于第3級反射。
該測量可以簡化為:
1.將12in SMA電纜的一端連接至CSA8000。將電纜另一端連接至MAX9979EVKIT的DATA1 SMA輸入連接器。
2.將NDATA1的SMA連接器通過SMA接地,從圖4可以看出這一點。12in SMA電纜的長度與延時測量無關,但應盡可能短。
3.無需對MAX9979EVKIT供電。該測量針對焊接到電路板上的MAX9979進行,但不需要上電。有些用戶更喜歡使用沒有焊接器件的電路板進行測量。斷開MAX9979將產生更清晰的3級階躍信號,仿真圖1所示開路狀態。兩種配置下,實際時間測量結果相同。
圖8. 波形與圖7相同,但為擴展后的波形,測量延時。
圖8所示,測量第2級階躍—DATA1 PCB引線延時。注意:
1. 第1級階躍為電纜,我們對其延時并不感興趣。
2.測量值為1.39ns,PCB延時為該值的一半,或為0.695ns。這一延時確實大于模型的延時,但我們僅利用模型估算延時加以比較。
3.測量在信號的傾斜沿進行。這些傾斜沿代表電路板SMA和MAX9979 DATA1引腳的電容效應。因此,在這些傾斜沿之間進行測量能夠確保測試結果包含了SMA和PIN延時。還需注意的是,波形中存在凸峰:這是SMA連接器與電路板之間的電感產生的。由此,需要在凸峰之前進行測量,以確保獲取完整的電路板延時。進一步的TDR測量讀數將突顯這些電容和電感造成的傾斜沿和凸峰。
第3步:測量DUT1輸出信號的PCB引線延時/阻抗。
圖9. DUT1 PCB TDR延時和阻抗測量
圖9所示示波器波形是采用與圖7、圖8相同的設置產生的。我們現在采用一條2in長SMA電纜連接CSA8000 80E04模塊MAX9979EVKIT的DUT1 SMA。注意:
1.第1級階躍表示2in電纜。TDR信號為0.5V,第1級階躍為250mV。說明我們電纜的阻抗為50Ω,與預期情況一致。
2.DUT1延時是在兩個傾斜沿之間進行測量得到的,與上述DATA1測量說明相同。然而,需要注意的是:這些傾斜沿之間的電平同樣為50Ω。該值
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