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TDR阻抗测量的基本原理与应用

2021/7/6

  随着科学技术的不断发展,对各数字接口的速度要求越来越高,对信号完整性的要求随之越来越严苛。控制阻抗,是信号完整性重要要求之一,TDR是测量特性阻抗的基本技术。今天就来介绍下TDR测量的基本原理与应用。

  TDR(Time Domain Reflectometry )称为时域反射计,是利用信号的反射来链路中阻抗变化的程度。它基本的工作原理见下图:TDR测试设备的输出阻抗是50欧姆,通过50Ω线缆连接到待测链路DUT,设备输出一个上升沿非常抖的阶跃信号给待测的传输环境,如果待测传输环境阻抗不连续,那么将会发生反射(正反射或负反射),反射的信号被采样,设备把待测环境的反射与标准阻抗生产的反射进行比较,就可以得到阻抗变化量,进而实现阻抗测量。

  下图是阻抗不连续时典型的时域波形图,图中是发生了正反射,绿色信号是理想的信号,红色是实际反射后的信号,可以看到在信号的上升/下降边沿产生了振铃。

  这里额外介绍下,在使用示波器测量信号时,如果使用了较长的地线,会使得测量链路中环路电感增加,发生谐振,也会引起震荡,使得测试不准确,因此在测量要求比较严格时,要使用接地弹簧进行信号测量。

  下面以实际采集波形来具体介绍TDR的应用,TDR设备连接到开路的终端,根据反射系数公式:

  Z1=50Ω,Z2为开路,此时Z2阻抗为无穷大,是正反射,反射系数=1,那么入射的电压的幅度Vinc,到达终端时幅值就会全反射,入射信号和反射信号叠加为2Vinc,在下图中,250mV的信号,达到终端后变为500mV,这就是终端开路,阻抗无穷大时,终端端接无效的时域波电压波形。

  由TDR原理可知,TDR除了可以测量阻抗,当然也可以测量距离,比如测量线路长度。下面看下终端开路时的阻抗波形,反射1是设备接入待测链路的连接点,从阻抗曲线可以看出,连接点阻抗突变,信号会产生一次反射,在全反射位置处,链路是开路状态,此时阻抗为无穷大。

  在反射1和全反射之间可以看到时间大约相差500ps,由于TDR的测量过程,是设备输出信号到终端再反射回来的过程,因此信号走了双倍线路长度,那么信号走的单程时间就是500/2=250ps。在普通FR4类PCB中,信号的速度大于是6 inch/ns (0.01524 cm/ps),高速板材介电常数小一点,信号速度略高一些。如果是FR4板材的话,那么就可以估算出走线的长度,大约是,0.01524*(500/2)=3.81cm。

  以上就是TDR阻抗测量的基本原理与应用。

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梁先生01:28:42
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