摘要：當快速邊沿信號在被測試器件上的傳輸時，如果遇到阻抗不連續的情況，就會產生反射。因此通過對反射現象的觀察可以找到被測試線路中的不連續點，如短路、斷路、過孔、走線寬度變化等等。本文介紹了高分辨率TDR測試以及應用，供大家了解。
　　
　　引言
　　
　　當快速邊沿信號在被測試器件上的傳輸時，如果遇到阻抗不連續的情況，就會產生反射。因此通過對反射現象的觀察可以找到被測試線路中的不連續點，如短路、斷路、過孔、走線寬度變化等等。人們不僅希望TDR設備可以用于PCB走線、電纜等產品的阻抗測量，還希望TDR設備能應用在芯片的失效分析（FA）以及高速電路板的電路模型提取。當測試者需要對阻抗不連續點進行定位時，他必須擁有一臺高分辨率的TDR設備。　　
　　TDR設備的分辨率
　　
　　一臺TDR設備內部其實有兩個重要的組成部分。一部分是階躍信號發生器，它可以發出上升時間極快的階躍信號。另一部分是高帶寬的取樣器，它可以將DUT上反射回來的信號進行接收、取樣并在儀器的屏幕上顯示出來。業界往往使用高帶寬取樣示波器作為TDR測試設備的平臺。
　　
　　TDR設備能發現或者感知的zui小（即zui短）的阻抗不連續距離的能力稱之為分辨率。理論上一個階躍信號在DUT上傳輸時能分辨（或稱為感知）的zui小的阻抗不連續距離為電信號在該階躍信號的上升時間內在DUT上傳輸的距離。假設一個階躍信號的上升時間為t，假設電信號在某材質被測電路上的傳輸速率為v，那么其距離分辨率l滿足下面的等式：
　　
　　l=vt
　　
　　因此一臺TDR設備要獲得更高的分辨率那么其階躍信號發生器所發出的階躍信號上升時間就必須更短。
　　
　　同時，我們應當注意到TDR設備還有另外一個重要的組成部分即高帶寬取樣器。考量一臺TDR設備的分辨率時還必須將取樣器的帶寬考慮在內。帶寬不同的取樣器有不同的自身上升時間指標，帶寬越高的取樣器擁有更快的上升時間。取樣器的上升時間和帶寬之間有如下的經驗公式可以換算：
　　
　　T=0.35/Bandwidth
　　
　　取樣器在對反射回來的信號進行取樣時，會由于取樣器自身存在上升時間而影響到TDR測量的分辨率。在考察一臺TDR設備的分辨率時候，單純關注階躍信號發生器的上升時間或者是高速取樣器的帶寬都是不全面的。因此在PCB行業的測試規范IPC-TM-650測試手冊中，就提出了TDR設備的系統上升時間的概念，記為Tsys。Tsys表征了一臺TDR設備的整體特性，Tsys可以在TDR設備上直接測定，方法是將一個短路器端接在TDR設備的接口上，并對TDR設備獲取的波形進行上升時間/下降時間測量，測得的結果就是系統上升時間和下降時間了。圖1為Tektronix80E04TDR模塊的系統上升/下降時間測定結果。
　　
　　我們可以通過TDR設備的系統上升時間來換算出TDR設備分辨率L。如下面的公式：
　　
　　L=（v*Tsys）/2
　　
　　因為我們是通過高速取樣器將反射波進行接收后對Tsys測定的，因此可以通俗的說階躍信號已經在DUT上“一來一回”的“走”了兩次。所以在計算分辨率時需要除以2。以FR4材質的PCB板的表層走線（v約為5.5inch/ns）為例，使用80E04組成的TDR系統可以達到約2mm的分辨率。80E04TDR模塊的測試分辨能力對于PCB板阻抗測試以及電纜阻抗測試來說已經是足夠高了。
　　
　　但是對于PCB板的過孔、芯片內部的開路、短路等情況2mm的分辨率就略顯不足，需要TDR設備具有更高的分辨率。PCB板的過孔是毫米級的，芯片內部的走線長度在幾個毫米到一厘米之間。因此要完成對PCB過孔的電路模型提取以及芯片內部走線的短路、短路定位需要TDR設備的分辨率優于1mm。
　　
　　高分辨率TDR的探測探頭是TDR測試系統的組成部分
　　
　　在進行TDR探測時，我們必須通過一個工具將快速階躍信號注入DUT以完成測試，這個工具就是TDR探頭了。圖2是進行TDR測試時常用的一種單端探頭，由探頭前端、探頭電纜以及防靜電模塊控制線組成。該探頭標稱帶寬18GHz，當該探頭連接到TDR測試設備上時，系統帶寬就會被限制在18GHz以下，TDR測試的分辨率也就隨之下降。該探頭*勝任于PCB板的走線特征阻抗測試，但是在進行PCB走線的過孔測量以及芯片失效分析測試時就顯得力不從心了。可見如果我們單純擁有一個高分辨率的TDR設備是不夠的，我們還需要一個高帶寬的TDR探頭。
　　
　　影響TDR探頭帶寬的因素有很多，例如探頭電纜的長度、探頭前端的尺寸等等。一般的說，探頭電纜越長對高頻信號的衰減就越大，帶寬就越低。探頭前端的尺寸越大帶寬就越低。
　　
　　因此，盡量的縮短探頭電纜甚至不用探頭電纜就成了提高探測帶寬的一個簡單但非常有效且必要的措施。
　　
　　TDR模塊的延伸電纜可以將模塊zui大限度的靠近DUT，減少由于TDR探頭的電纜對探測帶寬所帶來的影響。
　　
　　由于TDR測試模塊的體積較大，不方便手持探測，因此會使用一種類似于機床那樣的設備將模塊固定，移動DUT向TDR模塊靠攏完成探測。人們把這種類似機床的裝置稱為ProbeStation。
　　
　　使用TDR模塊延伸電纜和ProbeStation能將現有的TDR設備性能發揮到*，配合80E04TDR模塊所能獲得測試的分辨率也只有2mm左右，仍然不能滿足高分辨率TDR用戶的需求。
　　
　　更高分辨率TDR的解決方案
　　
　　要從根本上提高TDR測試的分辨率就必須尋找上升沿更快的階躍信號發生器和更高帶寬的取樣器。在此之前人們已經找到了由多個獨立儀器所組成的解決方案。
　　
　　在組合方案中，使用Picosecond公司高速階躍信號發生器（4022）配合泰克公司高帶寬取樣器80E06組合成一套高分辨率的TDR測試系統，見圖3。該測試系統由高速階躍信號發生器Picosecond4022配合70GHz帶寬的取樣模塊80E06組成，標稱的系統上升時間達到9ps，可獲得超高的TDR測試分辨率。
　　
　　80E10高分辨率測試模塊
　　
　　雖然高分辨率TDR組合方案能獲得明顯高于原有80E04方案的測試分辨率，但是也存在一些問題。例如：易用性問題，組合方案離不開繁雜的電纜連接，難以實現對DUT的探測；阻抗測量讀數問題，組合方案在儀器上讀出的數值只能是電壓值而無法直接獲得阻抗值或者反射率值；測試儀器的補償、校準以及一致性問題，組合方案的兩個組成部分來自不同的供應商，因此或多或少的存在儀器的溫度補償、校準以及一致性問題。組合方案更像是科學研究用的設備而不是商品化測試設備。由單一的供應商實現一體化高分辨率TDR測量仍然是測試者所期望的。　　
　　zui近Tektronix公司推出了全新的高分辨率TDR模塊80E10、80E08。其中80E10模塊的系統上升時間高達15ps（典型值）。
　　
　　克服TDR測試中的多重反射
　　
　　當測試者使用高分辨率TDR設備對芯片進行失效分析或者是對高速的PCB背板進行TDR測試時，可能會遇到芯片內部或者是PCB背板的各種復雜的走線情況所帶來的多重反射現象，從而給尋找短路/斷路點的位置帶來了很大的困難。多重反射的產生如圖4所示。　　
　　當被測試的走線上存在多個阻抗不連續點時，例如DUT的走線含有多個轉角或者穿層，那么信號在穿越每兩個相鄰的阻抗不連續點時都會產生反射，所有的反射信號會疊加在一起后反映在儀器上的波形將會是亂的。多重反射的存在導致測試者無法將測試波形結果與DUT走線相對應，帶來疑惑。
　　
　　如果使用TDR軟件，將原始的TDR測試波形按照反射的情況進行分段，通過解卷積（De-convolution/又稱為去卷積）算法可糾正多重反射給測試帶來的影響，還原真實的面貌。獲得與DUT走線情況相符合的阻抗測試結果。圖5是通過軟件糾正多重反射之后的波形與原始波形的對比。　　
　　綠色波形是有明顯的多重反射存在的測試波形，紅色波形是經過軟件糾正后的波形。從原始波形上看，我們根本無法找到被測試走線的終點，按照TDR測試的常識我們知道走線的終點表現在波形上應該是快速上升到無窮大，而綠色波形則*無法找到走線的終點，令測試者無法講測試結果與被測試走線的情況相對應，造成很大的誤解。而經過軟件糾正的紅色波形，令測試者可以輕易的找到被測試走線的終點，將測試結果和被測試走線的情況對應起來。
　　
　　小結
　　
　　以往的系統上升時間為28ps的TDR設備在常見材質的DUT上分辨率已經達到2mm左右，*適合于常規的測試應用，例如PCB板以及電纜的特征阻抗測試。當測試者需要獲得更高分辨率需求時，不僅需要從探測的方式上讓TDR測試設備發揮zui大的效能，例如使用延伸電纜、ProbeStation等，而且需要更高系統上升時間的TDR設備，從根本上提高系統測試分辨率。在很多高分辨率TDR的測試場合，多重反射現象是很常見的，使用TDR測試軟件對含有多重反射的原始波形進行糾正，是非常有效的分析方法。