利用TDR (时域反射计)测量传输延时

利用TDR (时域反射计)测量传输延时

随着时钟速率的提高，利用高速示波器有源探头测量延时的传统方法很难获得准确结果。这些探头成为高速信号通路的一部分，并造成被测信号的失真，引入误差。探头还必须直接置于器件引脚，以消除PCB (印刷电路板)引线长度产生的延时误差，满足探头位置的这一要求是困难而复杂的过程。本文介绍了如何利用TDR (时域反射计)测量降低探头误差的方法，有助于提高传输延时测量精度。

分析方法

本文基于以下三个前提：

1. 利用TDR (时域反射计)减小探头误差。TDR通常用来测量信号通路长度与阻抗变化的关系。TDR也是测量传输延时的重要工具。
2. 避免直接探测。由于加载的原因，有源探头会使测量变得复杂，并引入误差。
3. 利用一个实例演示这一方法。本文将以MAX9979为例，该芯片为高速引脚电子电路，适合于ATE系统。芯片内部集成了双路高速驱动器、有源负载以及工作在1Gbps以上的窗比较器。

此处介绍的方法适用于任何高速器件。

TDR原理

TDR测试方法中，沿信号通路传输高速信号边沿，并观察其反射信号。反射能够说明信号通路的阻抗以及阻抗变化时信号延时的变化，TDR测试的简单示意图如图1所示。


图1. TDR原理，TDR测量基于反射系数ρ，其中ρ = (V_REFLECTED/V_INCIDENT)。最终，Z_O = ρ × (1 + ρ)/(1 - ρ)。

从图1可以得到两个重要概念：

1. T_DLY是我们将要测量的PCB (印刷电路板)引线延时。
2. Z_O是被测PCB引线的阻抗。

仪器和评估板

为了测量纳秒级的延时，需要非常快的脉冲发生器、高速示波器以及高速探头。我们也可以利用具有TDR测量功能的Tektronix® 8000 (图2)系列示波器(TDS8000、CSA8000或CSA8200)，配合80E04 TDR采样模块使用。本文采用MAX9979EVKIT (评估板)、Hewlett Packard 8082A脉冲发生器和TDS8000/80E04进行演示。图3所示为MAX9979EVKIT部分电路。可以选择使用任何具有TDR功能的高速示波器和任何高速差分脉冲发生器，同样能够获得相似结果。


图2. Tektronix TDS8000系列具有采样模式的示波器


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图3. MAX9979EVKIT (部分)

分析中将进行以下测量：

• 从PCB的SMA边缘连接器DATA1/NDATA1至MAX9979 IC输入引脚DATA1/NDATA1的延时。从MAX9979的DUT1 (被测器件)输出通过SMA连接器J18的延时。
• 连接DUT1输出至CSA8000的测试电缆延时。
• 从DATA1/NDATA1输入至DUT1输出，通过电缆到达CSA8000的总延时。
• 最后，计算MAX9979的实际延时。

DATA1/NDATA1输入建模

由于人们对TDR响应比较困惑，我们首先利用SPICE仿真器构建输入延时的模型。然后我们将仿真结果与实际测量进行比较，参见图4。


图4. 等效输入原理图和最终仿真模型

图4注释：

• PCB引线设定为6in长，阻抗为65Ω。实际上，这是DATA1/NDATA1 PCB引线的真实阻抗。理想情况下为50Ω，但我们从TDR测量结果将会看到该值为63Ω。
• NDATA1输出端接至地。由于DATA1和NDATA1对称，而且距离MAX9979引脚的长度相同，所以仅测量DATA1的PCB引线。
• 对信号发生器的12in电缆进行建模，但实际传输延时测量证明并不需要这一建模。

DATA1/NDATA1输入仿真

图5所示为TPv3的SPICE仿真波形。


图5. 图4所示模型的SPICE仿真(节点TPv3)，在MAX9979EVKIT DATA1输入采集到的数据。

从图5数据可以得出以下几点结论：

• 输入信号为阶跃函数。这次仿真中，阶跃幅度为0.5V。以此模拟CSA8000产生的TDR信号。
• 时间代表模型中不同单元的延时：
  1. 第1级表示发生器的12in电缆。延时大约为3ns，是实际延时的两倍。实际电缆延时为1.5ns。
  2. 第2级表示DATA1 PCB引线。延时大约为2ns，PCB延时为该值的一半，或1ns。
  3. 其它延时为脉冲通过DATA1 PCB引线的反射。
• Y轴反映了不同元件的阻抗，单位为伏特，可转换为阻抗。
• X轴为单次输入阶跃信号造成的模拟信号反射，参照图1对信号进行比较。这些信号的长度代表通过不同元件的延时。

MAX9979的传输延时测量

按照以下六个步骤进行传输延时测量。

第1步：测量连接DUT1节点到CSA8000垂直输入的2in长SMA电缆的延时(图6)。


图6. 2in SMA电缆的CSA8000 TDR

测量时：

• 将2in长SMA-SMA电缆连接至80E04 TDR模块的一路输入，另一端保持开路。
• 利用TDR的下拉菜单进行测量。
• 注意，这看起来很像图1中的“开路”示例。此处测得的延时为804ps，由于是两倍的电缆延时，所以电缆延时为402ps。
• 还需注意的是，第2级阶跃实际为顶部和底部之间的一半。根据TDR原理，表示2in长度电缆实际阻抗为50Ω。
• 这条2in电缆是我们测量延时的通路之一。

第2步：测量DATA1输入信号的PCB引线延时/阻抗。


图7. DATA1 PCB TDR阻抗测量

从该数据可以获得以下几项信息：

• 图7与图5中的仿真曲线相同，证明了模型的准确性。
• 光标用于测量线路阻抗。第1级阶跃为49.7Ω，代表CSA8000电缆。与我们的预期结果一致。
• 第二光标显示97.8Ω，为MAX9979内部DATA1/NDATA1两端的100Ω电阻(参见图4)。与我们的预期结果一致。
• 第2级阶跃阻抗不是50Ω。这一级为DATA1 PCB阻抗，大约为63Ω。这意味着DATA1和NDATA1的PCB引线不是我们所希望的50Ω。
• 大幅值为150Ω，是额外的50Ω电缆和100Ω电阻，只存在于第3级反射。

该测量可以简化为：

• 将12in SMA电缆的一端连接至CSA8000。将电缆另一端连接至MAX9979EVKIT的DATA1 SMA输入连接器。
• 将NDATA1的SMA连接器通过SMA接地，从图4可以看出这一点。12in SMA电缆的长度与延时测量无关，但应尽可能短。
• 无需对MAX9979EVKIT供电。该测量针对焊接到电路板上的MAX9979进行，但不需要上电。有些用户更喜欢使用没有焊接器件的电路板进行测量。断开MAX9979将产生更清晰的3级阶跃信号，仿真图1所示开路状态。两种配置下，实际时间测量结果相同。

图8. 波形与图7相同，但为扩展后的波形，测量延时。

图8所示，测量第2级阶跃—DATA1 PCB引线延时。注意：

• 第1级阶跃为电缆，我们对其延时并不感兴趣。
• 测量值为1.39ns，PCB延时为该值的一半，或为0.695ns。这一延时确实大于模型的延时，但我们仅利用模型估算延时加以比较。
• 测量在信号的倾斜沿进行。这些倾斜沿代表电路板SMA和MAX9979 DATA1引脚的电容效应。因此，在这些倾斜沿之间进行测量能够确保测试结果包含了SMA和PIN延时。还需注意的是，波形中存在凸峰：这是SMA连接器与电路板之间的电感产生的。由此，需要在凸峰之前进行测量，以确保获取完整的电路板延时。进一步的TDR测量读数将突显这些电容和电感造成的倾斜沿和凸峰。

第3步：测量DUT1输出信号的PCB引线延时/阻抗。


图9. DUT1 PCB TDR延时和阻抗测量

图9所示示波器波形是采用与图7、图8相同的设置产生的。我们现在采用一条2in长SMA电缆连接CSA8000 80E04模块和MAX9979EVKIT的DUT1 SMA。注意：

• 第1级阶跃表示2in电缆。TDR信号为0.5V，第1级阶跃为250mV。说明我们电缆的阻抗为50Ω，与预期情况一致。
• DUT1延时是在两个倾斜沿之间进行测量得到的，与上述DATA1测量说明相同。然而，需要注意的是：这些倾斜沿之间的电平同样为50Ω。该值表明较短的DUT1 PCB金属线非常接近于理想的50Ω。
• 从上述内容得到DATA1引线阻抗为63Ω，DUT1节点阻抗为50Ω。这意味着DATA1输入的金属线宽比DUT1输出的线宽窄。理想情况下，它们应该相同。TDR测量发现了这一差异，这不一定是系统错误。DUT1引线阻抗稍高是由于较窄的金属线造成的，但它同时也减小了DATA1金属线的电容。数据线是最长的引线，为了保证最宽频带的要求，该电容应尽量小。
• DUT1的PCB延时很难测量，其阻抗与电缆相同。如果MAX9979没有焊接到电路板上，我们将看到“开路”状态的三级阶跃信号。但是，在焊接了MAX9979的条件下仍然可以测量到这一延时。通过检查电容效应产生的倾斜沿，可以看出SMA连接器在电路板的焊接位置以及MAX9979 DUT1引脚的位置。我们同样可以查看SMA连接器电感产生的凸峰，确认它处于两个倾斜沿之间。解决了这些问题，可以测得延时为360ps，将该值减半，得到实际DUT1 PCB电路板的延时，该延时为180ps。

第4步：用两条相同的SMA电缆连接差分信号发生器，测量CSA8000的基线延时。


图10. 测量来自发生器的DATA1/NDATA1信号

图10所示，C1和C2是两个互补PECL信号，幅值大约为450mV。这些DATA1和NDATA1信号直接由外部的信号发生器产生，送入CSA8000输入。我们采用CSA8000的20GHz采样探头，从该数据可得出以下结果：

• M1是差分信号C1 - C2的数学计算值，幅值为900mV，10%/90%上升和下降时间接近于700ps。这意味着DATA1/NDATA1信号上没有任何干扰。
• 我们还对Crs或M1差分信号的过零点进行测量，测得数据为29.56ns。触发示波器，我们仅关注这些过零点中的一个。给MAX9979上电，然后测量相同过零点，因为它是通过整个电路板的延时。
• 该延时还包括两条输入电缆的延时，因为这些电缆也被用于测量通过电路板的信号延时，其延时相互抵消。尽管如此，最好还是使用尽可能短的电缆，只是该延时对传输延时测量并不重要。

第5步：MAX9979EVKIT上电。


图11. MAX9979上电并为CSA8000的50Ω负载产生3V信号

将DATA1和NDATA1信号连接至已上电的MAX9979EVKIT的DATA1/NDATA1输入。使用与第4步相同的电缆。按照传输延时测量技术资料的规定，将MAX9979设置为规定的0V至3V信号，并将输出端接至50Ω。本例中，50Ω负载为CSA8000输入，从图11获得的数据点显示：

• 当前的输出信号幅值为0V至1.5V，与预期情况一致，由于50Ω负载的存在而被除以2。
• 上升和下降时间完全在MAX9979的技术指标范围内。由此，我们可以确认由干净、有效的DATA1/NDATA1驱动产生完好、干净、有效的输出。
• CSA8000保持与第5步相同的设置，触发方式与第4步相同。我们可以看到过零点为33.77ns。

第6步：计算MAX9979的传输延时。

通过MAX9979EVKIT的总延时为：

33.77ns - 29.56ns = 4.21ns

计算测量结果：

• 减去0.695ns的DATA1 PCB引线延时，所得延时为3.515ns。
• 减去0.18ns的DUT1 PCB引线延时，所得延时为3.335ns。
• 减去CSA8000的2in电缆延时，该延时为402ps，所得延时为2.933ns。

MAX9979技术指标中，这种配置下的标称延时为2.9ns。这里，我们可以得到焊接了MAX9979的评估板的延时为2.933ns，非常接近于预期值。

总结

以上分析表明利用TDR测量传输延时具有以下优势：

• 传输延时测量结果非常准确。
• 无需有源探头(避免由此引入的误差)。
• 简单技巧可用于绝大多数传输测量。
• 阻抗测量保证正确的连接器和PCB引线阻抗。
• 利用TDR信号能够分析信号通路的附加电容和电感，必要时可作为重新设计的反馈信息。
• 简化模型和仿真工具确保获得正确结果，并可验证测量配置。
• 采用良好的测试方法测量关键指标。

随着信号速率的提高，时序测量的误差和错误会造成不正确的电路规划、器件选择及系统设计。高速测量中保持良好的方法能够避免亡羊补牢造成的损失。本文着重强调了这些良好的设计习惯。