為了提高傳輸速率和傳輸距離，計算機(jī)和通訊產(chǎn)業(yè)正逐步轉(zhuǎn)移到高速串行總線，在芯片-芯片、板卡-板卡與背板間實現(xiàn)高速互連。這些高速串行總線的速率正從過去USB2.0、LVDS及FireWire1394的幾百M(fèi)bps，提升到當(dāng)前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的數(shù)Gbps，甚至達(dá)10Gbps，這意味著計算機(jī)與通訊業(yè)的PCB廠商對差分走線的阻抗控制要求將越來越高，因此使PCB制造商及高速PCB設(shè)計人員面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合PCB業(yè)界的測試標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650手冊，討論真實差分TDR測試方法的原理及特點。

　　IPC-TM-650測試手冊是一套全面性PCB產(chǎn)業(yè)測試規(guī)格，從PCB的機(jī)械特性、化學(xué)特性、物理特性、電氣特性、環(huán)境特性等方面提供了詳盡測試方法及測試要求。該手冊的2.5節(jié)描述了PCB電氣特性，而其中的2.5.5.7a則全面介紹了PCB特征阻抗測試方法和相應(yīng)的測試儀器要求，并包含了單端走線和差分走線的阻抗測試。

　TDR基本原理

　　圖1是一個階躍訊號在傳輸線(如PCB走線)上傳輸時的示意圖。而傳輸線是透過電介質(zhì)與GND分隔的，就像無數(shù)個微小的電容器并聯(lián)。當(dāng)電訊號到達(dá)某個位置時，就會使該位置上的電壓產(chǎn)生變化，如同為電容器充電。由于傳輸線在此位置上具備對地電流回路，因此會產(chǎn)生阻抗。但該阻抗只有階躍訊號自身才能感覺到，這就是所謂的特征阻抗。

　　當(dāng)傳輸在線出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時，在阻抗變化之處的階躍訊號就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，若對反射訊號進(jìn)行取樣并顯示在示波器屏幕上，就會得到圖2所示的波形，該波形顯示了一條被測試的傳輸線在不同位置上的阻抗變化。

　　我們可以比較圖2中的兩個波形。這是使用兩臺分辨率不同的TDR設(shè)備在測試同一條傳輸線時獲得的測試結(jié)果。兩款設(shè)備對傳輸線阻抗變化的反映不同，一個明顯而另一個不明顯。TDR設(shè)備感測傳輸線阻抗不連續(xù)的分辨率主要取決于TDR設(shè)備發(fā)出之階躍訊號上升時間的快慢，快的上升時間可獲得高分辨率。而TDR設(shè)備的上升時間往往和測試系統(tǒng)的帶寬相關(guān)，帶寬高的測試系統(tǒng)擁有更快的上升時間。從另一個角度考慮，TDR設(shè)備的系統(tǒng)帶寬限制了TDR測試的分辨率。在IPC-TM-650測試手冊中，對TDR設(shè)備的上升時間是依照系統(tǒng)上升時間(tsys)來定義。在測量一臺TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升時間時，可以讓一臺TDR設(shè)備的輸出短路，此時可測出該TDR設(shè)備的(tsys)(上升及下降時間)。圖3的TDR設(shè)備系統(tǒng)上升時間約為28ps。

圖1：階躍訊號在傳輸線中的傳輸情況

圖2：TDR測試反映傳輸線的阻抗信息

圖3：TDR系統(tǒng)上升/下降時間的測定

　　圖4是另一臺TDR設(shè)備的系統(tǒng)上升/下降時間測試結(jié)果，約在38ps~40ps之間。這代表不同的TDR設(shè)備在系統(tǒng)上升/下降時間上有很大區(qū)別，因此其呈現(xiàn)的傳輸線阻抗測試分辨率也有很大不同。

圖4：另一臺TDR設(shè)備的上升/下降時間測量結(jié)果

　　系統(tǒng)上升時間和分辨率的關(guān)系可用下列公式表示：

　　Resolution= (tsys*V)/2，V為電訊號在被測試傳輸在線的傳輸速率。

　　為方便測試者了解TDR測試分辨率及PCB走線的最小測試長度，IPC-TM-650測試手冊也提供了速查數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5：IPC-TM-650測試手冊提供的對照表

　　差分TDR設(shè)備基本要求

　　在以往的IPC-TM-650手冊中，對PCB差分TDR測試的要求較為寬松。手冊中允許測試者根據(jù)TDR測試設(shè)備的情況使用兩種不同的方法。

　　方法一：當(dāng)測試者擁有差分TDR測試設(shè)備時，測試設(shè)備同時打出兩個幅度相等、方向相反的階躍脈沖，并透過這對差分訊號的相互作用直接測出差分走線阻抗。

　　方法二：當(dāng)測試者沒有差分TDR測試設(shè)備時，測試設(shè)備在差分走線(A線與B線)時，先在A在線打出階躍訊號，測試A階躍訊號在A在線的反射特性記為AA，同時測出A階躍訊號在B在線的感應(yīng)訊號，記錄為BA。隨后，在B在線打出階躍訊號，測試B階躍訊號在B在線的反射特性記為BB，同時測出B階躍訊號在A在線的感應(yīng)訊號，記錄為AB。透過對獲得的AA、AB、BB、BA四個數(shù)值進(jìn)行計算，可得出差分走線阻抗。該方法又稱為‘偽差分(Super-Position)’。

　　但是在目前的最新版IPC-TM-650手冊中，僅僅保留了方法一中的真差分TDR測試描述。而不再有方法二的‘偽差分’TDR測試方法描述。以下將就兩種差分TDR測試方法進(jìn)行對比。

　　1. 真差分測試法

　　如圖6所示：階躍訊號A和階躍訊號B是一對方向相反、幅度相等且同時發(fā)出的差分階躍訊號。我們不但在差分TDR設(shè)備上看到差分的階躍訊號，當(dāng)使用一臺實時示波器觀測這對階躍訊號時，也能證實這是真正的差分訊號。

圖6：真實差分TDR測試系統(tǒng)顯示的波形

　　由于注入DUT(待測設(shè)備)中的TDR階躍脈沖是差分訊號，因此TDR設(shè)備可以直接測出差分走線的特征阻抗。使用差分階躍訊號進(jìn)行真差分TDR測試，為使用者帶來的最大好處就是可以實現(xiàn)虛擬接地，如圖7所示。

圖7：虛擬接地原理

　　由于差分走線和差分訊號是平衡的，差分訊號的中心電壓點和地平面是等電勢的，因此在使用差分階躍訊號進(jìn)行差分TDR測試時，只要保證信道A和信道B共地，即無需與DUT之間接地。