文献标识码: A
1 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。
2 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2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。
分析中将进行以下测量:
(1)从PCB的SMA边缘连接器DATA1/NDATA1 SMA至MAX9979 IC输入引脚DATA1/NDATA1的延时。
(2)从MAX9979的DUT1 (被测件)输出通过SMA连接器J18的延时。
(3)连接DUT1输出至CSA8000测试电缆的延时。
(4)从DATA1/NDATA1输入至DUT1输出,通过电缆到达CSA8000的总延时。
(5)最后,计算MAX9979的实际延时。
3 DATA1/NDATA1输入建模
由于人们对TDR响应比较困惑,首先利用SPICE仿真器构建输入延时的模型。然后将仿真结果与实际测量进行比较,参见图3。其中:
(1) PCB引线设定为6 in(1 in=25.4 mm)长,阻抗为65 Ω。实际上,这是DATA1/NDATA1 PCB引线的真实阻抗。理想情况下为50 Ω,但从TDR测量结果将会看到该值为63 Ω。
(2) 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。
(3) 对信号发生器的12 in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。
4 DATA1/NDATA1输入仿真
图4所示为TPv3的SPICE仿真波形,为在MAX9979EVKIT DATA1输入采集到的数据。
从图4数据可以得出以下几点结论:
(1)输入信号为阶跃函数。这次仿真中,阶跃幅度为0.5 V。以此模拟CSA8000产生的TDR信号。
(2)时间代表模型中不同单元的延时:
①第1级表示发生器的12 in电缆。延时大约为3 ns,是实际延时的两倍。实际电缆延时为1.5 ns。
②第2级表示DATA1 PCB引线。延时大约为2 ns,PCB延时为该值的一半,或1 ns。
③其他延时为脉冲通过DATA1 PCB引线的反射。
(3)Y轴反映了不同元件的阻抗,单位为伏特,可转换为阻抗。
(4)X轴为单次输入阶跃信号造成的模拟信号的反射,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。
5 MAX9979的传输延时测量
按照以下6个步骤进行传输延时测量。
5.1 测量连接DUT1节点到CSA8000垂直输入的2 in长SMA电缆的延时
2 in SMA电缆的CSA8000 TDR如图5所示。
测量时需注意:
(1)将2 in长SMA-SMA电缆连接至80E04 TDR模块的一路输入,另一端保持开路。
(2) 利用TDR的下拉菜单进行测量。
(3) 注意,这看起来很像图1中的“OPEN”示例。此处测得的延时为804 ps,由于是两倍的电缆延时,所以电缆延时为402 ps。
(4)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2 in长度电缆实际阻抗为50 Ω。
(5)这条2 in电缆是测量延时的通路之一。
5.2 测量DATA1输入信号的PCB引线延时/阻抗
从该数据可以获得以下几项信息:
(1) 图6与图4中的仿真曲线相同,这证明了模型的准确性。
(2)光标用于测量线路阻抗。第1级阶跃为49.7 Ω,代表CSA8000电缆。与预期结果一致。
(3)第二光标显示97.8 Ω,为MAX9979内部DATA1/NDATA1两端的100 Ω电阻(参见图3)。与预期结果一致。 (4)第2级阶跃阻抗不是50 Ω。这一级为DATA1 PCB阻抗,大约为63 Ω。这意味着DATA1和NDATA1的PCB引线不是我们所希望的50 Ω。
(5)大幅值为150 Ω,是额外的50 Ω电缆和100 Ω电阻,只存在于第3级反射。
该测量可以简化为:
(1)将12 in SMA电缆的一端连接至CSA8000。将电缆另一端连接至MAX9979EVKIT的DATA SMA输入连接器。
(2)将NDATA1的SMA连接器通过SMA接地,从图3可以看出这一点。12 in SMA电缆的长度与延时测量无关,但应尽可能短。
(3)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中的“OPEN”状态。两种配置下,实际延时测量结果相同。
图7所示,测量第2级阶跃—DATA PCB引线延时。
注意:
(1) 第1级阶跃为电缆,本文对其延时并不感兴趣。
(2) 测量值为1.39 ns,PCB延时为该值的一半,或为0.695 ns。这一延时确实大于模型的延时,但本文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。
5.3 测量DUT1输出信号的PCB引线延时/阻抗
图8所示示波器波形是采用与图6、图7相同的设置产生的。现在采用一条2 in长SMA电缆连接CSA8000 80E04模块和MAX9979EVKIT的DUT1 SMA。
注意:
(1) 第1级阶跃表示2 in电缆。TDR信号为0.5 V,第1级阶跃为250 mV。说明电缆的阻抗为50 Ω,与预期情况一致。
(2) 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50 Ω。该值表明较短的DUT1 PCB金属线非常接近于理想的50 Ω。
(3) 从上述内容得到DATA1引线阻抗为63 Ω,DUT1节点阻抗为50 Ω。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。数据线是最长引线,为了保证最宽频带的要求,该电容应尽量小。
(4) 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,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。同样可以通过查看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360 ps,将该值减半,得到实际DUT1 PCB电路板的延时,该延时为180 ps。
5.4 测量CSA8000的基线延时
图9所示,C1和C2是2个互补PECL信号,幅值大约为450 mV。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。采用CSA8000的20 GHz采样探头,从该数据可得出以下结果:
(1)M1是差分信号C1-C2的数学计算值,幅值为900 mV,10%/90%上升和下降时间接近于700 ps。这意味着DATA1/NDATA1信号上没有任何干扰。
(2)对Crs或M1差分信号的过零点进行测量,测得数据为29.56 ns。触发示波器,本文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。
(3)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。
5.5 MAX9979EVKIT上电
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0 V~3 V信号,并将输出端接至50 Ω。本例中,50 Ω负载为CSA8000输入,从图10获得的数据点显示:
(1)当前的输出信号幅值为0 V~1.5 V,与预期情况一致,由于50 Ω负载的存在而被除以2。
(2)上升和下降时间完全在MAX9979的技术指标范围内。由此,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。
(3)CSA8000保持与第5步相同的设置,触发方式与第4步相同。可以看到过零点为33.77 ns。
5.6 计算MAX9979的传输延时
通过MAX9979EVKIT的总延时为:
33.77 ns-29.56 ns=4.21 ns
计算测量结果:
(1)减去0.695 ns的DATA1 PCB引线延时,所得延时为3.515 ns。
(2)减去0.18 ns的DUT1 PCB引线延时,所得延时为3.335 ns。
(3) 减去CSA8000的2 in电缆延时,该延时为402 ps,所得延时为2.933 ns。
MAX9979技术指标中,这种配置下的标称延时为2.9 ns。这里,可以得到焊接了MAX9979的评估板的延时为2.933 ns,非常接近于预期值。
以上分析表明,利用TDR测量传输延时具有以下优势:
(1) 传输延时测量结果非常准确。
(2) 无需有源探头(避免由此引入的不准确性)。
(3) 简单技巧可用于绝大多数传输测量。
(4) 阻抗测量保证正确的连接器和PCB引线阻抗。
(5) 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。
(6) 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。
(7) 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。