PCB电路板差分阻抗测试技术

为了提高传输速率和传输距离，计算机和通讯产业正逐步转移到高速串行总线，在芯片-芯片、板卡-板卡与背板间实现高速互连。这些高速串行总线的速率正从过去USB2.0、LVDS及FireWire1394的几百Mbps，提升到当前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的数Gbps，甚至达10Gbps，这意味着计算机与通讯业的PCB厂商对差分走线的阻抗控制要求将越来越高，因此使PCB制造商及高速PCB设计人员面临前所未有的挑战。本文将结合PCB业界的测试标准IPC-TM-650手册，讨论真实差分TDR测试方法的原理及特点。

IPC-TM-650测试手册是一套全面性PCB产业测试规格，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等方面提供了详尽测试方法及测试要求。该手册的2.5节描述了PCB电气特性，而其中的2.5.5.7a则全面介绍了PCB特征阻抗测试方法和相应的测试仪器要求，并包含了单端走线和差分走线的阻抗测试。

TDR基本原理

图1是一个阶跃讯号在传输线(如PCB走线)上传输时的示意图。而传输线是透过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容器并联。当电讯号到达某个位置时，就会使该位置上的电压产生变化，如同为电容器充电。由于传输线在此位置上具备对地电流回路，因此会产生阻抗。但该阻抗只有阶跃讯号自身才能感觉到，这就是所谓的特征阻抗。

当传输在线出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化之处的阶跃讯号就会产生反射现象，若对反射讯号进行取样并显示在示波器屏幕上，就会得到图2所示的波形，该波形显示了一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化。

我们可以比较图2中的两个波形。这是使用两台分辨率不同的TDR设备在测试同一条传输线时获得的测试结果。两款设备对传输线阻抗变化的反映不同，一个明显而另一个不明显。TDR设备感测传输线阻抗不连续的分辨率主要取决于TDR设备发出之阶跃讯号上升时间的快慢，快的上升时间可获得高分辨率。而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽相关，带宽高的测试系统拥有更快的上升时间。从另一个角度考虑，TDR设备的系统带宽限制了TDR测试的分辨率。在IPC-TM-650测试手册中，对TDR设备的上升时间是依照系统上升时间(tsys)来定义。在测量一台TDR设备的系统上升时间时，可以让一台TDR设备的输出短路，此时可测出该TDR设备的(tsys)(上升及下降时间)。图3的TDR设备系统上升时间约为28ps。

图1：阶跃讯号在传输线中的传输情况

图2：TDR测试反映传输线的阻抗信息

图3：TDR系统上升/下降时间的测定

图4是另一台TDR设备的系统上升/下降时间测试结果，约在38ps~40ps之间。这代表不同的TDR设备在系统上升/下降时间上有很大区别，因此其呈现的传输线阻抗测试分辨率也有很大不同。

图4：另一台TDR设备的上升/下降时间测量结果

系统上升时间和分辨率的关系可用下列公式表示：

Resolution= (tsys*V)/2，V为电讯号在被测试传输在线的传输速率。

为方便测试者了解TDR测试分辨率及PCB走线的最小测试长度，IPC-TM-650测试手册也提供了速查数据(图5)。

图5：IPC-TM-650测试手册提供的对照表

差分TDR设备基本要求

在以往的IPC-TM-650手册中，对PCB差分TDR测试的要求较为宽松。手册中允许测试者根据TDR测试设备的情况使用两种不同的方法。

方法一：当测试者拥有差分TDR测试设备时，测试设备同时打出两个幅度相等、方向相反的阶跃脉冲，并透过这对差分讯号的相互作用直接测出差分走线阻抗。

方法二：当测试者没有差分TDR测试设备时，测试设备在差分走线(A线与B线)时，先在A在线打出阶跃讯号，测试A阶跃讯号在A在线的反射特性记为AA，同时测出A阶跃讯号在B在线的感应讯号，记录为BA。随后，在B在线打出阶跃讯号，测试B阶跃讯号在B在线的反射特性记为BB，同时测出B阶跃讯号在A在线的感应讯号，记录为AB。透过对获得的AA、AB、BB、BA四个数值进行计算，可得出差分走线阻抗。该方法又称为‘伪差分(Super-Position)’。

但是在目前的最新版IPC-TM-650手册中，仅仅保留了方法一中的真差分TDR测试描述。而不再有方法二的‘伪差分’TDR测试方法描述。以下将就两种差分TDR测试方法进行对比。