TDR阻抗测试指南（特性阻抗和差分阻抗）

数据线缆在最近两年，正面临著越来越快的讯号速度，控制传输线特性阻抗及相关差分测试正变得日益重要，目前验证测试Cable 'Connector等传输线特性阻抗的最常用方法是TDR方法，今天的文章是基于TDR规范，介绍TDR原理及阻抗、差分阻抗等测试方法，我们今天的课程是希望研发人员能够正确应用TDR的方法去测试分析传输线的阻抗、差分阻抗，结合讯号完整性理论，深入一步能够测试分析互连的性能，从而能够帮助我们在实际中发现和解决讯号完整性问题（啥样的信号才完整？）

信号完整性的问题

电脑、通讯系统、视频系统和网路系统等领域的数位系统开发人员正面临着越来越快的时钟频率和资料速率，随之，讯号完整性变得越来越重要。在当前的高工作速率下，影响讯号上升时间、脉宽、时序、抖动或杂讯内容的任何事物都会影响整个系统的性能和可靠性。爲保证讯号完整性，必须了解和控制讯号经过的传输环境的阻抗（高频参数基础篇04-阻抗（Impedance)）。阻抗不匹配和不连续会导致反射，增加系统杂讯和抖动，在整体上降低讯号的质量，阻抗控制是当前许多数位系统、元器件规范的一部分，如USB，Firewire(IEEE 1394)，PCI Express，Infiniban，Serial ATA，XAUI等规范。业内已经普遍使用仿真工具设计高速电路，仿真加快了设计周期，最大限度地减少了错误数量。但是仿真之后，必须进行工程验证来检验仿真设计，这其中就包括阻抗测量。

测试Cable、Connector等互连环境的特性阻抗（什么是电缆的特性阻抗？）的，最常用的方法是使用时域反射仪TDR。TDR规范由 IPC・org制订，可以在网站上免费下载：www・ipc・org官方网站下载，下面就基于TDR规范介绍阻抗、差分阻抗测试方法，精确测量的校准方法，TDR的应用等内容，供参考交流。

TDR基于一简单的槪念：当能量沿著媒介传播时，遇到阻抗变化，就会有一部分能量反射回来，反射回的能量、注 入到媒介的能量与阻抗的变化有理论上的数学关系。因而 TDR测量阻抗的过程是：先向传输线发送一个上升时间很 快的阶跃讯号，阶跃讯号将沿著传输线传输： 什么是TDR?TDR测试简述！,TDR测试项目解说

传输线中的阻抗变化将导致传播阶跃的幅度变化

阻抗变化导致某些能量反射回到来源，其余能量仍将传输 ,使用示波器监测阶跃源输入点上的传输线讯号, 示波器波形将以适当的时间顺序显示入射和反射传播讯号总和。

TDR 基础：发射讯号、反射讯号和示波器监测

其中p是反射系数，Zo是参考阻抗（一般爲50ohm，由测 系统决定），Z是待测阻抗。由此仪器可以计算显示出传输线各个点的阻抗，从而可以在仪器的萤幕上显示一条 TDR曲线，曲线的每一点对应传输线上的每一点的反射系数或特性阻抗。

当传输线上存在寄生电容、电感（如过孔）时，在 TDR曲线上可以反映出寄生参数引起的阻抗不连续，而且这些阻抗不连续曲线可以等效为电容、电感或其组合的模型，因而TDR也可以用来进行互连建模

看下图，理想的TDR曲线应该是实心的曲线，但是实际测量显示的结果却是虚心的曲线，这是爲什么呢？这是因爲TDR解析度不足所致

多种因素影响着TDR系统分辨间隔紧密的不连续点的能力，如果TDR系统的解析度不足，间隔小或间隔紧密的不连续点可以平滑成波形中的一个畸变，这种效应不仅会隐藏某些不连续性，还可能会导致阻抗读数不准确。TDR 测量时发出的阶跃脉衝的上升时间是影响TDR解析度的最关键因素。

TDR规范在第22 页“ 4.1.1” 提出对TDR仪器的要求 ：

TDR instrumentation that contains a pulse(step)generator and an oscilloscope with the following features is required:

35 ps maximum reflected into the open instrument port.

Step aberrations:

Less than 3% from 10ns to 35ps before step……

Mainframe oscilloscope bandwidth of at least 10 Ghz

尽管在许多情况下，大家希望最快的上升时间，这样能够提供更好的解析度，但在某些情况下，极快的上升时间在TDR测量中也会给出误导性结果。为了与实际讯号保持一致，很多规范要求，阻抗测量时TDR 的上升时间与实际讯 号保持一致，如USB2.0 要求400ps 的TDR 上升时间，Infiniban要求200ps 的TDR上升时间等，TDS8000B+80E04 TDR 採用了Intel PCB 测试方法上推

荐的Filter 方法，这种方法应变迅速，不要求任何额外的校准步骤。过滤的波形结果与使用外部发生器发生同等脉衝所作的类似测量非常一致。适合于单端、差分阻抗、共模阻抗的测量。规范的“4.3” 介绍了TDR 探头的情况，结合Intel的PCB 测试方法，TDR探头主要有三类 ：

Handheld手持探头

SMA 探头

MicroProbe微探头

由于讯号完整性问题，越来越多的採用差分线来传输讯号：

差分结构：由于共模抑制，能够更好地抗干扰

差分结构：由于抵消场，降低辐射杂讯（EMI）

差分结构：实现了更加精确的时序控制

差分结构：由于抗干扰能力及降低辐射能量，减少了串扰

差分结构：减少了由于电流瞬变导致的电源杂讯

差分传输线具有两种独特的传播方式，每种方式都具有自己的特性阻抗。大多数资料把这两种方式称 爲奇模阻抗和偶模阻抗。

奇模阻抗被定义爲通过监测一条线路，而另一条线路通过互补讯号驱动而测量的阻抗。差分阻抗是指在差分驱动时在两条传输线中测量的阻抗，差分阻抗是奇模阻抗的两倍。偶模阻抗被定义爲通过监测一条线路，而另一条线路先通过

同等讯号驱动而测量的阻抗。共模阻抗是指并连在一起的线路的阻抗，是偶模阻抗的二分之一。

下面是一个差分驱动和共模驱动的图示，图中显示了相应的电场、磁场分佈

下面是齊模/差分，偶模/共模阻抗的图示

未完待续