Измерения импеданса с помощью рефлектометра

Измерение импеданса и проверка на наличие неисправностей и разрывов в разных точках проводящей дорожки печатной платы — нелегкая процедура. Это обусловлено тем, что импеданс является свойством переменного тока и не может измеряться как сопротивление. измерения импеданса рефлектометром, который контролирует отраженный сигнал (TDR), необходимы для оценки целостности сигнала в конструкции печатной платы (рис. 1).

Для измерения импеданса важен расчет времени нарастания и пространения. Рефлектометр подает задержки расимпульса в проводящую линию на тестовом образце, а затем измеряет характеристическое сопротивление, анализируя изменения в амплитуде отраженной волны. Прибор наблюдает отражения только в том случае, если введенный импульс испытывает какой-либо разрыв на своем пути. Если разрыва нет, импульс поглощается оконечной нагрузкой, и отражения сигнала не возникают. Но это идеальный случай. Любое изменение импеданса отображается с помощью графика TDR.

Что такое рефлектометр для контроля формы отраженного сигнала?

Рефлектометр для контроля формы отраженного сигнала — электронное устройство, которое использует отраженные волны для расшифровки и оценки характеристического сопротивления в платах с регулируемым сопротивлением, кабелях, разъемах и т. д. С его помощью находят электрические разрывы в разъемах или любых других электрических цепях. В статье рассматриваются некоторые важные TDR-функции.

Коэффициент замедления (VF)

Для работы TDR-рефлектометра обязательно знать скорость импульса сигнала, проходящего по проводящей дорожке. С помощью VF рефлектометр преобразует время отраженных импульсов в расстояние. VF показывает отношение скорости импульса в дорожке к скорости света.

Точность

Точность рефлектометра зависит от коэффициента замедления VF. Для обеспечения наибольшей точности необходимо проверить проводящую дорожку с обоих концов.

Уровень импульса на выходе

Изменение уровня выходного импульса указывает на наличие разрывов. Проверка на небольшие разрывы в проводящей дорожке и разрывы на дальнем конце линии передачи требует высокого уровня импульса. Поскольку замыкания на передающем конце искажают большую часть отображаемого сигнала, для проверки требуются более низкие уровни импульсов.

Диапазон измерений

Исходно лучше всего установить диапазон выше ожидаемой длины развертки, чтобы увидеть полную картину — если ошибка не отобразится на дисплее, ее легко пропустить.

Автоматический поиск неисправностей

Многие рефлектометры оснащены автоматическими функциями, позволяющими выявить неисправности. Чтобы использовать прибор с максимальной отдачей, применяется также ручной режим проверки.

Факторы, влияющие на разрешение рефлектометра

Если TDR-система имеет недостаточное разрешение, небольшие или близко расположенные неоднородности могут проявляться в одном отклонении сигнала, а значит, указывать на одну неисправность. Такой эффект не только скрывает некоторые обрывы и нарушения, но и приводит к неточным измерениям и показаниям импеданса.

Время нарастания при измерении импеданса

Отражение от любого разрыва, возникшего на пути прохождения сигнала, характеризуется временем нарастания, которое равно или меньше, чем у  зондирующего импульса. Промежутки между двумя разрывами в тракте цепи определяют, насколько близко их отражения расположены на экране рефлектометра. Если два разрыва находятся на расстоянии менее половины времени нарастания системы, импеданс измерить трудно:

T_Res. = 1/2_TRise.

Управление временем нарастания с помощью измерений

В большинстве случаев желательно, чтобы время нарастания было минимальным, но иногда результаты, полученные в таком случае с помощью рефлектометра, могут оказаться не вполне очевидными. Например, если мы оцениваем импеданс микрополосковой линии с временем нарастания 35 пс, то ясно, что у рефлектометра — хорошее разрешение. Однако даже самые высокоскоростные логические схемы не могут соответствовать времени нарастания 35 пс импульса TDR. Время нарастания выходного сигнала у типовых логических схем с эмиттерными связями (ECL) находится в диапазоне 200 пс…2 нс. Отражения от небольших неоднородностей, например от заглушек или острых углов микрополосковой линии, хорошо видны и могут давать большие отражения при времени нарастания 35 пс. С другой стороны, та же ECL-управляемая линия передачи с временем нарастания 1 нс может давать незначительные отражения. Вводящие в заблуждение показания импеданса можно исправить, если смоделировать среду, подобную реальным рабочим сигналам. Это позволяет оценить реакцию линий на время нарастания в ситуации, аналогичной фактической работе схемы. Для подобных целей в некоторых измерительных рефлектометрических системах предусмотрены средства увеличения кажущегося времени нарастания зондирующего импульса.

Время  нарастания и задержка распространения

Время нарастания, один из наиболее важных параметров временной области, определяет период перехода с одного  уровня на другой. Это время требуется для того, чтобы импульс напряжения повысился с 10 до 90% переднего фронта сигнала. Время нарастания высокоскоростных сигналов короче, а значит, быстрее переход между двумя уровнями напряжения. Для многоуровневых сигналов выполняется быстрое переключение между уровнями. При этом малое время нарастания приводит к возникновению проблем — более сильным электромагнитным и перекрестным помехам (рис. 2).

Задержка распространения относится к времени переключения сигнала со входа на выход. Это функция диэлектрической проницаемости Er. Задержка распространения выражается во времени на единицу длины. За временную задержку отвечает, в основном, паразитная емкость, что особенно характерно для любых высокоскоростных и HDI-плат (рис. 3)
 

Как связаны время нарастания и полоса пропускания 3 дБ

В измерительных приборах, например в осциллографах и анализаторах спектра, время нарастания τ_r напрямую связано с полосой пропускания на уровне 3 дБ.
Как упоминалось, время нарастания определяет разницу во времени между двумя точками нарастающего импульса в ответ на входной ступенчатый сигнал. Полоса пропускания 3 дБ определяется как частота, при которой амплитуда напряжения или тока сигнала снижается до 70,7% от опорной амплитуды. По сути, оно измеряет частотную характеристику. Эти связанные параметры указывают на способность системы реагировать на внезапные изменения входного сигнала. Соотношение между временем нарастания и полосой пропускания по уровню 3 дБ можно оценить, рассмотрев временную и частотную  характеристики идеального низкочастотного RC-фильтра:

τ_r = 0,35/f_3дБ

где τ_r — время нарастания; f_3дБ — частота при полосе пропускания 3 дБ.

Это выражение не дает точные результаты в реальном времени. Чтобы получить точный результат, требуемый параметр следует рассчитать с помощью характеристических функций. Если значение одного из этих параметров известно, можно вычислить другие параметры с помощью преобразования Фурье.

Скорость фронта при измерении импеданса TDR

Импеданс измеряется на плоской вершине импульса, а не на фронтальной части. Скорость фронта определяет разрешение. Например, высокая скорость фронта указывает на короткий разрыв, а медленный фронт — на разрывы большей длины. Поскольку быстрые фронты реагируют на мелкие неоднородности, они также заметно реагируют, например, на неоднородность наконечника зонда, контактных площадок, переходных отверстий и разрывы импеданса, обычно свойственные тестовым проводникам в точках ввода. В результате сигналы искажаются, что, как правило, маскирует или искажает тестовую область измерений.

Аберрации или эффект звона при TDR-измерении импеданса

Аберрации — это общее название для отклонений от нормы, а эффект звона — частный случай аберрации зондирующего импульса. Аберрации достигают неоднородности раньше зондирующего импульса, после чего возникают отражения. «Преждевременные» отражения снижают разрешение рефлектометра, не позволяя заметить близко расположенные неоднородности.

Факторы, влияющие на точность TDR-измерений

Несколько факторов влияют на точность измерения импеданса рефлектометрическим способом.

Эталонный импеданс

Все TDR-измерения импеданса  выполняются путем сравнения амплитуд отраженных импульсов с амплитудами зондирующих импульсов, а результаты измерений представляются в единицах Ом или ρ. Однако общий процесс измерения зависит от точности измерения эталонного импеданса Z_o. Например, некоторые TDR-модули используют разъемы в качестве эталона стабильного импеданса для расчета коэффициента отражения.

Амплитуда ступенчатого сигнала и поправка на нулевой уровень

Современные TDR-инструменты периодически отслеживают нулевой уровень и амплитуду ступенчатого сигнала. Таким образом, рефлектометрическая система может автоматически выполнять компенсацию, что подходит для часто повторяемых измерений, даже в условиях дрейфа амплитуды ступенчатого сигнала.

Искажения в зондирующем импульсе

Искажения в подаваемом импульсе вызывают ошибки при измерении точной амплитуды отраженного импульса, если импульс не устанавливается в течение короткого времени по сравнению с измеряемой линией.

Шум

Случайный шум создает проблемы при измерениях небольших изменений импеданса. В измерениях с помощью современных рефлектометров используются методы многократной выборки и усреднения сигнала, чтобы уменьшить влияние случайных шумов. Однако усреднение снижает скорость обработки TDR-системы.

Точность соединения

Элементы межсоединений и интерфейс между датчиком и тестируемым устройством также генерируют отражения и могут создавать индуктивные отражения. Во избежание таких проблем рекомендуется использовать короткие наконечник пробника и заземляющие провода.

Потери в кабеле

Из-за длинных тестовых кабелей импеданс тестируемого устройства превышает свое фактическое значение. Кроме того, время нарастания и время установки  зондирующего импульса ухудшаются, когда импульс достигает конца кабеля. Потери в кабеле влияют на точность рефлектометрического измерения, поскольку эффективная амплитуда шага отличается от ожидаемой. Этой точностью амплитуды можно пренебречь, если импеданс тестируемого устройства близок к 50 Ом, но при большем или меньшем импедансе точность амплитуды становится более значимой.

TDR-тест для измерения импеданса

Рефлектометр подает сигнал на проводник тестируемой печатной платы для измерения отражений, которые возникают, когда сигнал проходит через среду передачи. Если импеданс проводника однородный, отражения не наблюдаются, а зондирующий импульс поглощается на дальнем конце линии передачи оконечной нагрузкой. И наоборот, если импеданс претерпевает разрывы, некоторые сигналы отражаются обратно к источнику (в данном случае к рефлектометру). Прибор сравнивает эти отражения с теми, что генерируются стандартным импедансом. Так определяется импеданс разрыва в сигнальном тракте. Расстояние до отражающей неоднородности можно рассчитать по времени, необходимому импульсу для возврата.

Как измеряется импеданс?

Для определения того, как изменяется импеданс, используются два параллельных проводника. Любое соединение, тип кабеля/трассы, обрыв кабеля/трассы или неисправность изменят значение импеданса. Каждый тип изменения по-своему влияет на отображение на приборе. Положительное значение отражения соответствует более высокому импедансу, отражение меньшей величины указывает на меньший импеданс (рис. 4).

Измерения импеданса имеют ограничения — например, минимальное время нарастания. Суммарное время нарастания состоит из времени нарастания возбуждающего импульса и времени нарастания на осциллографе, который мониторит отражения. Следует учитывать, что характеристический импеданс не меняется с изменением частоты, а является неотъемлемым свойством проводящей дорожки.

Импульсная и шаговая технологии

Импульсная технология

Импульсная технология в рефлектометрии — давно зарекомендовавший себя подход, когда источник передает один импульс, а затем отключается. Далее срабатывает приемник, отмечая отражения сигнала. Промежуток времени между выключением передатчика и включением приемника создает так называемую мертвую зону. Более длинный импульс увеличивает дальность измерения, но расширяет мертвую зону за счет роста времени активации приемника. Если оператор подает более короткий импульс, мертвую зону можно уменьшить, но это огра ничивает диапазон измерения. Еще одна особенность, связанная с импульсной технологией,— малая энергия сигнала, которая ухудшает отношение сигнал/шум и дает неполную картину при тестировании кабеля.

Шаговая технология

Шаговая технология, которая, в частности, используется в рефлектометре VIAVI DSP TDR для тестирования коаксиальных кабелей, позволяет передатчику непрерывно отправлять сигналы, а приемнику в это время прослушивать отраженные сигналы. Эта технология исключает проблему «мертвой зоны» как таковой, избавляя оператора от трудоемкой работы по настройке ширины импульса и обеспечивая быстрое получение полноценной оценки всего кабеля. Ступенчатый сигнал с более высокой энергией увеличивает отношение сигнал/шум. Ступенчатая технология с функцией цифрового усреднения также позволяет эффективно уменьшать помехи, приводящие к ухудшению принимаемого  сигнала.

Временная или частотная область?

TDR — это рефлектометр, использующий метод наблюдения за формой отраженного сигнала. Он не работает в частотной области. Высокочастотные гармоники, присутствующие в импульсе, в основном проявляются в скорости нарастания (или спада) фронта. Однако импеданс измеряется на плоской вершине импульса, а не на фронте. В случае импульса с быстрым нарастанием преобразование Фурье показывает гармоники с более высокой частотой, чем импульс с медленным временем нарастания. Хотя при тестировании во временной области все гармоники импульса отражаются вместе, а отражение  представляет собой совокупность всех его частот. Для теста необходимо использовать, например, векторный анализатор цепей, который использует синусоидальный сигнал в заданном диапазоне и выполняет проверку на определенных частотах. Обычно так делается для определения потери сигнала на этих частотах. Производители печатных плат, как правило, не применяют анализаторы цепей из-за следующих недостатков:

• сложность в использовании;
• необходимость ручного вмешательства;
• длительный промежуток времени между измерениями и результатом (от нескольких секунд до минут).

Проверку с помощью TDR-прибора может проводить и неквалифицированный оператор, а измерения и вычисления выполняются за доли секунды. Этот прибор дает воспроизводимые результаты вне зависимости от пользователя, а параметры тестирования легко программируются и не требуют вмешательства специалиста. Теоретически импеданс линии быстро падает до стабильного уровня, как показано на рис. 5.

Диэлектрическая проницаемость E_r может уменьшаться с частотой. С увеличением частоты E_r немного уменьшается, как видно из рис. 6, но поскольку величина Z_o обратно пропорциональна √E_r, это оказывает минимальное влияние на импеданс. На рисунке приведены типичные показатели проводящей дорожки печатной платы: √4,2 = 2,0494, √3,98 = 1,995, а значит, изменение составляет всего 2,7%. Импеданс проводящей дорожки выглядит следующим образом (обратите внимание на дополнительные 1,5 Ом и тот факт, что его характеристика почти пологая выше 800 кГц) (рис. 7).

Падение импеданса связано с распределением тока в поперечном сечении проводящей дорожки, а именно с тем, что ток не распределяется равномерно по четырем поверхностям, а больше тяготеет к той стороне дорожки, которая обращена к опорным плоскостям. Приближение к опорной плоскости снижает индуктивность контура и увеличивает кажущуюся емкость, что приводит к уменьшению импеданса. Дополнительные 1,5 Ом обусловлены проводимостью меди (или удельным сопротивлением) и глубиной  проникновения поля на частотах выше нескольких кГц. Чем длиннее кривая на рефлектограмме, тем больше сопротивление (рис. 8).

Для измерения импеданса на плате некоторые OEM-производители включают специальные тестовые фиктивные проводящие дорожки в готовые печатные платы. Обычно для оценки качества изготовления платы используются тест-купоны на ее краях, однако зачастую они недостаточно точно отражают условия трассировки. Фиктивные дорожки, расположенные на плате вместе с фактически проводящими дорожками, позволяют лучше учитывать размеры платы, материал заготовки и т.д. Однако следует принимать во внимание, что фиктивные дорожки могут также создать ряд проблем. Перечислим некоторые из них.

• Как связать опорные плоскости, не затронув остальную часть платы? На практике платы содержат разделительные конденсаторы и подключаются к источникам питания с очень низким импедансом.
• Использование фиктивных дорожек увеличивает размеры платы: они занимают ее ценную площадь, что повышает стоимость изготовления.
• Дилемма: тестирование трассировки дорожек на каждой плате приведет к увеличению производственных затрат, а выполнение процедуры лишь выборочно делает бессмысленным наличие фиктивных дорожек на всех платах в партии.
• Ошибки трассировки, например нежелательные ответвления, могут повлиять на сигнал и создать помехи.
• Доступ зонда к проводящей дорожке и опорному слою практически невозможен. Полосковые дорожки на плате предназначены для обеспечения заданного импеданса при соответствующих нагрузке и питании.

Производители плат имеют больше возможностей для тестирования полосковых линий во время сборки, потому что на определенной стадии технологического процесса каждая полосковая линия представляет собой микрополоску (до ламинирования). На этом этапе дорожки и единая опорная плоскость становятся более доступными для тестирования, а анализатор цепей может предсказать величину импеданса дорожки. Если последующие ламинирования выполнены в точности с проектом, обеспечивается требуемый импеданс. При этом измерение с помощью рефлектометра дает среднюю высоту отраженного сигнала.

Далее посмотрим, как изменится средняя высота импульса при добавлении высокочастотных гармоник: на рис. 9 показано сложение основной гармоники и ее 3-й гармоники. Из рис. 10–11 видно, как изменяется средняя высота импульса при добавлении 5-й гармоники, а также при добавлении всех гармоник вплоть до 23-й. Можно сделать вывод, что добавление высших гармоник делает отражение более пологим, не меняя его амплитуды (рис. 12).

Коэффициент отражения при измерении импеданса рефлектометром

Измерения импеданса с помощью рефлектометра определяются с точки зрения коэффициента отражения. Параметр ρ представляет собой отношение  амплитуды отраженного импульса VReflected к амплитуде зондирующего импульса VIncident.

ρ = V_Reflected/V_Incident.

Для фиксированной оконечной нагрузки Z_L значение ρ может указываться с помощью полного сопротивления линии Z_o и импеданса нагрузки Z_L:
V_Reflected/V_Incident = (Z_L – Z_o)/(Z_L + Z_o).

Теперь можно добавить значения для проверки состояния согласованной нагрузки, короткого замыкания и обрыва нагрузки. В данном случае ρ изменяется в диапазоне 1…–1, где 0 означает согласованную нагрузку.

1. Если Z_L = Z_o, то нагрузка согласована.
V_Reflected = 0, и ρ = 0.
В таком случае: ρ = V_Reflected/V_Incident = 0/V = 0.

2. Z_L = 0 означает короткое замыкание, то есть V_Reflected = –V_Incident.
Тогда: ρ = V_Reflected/V_Incident = –V/V = –1.

3. Z_L = ∞ отражает обрыв нагрузки. Это значит, что V_Reflected = V_Incident.
Тогда: ρ = V_Reflected/V_Incident = V/V = 1.

Расчет импеданса линии передачи и нагрузки

Z_L = Z_o(1 + ρ)/(1 – ρ).

Измерения импеданса с помощью рефлектометра отображаются в единицах В, Ом или ρ (по вертикальной шкале величин) и по времени (по горизонтальной оси). На рис. 13–15 приведены результаты, полученные с помощью рефлектометра с разными импедансами и нагрузками.

Проверка разрывов трассировки платы с помощью рефлектометра

Сигнал, представленный на рис. 1, является результатом прохождения идеального импульса через проводник. Рефлектометр генерирует точно контролируемый импульс с малым временем нарастания. Если же отправить импульс данных по тому же тракту, искаженный импульс данных будет испытывать влияние многих  неоднородностей на этом пути, что приведет к появлению проблем. По этой причине измерения импеданса с помощью рефлектометра выполняются повторно для оценки целостности сигнала после устранения обрывов.

Измерение импеданса дифференциальных линий передачи

В большинстве высокоскоростных конструкций используются дифференциальные линии передачи, в отношении которых также могут применяться  несимметричные методы измерения импеданса с помощью рефлектометра. Для этого используются два режима, связанные с характеристическим импедансом и скоростью распространения линии передачи, — импеданс нечетной и четной моды.

Мы дадим несколько подсказок, относящихся к измерению дифференциального импеданса:

• импеданс нечетной моды измеряется путем расчета импеданса по одной линии, тогда как дополнительный сигнал управляет другой линией;
• дифференциальный импеданс измеряется между двумя линиями, когда пара управляется дифференциально;
• дифференциальный импеданс равен удвоенному импедансу нечетной моды;
• импеданс четной моды измеряется на одной линии, в то время как эквивалентный сигнал возбуждает другую линию;
• импеданс синфазного сигнала определяется как импеданс параллельно соединенных линий, который составляет половину импеданса четного режима.

Модуль TDR подает ступенчатый импульс с возможностью выбора полярности для каждого из двух каналов для точного измерения дифференциального импеданса. При таком подходе система может фактически управляться дифференциально. Реакция каждой стороны дифференциальной линии регистрируется отдельно и оценивается как дифференциальная величина. В рефлектометрической системе с зондирующим пошаговым импульсом добавление двух каналов дает дифференциальный импеданс.

Тестирование с помощью рефлектометра представляет собой удобный и надежный метод определения импеданса несимметричных и дифференциальных линий, а также сетей передачи. TDR-метод основан на том, что любое изменение импеданса в линии или сети передачи вызывает отражения, зависящие от величины разрыва. Современные приборы с TDR-поддержкой автоматически сравнивают амплитуды падающего и отраженного сигналов, чтобы обеспечить прямое считывание импеданса, коэффициента отражения и времени не только для синфазного, но и дифференциального импеданса.

Кроме того, математические функции могут автоматически отображать результаты рефлектометрии для выбранного  пользователем времени нарастания. Это позволяет увидеть реакцию тестируемого устройства на сигналы, с которыми оно будет работать при эксплуатации.

Используя последовательные процедуры, защиту от статическогоэлектричества и передовые методы измерения, можно получить стабильные и точные  рефлектометрические результаты.