TDR阻抗测量的基本原理与应用

2021-06-29 09:39

原文来自公众号：工程师看海

随着科学技术的不断发展，对各数字接口的速度要求越来越高，对信号完整性的要求随之越来越严苛。控制阻抗，是信号完整性重要要求之一，TDR是测量特性阻抗的基本技术。今天就来介绍下TDR测量的基本原理与应用。

TDR（Time Domain Reflectometry ）称为时域反射计，是利用信号的反射来评估链路中阻抗变化的程度。它基本的工作原理见下图：TDR测试设备的输出阻抗是50欧姆，通过50Ω线缆连接到待测链路DUT，设备输出一个上升沿非常抖的阶跃信号给待测的传输环境，如果待测传输环境阻抗不连续，那么将会发生反射（正反射或负反射），反射的信号被采样，设备把待测环境的反射与标准阻抗生产的反射进行比较，就可以得到阻抗变化量，进而实现阻抗测量。

下图是阻抗不连续时典型的时域波形图，图中是发生了正反射，绿色信号是理想的信号，红色是实际反射后的信号，可以看到在信号的上升／下降边沿产生了振铃。

这里额外介绍下，在使用示波器测量信号时，如果使用了较长的地线，会使得测量链路中环路电感增加，发生谐振，也会引起震荡，使得测试不准确，因此在测量要求比较严格时，要使用接地弹簧进行信号测量。

下面以实际采集波形来具体介绍TDR的应用，TDR设备连接到开路的终端，根据反射系数公式：

Z1＝50Ω，Z2为开路，此时Z2阻抗为无穷大，是正反射，反射系数＝1，那么入射的电压的幅度Vinc，到达终端时幅值就会全反射，入射信号和反射信号叠加为2Vinc，在下图中，250mV的信号，达到终端后变为500mV，这就是终端开路，阻抗无穷大时，终端端接无效的时域波电压波形。

由TDR原理可知，TDR除了可以测量阻抗，当然也可以测量距离，比如测量线路长度。下面看下终端开路时的阻抗波形，反射1是设备接入待测链路的连接点，从阻抗曲线可以看出，连接点阻抗突变，信号会产生一次反射，在全反射位置处，链路是开路状态，此时阻抗为无穷大。

在反射1和全反射之间可以看到时间大约相差500ps，由于TDR的测量过程，是设备输出信号到终端再反射回来的过程，因此信号走了双倍线路长度，那么信号走的单程时间就是500／2＝250ps。在普通FR4类PCB中，信号的速度大于是6 inch／ns （0．01524 cm／ps），高速板材介电常数小一点，信号速度略高一些。如果是FR4板材的话，那么就可以估算出走线的长度，大约是，0．01524＊（500／2）＝3．81cm。

以上就是TDR阻抗测量的基本原理与应用。