許麗芬 蔡 林 王天生 歐志強(qiáng)
(廣東正業(yè)科技股份有限公司,廣東 東莞 523808)
在數(shù)字化信息時(shí)代,作為電子設(shè)備中的各個(gè)電子元器件間相互連接的載體PCB的線路,已不只是作為電流流通傳輸線,而是要作為信號(hào)傳輸線的作用。這就要求,對(duì)于高頻信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)的PCB線路的電氣測(cè)試,不僅要測(cè)試線路的通、斷和短路,而且還要測(cè)量信號(hào)傳輸時(shí)要求的阻抗值是否滿足規(guī)定要求,才能判定該線路板是否合格。
作為信號(hào)傳輸?shù)淖杩咕€路,在傳統(tǒng)的PCB生產(chǎn)工藝和測(cè)量方法里,PCB生產(chǎn)商一般都是根據(jù)電子設(shè)計(jì)工程師提供的阻抗設(shè)計(jì)要求,在PCB板周邊制作相應(yīng)的阻抗參考線,用傳統(tǒng)的測(cè)量方法來(lái)測(cè)試阻抗參考線路判定該阻抗值是否滿足要求。此時(shí)測(cè)量阻抗參考線的阻抗值,只是一個(gè)參考值,并不能完全真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際阻抗線路的阻抗值,在信號(hào)傳輸質(zhì)量要求高的阻抗線路里,這就影響到信號(hào)的傳輸,由此可見(jiàn)傳統(tǒng)的參考阻抗線路制作方式及測(cè)量方法已不能滿足要求。由以上原因可知,越來(lái)越多的PCB廠家的客戶要求提供板內(nèi)真實(shí)阻抗線路的阻抗值將成為趨勢(shì)。
引發(fā)高頻、高速數(shù)字信號(hào)完整性問(wèn)題的信號(hào)質(zhì)量和延時(shí),主要由線路互連、電源和器件所引起。信號(hào)在PCB傳輸線傳輸時(shí)是一個(gè)瞬態(tài)的過(guò)程,每一個(gè)瞬間信號(hào)所在位置不同,其感受到的“環(huán)境”有可能不同,因此PCB傳輸線局部環(huán)境變化時(shí),即阻抗變化時(shí),會(huì)影響到信號(hào)的行為,并最后反映到信號(hào)波形中,這就要求PCB傳輸線的各個(gè)連接點(diǎn)阻抗必須匹配,并且要與信號(hào)發(fā)送器激勵(lì)源阻抗及負(fù)載阻抗相匹配,這就是阻抗匹配原則。
特性阻抗是指PCB傳輸線作為信號(hào)傳輸線時(shí)同時(shí)存在分布電容和分布電感,信號(hào)在向前傳輸?shù)倪^(guò)程中,如果傳輸線是均勻的,信號(hào)不論傳輸?shù)侥膫€(gè)位置所感受到得阻抗都一樣,就可以用一個(gè)阻抗值表示整條傳輸線的阻抗值,即特性阻抗。特性阻抗公式如下:
Z0表示阻抗值,L表示單位長(zhǎng)度的電感值,C表示單位長(zhǎng)度的電容值。
在PCB信號(hào)傳輸線里,由于各種原因,即使是單一的信號(hào)傳輸線,傳輸線也不可能完全均勻,沿傳輸線各點(diǎn)瞬態(tài)阻抗是變化的。只要這種變化小,就可以用特性阻抗近似表示整體阻抗,即理想信號(hào)傳輸線。也可以說(shuō)是PCB傳輸線阻抗絕對(duì)匹配。圖1是理想狀態(tài)下信號(hào)傳輸線的瞬態(tài)阻抗集總參數(shù)模型。
阻抗設(shè)計(jì)的重要意義就是保證信號(hào)完整性,而信號(hào)完整性主要依賴于傳輸線的阻抗匹配。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的阻抗線路中,特性阻抗并不是單一的,還有差分阻抗等,其影響的因素有:
(1)介電常數(shù),與阻抗值成反比 (Dk值越高,Z0值越低);
(2)線路層與地線層間介質(zhì)層的厚度,與阻抗值成正比,參考層間介質(zhì)層厚度(介質(zhì)層越厚,Z0值越高);
(3)線寬,與阻抗成反比(線寬值越小,Z0值越高);
(4)銅厚,與阻抗值成反比(銅越厚,Z0值越低);
(5)差分阻抗相鄰線路與線路之間的間距,與阻抗值成正比(間距越小,Z0值越低);
(6)線路層與線路層間介質(zhì)層厚度,與阻抗值成反比;
(7)阻焊厚度,與阻抗值成反比(阻焊越厚,Z0值越低)。
又由于在實(shí)際的PCB信號(hào)傳輸線都有損耗,信號(hào)在有損耗的傳輸線上傳輸,并不是所有的能量都能傳輸?shù)浇邮斩?,因此就出現(xiàn)信號(hào)延時(shí),影響信號(hào)延時(shí)的傳輸線損耗因素有:
①阻性損耗;
②介質(zhì)損耗;
③耦合損耗到臨近線;
④阻抗不連續(xù);
⑤對(duì)外輻射。
因此由以上影響因素可知,阻抗設(shè)計(jì)的重要意義在于綜合考慮影響因素,保證PCB信號(hào)傳輸線阻抗匹配,從而保證信號(hào)完成性。以圖2為常見(jiàn)的實(shí)際PCB信號(hào)傳輸線設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的阻抗板。
圖2(A)圖形是減少阻抗不連續(xù),避免線路走線設(shè)計(jì)為直角;圖2(B)圖形是根據(jù)時(shí)序要求,差分信號(hào)線設(shè)計(jì)為等長(zhǎng),因此線路走線設(shè)計(jì)為蛇線形。
研制高精度TDR(時(shí)域反射)可調(diào)探頭的意義從以下幾點(diǎn)分析可知:
真實(shí)PCB信號(hào)線路類型:根據(jù)高頻、高數(shù)字信號(hào)在PCB信號(hào)線上傳輸要求的信號(hào)完整性推出的阻抗匹配原則,又由阻抗匹配原則得知阻抗設(shè)計(jì)的意義,可知阻抗線路的類型多樣性,如圖2所示。
傳統(tǒng)的測(cè)量方法:由于受到當(dāng)時(shí)TDR測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)量工具的影響,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB內(nèi)部真實(shí)信號(hào)傳輸線進(jìn)行TDR阻抗測(cè)量,一般的PCB生產(chǎn)商都會(huì)在PCB板邊或中間加上具有測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試條,稱為阻抗參考線。典型的PCB阻抗參考線,為方便測(cè)試探針的連接,測(cè)試點(diǎn)的間距通常達(dá)2.54 mm(0.1 inch)或更大。如圖3阻抗參考線。
PCB信號(hào)線路板制作的阻抗參考線和真實(shí)阻抗線區(qū)別:
(1)參考線測(cè)試點(diǎn)的間距一般固定為2.54 mm、3.54 mm、5.08 mm,而板內(nèi)真實(shí)阻抗線的端接間距不同的,隨著QFP、PLCC、BGA封裝的出現(xiàn),芯片接腳間距遠(yuǎn)小于雙列直插式IC封裝間距(如2.54 mm)。
(2)參考線線路是理想的直線,而板內(nèi)真實(shí)阻抗線路一般是不規(guī)則的。PCB設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)人員很容易將參考線的線路理想化,但PCB上的真實(shí)阻抗線路則會(huì)因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致線路不規(guī)則。
(3)參考線線路與板內(nèi)真實(shí)阻抗線路在整個(gè)PCB上的位置不同。參考線線路都位于電路板邊緣,在PCB出廠時(shí)會(huì)被生產(chǎn)商去掉。而板內(nèi)真實(shí)走線的位置則相當(dāng)多樣,分布無(wú)規(guī)律。
(4)參考線線路一般都是唯一,而板內(nèi)真實(shí)阻抗線路由于PCB板布線空間的影響,周圍會(huì)存在其他線路,比如信號(hào)線、地線、電源線、過(guò)孔等。
(5)由以上4項(xiàng)可知:導(dǎo)致參考線的阻抗與板內(nèi)真實(shí)阻抗線的阻抗存在如下差異。第一是參考線測(cè)試點(diǎn)間距與參考線線路的間距不同,導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)與線路之間的阻抗不連續(xù)。而PCB板內(nèi)的真實(shí)阻抗線末端間距與走線間距相等或非常相近,因此會(huì)導(dǎo)致阻抗測(cè)試結(jié)果存在差異。第二是不規(guī)則的線路與理想線路反映的阻抗變化不一致。在線路轉(zhuǎn)彎處(如蛇線形)的阻抗如果沒(méi)有控制好繞線參數(shù)會(huì)導(dǎo)致阻抗不連續(xù),而參考線是理想化線路則不能反映由于線路彎曲所帶來(lái)的阻抗不連續(xù)現(xiàn)象。第三是參考線與真實(shí)阻抗線在PCB板上所處的位置不同,PCB采用多層走線設(shè)計(jì)時(shí),在生產(chǎn)時(shí)需經(jīng)過(guò)壓制,如果是FPC板,F(xiàn)PC一般都是雙面板,板子比較薄,貼覆蓋膜時(shí),目前大多數(shù)FPC生產(chǎn)廠家多采用人工粘貼,因此不論是PCB壓制或FPC人工粘覆蓋膜,電路板上的不同位置所受到的壓力也不可能完全一致,這樣就導(dǎo)致PCB不同位置上的介電常數(shù)不同或者FPC覆蓋膜粘貼不均勻,都會(huì)導(dǎo)致阻抗值不同。最后是其它線路的干擾引起的阻抗不一致。由于真實(shí)阻抗線路周圍有其他線路的存在,其會(huì)受到其他線路的干擾,而參考線線路所處環(huán)境較單一,其自身沒(méi)有其他線路的干擾,因此參考線路不能真實(shí)反應(yīng)板內(nèi)阻抗值的變化。圖4列舉阻抗參考線和真實(shí)的阻抗線區(qū)別,表1是實(shí)測(cè)阻抗參考線和真實(shí)的阻抗線阻抗值。
由此可見(jiàn),僅對(duì)PCB的參考線進(jìn)行TDR阻抗測(cè)試并不能真實(shí)反應(yīng)PCB線路阻抗。無(wú)論是PCB生產(chǎn)商、高頻電路設(shè)計(jì)人員或制造者,都希望能對(duì)PCB板內(nèi)的真實(shí)信號(hào)線路直接進(jìn)行TDR阻抗測(cè)試,以獲得準(zhǔn)確的阻抗信息。因此研制高精度TDR可調(diào)探頭,解決PCB生產(chǎn)商、高頻電路設(shè)計(jì)人員或制造者測(cè)試PCB板內(nèi)真實(shí)線路阻抗的問(wèn)題就顯得十分必要了。
表1 實(shí)測(cè)阻抗參考線和真實(shí)的阻抗線阻抗值
高精度TDR可調(diào)探頭制作原理分為兩部分,機(jī)械設(shè)計(jì)原理和電子設(shè)計(jì)原理。
高精度TDR可調(diào)探頭的機(jī)械設(shè)計(jì)原理是通過(guò)改變探頭中兩根測(cè)試探棒間的距離,使測(cè)試探針間距與被測(cè)阻抗線路測(cè)試點(diǎn)距離相匹配達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)試。兩根測(cè)試探棒間距離的改變是通過(guò)兩根探棒分別固定在兩塊滑塊上,兩塊滑塊中間穿插一個(gè)可旋轉(zhuǎn)滾輪,通過(guò)旋轉(zhuǎn)滾輪達(dá)到移到探棒的效果。
高精度TDR可調(diào)探頭電子設(shè)計(jì)原理從TDR阻抗測(cè)量方法,可調(diào)探頭自身阻抗與TDR測(cè)試系統(tǒng)阻抗匹配度及差分可調(diào)探頭參考地線處理方法可知。
4.4.1 TDR阻抗測(cè)量方法
TDR阻抗測(cè)量方法是通過(guò)信號(hào)反射得到線路中阻抗變化。其測(cè)量方法是TDR測(cè)試儀輸出阻抗50 W,通過(guò)50 W測(cè)試電纜連接到被測(cè)目標(biāo)線路。儀器輸出高頻率的階躍信號(hào),如果被測(cè)目標(biāo)線路有阻抗變化,將會(huì)發(fā)生信號(hào)反射,TDR根據(jù)反射量的大小就能計(jì)算出阻抗變化。其測(cè)量方法如圖5。
圖5 TDR阻抗測(cè)量方法
依據(jù)反射公式,反射系數(shù)為ρ,入射信號(hào)為Vin,反射信號(hào)為Vr,被測(cè)線路入口處測(cè)得的信號(hào)為Vmeas,因此就有如公式(1)。
4.4.2 可調(diào)探頭自身阻抗與TDR測(cè)試系統(tǒng)阻抗匹配度
由TDR阻抗測(cè)量方法得出的被測(cè)件阻抗計(jì)算公式可知,制作可調(diào)探頭時(shí),其組成部件測(cè)試探棒和探針,可通過(guò)探棒連接器與50 W電纜線連接,以探棒連接器為信號(hào)入口點(diǎn)測(cè)得探棒和探針的阻抗值。由于TDR可調(diào)探頭是TDR阻抗測(cè)試儀測(cè)試PCB信號(hào)阻抗線的連接體,當(dāng)測(cè)試件來(lái)看待而不是被測(cè)件,就要求其自身阻抗必需與TDR測(cè)試系統(tǒng)的阻抗相匹配。作為TDR可調(diào)探頭關(guān)鍵部件的測(cè)試探棒和探針,兩者的材料和制作工藝尤為重要。測(cè)試探棒和探針的材料選的是與TDR測(cè)試儀校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件一樣的空氣棒,其阻抗精度高,達(dá)到(50±1%)W;測(cè)試探棒和探針制作工藝是兩者為一體,以測(cè)試探棒的金屬心通過(guò)加工制成探針,減少測(cè)試探棒與探針因焊接引起的阻抗不連續(xù),因此其阻抗匹配好,精度高。表2列舉TDR差分可調(diào)探頭和傳統(tǒng)差分固定探頭各項(xiàng)性能。
4.4.3 TDR差分可調(diào)探頭參考地線處理方法
對(duì)于特性阻抗,由于信號(hào)電流主要從信號(hào)線流向參考地線,構(gòu)成電流回路,其阻抗測(cè)試必須有兩個(gè)測(cè)試點(diǎn),即信號(hào)和參考地測(cè)試點(diǎn),因此單線探頭只要處理好信號(hào)探棒和參考地探棒相互移動(dòng)距離即可。
但對(duì)于差分阻抗,信號(hào)使用兩條阻抗傳輸線傳輸信號(hào),差分驅(qū)動(dòng)器和接收器均有兩個(gè)信號(hào)傳輸端口同時(shí)傳接信號(hào),因此真實(shí)的PCB差分阻抗設(shè)計(jì)只有兩個(gè)信號(hào)端口。在理想狀態(tài)下差分驅(qū)動(dòng)器的輸送的兩個(gè)信號(hào)邊沿對(duì)齊,極性相反的階躍信號(hào),沿著各自的傳輸線,到達(dá)接收器;如果不考慮兩個(gè)信號(hào)之間的特殊關(guān)系,對(duì)其中的任意一個(gè)信號(hào)和單線信號(hào)沒(méi)有區(qū)別。由于高精度TDR差分可調(diào)探頭信號(hào)探棒選擇的是阻抗值精度極高的標(biāo)準(zhǔn)件制作,其兩根測(cè)試探棒分別從兩根50Ω電纜線接收的信號(hào)沿各自單線傳輸?shù)教结樐┒耍鋬筛盘?hào)測(cè)試探棒的信號(hào)電流回路如圖6所示。
表2 TDR差分可調(diào)探頭和傳統(tǒng)差分固定探頭各項(xiàng)性能
圖6 TDR差分可調(diào)探頭兩根信號(hào)測(cè)試探棒電流回路
就像上面所闡述的,真實(shí)的PCB差分阻抗線路設(shè)計(jì)只有兩個(gè)信號(hào)端口,兩個(gè)差分信號(hào)電壓方向相反,因而對(duì)應(yīng)的電流方向相反,對(duì)于PCB差分信號(hào)來(lái)講就構(gòu)成一個(gè)虛擬回路,其電流回路如圖7所示。
由圖6、圖7所示可知,差分可調(diào)探頭信號(hào)測(cè)試探棒電流回路和被測(cè)件PCB差分信號(hào)電流回路不同,因此為了測(cè)試PCB差分信號(hào)線阻抗,必須在TDR差分可調(diào)探頭的兩根信號(hào)測(cè)試探棒末端的參考地端接,平衡兩根信號(hào)線參考地線電流,實(shí)現(xiàn)與真實(shí)PCB差分信號(hào)線虛擬接地一致。如圖8高精度TDR差分可調(diào)探頭參考地線端接設(shè)計(jì)原理圖及實(shí)物圖。
測(cè)試數(shù)據(jù)分析主要通過(guò)高精度TDR可調(diào)探頭與固定探頭做測(cè)試數(shù)據(jù)及波形對(duì)比、做MSA測(cè)試驗(yàn)證及與國(guó)外同類型的可調(diào)探頭做測(cè)試對(duì)比,分析其性能。
高精度TDR可調(diào)探頭與固定探頭做測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比:
驗(yàn)證方法:隨機(jī)抽取10根不同的差分參考阻抗線,用高精度TDR差分可調(diào)探頭與差分固定探頭做測(cè)試對(duì)比。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表3。
高精度TDR可調(diào)探頭與固定探頭做測(cè)試波形對(duì)比:
驗(yàn)證方法:隨機(jī)抽取1根長(zhǎng)度等于7 cm的差分參考阻抗線,用高精度TDR差分可調(diào)探頭與差分固定探頭做測(cè)試對(duì)比。具體測(cè)試波形如圖9。
由測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的曲線圖可知,高精度TDR差分可調(diào)探頭測(cè)試的數(shù)據(jù)與差分固定探頭測(cè)試的基本一致,最大偏差為0.5 W,偏差率為0.25%。又由測(cè)試波形可知,高精度TDR差分可調(diào)探頭測(cè)試較短阻抗線路的波形比差分固定探頭測(cè)試的較平滑。由此可見(jiàn),高精度TDR差分可調(diào)探頭能滿足測(cè)試要求。
MSA(測(cè)試系統(tǒng)分析)測(cè)試驗(yàn)證主要以高精度TDR差分可調(diào)探頭為測(cè)量工具進(jìn)行實(shí)施。
5.2.1 高精度TDR差分可調(diào)探頭的重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)分析
驗(yàn)證方法:任意抽取10條真實(shí)差分信號(hào)線路,阻抗從90 W ~ 100 W,測(cè)量要求范圍為±10%,對(duì)每條真實(shí)差分信號(hào)線路從1至10標(biāo)記不同的序號(hào);讓測(cè)量人A以通常方法隨機(jī)對(duì)這10條真實(shí)差分信號(hào)線路進(jìn)行1次測(cè)量,測(cè)量時(shí)要求測(cè)量人不能看到真實(shí)差分信號(hào)線路的序號(hào),每測(cè)完一條真實(shí)差分信號(hào)線路后可以查看線路上的序號(hào),并將測(cè)量數(shù)據(jù)填入到MSA GR&R分析表中;讓測(cè)量人B和測(cè)量人C重復(fù)測(cè)量人A的步驟;讓測(cè)量人A、B、C對(duì)所有的真實(shí)差分信號(hào)線路循環(huán)測(cè)量3次,將測(cè)量數(shù)據(jù)填入到高精度TDR差分可調(diào)探頭重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)表。
由以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知,設(shè)備變差占3.3%,測(cè)量人變差占1.5%,重復(fù)性和再現(xiàn)性(GRR)變差占3.6%,零件變差將近99.9%,說(shuō)明零件變差是測(cè)量系統(tǒng)的變差主要來(lái)源,測(cè)量人員和測(cè)量工具的變差小,說(shuō)明高精度TDR差分可調(diào)探頭操作簡(jiǎn)單,測(cè)量數(shù)值接近真值。且該測(cè)量系統(tǒng)的有效分辨率級(jí)數(shù)ndc=38.631,大于5,表示該測(cè)量工具有足夠的分辨力,能夠探測(cè)過(guò)程變差。
5.2.2 高精度TDR差分可調(diào)探頭的穩(wěn)定性分析
驗(yàn)證方法:任意抽取兩根不同類型的阻抗線路,F(xiàn)PC差分信號(hào)阻抗線路和阻抗參考線各一條,讓同一個(gè)測(cè)量人每天對(duì)每個(gè)樣品以通常方法進(jìn)行5次測(cè)量,連續(xù)18天對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集;將測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到穩(wěn)定性分析表中。
由測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知,所有的X均值控制和R極差控制都在控制限內(nèi),說(shuō)明測(cè)量工具的重復(fù)性是穩(wěn)定的,且測(cè)量一致性高。
5.2.3 高精度TDR差分可調(diào)探頭的偏倚性分析
驗(yàn)證方法:任取一根差分信號(hào)阻抗線為標(biāo)準(zhǔn)樣品,對(duì)該阻抗線測(cè)量10次,取其均值作為基準(zhǔn)值;讓一個(gè)測(cè)量人以通常方法對(duì)該差分阻抗線測(cè)量15次;將測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入到偏倚分析表中。
由測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知,該測(cè)量工具的偏倚性是在置信水平為95%的條件下進(jìn)行分析的,數(shù)據(jù)結(jié)果表明偏倚=0值落在置信區(qū)間(-0.0101,0.1061)內(nèi),說(shuō)明偏倚可接受,表示測(cè)量工具測(cè)量準(zhǔn)確度高。
驗(yàn)證方法:任意抽取10條不同類型的阻抗線路(單線50Ω和差分100),在客戶的協(xié)同下,將高精度TDR可調(diào)探頭與國(guó)外同類型的可調(diào)探頭進(jìn)行了一次對(duì)比測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如表7。
由測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比可知,繪出兩款不同TDR可調(diào)探頭對(duì)不同阻抗線路的測(cè)試曲線,從中可以看2條曲線大致重合,偏差小,不超過(guò)1.5%,最大偏差值小于1.5 W。從上述實(shí)驗(yàn)中可以得出,此款高精度TDR可調(diào)探頭與國(guó)外的水平比較接近,在數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確度上與國(guó)際品牌大致一致。
綜上所述,高精度TDR可調(diào)探頭能夠滿足PCB電路真實(shí)阻抗線路的測(cè)量要求。只要你有TDR測(cè)試系統(tǒng),且該系統(tǒng)能夠滿足平衡差分信號(hào)參考地線電流的,均能使用該款探頭。目前該款TDR可調(diào)探頭已有在國(guó)內(nèi)多家PCB廠家使用。
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