理解信號(hào)完整性中，TDR阻抗測(cè)量的原理與應(yīng)用

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隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)各數(shù)字接口的速度要求越來(lái)越高，對(duì)信號(hào)完整性的要求隨之越來(lái)越嚴(yán)苛。控制阻抗，是信號(hào)完整性重要要求之一，TDR是測(cè)量特性阻抗的基本技術(shù)。今天就來(lái)介紹下TDR測(cè)量的基本原理與應(yīng)用。

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TDR（Time Domain Reflectometry ）稱為時(shí)域反射計(jì)，是利用信號(hào)的反射來(lái)評(píng)估鏈路中阻抗變化的程度。它基本的工作原理見下圖：TDR測(cè)試設(shè)備的輸出阻抗是50歐姆，通過50Ω線纜連接到待測(cè)鏈路DUT，設(shè)備輸出一個(gè)上升沿非常抖的階躍信號(hào)給待測(cè)的傳輸環(huán)境，如果待測(cè)傳輸環(huán)境阻抗不連續(xù)，那么將會(huì)發(fā)生反射（正反射或負(fù)反射），反射的信號(hào)被采樣，設(shè)備把待測(cè)環(huán)境的反射與標(biāo)準(zhǔn)阻抗生產(chǎn)的反射進(jìn)行比較，就可以得到阻抗變化量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)阻抗測(cè)量。

下圖是阻抗不連續(xù)時(shí)典型的時(shí)域波形圖，圖中是發(fā)生了正反射，綠色信號(hào)是理想的信號(hào)，紅色是實(shí)際反射后的信號(hào)，可以看到在信號(hào)的上升/下降邊沿產(chǎn)生了振鈴。

這里額外介紹下，在使用示波器測(cè)量信號(hào)時(shí)，如果使用了較長(zhǎng)的地線，會(huì)使得測(cè)量鏈路中環(huán)路電感增加，發(fā)生諧振，也會(huì)引起震蕩，使得測(cè)試不準(zhǔn)確，因此在測(cè)量要求比較嚴(yán)格時(shí)，要使用接地彈簧進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。

下面以實(shí)際采集波形來(lái)具體介紹TDR的應(yīng)用，TDR設(shè)備連接到開路的終端，根據(jù)反射系數(shù)公式：

Z1=50Ω，Z2為開路，此時(shí)Z2阻抗為無(wú)窮大，是正反射，反射系數(shù)=1，那么入射的電壓的幅度Vinc，到達(dá)終端時(shí)幅值就會(huì)全反射，入射信號(hào)和反射信號(hào)疊加為2Vinc，在下圖中，250mV的信號(hào)，達(dá)到終端后變?yōu)?00mV，這就是終端開路，阻抗無(wú)窮大時(shí)，終端端接無(wú)效的時(shí)域波電壓波形。

由TDR原理可知，TDR除了可以測(cè)量阻抗，當(dāng)然也可以測(cè)量距離，比如測(cè)量線路長(zhǎng)度。下面看下終端開路時(shí)的阻抗波形，反射1是設(shè)備接入待測(cè)鏈路的連接點(diǎn)，從阻抗曲線可以看出，連接點(diǎn)阻抗突變，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一次反射，在全反射位置處，鏈路是開路狀態(tài)，此時(shí)阻抗為無(wú)窮大。

在反射1和全反射之間可以看到時(shí)間大約相差500ps，由于TDR的測(cè)量過程，是設(shè)備輸出信號(hào)到終端再反射回來(lái)的過程，因此信號(hào)走了雙倍線路長(zhǎng)度，那么信號(hào)走的單程時(shí)間就是500/2=250ps。在普通FR4類PCB中，信號(hào)的速度大于是6 inch/ns (0.01524 cm/ps)，高速板材介電常數(shù)小一點(diǎn)，信號(hào)速度略高一些。如果是FR4板材的話，那么就可以估算出走線的長(zhǎng)度，大約是，0.01524*(500/2)=3.81cm。

以上就是TDR阻抗測(cè)量的基本原理與應(yīng)用。

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