),全称Time Domain Reflectometry,是一种基于电磁波反射原理的检测技术,早期用于定位通信电缆断点。该技术通过分析导体中反射波的时间和幅度变化检测阻抗不连续点,可实现千米级电缆厘米级故障定位,具有非破坏性、实时测量和高精度特点。
PCB(印制电路板)作为电子设备的核心载体,其特性阻抗的一致性与完整性直接决定了信号传输质量。然而,PCB生产过程中的过孔设计、走线偏差、焊点缺陷,或是长期使用后的线路老化、微裂纹等问题,都可能导致阻抗异常,进而引发信号完整性故障。此时,一款能够精准、快速定位阻抗问题的专业仪器就成为工程师的 “刚需工具”——仪正是基于这一需求,以时域反射(TDR)原理为核心,凭借高带宽优势,成为PCB特性阻抗测试与故障定位的关键设备。
当电路出现问题时,就像在错综复杂的迷宫中寻找一条错误的路径,不仅需要花费大量的时间和精力,还需要具备丰富的经验和专业知识。传统的检测方法往往依赖于对电路的逐一排查,效率低下,而且容易遗漏一些隐蔽的故障点。
而 TDR 技术的出现,就像是给工程师们带来了“听诊器”,为电路检测开辟了一条全新的道路。它能够快速、准确地定位电路中的故障点,大大提高了检测效率和准确性,成为了电子工程师们不可或缺的得力助手。
时域反射计(Time Domain Reflectometry,简称TDR)是一种强大的测试工具,尤其适用于高速信号完整性分析和传输线路特性测量。本文将深入介绍TDR的工作原理、应用场景以及如何高效使用它进行测试,帮助硬件工程师更好地理解和优化自己的设计。
由于TDR是时域阻抗测试原理,因此可以直接从示波器上读取到阻抗值阻抗不连续点的时间,从而可以根据延时计算出阻抗不连续点的位置。
TDR 是一种通过观察信号在传输线上的反射特性来分析线路物理属性的工具。其核心原理是:
通过分析反射波的时序和幅度,可以确定传输线的阻抗特性、缺陷位置和严重程度。
这一方法类似于声纳或雷达,区别在于 TDR 使用电信号而非声波或电磁波。
信号完整性分析:在高速数字信号传输中,阻抗不匹配会导致信号反射和失真。TDR 可以快速诊断 PCB 走线、连接器和电缆中的阻抗问题。
传输线特性测量:通过 TDR,可以测量传输线的特性阻抗、长度和介电常数。
故障定位:当传输线上出现短路、开路或焊接缺陷时,TDR 能精确定位问题的位置。
评估工艺变异影响:TDR 可用于评估 PCB 制造中的工艺偏差对走线阻抗一致性的影响。
当驱动器发射一个信号进入传输线时,信号的幅值取决于电压、缓冲器的内阻和传输线的阻抗。驱动器端看到的初始电压决定于内阻和线阻抗的分压。
源端的反射率,是根据源端阻抗(25欧姆)和传输线欧姆)根据反射系数公式计算为-0.33;
终端的反射率,是根据终端阻抗(无穷大)和传输线欧姆)根据反射系数公式计算为1;
我们按照每次反射的幅度和延时,在最初的脉冲波形上进行叠加就得到了这个波形,这也就是为什么,阻抗不匹配造成信号完整性不好的原因。
由于连接的存在、器件管脚、走线宽度变化、走线拐弯、过孔会使得阻抗不得不变化。所以反射也就不可避免。
S参数(散射参数)和时域反射(TDR)是射频和高速信号系统中分析信号完整性和传输特性的两种主要工具。它们描述了同一物理系统的特性,但在不同的领域和方式下进行。
TDR:工作在时域,通过测量时间上反射信号的变化来分析信号路径中的阻抗变化。
TDR:通过发送窄脉冲并观察返回的反射信号,可以直接在时域中定位阻抗不连续点和估算阻抗值。
TDR通过向传输路径中发送一个脉冲或者阶跃信号,当传输路径中发生阻抗变化时, 部分能量会被反射, 剩余的能量会继续传输。只要知道发射波的幅度及测量反射波的幅度,就可以计算阻抗的变化。同时只要测量由发射到反射波再到达发射点的时间差就可以计算阻抗变化的相位。
信号在传输过程中,当遇到阻抗变化时,一部分信号发生反射,一部分继续传播。不同的阻抗其反射量不一样,因此如果能测量到这个反射电压,那么理论上就可以表征阻抗大小。TDR就是利用这样的原理来进行阻抗测量的。
案例1:区分失效为芯片内部问题还是焊点问题。接收态样品包括光板、良品板、失效板。通过对光板、良品板、失效板失效的链路分别进行TDR测试,并与空载曲线进行对比,从图中可以看出,失效样品的曲线并未像正常样品一样信号进入到芯片内部,而是与光板的曲线一样,到了焊盘附近就出现开路的现象。因此可以判断开路的失效点是在焊盘的附近,即可能是焊点或焊盘走线的问题,而不是芯片内部的问题,进一步对焊点进行切片,通过切片可以观察到该链路焊点底部存在开裂异常。
案例2:定位超大失效样品内具体的失效位置。送检样品尺寸500mm*300mm,失效链路总长度约400mm,通过TDR从失效链路的两端分别进行测试,获得开路时间分别为1.79ns及2.94ns,换算可以获得开路点距离两端分别是151mm及249mm位置上,结合PCB布线图对所定位的位置进行X-Ray局部放大观察,可以发现该位置存在走线断裂的情况,而没有TDR定位的情况下,仅采用X-Ray放大观察整段线路将会耗费很长时间。而且如果不注意X-Ray衬度调节的情况下,很难明显的观察到微裂纹的存在。