DB44T 1903-2016線路板特性阻抗測(cè)試方法 時(shí)域反射法

備案號(hào)：52764-2017分類號(hào)案卷號(hào)件號(hào)線路板特性阻抗測(cè)試方法時(shí)域反射法2016-09-29發(fā)布前言 Ⅲ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語(yǔ)定義與縮略語(yǔ) 14測(cè)量系統(tǒng) 15測(cè)量?jī)x器及附件 26測(cè)試環(huán)境要求 37測(cè)量步驟 4 8 附錄C(資料性附錄)路板特性阻抗校準(zhǔn)及測(cè)試方法介紹 I本標(biāo)準(zhǔn)按照GB/T1.1-2009給出的規(guī)則起草。請(qǐng)注意本標(biāo)準(zhǔn)的某些內(nèi)容可能涉及專利。本標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。本標(biāo)準(zhǔn)由廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局提出。本標(biāo)準(zhǔn)由廣東省印制電路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(GD/TC38)歸口。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：廣東正業(yè)科技股份有限公司、廣州市標(biāo)準(zhǔn)化研究院。本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：梅領(lǐng)亮、蔡林、盛周林、曹勇、陳志勇。本標(biāo)準(zhǔn)為首次發(fā)布。Ⅲ1線路板特性阻抗測(cè)試方法時(shí)域反射法本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了印制電路板(簡(jiǎn)稱印制板)士傳輸線特性阻抗時(shí)域反射法(簡(jiǎn)稱TDR)的測(cè)試系統(tǒng)、又稱“特征阻抗”,在高頻信號(hào)傳輸過(guò)程中，傳輸線可等效成一個(gè)電阻，這個(gè)等效的電阻稱為傳5測(cè)量系統(tǒng)的精度應(yīng)滿足特性阻抗值所要求的精度。為保證系統(tǒng)的測(cè)量精度，階躍脈沖幅度誤差應(yīng)4.2.2測(cè)量范圍系統(tǒng)上升時(shí)間(ps)被測(cè)件最小長(zhǎng)度(mm)4825.1.1TDR單元輸出阻抗5.1.2時(shí)基精度時(shí)基精度應(yīng)低于系統(tǒng)上升時(shí)間的1/4。5.2.1連接器推薦使用SMA、3.5mm或者2.92mm的連接器作為系統(tǒng)測(cè)試端口的連接器，其帶寬應(yīng)匹配設(shè)備帶寬。連接器應(yīng)用力矩扳手拉緊至廠商規(guī)定值或表2所示力矩值。表2連接器力矩值連接器類型測(cè)試電纜應(yīng)為同軸電纜組件，其特性阻抗為50Q±1Ω。電纜的帶寬應(yīng)不小于設(shè)備帶寬的1.5倍，長(zhǎng)度建議為1m。常用探頭類型及使用注意事項(xiàng)參照附錄A,應(yīng)滿足以下要求：a)單端探頭阻抗應(yīng)為50Q±1Q;差分探頭阻抗應(yīng)為100Q±2Q;b)單端探頭應(yīng)包括2個(gè)探針，分別連接到信號(hào)線、地線；差分探頭應(yīng)包括2個(gè)信號(hào)探針，1個(gè)或2個(gè)參考平面探針；c)手持探頭的手柄外形應(yīng)符合人員操作方便性。探針應(yīng)性能穩(wěn)定，建議鍍金，并滿足以下要求：a)(op-ot)≥0.2mm,其中op為探針針頭直徑，?t為測(cè)試點(diǎn)孔直徑或等效圓形直徑；b)針頭角度≥30°;d)探針壓實(shí)彈力≥0.03N,一般選取0.035N。應(yīng)采用靜電保護(hù)裝置。非測(cè)試狀態(tài)下，應(yīng)切換至靜電保護(hù)狀態(tài)。測(cè)試前，被測(cè)樣品應(yīng)消除靜電。校準(zhǔn)件應(yīng)采用相同技術(shù)規(guī)范的空氣線、半剛性電纜、柔韌的同軸電纜或其他組件組合，校準(zhǔn)件的阻抗在校準(zhǔn)周期內(nèi)應(yīng)保持不變。校準(zhǔn)件的阻抗應(yīng)與被測(cè)件的特性阻抗接近。34a)環(huán)境溫度：20℃~25℃;如圖2所示，連接儀器及附件，采用502測(cè)試系統(tǒng)，按不同品牌儀器的說(shuō)明書(shū)對(duì)電纜進(jìn)行校準(zhǔn)，獲取電纜阻抗值并進(jìn)行補(bǔ)償，以清除電纜對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響。補(bǔ)償后電纜對(duì)測(cè)量系統(tǒng)精度的影響如圖3所示連接儀器及附件，采用50Q和75Ω校準(zhǔn)件分如下：?jiǎn)尉€50Q誤差小于0.2%;單線75Q誤差小于07.5.1起點(diǎn)設(shè)置59/對(duì)7.5.2終點(diǎn)設(shè)置按圖5所示，搭建好測(cè)量系統(tǒng)，將終點(diǎn)光標(biāo)設(shè)定在如圖7所示被測(cè)件對(duì)應(yīng)軟件波形末端。圖7終點(diǎn)光標(biāo)設(shè)置7.5.3測(cè)量區(qū)域選擇建議選擇50%(起點(diǎn)光標(biāo)位置)～70%(終點(diǎn)光標(biāo)位置)區(qū)域做為數(shù)據(jù)分析及處理區(qū)域(即測(cè)量區(qū)域),如圖8所示。測(cè)量區(qū)域的選定原則及參數(shù)參照附錄B。6按圖9所示將探頭探針的信號(hào)端與接地端分別與被測(cè)件傳輸線測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)端和接地端一一對(duì)應(yīng)圖9放置探頭78(資料性附錄)常用探頭類型及使用注意事項(xiàng)A.1概述目前常用的探頭類型有：手持式、表貼適配器和顯微探頭。選擇探頭時(shí)，需主要考慮準(zhǔn)確性、大批量測(cè)試以及完成測(cè)量的工作量。使用的不同類型的探頭，會(huì)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性、相關(guān)性和重復(fù)性產(chǎn)生重要影響。A.2手持式探頭A.2.1手持式探頭是最常用的探頭，一般包括用線路板材料制作的微帶線探頭和用高頻同軸線制作的同軸探頭。A.2.2微帶線探頭的優(yōu)點(diǎn)是成本低、使用方便快速、可制作成不同阻抗的匹配探頭。缺點(diǎn)是帶寬較低(一般為1GHz左右)、不能滿足較高要求的測(cè)試場(chǎng)合，同時(shí)不同批次的特性阻抗性值差別很大，受外部條件變化較大，較難控制到±2%。如果使用的探頭不夠好或焊接工藝不佳會(huì)產(chǎn)生明顯反射嚴(yán)重降低帶寬及測(cè)試波形質(zhì)量。A.2.3同軸探頭的帶寬可以達(dá)到6GHz甚至18GHz,且特性阻抗性值穩(wěn)定，適用于較高精度、大批量測(cè)試場(chǎng)合。A.2.4手持式探頭常見(jiàn)的問(wèn)題是探頭接地不合理會(huì)導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤，因此為了盡可能減小接地環(huán)路電感，使阻抗不連續(xù)降為最小，應(yīng)該選用正確的接地針，盡量減少接地路徑的長(zhǎng)度。如果將接地環(huán)路電感降為最小，則當(dāng)脈沖入射到待測(cè)負(fù)載時(shí)，可以降低波形的初始峰值，就可以縮短穩(wěn)定時(shí)間，平滑響應(yīng)曲線，并減小探頭損耗，見(jiàn)圖A.1、圖A.2。圖A.1接地針對(duì)接地路徑的影響阻抗阻抗9垂直參數(shù)的調(diào)整應(yīng)當(dāng)根據(jù)所選的探針技術(shù)、被測(cè)件長(zhǎng)度和測(cè)量精度要求。調(diào)整反射點(diǎn)(一般為開(kāi)路點(diǎn))、測(cè)量起點(diǎn)、測(cè)量終點(diǎn)。把入射點(diǎn)和反射點(diǎn)之間的區(qū)域定為1當(dāng)使用不同批次或不同廠家的儀器測(cè)量時(shí)，更要先確定入射點(diǎn)的位置相同(即參考起點(diǎn)相同)。100%窗100%窗—50%~70%→反射區(qū)域人射區(qū)域B.1.4在測(cè)量大于50Q的阻抗波形是一條斜率為正的傾斜小于50Q的阻抗波形是一條斜率為負(fù)的傾斜波形(左側(cè)阻抗大，右側(cè)阻抗小)。越短，穩(wěn)定的區(qū)域越長(zhǎng)，阻抗測(cè)量區(qū)域越平坦，帶來(lái)的誤差越小，測(cè)量區(qū)域就越遠(yuǎn)離開(kāi)路端。低帶寬B.1.6特性阻抗測(cè)量并非帶寬越高越好。過(guò)高的帶寬，入射脈沖上升時(shí)間過(guò)快會(huì)產(chǎn)生多重反射，造成明顯的振蕩，不利于測(cè)試操作。實(shí)際測(cè)量中應(yīng)根據(jù)被測(cè)件長(zhǎng)度和測(cè)量精度要求選擇TDR帶寬，有時(shí)需要將帶寬降低，在一些TDR儀器中可以通過(guò)設(shè)置軟件濾波器降低帶寬，以獲得穩(wěn)定的特性阻抗讀數(shù)，降低帶寬的特性阻抗值讀數(shù)和原來(lái)非常接近，不影響測(cè)試結(jié)果。一般200ps上升時(shí)間比較適合大批量PCB試樣板或電纜的特性阻抗測(cè)試。B.2測(cè)量區(qū)域選定參數(shù)目前IPC-TM650標(biāo)準(zhǔn)建議測(cè)量區(qū)域選擇TDR波形的30%(測(cè)量起點(diǎn))～70%(測(cè)量終點(diǎn))或由儀器使用者決定，主要是應(yīng)用于以前30Ω~80Ω的場(chǎng)合。實(shí)際測(cè)試中為兼顧低阻抗值或者高阻抗值，一般建議可選擇測(cè)量區(qū)域的50%～70%。在更嚴(yán)格的低阻抗值(<33Q)或者高阻抗值(>83Ω)測(cè)量時(shí)，一般建議可選擇測(cè)量區(qū)域的65%～85%。上述測(cè)量范圍并非強(qiáng)制要求的，還需要根據(jù)實(shí)際的TDR測(cè)量波形進(jìn)行調(diào)整，選擇波形平坦的部分，如可將65%～85%調(diào)整為60%～85%等。更為精確的方法是根據(jù)特性阻抗值分段來(lái)決定，可參考的詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表B.1。除了用百分比來(lái)選定測(cè)量區(qū)域之外，還可以用時(shí)間參數(shù)或距離參數(shù)來(lái)選定測(cè)量區(qū)域。不同的被測(cè)件需要設(shè)定介電常數(shù)ε,確定光速在被測(cè)件上的實(shí)際傳播速度，便于將時(shí)間參數(shù)轉(zhuǎn)化為距離參數(shù)，常用的介電常數(shù)可設(shè)定c=2.296則傳輸速度V=0.66×C。表B.1TDR測(cè)量特性阻抗分段表分界反射系數(shù)阻抗值范圍/Q校準(zhǔn)參考阻抗/Q(p)建議TDR測(cè)量區(qū)域選定范圍1234567C.1時(shí)域二次計(jì)算法(時(shí)域校準(zhǔn)法)從更嚴(yán)格的角度來(lái)看，特性阻抗是一個(gè)和頻率相關(guān)的函數(shù)，其結(jié)果是一中TDR儀器采用一個(gè)傳遞標(biāo)準(zhǔn)件(校準(zhǔn)件、參考線)作為參考對(duì)波形的一塊固定區(qū)域來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)，直接在很寬的頻率范圍內(nèi)(如1GHz～18GHz)變化很小(有些僅為1Ω~32),在大量實(shí)際應(yīng)用中可以a)在線(原位)參考方式：校準(zhǔn)過(guò)程中先用校準(zhǔn)件測(cè)得的數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)參數(shù)，每次測(cè)量時(shí)用實(shí)際的數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)件數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較得到測(cè)量值。這種方法相對(duì)b)存儲(chǔ)參考波形方式：在對(duì)校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)之后，把相應(yīng)的波形和數(shù)據(jù)保存起來(lái)，在正式測(cè)試時(shí)，把實(shí)際的測(cè)量波形和數(shù)據(jù)與保存的校準(zhǔn)件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，通過(guò)計(jì)算來(lái)得到實(shí)際的阻抗值。這種方法只需要進(jìn)行一次校準(zhǔn)，且只在校準(zhǔn)時(shí)用到校準(zhǔn)件，使用最簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)來(lái)不確定的誤差，所以只要儀器及相關(guān)測(cè)試參數(shù)不發(fā)生明顯變化，這種方法效率最高、成本standard)傳輸線上，被測(cè)件的測(cè)量空氣線對(duì)符合要求的參考校準(zhǔn)件進(jìn)行校準(zhǔn)，得到參考標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)參數(shù)，在正式測(cè)試時(shí)，用先前已經(jīng)校準(zhǔn)過(guò)的參考標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量。這種方法相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)方法要復(fù)雜一些，且不如其精確，但這種方法大大減少了標(biāo)準(zhǔn)低了測(cè)量成本。在實(shí)施步驟中，計(jì)算公式要將被測(cè)件和校準(zhǔn)件參數(shù)互換，C.2頻域二次計(jì)算法(頻域校準(zhǔn)法)從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，TDR是一臺(tái)時(shí)域網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)電壓值、變化到頻域，就可以采用網(wǎng)絡(luò)分析的方TDR準(zhǔn)法和Ecal(電子校準(zhǔn))校準(zhǔn)法。SOLT校準(zhǔn)法包括OL校準(zhǔn)法(匹配和開(kāi)路)和SL校準(zhǔn)(匹配和短路校準(zhǔn)法)。根據(jù)TDR網(wǎng)絡(luò)模型，校準(zhǔn)方法分為全雙端誤差模型校準(zhǔn)法和簡(jiǎn)易雙端誤差模型校準(zhǔn)法。前者包含12個(gè)誤差項(xiàng)，需要匹配、開(kāi)路、短路、直通4個(gè)校準(zhǔn)件，被稱為SOLT校準(zhǔn)法，后者忽略了部分誤差項(xiàng)，使得校準(zhǔn)過(guò)程大幅簡(jiǎn)化，只需要匹配和開(kāi)路(OL校準(zhǔn)法)或者匹配和短路(SL校準(zhǔn)法)兩個(gè)校準(zhǔn)件。頻域校準(zhǔn)方法需要十分復(fù)雜的FFT運(yùn)算，效率低，而且需要昂貴的校準(zhǔn)件，成本高。由于網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的定義都是在端口匹配的情況下定義的，并且是以系統(tǒng)的特性阻抗作為它們的參考值，而系統(tǒng)的特性阻抗通常都為Zo=50Ω,對(duì)于低阻抗值或高阻抗值頻域校準(zhǔn)法還需再做二次校準(zhǔn)或補(bǔ)償。時(shí)域校準(zhǔn)法則可以采用Z≈被測(cè)件阻抗的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)，使得測(cè)量非50Ω的低阻抗值或高阻抗值校準(zhǔn)更有優(yōu)C.3偏移量法測(cè)量阻抗的另一種方法是偏移量法。偏移量法中，使用固定的值來(lái)表示真實(shí)值和測(cè)量值之間的偏差。首先，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)特性陽(yáng)抗(如參考線)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的阻抗值和該阻抗標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差就是偏移量。然后，測(cè)量出DT的阻抗，并使用前面得到的偏移量對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正。這種方法可以單獨(dú)使用，對(duì)新手來(lái)說(shuō)特別有用。它假定在指定的測(cè)量范圍內(nèi)，特性阻抗測(cè)量是線性的，也就是說(shuō)假定當(dāng)50Q偏差0.5Q時(shí)，在25、75、100等其它阻抗范圍偏差也是0.5Ω。(注意，前提是該假定滿足使用者對(duì)測(cè)試精要求)。偏移量波低于上面給出的二次計(jì)算方法，但是，使用該