实验四 使用TDR观测讯号反射实验.doc

實驗四 使用TDR觀測訊號反射實驗一、 原理說明當傳送訊號的波長遠超過印刷電路板線路之長度時，即訊號頻率低則無需考慮到反射與阻抗匹配的問題，但現在所面臨的電路都是具有高速的特性，因此必須考慮高頻所衍生的一些電磁現象。例如：當DRAM晶片組的時脈速率與P-4 CPU之速度都已達非常高的頻率，阻抗匹配變得很重要，匹配不好會有反射現象發生，其所造成的振鈴波形將嚴重影響訊號的品質，可能造成誤動作，因此在設計高速電路印刷電路板佈線就變得很重要了，必需以傳輸線的方式看待，即每條佈線有其特性阻抗。利用時域反射儀(TDR)可以用來測量印刷電路板上佈線的特性阻抗，進而確保阻抗匹配。下圖說明要達到阻抗匹配的必須RS=Zo=RL，訊號的傳輸才會最具效率，其“訊號完整性（Signal Integrity），也才最好。光從空氣進入水中，是不是會有部份能量反射，部份穿透？傳輸線的現象也很類似。當Z0不等於ZL時，便會有部份的能量反射回輸出端。萬一彼此阻抗未能匹配時，則必將會有些許能量往“發送端”反彈，進而形成反射雜訊（Noise）。任何傳輸線，若在其終端所接之阻抗與傳線特性阻抗相等，就是阻抗匹配沒有反射波。而反射現象的發生就是負載阻抗與Z0不匹配時，入射波中的部分能量，將會在負載端產生反射，因而產生反射，轉向信號源方向行進。設若信號阻抗亦未與線路阻抗匹配，將在產生反射，如是一再往返，在信號源與負載兩端，會形成多重反射。最後的總效應可以看作同時有一個入射波與一個反射波，在傳輸線上行進。反射波形演算方法為Vi(1)=【R0 / （R0+RS）】*V 、Vs（0+）=【R0 / （R0+RS）】*V+Vs（0）t=0+、 s=（RSRO）/（RSRO）、l=（RLRO）/（RLRO）。 TD Vi（1） VL（1）=VL（0）+Vi（1） （1+l）2TD Vr=lVi（1）=Vi（2）Vs（2）=Vs（0+）+ Vi（2）（1+s）Vr（2）=sVi（2）3TD = Vi（3） VL（3）= VL（1）+Vi（3） （1+l）4TD Vr=lVi（3）=Vi（4）Vs（4）=Vs（2）+ Vi（4）（1+s）Vr（2）=sVi（4）5TD = Vi（5） VL（5）= VL（3）+Vi（5） （1+l）Vr=lVi（5）=Vi（6）時域反射分析儀(TDR)是由一部極高速示波器和一個步階信號產生器所構成。圖4.1為其方塊示意圖，其原理是由步階信號產生器產生一個步階信號Ei到待測物，然後測量反射信號的大小Er並記錄延遲時間，反射係數r=Er/Ei，利用反射係數即已知的儀器特性阻抗Zo，即可推算待測物的特性阻抗Z=Zo(1+r)/(1-r)、雜散電容及雜散電感等值。一般主要的應用為測量電纜線斷點的距離、印刷電路板佈線的特性阻抗、雜散電容及雜散電感值的估算及IC封裝電氣參數的抽取等。以下就針對印刷電路板的特性阻抗及雜散電容電感的應用說 明如下：Transmission system under testOscilloscopeErEiZLStep generator圖4.1 時域反射分析儀方塊示意圖1. TDR應用於印刷電路板佈線特性阻抗的量測 印刷電路板傳輸線的特性阻抗Z=(L/C)1/2，而使用TDR測量的公式為，其中。圖4.2為使用TDR測量印刷電路板佈線由粗變細的反射圖形，內圖為印刷電路板佈線的示意圖，游標點1為50W的佈線， ，所以反射係數r=0.2，代入公式得游標點2的阻抗為75W。圖4.3為當負載為開路、短路及2倍及1/2倍Zo時從TDR應該可以量測到的反射波形圖，當負載開路Z=，r=1，Er=Ei，顯示2倍Ei的反射波形。當負載短路Z=0，r=-1，Er=-Ei入射及反射波形互相抵消，所以得到0的反射波形。當負載為2Zo時， r=1/3，Er=Ei/3，所以得到4Ei/3的反射波形。而當負載為Zo/2時， r=-1/3，Er=-Ei/3，所以得到2Ei/3的反射波形。(A) Er=Ei(C) Er=1/3Ei r=1/3(D) Er=1/3Ei r=-1/3(A) open circuit termination ZL=(B) short circuit termination ZL=0(C) line termination ZL=2Zo(D) line termination ZL=1/2Zo(B) Er=-Ei r=-1(A) Er=Ei r=12Zo1/2ZoEiEr=EiEr=-EiEiEiEiEr=1/3EiEr=-1/3Ei圖4.3 負載為開路、短路及2倍及1/2倍Zo的TDR反射圖形圖4.4為不連續佈線時可測得之TDR反射波形，特性阻抗，connectorCapacitivediscontinuityInductivediscontinuityOpencircuitRound Trip TimeVolt. or r 圖4.4 不連續佈線時可測得之TDR反射波形示意圖剛開始之小波浪圖形為SMA接頭的雜散電感及電容效應，其次為50W之佈線，當佈線較粗時電容C大而電感L小，所以顯示反射圖形之特性阻抗較低。而當佈線較細時電感L大電容C小，顯示反射圖形之特性阻抗較高。也就是說波形比50W線低的表示具有電容效應而比50W線高的表示具有電感效應。2. TDR應用於估算電容及電感參數從上面已知反射波形之特性阻抗大或小表示電感及電容效應的大小，圖4.5為串並連電感電容顯示反射波形的示意圖，小凸起表示具有電感效應而小凹陷則表示具有電容效應。只要積分這些小凸起或凹陷的面積可推算出對應的電容值或點感值。下面以並連電容及串連電感為例說明如下CLC discontinuity1/2V0LCL discontinuity1/2V01VCapacitive termination1/2V01/2V01/2V01/2VInductive termination0圖4.5 串並連電感及電容之TDR反射波形示意圖“G”Zo=50WTd=2ns50“H”02VVstep50Zo=50WTd=2ns50“H”02VVstep50“H”01VVstep25圖4.6為計算傳輸線中間並連電容的大小的範例。圖4.6 計算傳輸線中間並連電容的大小的範例並連電容值為圖4.7為計算傳輸線中間串連電感大小的範例。“K”“K”“I”Zo=50WTd=2ns50“J”02VVstep50Zo=50WTd=2ns50“J”02VVstep50圖4.7 計算傳輸線中間串連電感大小的範例圖4.8為傳輸線不連續雜散電感值得抽取範例。在50W的傳輸線中間串連一段80W的傳輸線，計算此線段所引起之電感效應大小。圖4.8 傳輸線佈線不連續引起串連電感的範例4nH4nHZo=80WTd=100ps4.88nHLexcessZo=50WZo=50WZo=50WZo=50W1.25pF1.56nH1.56nH1.25pFZo=80W,Td=100psZo=50W,Td=50ps4.88nH圖4.9 傳輸線佈線不連續引起並連電容的範例參考上例的計算可得細寬細佈線不連續雜散電容為印刷電路板製作量測：a. 不同佈線寬度之特性阻抗(粗=1.28mm，細=0.25mm)TDR測量圖103W52W52W b. 串聯電感效應電感效應SMA接頭效應c. 並連電容效應(並連2pF電容下地)電容效應SMA接頭效應二、ADS軟體模擬步驟1. 從Window XP 工具列中:開始程式集Advanced Design System 2005A開啟Advanced Design System選項2.在ADS主視窗File選項中點選”New Project”開啟新對話視窗3. 在開啟的新對話視窗中Name選項鍵入【TDR_prj】即會產生一個全新的Project然後點選OK4.其次在ADS主視窗中點選”New Design”開啟新對話視窗5. 在開啟的新對話視窗中鍵入【TDR_schematic】，即會產生一個全新的schematic 檔案後，點選OK鍵，即進入schematic視窗6. 進入TDR_schematic file視窗，即可開始繪製電路圖7. 在TLines-Multilayer元件庫中選取【MLSUBSTRATE2】元件，並放入視窗中8.以滑鼠左鍵連續點擊【MLSUBSTRATE2】元件兩下，進入元件的屬性視窗，並一一輸入其參數值，如下圖所示，輸入完後點選OK鍵 9.在TLines-Multilayer元件庫中選取【ML1CTL_C】元件，並放入視窗中10.以滑鼠左鍵連續點擊【ML1CTL_C】元件兩下進入元件的屬性視窗，並一一輸入其長度及寬度參數值，如下圖所示，點選OK鍵11.依下圖完成三條長度及寬度依序為(2500mil,56mil), (750mil, 100mil), (750mil,30mil)傳輸線12.在Sources-Time Domain元件庫中選取【VtPulse】元件，並放入視窗中。並以滑鼠左鍵連續點擊【VtPulse】元件兩下，進入元件的屬性視窗，並一一輸入其參數值13. 在Simulation-Transient元件庫中選取【Tran】即會出現Transient執行引擎元件，並放入視窗中。以滑鼠左鍵連續點擊【Transient】元件兩下進入元件的屬性視窗，並一一輸入其參數值14. 在工具列中選取【Insert VAR】圖示元件，並放入視窗中。以滑鼠左鍵連續點擊【Insert VAR】圖示元件兩下進入元件的屬性視窗15.在【Insert VAR】屬性視窗中增加變數名稱【Trise】及變數值=0.038，按OK鍵回Schematic視窗16.在Schematic視窗中，按工具列中【Insert Wire/Pin Label】圖示，在開啟的對話視窗中分別鍵入【Vscr】,【V1】,【V2】並分別放置於圖中節點中17.最後完成之TDR模擬電路圖，如下圖所示18. 點選主視窗中Simulate執行模擬，TDR執行結果顯示於資料顯示視窗，為節點Vscr,V1,V2之模擬結果三、Momentum 模擬1. 將TDR_schematic 檔案更改如下圖，在工具列中點選【Insert Port】，並在傳輸線兩端加入P1及P22.點選功能表中LayoutGenerate/Update Layout 會同時開啟對話視窗及LAYOUT 視窗3. 請按OK鍵4. 請按OK鍵由Schematic電路所產生之Layout圖5.首先更改基板材質特性，點選功能表MomentumRF Substrate Create/Modify6.修改Substrate Layers參數Permitivity=4.2,Loss Tangent=0.02 7.修改Metallization Layers參數如圖8.點選功能表Momentum RFSimulationS-parameters，開啟對話視窗9.頻率範圍設定為0GHz至5GHz,Sample Points Limit=100後，按Simulation鍵10.點選功能表Momentum RFComponentCreate/Update，開啟對話視窗11. 如圖點選各參數後按OK鍵，立即會在Library中產生一個元件12.在Library中點選此元件並放入Schematic電路中13.完成如圖中之電路並執行之14.返回Layout 視窗,另存新檔為TDR_transient_schematic_10GHz15.並更改頻率為0GHz10GHz16.完成如圖中之電路並執行之17.返回Layout 視窗, 另存新檔為TDR_schematic_13GHz18. 並更改頻率為0GHz13GHz19.完成如圖中之電路並執行之20. 左上為使用Momentum 執行05GHz之S-parameter在schematic之TDR執行結果，左下為在Schematic視窗中直接以傳輸線執行之TDR執行結果，右上為使用Momentum執行010GHz之S-parameter在schematic下之TDR執行結果，右下為使用Momentum執行013GHz之S-parameter在schematic下之TDR(看V1點),TDT(V2點)執行結果；從結果中，我們知道若使用Momentum去模擬時，一定要注意選定執行之頻率範圍(從模擬結果顯示應該要大於10GHz0.35*(1/Trise)=0.35*26.3=9.2GHz)；在Schematic視窗中直接以傳輸線執行之TDR，已經有不錯之結果了。以下為ADS在Schematic視窗中直接以傳輸線執行之模擬設定TL1:Length=30mm,W=1.2