DB44_T 1903-2016 线路板特性阻抗测试方法 时域反射法.docx

ICS 31.180L 30备案号：52764-2017DB44广东省地方标准DB44/T 19032016线路板特性阻抗测试方法 时域反射法2016-09-29 发布2016-12-29 实施广东省质量技术监督局发布DB44/T 19032016目次前言1 范围12 规范性引用文件13 术语定义与缩略语14 测量系统15 测量仪器及附件26 测试环境要求37 测量步骤4附录 A （资料性附录） 常用探头类型及使用注意事项8附录 B 资料性附录） 测量区域的选定10附录 C （资料性附录） 路板特性阻抗校准及测试方法介绍12参考文献14DB44/T 19032016前言本标准按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。请注意本标准的某些内容可能涉及专利。本标准的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由广东省质量技术监督局提出。本标准由广东省印制电路标准化技术委员会（GD/TC38）归口。本标准起草单位：广东正业科技股份有限公司、广州市标准化研究院。本标准主要起草人：梅领亮、蔡林、盛周林、曹勇、陈志勇。本标准为首次发布。DB44/T 19032016线路板特性阻抗测试方法 时域反射法1  范围本标准规定了印制电路板（简称印制板）上传输线特性阻抗时域反射法（简称TDR）的测试系统、设备及附件、测试环境以及测量步骤。本标准适用于印制板传输线特性阻抗的时域反射测试方法。2  规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 2036印制电路术语3  术语定义与缩略语3.1  术语和定义GB/T 2036界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1.1特性阻抗（TDR）characteristic impedance（TDR）又称“特征阻抗”，在高频信号传输过程中，传输线可等效成一个电阻，这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗。3.1.2时域反射法time domain reflectometry利用时域技术对反射波进行特性阻抗测量的方法。3.1.3时基精度  timebase accuracy测量设备内部采样时钟的精度。3.2  缩略语下列缩略语适用于本文件。SMA：一种典型的微波高频连接器（Small A Type）。4  测量系统1系统上升时间（ps）被测件最小长度（mm）10420830121004020080500200DB44/T 190320164.1  测量系统构成测量系统包括仪器、电缆、探头、校准件，如图1所示。图1TDR 测量系统构成4.2  测量系统要求4.2.1  测量精度测量系统的精度应满足特性阻抗值所要求的精度。为保证系统的测量精度，阶跃脉冲幅度误差应小于1%。4.2.2  测量范围特性阻抗范围应为20 200 。4.2.3  系统信号上升时间TDR系统阶跃信号上升时间应不大于200 ps。系统上升时间与被测件最小长度的关系如表1。表1  系统上升时间与被测件最小长度的关系5  测量仪器及附件5.1  测量仪器要求2连接器类型力矩值（N·m）SMA0.563.5 mm，2.92 mm0.90DB44/T 190320165.1.1  TDR 单元输出阻抗输出阻抗为50 ±0.5 。5.1.2  时基精度时基精度应低于系统上升时间的1/4。5.2  附件要求5.2.1  连接器推荐使用SMA、3.5 mm或者2.92 mm的连接器作为系统测试端口的连接器，其带宽应匹配设备带宽。连接器应用力矩扳手拉紧至厂商规定值或表2所示力矩值。表2  连接器力矩值5.2.2  电缆测试电缆应为同轴电缆组件，其特性阻抗为50 ±1 。电缆的带宽应不小于设备带宽的1.5倍，长度建议为1 m。5.2.3  探头5.2.3.1 常用探头类型及使用注意事项参照附录A，应满足以下要求：a)单端探头阻抗应为 50 ±1 ；差分探头阻抗应为 100 ±2 ；b)单端探头应包括 2 个探针，分别连接到信号线、地线；差分探头应包括 2 个信号探针，1 个或2 个参考平面探针；c)手持探头的手柄外形应符合人员操作方便性。5.2.3.2 探针应性能稳定，建议镀金，并满足以下要求：a)(ø p - ø t)0.2 mm，其中 ø p 为探针针头直径，ø t 为测试点孔直径或等效圆形直径；b)针头角度30°；c)探针行程1 mm；d)探针压实弹力0.03 N，一般选取 0.035 N。5.2.4  静电保护装置应采用静电保护装置。非测试状态下，应切换至静电保护状态。测试前，被测样品应消除静电。5.2.5  校准件校准件应采用相同技术规范的空气线、半刚性电缆、柔韧的同轴电缆或其他组件组合，校准件的阻抗在校准周期内应保持不变。校准件的阻抗应与被测件的特性阻抗接近。6  测试环境要求3DB44/T 19032016测试环境要求如下：a)环境温度：20 25 ；b)相对湿度：45%65%；c)接地电阻：0.3 ；d)需采取防静电隔离措施，设备需接地；e)避免高频强电磁场信号干扰。7  测量步骤7.1  开机预热按设备规范要求对设备进行预热，一般预热时间为 15 min30 min，以确保设备不产生幅度和时间漂移。7.2  开机校准7.2.1 电缆校准如图2所示，连接仪器及附件，采用50 测试系统，按不同品牌仪器的说明书对电缆进行校准，获取电缆阻抗值并进行补偿，以清除电缆对测量系统精度的影响。补偿后电缆对测量系统精度的影响值应不大于0.5 。图2  电缆校准7.2.2 设备校准如图3所示连接仪器及附件，采用50 和75 校准件分别对设备做校准，校准过程中误差要求如下：单线50 误差小于0.2%；单线75 误差小于0.5%；差分100 误差小于0.2%。校准参见附录C。图3  设备校准7.2.3 精度验证针对不同阻抗的被测件，用相应的校准件，做系统验证，确保测量精度符合要求。4DB44/T 190320167.2.4 探头清零如图4所示，取掉空气线，单端线路测量时，将单端探头连接在电缆上；差分线路测量时，将差分探头连接在电缆上，不连接被测件，对探头进行清零。图4  探头清零7.3  试样要求样板应符合如下要求：a)测试孔及焊盘应完好无氧化、异物以及破损；b)试样导线长度满足测量设备系统上升时间对应要求。7.4  测量系统搭建及设置如图5所示，搭建好测量系统。开启测量系统软件，在软件界面中设置Y轴分辨率为10 /格,Y轴方向上限值设定为目标阻抗值Z0+40 ，下限值设定为目标阻抗值Z0-40 。图5  测量系统7.5  测量范围选取7.5.1 起点设置系统预热后在测量系统软件中建立测试任务，按7.2.4进行探头清零，在软件界面中将起点光标设定在如图6所示探头末端对应的软件波形起点。5DB44/T 19032016图6  起点光标设置7.5.2 终点设置按图 5 所示，搭建好测量系统，将终点光标设定在如图 7 所示被测件对应软件波形末端。图7  终点光标设置7.5.3 测量区域选择建议选择 50%（起点光标位置）70%（终点光标位置）区域做为数据分析及处理区域（即测量区域），如图 8 所示。测量区域的选定原则及参数参照附录 B。图8  测量区域选择6DB44/T 190320167.6  测试7.6.1 放置探头按图9所示将探头探针的信号端与接地端分别与被测件传输线测试点的信号端和接地端一一对应并直接接触，并保持探头与被测件所在面垂直。垂直向下均匀用力压探头，使探针行程压缩不小于1/2。图 9 放置探头7.6.2 波形观察开启单次或连续测量模式，测试过程中，探头不可晃动，被测传输线不可与其它物体或人员接触，等待波形稳定后停止测试。7.7  结果读取读取软件测量区域中平均值，如图8所示，用于评估样板的阻抗水平。也可根据特殊要求，读取测量区域中最大值、最小值。7DB44/T 19032016附录A（资料性附录）常用探头类型及使用注意事项A.1  概述目前常用的探头类型有：手持式、表贴适配器和显微探头。选择探头时，需主要考虑准确性、大批量测试以及完成测量的工作量。使用的不同类型的探头，会对测量的准确性、相关性和重复性产生重要影响。A.2  手持式探头A.2.1  手持式探头是最常用的探头，一般包括用线路板材料制作的微带线探头和用高频同轴线制作的同轴探头。A.2.2  微带线探头的优点是成本低、使用方便快速、可制作成不同阻抗的匹配探头。缺点是带宽较低（一般为1 GHz左右）、不能满足较高要求的测试场合，同时不同批次的特性阻抗性值差别很大，受外部条件变化较大，较难控制到±2。如果使用的探头不够好或焊接工艺不佳会产生明显反射严重降低带宽及测试波形质量。A.2.3  同轴探头的带宽可以达到6 GHz甚至18 GHz，且特性阻抗性值稳定，适用于较高精度、大批量测试场合。A.2.4  手持式探头常见的问题是探头接地不合理会导致测量错误，因此为了尽可能减小接地环路电感，使阻抗不连续降为最小，应该选用正确的接地针，尽量减少接地路径的长度。如果将接地环路电感降为最小，则当脉冲入射到待测负载时，可以降低波形的初始峰值，就可以缩短稳定时间，平滑响应曲线，并减小探头损耗，见图A.1、图A.2。图A.1  接地针对接地路径的影响8DB44/T 19032016图A.2  不同探头接地环路的典型 TDR 响应A.3  表贴适配器探头表贴适配器（SMA）探头采用SMA连接器焊接在电路板上，可以提供有效的可重复测量。SMA往往显示出较高的容性负载特性，在TDR脉冲输入到被测件时，会降低信号有效的带宽，对于TDR分辨率要求很高的情形，不适宜使用SMA连接器进行测量。A.4  显微探头阻抗受控的显微探头为目前测量精度最高的探头。显微探头的寄生效应小、接地环路也短，一般阻抗是50 ，但也存在高阻抗显微探头。显微探头主要用于工业，经常与矢量网络分析仪结合使用，用于测量射频电路和微波电路的特性。其主要的缺点是可能需要昂贵的探头工作台、特殊的探头架和显微镜。9DB44/T 19032016AB附录B（资料性附录）测量区域的选定B.1  测量区域选定原则B.1.1  不同的测量区域选择对数据产生直接影响，选择正确的测量区域至关重要。TDR仪器的水平和垂直参数的调整应当根据所选的探针技术、被测件长度和测量精度要求。调整的目的是最大程度提高测量精度。B.1.2  推荐将波形的入射边沿对齐示TDR显示屏幕的水平第一格，反射边沿对齐水平最后一格。水平参数一般设定为100 ps/格200 ps/格，对应采样点分辨率为10 ps20 ps，垂直参数一般设定为10/格。如果被测量件长度更短，则应缩小水平参数，缩小采样分辨率。B.1.3  完整TDR波形如图B.1所示，分为入射区域、反射区域、建立区域和测量区域，分别有入射点、反射点（一般为开路点）、测量起点、测量终点。把入射点和反射点之间的区域定为100%波形窗，通常测量区域可以选择50%（ti，TL）-70%（tf，TL）的区域。特别值得注意的是，由于TDR测量区域的选择是相对于入射点的，所以在测量前和测量过程中必须检查入射点的位置是否一致，确保没有发生漂移。当使用不同批次或不同厂家的仪器测量时，更要先确定入射点的位置相同（即参考起点相同）。图B.1TDR 测量波形图B.1.4  在测量大于50 的阻抗波形是一条斜率为正的倾斜波形（左侧阻抗小，右侧阻抗大）。在测量小于50 的阻抗波形是一条斜率为负的倾斜波形（左侧阻抗大，右侧阻抗小）。B.1.5  常见的TDR仪器根据带宽可以大致分为两类，不同带宽的仪器对TDR测量区域的选择有差别。高带宽快沿仪器：Tr<40 ps快沿脉冲，带宽>10 GHz（适用于泰克、安捷伦等仪器）。Tr越小，建立区域越短，稳定的区域越长，阻抗测量区域越平坦，带来的误差越小，测量区域就越远离开路端。低带宽慢沿仪器：Tr<200 ps慢沿脉冲，带宽>1.75 GHz（适用于Polar、爱思达等仪器）。Tr越大，建立区域越长，稳定的区域越短，阻抗测量区域越陡峭，带来的误差越大，测量区域就越靠近开路端。10序号分界反射系数阻抗值范围/校准参考阻抗/（）建议TDR测量区域选定范围1-1 <   -0.50 < Z  16.6712.5（-0.6）65%85%2-0.5 <   -0.216.67 < Z  33.3325（-0.333）50%80%3-0.2 <   0.1533.33 < Z  67.6550（0）30%70%40.15 <   0.2567.65 < Z  83.3375（0.2）50%70%50.25 <   0.4583.33 < Z  131.82100（0.333）65%85%60.45 <   0.54131.82 < Z  167.40150（0.5）65%85%70.54 <   1167.40 < Z  +180（0.565）65%85%DB44/T 19032016B.1.6  特性阻抗测量并非带宽越高越好。过高的带宽，入射脉冲上升时间过快会产生多重反射，造成明显的振荡，不利于测试操作。实际测量中应根据被测件长度和测量精度要求选择TDR带宽，有时需要将带宽降低，在一些TDR仪器中可以通过设置软件滤波器降低带宽，以获得稳定的特性阻抗读数，降低带宽的特性阻抗值读数和原来非常接近，不影响测试结果。一般200 ps上升时间比较适合大批量PCB试样板或电缆的特性阻抗测试。B.2  测量区域选定参数目前IPC-TM 650 2.5.5.7标准建议测量区域选择TDR波形的30%（测量起点）70%（测量终点）或由仪器使用者决定，主要是应用于以前30 80 的场合。实际测试中为兼顾低阻抗值或者高阻抗值，一般建议可选择测量区域的50%70%。在更严格的低阻抗值（< 33）或者高阻抗值（> 83）测量时，一般建议可选择测量区域的65%85%。上述测量范围并非强制要求的，还需要根据实际的TDR测量波形进行调整，选择波形平坦的部分，如可将65%85%调整为60%85%等。更为精确的方法是根据特性阻抗值分段来决定，可参考的详细参数见表B.1。除了用百分比来选定测量区域之外，还可以用时间参数或距离参数来选定测量区域。不同的被测件需要设定介电常数，确定光速在被测件上的实际传播速度，便于将时间参数转化为距离参数，常用的介电常数可设定2.296则传输速度Vp0.66×C。表 B.1TDR 测量特性阻抗分段表11DB44/T 19032016BC附录C（资料性附录）线路板特性阻抗校准及测试方法介绍C.1  时域二次计算法（时域校准法）从更严格的角度来看，特性阻抗是一个和频率相关的函数，其结果是一个矢量，时域二次计算法中TDR仪器采用一个传递标准件（校准件、参考线）作为参考对波形的一块固定区域来进行校准，直接数据只能得到TDR在此频率范围内的平均阻抗值，其结果是一个和频率无关的标量。由于特性阻抗往往在很宽的频率范围内（如1 GHz18 GHz）变化很小（有些仅为1 3 ），在大量实际应用中可以视为和频率无关的标量，所以时域二次计算法得到的阻抗精度足够满足绝大多数应用的要求。应当说明，此时的TDR测得的特性阻抗值和频率无关，它与被测件的工作频率没有关系。如果一些要求十分严格的场合，要得到和频率相关的参数，可以采用FFT变换到频域，进行二次处理。传输线特性阻抗测量可以采用三种方式：a)在线（原位）参考方式：校准过程中先用校准件测得的数据作为标准校准参数，每次测量时用实际的数据和校准件数据进行分析比较得到测量值。这种方法相对比较简单，测试结果比较准确，但是测量过程中每次测试都要用到贵重的校准件，容易造成校准件损伤。b)存储参考波形方式：在对校准件进行校准之后，把相应的波形和数据保存起来，在正式测试时，把实际的测量波形和数据与保存的校准件标准数据进行分析比较，通过计算来得到实际的阻抗值。这种方法只需要进行一次校准，且只在校准时用到校准件，使用最简单。但缺点是，当测量过程中的仪器配置参数中途变化以及 TDR 测量波形发生漂移、变化的时候，会带来不确定的误差，所以只要仪器及相关测试参数不发生明显变化，这种方法效率最高、成本最低、应用最广。c)标准传递方式：在这种方式中，参考空气线的特性阻抗被“传到”第二条（called transferstandard）传输线上，被测件的测量阻抗计算都基于第二条传输线。在校准过程中先用标准空气线对符合要求的参考校准件进行校准，得到参考标准件的真实阻抗和与它相关的其它校准参数，在正式测试时，用先前已经校准过的参考标准件对阻抗进行测量。这种方法相对标准校准方法要复杂一些，且不如其精确，但这种方法大大减少了标准空气线的使用次数，降低了测量成本。在实施步骤中，计算公式要将被测件和校准件参数互换，将公式中被测件的参数更换为校准件，而校准件的参数更换为被测件。C.2  频域二次计算法（频域校准法）从网络的角度来看，TDR是一台时域网络分析仪，根据电压值、S参数（反射系数）、网络的系统误差建立网络误差模型，将TDR采集到的时域数据通过快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）变化到频域，就可以采用网络分析的方法在频域对TDR进行校准。常用的校准方法有三种：SOLT（匹配、开路、短路、直通）校准法、TRL（直通、反射、线路）校准法和Ecal（电子校准）校准法。SOLT校准法包括OL校准法（匹配和开路）和SL校准（匹配和短路校准法）。根据TDR网络模型，校准方法分为全双端误差模型校准法和简易双端误差模型校准法。前者包含12个误差项，需要匹配、开12DB44/T 19032016路、短路、直通4个校准件，被称为SOLT校准法，后者忽略了部分误差项，使得校准过程大幅简化，只需要匹配和开路（OL校准法）或者匹配和短路（SL校准法）两个校准件。频域校准方法需要十分复杂的FFT运算，效率低，而且需要昂贵的校准件，成本高。由于网络S参数的定义都是在端口匹配的情况下定义的，并且是以系统的特性阻抗作为它们的参考值，而系统的特性阻抗通常都为Z050 ，对于低阻抗值或高阻抗值频域校准法还需再做二次校准或补偿。时域校准法则可以采用Z0被测件阻抗的情况下进行校准，使得测量非50 的低阻抗值或高阻抗值校准更有优势。C.3  偏移量法测量阻抗的另一种方法是偏移量法。偏移量法中，使用固定的值来表示真实值和测量值之间的偏差。首先，对标准特性阻抗（如参考线）进行测量，测得的阻抗值和该阻抗标准值之间的偏差就是偏移量。然后，测量出DUT的阻抗，并使用前面得到的偏移量对测量值进行修正。这种方法可以单独使用，对新手来说特别有用。它假定在指定的测量范围内，特性阻抗测量是线性的，也就是说假定当50 偏差0.5 时，在25、75、100等其它阻抗范围偏差也是0.5 。（注意，前提是该假定满足使用者对测试精度的要求）。尽管偏移量法精度低于上面给出的二次计算方法，但是，使用该方法可以在较短的时间内得出相对精确的结果，足以满足工业测试要求。偏移量法还可以与时域二次计算法或频域二次计算法一起使用，当先完成时域或频域校准之后，再使用偏移量法来做微小的误差补偿。C.4  校准方法的联系和区别上述多种方法之间的联系和区别如图C.1所示。图C.1TDR 测试和校准方法关系图13DB44/T 19032016参考文献1IPC-TM-650 2.5.5.7-1992 Characteristic Impedance of Lines on Printed Boards by TDR2IPC-TM-650 2.5.5.7-2004 Characteristic Impedance of Lines on Printed Boards by TDR3IPC 2141Controlled Impedance Circuit Boards and High Speed Logic Design4Intel技术手册14DB44/T19032016