实验四 使用tdr观测讯号反射实验

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1、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-4CPU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

2、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（SignalIntegrity），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

3、，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+、ρs=（RS－RO）/（RS＋RO）、ρl=（RL－RO）/（RL＋RO）。TDVi（1）VL（1）=VL（0）+Vi（1）×（1+ρl）2TDVr=ρl×Vi（1）=Vi（2）Vs（2）=Vs（0+）+Vi（2）×（1+ρs）Vr（2）=ρs×Vi（2）3TD=Vi（3）VL（3）=VL（1）+Vi（3）×（1+ρl）4TDVr=ρl×Vi（3）=

4、Vi（4）Vs（4）=Vs（2）+Vi（4）×（1+ρs）Vr（2）=ρs×Vi（4）5TD=Vi（5）VL（5）=VL（3）+Vi（5）×（1+ρl）Vr=ρl×Vi（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

5、、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：TransmissionsystemundertestOscilloscopeErEiZLStepgenerator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

6、、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=µ，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=1/3Eir=1/3(D)Er=1/3Eir=-1/3(A)opencircuitterminationZL=¥(B)shortcircuitterminationZL=0(C)li

7、neterminationZL=2Zo(D)lineterminationZL=1/2Zo(B)Er=-Eir=-1(A)Er=Eir=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，connectorCapacitivediscontinuityInductivediscontinuityOpencircuitRoundTripTimeVolt.