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使用光标测量，使用 TDR 测量 pH 和 fF

news 2025/5/14 5:36:26

时域反射计（TDR）是一种通常用于测量印刷电路板（PCB）测试试样和电缆阻抗的仪器。TDR 对于测量过孔和元件焊盘的电感和电容、探针尖端电容和电感，甚至寄生电感收发器耦合电容器也非常有用。这也是验证仿真或提取您自己的模型的一种简单方法。高端专用 TDR 通常包含此功能，但即使使用简单的基于实时示波器的 TDR 也可以通过简单的光标测量来产生这些结果。

理论和模拟结果

基本的 TDR 测量是反射系数 Γ，几乎每个 TDR（包括 Picotest J2151A，使用可在 [1] 中下载的设置文件）都提供此数据轨迹。TDR 使用 Γ 和 TDR 阻抗（通常为 50Ω）的变换来确定传输线（电缆或 PCB 走线）的阻抗。

此阻抗变换也包含在上述引用的 setup 文件中。对于具有均匀Γ（或阻抗）的无损传输线，显示的 TDR 走线是一条平坦的线，几乎不需要解释。门控光标用于显示光标之间的平均阻抗值。

当传输线不均匀或连接了元件时，显示的 TDR 走线不是平坦的，这就是需要解释的地方。

反射系数 Γ 中的正“光点”表示串联电感，而反射系数 Γ 中的负“光点”表示并联电容。

串联电感和分流电容可以从反射系数、Γ和 TDR 参考阻抗（通常为 50 Ω）获得，如下所示：

可以以简单的模拟为例。图 1 所示的示例包括串联电感和分流电容。

仿真结果如图 2 所示。

有趣的是，TDR 的带宽对结果影响很小。此仿真以 18ps 的上升时间而不是 6ps 的上升时间重复。结果如图 3 所示，提供与 6ps 相同的结果。在某些时候，传输线损耗会降低测量信噪比，结果将变得可疑。

该仿真结果中的第一个 “小插曲” 是串联电感器，它位于 100ps 无损传输线的末端。TDR 看到往返路径，因此正确显示 200ps。

分流电容位于串联电感之后 75ps，TDR 再次正确地将往返路径视为 2*（100ps+75ps）或 350ps。

放置在每个 “blip” 之前和之后的标记用作积分时间。标记的位置并不重要，因为 blip 之前和之后的平坦区域对积分结果的贡献很小。

实验结果

一个 500fF 片式电容器焊接在一个共面演示 PCB 的中心走线和接地之间。切下第二个共面演示板的中心走线，并在切口上焊接一个 10nF 串联电容器。这将允许测量电容器的等效串联电感器（ESL）。这两个演示板如图 4 所示，安装的电容器的特写如图 5 所示。

图 6 所示的上部数据迹线是用分流电容器测得的Γ迹线。左边的正（感应）“光点”是探针尖端的感应，我们稍后会测量。光标位于负（电容）“blip”（即分流电容器）之前和之后。门控光标数学功能将电容显示为 655fF，在 500fF 电容器的 200fF 容差范围内。

上面的数据迹线如图 7 所示，是使用串联安装电容器测得的Γ迹线。左侧的正 “blip” 是探针尖端的电感。使用较大的探针来显示较大的结果“光点”。光标放置在正（感应）“blip”之前和之后，门控光标数学函数将电感显示为 197pH。这是串联安装电容器的 ESL。

光标测量也可用于测量探针尖端的电感，如图 8 所示，这主要是由于探针弹簧针造成的。探头接触点的正（感应）“光点”是通过将光标放在“光点”之前和之后来测量的。门控光标数学函数将电感显示为 730 pH，该电感是探头带宽的最大贡献者。电感越高，探头带宽越低。

移除 500fF 并联电容器并替换为 3.3pF 片式电容器，以获得第二个实验数据点，如图 9 所示。光标位于负（电容） “blip” （即分流电容器）之前和之后。门控光标数学函数将电容显示为 3.12pF，这完全在电容器的 10% 容差范围内。

提高测量效果的 5 个技巧

使用单个测量迹线，即连接到 CH2 的 TDR 迹线。通过使波形尽可能填充窗口并包含迹线平均，最大限度地提高此通道的信噪比。
设置文件包括脉冲电压、反射系数、阻抗以及电容器和电感器计算。禁用未使用的 traces 将提供更好的 view 所需波形。请务必关闭显示屏;不要删除数学函数。在关闭频道显示之前最大化 SNR。
电容器焊接在演示板的中间，允许干净的导入和引出走线，以最大限度地减少测量附近的反射。
较小间距的探头提供更高的带宽，从而实现更清晰的测量。
在测量未知值之前，始终测量已知值和类似量级。