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TDR 的作用#

上一篇介绍了高速接口一致性测试的整体框架，本篇开始进入具体测试项的讲解。第一个是 TDR，几乎每个高速接口的通道诊断都会用到它。

在一致性测试中，如果通道的 S₁₁ 回波损耗曲线在某个频率上出现峰值，回损明显恶化，眼图也可见闭合，说明通道上存在阻抗不连续点。但一条走线从连接器、走线、过孔到芯片焊盘往往十几厘米长，回波损耗和眼图只能表明存在阻抗不连续点，但无法给出不连续点的具体物理位置。TDR 就是用来解决这个问题的。

TDR 的工作原理#

TDR 向传输线输入一个上升时间极短的电压阶跃，台阶沿走线向前传播，遇到阻抗突变处就会反射一部分回输入端。TDR 在输入端接收这些反射信号，通过反射的幅度 和时延，计算阻抗不连续点的阻抗大小和位置，从而绘制传输线上阻抗随距离变化的曲线。

1. 反射幅度 → 阻抗偏离量：反射系数 Γ = (Z − Z₀) / (Z + Z₀)。Z₀ 为参考阻抗（单端 50 Ω，差分 100 Ω）。Γ 为正说明该点阻抗高于参考值，Γ 为负说明低于参考值，|Γ| 越大说明偏离越严重。
2. 反射时间 → 不连续点的位置：距离 = 信号速度 × 时间 ÷ 2。÷ 2 是因为信号需要先传播到不连续点再反射回来，走了一个来回。在常见 FR4 板材上，信号速度约 15 cm/ns，即每厘米约需 67 ps。反射延迟 1 ns，不连续点就在约 7.5 cm 处。

TDR 的核心原理是将反射时延换算为物理距离。

TDR 曲线#

TDR 曲线是一条阻抗随距离（横轴）变化的曲线，规则如下：

• 曲线落在基线上——阻抗匹配，没有反射。
• 曲线高于基线——该段阻抗偏高（感性）。
• 曲线低于基线——该段阻抗偏低（容性）。
• 上升一个台阶且不回落——整段阻抗改变。
• 形成一个凸包再回到基线——局部一小段阻抗偏高。
• 形成一个凹坑再回到基线——局部一小段阻抗偏低。
• 曲线急剧上升至最大值——开路，反射系数为 +1，阻抗趋于无穷。
• 曲线急剧下降至零——短路，反射系数为 −1，阻抗趋于零。

典型结构的 TDR 特征#

不同物理结构在 TDR 曲线上呈现固定的特征：

根据这些特征，可从横轴读出不连续点的物理位置，并推断对应结构的类型。

分辨率与上升时间#

TDR 能分辨多近的两个不连续点，取决于电压台阶的上升时间（边沿陡峭程度）：

$\text{分辨率} \approx \frac{\text{信号速度} \times \text{上升时间}}{2}$

上升时间与带宽的关系：tr ≈ 0.35 / BW。35 ps 的边沿约对应 10 GHz 带宽。

分辨率不足时，两个间距很近的过孔在曲线上会合并为一个宽化的浅坑，无法分辨。被测板本身没有变化，变化的是测量分辨率。因此测高密度板必须使用上升时间足够短的边沿，慢速边沿无法分辨密集结构。

TDR 与 S 参数的关系#

TDR 和 S 参数（第 33 篇）描述的是同一物理现象在时域和频域的两个视角：

• S₁₁ 是频域的回波损耗——反映谐振发生的频率和反射的严重程度。
• TDR 是时域的阻抗曲线——反映这些反射来自哪个物理位置。

对 S₁₁ 做傅里叶反变换，得到的就是 TDR 曲线。 两套数据配合使用：频域评估反射的总体严重程度，时域定位反射的具体物理位置。

还有一对对应的概念：一致性测试中使用的去嵌（de-embedding），在时域中就是加一道时间门（time gating）——只保留所关心那一段时间的反射，将夹具、接头等不关心部分的反射排除在外。这和第 35 篇涉及的测试夹具去嵌逻辑是同一原理的时域表述。

三种测试场景#

操作要点#

测量方式有三种：专用 TDR 仪器、采样示波器插 TDR 模块、VNA 先测 S 参数再经傅里叶反变换得出 TDR 曲线。

操作要点：

1. 参考阻抗：单端 50 Ω，差分 100 Ω，在仪器中正确设置。
2. 校准：必须先用标准件校准，将参考面推到被测走线起点；否则夹具段会混入测量结果。
3. 差分测量：两根同轴电缆必须相位匹配，对等长度偏差（skew）须小于 1 ps，否则差分阻抗读数出错。
4. 探针：使用差分微波探针，压在裸板走线的起点焊盘上。远端保持开路。TDR 曲线上的所有距离均从探针尖端位置起算。
5. 边沿选择：确保台阶上升时间足够覆盖所需分辨率。