Eck-DATEN

Der Beitrag zeigt, dass ein 2-Port-Einzelsignalquellen-VNA in der Lage ist, die exakten Zeitbereichsantworten zu liefern, die zur Berechnung von Laufzeitversatz und Differenzialimpedanz benötigt werden. Selbst einfache kostengünstige Vektornetzwerkanalysatoren mit geeignetem Softwarealgorithmus und dazugehöriger Automatisierung kann VNA-basierte Signalintegritätsmessungen durchführen, einschließlich aller relevanten Prüfabläufe im Zeit- und Frequenzbereich.

Bei einer Automatisierung ist es notwendig, einen speziellen Moduladapter für einen speziellen Leiterplattentyp mit dem Testsystem zu verbinden, bevor die Messung durchgeführt werden kann. Bei Multilayer-Leiterplatten mit Mehrfachanschlüssen kommt es zu einer Herabsetzung der Impuls- und Anstiegszeit im Messverfahren. Jedoch werden durch Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) zum Durchführen von Frequenzbereichs-Reflektometrie-Messungen sämtliche Prüffrequenzen an den Modulausgang übermittelt, gemeinsam mit besseren Lösungs- und Testmethodiken, einschließlich optimierter Fehlerkorrekturverfahren und De-Embedding-Tools zum Beseitigen der Auswirkungen des Messadapters. Eine solche Konfiguration wird besonders nützlich, wenn die beweglichen Messköpfe mithilfe von sehr langen Kabeln an eine Einzelsignalquelle angeschlossen werden. Die Einführung kleiner kostengünstiger Hochleistungs-VNAs bedeutet, dass die Vorteile der Automatisierung, der höhere Durchsatz und die schnellere Messung der Signalintegrität bei gleichzeitig geringeren Kosten verfügbar gemacht werden.

FDR im Vergleich zu TDR

Die meisten modernen Analysatoren nutzen die Frequenzbereichs-Reflektometrie (FDR) – ein Verfahren, bei dem HF-Frequenzen zur Analyse der Daten genutzt werden, wodurch es möglich ist, Änderungen und Herabsetzungen bei der Betriebsfrequenz zu lokalisieren.

TDR

Bild 1: Schaffung einer Referenzebene für die VNA-Kalibrierung mit Darstellung der Nutzung von Adaptern zwischen den VNA-Ports und dem Messmodul. Anritsu

Das FDR-Messverfahren erfordert einen gewobbelten Frequenzeingang an der Übertragungsleitung. An den reflektierten Signalen wird eine umgekehrte FFT (Fast Fourier-Transformation) durchgeführt, um diese Informationen in den Zeitbereich zu übertragen. Die FFT unterscheidet sich vom TDR-Verfahren (Time Domain Transmission, Zeitbereichsübertragung), das gepulste Gleichstrom- oder Halbsinuswellensignale in eine zweiadrige Kupferleitung sendet und anschließend die Antwort der reflektierten Impulse digitalisiert. Die gepulste TDR war die ursprünglich zur Anwendung kommende Methode zur Evaluierung der Eingangsimpedanz von Komponenten. Sie nutzt einen rasch ansteigenden Gleichstromimpuls als Quelle. Dadurch wird nur eine geringe Menge an Energie gesendet. Dieses Verfahren ermöglicht präzise Lokalisierungen potenzieller Quellen von Gleichstrompegelfehlern und deren Feststellung. Es stehen jedoch keine Informationen zu Leistungsproblemen bei Sollbetriebs-HF-Frequenzen zur Verfügung.

Der Hauptvorteil der Nutzung FDR-basierter Technologien im Vergleich zur TDR besteht darin, dass die Quellenergie im Betriebsband viel höher ist. Dies resultiert in einer höheren Sensibilität, wodurch die Wahrscheinlichkeit steigt, kleine Probleme aufzudecken, bevor diese zu großen Problemen führen.

Multilayer-Leiterplatten mit Mehrfachanschlüssen führen zu einer Herabsetzung der Impuls- und Anstiegszeit im Messverfahren und stellen daher eine größere Herausforderung bezüglich der Messdurchführung unter Anwendung herkömmlicher TDR-Messverfahren dar. Da VNAs die Fähigkeit besitzen, sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich zu messen und über bessere Fehlerkorrekturverfahren und De-Embedding-Tools verfügen, bieten sie ein umfangreicheres und präziser funktionierendes Paket an Prüfroutinen.

TDR

Bild 2: Berechnung des Versatzes zwischen den Differenzialspuren auf einer Backplane unter Verwendung einer Opferplatine. Anritsu

Bislang war der Kostenunterschied zwischen einem VNA und einem TDR erheblich. Mit der Einführung neuer Technologien und einer neuen Architektur, die zu schnelleren Erfassungsgeschwindigkeiten führen, wurde diese Barriere wirksam beseitigt.

Ausgleichsmöglichkeiten für das Prüfmodul

Bei Multilayer-Leiterplatten und Mehrfachanschlüssen ist es notwendig, die durch das Prüfmodul eingebrachten Störeffekte auszugleichen. Dies umfasst die Berechnung der Differenzialimpedanz aus den Zeitbereichsantworten und die anschließende Anpassung der Spuren in jedem differenziellen Paar zur Schaffung eines Ausgleichs für den Bitversatz, der in den Modulen der Messvorrichtungen auftreten könnte.

Bevor eine Messwerterfassung durchgeführt wird, muss eine Referenzebene geschaffen werden: der Punkt, an dem die Kalibriernormale angewendet werden (Bild 1).

Laufzeitversatz-Analyse

Da ein Open als Vollreflexion definiert ist, kann die Position eines offenen Endes gefunden werden, indem man schaut, wo sich der Maximalwert in der ersten Ableitung befindet, die von der TDR-Antwort berechnet wurde. Die Ableitung wird analytisch von der TDR-Antwort berechnet, die vorher geglättet wird. Die Rauschunterdrückungs- und Glättungsverfahren sind gegebenenfalls für mittels Sampling-Oszilloskop gemessene Zeitantworten erforderlich. Die von einem VNA berechneten Zeitantworten sind in der Regel – durch die zur Anwendung kommende Filterung – viel reiner. Die VNA-Methode läuft automatisch ab, ist universell und unempfindlich gegenüber Amplitudenrauschen.

TDR

Bild 3: Differenzialimpedanzprofile unter Verwendung eines linearen 4-Port-Netzwerkmodells. Anritsu

Um die exakteste offene Ableitung für beide Spuren zu bestimmen, wird eine Gewichtung über einen Softwarealgorithmus vorgenommen, um andere Spitzenwerte zu beseitigen beziehungsweise zu unterdrücken, bevor diese auftreten.

Vor dem offenen Ende gibt es vermutlich andere scharfe Übergänge (Transienten) mit ähnlichen oder sogar größeren Ableitungen. Jedoch hat der Übergangsprozess am offenen Ende viel größere Amplituden, die für eine Kontrasterhöhung dieser anderen Transienten innerhalb dieses kleinen Intervalls genutzt werden können. Durch Nutzung dieser Gewichtungsfunktion werden alle vor dem offenen Ende auftretenden Spitzenwerte stark unterdrückt. Mögliche Transienten, die nach dem offenen Ende vorkommen, sind für gewöhnlich sehr viel langsamer. Ihre Ableitungen werden daher nicht mit dem vom offenen Ende erzeugten Spitzenwert konkurrieren. Die Zeit wird von der Referenzebene gemessen, erfasst während der Koaxialkabelkalibrierung des VNA und der Kabel.

Der gemessene Laufzeitversatz kann genutzt werden, um die TDR/TDT-Antworten (TDR, Time Domain Transmission) numerisch anzupassen, die von der Referenzebene gemessen wurden. Der Laufzeitversatz Δt wird als (T2-T1)/2 definiert, da T1 und T2 Umlaufzeiten sind.

 

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