PCB測(cè)試驗(yàn)證技術(shù):物理層的質(zhì)量把關(guān)
信號(hào)完整性測(cè)試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量的最終環(huán)節(jié),通過物理測(cè)量評(píng)估實(shí)際 PCB 的信號(hào)傳輸性能。測(cè)試技術(shù)主要分為時(shí)域測(cè)量(眼圖、TDR)和頻域測(cè)量(S 參數(shù))兩大類,分別反映信號(hào)的時(shí)域特性和頻率響應(yīng)特性。遵循 IEEE 1149.4 和 IPC-TM-650 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試,可確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。

眼圖測(cè)試是評(píng)估高速信號(hào)質(zhì)量的核心方法。測(cè)試設(shè)備通常采用帶寬至少為信號(hào)速率 3 倍的示波器(如 16Gbps 信號(hào)需 48GHz 示波器),配合差分探頭(輸入阻抗 100Ω,帶寬≥30GHz)。測(cè)試步驟包括:信號(hào)接入(使用探針或測(cè)試點(diǎn))、觸發(fā)設(shè)置(邊沿觸發(fā)或時(shí)鐘恢復(fù))、參數(shù)調(diào)整(時(shí)基設(shè)置為 UI 的 2-5 倍)和統(tǒng)計(jì)分析(至少采集 1000 個(gè) UI)。關(guān)鍵參數(shù)解讀:眼高應(yīng)大于芯片最小輸入擺幅的 80%,眼寬應(yīng)大于數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的建立 / 保持時(shí)間總和,交叉點(diǎn)偏移應(yīng)控制在 0.5UI±10% 以內(nèi)。
時(shí)域反射計(jì)(TDR)測(cè)試用于定位阻抗不連續(xù)點(diǎn)。TDR 通過向傳輸線注入階躍信號(hào)(典型上升時(shí)間 50ps),根據(jù)反射波形判斷阻抗變化:正反射表示阻抗增大,負(fù)反射表示阻抗減小。在實(shí)際測(cè)試中,可通過 TDR 定位以下問題:連接器阻抗突變(通常會(huì)產(chǎn)生 10-30Ω 的阻抗跳變)、過孔寄生電感導(dǎo)致的阻抗尖峰、布線拐角引起的阻抗變化(直角拐角約增加 5-10Ω)。結(jié)合 TDT(時(shí)域傳輸)測(cè)試,還可分析傳輸線的插入損耗和時(shí)延特性,為仿真模型校準(zhǔn)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
S 參數(shù)測(cè)量用于分析信號(hào)的頻率特性。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量的 S11 參數(shù)反映回波損耗(與反射系數(shù)相關(guān)),S21 參數(shù)反映插入損耗(傳輸衰減)。對(duì)于高速背板設(shè)計(jì),需關(guān)注以下指標(biāo):在信號(hào)奈奎斯特頻率處,S11 應(yīng)小于 - 15dB(反射較?。琒21 插入損耗應(yīng)大于 - 6dB(衰減可控)。差分信號(hào)還需測(cè)量 Sdd21(差分傳輸損耗)和 Scc21(共模抑制比),良好設(shè)計(jì)的差分對(duì) Scc21 應(yīng)比 Sdd21 低 20dB 以上,表明共模噪聲抑制良好。
測(cè)試點(diǎn)設(shè)計(jì)直接影響測(cè)量準(zhǔn)確性。高速信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)采用接地共面結(jié)構(gòu),避免信號(hào)反射;測(cè)試點(diǎn)與信號(hào)線的連接應(yīng)采用漸變過渡,減少阻抗突變。探針著陸點(diǎn)直徑建議≥10mil,相鄰測(cè)試點(diǎn)間距≥50mil,防止探針間干擾。對(duì)于差分對(duì)測(cè)試,兩個(gè)信號(hào)測(cè)試點(diǎn)間距應(yīng)等于差分線間距,確保探頭夾具的良好匹配。測(cè)試前需進(jìn)行校準(zhǔn),包括:開路校準(zhǔn)(去除探針寄生電容)、短路校準(zhǔn)(去除探針寄生電感)和負(fù)載校準(zhǔn)(確保阻抗參考準(zhǔn)確)。
測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的對(duì)比分析至關(guān)重要。當(dāng)兩者存在偏差時(shí)(如實(shí)際眼高比仿真低 20%),需從三方面排查:仿真模型(是否低估了損耗)、測(cè)試 setup(是否引入額外噪聲)和 PCB 制造(線寬、介質(zhì)厚度是否在公差范圍內(nèi))。通過迭代優(yōu)化模型參數(shù),可逐步縮小仿真與實(shí)測(cè)的差距,最終使關(guān)鍵指標(biāo)偏差控制在 10% 以內(nèi),為后續(xù)設(shè)計(jì)積累準(zhǔn)確的模型庫(kù)。

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