【TDR波形の見方】TDRを基本から解説
さて、 今日は、 よくある質問の一つ 「TDR」について。
Contents- TDRってどんな測定？
- TDRから得られる情報
- 終端の特性
- DUTの伝送路の特性インピーダンス
- 伝送路上のインピーダンス変化点
- TDRの最もポピュラーな使い方は、基板上の配線チェック
- インピーダンスミスマッチ検出にも有効
TDRってどんな測定？
TDRは、 オシロスコープを用いて測定する 測定手法の一種で、 「time domain reflectometry」 の略だそうである。 字面だけ見ても 分からないと思うので、 以下、解説します。
TDRは、 オシロスコープに接続した DUT (Device Under Test:被測定物) からの反射波を 測定する手法です。 具体的には、 図1のように、 オシロスコープから ステップ電圧 (実際はパルス波形) を入力します。 そして、 図1のMonitor point に現れる電圧波形を 測定します。
図1※ T: DUT上の終端での反射係数 D: ケーブルとDUTの間の反射係数 $Z_{0}$: DUT上の伝送路の特性インピーダンス
TDRから得られる情報
TDRで分かる 接続先の情報は、 大きく分類して以下の３つ。
- 終端の特性
- 伝送路の特性インピーダンス
- 伝送路上の特性インピーダンスの変化点
DUT上で、 終端部分以外の 反射がない場合は、 終端の反射が ダイレクトに 測定されますので、 その波形から、 終端の特性を知ることが できます。
図2解放終端の場合は、 $Z_{T}=∞$ となりますので、 反射係数:T=1となり、 測定される反射波の振幅:$a_{0}T$は、 入社波と同じ振幅の$a_{0}$ となります。(つまり全反射)
※ $$反射係数: T=\frac{Z_{T}-Z_{0}}{Z_{T}+Z_{0}}$$
また、 終端がGNDにshortしている 場合、 すなわち、 図3のように $Z_{T}=0$であれば、 T=-1となり、 マイナスの 全反射が返ってきます。
図3以上のように、 終端抵抗の情報が、 TDRの波形から得られることは 分かると思います。
DUTの伝送路の特性インピーダンスそれでは、 伝送路の特性インピーダンス についてはどうでしょうか。
伝送路の特性は、 図4の楕円で示した部分に 現れます。
図4楕円の部分に 反射波がみえた場合は、 その反射波の振幅$V_{x}$は、 $$V_{x}=\frac{Z_{0}-50}{50+Z_{0}}*a_{0}$$・・・① となります。
反射がなければ、 $V_{x}=0$なので、 ①の式から $Z_{0}=Z_{D}=50$ であることが 分かります。
※ ケーブルの特性インピーダンスは、 通常50ohmなので、$Z_{D}=50$
そして、 振幅が$a_{0}+V_{x}$となる期間から、 伝送路の長さを 知ることができます。 ($V_{x}=0$のときは、 図4の楕円の部分から、 同軸ケーブルの いわゆる電気長 を引き算します。)
伝送路上のインピーダンス変化点伝送路上にインピーダンスの 変化点(Viaやコネクタ等)があると、 その都度、 反射波が返ってきます。 その反射波も、 図4の楕円の部分に 現れますので、 これらの情報も TDRから得ることができます。
TDRの最もポピュラーな使い方は、基板上の配線チェック
以上のような特徴を 利用して、 PCB配線上に断線もしくはショートが ないか？ といったチェックをするのが、 最もポピュラーな 使い方だと思います。
例えば、 配線上に 断線がある場合、 伝送路上に インピーダンス: ∞の 箇所が生じますので、 図5のように、 所定の終端からの 反射波の前に、 全反射が返ってきます。
図5インピーダンスミスマッチ検出にも有効
TDRは、 DUT(PCB)上の配線の インピーダンスのミスマッチを 見つけるのにも、 有効です。
高速信号のISIについて、 最も影響のあるのは、 配線上の インピーダンスのミスマッチです。
PCB上の信号のISIに 悪化が見られた場合 PCB材質の改良に走るのを よく見かけますが、 PCB材質による誘電損などは、 イコライザで復元可能な ものです。
信号のISIに悪化が見られる場合、 まずは、 TDRでインピーダンスのミスマッチ を検出することがとても 有効です。
以上、ご参考になれば幸いです。
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