发射点外推法有助于测量PCB精细线迹上的特性阻抗。
有时候你的直觉可能会把你引入歧途……我最近就经历过这样的情况:两个新安装的恒温淋浴设备要么过热，要么冰冷——没有介于两者之间——同样的症状——两个相同的设备。两名水管工挠头都没用，他们反复尝试校准最小和最高温度都没有成功，似乎需要把新铺的瓷砖拆下来。几个月后，仍然没有解决问题——第三个水管工看了看。他采取了不同的方法。“首先——让我看看你的锅炉”……啊哈……他注意到——你有一个反向锅炉。大多数锅炉都有一个加热盘管来加热水箱中的水，用于淋浴-这个锅炉看起来就像其中之一-但在这种情况下，水箱中充满了防冻溶液，并用作储热器来加热水管压力水盘管。他的脑子里立刻灵光一现——安装人员安装了专为高压冷水和低压热水设计的淋浴混合器——巧妙地使用了文丘里装置，在高压冷水混合时提高热水压力。我想这个故事的寓意是，无论你认为你多么了解一个系统——外部因素经常会破坏你的直觉，你需要看更大的图景——这把我引向了一个与Si工程师更相关的主题，以及PCB传输线特性阻抗是如何测量的，尤其是在走线非常精细的情况下。
但首先要坦白，在我的日常工作中，作为建模和测量PCB传输线阻抗的工具供应商——很容易对术语感到懒惰——Eric Bogatin博士最近提醒我，阻抗这个术语有各种各样的用法。术语很重要，可以避免误解。当我提到阻抗建模或测量阻抗时，几乎总是在对PCB传输线的特性阻抗建模的意义上。这与测量PCB传输线的输入阻抗形成对比。均匀线的特性阻抗是线本身的固有特性，对于均匀线来说，无论在哪里测量，看起来都是一样的。它与频率基本无关，幸运的是，它看起来像一个电阻，因此，通过正确的源和负载终止，一条线可以看起来无限长。刚接触高速工作的设计人员可能会混淆特性阻抗和一段线路的输入阻抗——后者肯定会随频率而变化。
测量大多数PCB传输线的特性阻抗是简单的，通常是通过TDR实现的，但“看到”特性阻抗不受测试系统互连的影响或被测线路末端的影响是很重要的。由于这个原因，许多制造商更喜欢使用测试片来测量线路特性阻抗，因为它足够长，可以让TDR观察到迹线未受干扰部分的反射，即测试探头的互连像差解决之外的部分，同时也远离由测试片末端的开路反射引起的上升。
图1 TDR传输线轨迹处电阻效应
小到可以忽略
你可能会问，发射点外推(LPE)与此有什么关系?好吧，虽然PCB走线相当宽，只有几密耳或数百微米，但很容易就能看到PCB走线，并得到一个平坦的响应来测量反射系数，要么进行数学运算，要么让测试系统为你进行数学运算，然后测量特征阻抗。如果反射信号沿测试传输线上升或下降，可以安全地推断为沿线下降到蚀刻锥度-多个显微切片可以证实。但是现在线路宽度可以更窄，只有几密耳(远低于100微米)，铜的重量更低，这可能导致传输线的直流电阻在TDR迹线上表现为相当线性的向上斜率。如果你不确定斜率是否依赖于阻力，你可以从任何一端测量一个适当的息票，并检查斜率随着时间的推移而上升，而不管被测试的线的一端。(如果斜率从一端上升，从另一端下降——这很可能是蚀刻不均匀，线的一端比另一端窄——横截面可以证实)。
一旦你确认了电阻效应导致的轨迹斜率，那么挑战就是从测量中去除电阻元素，为了获得良好的无反射发射到轨迹中，信号需要以与轨迹的瞬时阻抗匹配的阻抗发射。同样，当用二维场求解器对轨迹进行建模时，所计算的Zo将是瞬时阻抗。发射点外推是许多oem和IPC提出的一种技术，用于更精确地测量更精细几何传输线PCB走线上的特性阻抗。
下面是一个示例(图2)，显示了精细几何/薄铜迹上阻抗的典型TDR测量。制造商已经习惯于取轨迹未受干扰区域的平均值，以表示沿PCB传输线任意点的瞬时阻抗。但是叠加在轨迹上的斜率引出了一个问题——在哪一点上瞬时阻抗是“特征阻抗”?
图2 -显示电阻损耗效应的TDR迹
图3进一步强调了这一点——您应该在跟踪的开始、中间或结束处解释值，还是在这三者的平均值处解释值?
图3 -显示电阻损耗效应的TDR迹。Zo应该在哪里
测量吗?
考虑到这一点-无损线路的特性阻抗通常近似如图4所示
图4简化的特征阻抗方程
然而，在TDR观察到的细线上，电阻元件开始起作用
图4特征阻抗方程
所以更完整的方程显示了R和G，它们是尺寸特征，与长度成比例。在用二维场求解器求解线阻抗时，计算了零长度截面的特性阻抗。在测量细线迹时，R显示为迹线的向上斜率，电导仍然小到可以忽略。为了从测量中去除“R”，许多原始设备制造商和IPC在IPC- tm -650测试方法标准中提出了发射点外推法，这是一条简单的线，在TDR脉冲发射到被测线时，投影回一个假想的点。在这一点上的阻抗是不可能在TDR上解释的，因为当您查看轨迹开始的点时，您将发现TDR反射受到发射像差的扰动，以及被测线上脉冲振幅的沉降。LPE简单地在测试车辆的未受扰动区域上拟合一条线，并将其投射回轨迹的起点或“发射点”，这条线与探针末端的点和轨迹的起点相交-表示特征阻抗。
如果在测量细线痕迹时不使用LPE会发生什么?如果你回到本文开头的淋浴故事，你需要考虑一下你忽略或不知道的一些事实。例如，一些制造商可能会在轨迹的中间选择一个点或取平均值作为特征阻抗。当他们试图相互关联时，他们发现测量到的特征阻抗比预测的高了几个欧姆——通过跳跃到错误的结论，他们可能“指责”基材介电常数的准确性(错误地)是缺乏相关性的原因。接下来，他们可能会使用求解器来反向寻找“有效”介电常数——当他们应该寻找测量源而不是建模不准确时。发生这种情况的一个线索(我曾多次目睹这种情况)是一个制造商说玻璃/树脂复合材料的有效介电常数小于树脂。在极端的情况下，我见过一个制造商说，在FR4结构的内层上，Er小于2.0。(2.0代表纯聚四氟乙烯!)当FR4中的玻璃在Dk(6)左右，环氧树脂在Dk(3)左右，所以一个快速的常识健全检查会说这个假设是有缺陷的。我总是质疑以这种方式寻求Dk的制造商——因为其他变量(介电分离和线宽)对特性阻抗有一级影响，Dk有1/根的影响——所以简单地浏览这个数字很容易导致错误的结论。
总之，当在细线迹上测量特性阻抗时，重要的是使用足够长的测试车辆，以确保良好的线拟合远离TDR脉冲沉降和发射像差，以便应用发射点外推。使用2d场求解器的相关性研究应基于将场求解器值与通过LPE线拟合在测试coupon开始处投影的Zo测量值相关联。
传记
Martyn Gaudion是Polar Instruments Ltd.的董事总经理。他于20世纪80年代初在泰克开始了他的职业生涯，负责高带宽便携式示波器的测试工程。在泰克工作期间，他获得了广泛的PCBA生产经验，并广泛参与了表面贴装技术的引入。Gaudion于1990年加入Polar，在那里他负责Toneohm 950的设计和开发，Polar的多层PCB短路定位器。1997年，他成为Polar的市场经理，因为受控阻抗测试市场成为Polar产品范围的一个主要部分，2001年1月被任命为销售和市场总监，2010年1月被任命为首席执行官，Gaudion还为一些PCB行业出版物撰写偶尔的文章，并定期为IPC高速高频标准开发活动做出贡献。Gaudion是一名特许公司董事，也是伦敦IoD(董事学会)的会员。2016年被任命为欧洲印刷电路协会(EIPC)副主席。
