Zeitbereichsreflektometer Leiterbahnen genau unter die Lupe nehmen

Leiterplatten, Stecker und Kabel als Übertragungsmedium verwendet, fordern exakt reproduzierbares Impedanzverhalten des Übertragungskanals.
Leiterplatten, Stecker und Kabel als Übertragungsmedium verwendet, fordern exakt reproduzierbares Impedanzverhalten des Übertragungskanals.

Höhere Datenraten erfordern ein definiertes und reproduzierbares Impedanzverhalten des Übertragungskanals, besonders für schnelle Digitalsignale. Das betrifft Leiterplatten, Stecker und Kabel, als Übertragungsmedium. Jede Störung im Impedanzverhalten führt zu einer Beeinflussung der Signalqualität.

Zur Analyse von Impedanzproblemen werden Zeitbereichsreflektometer, auch kurz TDR-Instrumente genannt, genutzt. Ähnlich wie beim aus der Luftfahrt bekannten Radar werden elektromagnetische Signale auf das zu vermessende Objekt gesendet und die auftretenden Reflexionen detektiert. Bei den TDR-Instrumenten besteht das elektromagnetische Signal aus einem sehr schnellen Spannungssprung oder einem kurzen Dirac-Impuls mit einer Anstiegszeit von einigen Pikosekunden, der über eine Zuleitung dem Messobjekt zugeführt wird. Trifft das Signal auf Störstellen oder Impedanzsprünge, so entstehen dort Reflexionen und ein Teil des Signals läuft zum Ausgangspunkt zurück. Aus dem Zeitpunkt, der Amplitude und der Kurvenform einer Reflexion können Ort, Art und Größe der Impedanzänderung bestimmt werden.

Teledyne LeCroy hat mit der T3SP-Serie und dem WavePulser 40iX zwei TDR-Messgeräte auf den Markt gebracht, mit deren Hilfe Impedanzen nicht nur genau gemessen werden, es können auch Impedanzsprünge, eine wesentliche Ursache für Signalintegritätsprobleme, gesucht und bewertet werden. Diese TDR-Messgeräte eignen sich für die zeitaufgelöste Analyse von Impedanzen auf Leiterplatten, Kabeln und/oder Steckern. Neben der Zeitbereichsanalyse können beide Serien die Signale auch im Frequenzbereich (ähnlich einem VNA, Vector Network Analyzer) analysieren und S-Parameter (Scattering-Parameter) bestimmen. Die T3SP-Serie sind zweikanalige TDR-Instrumente, die durch ihre True-Differential-Technik große Vorteile haben, wenn Messungen an Twisted-Pair-Leitungen oder mit TDR-Tastköpfen an Platinen durchgeführt werden sollen. Der vierkanalige Wave-Pulser erfüllt durch seine vier Kanäle, die hohe Bandbreite von 40 GHz und die umfangreiche Analysesoftware alle Anforderungen an ein universelles TDR-Instrument zur anspruchsvollen Analyse von Highspeed-Designs.

Kontrolle von Leiterplatten

Die Grundimpedanz einer Leitung hängt von der Geometrie der Leiterbahn (Breite/Höhe und Dicke) sowie der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials der Leiterplatte ab. Fertigungstoleranzen in der Leiterbahndicke, das Verpressen der Lagen aber auch Unterschiede im Grundmaterial beeinflussen diese Werte. Selbst wenn Impedanz-kontrollierte Leiterplatten bestellt werden, ist es sinnvoll, einzelne Leitungen mit der gewünschten Impedanz aus dem Entwurf/der Simulation zu vergleichen. Dies hilft Fehler im Design und in der Fertigung rechtzeitig zu erkennen, bevor hohe Kosten entstehen.

Für die Überprüfung der geforderten Impedanz ist es daher sinnvoll, Teststrukturen auf der Leiterplatte oder auf dem Substrat zu integrieren. Diese Teststrukturen sollten alle relevanten Signallagen der Platine abbilden. Zum einfachen Prüfen dieser Teststrukturen eignen sich TDR-Tastköpfe wie die T3SP-DPROBE-F, die mit federnden Kontaktspitzen ausgestattet sind.

Im Bild 1 wurden drei verschiedene Teststreifen vermessen und die Ergebnisse der Impedanzmessungen überlagert. Der Impedanzsprung am Anfang des Bildes stellt den Übergang der TDR-Probe auf die Teststruktur dar. Am Ende der Leitung steigt die Impedanz auf Unendlich, was einem offenen Ende am Ende der Teststruktur entspricht. Diese beiden Bereiche können für die Bestimmung der Impedanz der Leitung vernachlässigt werden. Betrachten wir daher den Bereich in der Mitte, wo auch die Toleranzmaske mit 100 Ohm +/-10 Prozent eingeblendet wurde.

Gut zu sehen ist, dass die Impedanz bei allen Messungen höher als 100 Ohm ist, aber nur die blaue Kurve außerhalb der Toleranz liegt. Durch die Messung der Impedanz an einer Testplatine können sehr schnell Rückschlüsse auf die Fertigungsqualität gezogen werden und es kann verhindert werden, dass fehlerhafte Platinen in die Fertigung kommen. Werden fehlerhafte Platinen zum Beispiel erst bei der finalen Funktionsprüfung gefunden, sind diese Kosten erheblich höher als die einer Stichprobenprüfung beim Wareneingang.

Zu langes Aufdrillen

Bei der Montage von Steckern auf Kabel kann es leicht vorkommen, dass Fehler gemacht werden. Dies kann etwa eine fehlerhafte Kontaktierung der Masse oder, gerade bei Twisted-Pair-Leitungen, ein zu langes »Aufdrillen« der Leitung im Stecker sein. Selbst bei konfektionierten Kabeln mit vergossenen Steckern ist es mit einem TDR-Instrument sehr einfach, die Güte dieser Übergänge messtechnisch zu bestimmen und eine Qualitätsaussage zu treffen.

Für das Beispiel im Bild 2a sind drei unterschiedliche USB2-Kabel mit Stecker vermessen worden. Die USB-Norm gibt sowohl eine Toleranzgrenze für den Impedanzsprung im Stecker wie auch für die Impedanz des Kabels nach dem Stecker vor. Da der Einfluss einer Stoßstelle auf ein System zum einen von der Länge der Stoßstelle als auch von der Bandbreite der zu übertragenden Signale abhängt, wird in der USB-Norm eine Bewertung der TDR-Signale mit einem 400-ps-Filter vorgeschrieben. Diese Bewertung wird auch als gefilterte TDR-Messung bezeichnet. Die für die Norm angegebene TDR-Anstiegszeit soll das Impedanzprofil nachbilden, das ein echtes USB-Highspeed-Signal sehen würde. Diese Bewertung wird technisch durch eine Software-Filterung (Bandbreiten-Begrenzung) des Impedanzprofils realisiert.

Zu sehen ist, dass das rote Kabel die Norm sowohl für den Stecker als auch für das Kabel einhält. Bei der grünen Leitung ist der Stecker in Ordnung, jedoch ist die Impedanz im Kabel außerhalb der Toleranzgrenze. Bei der blauen Leitung ist es genau umgekehrt: Dort ist der Impedanzsprung im Stecker außerhalb, die Kabelimpedanz aber innerhalb der Toleranzgrenze. Betrachtet man nun den fehlerhaften Stecker mit der vollen Auflösung des TDR-Ins­truments (Bild 2b), erkennt man, dass es sich um zwei unabhängige Impedanzsprünge handelt, die etwa 500 ps oder etwa 3 cm umgerechnet auf die Distanz, auseinander liegen.