半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)域反射研究

王娜

早在60年代就產(chǎn)生了時(shí)域反射計(jì)TDR（Time-Domain Reflectometry）技術(shù)。該技術(shù)是用來檢測(cè)沿傳輸線傳播的時(shí)間階躍電壓。它用示波器檢測(cè)來自阻抗的反射，測(cè)量輸入電壓與反射電壓比，從而計(jì)算不連續(xù)的阻抗。TDR是多個(gè)英文單詞的縮寫，包括：Time-Domain Reflectometry-時(shí)域反射技術(shù)，它是一種對(duì)反射波進(jìn)行分析的遙控測(cè)量技術(shù)，在遙控位置掌握被測(cè)量物件的狀況。70年代了解到作為頻率函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)的傅里葉變換就是作為時(shí)間函數(shù)的反射系數(shù)?？捎镁W(wǎng)絡(luò)分析儀在頻域測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算和顯示網(wǎng)絡(luò)作為時(shí)間函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)階躍和激沖響應(yīng)。使在反射和傳輸中傳統(tǒng)TDR能力增加了在頻帶有限網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)量的潛力。在反射模式中網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量作為頻率函數(shù)的反射系數(shù)?？砂言摲瓷湎禂?shù)看成是入射電壓和反射電壓的傳遞函數(shù)。反變換將反射系數(shù)轉(zhuǎn)換為時(shí)間函數(shù)（激沖響應(yīng)）。可用該反射系數(shù)與輸入階躍或脈沖的卷積計(jì)算階躍和激沖響應(yīng)。在傳輸模式中。網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量作為頻率函數(shù)的二端口器件的傳遞函數(shù)。反變換將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為二端口器件的激沖響應(yīng)。用該激沖響應(yīng)與輸入階躍或脈沖的卷積計(jì)算階躍和激沖響應(yīng)。TDR時(shí)域反射技術(shù)是測(cè)量傳輸線特性阻抗的主要工具。TDR主要由三部分構(gòu)成：快沿信號(hào)發(fā)生器，采樣示波器和探頭系統(tǒng)。在最終測(cè)試生產(chǎn)區(qū)域，產(chǎn)品測(cè)試包括測(cè)試主機(jī)（Main Frame）和被測(cè)樣品。這兩部分是由測(cè)試接口相連。這個(gè)測(cè)試接口通常包括測(cè)試板，數(shù)據(jù)線，芯片接口底座，彈簧針等等。 通常測(cè)試主機(jī)是工作正常的， 那這個(gè)測(cè)試接口怎么樣呢？但事實(shí)上許多情況是一個(gè)測(cè)試生產(chǎn)的過程是由許多部分組成，它是測(cè)試主機(jī)，測(cè)試板和測(cè)試程序的組合體。 在生產(chǎn)轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)， 終測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試是對(duì)技術(shù)人員和生產(chǎn)人員的夢(mèng)魘，特別是高頻率和多管腳的產(chǎn)品。 由于每個(gè)部分需要在不同硬件之間連接，機(jī)械連接的部分總是問題點(diǎn)，而且彈簧針接觸偏移，總會(huì)導(dǎo)致較小的連接阻抗。

調(diào)試測(cè)試組件的連接問題是非常耗時(shí)的。它很明顯需要一種易于操作的方法去處理每一個(gè)單一組件的連接問題。這可以很容易地發(fā)現(xiàn)問題，以至于每個(gè)工程師可以改正和預(yù)先解決問題。這篇論文將闡述怎樣運(yùn)用時(shí)域反射（TDR）的方法。

1 傳輸線模型和時(shí)域反射 （TDR）介紹

任何信號(hào)傳輸路徑都存在一些電容和電感，它們非常微小，而且對(duì)低頻信號(hào)沒有影響，但它會(huì)對(duì)高頻信號(hào)的傳輸產(chǎn)生影響。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)非常好的傳輸路徑，單位長(zhǎng)度的電感和電容已經(jīng)被很好的定義了，傳輸線的概念允許簡(jiǎn)化很多東西。輸入一個(gè)入射信號(hào)，一個(gè)無限不失真的傳輸線就可以認(rèn)為是一個(gè)接地電阻。對(duì)于有限的傳輸線，它將在末端反射這個(gè)信號(hào)。反射信號(hào)的標(biāo)志和幅值取決于傳輸線的阻抗和負(fù)載阻抗。反射信號(hào)將在傳輸線的兩端反復(fù)傳輸。

傳輸線具有以下屬性：

1）單位長(zhǎng)度的電感值Lc和電容值Cc

2）特性阻抗Z0

3）信號(hào)傳播速度Vp和信號(hào)傳輸延遲Tpd

4）單位長(zhǎng)度的歐姆阻抗Rc

通常我們用Z0和Tpd來衡量傳輸線，這是因?yàn)檫@可以利用基礎(chǔ)電路理論的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

1.1 傳輸線里的反射

當(dāng)傳輸線里的信號(hào)到達(dá)特征阻抗變化的位置點(diǎn)，只會(huì)有一部分信號(hào)通過，而且剩下的將會(huì)反射回來。反射信號(hào)的數(shù)量取決于變化點(diǎn)之前和之后的阻抗比率，ZL是負(fù)載阻抗，Z0是傳輸線阻抗，當(dāng)負(fù)載阻抗不是簡(jiǎn)單的歐姆阻抗，而且傳輸線也有不同阻抗。經(jīng)過反射之后，反射信號(hào)流回傳輸線的開端，在那它又被反射回去，周而復(fù)始。每一次反射的波形都會(huì)疊加傳輸線上的現(xiàn)有電壓。

1.2 時(shí)域反射

當(dāng)阻抗隨著傳輸線變化，反射的幅度也會(huì)隨之變化。如果之前我們知道線阻抗，就也可以判斷它之后的阻抗。反射信號(hào)將在線上返回知道它到達(dá)起始點(diǎn)。如果信號(hào)傳輸速率是已知的，它有可能源自傳播延遲和其他信息。

時(shí)域反射測(cè)量系統(tǒng)：階躍信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生了一個(gè)上升沿的入射波作用于待測(cè)傳輸系統(tǒng)，階躍信號(hào)以在線路中傳輸?shù)乃俣仍趥鬏斁€中沿線傳遞，如果負(fù)載阻抗和傳輸線的特性阻抗相同，就沒有波會(huì)被反射，所有在示波器上看到的只有通過傳輸線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的入射波階躍電壓。如果終端負(fù)載不匹配，部分入射波將會(huì)被反射，在示波器上會(huì)出現(xiàn)反射電壓波和入射電壓波代數(shù)上的疊加。

2 UP1600 IG-XL 時(shí)域反射（TDR）工作分析

對(duì)于UP1600測(cè)試機(jī)臺(tái)，TDR測(cè)量是產(chǎn)品工程師執(zhí)行和檢查機(jī)械連接，IG-XL的TDR模塊是一整套計(jì)算每一個(gè)數(shù)字信道的追蹤延遲時(shí)間，然后計(jì)算出驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償和比較時(shí)間響應(yīng)。系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)測(cè)量和補(bǔ)償在驅(qū)動(dòng)，比較器和彈簧針終端之間固有的時(shí)間延遲。TDR是另一種測(cè)量和補(bǔ)償在被測(cè)樣品和彈簧針終端之間的時(shí)間延遲。

IG-XL TDR方法像一個(gè)二維參數(shù)測(cè)試。由于，反射波會(huì)增強(qiáng)入射波和電壓幅度，大約是輸入電壓的2倍。TDR模塊做電壓比較在第二個(gè)上升沿，然后根據(jù)每一次比較幅度的通過區(qū)間計(jì)算波形的延遲時(shí)間和斜率。

IG-XL TDR將在程序驗(yàn)證之后，和在第一次測(cè)試之前，測(cè)量每一個(gè)被選的通道。這樣可以在已知程序工作正常的情況下，進(jìn)行硬件的調(diào)試，它可以減少不必要的消耗。每次檢測(cè)時(shí)，如果有錯(cuò)誤出現(xiàn)，IGXL都會(huì)顯示哪個(gè)通道TDR失敗，這樣可以有助于工程技術(shù)人員進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)試。

3 UP1600 時(shí)域反射（TDR）應(yīng)用分析

IG-XL TDR模塊當(dāng)響應(yīng)時(shí)間超過通過區(qū)間就會(huì)報(bào)告一個(gè)錯(cuò)誤。通常這是由于彈簧針短路到地線或其他信號(hào)通路，所以這里有兩個(gè)對(duì)TDR模塊的束縛：

1）如果繼電器卡損壞，在繼電器切換前后都將會(huì)得到相同的探測(cè)延遲時(shí)間，然后TDR值將是0，但測(cè)試系統(tǒng)不會(huì)報(bào)錯(cuò)。

2）如果彈簧針或底座與測(cè)試板連接不好，TDR的時(shí)間會(huì)小于正常值，但測(cè)試系統(tǒng)也將不會(huì)報(bào)錯(cuò)。

優(yōu)化的方法：

在探測(cè)延遲時(shí)間計(jì)算之后，增加判斷條件， 對(duì)于不正常的TDR值顯示報(bào)警。對(duì)于TDR模塊的深入應(yīng)用，我們可以對(duì)驅(qū)動(dòng)比較結(jié)果做一個(gè)全范圍點(diǎn)圖，再加上點(diǎn)圖可以像示波器能夠顯示反射信號(hào)和分析信號(hào)的阻抗。

4 結(jié)論

IG-XL 提供了TDR方法，它能夠計(jì)算數(shù)字通道的信號(hào)傳輸延遲，而且做相對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間補(bǔ)償。TDR方法也是一種檢查測(cè)試機(jī)與測(cè)試板，底座，彈簧針等等之間調(diào)試和連接問題的有效方法。但這種放需要優(yōu)化，增加不正常測(cè)試值的報(bào)警功能。而且，IG-XL TDR方法可以更新為可視化人機(jī)界面去調(diào)試信號(hào)問題。