- L’utilisation croissance des signaux numériques haute vitesse dans les conceptions électroniques exige la caractérisation des interconnexions à haute fréquence afin de parfaire la conception d’un produit.
- Pour les conceptions électroniques mettant en œuvre des signaux avec des temps de montée inférieurs à la nanoseconde, les propriétés de ligne de transmission des interconnexions sont déterminantes.
- Le réflectomètre à domaine temporel (Time Domain Reflectometer ou TDR) permet de repérer des défaillances au niveau des câbles.
- Le TDR est un outil polyvalent qui offre une vision globale des performances des interconnexions afin de répondre à trois questions essentielles : l’interconnexion respecte-elle les normes industrielles, fonctionnera-t-elle au sein de l’application, et où est-ce que ses performances peuvent être améliorées ?
- Le TDR n’est pas une simple station radar pour lignes de transmission se contentant d’envoyer des impulsions le long de la ligne et d’observer les reflexions induites par les discontinuités d’impédance. Cet instrument fournit directement des modèles de topologie de premier ordre et des modèles de comportement des paramètres S.
- Keysight Technologies détaille dans cet article cinq applications de mesures réalisées avec un TDR.
Auteur : Erik Babbé, Keysight Technlogies.
N° 1 Mesure de l’impédance caractéristique et uniformité d’une ligne de transmission
Pour une ligne de transmission idéale et sans pertes, seuls deux paramètres caractérisent entièrement l’interconnexion : son impédance caractéristique et son délai de transmission. Il s’agit de l’application la plus simple et la plus courante du TDR. Le TDR envoie une impulsion calibrée d’environ 200 mV dans le dispositif sous test (DUT). Tout changement de l’impédance instantanée que rencontre le signal sur sa route entraînera la réflexion d’une partie de ce signal, en fonction du changement d’impédance observé. La tension constante incidente de 200 mV, en plus de toute tension réfléchie, s’affiche sur l’écran du TDR.
La Figure 1 montre la réponse du TDR pour une ligne de transmission formée d’une microbande et d’un circuit ouvert de référence. Le dispositif sous test (DUT) est une ligne de transmission formée d’une microbande à deux sections avec une impédance caractéristique de 50 Ohms et 40 Ohms. L’extrémité est ouverte. La trace bleue indique la réponse du TDR lorsque le câble n’est pas connecté au dispositif sous test (DUT) et définit le début du câble. La trace jaune du TDR montre la faible tension réfléchie par le connecteur SMA, suivie par la section de 50 Ohm, la petite baisse de tension due à la section d’impédance inférieure (40 Ohm) et l’extrémité ouverte de la trace.
D’après les réponses du TDR, nous pouvons obtenir l’impédance instantanée de chaque segment à l’aide de marqueurs de trace ou en convertissant l’échelle de tension verticale en une échelle d’impédance. Avec cette méthode, nous pouvons évaluer l’uniformité d’impédance de la ligne. Il convient toutefois de préciser que nous présumons que toute la tension mesurée retournant au TDR est attribuable aux réflexions liées aux discontinuités d’impédance. Il s’agit d’une hypothèse correcte lorsqu’il n’existe que de petites discontinuités d’impédance jusqu’à l’emplacement du marqueur.
La Figure 2 montre la réponse mesurée par le TDR sur une ligne de transmission théoriquement uniforme, avec une échelle verticale élargie de 2 Ohms/div. L’impédance au centre de l’écran est définie à 50 Ohms. Le grand pic au début de la ligne indique la discontinuité inductive du connecteur SMA sur cette échelle à haute résolution. À cette échelle, la ligne de transmission uniforme ne paraît justement pas uniforme. S’agit-il d’une variation réelle ou d’un artefact ?
Il existe deux artefacts importants qui pourraient donner lieu à ce comportement. D’abord, il pourrait y avoir une dégradation du temps de montée du signal incident. Il pourrait ne pas être parfaitement plat, comme une impulsion gaussienne idéale. Après tout, le signal réfléchi affiché sur le TDR est en réalité la réflexion du signal incident. Si le signal incident présente une longue queue, nous verrons cette queue longue dans la réponse du TDR et risquerons de l’interpréter faussement comme une variation de profil d’impédance. Une façon d’éviter ce problème consiste à utiliser la fonction de réponse calibrée de l’oscilloscope d’échantillonnage TDR Keysight DCA 86100D.
Une autre source d’artefact est due à la nature de perte de la ligne. La trace pourrait contenir une résistance série distribuée ou une conductance de shunt distribuée. La résistance série entraînera l’augmentation de la tension réfléchie le long de ligne, alors que la conductance de shunt entraînera la réduction de la réflexion tout au long de la ligne dans la réponse du TDR, comme dans le cas présent.
Une façon d’évaluer si un profil d’impédance indique réellement une variation dans l’impédance instantanée de la ligne de transmission ou un artefact, consiste à mesurer la réponse du TDR pour cette ligne depuis chaque extrémité. S’il s’agit vraiment d’une variation, nous observerions un changement dans la pente de la réponse, selon l’extrémité à partir de laquelle nous effectuons le lancement. S’il s’agit de l’un des deux artefacts, la réponse paraîtra identique à l’écran, indépendamment de l’extrémité à partir de laquelle nous effectuons le lancement, tel qu’indiqué sur la Figure 3.
N° 2 Mesure du délai de transmission d’une ligne
Le délai de transmission d’une ligne d’une extrémité à l’autre peut être mesurée directement depuis l’écran du TDR à l’aide de marqueurs. La Figure 4 montre les réponses du TDR pour un câble ouvert et lorsque le dispositif sous test (DUT) est connecté. Pour améliorer l’exactitude, on utilise le délai depuis le milieu des deux réponses du circuit ouvert. L’intervalle de temps entre le début de la réflexion sur l’extrémité ouverte du câble et la réflexion sur l’extrémité ouverte du dispositif sous test (DUT) constitue la totalité du temps aller-retour. Le délai de transmission représente la moitié de cette valeur.
Pour assurer l’intégrité de la mesure des artefacts d’assemblage tels que le connecteur de lancement, la ligne de transmission peut être conçue de façon à aider à caractériser la carte électronique et chacune de ses couches. Par exemple, des blocs de référence avec une séparation connue peuvent être ajoutés à deux endroits sur la ligne de transmission (voir la Figure 5). Ces petites imperfections ou blocs sont faciles à repérer à l’aide du TDR lorsqu’ils sont affichés à l’échelle 2 Ohms/div.
N° 3 Mesure exacte de la vitesse d’un signal sur une ligne de transmission
En employant la méthode de bout à bout pour mesurer le délai de transmission nous pouvons obtenir une mesure exacte de la vitesse du signal parcourant la ligne de transmission, indépendamment de la nature du lancement. Pour ce faire, il faut diviser la distance physique entre les deux blocs de référence par le délai de transmission obtenu. La Figure 5 montre les deux baisses observées depuis les blocs de référence avec une distance de séparation connue. La différence temporelle entre ces deux baisses représente le temps aller-retour entre les blocs.
N° 4 Extraction de la constante diélectrique d’un laminé
La vitesse du signal sur une ligne de transmission, v est directement liée à la constante diélectrique, que voit le signal. Pour une ligne de transmission microruban, on peut extraire la constante diélectrique effective à l’aide de la simple relation indiquée ci-dessous :
où 0.3 représente la vitesse de la lumière en m/ns
Cependant, sur un microruban, certaines des lignes de champs électriques sont dans le laminé et certaines sont dans l’air. Le signal voit un composé de ces deux matériaux, ce qui crée une constante diélectrique effective, 
. C’est cette valeur qui affecte la vitesse du signal et que l’on peut extraire de la mesure de la vitesse du signal.
N° 5 Construction d’un modèle d’une discontinuité ou d’une interconnexion
Les structures telles que les blocs d’essai, les bornes de composants, les angles et les imperfections sur le chemin de retour créeront des discontinuités. Les discontinuités peuvent être classées comme capacitives, inductives et résistives. Ces structures ne sont pas uniformes et peuvent exiger l’utilisation d’un calculateur 3D. Parfois, le moyen le plus rapide d’évaluer leur impédance est de construire une structure et de la mesurer.
D’après la réponse mesurée, nous pouvons évaluer de façon empirique l’impact sur le signal si nous faisons correspondre le temps de montée du TDR au temps de montée de l’application. Depuis l’écran du TDR, nous pouvons réaliser une mesure directe du bruit de tension réfléchi éventuellement présent dans le système. Nous pouvons également utiliser le TDR pour extraire un simple modèle de premier ordre pour la structure et utiliser ce modèle dans une simulation au niveau du système afin d’évaluer l’impact de la discontinuité.
Par exemple, nous pouvons observer sur le TDR que les angles ou les virages à 90 degrés ont une réponse identique à celle d’un condensateur localisé. À l’aide des mesures du TDR, nous pouvons obtenir la valeur capacitive du condensateur localisé modélisant un angle, et utiliser ce modèle dans une simulation de système afin d’évaluer si un angle pourrait poser un problème, ou s’il peut être ignoré.
Pour la même trace d’impédance, la quantité de capacité dans un coin évoluera avec la largeur de la ligne. En règle générale, la valeur capacitive d’un angle est d’environ 1 fF par mil (millième de pouce) de largeur de ligne pour une ligne de 50 Ohms. Ainsi, les valeurs capacitives présentées par les angles de lignes larges de 60 mil et de 5 mil sont respectivement d’environ 60 fF et 5 fF.
Enfin, s’il nous faut davantage de précision ou de bande passante que ce que nous pouvons obtenir directement à partir de l’écran, nous pouvons prendre les données mesurées par le TDR et les introduire dans un outil de modélisation et de simulation tel que SPICE ou ADS afin d’obtenir un modèle plus précis.
