技術記事

【TDR波形の見方】TDRを基本から解説

TDR_説明図5

さて、
今日は、
よくある質問の一つ
「TDR」について。

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
PCB等に、
オシロスコープから
電圧を入力し、
入力した波形と、
接続先から帰ってくる
反射波が
重ね合された波形
をモニターすることにより、
接続されたPCB等の特性を
知る手法です。

TDR_説明図図1

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。

  1. 終端の特性
  2. 伝送路の特性インピーダンス
  3. 伝送路上のインピーダンス変化点

終端の特性

TDR測定時の
オシロスコープの動作は、
図1のように、
自分が出した波形を
自分で測定するわけです。
オシロスコープの接続先が、
PCB上などで、
終端されている場合の例を
図2に示します。

TDR_説明図2図2

測定される波形の振幅:$V_{0}$は、
終端抵抗: $Z_{T}$の関数となって
いますので、
オシロスコープの
入力インピーダンス: $Z_{D}$が既知
であれば(通常は50Ω)、
終端抵抗:$Z_{T}$の値を
振幅:$V_{0}$から知ることができます。

例えば、
$Z_{T}=0$であれば、
図3のように常にゼロ波形が
測定されますので、
波形から、
終端抵抗0Ωであることが、
分かります。

TDR_説明図3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。

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。

図4のオレンジの楕円のところを
拡大してみましょう。

TDR_説明図4図4

すると、
図5のような波形が
測定されます。
終端抵抗とオシロスコープとの
間の伝送路(特性インピーダンス: $Z_{0}$)の
特性が見えてきます。

TDR_説明図5図5

図5のVaは、
$$V_{a}=\frac{Z_{0}}{Z_{D}+Z_{0}}*E$$
となります。

このように、
$V_{a}$は、
特性インピーダンス: $Z_{0}$の関数となりますので、
$V_{a}$から、
$Z_{0}$を求めることが出来ます。


T: 終端での反射係数
D: オシロスコープと接続先の間の反射係数

そして、
振幅が$V_{a}$となる期間から、
伝送路の長さを
知ることができます。

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

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?
配線上のインピーダンスミスマッチ
の箇所がないか?
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。

因みに、
TDRの測定では通常、
入力波形でトリガを掛けるので、
図6のように
赤四角の部分のみ表示されます。

($Z_{0}=50\Omega$ の場合は、
D=0となり、
図5の波形は少し単純化します。)

TDR_説明図6図6

蛇足かもしれませんが、
PCB上の信号について、
(拙者の持論では、)
いわゆるISIに最も
悪影響があるのが、
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
ものであり、
インピーダンスのミスマッチ
こそ、
高周波信号用のPCB設計時に
最も気をつけなければ
ならないことだと
思います。

ABOUT ME
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ヘーシロー。
地方大卒。エンジニア歴20年近いオジ。
最初の職場はブラック。
長年の忍耐を経て、
ブラック脱出を決意。
就職先の影も形もない状況で浪人する。
ブラック脱出後、メーカーや商社で、
自身の英語と技術知識に自信を持つ。
リスクをとっても
ブラックからは脱出すべきと確信。
リスクをとる個人が増えることを願い、
技術記事やキャリア形成、
英語について、
思うところを発信する。
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