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
DUT
(Device Under Test:被測定物)
からの反射波を
測定する手法です。
具体的には、
図1のように、
オシロスコープから
ステップ電圧
(実際はパルス波形)
を入力します。
そして、
図1のMonitor point
に現れる電圧波形を
測定します。

TDR-説明図図1


T: DUT上の終端での反射係数
D: ケーブルとDUTの間の反射係数
$Z_{0}$: DUT上の伝送路の特性インピーダンス

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. 伝送路上の特性インピーダンスの変化点

終端の特性

DUT上で、
終端部分以外の
反射がない場合は、
終端の反射が
ダイレクトに
測定されますので、
その波形から、
終端の特性を知ることが
できます。

TDR-終端からの反射図2

解放終端の場合は、
$Z_{T}=∞$
となりますので、
反射係数:T=1となり、
測定される反射波の振幅:$a_{0}T$は、
入社波と同じ振幅の$a_{0}$
となります。(つまり全反射)

※ $$反射係数: T=\frac{Z_{T}-Z_{0}}{Z_{T}+Z_{0}}$$

また、
終端がGNDにshortしている
場合、
すなわち、
図3のように
$Z_{T}=0$であれば、
T=-1となり、
マイナスの
全反射が返ってきます。

TDR-説明図-GND終端図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。

DUTの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。

伝送路の特性は、
図4の楕円で示した部分に
現れます。

TDR-説明図-伝送路図4

楕円の部分に
反射波がみえた場合は、
その反射波の振幅$V_{x}$は、
$$V_{x}=\frac{Z_{0}-50}{50+Z_{0}}*a_{0}$$・・・①
となります。

反射がなければ、
$V_{x}=0$なので、
①の式から
$Z_{0}=Z_{D}=50$
であることが
分かります。

※ ケーブルの特性インピーダンスは、
通常50ohmなので、$Z_{D}=50$

そして、
振幅が$a_{0}+V_{x}$となる期間から、
伝送路の長さを
知ることができます。
($V_{x}=0$のときは、
図4の楕円の部分から、
同軸ケーブルの
いわゆる電気長
を引き算します。)

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。
その反射波も、
図4の楕円の部分に
現れますので、
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は、基板上の配線チェック

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?
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。

例えば、
配線上に
断線がある場合、
伝送路上に
インピーダンス: ∞の
箇所が生じますので、
図5のように、
所定の終端からの
反射波の前に、
全反射が返ってきます。

TDR-説明図-断線図5

インピーダンスミスマッチ検出にも有効

TDRは、
DUT(PCB)上の配線の
インピーダンスのミスマッチを
見つけるのにも、
有効です。

高速信号のISIについて、
最も影響のあるのは、
配線上の
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
ものです。

信号のISIに悪化が見られる場合、
まずは、
TDRでインピーダンスのミスマッチ
を検出することがとても
有効です。

以上、ご参考になれば幸いです。

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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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