淺談PCB設(shè)計(jì)板級(jí)測(cè)試中的有源測(cè)試

關(guān)于測(cè)試，分板級(jí)測(cè)試和芯片測(cè)試，板級(jí)測(cè)試又分無(wú)源測(cè)試，有源測(cè)試。板級(jí)測(cè)試的目的是驗(yàn)證在當(dāng)前特定的這塊PCB上，板材、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、走線長(zhǎng)度等等都已固化的情況下，信號(hào)質(zhì)量如何。芯片測(cè)試的目的是驗(yàn)證這款芯片，它的各項(xiàng)性能最好能到什么程度、最薄弱的環(huán)節(jié)又在哪。因?yàn)樾酒瑴y(cè)試的儀器是誤碼儀，跟板級(jí)測(cè)試的手段、目的都不相同，所以今天我們先講講板級(jí)測(cè)試中的有源測(cè)試，芯片測(cè)試放到下次再講。

上周關(guān)于測(cè)試的留言中點(diǎn)贊人數(shù)最多的問(wèn)題是：“請(qǐng)講解一下測(cè)試的具體步驟、需要測(cè)試哪些參數(shù)、如何看懂波形及如何從波形上判斷信號(hào)質(zhì)量?！边@個(gè)問(wèn)題看似寥寥兩行，其實(shí)是個(gè)范圍非常大的問(wèn)題。

首先不同的信號(hào)有不同的測(cè)試方法：比如接口測(cè)試，那首先你得有個(gè)test fixture，將板子上的信號(hào)引到fixture上，然后用SMA cable或者probe進(jìn)行測(cè)試，典型的有HDMI、USB、PCIE、網(wǎng)口等，如果你是板內(nèi)信號(hào)測(cè)試，那你就在板上的測(cè)試點(diǎn)上用probe進(jìn)行點(diǎn)測(cè)。

其次，不同的信號(hào)需要測(cè)試的參數(shù)不同：

有的要測(cè)skew，對(duì)間對(duì)內(nèi)的skew都要測(cè)，典型就是各種顯示接口，比如HDMI；

有的要測(cè)波形、時(shí)序，像需要參考外部時(shí)鐘采樣的信號(hào)基本都要測(cè)，比如I2C、DDR等，其中像I2C這種菊花鏈結(jié)構(gòu)信號(hào)，總線上會(huì)掛多個(gè)device，每個(gè)device有自己唯一的地址代碼，所以要根據(jù)地址代碼把每個(gè)device都測(cè)到；

有的只要測(cè)眼圖即可，內(nèi)嵌時(shí)鐘信號(hào)的serdes信號(hào)都屬于這種，比如PCIE；

有的要測(cè)板子工作時(shí)的極限情況，比如所有設(shè)備都插上同時(shí)工作時(shí)的電壓跌落、插拔動(dòng)作造成的浪涌，典型的就是USB；

有的要測(cè)試晶振出來(lái)時(shí)鐘信號(hào)的頻率及偏差，此時(shí)不能示波器測(cè)，要用頻率計(jì)測(cè)（由于頻率計(jì)的操作實(shí)在是太簡(jiǎn)單了，就不展開(kāi)講了）；

前面列舉的“有的……有的”都是針對(duì)信號(hào)，電源除了要分別測(cè)輕載、重載時(shí)的電源壓降、紋波噪聲，有時(shí)還要測(cè)power on、power off的時(shí)序。

下面我們從設(shè)計(jì)階段簡(jiǎn)單介紹測(cè)試的過(guò)程。

首先在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這根信號(hào)是否有測(cè)試的需求，通常這個(gè)DFT（Design For Test）檢查會(huì)放在設(shè)計(jì)基本完成時(shí)做。如果有測(cè)試需求，檢查在RX BGA端附近有沒(méi)有過(guò)孔或AC耦合電容，有就不需要再額外添加測(cè)試點(diǎn)，以避免引入多余的東西：一個(gè)開(kāi)窗的圓形焊盤(pán)，肯定比你的走線要寬得多，這對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)會(huì)額外增加一個(gè)阻抗不連續(xù)點(diǎn)。如果芯片直接表層出線且在芯片BGA 焊盤(pán)500mil以內(nèi)都沒(méi)有“天然的”測(cè)試點(diǎn)，那就需要人工額外加測(cè)試點(diǎn)了，測(cè)試點(diǎn)的要求是：位置加在500mil以內(nèi)，越近越好，圓形測(cè)試點(diǎn)的直徑越小越好，一般20mil。

PCB做好后，板廠會(huì)用TDR做基本的阻抗測(cè)試，但板廠做的是阻抗條測(cè)試，不是你板上真正的鏈路。所以一般你會(huì)拿到一兩片光板，方便你自己做板內(nèi)鏈路的阻抗測(cè)試。

等PCBA后，板子上電正常的才會(huì)拿去做SI測(cè)試，不要問(wèn)什么……沒(méi)有電哪來(lái)的信號(hào)。

下面以一個(gè)DDR4-2400的地址信號(hào)測(cè)試為例簡(jiǎn)單介紹測(cè)試過(guò)程：先選一臺(tái)帶寬≥6GHz的示波器，加一根單端探棒、一根差分探棒；挑選最近、最遠(yuǎn)兩個(gè)顆粒；單端、差分探棒分別點(diǎn)在顆粒端的地址、時(shí)鐘信號(hào)上，如果你有芯片公司提供的tool也行，不然就得老老實(shí)實(shí)焊接進(jìn)行探測(cè)了；然后調(diào)整觸發(fā)電平使信號(hào)穩(wěn)定的顯示在屏幕上。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)最近的顆粒上在400mV~500mV間地址信號(hào)存在明顯的回溝。功能測(cè)試也發(fā)現(xiàn)DDR4信號(hào)有誤碼，甚至都不能初始化。

作為仿真工程師，就喜歡做一下仿測(cè)擬合確認(rèn)問(wèn)題，萬(wàn)一是因?yàn)闇y(cè)試點(diǎn)的原因呢，畢竟測(cè)試點(diǎn)和芯片die還有一段距離呢（就算測(cè)試點(diǎn)就在pin上，pin到die還有一段封裝長(zhǎng)度），而且之前也常遇到測(cè)試點(diǎn)上波形不行，但是die上波形好好的情況。所以把測(cè)試數(shù)據(jù)保存成.csv格式文檔，做了一下仿測(cè)擬合，測(cè)試點(diǎn)上的波形和測(cè)試結(jié)果擬合上后，去看第一個(gè)顆粒所有地址信號(hào)在die上的眼圖……咦~~~確實(shí)有問(wèn)題哦，絕大部分的地址信號(hào)的回勾都?jí)旱絍IH/VIL電平了。

我們知道這個(gè)回溝是由于顆粒感受到的阻抗不匹配造成的，因?yàn)镈DR的地址信號(hào)大多數(shù)情況下都是一拖多的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)顆粒處在鏈路的不同位置，所以多重反射后每個(gè)顆粒感受的阻抗也是不一樣的。為此，我們調(diào)整了走線以使減弱阻抗不匹配的反射程度，調(diào)整后顆粒die上所有的地址信號(hào)回溝都遠(yuǎn)離了VIL/VIH。

上面只是以地址信號(hào)的波形質(zhì)量為例，當(dāng)然還有其它參數(shù)要測(cè)，只是操作方法大同小異，就不一一列舉了，不然就會(huì)成SOP了。

鑒于有些同學(xué)問(wèn)的問(wèn)題比較雜散，不太好穿插在文章里講，只好單獨(dú)給你們翻牌子了~~今天只能翻三位，不能更多啦~~

“wifi等信號(hào)如何測(cè)試阻抗，測(cè)試走線的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別在哪？”

——阻抗測(cè)試不需要分起點(diǎn)和終點(diǎn)，從哪頭測(cè)都行，哪頭有測(cè)試點(diǎn)就在哪頭測(cè)，但是通常情況下，像WiFi這種天線信號(hào)，只有芯片這邊是有測(cè)試點(diǎn)的（信號(hào)pin開(kāi)窗，同時(shí)有地pin），同時(shí)像WiFi這種天線信號(hào)測(cè)試，更通用的測(cè)試不是測(cè)阻抗，而是用矢網(wǎng)測(cè)駐波比。

“網(wǎng)絡(luò)分析儀怎么測(cè)阻抗？”

——網(wǎng)分是頻域的儀器，但時(shí)域和頻域之間可以通過(guò)傅里葉變換/逆傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)互換，所以只要在網(wǎng)分上安裝了TDR控件，儀器就能將頻域的S參數(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算轉(zhuǎn)成時(shí)域的阻抗，并顯示在屏幕。同理如果你用時(shí)域的TDR測(cè)出了TDT，也可以顯示出S參數(shù)。

編輯：hfy