淺談PCB設(shè)計(jì)板級測試中的有源測試

關(guān)于測試，分板級測試和芯片測試，板級測試又分無源測試，有源測試。板級測試的目的是驗(yàn)證在當(dāng)前特定的這塊PCB上，板材、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、走線長度等等都已固化的情況下，信號質(zhì)量如何。芯片測試的目的是驗(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試的儀器是誤碼儀，跟板級測試的手段、目的都不相同，所以今天我們先講講板級測試中的有源測試，芯片測試放到下次再講。

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

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

其次，不同的信號需要測試的參數(shù)不同：

有的要測skew，對間對內(nèi)的skew都要測，典型就是各種顯示接口，比如HDMI；

有的要測波形、時(shí)序，像需要參考外部時(shí)鐘采樣的信號基本都要測，比如I2C、DDR等，其中像I2C這種菊花鏈結(jié)構(gòu)信號，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都測到；

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

有的要測板子工作時(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；

有的要測試晶振出來時(shí)鐘信號的頻率及偏差，此時(shí)不能示波器測，要用頻率計(jì)測（由于頻率計(jì)的操作實(shí)在是太簡單了，就不展開講了）；

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

下面我們從設(shè)計(jì)階段簡單介紹測試的過程。

首先在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這根信號是否有測試的需求，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。如果有測試需求，檢查在RX BGA端附近有沒有過孔或AC耦合電容，有就不需要再額外添加測試點(diǎn)，以避免引入多余的東西：一個(gè)開窗的圓形焊盤，肯定比你的走線要寬得多，這對于信號來說會(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500mil以內(nèi)都沒有“天然的”測試點(diǎn)，那就需要人工額外加測試點(diǎn)了，測試點(diǎn)的要求是：位置加在500mil以內(nèi)，越近越好，圓形測試點(diǎn)的直徑越小越好，一般20mil。

PCB做好后，板廠會(huì)用TDR做基本的阻抗測試，但板廠做的是阻抗條測試，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)鏈路的阻抗測試。

等PCBA后，板子上電正常的才會(huì)拿去做SI測試，不要問什么……沒有電哪來的信號。

下面以一個(gè)DDR4-2400的地址信號測試為例簡單介紹測試過程：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)行探測了；然后調(diào)整觸發(fā)電平使信號穩(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間地址信號存在明顯的回溝。功能測試也發(fā)現(xiàn)DDR4信號有誤碼，甚至都不能初始化。

作為仿真工程師，就喜歡做一下仿測擬合確認(rèn)問題，萬一是因?yàn)闇y試點(diǎn)的原因呢，畢竟測試點(diǎn)和芯片die還有一段距離呢（就算測試點(diǎn)就在pin上，pin到die還有一段封裝長度），而且之前也常遇到測試點(diǎn)上波形不行，但是die上波形好好的情況。所以把測試數(shù)據(jù)保存成.csv格式文檔，做了一下仿測擬合，測試點(diǎn)上的波形和測試結(jié)果擬合上后，去看第一個(gè)顆粒所有地址信號在die上的眼圖……咦~~~確實(shí)有問題哦，絕大部分的地址信號的回勾都壓到VIH/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上所有的地址信號回溝都遠(yuǎn)離了VIL/VIH。

上面只是以地址信號的波形質(zhì)量為例，當(dāng)然還有其它參數(shù)要測，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)問的問題比較雜散，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等信號如何測試阻抗，測試走線的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別在哪？”

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

“網(wǎng)絡(luò)分析儀怎么測阻抗？”

——網(wǎng)分是頻域的儀器，但時(shí)域和頻域之間可以通過傅里葉變換/逆傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(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測出了TDT，也可以顯示出S參數(shù)。

編輯：hfy