TDR은 시간 영역 반사 측정법(Time-Domain Reflectometry)의 약자입니다. 이는 반사파를 분석하여 원격 제어 위치에서 측정 대상의 상태를 파악하는 원격 측정 기술입니다. 시간 영역 반사 측정법에는 시간 지연 릴레이(Time-Delay Relay), 전송 데이터 레지스터(Transmit Data Register) 등이 있으며, 주로 통신 산업 초기에 통신 케이블의 단선 위치를 감지하는 데 사용되어 "케이블 검출기"라고도 불립니다. 시간 영역 반사계는 금속 케이블(예: 연선 또는 동축 케이블)의 결함을 특성화하고 위치를 파악하는 데 사용되는 전자 장비입니다. 또한 커넥터, 인쇄 회로 기판 또는 기타 전기 경로의 불연속점을 찾는 데에도 사용할 수 있습니다.
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신호 전송 이론 개요
최근 디지털 통신 표준의 비트 전송률이 급격히 향상되면서, 예를 들어 가장 기본적인 소비자용 USB 3.1의 비트 전송률은 10Gbps에 달했고, USB 4는 40Gbps에 이르렀습니다. 이러한 비트 전송률 향상은 기존 디지털 시스템에서는 볼 수 없었던 문제들을 야기하기 시작했습니다. 반사 및 손실과 같은 문제는 디지털 신호 왜곡을 일으켜 비트 오류를 초래할 수 있습니다. 또한, 장치의 정확한 작동을 보장하는 허용 시간 여유가 줄어들면서 신호 경로의 타이밍 편차가 매우 중요해졌습니다. 전자기파 방사 및 기생 정전 용량으로 인한 커플링은 크로스토크를 발생시켜 장치의 오작동을 초래할 수 있습니다. 회로가 소형화되고 밀집될수록 이러한 문제는 더욱 심각해집니다. 설상가상으로, 공급 전압이 낮아지면 신호 대 잡음비가 떨어져 장치가 잡음에 더욱 취약해집니다.
TDR의 세로 좌표는 임피던스입니다.
TDR은 포트에서 회로로 스텝파를 입력하는데, TDR의 수직 단위가 전압이 아니라 임피던스인 이유는 무엇일까요? 임피던스라면 왜 상승 에지를 볼 수 있는 걸까요? 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 기반으로 TDR은 어떤 측정을 수행하나요?
VNA는 측정 대상 부품(DUT)의 주파수 응답을 측정하는 장비입니다. 측정 시, 측정 대상에 정현파 여기 신호를 입력하고, 입력 신호와 투과 신호(S21) 또는 반사 신호(S11) 사이의 벡터 진폭 비율을 계산하여 측정 결과를 얻습니다. 입력 신호를 측정 주파수 범위 내에서 스캔함으로써 장치의 주파수 응답 특성을 얻을 수 있습니다. 측정 수신기에 대역 통과 필터를 사용하면 측정 결과에서 잡음과 불필요한 신호를 제거하여 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.
입력 신호, 반사 신호 및 전송 신호의 개략도
데이터를 확인한 결과, TDR 장비는 반사파의 전압 진폭을 정규화한 후 임피던스로 변환하는 것으로 나타났습니다. 반사 계수 ρ는 반사 전압을 입력 전압으로 나눈 값입니다. 반사는 임피던스가 불연속적인 지점에서 발생하며, 반사되는 전압은 임피던스 차이에 비례하고 입력 전압은 임피던스 합에 비례합니다. 따라서 다음과 같은 공식이 성립합니다. TDR 장비의 출력 포트 임피던스가 50옴이므로 Z0=50옴이고, 따라서 Z 값을 계산할 수 있습니다. 즉, TDR의 임피던스 곡선을 그래프로 나타내면 됩니다.
따라서 위 그림에서 신호의 초기 입사 단계에서 관측되는 임피던스는 50옴보다 훨씬 작고, 상승 에지를 따라 기울기가 안정적인 것을 볼 수 있습니다. 이는 관측되는 임피던스가 신호의 순방향 전파 동안 이동 거리에 비례함을 나타냅니다. 이 기간 동안 임피던스는 변하지 않습니다. 임피던스가 감소한 후 상승 에지가 흡수되어 최종적으로 속도가 느려진다고 말하는 것은 다소 완만하게 들릴 수 있습니다. 낮은 임피던스의 후속 경로에서 상승 에지의 특성을 보이기 시작하여 계속 상승합니다. 그러다가 임피던스가 50옴을 넘어서면 신호가 약간 오버슈팅되었다가 천천히 되돌아와 최종적으로 50옴에서 안정화되고, 신호는 반대쪽 포트에 도달합니다. 일반적으로 임피던스가 감소하는 영역은 접지에 용량성 부하가 있는 것으로, 임피던스가 갑자기 증가하는 영역은 직렬로 연결된 인덕터가 있는 것으로 생각할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 8월 16일
