獲得信號(hào)完整性的測(cè)量技術(shù)

　　技術(shù)前提

　　TDR 的理論涉及一些有關(guān)波形傳播以及傳輸線阻抗的數(shù)學(xué)（參考文獻(xiàn) 4 與參考文獻(xiàn) 5）。TDR 的物理現(xiàn)象既不容易理解，也不直觀。一個(gè)波去試探電纜的短路或開路部分似乎很普通。多數(shù)人都能直接觀察到這個(gè)現(xiàn)象。較有挑戰(zhàn)性的是這個(gè)概念：向一個(gè)開路電路傳播的波會(huì)加在輸入波上，使其加倍，而進(jìn)入一個(gè)完全短路電路的波則反射回負(fù)電勢(shì)，使相關(guān)波形為 0V。如你所料，如果傳輸線采用其特性阻抗終端，如對(duì) 50Ω 電纜用 50Ω，則不會(huì)發(fā)生反射，并且脈沖不受損傷。唯一符合邏輯的是，終端電阻值略高于匹配阻抗時(shí)，會(huì)在脈沖反射中產(chǎn)生一個(gè)小凸起，而較低阻值的電阻則會(huì)在脈沖中造成一個(gè)下降。終端為感性或容性情況下的反射也很直觀，因?yàn)殡娙菔歉哳l短路，而電感是高頻開路（圖 4）。

　　傳統(tǒng)的傳輸線集總元件模型導(dǎo)致了另一件事情：該模型是一串電感，其間用電容并聯(lián)接地。電容與電感之比決定了特性阻抗的準(zhǔn)確值，例如，50Ω、75Ω或300Ω。物理學(xué)證明，空中的一根線有電感，所以只要有一個(gè)電流流經(jīng)這根線，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)滿足高斯定律的磁場(chǎng)：如果在一個(gè)任意閉合數(shù)學(xué)表面內(nèi)的空間有一個(gè)凈電荷 Q，則通過其

表面的電通量Φ為 Q/eo。

　　設(shè)想空間中的一根線，它提供傳輸線集總元件模型中看到的分布電感?，F(xiàn)在，假設(shè)使這根線在空間中靠近地平面或基準(zhǔn)平面。這種接近使模型產(chǎn)生了集總電容。似乎將線靠近平面應(yīng)當(dāng)能減小阻抗，因?yàn)殡娙菰黾恿?。同樣，若一?PCB 走線在接地層上方有一個(gè)粗點(diǎn)，則也會(huì)增加電容，減小沿該點(diǎn)的阻抗。一個(gè)過孔表現(xiàn)為一個(gè)小電容，它與接地層耦合，降低阻抗。反之，一根小跳線（如接頭金手指）會(huì)離開電路板面和接地層，因此減小了分布電容，增加了沿這段傳輸線的阻抗。采用 TDR 測(cè)量時(shí)，可以在 PCB 走線上放上自己的一根手指或一個(gè)金屬工具，并直接在示波器屏幕上查看阻抗變化情況（像增加電容一樣）。

　　TDR理論表明，脈沖上升時(shí)間越快，儀器能分辨的特征越小。過去簡(jiǎn)單的電纜測(cè)試儀有納秒級(jí)的上升時(shí)間。而今天的 TDR 儀器可以檢查短路電纜和 PCB 走線、連接器阻抗，以及 IC 封裝阻抗。因此，它們需要的上升時(shí)間為 10 ps~30 ps 量級(jí)。這些快速脈沖需要一臺(tái)高速示波器來記錄反射與傳輸。高分辨率 TDR 測(cè)量的極速需求使 TDR 模塊幾乎總是相對(duì)低采樣速率的采樣（或等效時(shí)間）示波器的組成部分。這些設(shè)備前端中的高速模擬放大器支持的帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最好的實(shí)時(shí)示波器。
示波器中的觸發(fā)器電路會(huì)在每次觸發(fā)事件后，略微移動(dòng)設(shè)備的采集點(diǎn)（圖 5）。這種技術(shù)可以在屏幕上顯示每個(gè)觸發(fā)事件的一組擺動(dòng)采樣時(shí)，“畫”出快速波形。不過，采樣示波器只能用于重復(fù)的波形。每次掃描都不同的視頻、雷達(dá)或手機(jī)信號(hào)只會(huì)顯示為一團(tuán)模糊。這一限制在 TDR 測(cè)試時(shí)不是問題，因?yàn)槊}沖都是重復(fù)波形，可以連續(xù)送入測(cè)試電路，使采樣示波器有時(shí)間建立起波形圖。

　　Dima Smolyansky 是 Tektronix 產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理，也是 EDN 的特約撰稿人，他表示：“采樣示波器最初是開發(fā)用于解決實(shí)時(shí)示波器不能滿足的帶寬需求?！备嘤^點(diǎn)可見他的文章“TDR 與 S 參數(shù)測(cè)量：你需要多高的性能？”他說：“實(shí)時(shí)示波器是在10GHz~20GHz范圍內(nèi)，而采樣示波器可以給你更寬的帶寬，達(dá)70GHz以上。采樣示波器在時(shí)域上更加準(zhǔn)確，與實(shí)時(shí)示波器相比，相同帶寬下它是一個(gè)低成本的方案?！?BR>

　　設(shè)計(jì)考慮

　　系統(tǒng)級(jí)工程師更喜歡呆在時(shí)域中，而不是RF與模擬IC設(shè)計(jì)者喜歡的頻域。系統(tǒng)級(jí)工程師把TDR看作一種探索高速電路性能的更自然和更直觀的方法。反之，TDR的頻域等效參數(shù)是散射參數(shù)，或S參數(shù)。一個(gè)優(yōu)秀的理論團(tuán)體描述了兩種測(cè)量技術(shù)的信息等效性（參考文獻(xiàn)6）。你可以在頻域中，用VNA（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）直接測(cè)量S參數(shù)，即用一個(gè)固定波幅的正弦波掃進(jìn)一個(gè)電路，同時(shí)記錄反射與傳輸信號(hào)的波幅與相位。知道了這些 S 參數(shù)的相位與波幅，就可以確定電路的特性，頻帶寬度與VNA可以掃描的示波器相當(dāng)。VNA有寬的動(dòng)態(tài)范圍（或信噪比SNR），以及與示波器合作掃描的窄帶濾波器；因此，它們可以抑制大多數(shù)帶外噪聲。與之相反，必須用寬帶示波器完成TDR測(cè)量，因此它也具有所有寬帶電路表現(xiàn)出的特性，即有較高的有效噪聲本底。

　　RF 和微波工程師喜歡 VNA 上的 S 參數(shù)，這有幾個(gè)原因：其一是它們的動(dòng)態(tài)范圍，可以達(dá)到 130 dB。另外，RF 工程師經(jīng)常需要了解電路的穩(wěn)態(tài)性能。他們假設(shè)電路中的振蕩器正在運(yùn)行，并且一個(gè)相對(duì)窄的頻段（如 1900 MHz 的手機(jī)頻率）正在通過系統(tǒng)。另一方面，關(guān)心信號(hào)完整性的工程師必須注意整個(gè)頻譜。他們需要了解在電纜或走線上出現(xiàn)一個(gè)直流電壓后，自己的系統(tǒng)對(duì)一串脈沖如何反應(yīng)。這種情況使人們更青睞于使用 TDR 測(cè)量。設(shè)計(jì) PLL（鎖相環(huán)）的工程師有兩個(gè)問題：他們必須在回路運(yùn)行時(shí)確定其工作特性，并且他們還有時(shí)域問題，即必須在數(shù)毫秒以后觀察回路鎖定情況。這個(gè)問題可能代表著數(shù)百萬或數(shù)億個(gè)循環(huán)的主要工作頻率，并使PLL的開發(fā)工作面臨特殊的挑戰(zhàn)。這些問題使PLL的設(shè)計(jì)、仿真與測(cè)試成為令人畏懼的任務(wù)（參考文獻(xiàn) 7）。