獲得信號完整性的測量技術

　　工程師應該留意一些警告，雖然 S 參數(shù)在頻域和 TDR 在時域有數(shù)學等效性。時域與頻域之間存在 FFT（快速付利葉變換）和反向 FFT 的重要計算法，經(jīng)常涉及因果律和無源性（參考文獻8）。當計算未考慮到過渡時間以及其它導致時域問題的延遲時，就會出現(xiàn)因果問題。類似的問題也出現(xiàn)在無源性上：進入時域的反向變換可能分給無源電路元件能量，產(chǎn)生錯誤結果。從時域進入頻域也強制加上了 SNR 限制。由于時域測量受制于寬帶噪聲，即使最好的 TDR設置在高頻時也只產(chǎn)生 50 dB 的 SNR。這個數(shù)字可能還算夠用。另外，你可能需要用一臺VNA，直接在頻域中取得S參數(shù)數(shù)據(jù)。記住要權衡在一臺機器上獲得S參數(shù)和TDR測量的方便性，以及在兩個域中至少驗證一次測量的要求。盡管如此，有些TDR能夠完成與一臺9ps上升時間TDR和一臺50GHz VNA的對比，

因此，如果正確地使用了適當?shù)脑O備，就能在兩個域之間作轉(zhuǎn)換（參考文獻9）。TDR的可靠S參數(shù)數(shù)據(jù)要求一臺有短上升時間的脈沖發(fā)生器，以及一臺寬帶寬的示波器。同樣，對S參數(shù)數(shù)據(jù)作反向FFT而產(chǎn)生TDR數(shù)據(jù)時，需要VNA上有足夠的帶寬，才能給出你希望在時域中看到的細節(jié)。

　　用一臺性能良好的 TDR 可以獲得相當好的空間分辨率（圖 6 和圖 7）?？煊?10 ps 脈沖發(fā)生器與 50 GHz 或 100 GHz 帶寬示波器的出現(xiàn)可以將 TDR 用于 IC 封裝開發(fā)和故障分析。如果 TDR 可以分辨出毫米段上的阻抗，則可以看到接線的效果，以及金屬化損傷是否會使一只 IC 性能失常。有了高速脈沖發(fā)生器和示波器，就可以實現(xiàn)微小的空間分辨率（表 1）。另外，有些高性能示波器帶有進一步改進有效分辨率的軟件技術，用于校準來自設備和連接待測設備與電路電纜的反射。

　　消除測試夾具的作用只是現(xiàn)代 TDR示波器軟件的優(yōu)點之一。Agilent 86100A 主機的軟件可以用兩個正脈沖獲得差分 TDR 測量。在兩個通道同時使用相同極性的脈沖，能確保兩個通道采用相同波形作激勵。困難的是使一個脈沖的上升時間和下降時間精確對應，因此差分脈沖生成會導致一種共模誤差。Agilent 示波器發(fā)出兩個相同極性的脈沖；然后它的軟件作反轉(zhuǎn)并重疊在響應上，這樣得到的波形就與一個差分 TDR 完全一致，但誤差較小。Agilent 的一名產(chǎn)品經(jīng)理 Joachim Vobis 稱：“由于電子電路匹配性好得多，提高了精度?！?BR>

　　LeCroy 在其 WaveExpert 100H 示波器中也有類似的強大軟件。標準的 TDR 分析軟件包可以用于校準測試夾具，從 TDR 數(shù)據(jù)生成兩個端口的差分 S 參數(shù)。示波器帶有一個向?qū)В笇в脩敉瓿稍O計與校準過程。你還可以將內(nèi)部脈沖發(fā)生器的上升時間從 20 ps 設為一個更小的值，如串行接口標準集團規(guī)定的值。

　　在Tektronix的 DSA8200 采樣示波器中，軟件 TDR 和 TDT 只是整個軟件包的一部分，軟件包用于分析通信參數(shù)。Tektronix公司亦提供iConnect軟件，它運行在DSA8200主機上，或在一臺PC上獨立運行（圖8）。它將TDR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為S參數(shù)、分析抖動，并改善 DSA8200的原生 TDR 分辨率。該軟件亦使用 TDR 數(shù)據(jù)來推導出被分析電路的 SPICE 模型，舉例說，你可以對一根承載高速 LVDS 串行數(shù)據(jù)的帶狀電纜建立一個 SPICE 模型。然后將這個 SPICE 模型交給 IC 設計者，以顯示負載的復雜阻抗，或者在系統(tǒng)級仿真時評估傳輸介質(zhì)。

　　TDR 已經(jīng)從一個用于檢查電纜的簡單技術，變成為一種確定快速數(shù)字信號完整時域特性的復雜方法。TDT 也在發(fā)展，現(xiàn)在的分辨率已可以用于檢查并確定 IC 內(nèi)部結構與電路的特性。另外，強大的軟件也推進了 TDR 的應用，從在示波器波形上查看凸塊，到校準歐姆級和英寸級的結果。軟件可以使 TDR 數(shù)據(jù)產(chǎn)生 S 參數(shù)頻域特性，甚至推斷出一個等效的 SPICE 模型。生成模型的示波器圖形也可以用于驗證模型的仿真，并產(chǎn)生有效的結果。

　　TDR 結果比頻域分析有一個重要優(yōu)勢：TDR 圖可顯示出一個電路中的阻抗問題所在。Picosecond Pulse Labs 的 Smith 稱：“它幫助你隔離出問題，這些問題也許能用 VNA 在頻域中顯示出來，但你不知道問題在電路的哪里。TDR 能確定信號路徑出現(xiàn)問題的精確點?！盨mith 繼續(xù)指出了一些高速連接器的真實問題?！拔覀冑徺I了一種全回轉(zhuǎn)邊沿插入 SMA 連接器，用來評估我們的測試設置。我們通過這些連接器看到了信號完整性方面的巨大差異。簡單說，顯然工程師用了 VNA 和頻域分析，但 TDR 響應很糟糕?！庇辛?TDR，就可以獲得即時、直觀的結果，告訴你從哪里著手改進自己的電路。請務必把這種有價值的測量技術納入自己的調(diào)試技術寶庫。

參考文獻
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2. "Geomeasurements by Pulsing TDR Cables and Probes."
3. "Time domain reflectometry (TDR)," Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (Federal Institute for Materials Research and Testing),.
4. Andrews

, James R, "Time Domain Reflectometry (TDR) and Time Domain Transmission (TDT) Measurement Fundamentals," Application Note AN-15, November 2004, Picosecond Pulse Labs.
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6. Andrews, James R, "Time Domain Spectrum Analyzer and S-Parameter Vector Network Analyzer," Picosecond Pulse Labs, Application Note AN-4, November 2004.
7. Thatcher, Thomas J, Michael M Oshima, and Cindy Botelho, "Designing, simulating, and testing an analog phase-locked loop in a digital environment," Hewlett-Packard Journal, April 1997.
8. Rako, Paul, "Beyond Spice: Field-solver software steps in for modeling high-frequency, space-constrained circuits," EDN, Jan 18, 2007, pg 41.
9. Han, Dong-Ho, Myoung J Choi, Scott Gardiner, Bao-Shu Xu, Jiangqi He, and Cliff Lee, "Realization of ultra-wideband high-resolution TDR for chip-carrier packages," Ipack2005-73291, Proceedings of Ipack 2005, American Society of Mechanical Engineers, July 17 to 22, 2005, San Francisco, CA.