獲得信號完整性的測量技術(shù)

　　TDR（時(shí)域反射）測量可以為一根電纜或 PCB（印制電路板）走線的信號完整性提供直接描述，以及分析 IC 的性能與故障。TDR 測量沿電纜或 PCB 走線發(fā)送一個(gè)快速脈沖，并顯示返回的反射，用于表示阻抗的變化。阻抗變化可以非常強(qiáng)，如開路或短路情況，或者是數(shù) fF 這么微小，如一個(gè) PCB 過孔。該技術(shù)以 OTDR（光 TDR）形式，利用了電子系統(tǒng)中介電常數(shù)與光學(xué)系統(tǒng)中折射率之間的等效性這一特點(diǎn)。

　　TDR 的歷史

　　上世紀(jì)30 年代晚期的工程師開始采用 TDR 測量土壤的介電常數(shù)與水分含量。今天，很多工程師仍然用這種技術(shù)作多種地理測量，如地震斷

層與橋梁“沖刷”，這是在快速河流下出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況，尤其是在冰凍條件下。流水從橋墩、埋藏設(shè)備和類似結(jié)構(gòu)處帶走沉積物，造成這種情況（參考文獻(xiàn) 1、參考文獻(xiàn) 2 和參考文獻(xiàn) 3）。二戰(zhàn)以后，工程師用獨(dú)立的脈沖發(fā)生器和示波器完成 TDR 測試。數(shù)字邏輯芯片生成 5V 擺幅的脈沖，制造出足以被檢測到的反射。上世紀(jì)60 年代末有一項(xiàng)重要進(jìn)步，當(dāng)時(shí)的惠普公司（現(xiàn)在的Agilent）推出了用于其 140主示波器的1415A插入式儀器。這款高性能儀器第一次在一部裝置中集成了脈沖發(fā)生器和采樣頭。上世紀(jì)70年代，Tektronix推出了1502和 1503TDR測試套件，在電纜完整性測試方面獲得了廣泛應(yīng)用。軍隊(duì)一直是 TDR裝備的熱心用戶，Tek 提供這些產(chǎn)品的軍規(guī)版。核彈測試時(shí)需要用 TDR評測數(shù)英里的電纜，以及爆炸區(qū)內(nèi)的地球物理現(xiàn)象。

　　Tektronix 與惠普的技術(shù)實(shí)現(xiàn)將在今后幾十年內(nèi)繼續(xù)下去?；萜臻_發(fā)了 20 GHz 的 54120A 主機(jī)和 54121A 測試頭（圖 1）。這些產(chǎn)品包括計(jì)算機(jī)化的 TDR 測試套件，并能做 TDT（時(shí)域傳輸），后者除了發(fā)送脈沖的輸入和數(shù)字化反射以外，還需要其它用于監(jiān)控電路傳輸?shù)妮斎搿＿@種方法可以確定電路的損耗特性；而用一種純反射儀器不可能測出這些損耗。示波器在采樣頭中使用了來自惠普網(wǎng)絡(luò)分析儀的探測器。

　　上世紀(jì)80 年代時(shí)，Tektronix 推出了 50 GHz 11801 示波器主機(jī)，以及 20 GHz SD-24 差分 TDR 模塊（圖 2）。為實(shí)現(xiàn)其它模塊監(jiān)控傳輸，11801可以完成 TDR 和 TDT，并可以評估差分信號，如 LVDS（低壓差分信令）和 SCSI（小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）電路中的信號。該示波器后來發(fā)展成為 11801C，而帶有一個(gè) 35 ps 上升時(shí)間脈沖發(fā)生器的模塊則保持不變。該示波器多年來一直在業(yè)內(nèi)廣為應(yīng)用，盡管它的用戶界面有點(diǎn)難以捉摸，可能更適合于通過 GPIB（通用接口總線）控制，而不是一名工程師在前面板操作?；萜詹]有滿足于既得的榮譽(yù)，不久以后推出了 18GHz 的 54754A 模塊，用于 86100A 主機(jī)。Tektronix也跟隨推出用于 CSA803（源于 11801C）的 17 ps 80E04 模塊。現(xiàn)在 Tektronix公司的模塊包括70GHz的 DSA8200主機(jī)以及50GHz的80E10 模塊。同時(shí)，競爭對手 LeCroy 則提供 100GHz 的WaveExpert 100H，以及一個(gè)20GHz 的ST-20 TDR模塊（圖3）。

　　Picosecond Pulse Labs制造的TDR可算是終極設(shè)備：4022附加模塊可接受Tektronix、Agilent或其它TDR 的脈沖，速度達(dá)到令人驚訝的 9 ps 上升時(shí)間。Picosecond 亦制造脈沖發(fā)生器，但用4022加快一臺示波器脈沖速度的方法有自己的優(yōu)點(diǎn)。Picosecond首席技術(shù)官 Clayton Smith 稱：“我們把它做成可與示波器中的現(xiàn)有軟件一起工作?！?Picosecond 亦為各家示波器OEM制造TDR模塊。

　　除了高檔 TDR 的發(fā)展以外，還有些儀器能完成 TDR 在上世紀(jì)50年代就開始做的工作：檢查長電纜有無短路、開路和斷線。這一功能對美國海軍非常重要，因?yàn)楝F(xiàn)代艦艇都有數(shù)英里長的電纜。廣播與電視運(yùn)營商亦用 TDR 尋找天線塔上同軸電纜的裂縫。Tektronix 的 TS90 TelScout TS90 100 就是一種這樣的機(jī)器；另外還有 Spirent E2520 型測試儀，它可以評估長達(dá) 9800 英尺的雙絞線電纜。