獲得信號完整性的測量技術(shù)

　　工程師應(yīng)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(xué)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(dāng)計算未考慮到過渡時間以及其它導(dǎo)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(jié)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(shè)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(quán)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(dāng)?shù)脑O(shè)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(dāng)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(shù)，用于校準(zhǔn)來自設(shè)備和連接待測設(shè)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(yīng)，因此差分脈沖生成會導(dǎo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的 TDR 分析軟件包可以用于校準(zhǔn)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)?，指?dǎo)用戶完成設(shè)計與校準(zhǔn)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(shè)為一個更小的值，如串行接口標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(shè)計者，以顯示負載的復(fù)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(shù)，變成為一種確定快速數(shù)字信號完整時域特性的復(fù)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(jié)構(gòu)與電路的特性。另外，強大的軟件也推進了 TDR 的應(yīng)用，從在示波器波形上查看凸塊，到校準(zhǔn)歐姆級和英寸級的結(jié)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(jié)果。

　　TDR 結(jié)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(shè)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(yīng)很糟糕。”有了 TDR，就可以獲得即時、直觀的結(jié)果，告訴你從哪里著手改進自己的電路。請務(wù)必把這種有價值的測量技術(shù)納入自己的調(diào)試技術(shù)寶庫。

參考文獻
1. "Bridge Scour Detection and Monitoring with Time-Domain Reflectometry," US Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center, July 2002.
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.
5. "Time Domain Reflectometry Theory," Application Note 1304-2, Agilent, 1988.
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.