获得信号完整性的测量技术

　　工程师应该留意一些警告，虽然 S 参数在频域和 TDR 在时域有数学等效性。时域与频域之间存在 FFT（快速付利叶变换）和反向 FFT 的重要计算法，经常涉及因果律和无源性（参考文献8）。当计算未考虑到过渡时间以及其它导致时域问题的延迟时，就会出现因果问题。类似的问题也出现在无源性上：进入时域的反向变换可能分给无源电路元件能量，产生错误结果。从时域进入频域也强制加上了 SNR 限制。由于时域测量受制于宽带噪声，即使最好的 TDR设置在高频时也只产生 50 dB 的 SNR。这个数字可能还算够用。另外，你可能需要用一台VNA，直接在频域中取得S参数数据。记住要权衡在一台机器上获得S参数和TDR测量的方便性，以及在两个域中至少验证一次测量的要求。尽管如此，有些TDR能够完成与一台9ps上升时间TDR和一台50GHz VNA的对比，

因此，如果正确地使用了适当的设备，就能在两个域之间作转换（参考文献9）。TDR的可靠S参数数据要求一台有短上升时间的脉冲发生器，以及一台宽带宽的示波器。同样，对S参数数据作反向FFT而产生TDR数据时，需要VNA上有足够的带宽，才能给出你希望在时域中看到的细节。

　　用一台性能良好的 TDR 可以获得相当好的空间分辨率（图 6 和图 7）。快于 10 ps 脉冲发生器与 50 GHz 或 100 GHz 带宽示波器的出现可以将 TDR 用于 IC 封装开发和故障分析。如果 TDR 可以分辨出毫米段上的阻抗，则可以看到接线的效果，以及金属化损伤是否会使一只 IC 性能失常。有了高速脉冲发生器和示波器，就可以实现微小的空间分辨率（表 1）。另外，有些高性能示波器带有进一步改进有效分辨率的软件技术，用于校准来自设备和连接待测设备与电路电缆的反射。

　　消除测试夹具的作用只是现代 TDR示波器软件的优点之一。Agilent 86100A 主机的软件可以用两个正脉冲获得差分 TDR 测量。在两个通道同时使用相同极性的脉冲，能确保两个通道采用相同波形作激励。困难的是使一个脉冲的上升时间和下降时间精确对应，因此差分脉冲生成会导致一种共模误差。Agilent 示波器发出两个相同极性的脉冲；然后它的软件作反转并重叠在响应上，这样得到的波形就与一个差分 TDR 完全一致，但误差较小。Agilent 的一名产品经理 Joachim Vobis 称：“由于电子电路匹配性好得多，提高了精度。”

　　LeCroy 在其 WaveExpert 100H 示波器中也有类似的强大软件。标准的 TDR 分析软件包可以用于校准测试夹具，从 TDR 数据生成两个端口的差分 S 参数。示波器带有一个向导，指导用户完成设计与校准过程。你还可以将内部脉冲发生器的上升时间从 20 ps 设为一个更小的值，如串行接口标准集团规定的值。

　　在Tektronix的 DSA8200 采样示波器中，软件 TDR 和 TDT 只是整个软件包的一部分，软件包用于分析通信参数。Tektronix公司亦提供iConnect软件，它运行在DSA8200主机上，或在一台PC上独立运行（图8）。它将TDR数据转换为S参数、分析抖动，并改善 DSA8200的原生 TDR 分辨率。该软件亦使用 TDR 数据来推导出被分析电路的 SPICE 模型，举例说，你可以对一根承载高速 LVDS 串行数据的带状电缆建立一个 SPICE 模型。然后将这个 SPICE 模型交给 IC 设计者，以显示负载的复杂阻抗，或者在系统级仿真时评估传输介质。

　　TDR 已经从一个用于检查电缆的简单技术，变成为一种确定快速数字信号完整时域特性的复杂方法。TDT 也在发展，现在的分辨率已可以用于检查并确定 IC 内部结构与电路的特性。另外，强大的软件也推进了 TDR 的应用，从在示波器波形上查看凸块，到校准欧姆级和英寸级的结果。软件可以使 TDR 数据产生 S 参数频域特性，甚至推断出一个等效的 SPICE 模型。生成模型的示波器图形也可以用于验证模型的仿真，并产生有效的结果。

　　TDR 结果比频域分析有一个重要优势：TDR 图可显示出一个电路中的阻抗问题所在。Picosecond Pulse Labs 的 Smith 称：“它帮助你隔离出问题，这些问题也许能用 VNA 在频域中显示出来，但你不知道问题在电路的哪里。TDR 能确定信号路径出现问题的精确点。”Smith 继续指出了一些高速连接器的真实问题。“我们购买了一种全回转边沿插入 SMA 连接器，用来评估我们的测试设置。我们通过这些连接器看到了信号完整性方面的巨大差异。简单说，显然工程师用了 VNA 和频域分析，但 TDR 响应很糟糕。”有了 TDR，就可以获得即时、直观的结果，告诉你从哪里着手改进自己的电路。请务必把这种有价值的测量技术纳入自己的调试技术宝库。

参考文献
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 ananalogphase-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.