时域反射计(TDR)实用技术-EDN 电子技术设计

 高性能通讯系统需要具备优质的电信号传输路径。为获取高效信号流和出色的信号完整性，传输路径阻抗应尽可能保持理想恒定值。时域反射计（TDR）是一项成熟的技术，可用于验证元件、互连与传输线路的阻抗和信号路径

高性能通讯系统需要具备优质的电信号传输路径。为获取高效信号流和出色的信号完整性，传输路径阻抗应尽可能保持理想恒定值。时域反射计（TDR）是一项成熟的技术，可用于验证元件、互连与传输线路的阻抗和信号路径质量。

随着数据速率增长和元件几何结构的简化，基础 TDR 测量系统的精确性和分辨率可能受到一定限制。本文将说明测量系统的极限和测量误差来源，此外，还将介绍可提升精确性的实用技术和有效方法。

特定主题包括：5Fiednc

– 用于消除夹具效应（影响测试元件分析的布线和连接）的技术5Fiednc

– 实现差分传输系统高精度 TDR 测量的方法5Fiednc

– 推导单端口、双端口或四端口 S 参数，深入了解元件性能并提升建模精度5Fiednc

什么是时域反射计？5Fiednc

信号沿传输路径发射时，理想情况下，信号均不应被反射回信号源，即所有信号能量均应抵达预期目标位置。如果整条传输路径和线路终端的阻抗与信号源输出阻抗相当，则会出现上述情况。但是，如果阻抗出现变化，则部分事件信号可能会反射。

时域反射计（TDR）是一款用于测量被测元件（器件）（DUT）阻抗剖面的测量工具。其概念简明直接。使用阶跃发生器和示波器，可向被测器件发送快速脉冲边缘。如果阻抗中断，部分脉冲将返回到监控示波器。通过监控反射信号抵达示波器的时间（以及被测器件内脉冲传播速率）可确定中断位置。此外，可通过对比反射脉冲与被测器件所接收的原始脉冲的大小，确定中断幅值。因此，这一“回波技术”可轻松确定线路内阻抗是否发生变化。使用分析技术，可揭示线路内中断现象的本质（电阻式、电感式或电容式），并确认传输系统内的衰减是由串联损耗还是由分流损耗引发。示波器显示屏上将即时显示上述信息。与其他反射计方法仅在固定频率范围内进行测试不同，由于快速脉冲阶跃激励属宽带激励，因此，TDR 可提供与传输系统宽带相应相关的重要信息。

图 1 显示了构成 TDR 的设备配置示例和部分说明性测量结果。如需 TDR 基础知识的扩展教程，请参阅是德科技应用指南《时域反射计理论》

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图 1：什么是时域反射计？-基础 TDR 概念5Fiednc

时域反射计 TDR 测量限制5Fiednc

时域反射计 TDR 系统的基础性能决定了它的测量能力。以下因素会影响 TDR 系统的总体性能：

阶跃信号发生器是一个误差来源5Fiednc

阶跃激励信号的形状对于 TDR/TDT 测量的精确性非常重要。DUT（被测器件）不仅对阶跃信号会做出响应，对阶跃信号的畸变（例如过冲和不平坦）也会做出响应。

如果过冲很大的话，那么 DUT 的响应可能会更难以解释。随着反射信号的变化，我们会观测到阻抗不连续性。TDR 阶跃的畸变可能无法正确解释为 DUT 的缺陷。如果阶跃平坦，就能够最大程度地减少猜测。阶跃的上升时间也极为重要。为了确定 DUT 实际上将做出何种响应，您应该以其在实际使用过程中会遇到的边缘速度进行测试。

在使用 TDR 来定位传输线路中不连续性来源时，边缘速度也非常关键。示波器的带宽和阶跃信号源的上升时间都可能会影响测量精度。整个测量系统的上升时间由示波器和阶跃信号发生器两者的上升时间共同决定。它的值可使用公式 1 进行估算。

真实的系统具有限定的上升时间，它起到了低通滤波器的作用。如果测量系统过慢，可能会掩盖甚至完全埋没不连续性的本质。TDR 也可能会过快，从而产生不适合实际使用的结果。（一般而言，反射性能会随着边缘速度发生变化，因为反射量由频率决定。这一点可以在使用网络分析仪的回波损耗测量轻松观测到。若将反射的信号量计为频率的函数，通常就会发现，随着频率的升高，DUT 反射回的信号幅度也会增大。）注意图 2 中显示的对一个 50Ω SMA-BNC 适配器的测量结果，随着阶跃激励信号上升时间的减小，DUT（如果以高数据速率使用）所产生反射的性质变得越来越明显。阶跃速度为 100 ps 时，仅能在大约 56Ω 处看到一个反射。当边缘速度加快到 35 ps 时，可以看到更多的反射点，最明显的反射点位于 71Ω 处。阶跃速度达到 20 ps 时，阻抗不连续性增大至 77Ω 以上。在这三次测量中，使用 20 ps 上升时间的阶跃激励信号获得的结果，并不适用于在实际使用中边缘速度总是慢于 100 ps 的连接器。因此，该连接器可以使用 100 ps 的边缘速度而非 20 ps。另一方面，运行速率不低于 10 Gb/s 的系统将包含上升时间可能小于 30 ps 的信号。支持 40 Gb/s 传输速率的元器件可使用 10 ps 以下的边缘速度。因此，当需要分析在不同数据速率下使用的元器件时，边缘速度更灵活的 TDR 会很有用。

信号完整性以及故障分析通常需要能够定位和区分多个间距较近的反射点。TDR 可以分辨两个间隔大约为 TDR 上升时间一半的不连续点。高性能 TDR 系统的上升时间（包括阶跃信号发生器和示波器）小于 10 ps。在介电常数接近 1 的材料中，这相当于大约 1.5 mm 的物理间隔。通常，印刷电路板材料的介电常数大约为 4。那么可测量的间隔就小于 1 mm（如果信号场在空中，此值将会更大，就和电路板的介电常数一样）。还请注意，质量较差的电缆和连接器（后面会介绍）也可能会拖慢系统的有效上升时间，并降低双事件分辨率。

电缆和连接器会产生损耗和反射5Fiednc

阶跃信号源、DUT 和示波器之间的电缆和连接器对测量结果有很大的影响。阻抗失配以及存在缺陷的连接器都会增加实际被测信号的反射。这可能会导致信号失真，使用户很难确定哪些反射来自于 DUT、哪些反射来自于其他来源。

此外，电缆不是完美无暇的导体，随着频率的升高，它会变得不那么理想。频率越高，电缆的损耗就越大，边缘的上升时间随之变长，导致边缘在接近最终值时出现偏差。于是，由于电缆的原因，导致现在出现了与上述阶跃信号发生器性能有关的问题，从而使得原本非常不错的阶跃信号发生器变差。图 3 说明了电缆和连接器如何影响 TDR/TDT 测量结果。最快的波形是短路电路直接连接 TDR 时产生的阶跃信号反射。（之前提及过，短路电路返回的信号会使阶跃信号发生器输出反转，而信号又必须要输出并通过电缆返回）。第二快的阶跃发生在短路电路通过 1 米优质电缆连接 TDR 时。第三快的阶跃发生在短路电路通过 0.6 米便宜电缆和 SMA 连接器连接 TDR 时。这里要务必注意，电缆可能会降低 TDR 测量系统的精度。

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图 3：电缆和连接器如何导致 TDR 性能下降。

最大限度减少夹具影响的方法5Fiednc

使用 TDR 搭配可直接连接到 DUT 的远程测量前端（无需适配器或电缆），将有助于最大程度地减小系统测量误差，但并不能完全消除此误差。如果需要使用适配器、探头或非同轴电缆来连接 DUT，那么有可能增加杂散反射和系统损耗，使得测量结果的准确性下降。由于这些误差机制是固定的、系统性的，因此有机会利用校准方法来大幅提高测量精度，并最大程度地减小这些会造成误差的效应。

其中一种消除系统测量误差的技术就是波形相减。在此方法中，先用一个理想的 DUT 连接至系统，并记录 TDR 波形。而后再测试其他的 DUT，并从当前迹线中减去记录的迹线。如有差值，即表明 DUT 偏离了理想状态。两条迹线都有系统误差，用户可以有效地加以清除。这种方法可以非常简单而方便地提高精度，但是也有很大的局限性。首先，它需要一个理想的参考 DUT。这种 DUT 可能根本不存在，或者很难实现这个要求。其次，所有结果都是相对的。很难去判断 DUT 的绝对性能。最后，到达 DUT 的阶跃信号质量有可能下降。虽然这种效应对于参考和 DUT 测量很常见，但是会严重限制 TDR 的性能。

另一种校准方法的原理是使用精密的标准件或“已知性能的”器件表征测试系统。但是这种方法不是为了产生一条参考迹线，用于波形相减，而是能够将测试系统的系统性响应从 DUT 响应中完全清除出去。这个过程常被称为 TDR 校准，作为一种简单但是又非常有效的方法，可以利用 TDR 获得精确的测量结果。

除了校准方法有效之外，实施程序也非常简单，只需要几个基本的步骤即可。校准测量在表征测试系统时使用了的电缆和连接器，无需使用 DUT。校准的第一部分是使用电子校准件或优质的短路、开路和负载校准标准件代替 DUT 来测量响应，以消除由触发器耦合、通道串扰以及电缆和连接器反射所引起的系统误差。根据这些测量结果，可以推导出测试系统的频率响应。

优质的电子校准件或校准标准件随附提供表征数据。整个 TDR 校准流程将使用这些表征数据来确定预期的测量结果（也就是使用理想的 TDR 系统测量每个标准件时，将会得到的测量结果）。标准件的实际测量结果与预期测量结果之间的差异是由测试系统导致的，可通过数字滤波进行校正。这就是为什么必须要使用质量优异且经过正确表征的校准标准件。如果使用数字滤波器校正表征不当或损坏的校准标准件，很可能会增大系统误差。

生成数字滤波器5Fiednc

校准的第二部分是生成一组数字滤波器。这将自动完成，无需用户输入任何内容。数字滤波器将补偿测试系统频率响应与理想状态的差异。在完成 TDR 校准后，如果测量用于校准的标准件，其结果应与该标准件的预期测量结果一致。滤波器将根据需要对频率响应的分量进行衰减或放大以及移相，从而消除误差。例如阶跃激励信号上的过冲。如果不校准，那么 DUT 的频率响应将包含对过冲的多余响应。在校准期间，滤波器将对造成过冲的频率进行移相和衰减，从而校正 DUT 对过冲的响应。这种滤波器同样可用于校正由于高频衰减导致的电缆损耗。

通过校准产生的数字滤波还能用于调整 TDR 阶跃信号发生器的有效上升时间，从而减慢或加快是德科技 TDR 模块的阶跃，进而仿真快速或慢速电信号。在是德科技 86100 中，用户指定的上升时间决定了滤波的带宽。通过对超出指定带宽的频率加以衰减，可以减小带宽。增大带宽需要更全面的考虑。要增大带宽，需要将超出初始 –3 dB 频率响应的响应放大。虽然这是一个有效步骤，但是务必要注意，这些频率以及附近更高频率上的系统噪声也会放大。真实系统上升时间可以扩展到多大，由本底噪声决定。在真实系统中会有一个极限点，超过这个点，频率响应幅度数据会低于本底噪声。再进一步增大带宽只会增大噪声，从而导致测量结果不准确。由于波形平均可降低本底噪声的初始电平，因此在使用校准特别是减小阶跃信号发生器上升时间时，应使用波形平均功能。

测量示例：5Fiednc

在以下测量示例中，我们测量了图 4 中使用的简易印刷电路板传输线路（这段传输线路同时有高阻抗部分和低阻抗部分）。但是，将一段相同的传输线路与第一段串联。理想情况下，第二段线路的测量结果应与第一段相同。但是，第一段线路的反射和衰减会大幅降低第二段线路的测量精度，如下图所示。