Hot TDR 测量技术

TDR，即时域反射计，是用来测量传输线特征阻抗的常用仪器。TDR的典型应用是PCB，Backplane，Connector，Cable, Package，IC等特征阻抗的测量。

1、TDR工作原理

如图1所示，TDR一般是采样示波器的一个模块，这个模块具有采样示波器功能和TDR测量功能（即内置一个快沿发生器）。快沿发生器产生的TDR测量信号的典型特征是：

上升时间较快：一般35ps或更快；
幅度较小：一般200mv；
频率较低：一般250KHz。

图1  TDR工作原理

当快沿信号发到被测传输线上后，当遇到阻抗不连续的位置，会有能量反射回来，示波器把反射回的能量（即电压）采集下来后通过计算及得出特征阻抗。计算公式如图2所示。

图2  TDR特征阻抗计算公式

TDR很特别之处是可以先后采集被测传输线每个点的反射电压，所以可以计算出被测传输线每个点的特征阻抗。如果传输线阻抗发生变化，非常容易在TDR曲线上反映出来。所以TDR仪器可以用来定位传输线出问题的具体位置，比如传输线中间断路，则就会发生全反射，TDR曲线就快速拐头向上。

图3  TDR曲线反映被测传输线每个点的特征阻抗特征

2、Hot TDR概念及其测量要求

上面介绍的TDR仪器原理非常适合无源传输线的测量，比如Backplane,Cable,Connector,PCB，不加电的芯片等测量。但是对于有源测量（如给单板带电测量），则无能无力。

对于带电的TDR测量，我们就称之为Hot TDR测量。主要应用环境是：高速接口的测量。比如Ethernet网线接口，USB2.0接口等，都需要进行带电测量。

对Hot TDR测量的解决办法是使用带TDR功能的矢量网络分析仪。由于矢量网络分析仪是使用窄带接收机的工作原理，可以避开被测件输出的信号对测量结果的影响。

图4  传统TDR测试带电接口的问题和VNA-TDR测试带电接口的能力

3、VNA-TDR工作原理

VNA是测量被测件 (DUT) 频率响应的仪器，测量的时候给被测器件输入一个正弦波激励信号，然后通过计算输入信号与传输信号 (S21) 或反射信号 (S11)之间的矢量幅度比得到测量结果；在测量的频率范围内对输入的信号进行扫描就可以获得被测器件的频率响应特性；在测量接收机中使用带通滤波器可以把噪声和不需要的信号从测量结果中去掉，提高测量精度。

频域和时域之间的关系可以通过傅立叶理论来描述。通过对使用VNA获得的反射和传输频率响应特性进行傅立叶逆变换，可以获得时域上的冲激响应特性。再通过对冲激响应特性进行积分，可得到阶跃响应特性。这和在TDR示波器上观察到的响应特性是一样的。由于积分计算非常耗时，因此实际上使用的方法是在频域中根据傅立叶变换的卷积原理进行计算 — 把输入信号的傅立叶变换和被测件的频率响应特性进行卷积，然后再对结果实施傅立叶逆变换。由于在时域中的积分也可使用频域中的卷积来描述，因此我们可以快速计算出阶跃响应特性。

图5  VNA-TDR的测量原理

4、 小结

VNA利用自身的优势解决了TDR测量面对的带电测量问题，VNA-TDR就成了典型的Hot TDR测量方案。VNA-TDR还有另外一个优势是对静电ESD不敏感，而传统TDR因为没有ESD保护电路对静电异常敏感。所以现在越来越多的用户采用了VNA-TDR进行TDR和Hot TDR测量。

参考文献
1. 基于矢量网络分析仪E5071C的TDR 与传统采样示波器TDR之间的测量性能和优势比较。安捷伦科技。2010年。
2. 孙灯亮  时域反射计TDR和物理层测试系统PLTS在信号完整性分析中的应用。安捷伦科技。2006年。
3. Agilent E5071C ENA Option TDR Enhanced Time Domain Analysis Technical Overview. Agilent Technologies. 2011.