射频电路测试原理_第四讲_射频时域测试原理_清华大学_46页.pdf

射频电路测试原理第四讲射频时域测试原理guolinli射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期2参考文献?董树义，现代微波测量技术，电子工业出版社，1995?孙圣和，刘明亮，施正豪，现代时域测量，哈尔滨工业大学出版社，1989?Howard Johnson,High Speed Digital Design-A Handbook of Black Magic,Prentice Hall,1993?沈力 等译，高速数字设计，电子工业出版社，2004?Reinhold Ludwig,and Pavel Bretchko 著,王子宇 等译，射频电路设计理论与应用，电子工业出版社，2002射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期3目录?从传输线时域内的反射电压波形入手，阐释时域反射计的工作原理及其对散射参量的测试方法，讨论时域测试中的基本问题，并对高速数字电路设计及测试中遇到的问题予以探讨?数字信号中的分布参数与集总参数电路的界分?时域看传输线的电压传输过程?时域反射计测试阻抗?散射参量的时域测试?时域测试的误差分析?数字电路串扰时域分析射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期4一、数字信号的转折频率?对于高速数字信号，转折频率和数字边沿的上升时间或下降时间有关，而与时钟频率无关rkneeTf5.0=%10%50%90rTcT(log)fVlog20cfkneef?任何在转折频率以内具有平坦响应的电路，可以允许一个数字信号几乎无失真通过?数字电路在转折频率以上的频率特性对于它的数字信号处理影响很小射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期51=pDv信号传播速度和传播延时?真空中的电磁波传播速度为光速?电路中电信号的传播速度取决于连接导线周围的介质，传播速度和介电常数的平方根成反比?传播延时和介电常数的平方根成正比关系空气1=rmmpsD/33.3=同轴电缆8.1=rmmpsD/47.4=FR4 PCB4.4=rmmpsD/99.6=FR4 PCB4.43.2=rmmpsD/99.606.5=氧化铝 PCB8.9=rmmpsD/43.10=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期6?尺寸小于1/10波长的，该电路可视为集总参数电路?尺寸小于信号上升沿有效长度1/4的，该电路可视为集总参数电路?集总参数电路直通线上的电位在整个持续时间内几乎一致集总参数电路与分布参数电路nst0=cmcmpsnsTlDrTr3.14/9.691=012345nsnst1=cmlTr6.34=nst2=匹配负载nst3=nst4=Trlcml30=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期7DLC=二、时域中看传输线?理想传输线（无损无限长传输线）上任何一点的电压都是输入波形的理想复制，只是沿着传输线向前传输有一定的传输延迟lLCl=ABLCvpD=1传播延迟：射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期8lLCl=ABLCD=00,ZCZLDD=特征阻抗?把A点到B点之间的电容充电到电压V需要电流为?该电流维持V伏阶跃信号沿传输线的传播0ZVCLVLClClVClVTQI=CLIVZ=0?单端口看入，理想传输线犹如一个电阻负载，电阻值就是特征阻抗值射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期9?双端口网络，理想传输线事实上是一段延时线，是一个理想线性系统()ljDejH=()()()()()()()DjjCjGLjR=+=非理想传输线?对有损传输线，其传播常数为复数?信号经过有损传输线?幅度上有损耗?由于不同频率下，幅度损耗不同，因而会出现幅度失真?相位上有附加相移?由于相移和频率不成正比关系，因而出现色散（相位失真）()()()()()jljlleAeeejHD=()()leA=()()lD=射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期10()()()()()()()jZjZjZVVjZjZjZVVjTLLLLoo00,22+=+=匹配实际信号是如何通过一个传输线的()lZD,0LZSZSV()()()()jZjZjZjAS00+=()()()()jZjZjZjTLL02+=()1LSLLRRRV+=输入端接收函数远端传输函数()()ljejH=()()()()()jZjZjZjZjSS001+=()()()()()jZjZjZjZjLL002+=近端反射函数远端反射函数射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期11SLLLLSSLLSRRRZRZRZRZRZRRRZZHAHTS+=+=000000022111211()lZD,0LZSZSV()()()()jZjZjZjAS00+=()()ljejH=()()()()jZjZjZjTLL02+=()()()()()jZjZjZjZjLL002+=()()()()()jZjZjZjZjSS001+=阶跃信号传输AHTS=)1(第一次传输到负载：1AAH AHT2AHHAH212HAHHHAH12)1(S)2(SHTHAH12212HHAH22=AHR负载反射：HAH2反射到源：121=HAHR源端反射：()221)1(12)2(=HSHTHAHS第二次传输到负载：()2221)1()3(=HSS第三次传输到负载：()1221)1()(n=nnHSS次传输到负载：第221221)1(1)(11=HAHTHSSSnn负载稳定：射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期12()lZD,0LZSZSV1AAH AHT2AHHAH212HAHHHAH12)1(S)2(SHTHAH12212HHAHUVs=10sZ=500Z=75LZmmpsD/5=cml20=nsmmpscm1/5*20=833.06510505000=+=+=SZZZA1=H2.1125150755015020=+=+=LLZZZT2.012525002=+=ZZZZLL667.06040001=+=ZZZZSS1833.0833.01167.0167.0111.0111.0)1(S)2(S133.0022.0()1()889.0()867.0()833.0333.031105020201=+=+=SSZZZT056.0ns0ns1ns3ns5ns7V0V1V867.0V884.0107575882.02.0*1*667.011+=负载稳定电压：S射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期13()221211+=HAHS端接方法?末端端接：输出端匹配?简单，难以实现宽带匹配?源端端接：输入端匹配?简单，但有大信号反射回源?短线连接?要求传输线长度很小?集总参数元件：直通线AHS=:02()211:0+=AHS()LSLZZZASH+=+=21211:1DrTl4110CZf()微分：脉冲反射回一个输入阶跃的2:1020CZjCZfknee=ZR0,0=ZR10,010min设备特性缓变以10分钟为间隔进行多次测量，进行比较0.25dB改进系统的稳定性，尽快完成测试射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期32系统误差类型引起误差的原因误差大小估计最大误差减小误差的方法频移误差时间窗不准确测量时间窗0.05%频率误差时间窗校准失配误差转接头或传输线不匹配利用信号流图分析0.01dB谨慎选择，对已知特性进行修正垂直非线性取样头非线性、垂直放大器非线性、ADC非线性不同设置下测试同一波形0.02dB非线性校正水平非线性斜升信号的非线性，取样间隔不均人为设置误差，确认非线性现象0.02dB非线性校正射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期33数据处理误差类型引起误差的原因误差大小估计最大误差减小误差的方法混迭取样引起的频谱混迭对不同取样间隔的同一波形计算频谱0.25dB取样速率足够快截断有限时间窗引起的数据丢失比较不同截断时的频谱0.1dB所有波形应处于同一时间窗内线路拆装拆装引起的转接头机械位移多次拆装，比较数据0.02dB尽量减小机械位移射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期34三点自适应扫描?取样不是沿时间轴顺次进行，而是依次在1、2、3三点取样?1位于波形水平位置?2位于波形上升沿部分?3沿时间轴顺次增加实测波形1v2v3v=?12VV相等表示水平无漂移，不等表示有漂移，需要根据参考波形进行水平扫描的偏移校正；垂直电压以V3-V1来克服垂直漂移参考波形123射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期35Howard Johnson,High Speed Digital Design-A Handbook of Black Magic,Prentice Hall,1993六、高速数字电路信号完整性分析?高速数字设计必须考虑传输线效应对信号传输的影响（振铃和反射），信号间的相互作用（串扰）以及和外界的相互作用（电磁干扰）?互感、互容、引脚电感、引脚电容?地的分析、串扰分析射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期36互容?只要存在两个电容，就会有互容?一个电路电压所产生的电场会影响到第二个电路，两个电路电场的相互作用随距离的增加而减小。电的相互作用系数称为互容dtdVCIAMM=rBMBrMBMTRCVRTVCVRdtdVC=驱动电压耦合电压串扰射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期37互感?只要有两个电流回路，就会有互感?一个回路的电流产生一个磁场，该磁场会影响到第二个回路，两个回路的相互作用随距离增加而降低。两个回路的相互作用系数称为互感dtdILVAMM=rAMrAMMTRLVTRVLVdtdIL=驱动电压耦合电压串扰射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期38电压和电流突变?电压突变将通过互容影响临近电路信号?电流突变将通过互感影响临近电路信号?高速数字系统中，互感引入的串扰远大于互容引入的串扰dtdVCRVIIICR+=+=221dtVdCdtdVRdtdI+=252.11rrTVCTVRtI+=222max52.11+rrTVCTVRtI假设为高斯脉冲射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期39器件封装不可避免的问题有引脚电感、引脚电容及散热问题引脚电感ASBSLCGNDCCVinVoutV放电IGNDLdtdILVGNDGND放电=GNDinVNV+=LrLrGNDGNDCTVRTVLV252.11封装转换时间均匀地线差分输入?器件封装中个别引脚电感会产生地弹效应?每当器件输出端由一个状态跳变到其他状态时，都会导致逻辑输入端出现毛刺，可能导致逻辑错误射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期40引脚电容对于高阻抗情况，引脚电容的影响将会很大，可在输入端加入接地电容来改善串扰影响0CCM=串扰?逻辑器件引脚之间的寄生电容能够在敏感的输入引脚上耦合出噪声电压来pFCM4=CCV传输线75端接75nsTr5=%303.055.37*4=nspFTRCrBM串扰0C射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期41地电流最小阻抗路径?地电流总是沿最小阻抗路径前进?低频：地电流在两点直线行走?高频：地电流沿两点信号线下方行走射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期422011+HDHIi地面开槽引入串扰地电流重叠在两个信号线之间引入一个大的互感，从而一条线上的电流变化引起另一条线上大的串扰电压射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期43长线串扰分析MLMLMLMLMLMLMCMCMCMCMCMCABDCABC0002D射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期44练习题1?时域反射计估算感性负载?画出输入端口的反射波形？从波形如何估算负载电感和电阻？（c,d）?画出图d负载电阻上的电压波形，说明这是阶跃信号通过一阶低通滤波器后的波形。0ZL0ZLRR（c）（d）射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期45练习题2 脉冲源?时域测量中，脉冲发生器是最常见的激励源。下图是一个脉冲产生电路原理图，请分析确认开关闭合后，负载上的波形是一个脉冲波形?开关断开后，请分析传输线末端的电压Ve的变化过程？假设Ve变化为稳定电压VB的99可认为进入稳态，开关可以再次闭合获得下一个脉冲。问两个脉冲之间的最短间隔和脉冲宽度有何关系？假设RG=100RL.()lZD,0S0ZRL=oVeV0ZRGBV射频电路测试原理清华大学电子工程系李国林雷有华2005春季学期46练习题3?假设数字信号驱动器的输出阻抗为0，输入阻抗为无穷，传输线特征阻抗为50欧姆，两条平行线之间的耦合较小，且容性耦合和感性耦合大小相等。试分析如下两个结构的四个端口的波形，假设A0点的输出波形为幅度为1的阶跃信号。ABCD=500Z=500Z=50,0R=50,0R0A