胡為東系列文章之十二--參數(shù)測量中針對夾具或探頭
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時域Gating 方法是將上圖4 中的夾具中的傳輸媒介使用傳輸線的原理進行等效,只要獲得每一個通道的兩個參數(shù):延遲(TD, Time Delay)和損耗(Loss)即可實現(xiàn)對夾具的去嵌。而延遲和損耗參數(shù)是比較容易得到的,如果是專業(yè)廠家的夾具或者線纜,通常會給出這兩個參數(shù)的值,如果是自己設置的夾具,那么一個辦法是可以通過EDA 仿真軟件獲得這兩個參數(shù);第二個辦法是可以通過簡單方便的實際測量獲得。后續(xù)我們會介紹如何通過測量的方法獲得這兩個參數(shù)。下圖6 為將具有2P 個端口的夾具使用延遲和損耗進行等效的示意圖。
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下圖7 所示為Teledyne LeCroy(力科)的SPARQ 中使用時域Gating 方法使用夾具的延遲和損耗兩個測試方法進行夾具去嵌的界面:
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四、時域“Gating”去嵌方法的原理
時域Gating 方法是通過將整個測量系統(tǒng)(包括夾具和被測件DUT)的S 參數(shù)先通過算法轉(zhuǎn)換為阻抗(Z),然后通過夾具的延時和損耗兩個參數(shù)將整個系統(tǒng)的阻抗曲線中的夾具部分的阻抗曲線剝離掉,然后將剝離掉的夾具的阻抗曲線后的部分重新轉(zhuǎn)換為S 參數(shù),從而實現(xiàn)夾具的去嵌。如下圖8 所示,藍色虛線部分為夾具的阻抗曲線:
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時域Gating 算法會將待剝離(夾具的阻抗)部分(我們稱作為Gated Element)的阻抗曲線看作為一連串的傳輸線結(jié)構(gòu)單元,如下圖9 所示:
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然后為每一個傳輸線結(jié)構(gòu)單元建立一個單元模型(Segment),每個單元模型(Segment)的延時(Delay)和損耗(Loss)都可以通過整個剝離模型的阻抗曲線中已知的參數(shù)如阻抗,反射系數(shù),整體延時和損耗等獲得,如下圖10 所示,G(f)即為和頻率相關(guān)的損耗參數(shù),D(f)為和頻率相關(guān)的延時參數(shù),這兩個函數(shù)均可以通過已知的阻抗曲線和整體延時以及損耗獲得。這樣就可以推導出每一個單元模型的S 參數(shù),如下圖所示,更詳細的原理可以參考Teledyne LeCroy(力科)的專利技術(shù)文章。
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然后,剝離部分(Gating Element)的每一個單元模型的S 參數(shù)(剝離前)被代入阻抗剝離算法中,迭代算法遍歷計算整個剝離部分(Gating Element),每次消除完前面一個單元模型(Segment)的影響后重新計算阻抗曲線圖,最后從這個算法中得到剝離部分的每一個單元模型的S 參數(shù)(剝離后),如下圖11 所示:
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接著根據(jù)得到的每個單元的S 參數(shù)模型先轉(zhuǎn)換為T 參數(shù),然后再將T 參數(shù)連接到一起形成一個剝離部分(Gating Element)的T 參數(shù),將T 參數(shù)轉(zhuǎn)換為S 參數(shù),這樣就得到了需要剝離的部分的S 參數(shù)。有了S 參數(shù),就可以利用力科的SPARQ 軟件中的基于S 參數(shù)的剝離算法實現(xiàn)對夾具的去嵌。
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五、通過測量獲取夾具/探頭的延時和損耗參數(shù)
如果夾具或者探頭的延時和損耗參數(shù)是未知的,那么也可以通過使用2X 直通線來估計夾具或者探頭的延時和損耗。因此在夾具設計時,建議在夾具上增加一條2X 直通線,以用于測量夾具/探頭的損耗。如下圖13 所示為一個夾具的示意圖,標注SMA 的端口是與測試儀器相連接的,標志SMA 的端口的線段的另外一個端口為與被測件DUT 相連接的。這個線段的長度為X,那么2X 直通線即是指兩個端口都有SMA 接口的且長度為2X 的直通連線。
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首先我們可以通過S21 的階躍響應特性或者基于TDR 技術(shù)(TDR 阻抗曲線)來初步估計延時。然后對2X 直通線使用剝離(Time Domain Gating)算法,經(jīng)過剝離去嵌后,理論上該2X 直通線應為0 損耗,但由于當前的延時參數(shù)是粗略估計的,因此需要通過微調(diào)以獲得更加精確的值,可通過相位的測量來進行微調(diào),如下圖14 中的左側(cè)黃色波形所示,去嵌前相位應該是周期變化的;經(jīng)過去嵌后,理論上相位應該為0,即為一條位于0 位置的水平直線,但實際情況由于該延時值還不是一個非常理想的值,因此可以適當調(diào)整該參數(shù)值,直到相位曲線為一條水平的直線,如下圖14 中的右側(cè)波形所示,當延時參數(shù)為217ps 時,相位曲線已經(jīng)接近一條水平直線。
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