本文的目的是演示一种频率补偿技术，用于在极快传输线脉冲发生器（VF-TLP）测试环境中测量被测设备的电流和电压。电流测量利用非重叠时域反射法，这对于晶片测试很有用，因为可以使用低轮廓小间距探针进行测量，例如Picoprobe型号10。此外，为了比常见技术（例如1GHz带宽的电流互感器）增加电流测量的带宽，该方法利用电阻传感器。可以对拾取进行微调，使插入损耗尽可能小，从而提高带宽。虽然这种方法也可以产生DUT电压测量，但对于低欧姆器件，结果存在数值误差。本文介绍了一种单独的直接测量方法，该方法将展示一种极其精确的电压测量方法，该方法还利用了频率补偿。
超快传输线脉冲或VF-TLP测试是一项很难很好执行的测量。这是一个高带宽测量，必须尽可能完成所有连接，以保持系统的特性阻抗（通常为50). 这意味着确保任何探针连接都匹配良好，并且任何连接器/适配器都具有尽可能高的质量。此外，由于如何实现非重叠TDR测量，使用低损耗电缆有很大的好处，这是非常昂贵的。
整体测量设置如图1所示，从图的最右侧可以看出，系统可以适应各种DUT连接方法。特别是，通过连接中的脉冲将脉冲施加到DUT，并在Vm连接处进行直接电压测量。可以使用两个探针进行真正的开尔文测量，从而提供良好的晶片测量解决方案。图中还可以看到ES621传输线脉冲发生器、拾取三通、泄漏控制模块（A621-LTKSEM）、源-表单元（SMU）和示波器。带圆圈的数字表示非重叠TDR电流测量的频域测量点的位置。在正常脉冲条件下，泄漏控制模块连接处于常闭（NC）位置。在泄漏电流测量条件下，模块处于常开（NO）位置。NO位置将DUT连接到SMU，并断开电压测量电阻器Rv。设置的照片如图2所示。
图1 ESDEMC VF-TLP测量设置
图2 ESDEMC VF-TLP延迟线电缆布置图3显示了一个强调测量的非重叠TDR连接的简化图。从左侧，TLP连接到布线布局的端口1。V+表示TLP的正向输出波。接下来是电阻拾取，当V+向DUT传播时，测量入射或（V+M）。到达DUT后，反射波（V-L）向要测量为V-M的传感器传回。传感器和DUT之间的电缆标记为延迟线。这是因为该电缆的长度必须足够长，以便在入射波完全通过之前延迟反射波到达传感器。如果延迟线至少比脉冲宽度长两倍，则可以保证这一点。延迟线长度和对低损耗电缆的需求通常导致该测量方法的脉冲宽度不超过10纳秒。
图3 ESDEMC VF-TLP非重叠TDR连接被包围的数字(○1.○2，和○3） 图3表示必须进行频率补偿测量的位置。特别是，必须测量并保存S21、S31和S32，以备将来用于每个测量设置。如果任何电缆或衰减器或传感器发生变化，则必须重新测量S参数。泄漏控制模块必须包括在测量中，并处于常闭状态。典型设置的三个S参数的幅值如图4所示。在所有频率上，电缆和拾取的插入损耗最好为0 dB，允许将完整的TLP输出脉冲应用于DUT。然而，真正的低损耗电缆在10千兆赫时可能有几分贝的衰减。对于测量的设置，损耗的增加最有可能来自拾取和连接漏电继电器和DUT的端口之间的SMA连接器。另一项需要注意的是，S21测量值相对平坦。
图4 非重叠TDR装置的S参数测量值其他两个S参数测量非常相似，这是意料之中的，因为除了路径中具有更长延迟线的S32之外，连接是相同的。幅值测量中的纹波是由于连接中的反射引起的。纹波约为1 dB至1 GHz。如何使用这些测量的S参数将在第3节中介绍。
如前所述，非重叠TDR测量确实产生DUT电压测量。然而，对于低欧姆器件，测量存在数值误差。这是由于在处理捕获的数据时使用了传输线理论数学，将在第3节中进行更详细的解释。通过单独的直接测量可以实现DUT电压的良好测量，简化的连接图如图5所示。
这种测量通常非常精确，只需使用探头比和衰减器值来计算DUT电压。然而，由于VF-TLP型测量具有更高的带宽限制，可以通过使用频率补偿实现更精确的测量。与非重叠TDR一样，电缆损耗、衰减器值和连接质量都可以通过捕获测量系统的S21来表示和补偿。系统的S21测量值如图6所示。
图5. VF-TLP直接电压测量设置
图6 电压测量的S参数测量值出于将在下一节中解释的原因，图6中测量的探针连接是图1中的PCB或右上侧子图。测量相对平坦到1 GHz。
处理捕获的数据需要将S参数数据加载到TLP测量控制代码中。使用所有网络分析器支持的Touchstone文件格式可以轻松实现这一点。该方法中处理的核心是在频域中完成的，这意味着必须将测量的时间波形转换到频域。由于几乎不可能确保时间记录长度与测量的S参数相同，因此必须进行插值以获得等长的数据集。
IDUT的非重叠TDR测量流程图如图7所示。图的左上角显示了捕获的非重叠TDR波形图。在图中，左手脉冲是拾取测量的入射脉冲（V+M），右手脉冲是拾取测量的反射脉冲（V-M）。处理的下一步是准备好将数据转换到频域。在此步骤中，对入射和反射脉冲进行分离、加窗、滤波和插值。特别是，脉冲在切割点处分离，切割点是任意的，只需要位于两个脉冲之间。如果延迟线改变或脉冲宽度改变，则应验证切割点处于适当位置。需要加窗以强制将时间记录的开始和结束归零，以确保捕获的数据在FFT方面呈现周期性。如果不这样做，FFT结果将遭受频谱泄漏。接下来，如果需要，可以过滤数据。在本文给出的结果中，没有对数据进行过滤。最后，对时域和频域数据进行插值。
流程图中的下一步是通过快速傅立叶变换（FFT）变换时间数据。这里没有显示其他数学操作，但数学在流程图的下一步中进行了说明。该操作将两个拾取测量值（V+M和V-M）转换为负载/DUT。特别是，必须将测量的入射波（V+M）转换回TLP（除以S31），然后转换成载荷（乘以S21），产生V+L。由于测量的反射波（V-M）仅在载荷和测量端口之间穿过，因此只需要通过除以S32转换回载荷，产生V-L。
图7. ESDEMC VF-TLP非重叠TDR处理流程图然后，通过逆FFT（IFFT）获得负载处入射波和反射波的时域表示。这两个波形显示在IFFT流程图步骤左侧的图中，放大版本如图8所示。请注意，这两个脉冲之间存在时间差。S参数测量应该考虑到这个时间差，并给出与它们完全相同的连接。然而，由于必须使用形状记忆合金适配器连接到各种不同的端口，因此无法将所有测量值放置在校准平面上。幸运的是，这种差异很短（通常为皮秒），可以通过从反射脉冲中减去时间来解释。
图8. V+L和V-L波形 (缩放).最后，可以计算负载电流或IDUT，如流程图的最后一步所示。注意，对于低欧姆器件，产生的脉冲在幅值和相反方向上具有可比性。这种组合有利于确定电流，因为结果是两个具有可比大小的数字相加。然后将其除以特性阻抗以获得电流。如前所述，这不是测量DUT电压的好方案。考虑到相同的脉冲，具有相似的幅值和相反的方向，电压的结果是两个相似数字的减法，并且可能产生更大的误差。这种方法非常适用于高欧姆器件的电压测量，但由于类似的原因，电流测量也会受到影响。
直流电压测量的处理与电流测量非常相似，流程图如图9所示。在通过FFT变换之前，对数据进行加窗、滤波（如果需要）和插值。频域操作仅通过除以测量路径的S21将示波器上记录的测量值转换回负载。图9的左上角和左下角分别显示了DUT波形的原始电压和产生的电压。注意补偿是如何消除探针引入的电压测量上的过度振铃的。
图9. ESDEMC VF-TLP电压测量流程图上述方法的目标是获得尽可能最佳的高带宽测量，该方法利用频率补偿来尝试实现这一目标。为了证明该技术的能力，对同时记录的两个不同电压测量值进行了比较。要做到这一点，1 电阻器与测量电阻器（Rv）一起安装在PCB上，如图1右上角所示。图1的连接有一个例外，即增加了一个可直接馈送至示波器的直通端口。PCB的示意图和照片如图10所示。DUT从脉冲输入连接到接地，使有效DUT成为1的并联组合 带有示波器输入阻抗的电阻器（1欧姆| 50欧姆）。通过侧测量通过30 dB/18 GHz衰减器直接连接到示波器通道3。通过测量仅由衰减器的值补偿。
图10. VF-TLP DUT测试PCB图为了真正测试和理解系统的能力，本文简要介绍了将用于为DUT提供脉冲的脉冲形状特性。首先，ES 621 TLP可以产生非常干净且快速上升的脉冲，如图11所示。使用泰克MSO 72304DX（23 GHz/100 GSa/s）示波器、18 GHz短电缆和衰减器进行测量。如图左下角所示，平均上升时间测量值约为60 ps，平均脉冲宽度测量值约为1.04 ns。此外，超调量很小并且很快解决。
图11. ES621 Vf-TLP输出, 60 ps上升时间, 1ns脉宽, 使用23 GHz示波器, 于SDEMC总部Rolla, MO, USA 2014/08/28测量
图12所示为电流测量结果。黑色轨迹是原始结果。raw表示最终测量的电流值是通过在时间上对齐入射和反射波形，通过测量路径中的拾取探头值和衰减器对其进行缩放，然后使用图7中流程图底部的等式来确定的。红色轨迹是相同的测量结果，但它是上述频率补偿方法后的结果。可以看出，两个测量值在一般形状和振幅方面非常一致。但是，频率补偿测量消除了测量探头引入的伪影，例如电流脉冲开始时的高频纹波。
图12 ESDEMC VF-TLP原始和频率补偿电流测量图13所示为电压测量结果。黑色轨迹是原始直接电压测量值，仅由探头因子和衰减器值进行缩放。红色轨迹是相同的测量结果，但它是上述频率补偿方法后的结果。蓝色轨迹是VThru，是直接电压测量和30 dB/18 GHz衰减器作为唯一补偿的结果。可以看出，红色和蓝色轨迹非常匹配，支持频率补偿技术在获得电压测量值方面做得非常好。
图13. 原始、频率补偿和通过电压测量本文的目的是演示一种频率补偿技术，用于在极快传输线脉冲发生器（VF-TLP）测试环境中测量被测设备的电流和电压。结果表明，通过将测试装置的S参数测量纳入处理程序，可以获得非常好的电压测量。特别是，使用高带宽直接电压测量来验证VF-TLP电压测量。类似地，使用补偿方法从非重叠TDR测量中获得器件电流。
ESDEMC VF-TLP 60ps上升时间1ns脉宽VF-TLP脉冲测量Tektronix MSO 72304DX, 23 GHz/100 GSa/s, 示波器
ESDEMC ES621传输线脉冲系统
ESDEMC A621-LTKSEM漏电控制模块
ESDEMC FS312 VF-TLP电压探头
Suhner Sucoflex 100高性能微波线缆
Micro-Coax UTiFlex超低损微波线
Mini-Circuits SMSM线缆
Gore-Tex超低损同轴线缆
