您是使用示波器來驗證設(shè)計的運行情況，還是僅僅相信您的仿真？作為一名盡職盡責的工程師，您可能會探測 DUT 并在示波器上查看波形數(shù)據(jù)。您還相信您擁有準確的設(shè)備或組件級原理圖模型，也許是 SPICE 模型。您在模型中的測試點 (TP) 模擬行為，結(jié)果與示波器上顯示的不完全匹配。您的模型是否正確，或者測量系統(tǒng)（包括探頭和示波器）是否至少部分歸咎于此？

您可能還會注意到，當您探測 TP 時，您的電路行為會發(fā)生變化。在某些情況下，情況會變得更糟，或者在其他情況下會變得更好。不管怎樣，模擬和測量結(jié)果不一致，你被卡住了。您如何解釋（或更好地模擬）為什么會發(fā)生這種情況？

一種選擇是獲得示波器探頭的模型并將該模型插入到您的仿真中。您可以從制造商處獲得此模型，也可以自己測量。雖然這可以幫助您了解與加載相關(guān)的 DUT 行為變化，但它并沒有填補所有缺失的部分。那是因為您錯過了從探頭到顯示器的完整示波器系統(tǒng)響應(yīng)。

在本文中，我們將介紹一個更具包容性的模型以及示例，這些示例將為您提供一些有用的工具來縮小模擬和測量之間的差距。所有探頭和系統(tǒng)建模都將使用Touchstone S 參數(shù)文件完成。建模需要一個能夠合并 S 參數(shù)文件的仿真環(huán)境，包括 2 端口和 3 端口模型，其中有幾個可用。

全貌

在仿真中使用探針模型的一個問題是，無論模型有多好，它都無法告訴您全貌。您在模擬探頭輸出中看到的忽略了示波器響應(yīng)，重要的是，它的 DSP 校正濾波器。示波器中的 DSP 校正旨在平坦化（有時稱為“歸一化”或“均衡化”）特定 DUT 阻抗的總測量系統(tǒng)響應(yīng)。通常但并非總是如此，這是隨頻率變化的恒定實阻抗，通常為 50 Ω 單端阻抗或 100 Ω 差分阻抗。該阻抗可能無法描述您的電路。

我們需要的是一個完整的模型，它結(jié)合了探頭的行為、示波器的模擬響應(yīng)和 DSP 校正濾波器——所有這些聽起來工作量很大。幸運的是，有一種更簡單的方法可以獲得整個探頭和示波器系統(tǒng)的準確模型，利用 DSP 濾波器生成過程在從理想的 50 Ω 或 100 Ω 源驅(qū)動時產(chǎn)生已知的整體系統(tǒng)頻率響應(yīng)這一事實。

在本文的其余部分，我將使用所謂的探頭/示波器/DSP (PSD) 模型以及該模型的實際應(yīng)用示例。如果您想為您的示波器和探頭生成一個類似的模型（假設(shè)您有一個您希望測試并與仿真進行比較的電路），邊欄“生成 PSD 模型”（第 3 頁）顯示了如何使用泰克示波器上的適當數(shù)據(jù)文件、標稱系統(tǒng)帶寬響應(yīng)和MATLAB 腳本。注意：其他示波器制造商也為其更高性能的示波器和探頭提供 S 參數(shù) (DSP) 校正。

測試設(shè)置

在我們的示例中被測試的 DUT 是一個測試夾具。圖 1 顯示了未加載（左）和加載（右）的測試夾具。它是一個對稱夾具，具有連接到 VNA（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）的 2.92 毫米輸入和輸出連接器。夾具在其中心測試點接受探針的瀏覽器。該夾具是單端的，具有接地的共面?zhèn)鬏斁€。只需將一個瀏覽器輸入引腳放在中心測試點上，將另一個輸入引腳放在相鄰的夾具接地點上即可進行測量。該夾具也可以與焊頭一起使用，并會產(chǎn)生類似的結(jié)果。

圖 1. 將探針放置在測試圖上（右）加載它。左圖顯示夾具已卸載。

 

圖 2 是 PSD 系統(tǒng)模型的差分響應(yīng)示意圖。顯示直接從示波器硬盤驅(qū)動器上包含的去嵌入文件獲得的相應(yīng)純探頭模型，以供比較。

圖2. 您可以使用此電路評估 PSD 系統(tǒng)模式的差分響應(yīng)，并將其與僅探頭模型進行比較。

圖 3 顯示了這些原理圖的仿真結(jié)果。圖表上的粉紅色線表示探頭及其點測器的模擬響應(yīng)。PSD 系統(tǒng)模型使用 MATLAB 腳本將探頭的模擬直通響應(yīng)轉(zhuǎn)換為以黑色顯示的平滑的 20 GHz 系統(tǒng)響應(yīng)。這完全重現(xiàn)了示波器/探頭 DSP 軟件所做的事情：修正整體系統(tǒng)響應(yīng)，使其在從 100 Ω 差分源驅(qū)動時匹配“理想的”20 GHz 目標響應(yīng)。

圖 3. PSD 系統(tǒng)模型與瀏覽器僅探測模型相比的不同響應(yīng)。

與兩個模型不同的直通響應(yīng)相比，兩個模型的輸入回波損耗是相同的。在這種情況下，將模型從僅探頭擴展到更具包容性的 PSD 系統(tǒng)模型不會改變系統(tǒng)的輸入阻抗。這種情況是使用包含有源緩沖器的探測系統(tǒng)的結(jié)果，該緩沖器將探頭電路與任何下游連接的影響隔離開來，例如將探頭輸出電纜連接到示波器。因此，示波器（PSD 系統(tǒng)中的“S”）對探測 DUT 引入的總負載的影響可以忽略不計。當然，DSP（PSD 中的“D”）對輸入負載沒有影響。S 和 D 參數(shù)將影響 THRU 響應(yīng)。

圖 4 是我們試圖完成的任務(wù)：使用 PSD 模型預(yù)測探頭負載對 DUT 的影響，并在示波器屏幕或示波器內(nèi)存中模擬預(yù)期波形。圖 4 顯示了本文中使用的 DUT/夾具模型。夾具表示為串聯(lián)的兩個半夾具模型，因此探測點位于兩個模型的交界處。這些模型源自使用夾具拆分方法的夾具 S 參數(shù)測量，這超出了本文的范圍。

圖 4. 使用此電路評估 PSD 模型在夾具中點的響應(yīng)，并將其與模擬的加載和卸載的實際夾具行為進行比較。

在此以及隨后的仿真中，壓控電壓源 (VCVS) 被用作“虛擬理想探頭”以在不添加任何負載的情況下檢查某一點的仿真波形。當然，這些類型的探針只存在于模擬中，因為所有真實的探針都有一些有限的加載效應(yīng)。這顯示在圖 4 的其他兩個子電路中，其中 DUT 測試點加載了圖 2 前面所示的 PSD 和僅探頭模型。然而，這，這些模型用于單端配置，其中探頭的一個輸入連接到 DUT 探測點，另一個輸入接地。我們可以使用單端探頭，因為本文使用的 DUT 夾具是單端跡線。以這種方式使用差分探頭測量單端 DUT 也是一種常見做法。