TDR測定における出力パワーの影響

TDR（タイムドメイン）測定における出力パワーの設定は、「S/N比（信号対雑音比）」と「DUTの線形性（飽和）」のトレードオフになります。4 dBmと10 dBmでは、特にダイナミックレンジと測定波形の安定性に顕著な差が現れます。

1. S/N比と波形の「太さ（ノイズ）」への影響

TDR波形は周波数ドメインのデータを逆フーリエ変換（IFFT）して生成されるため、各周波数ポイントでの測定精度が時間軸のノイズとして現れます。

• 10 dBm の場合:

• • パワーが高いほど、レシーバ側で受ける信号のS/N比が向上します。

  • 結果として、時間軸上のインピーダンス波形が「細く、安定して」見えます。微小な不連続点（コネクタのわずかな隙間など）を判別しやすくなります。

• 4 dBm の場合:

• • 10 dBmに比べ、相対的にノイズフロアが近く見えるため、波形にわずかな「ジッタ（太さ）」が生じることがあります。

2. DUT（デバイス）の飽和と非線形歪み

ここが最も注意すべき点です。TDR測定は「線形なシステム」を前提として計算されます。

• 受動素子（ケーブル、基板配線、コネクタ）:

• • これらは線形素子なので、10 dBm（あるいはそれ以上）で測定しても問題ありません。むしろパワーを上げたほうが、ケーブルの損失に打ち勝って正確なインピーダンスを測定できます。

• 能動素子（アンプ、保護ダイオード付回路）:

• • 10 dBm は、多くの半導体デバイスにとって「過大入力」になる可能性があります。

  • デバイス内部の保護ダイオードがONになったり、レシーバが飽和したりすると、周波数ドメインで高調波歪みが発生します。

  • これをIFFTすると、時間軸上で「ゴースト（本来存在しない反射）」や、インピーダンス値の異常な跳ね上がりとして現れ、正しい解析ができなくなります。

  • このような場合は、4 dBm またはそれ以下に下げ、デバイスが線形領域（小信号領域）で動作するように調整する必要があります。

3. 校正（Calibration）への影響

VNAの校正は通常、特定のパワーレベルで行われます。

• パワーを変えたら再校正:

• 4 dBmで校正した状態で、測定時だけ10 dBmに上げると、レシーバの直線性（リニアリティ）の誤差により、正確なインピーダンス値が得られなくなります。パワーを変更した場合は、その都度校正をやり直すのが鉄則です。

4. まとめ：どちらを選ぶべきか？

現在評価されている1.8V系の回路やRFSoCのポートを直接叩く（TDR測定する）のであれば、まずは 4 dBm（あるいは0 dBm程度） から開始し、波形が飽和（不自然なクリップや歪み）していないかを確認しながらパワーを上げるのが安全なアプローチです。

特に1.8V電源ラインのインピーダンス測定（PDN解析）の場合、10 dBm（約2V p-p）の信号は電源電圧そのものを揺らしてしまう可能性があるため、低めのパワー設定が推奨されます。

（10 dBmは10mW。 Vrms = 0.707 V。 Vp−p では Vp−p= Vrms×2√2≈0.707×2.828≈2.00 V)

3. 実務上の注意点：1.8V系デバイスへの影響

現在評価されている 1.8V電源ライン や RFSoCのI/Oピン に対して 10 dBm を入力する場合、以下のリスクを考慮する必要があります。

• 絶対最大定格の超過: 1.8Vで動作するデバイスにとって、2.0 V p-p の信号は（オフセットが0Vだとしても）プラス側に +1.0V、マイナス側に -1.0V 振れることになります。

• 保護ダイオードの導通: 多くのデジタルICの入力には、GNDや電源電圧（VDD）への保護ダイオードが入っています。-1.0V 側は確実にGND側のダイオードを順方向にバイパスさせ、波形がクリップ（歪み）します。

• オフセットの重畳: VNAの出力は通常DCカットされていますが、もしバイアスティーなどを使わずに直接1.8Vラインに繋ぐと、VNAの50Ω終端（GND）を通じて電源がショート気味になり、デバイスにダメージを与えるか、VNAのレシーバが破損する恐れがあります。

まとめ

10 dBm（2.0 V p-p）は、純粋な受動素子の測定には適していますが、1.8V系の活電部やICピンの測定には強すぎます。

安全策として、まずは -10 dBm (約 0.2 V p-p) 程度から開始し、S/N比が足りない場合に少しずつ上げていくのが、RFSoCなどの高価なデバイスを保護する上でのセオリーです。

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