決定示波器性能高度的模擬技術(shù)

　　在數(shù)字示波器的模擬前端設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，放大器是模擬前端設(shè)計(jì)的核心部件之一，邢飛介紹，通過(guò)特別的放大器器件選用和設(shè)計(jì)，RIGOL產(chǎn)品里的放大器既能夠保證示波器的高帶寬特性，又能夠保證示波器的高直流增益精度特性。對(duì)于混合信號(hào)產(chǎn)品，其數(shù)字通道的放大器設(shè)計(jì)具有有別于模擬通道放大器設(shè)計(jì)的特殊技術(shù)點(diǎn)，除了保持與模擬通道類似的高帶寬特性之外，對(duì)于信號(hào)調(diào)理過(guò)程中的幅頻響應(yīng)特性要求較高，以降低時(shí)域過(guò)沖，避免數(shù)字通道對(duì)實(shí)際被測(cè)信號(hào)的采集和現(xiàn)實(shí)錯(cuò)誤。

　　作為示波器市場(chǎng)近年來(lái)殺入的黑馬，羅德與施瓦茨(R&S)中國(guó)區(qū)示波器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理焦保春分析，在該公司示波器產(chǎn)品在模擬前端設(shè)計(jì)中，采用了大量的R&S在射頻測(cè)試領(lǐng)域的成熟技術(shù)，將射頻設(shè)計(jì)融合到模擬設(shè)計(jì)中。這樣做帶來(lái)最直觀的好處是大大降低的信號(hào)通路的噪聲。在最低的信號(hào)量程條件下(1mV/div)，示波器依然能夠保持極低的噪聲水平,其信號(hào)噪聲有效值為同類產(chǎn)品的1/4以下。通道間的高隔離度，特別是對(duì)高頻信號(hào)隔離度，也是射頻設(shè)計(jì)應(yīng)用的范例。

　　當(dāng)然，在高端示波器中，帶寬并非只在模擬前端中得以實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)其他數(shù)字辦法實(shí)現(xiàn)更高帶寬，通常高端示波器帶寬有三種方法：一是前置放大電路直接實(shí)現(xiàn);二是采用DSP拉伸帶寬;三是數(shù)字帶寬復(fù)用。泰克科技認(rèn)為，三種方法各有各的優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上用得比較多的是前置放大器直接實(shí)現(xiàn)和DSP拉伸帶寬技術(shù)。從使用上來(lái)說(shuō)，硬件實(shí)現(xiàn)的帶寬使用數(shù)字技術(shù)較少，信號(hào)保真度較高，在使用上更為靈活，限制更少，頻響和噪聲譜更為平坦，支持等效采樣、欠采樣，可以允許信號(hào)超出屏幕外等，但成本相對(duì)較高;相比起來(lái)，數(shù)字技術(shù)則可能造成頻響或噪聲譜的起伏，在某些頻率上有效位低，同時(shí)數(shù)字技術(shù)要求實(shí)時(shí)采樣、不支持欠采樣，信號(hào)超出屏幕外會(huì)出現(xiàn)波形畸變，限制相對(duì)較多，對(duì)使用者的要求也較高。但數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的帶寬由于硬件成本較低，所以價(jià)格也相對(duì)較低，在犧牲一些性能的情況下，也為用戶提供了一個(gè)廉價(jià)的解決方案?？偟膩?lái)說(shuō)，前置放大器技術(shù)和DSP為不同客戶的需求提供了不同選擇。

　　采樣率和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　在示波器三大性能指標(biāo)中，模擬前端決定了帶寬，那么模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)則是影響采樣率最重要的一環(huán)，ADC是數(shù)字示波器的核心器件，其中最關(guān)鍵的指標(biāo)是采樣率和有效的ADC位數(shù)。ADC的采樣率直接決定了示波器的數(shù)字帶寬，也就是多高頻率的信號(hào)能夠有效地采集并顯示。

　　焦保春認(rèn)為，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率不可能無(wú)限制提升，R&S擁有目前示波器市場(chǎng)中領(lǐng)先的單核10Gs/s采樣率A/D轉(zhuǎn)換器。為達(dá)到更高采樣率，很多公司采用了交織采樣技術(shù)，即用多顆低速A/D并行組合成高速多核的A/D。這種技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題是信號(hào)的相位誤差。為修正此誤差，大多數(shù)示波器廠商使用的DSP修正技術(shù)。但DSP修正處理需要時(shí)間，這種修正使示波器的波形捕獲率降低。

　　示波器的采樣還包括采樣率的準(zhǔn)確性，就是有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)，常見示波器的A/D轉(zhuǎn)換器都是8位的。但在實(shí)際使用時(shí)，真正能夠發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)換位數(shù)并不能達(dá)到8位。一些示波器在高帶寬是甚至?xí)踊?位左右。這意味者用戶不可能使用這些示波器準(zhǔn)確測(cè)量出信號(hào)的幅度信息。焦保春介紹R&S A/D轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)可以高達(dá)7位以上。

　　邢飛坦承，模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要決定了示波器的實(shí)時(shí)采樣率指標(biāo)(例如RIGOL的DS6000，實(shí)現(xiàn)了最高5GSa/s的實(shí)時(shí)采樣率指標(biāo))，并且在一定程度上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣保持電路部分的滿功率帶寬(Full Power Bandwidth)也影響了產(chǎn)品最終能夠達(dá)到的最高帶寬。

　　超高采樣率需要多個(gè)ADC集成實(shí)現(xiàn)，安捷倫的90000Q示波器，160GS/s的采樣率是8個(gè)20GS/s芯片實(shí)現(xiàn)的，而每個(gè)20GS/s又是包含80個(gè)250MS/s的單芯片，這對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的同步要求非常嚴(yán)格，特別是時(shí)鐘分配到每個(gè)ADC后，產(chǎn)生的相位差解決起來(lái)挑戰(zhàn)性很大，杜吉偉介紹，磷化銦工藝中，用波導(dǎo)電路設(shè)計(jì)其采樣時(shí)鐘，材料的特性決定其實(shí)際電路非常穩(wěn)定，這是90000Q最困難的硬件設(shè)計(jì)。

　　研發(fā)是最大的挑戰(zhàn)

　　對(duì)于高端示波器產(chǎn)品，商業(yè)芯片出于成本和目標(biāo)應(yīng)用的考慮，往往在測(cè)試信號(hào)的帶寬和A/D轉(zhuǎn)換速度方面不能滿足高端示波器的要求。很多情況下，只有采用專用的ASIC設(shè)計(jì)才能解決這些問(wèn)題。這也是高端示波器廠商不惜重金設(shè)立自己的ASIC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的原因。高性能的A/D芯片也代表了示波器廠商的尖端技術(shù)研發(fā)能力?！　?/p>

 　　作為本土示波器廠商的杰出代表，RIGOL的邢飛認(rèn)為，到了GHz級(jí)別的示波器，行業(yè)領(lǐng)先公司，無(wú)一例外都是采用專用芯片實(shí)現(xiàn)其頂級(jí)示波器產(chǎn)品的需求，甚至于已經(jīng)無(wú)法找到能夠滿足其半導(dǎo)體工藝需求集成電路生產(chǎn)線，只能夠自行開發(fā)專用的集成電路工藝(例如磷化銦InP工藝)來(lái)滿足其對(duì)于高帶寬，高性能的要求。