決定示波器性能高度的模擬技術(shù)

　　安捷倫科技數(shù)字測(cè)試業(yè)務(wù)部大中國區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理杜吉偉介紹，安捷倫的高端示波器在模擬前端方面借鑒了很多射頻微波技術(shù)，包括三維的微電路設(shè)計(jì)、波導(dǎo)電路等，來保證數(shù)據(jù)在傳到模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前已經(jīng)經(jīng)過精密的信號(hào)調(diào)理。安捷倫的高端示波器采用了磷化銦工藝、快膜三維封裝和氮化鋁散熱等技術(shù)，對(duì)示波器最后性能的領(lǐng)先性體現(xiàn)在本底噪聲和采樣時(shí)鐘抖動(dòng)在同類產(chǎn)品中最低。磷化銦技術(shù)在光通信中廣泛應(yīng)用，安捷倫將其應(yīng)用到了示波器的模擬前端中，在20GHz以上的高頻示波器上有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使用了磷化銦的包括前端放大器、觸發(fā)電路、采樣保持電路、探頭放大器。

　　目前可以預(yù)見的最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)還是在器件電路設(shè)計(jì)方面，更進(jìn)一步的，半導(dǎo)體工藝條件能夠達(dá)到的最高特性指標(biāo)也會(huì)成為儀器產(chǎn)品性能指標(biāo)提升的一個(gè)潛在制約因素。對(duì)于模擬前端和放大器設(shè)計(jì)，調(diào)和增益、帶寬和噪聲特性的問題;對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)超高速采樣保持，優(yōu)化模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換線性度并保持合理的功耗需求;這都是目前面臨的一些主要技術(shù)難點(diǎn)。

　　特別的，邢飛指出芯片工藝和材料決定了電路設(shè)計(jì)當(dāng)中晶體管的最高截止頻率fT，并最終從物理?xiàng)l件上決定了所設(shè)計(jì)出電路可能實(shí)現(xiàn)的最大模擬帶寬。當(dāng)然，模擬前端當(dāng)中所用的放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最終特性與電路設(shè)計(jì)技巧和電路實(shí)現(xiàn)方式也是緊密相關(guān)的，但其物理?xiàng)l件會(huì)最終成為器件設(shè)計(jì)的極限限制。設(shè)計(jì)方面，RIGOL就非常注重不單單從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)明的規(guī)格指標(biāo)上，也從器件設(shè)計(jì)過程中所選用工藝的技術(shù)特點(diǎn)，去進(jìn)行有針對(duì)性的產(chǎn)品選型和最終儀器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。　　

 

　　模塊化的前端設(shè)計(jì)

　　隨著半導(dǎo)體集成工藝的進(jìn)步和示波器性能的提升，單純的模擬前端芯片已經(jīng)無法滿足最高性能示波器的需求，因此，各個(gè)廠商紛紛將前端模擬設(shè)計(jì)模塊化，實(shí)現(xiàn)更高集成和更高模擬性能。安捷倫科技的90000系列產(chǎn)品中，采用了全新的InP技術(shù)將模擬前端部分做成6個(gè)芯片，其中的幾個(gè)芯片以三維封裝的形式封裝成一個(gè)大的多芯片模塊(MCM)，包括前置放大器，采樣保持和觸發(fā)功能單元，成為模擬前端的核心。

　　傳統(tǒng)上，高速信號(hào)采集和處理要求在示波器前端進(jìn)行一系列連接和切換。信號(hào)從被測(cè)器件(DUT)輸送到示波器，通過同軸電纜傳送到PCB，經(jīng)過球柵陣列(BGA)封裝，然后到達(dá)第一個(gè)集成電路(IC)，進(jìn)行模擬放大或衰減。然后信號(hào)輸出封裝，輸送到PCB上，然后發(fā)送到包含跟蹤和保持(T/H)集成電路的下一個(gè)封裝。只有在經(jīng)過這一大串連接之后，信號(hào)才準(zhǔn)備進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。遺憾的是，這一系列連接和切換及之后多次反復(fù)會(huì)在采樣前劣化信號(hào)，進(jìn)而損害示波器帶寬和信號(hào)保真度。

　　為克服這些問題，泰克在DPO/DSA70000D系列示波器采用定制設(shè)計(jì)、高度集成的前端多芯片模塊(MCM)。MCM把多種前端采集和處理組件，包括同軸電纜輸入連接器、前置放大器、跟蹤和保持芯片及端接電阻，合并到一個(gè)封裝中，因此在高速信號(hào)被采樣前永遠(yuǎn)不會(huì)接觸PCB。

　　DPO/DSA70000D系列的定制前端MCM封裝把以前分散的大量組件集成在一起，包括：

　　● 兩塊前置放大器芯片;
　　● 一塊8路跟蹤和保持(T/H)芯片，帶模擬濾波器;
　　● 50歐姆端接電阻;
　　● 高性能100 GHz帶寬連接器;
　　● 到PCB的彈性接口。

　　由于它是一種自含式模塊，MCM減少了信號(hào)流經(jīng)的連接數(shù)量及可能的錯(cuò)誤來源數(shù)量。用戶不會(huì)再經(jīng)過單芯片封裝和PCB層而發(fā)生多個(gè)信號(hào)跳變，那樣會(huì)在采樣前劣化信號(hào)保真度和示波器帶寬。通過使用高性能電纜，高速信號(hào)從示波器輸入直接傳送到MCM及內(nèi)部的集成電路中。IBM的8HP技術(shù)是一種130納米(nm) SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)工藝，其性能是上一代工藝的兩倍。

　　寫在最后

　　隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)試測(cè)量任務(wù)變得越來越困難。高性能應(yīng)用，特別是要求芯片檢定、串行數(shù)據(jù)一致性測(cè)試、光學(xué)調(diào)制分析、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲(chǔ)器和寬帶RF檢驗(yàn)的應(yīng)用，需要以前不能實(shí)現(xiàn)的測(cè)試測(cè)量功能，包括把杰出的性能(帶寬和采樣率)和靈活性(端接電壓和靈敏度)結(jié)合起來，而又不會(huì)給信號(hào)保真度帶來負(fù)面影響。因此，市場(chǎng)的需求還會(huì)推動(dòng)示波器不斷前行，以現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝和材料，帶寬突破100GHz似乎并不是什么難事，據(jù)說力科已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)，而安捷倫的InP MCM因?yàn)樵O(shè)計(jì)的原因，做到63GHz而不需改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)確實(shí)屬于幸運(yùn)，下一步無疑要研發(fā)新一代MCM去實(shí)現(xiàn)更高性能的帶寬，提高帶寬只是市場(chǎng)需求是否能驅(qū)動(dòng)投入高額研發(fā)費(fèi)用的問題。

　　真正的挑戰(zhàn)還是在于采樣率的提升更為艱難，目前，力科和安捷倫都做到160GS/s，而現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器似乎最高的單顆也只能做到10GS/s，無疑，多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成是個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是在時(shí)鐘、校準(zhǔn)算法，高速SRAM等方面解決起來非常困難，更重要的是，高頻信號(hào)基本都是微波信號(hào)，測(cè)試和捕獲起來與低頻信號(hào)完全不同，對(duì)整個(gè)采樣過程提出更大的挑戰(zhàn)。