決定示波器性能高度的模擬技術(shù)

雖然示波器不是對硬件要求最高的儀器，鑒于示波器是眾多工程師最熟悉也是測試儀器細(xì)分市場最大的單臺儀器，所以我們采訪了全球能將示波器帶寬做到GHz級別廠商中的幾家代表，從示波器的硬件分析入手，帶大家一起了解示波器的核心設(shè)計單元。

帶寬，采樣率和存儲深度，是決定一臺示波器市場價值最直觀的三大特性，其中帶寬是最明顯能體現(xiàn)示波器的性能的指標(biāo)，采樣率的數(shù)值和帶寬有著一定的聯(lián)系，而這兩個數(shù)值則直接關(guān)系到示波器的最終售價，其數(shù)值也基本都是由模擬單元的硬件性能決定的。

示波器的架構(gòu)經(jīng)歷了幾十年的沉淀，特別是最近二十年數(shù)字示波器的高速發(fā)展，已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，普源精電(RIGOL)副總裁邢飛介紹，當(dāng)代數(shù)字示波器的基本組成主要包括：模擬前端(負(fù)責(zé)信號調(diào)理)-> 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (調(diào)理后信號數(shù)字化)-> 數(shù)據(jù)采集/存儲/信號處理 -> 顯示與人機(jī)接口。其中前兩個部分決定了示波器絕大部分性能指標(biāo)，也是示波器的核心所在。

帶寬與模擬前端

帶寬，是選擇示波器時最基本的參數(shù)，從2004年的30GHz問世，到45GHz的出現(xiàn)，這期間等待了5年，而到60GHz示波器的出現(xiàn)只有短短的3年，而最近的12個月里，示波器三強(qiáng)紛紛更新了自己的最頂級配置示波器，一切仿佛對2002-2004年示波器性能軍備競賽的翻拍。

就在今年4月，力科從2004年開始擁有了多年的數(shù)字示波器帶寬性能之最的皇冠被安捷倫占據(jù)，安捷倫的Infiniium 90000Q最高帶寬做到了63GHz，超過了力科LabMaster10Zi的60GHz。當(dāng)兩家主要競爭對手都推出60GHz級別的示波器之后，下一步，我們期待泰克科技如何應(yīng)對。

決定帶寬的關(guān)鍵是示波器的模擬前端，包括衰減器, 放大器和相關(guān)電路，是被測信號進(jìn)入示波器的大門，示波器的測試信號帶寬很多情況下都是由模擬前端的帶寬決定的，也就是直接影響了示波器的本底噪聲和量程。模擬前端的設(shè)計工作在示波器的硬件設(shè)計工作當(dāng)中，實際上占據(jù)了一半以上的工作量，并且在很大程度上最終決定了示波器的硬件性能。

對于模擬前端來說，其影響示波器的主要性能指標(biāo)包括：

● 模擬帶寬，包括對被測信號幅頻響應(yīng)特性，在時域上表現(xiàn)為上升時間指標(biāo)和過沖性能指標(biāo);

● 輸入信號幅度動態(tài)范圍(非數(shù)字處理的最小垂直靈敏度到最大垂直靈敏度的范圍);

● 直流增益精度和偏移精度兩個指標(biāo)的初始誤差特性和溫度漂移特性;

● 輸入阻抗特性(電阻并聯(lián)寄生電容)影響在帶探頭或不帶探頭情況下對被測電路的影響。

如果給示波器的模擬前端設(shè)計在整個的硬件設(shè)計中的重要地位做一個形象的比喻，模擬前端的作用類似于照相機(jī)的鏡頭。很多攝影發(fā)燒友在使用單反相機(jī)，一個很重要的原因是單反相機(jī)的鏡頭有更好的光學(xué)特性。類似的道理，模擬前端對輸入信號進(jìn)行衰減放大和信號調(diào)理，系統(tǒng)噪聲也會被放大。如果示波器的模擬前端設(shè)計差，系統(tǒng)噪聲大，希望測試的微小信號將無法捕獲;如果在頻域觀測，這些噪聲將使信噪比下降，底噪升高。如果信號通路間的隔離度不夠，其他通道的信號將對被測信號造成較大的干擾。同時，模擬前端的線性度和抗飽和能力也十分重要。

在數(shù)字示波器的模擬前端設(shè)計過程當(dāng)中，放大器是模擬前端設(shè)計的核心部件之一，邢飛介紹，通過特別的放大器器件選用和設(shè)計，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。對于混合信號產(chǎn)品，其數(shù)字通道的放大器設(shè)計具有有別于模擬通道放大器設(shè)計的特殊技術(shù)點(diǎn)，除了保持與模擬通道類似的高帶寬特性之外，對于信號調(diào)理過程中的幅頻響應(yīng)特性要求較高，以降低時域過沖，避免數(shù)字通道對實際被測信號的采集和現(xiàn)實錯誤。

作為示波器市場近年來殺入的黑馬，羅德與施瓦茨(RS)中國區(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)計中，采用了大量的RS在射頻測試領(lǐng)域的成熟技術(shù)，將射頻設(shè)計融合到模擬設(shè)計中。這樣做帶來最直觀的好處是大大降低的信號通路的噪聲。在最低的信號量程條件下(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，特別是對高頻信號隔離度，也是射頻設(shè)計應(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現(xiàn)，還可以通過其他數(shù)字辦法實現(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)。目前市場上用得比較多的是前置放大器直接實現(xiàn)和DSP拉伸帶寬技術(shù)。從使用上來說，硬件實現(xiàn)的帶寬使用數(shù)字技術(shù)較少，信號保真度較高，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，可以允許信號超出屏幕外等，但成本相對較高;相比起來，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，同時數(shù)字技術(shù)要求實時采樣、不支持欠采樣，信號超出屏幕外會出現(xiàn)波形畸變，限制相對較多，對使用者的要求也較高。但數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)的帶寬由于硬件成本較低，所以價格也相對較低，在犧牲一些性能的情況下，也為用戶提供了一個廉價的解決方案。總的來說，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限制提升，RS擁有目前示波器市場中領(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)帶來的問題是信號的相位誤差。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。但在實際使用時，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)確測量出信號的幅度信息。焦保春介紹RS 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時采樣率指標(biāo)(例如RIGOL的DS6000，實現(xiàn)了最高5GSa/s的實時采樣率指標(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ADC集成實現(xiàn)，安捷倫的90000Q示波器，160GS/s的采樣率是8個20GS/s芯片實現(xiàn)的，而每個20GS/s又是包含80個250MS/s的單芯片，這對時鐘信號的同步要求非常嚴(yán)格，特別是時鐘分配到每個ADC后，產(chǎn)生的相位差解決起來挑戰(zhàn)性很大，杜吉偉介紹，磷化銦工藝中，用波導(dǎo)電路設(shè)計其采樣時鐘，材料的特性決定其實際電路非常穩(wěn)定，這是90000Q最困難的硬件設(shè)計。

研發(fā)是最大的挑戰(zhàn)

對于高端示波器產(chǎn)品，商業(yè)芯片出于成本和目標(biāo)應(yīng)用的考慮，往往在測試信號的帶寬和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)計才能解決這些問題。這也是高端示波器廠商不惜重金設(shè)立自己的ASIC設(shè)計團(tuán)隊的原因。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。

作為本土示波器廠商的杰出代表，RIGOL的邢飛認(rèn)為，到了GHz級別的示波器，行業(yè)領(lǐng)先公司，無一例外都是采用專用芯片實現(xiàn)其頂級示波器產(chǎn)品的需求，甚至于已經(jīng)無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)來滿足其對于高帶寬，高性能的要求。

安捷倫科技數(shù)字測試業(yè)務(wù)部大中國區(qū)市場經(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、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)，對示波器最后性能的領(lǐng)先性體現(xiàn)在本底噪聲和采樣時鐘抖動在同類產(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，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)也會成為儀器產(chǎn)品性能指標(biāo)提升的一個潛在制約因素。對于模擬前端和放大器設(shè)計，調(diào)和增益、帶寬和噪聲特性的問題;對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實現(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)計當(dāng)中晶體管的最高截止頻率fT，并最終從物理條件上決定了所設(shè)計出電路可能實現(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)計技巧和電路實現(xiàn)方式也是緊密相關(guān)的，但其物理條件會最終成為器件設(shè)計的極限限制。設(shè)計方面，RIGOL就非常注重不單單從器件數(shù)據(jù)手冊上標(biāo)明的規(guī)格指標(biāo)上，也從器件設(shè)計過程中所選用工藝的技術(shù)特點(diǎn)，去進(jìn)行有針對性的產(chǎn)品選型和最終儀器產(chǎn)品設(shè)計。

模塊化的前端設(shè)計

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，各個廠商紛紛將前端模擬設(shè)計模塊化，實現(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個芯片，其中的幾個芯片以三維封裝的形式封裝成一個大的多芯片模塊(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。信號從被測器件(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)第一個集成電路(IC)，進(jìn)行模擬放大或衰減。然后信號輸出封裝，輸送到PCB上，然后發(fā)送到包含跟蹤和保持(T/H)集成電路的下一個封裝。只有在經(jīng)過這一大串連接之后，信號才準(zhǔn)備進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲。遺憾的是，這一系列連接和切換及之后多次反復(fù)會在采樣前劣化信號，進(jìn)而損害示波器帶寬和信號保真度。

為克服這些問題，泰克在DPO/DSA70000D系列示波器采用定制設(shè)計、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，合并到一個封裝中，因此在高速信號被采樣前永遠(yuǎn)不會接觸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減少了信號流經(jīng)的連接數(shù)量及可能的錯誤來源數(shù)量。用戶不會再經(jīng)過單芯片封裝和PCB層而發(fā)生多個信號跳變，那樣會在采樣前劣化信號保真度和示波器帶寬。通過使用高性能電纜，高速信號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，測試測量任務(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)一致性測試、光學(xué)調(diào)制分析、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲器和寬帶RF檢驗的應(yīng)用，需要以前不能實現(xiàn)的測試測量功能，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，而又不會給信號保真度帶來負(fù)面影響。因此，市場的需求還會推動示波器不斷前行，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)在實驗室里進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)，而安捷倫的InP MCM因為設(shè)計的原因，做到63GHz而不需改動硬件設(shè)計確實屬于幸運(yùn)，下一步無疑要研發(fā)新一代MCM去實現(xiàn)更高性能的帶寬，提高帶寬只是市場需求是否能驅(qū)動投入高額研發(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，多個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成是個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是在時鐘、校準(zhǔn)算法，高速SRAM等方面解決起來非常困難，更重要的是，高頻信號基本都是微波信號，測試和捕獲起來與低頻信號完全不同，對整個采樣過程提出更大的挑戰(zhàn)。