決定示波器性能高度的模擬技術

　　安捷倫科技數(shù)字測試業(yè)務部大中國區(qū)市場經理杜吉偉介紹，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，包括三維的微電路設計、波導電路等，來保證數(shù)據(jù)在傳到模數(shù)轉換器之前已經經過精密的信號調理。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，對示波器最后性能的領先性體現(xiàn)在本底噪聲和采樣時鐘抖動在同類產品中最低。磷化銦技術在光通信中廣泛應用，安捷倫將其應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。

　　目前可以預見的最主要的技術挑戰(zhàn)還是在器件電路設計方面，更進一步的，半導體工藝條件能夠達到的最高特性指標也會成為儀器產品性能指標提升的一個潛在制約因素。對于模擬前端和放大器設計，調和增益、帶寬和噪聲特性的問題;對于模數(shù)轉換器，實現(xiàn)超高速采樣保持，優(yōu)化模數(shù)轉換器的轉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難點。

　　特別的，邢飛指出芯片工藝和材料決定了電路設計當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計出電路可能實現(xiàn)的最大模擬帶寬。當然，模擬前端當中所用的放大器以及模數(shù)轉換器的最終特性與電路設計技巧和電路實現(xiàn)方式也是緊密相關的，但其物理條件會最終成為器件設計的極限限制。設計方面，RIGOL就非常注重不單單從器件數(shù)據(jù)手冊上標明的規(guī)格指標上，也從器件設計過程中所選用工藝的技術特點，去進行有針對性的產品選型和最終儀器產品設計。　　

 

　　模塊化的前端設計

　　隨著半導體集成工藝的進步和示波器性能的提升，單純的模擬前端芯片已經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系列產品中，采用了全新的InP技術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，經過球柵陣列(BGA)封裝，然后到達第一個集成電路(IC)，進行模擬放大或衰減。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。只有在經過這一大串連接之后，信號才準備進行采樣、模數(shù)轉換和存儲。遺憾的是，這一系列連接和切換及之后多次反復會在采樣前劣化信號，進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減少了信號流經的連接數(shù)量及可能的錯誤來源數(shù)量。用戶不會再經過單芯片封裝和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及內部的集成電路中。IBM的8HP技術是一種130納米(nm) SiGe雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS)工藝，其性能是上一代工藝的兩倍。

　　寫在最后

　　隨著電子技術的快速發(fā)展，測試測量任務變得越來越困難。高性能應用，特別是要求芯片檢定、串行數(shù)據(jù)一致性測試、光學調制分析、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲器和寬帶RF檢驗的應用，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)結合起來，而又不會給信號保真度帶來負面影響。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)說力科已經在實驗室里進行相應的研發(fā)，而安捷倫的InP MCM因為設計的原因，做到63GHz而不需改動硬件設計確實屬于幸運，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動投入高額研發(fā)費用的問題。

　　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)轉換器似乎最高的單顆也只能做到10GS/s，無疑，多個模數(shù)轉換器的集成是個非常嚴峻的挑戰(zhàn)，特別是在時鐘、校準算法，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)。