高性能示波器應(yīng)對(duì)光通信測(cè)試分析

整個(gè)電子行業(yè)對(duì)速度和性能的不懈追求，正不斷改變著高端示波器的標(biāo)準(zhǔn)。雖然在評(píng)估示波器時(shí)，帶寬曾經(jīng)是客戶和銷(xiāo)售商關(guān)注的“關(guān)鍵指標(biāo)”，但捕獲和分析當(dāng)今最快串行和光信號(hào)所需要的精確度(即測(cè)量精確度和信號(hào)完整性)，已經(jīng)成為當(dāng)前最重要的因素。

　　那么，什么是測(cè)量精確度?帶寬是一種用來(lái)比較一臺(tái)儀器與另一臺(tái)儀器差別的簡(jiǎn)單方式。具有最高帶寬的那臺(tái)一定是最好的，對(duì)吧?可以肯定的是，帶寬非常重要，對(duì)于高速應(yīng)用而言，高帶寬是必需的要素。不過(guò)，示波器的真正目的，是要盡可能準(zhǔn)確地反映出感興趣的信號(hào)。這實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜，涉及到儀器的基本設(shè)計(jì)、探頭架構(gòu)和連接配件，以及帶寬之外的參數(shù)(包括上升時(shí)間、采樣率和抖動(dòng)本底噪聲)。

　　當(dāng)選擇示波器時(shí)，工程師應(yīng)評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)概述如表1所示。

　　市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素：更好的信號(hào)完整性

　　高速信號(hào)很容易產(chǎn)生信號(hào)完整性問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兩婕暗綐O快的邊沿和極窄的單位時(shí)間間隔或位時(shí)間。隨著通信鏈路數(shù)據(jù)速率的增加，將發(fā)生兩件事：用戶界面(UI)縮小及信號(hào)的上升時(shí)間縮短。例如，將5Gb/s脈沖與8Gb/s脈沖進(jìn)行比較可得，位寬將從200ps下降到125ps。這使得設(shè)計(jì)的裕量或誤差預(yù)算降低了38%。此外，這也使接收機(jī)的工作更加困難，因?yàn)樗噲D以更小的裕量和非?？斓臄?shù)據(jù)速率將1和0進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，上升時(shí)間也從約30ps減少到剛好超過(guò)28ps。8GB/s信號(hào)如圖1所示。

　　使問(wèn)題復(fù)雜化的事實(shí)是，當(dāng)傳輸信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，可能產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)的完整性問(wèn)題。這些信號(hào)的完整性問(wèn)題可能包括：當(dāng)此信號(hào)流經(jīng)電路板或從硅裸片進(jìn)入封裝引腳再進(jìn)入電路板時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)衰減。通道內(nèi)的信號(hào)衰減是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，必須予以解決。PCB材料(如FR-4)內(nèi)的信號(hào)損失隨路徑長(zhǎng)度的增加及數(shù)據(jù)速率的提高而增大。由于信號(hào)幅度縮小，噪聲和反射正成為一個(gè)更大的影響因素。客戶需要在接收機(jī)中采用去嵌入策略，以打開(kāi)閉合的眼圖。

　　隨著第三代串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，8～10Gb/s正逐漸成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在光通信市場(chǎng)中，隨著以太網(wǎng)發(fā)展到4×25G(100GbE)，設(shè)計(jì)人員需要能夠使用高達(dá)32Gb/s的比特率對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，高速FPGA和寬帶射頻也推動(dòng)了極限值的擴(kuò)大。泰克公司的DPO/DSA73304D能夠?yàn)檫@些高端應(yīng)用提供業(yè)界最精確的測(cè)量性能。

　　技術(shù)平臺(tái)與突破

　　為提供業(yè)界領(lǐng)先的DPO/DSA73304D示波器性能，泰克采用了IBM的8HP鍺化硅技術(shù)。這是一種130納米鍺化硅雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)工藝，利用200GHz的FT轉(zhuǎn)換速度提供了兩倍上一代產(chǎn)品的性能。

　　鍺化硅(SiGe)技術(shù)利用可靠性高且成熟的制造工藝，提供了能與特殊材料(如磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs))性能相媲美的性能水平。與其它方案不同的是，鍺化硅BiCMOS工藝提供了在一塊芯片上同時(shí)制備高速雙極型晶體管和標(biāo)準(zhǔn)CMOS的途徑，從而使一系列同時(shí)具備高集成度和杰出性能的電路成為可能。

　　圖2所示的器件是采用SiGe BiCMOS的DPO/DSA70000D示波器新型33GHz、100GS/s前端。該器件稱(chēng)為多芯片模塊或MCM，包含用于兩條通道的前置放大器(2塊小裸片)及一塊100GS/s采樣保持集成電路(較大裸片)。泰克通過(guò)將前置放大器和采樣/保持功能集成到單一封裝之中來(lái)提高通道之間的匹配能力，并減少由其他示波器使用單獨(dú)的采樣/保持電路和ADC器件引起的交叉失真。

　泰克能夠把更多的功能封裝到同一芯片上，減少了元器件和接口的數(shù)量，進(jìn)而降低了噪聲和定時(shí)的不確定度，提高了產(chǎn)品性能。

　　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2倍。SiGe技術(shù)采用了擁有50年歷史的硅行業(yè)相關(guān)的高度可靠、成熟的鑄造工藝，而其性能水平相當(dāng)于特殊材料的性能，如磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)。與替代材料不同，SiGe BiCMOS可以接入到與標(biāo)準(zhǔn)CMOS相同的晶粒上的高速雙極型晶體管，這實(shí)現(xiàn)了一種既有優(yōu)異性能、又有大規(guī)模集成能力的電路。

　　為保證最高階測(cè)量級(jí)信號(hào)的完整性，從DPO/DSA70000D探頭接口輸入的電信號(hào)使用高性能電纜直接傳送到多芯片模塊(圖3)。通過(guò)利用這種前所未有的方式，只有在采樣保持芯片捕獲測(cè)試信號(hào)后，測(cè)試信號(hào)才接觸示波器采集電路的PCB，從而實(shí)現(xiàn)了100GS/s的采樣率和行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能。

　　我們?yōu)榇朔N前端設(shè)計(jì)提供的另一項(xiàng)創(chuàng)新是較大的偏移范圍和終端性能。該性能通過(guò)前置放大器芯片上的分離路徑輸入結(jié)構(gòu)和多芯片模塊上的AC接地端接電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以更加輕松地對(duì)大型直流偏置或直流偏置終端信號(hào)作出準(zhǔn)確的測(cè)量。

　　由于實(shí)現(xiàn)了向8HP技術(shù)的轉(zhuǎn)變，DPO/DSA73304D示波器可以提供卓越的信號(hào)采集性能和分析能力。它幫助設(shè)計(jì)人員利用全部四個(gè)通道前所未有的捕獲功能捕捉實(shí)時(shí)信號(hào)，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力來(lái)捕捉更多的信號(hào)細(xì)節(jié)。利用一套工具集(為提供更快的設(shè)計(jì)和一致性測(cè)試而設(shè)計(jì))實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)的自動(dòng)設(shè)置、捕獲及分析。

　　示波器主要性能包括：雙通道高達(dá)33GHz和100GS/s，四通道高達(dá)23GHz和50GS/s;小于9ps的上升時(shí)間(通常為20/80);低于0.56%的垂直噪聲，≥5.5的有效位數(shù);30多個(gè)可定制特殊應(yīng)用軟件分析包。