現(xiàn)代實時示波器技術的發(fā)展--射頻信號測量連載（二）
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傳統(tǒng)的示波器由于帶寬較低，無法直接捕獲高頻的射頻信號，所以在射頻微波領域的應用僅限于中頻或控制信號的測試，但隨著芯片、材料和封裝技術的發(fā)展，現(xiàn)代實時示波器的的帶寬、采樣率、存儲深度以及底噪聲、抖動等性能指標都有了顯著的提升。
材料技術革新對示波器帶寬的提升
以材料技術為例，磷化銦(InP)材料是這些年國際和國內(nèi)比較熱門的材料。相對于傳統(tǒng)的SiGe材料或GaAs材料來說，磷化銦(InP)材料有更好的電性能，可以提供更高的飽和電子速度，更低的表面復合速度以及更高的電絕緣強度。在采用新型材料的過程中，還需要解決一系列的工藝問題。比如InP材料的高頻特性非常好，但如果采用傳統(tǒng)的鋁基底時會存在熱膨脹系數(shù)不一致以及散熱效率的問題。氮化鋁（AIN）是一種新型的陶瓷基底材料，其熱性能和InP更接近且散熱特性更好，但是AlN材料成本高且硬度大，需要采用激光刻蝕加工。
借助于新材料和新技術的應用，現(xiàn)代實時示波器的硬件帶寬已經(jīng)可以達到60GHz以上，同時由于磷化銦(InP)材料的優(yōu)異特性，使得示波器的頻響更加平坦、底噪聲更低，同時其較低的功率損耗給產(chǎn)品帶來更高的可靠性。
磷化銦材料除了提供優(yōu)異的高帶寬性能外，其反向擊穿電壓更高，采用磷化銦材料設計的示波器可用輸入量程可達8V，相當于20dBm以上，大大提高了實用性和可靠性。
ADC采樣技術對示波器采樣率的提升
要保證高的實時的帶寬，根據(jù)Nyqist定律，放大器后面ADC采樣的速率至少要達到帶寬的2倍以上（工程實現(xiàn)上會保證2.5倍以上）。目前市面上根本沒有這么高采樣率的單芯片的ADC，因此高帶寬的實時示波器通常會采用ADC的拼接技術。
典型的ADC拼接有兩種方式，一種是片內(nèi)拼接，另一種是片外拼接。片內(nèi)拼接是把多個ADC的內(nèi)核集成在一個芯片內(nèi)部，典型的如下圖所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采樣率的10bit ADC芯片，在業(yè)內(nèi)第一次實現(xiàn)8GHz帶寬范圍內(nèi)10bit的分辨率。片內(nèi)拼接的優(yōu)點是各路之間的一致性和時延控制可以做地非常好，但是對于集成度和工藝的挑戰(zhàn)非常大。
所謂片外拼接，就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器，其采用8片20G/s采樣率的ADC拼接實現(xiàn)了160G/s的采樣率，保證了高達63GHz的硬件帶寬。
片外拼接要求各芯片間偏置和增益的一致性非常好，同時對PCB上信號和采樣時鐘的時延要精確控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采樣保持再進行信號分配和模數(shù)轉換的技術，大大提高了對于PCB走線誤差和抖動的裕量。
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