簡(jiǎn)潔是信號(hào)完整性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ): 示波器硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖1是90000 X系列示波器被拆開后的采集板實(shí)際照片，上一篇介紹的前端模塊位于最上方黑色的散熱片下面，里面封裝了5個(gè)磷化銦芯片，前置放大器芯片、觸發(fā)芯片和采樣保持芯片在里面，這樣的設(shè)計(jì)其實(shí)是從事多年高速模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)，是在眾多設(shè)計(jì)可能中，最后選擇的優(yōu)化方案。該模塊的設(shè)計(jì)保證了低噪聲和最小化固有抖動(dòng)，如果從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，尤其是和三個(gè)功能芯片距離較遠(yuǎn)，需透過PCB互聯(lián)的時(shí)候，它帶來的優(yōu)越性就更明顯一些，因?yàn)闆]有長(zhǎng)距離互聯(lián)帶來的反射和傳輸線阻抗難以精確控制等弊端。目前DSP和DBI提升帶寬的示波器，其觸發(fā)電路、前置放大器和采樣保持電路是完全分開的，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR(時(shí)域反射)示波器可以實(shí)際測(cè)出任意一臺(tái)示波器內(nèi)部前置電路的阻抗控制情況。圖2給出實(shí)際測(cè)出的20GHz DSP提升帶寬的示波器前置電路的阻抗曲線，紅色曲線代表S11參數(shù)，藍(lán)色曲線代表S12參數(shù)，可以看出，前置放大器距離前面板輸入端較遠(yuǎn)，傳輸線本身已經(jīng)產(chǎn)生了6.5ns左右的延遲，阻抗失配現(xiàn)象也甚為明顯。90000 X的前面板輸入端直接接入前置模塊，經(jīng)過一類似同軸電纜的三維傳輸線進(jìn)入前置放大器，距離很短，差分時(shí)鐘信號(hào)的波導(dǎo)化設(shè)計(jì)，經(jīng)三維實(shí)現(xiàn)45度到60度的立體斜坡并于其上鍍金，再加上模塊的金屬蓋形成腔體化，消除了傳輸線的相分散(Phase Dispersion)，并將輻射損耗和串?dāng)_最小化。

　　圖1. 90000 X 系列示波器內(nèi)部采集板實(shí)際照片，因?yàn)橛|發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片全都封裝在一個(gè)模塊里，使得互聯(lián)短，阻抗控制容易，安捷倫的快膜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)厚膜技術(shù)更寬的傳輸線，阻抗變化控制在+/- 1.5Ω范圍內(nèi)，是標(biāo)準(zhǔn)的厚膜工藝的一半，是PCB(印刷電路板)的一半到三分之一

　　圖2 DSP提升帶寬的示波器，前置電路設(shè)計(jì)部分采用多個(gè)芯片于PCB上互聯(lián)的辦法，用網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR示波器實(shí)際測(cè)出的S11和S12參數(shù)曲線，若在極小的空間里實(shí)現(xiàn)“觸發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片”的互聯(lián)，則情況會(huì)有很大好轉(zhuǎn)。

　　圖3 示波器的頻響曲線圖，紅色代表示波器前置放大器的硬件帶寬，藍(lán)色代表經(jīng)DSP提升帶寬后期望的頻響曲線，綠色代表為了將紅色曲線提升到藍(lán)色曲線的位置需使用的濾波器，也就是說將本來低于-3dB衰減的高頻信號(hào)成份放大，將-3dB頻點(diǎn)提高到一定程度

　　前面提到，超過16GHz高帶寬實(shí)時(shí)示波器的設(shè)計(jì)，可以概括為三種情況，第一種情況，前置放大器帶寬技術(shù)沒有瓶頸，比如安捷倫科技已經(jīng)做出32GHz的模擬帶寬的前置放大器，因此無需想其它辦法彌補(bǔ)前置放大器帶寬不夠的問題。但如果沒有成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)超過16GHz帶寬的前置放大器，則需要想其它辦法。其實(shí)，安捷倫對(duì)第二種情況和第三種情況在設(shè)計(jì)初期曾經(jīng)研究過，畢竟那樣會(huì)省去大量的研發(fā)成本(流片的成本是很高昂的)。最后之所以選擇較為不確定的一條路，是因?yàn)椋喊步輦愔阅茉诟叨耸静ㄆ黝I(lǐng)域立足，一直依賴在儀器自身信號(hào)完整性方面的口碑；另一方面，磷化銦半導(dǎo)體制程成功用在安捷倫的射頻微波儀器已經(jīng)有多年了，只是從未想過要引入到高端示波器領(lǐng)域。

　　DSP方法提升示波器帶寬，并沒有對(duì)示波器硬件架構(gòu)做出任何改變，為什么安捷倫沒有選擇DSP提升帶寬到16GHz以上的方法？實(shí)際上，早于2004年安捷倫推出的全球首臺(tái)13GHz帶寬示波器，就是在12GHz前置放大器帶寬基礎(chǔ)上提升上去的。在那個(gè)時(shí)候，有些技術(shù)爭(zhēng)論認(rèn)為，該技術(shù)帶來的副作用是，提升帶寬的同時(shí)也提升了底噪聲，但由于只是從12GHz提升到13GHz, 基本上還算被業(yè)界接受。安捷倫試圖嘗試將DSP帶寬做到更高，最后選擇放棄是因?yàn)椋菢幼鼍屯耆チ税步輦愒诟叨耸静ㄆ黝I(lǐng)域的定位，底噪聲太高，儀器自身信號(hào)完整性有問題。

　　到了2007年，全球第一臺(tái)20GHz帶寬示波器誕生，是在16GHz前置放大器帶寬的基礎(chǔ)上提升帶寬到20GHz，當(dāng)時(shí)沒有第二家公司可以做出20GHz 帶寬的實(shí)時(shí)示波器，性能沒有對(duì)比。后來，其它廠家陸續(xù)推出20GHz帶寬示波器，有了對(duì)比，DSP帶來的副作用才逐漸成為工程師擔(dān)心的一個(gè)因素。