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)

　　我們來(lái)看一下DSP提升帶寬是怎么一回事。首先需要澄清的是，示波器中有很多DSP技術(shù)，比如，正弦內(nèi)插，相位糾正等，這些是多數(shù)高端實(shí)時(shí)示波器都使用的技術(shù)。用DSP提升帶寬是完全不同的概念，圖3揭示了DSP提升帶寬的原理，紅色曲線代表示波器前置放大器的頻響曲線，其-3dB點(diǎn)代表前置放大器的硬件帶寬，比如16GHz，藍(lán)色曲線代表經(jīng)DSP處理后，將紅色頻響曲線提升為藍(lán)色曲線，也就是將-3dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率提升到一定程度；如20GHz，綠色曲線代表將示波器的頻響曲線的高頻部分信號(hào)進(jìn)行放大，提升到藍(lán)色曲線的位置，這樣就將-3dB點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率提升了，也就是示波器帶寬被提升了。

　　這種方法討論到目前為止似乎很完美，只是有一點(diǎn)副作用，即將高頻信號(hào)成份進(jìn)行放大的同時(shí)也將示波器本底噪聲放大了，因此，取決于DSP技術(shù)提升帶寬的多少。信號(hào)的保真度下降，測(cè)量結(jié)果有可能比一臺(tái)帶寬比它低（但純粹用前置放大器實(shí)現(xiàn)）的示波器更糟糕，DSP提升帶寬的代價(jià)是本底噪聲的升高，示波器廠家通常以此作為到底要用DSP提升帶寬到多高。安捷倫在前置放大器芯片帶寬不能做到超過(guò)12GHz 的時(shí)候，嘗試用DSP技術(shù)提升帶寬，最后決定只提升到13GHz，以保證底噪聲方面的優(yōu)勢(shì)不會(huì)失去。有了32GHz前置放大器芯片后，就無(wú)需使用該技術(shù)了。

　　圖4 用DSP提升帶寬的示波器的頻譜，在帶寬超過(guò)前置放大器硬件帶寬后，其本底噪聲明顯被放大

　　檢驗(yàn)示波器的本底噪聲有兩種方法，一種是使用FFT，觀察其本底噪聲對(duì)應(yīng)的譜，在前置放大器對(duì)應(yīng)的帶寬之內(nèi)，底噪聲譜線是平坦的，超過(guò)前置放大器帶寬，無(wú)論用什么技術(shù)提升示波器帶寬，其底噪聲都會(huì)向上被提升。圖4是一個(gè)DSP提升16GHz到20GHz帶寬的示波器的頻譜，在16GHz以?xún)?nèi)其底噪聲頻譜基本上是平坦的，超過(guò)16GHz，明顯發(fā)現(xiàn)底噪聲被放大了。另一種方法是在不接任何信號(hào)的情況下，直接測(cè)量其本底噪聲的電壓有效值。圖5給出在50mV/div的設(shè)置下，三種用不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)的超過(guò)16GHz帶寬示波器的底噪聲，水平軸代表示波器帶寬，垂直軸

　　圖5 三種情況實(shí)現(xiàn)超過(guò)16GHz帶寬示波器的本底噪聲比較，90000 X用前置放大器直接架構(gòu)出示波器，底噪聲最低，而且呈線性分布，DSP和DBI提升帶寬的示波器，底噪聲成非線性分布，在帶寬提升點(diǎn)開(kāi)始，底噪聲突變

　　代表在不同帶寬下其底噪聲電壓有效值。90000 X系列示波器是采用磷化銦制程、快膜封裝三維設(shè)計(jì)，直接用32GHz帶寬的前置放大器架構(gòu)的示波器，其底噪聲密度在1GHz和32GHz地方是一樣的，因此底噪聲呈線性分布，其底噪聲絕對(duì)值也最低，這主要取決于其磷化銦制程、氮化鋁散熱材料、晶粒嵌入襯底（晶粒和快膜間的鍵合線短）、無(wú)過(guò)孔設(shè)計(jì)、三維波導(dǎo)式傳輸線設(shè)計(jì)和微波暗室式模塊封裝。用DSP提升帶寬的示波器，其底噪聲密度在超過(guò)前置放大器帶寬后變高，整個(gè)底噪聲呈非線性。用頻域內(nèi)插DBI提升帶寬的示波器底噪聲最差，稍后解釋原因。

　　DBI提升示波器帶寬完全改變了示波器的硬件架構(gòu)，圖6是DBI提升示波器帶寬的硬件原理圖，DBI頻率內(nèi)插技術(shù)在多年前已有一廠家推出，至今以來(lái)沒(méi)有被業(yè)界廣泛接受。其實(shí)，在示波器中使用內(nèi)插技術(shù)是非常普遍的，比如，幾乎所有的示波器廠家都用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器交替采樣，可將采樣率提高兩倍。如果用四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器交替采樣，則可將采樣率提高四倍。多個(gè)通道間的存儲(chǔ)深度也可以交替使用，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)深度加倍甚至四倍，為什么DBI數(shù)字帶寬通道復(fù)用技術(shù)沒(méi)有像采樣通道復(fù)用和內(nèi)存通道復(fù)用技術(shù)一樣很快被業(yè)界接受呢？

圖6 數(shù)字帶寬通道復(fù)用(DBI)技術(shù)原理圖

　　我們來(lái)看一下數(shù)字帶寬通道復(fù)用(DBI)技術(shù)原理，如圖6所示，它和采樣通道復(fù)用或內(nèi)存通道復(fù)用技術(shù)不同，后者是信號(hào)經(jīng)前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后進(jìn)行的通道交錯(cuò)使用技術(shù)，DBI是在信號(hào)還沒(méi)有進(jìn)入前置放大器之前就被復(fù)用一次，也就是，先要經(jīng)過(guò)一個(gè)信號(hào)分離器。以30GHz帶寬的DBI示波器為例，該信號(hào)分離器實(shí)際上由兩個(gè)濾波器組成，一個(gè)是低通濾波器，另一個(gè)帶通濾波器，對(duì)30GHz帶寬的DBI示波器，其低通濾波器頻段是DC（直流）～16GHz，帶通濾波器頻段是16GHz～30GHz，圖中的前置放大器有兩個(gè)，代表要使用兩個(gè)示波器通道來(lái)實(shí)現(xiàn)一路信號(hào)的測(cè)量，經(jīng)過(guò)低通濾波器的信號(hào)進(jìn)入示波器的一個(gè)輸入通道的前置放大器，經(jīng)過(guò)帶通濾波器的信號(hào)不能直接進(jìn)入另外一個(gè)輸入通道的前置放大器，因?yàn)榍爸梅糯笃鞯膸挷粔?，在帶通濾波器和前置放大器之間要使用一個(gè)下變頻器。下變頻器必須是一個(gè)寬帶混頻器帶有一個(gè)本振輸入，本振輸入和經(jīng)過(guò)帶通濾波器進(jìn)來(lái)的高頻信號(hào)進(jìn)行混頻生成一個(gè)差頻及一個(gè)和頻，差頻信號(hào)的頻段在后續(xù)前置放大器的帶寬范圍內(nèi)，因此，該差頻信號(hào)被接入到前置放大器，本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了頻率搬移，將被測(cè)信號(hào)的高頻成份搬移到低頻頻段。被測(cè)信號(hào)被一分為二后，各自經(jīng)前置放大器處理，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器和采樣內(nèi)存。該原理圖沒(méi)有提及進(jìn)入采樣內(nèi)存之后怎么辦，實(shí)際上要接著進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理，把被頻率搬移下來(lái)的信號(hào)與數(shù)字合成的本振再次混頻，生成一個(gè)差頻和一個(gè)和頻，差頻會(huì)被棄用，和頻實(shí)際上也是一種頻率搬移結(jié)果，只不過(guò)這次是將頻率從低頻搬回到高頻，再和另一個(gè)通道的采集結(jié)果重新組合，頻域時(shí)域換算處理后還原出原始的輸入信號(hào)。這樣，用16GHz帶寬的前置放大器就能采集超過(guò)16GHz的被測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)帶寬的提升。