示波器“關(guān)鍵指標(biāo)”—測(cè)量精確度和信號(hào)完整性

整個(gè)電子行業(yè)對(duì)速度及性能的不懈追求正不斷改變高端示波器的標(biāo)準(zhǔn)。雖然當(dāng)評(píng)估示波器時(shí)，帶寬曾經(jīng)是客戶(hù)和銷(xiāo)售商關(guān)注的“關(guān)鍵指標(biāo)”，然而捕獲和分析當(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。

然而，什么是測(cè)量精確度？

帶寬是一種用于比較一臺(tái)儀器和另一臺(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)嗎？可以肯定的是，帶寬是很重要的，對(duì)于高速應(yīng)用而言，高帶寬是必需的。然而，示波器的真正目的是要盡可能準(zhǔn)確地顯示感興趣的信號(hào)，而且背后更為復(fù)雜，涉及儀器的基本設(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)概述如下表所示：

抖動(dòng)本底噪聲

市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素—— 需要更佳信號(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)樗鼈兩婕翱煅睾蜆O窄的單位間隔或位次（bit times）。隨著通信鏈路數(shù)據(jù)速率的增加，將增加兩件事的發(fā)生：用戶(hù)界面縮小，信號(hào)上升時(shí)間減少。例如，通過(guò)將 5 Gb / s 脈沖與 8 Gb / s 脈沖進(jìn)行比較得出，位寬從 200 ps 降為 125 ps。這使得一項(xiàng)設(shè)計(jì)的裕量減小了 38％。此外，這也使得接收機(jī)的工作更加困難，因?yàn)樗噲D以更小的裕量，用非?？斓臄?shù)據(jù)速率將 1 與 0（零） 進(jìn)行區(qū)分。同時(shí)，上升時(shí)間也從約 30ps 減少為剛好超過(guò)28 ps。8 GB / s 信號(hào)展示如下：

使問(wèn)題復(fù)雜化的事實(shí)是，當(dāng)被傳輸信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，可能產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)完整性問(wèn)題。這些信號(hào)完整性問(wèn)題可能包括當(dāng)此信號(hào)流經(jīng)電路板或從硅芯片進(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，必須加以解決。PCB 材料（如：FR – 4）內(nèi)的信號(hào)損失量隨線(xiàn)路長(zhǎng)度的增加及數(shù)據(jù)速率的提高而增加。因信號(hào)幅度的縮小，噪音和反射正成為一個(gè)更大的影響因素?？蛻?hù)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)，8-10 Gb / s正逐漸成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在光通信市場(chǎng)中，因以太網(wǎng)（Ethernet）發(fā)展到 4 × 25G（100GbE），設(shè)計(jì)人員需要能夠使用高達(dá) 32 Gb / 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 為這些高端應(yīng)用程序提供業(yè)界最精準(zhǔn)的測(cè)量性能。

技術(shù)平臺(tái)與突破

泰克公司為了提供業(yè)界領(lǐng)先的 DPO/DSA73304D 示波器性能，采用了 IBM 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 200 GHz 的 FT 轉(zhuǎn)換速度提供了 2 倍于上代產(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，提供能與特殊材料（如：磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs））性能媲美的性能級(jí)別。與其它方案不同的是，鍺硅BiCMOS工藝提供了在一塊芯片上同時(shí)制備高速雙極性晶體管和標(biāo)準(zhǔn)CMOS的途徑，從而使一系列同時(shí)具備高集成度和極致性能的電路成為可能。正是這二者的結(jié)合，使泰克公司能夠在長(zhǎng)達(dá)十多年的時(shí)間內(nèi)持續(xù)且可靠地提供功能豐富的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖 1 所示的組件是采用了鍺化硅 BiCMOS工藝的 70000D 示波器的新式前端，該前端為 33GHz、100 GS / s。該芯片包含 2 個(gè)通道（2 塊小芯片）的前置放大器及一個(gè) 100 GS / s 的跟蹤/保持集成電路（IC）（large die）。泰克公司通過(guò)將前置放大器和采樣/保持功能集成于單一封裝中，提高通道間的匹配能力，減少由其他示波器中使用的獨(dú)立采樣/保持電路和 ADC 器件引起的交叉失真。一般情況下，減少所需的組件和接口數(shù)量可減少噪音和計(jì)時(shí)的不確定性，從而提高了 ENOB 性能。

我們?yōu)榇朔N前端設(shè)計(jì)提供的另一項(xiàng)創(chuàng)新是大偏移范圍和終端性能。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，從而實(shí)現(xiàn)了此種性能。該性能可以更加輕松地對(duì)大型直流偏置或直流偏置終端信號(hào)做出準(zhǔn)確的測(cè)量。

由于實(shí)現(xiàn)了向8HP的轉(zhuǎn)換，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)人員利用全部四通道前所未有的捕獲功能夠捕捉實(shí)時(shí)信號(hào)，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力捕獲更多信號(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)設(shè)置、高速串行數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的捕獲及分析的自動(dòng)化。主要性能包括：

· 雙通道高達(dá) 33 GHz 和 100 GS / s，所有四通道 > 20 GHz 和 50 GS / s

· 小于9 ps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

示波器性能因素

由于示波器是設(shè)計(jì)方面（尤其是信號(hào)完整性方面）至關(guān)重要的工具，設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟悉示波器指標(biāo)以及它們影響測(cè)量的方式。讓我們觀察一下最重要的三大因素 - 上升時(shí)間、采樣率和帶寬 – 從而對(duì)它們進(jìn)行更深入的了解。

此示波器的上升時(shí)間越快，測(cè)量到的上升時(shí)間會(huì)越準(zhǔn)確。但是，當(dāng)示波器的帶寬或上升時(shí)間和信號(hào)的上升時(shí)間彼此更接近時(shí)，會(huì)怎樣呢？ 有人曾用經(jīng)驗(yàn)法則（如：0.35/上升時(shí)間）來(lái)計(jì)算所需的示波器帶寬，但這種經(jīng)驗(yàn)法則只適用于某些示波器的前端設(shè)計(jì)，并且通常不適用于為高速串行數(shù)據(jù)速率和伴隨的快速上升時(shí)間而優(yōu)化過(guò)的當(dāng)今前端設(shè)計(jì)。

應(yīng)當(dāng)注意的是，具有相同帶寬性能的兩臺(tái)示波器可以具有完全不同的上升時(shí)間、振幅和相位響應(yīng)。所以，僅了解示波器的帶寬無(wú)法可靠地揭示出其測(cè)量性能。此外，通過(guò)計(jì)算確定的上升時(shí)間可能也不準(zhǔn)確。了解示波器上升和下降時(shí)間響應(yīng)的最可靠方法是使用一個(gè)理想的階躍信號(hào)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，該理想的階躍信號(hào)比被測(cè)示波器信號(hào)快很多。

在使用 DPO/DSA73304D 的情況下，使用這種方法確定 9 ps 的上升時(shí)間。但是，信號(hào)速度可以被測(cè)量的意思是什么呢？根據(jù)正確的經(jīng)驗(yàn)法則，信號(hào)上升時(shí)間與示波器上升時(shí)間的比值為 2x 或 >18 ps。事實(shí)證明，對(duì)于當(dāng)今最快的 FPGA 設(shè)計(jì)中使用的28 Gb / s 的串行解串器（SerDes）而言，這是指定的上升時(shí)間。

接下來(lái)，讓我們看看另一個(gè)關(guān)鍵性能因素——示波器的實(shí)時(shí)采樣率。因?yàn)楦斓牟蓸勇蕩?lái)更多的波形細(xì)節(jié)，所以這一因素非常重要。另一方面，對(duì)最快的信號(hào)而言，采樣率不足可能會(huì)導(dǎo)致欠采樣。此 DPO/DSA73304D 提供一流領(lǐng)先的采樣率性能。利用交錯(cuò)技術(shù)提供采樣率性能，此種交錯(cuò)技術(shù)使用 8 路采樣/保持方法，將雜散高頻的影響降至最低。參見(jiàn)以下數(shù)據(jù)，可得出被成功和失敗執(zhí)行的交錯(cuò)技術(shù)的差異：

成功的交錯(cuò)，頻率雜散較少 失敗的交錯(cuò)，頻率雜散且有噪聲

奈奎斯特定理（Nyquist theorem）指出，采樣系統(tǒng)應(yīng)對(duì)輸入信號(hào)的最高頻率采樣 2 次以上。雖然這是最低起始點(diǎn)，但是在任何情況下，采樣率越高，結(jié)果越準(zhǔn)確。通過(guò)使用 2.5 倍較高采樣率，此輸入頻率或更多輸入頻率可提供被關(guān)注信號(hào)上的更多采樣點(diǎn)，且避免混疊。對(duì)于極高速信號(hào)表征而言，這是特別重要的。

下圖顯示了較高的采樣率值。**跟蹤線(xiàn)（C1）在 50 GS / s 上，而白色跟蹤線(xiàn)（R1）在 100 GS / s 上。過(guò)采樣原因包括：

· 為確保信號(hào)中已知和未知的高頻部分被捕獲，且沒(méi)有混疊

· 為實(shí)現(xiàn)卓越的定時(shí)分辨率（特別是快速瞬態(tài)信號(hào)或邊緣上的定時(shí)分辨率）

· 作為一種減少測(cè)量中噪音的手段。采樣過(guò)密會(huì)減少量化噪聲，產(chǎn)生的此類(lèi)量化噪聲是示波器中 A 向 D 轉(zhuǎn)換的一部分

在此帶寬前端，示波器必須有足夠的帶寬來(lái)捕捉高頻部分，以便準(zhǔn)確地顯示信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 然而，當(dāng)銷(xiāo)售商為帶寬需求進(jìn)行善意提示，推薦 5 次諧波時(shí)，事情在不斷發(fā)生變化。邊沿速率（上升/下降時(shí)間）的變化并沒(méi)有與數(shù)據(jù)速率的變化同步。這意味著，所需的最大帶寬受到上升時(shí)間的影響更大。例如，目前第三代規(guī)格的上升時(shí)間在 30ps 的范圍內(nèi)。隨著速率的不斷提高，這似乎并沒(méi)有很大變化，這表明，相對(duì)于數(shù)據(jù)速率的信號(hào)諧波含量正在下降。

詳細(xì)了解精確度和強(qiáng)大捕獲能力

新型 DPO/DSA73304D 平臺(tái)兼?zhèn)錁I(yè)界領(lǐng)先的實(shí)時(shí)示波器信號(hào)完整性和計(jì)時(shí)精度，使用戶(hù)能夠更準(zhǔn)確和更有把握地完成他們的設(shè)計(jì)。它可以幫助他們：

· 利用業(yè)界最精準(zhǔn)的捕獲系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)感興趣的重要信號(hào)，此類(lèi)捕獲系統(tǒng)的特征是采用了在示波器和探頭中使用的可靠鍺化硅技術(shù)。

· 使用市場(chǎng)上最佳綜合觸發(fā)系統(tǒng)，捕獲高速信號(hào)評(píng)估所需的精確的信號(hào)事件。

· 利用高采樣率搜尋記錄，以確定關(guān)鍵事件/錯(cuò)誤，用于系統(tǒng)驗(yàn)證。

· 利用 30 + GHz 示波器中最高信號(hào)與嗓音的比值，快速分析關(guān)鍵測(cè)量結(jié)

果。它能夠提供高靈敏度、低噪聲的測(cè)量結(jié)果，這樣的結(jié)果為高速光纖的

準(zhǔn)確定性及能源和串行數(shù)據(jù)測(cè)量的執(zhí)行提供依據(jù)。

尖端軟件與 DPO/DSA70000 系列平臺(tái)上用戶(hù)界面工具相互結(jié)合，為復(fù)雜測(cè)量方案（包括調(diào)試/分析）提供了最短的快速響應(yīng)時(shí)間。

DPO/DSA73304D 通過(guò)結(jié)合高帶寬、高采樣率和快速上升時(shí)間，可為當(dāng)今最高的信號(hào)完整性測(cè)量要求而特別進(jìn)行量身定做。