示波器“關(guān)鍵指標(biāo)”—測量精確度和信號完整性

整個電子行業(yè)對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)評估示波器時，帶寬曾經(jīng)是客戶和銷售商關(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所需要的精確度（即：測量精確度和信號完整性）已經(jīng)成為當(dāng)前最重要的因素。

然而，什么是測量精確度？

帶寬是一種用于比較一臺儀器和另一臺儀器差別的簡單方式 ——具有最高帶寬的那臺一定是最好的，對嗎？可以肯定的是，帶寬是很重要的，對于高速應(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，而且背后更為復(fù)雜，涉及儀器的基本設(shè)計、探頭架構(gòu)和連接配件、以及帶寬之外的參數(shù)（包括上升時間、采樣率和抖動本底噪聲）。

當(dāng)選擇示波器時，工程師應(yīng)評估的關(guān)鍵參數(shù)概述如下表所示：

抖動本底噪聲

市場驅(qū)動因素—— 需要更佳信號完整性

高速信號很容易產(chǎn)生信號完整性問題，因為它們涉及快沿和極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：用戶界面縮小，信號上升時間減少。例如，通過將 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。這使得一項設(shè)計的裕量減小了 38％。此外，這也使得接收機(jī)的工作更加困難，因為它試圖以更小的裕量，用非常快的數(shù)據(jù)速率將 1 與 0（零） 進(jìn)行區(qū)分。同時，上升時間也從約 30ps 減少為剛好超過28 ps。8 GB / s 信號展示如下：

使問題復(fù)雜化的事實是，當(dāng)被傳輸信號進(jìn)入接收機(jī)時，可能產(chǎn)生多個信號完整性問題。這些信號完整性問題可能包括當(dāng)此信號流經(jīng)電路板或從硅芯片進(jìn)入封裝引腳再進(jìn)入電路板時產(chǎn)生的信號衰減。通道內(nèi)的信號衰減是一個非常嚴(yán)重的問題，必須加以解決。PCB 材料（如：FR – 4）內(nèi)的信號損失量隨線路長度的增加及數(shù)據(jù)速率的提高而增加。因信號幅度的縮小，噪音和反射正成為一個更大的影響因素。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)。在光通信市場中，因以太網(wǎng)（Ethernet）發(fā)展到 4 × 25G（100GbE），設(shè)計人員需要能夠使用高達(dá) 32 Gb / s 的比特率對信號進(jìn)行測試。同時，高速 FPGA 和寬帶射頻也推動了極限值的擴(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)的測量性能。

技術(shù)平臺與突破

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達(dá)十多年的時間內(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 個通道（2 塊小芯片）的前置放大器及一個 100 GS / s 的跟蹤/保持集成電路（IC）（large die）。泰克公司通過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)量可減少噪音和計時的不確定性，從而提高了 ENOB 性能。

我們?yōu)榇朔N前端設(shè)計提供的另一項創(chuàng)新是大偏移范圍和終端性能。通過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，從而實現(xiàn)了此種性能。該性能可以更加輕松地對大型直流偏置或直流偏置終端信號做出準(zhǔn)確的測量。

由于實現(xiàn)了向8HP的轉(zhuǎn)換，DPO/DSA73304D示波器可以提供卓越的信號采集性能和分析能力。它幫助設(shè)計人員利用全部四通道前所未有的捕獲功能夠捕捉實時信號，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力捕獲更多信號細(xì)節(jié)。利用一套工具集（為提供更快的設(shè)計和一致性測試而設(shè)計）實現(xiàn)設(shè)置、高速串行數(shù)據(jù)設(shè)計的捕獲及分析的自動化。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)計方面（尤其是信號完整性方面）至關(guān)重要的工具，設(shè)計人員應(yīng)熟悉示波器指標(biāo)以及它們影響測量的方式。讓我們觀察一下最重要的三大因素 - 上升時間、采樣率和帶寬 – 從而對它們進(jìn)行更深入的了解。

此示波器的上升時間越快，測量到的上升時間會越準(zhǔn)確。但是，當(dāng)示波器的帶寬或上升時間和信號的上升時間彼此更接近時，會怎樣呢？ 有人曾用經(jīng)驗法則（如：0.35/上升時間）來計算所需的示波器帶寬，但這種經(jīng)驗法則只適用于某些示波器的前端設(shè)計，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間而優(yōu)化過的當(dāng)今前端設(shè)計。

應(yīng)當(dāng)注意的是，具有相同帶寬性能的兩臺示波器可以具有完全不同的上升時間、振幅和相位響應(yīng)。所以，僅了解示波器的帶寬無法可靠地揭示出其測量性能。此外，通過計算確定的上升時間可能也不準(zhǔn)確。了解示波器上升和下降時間響應(yīng)的最可靠方法是使用一個理想的階躍信號對其進(jìn)行測量，該理想的階躍信號比被測示波器信號快很多。

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

接下來，讓我們看看另一個關(guān)鍵性能因素——示波器的實時采樣率。因為更快的采樣率帶來更多的波形細(xì)節(jié)，所以這一因素非常重要。另一方面，對最快的信號而言，采樣率不足可能會導(dǎo)致欠采樣。此 DPO/DSA73304D 提供一流領(lǐng)先的采樣率性能。利用交錯技術(shù)提供采樣率性能，此種交錯技術(shù)使用 8 路采樣/保持方法，將雜散高頻的影響降至最低。參見以下數(shù)據(jù)，可得出被成功和失敗執(zhí)行的交錯技術(shù)的差異：

成功的交錯，頻率雜散較少 失敗的交錯，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)對輸入信號的最高頻率采樣 2 次以上。雖然這是最低起始點，但是在任何情況下，采樣率越高，結(jié)果越準(zhǔn)確。通過使用 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)注信號上的更多采樣點，且避免混疊。對于極高速信號表征而言，這是特別重要的。

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

· 為確保信號中已知和未知的高頻部分被捕獲，且沒有混疊

· 為實現(xiàn)卓越的定時分辨率（特別是快速瞬態(tài)信號或邊緣上的定時分辨率）

· 作為一種減少測量中噪音的手段。采樣過密會減少量化噪聲，產(chǎn)生的此類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捕捉高頻部分，以便準(zhǔn)確地顯示信號的轉(zhuǎn)換。 然而，當(dāng)銷售商為帶寬需求進(jìn)行善意提示，推薦 5 次諧波時，事情在不斷發(fā)生變化。邊沿速率（上升/下降時間）的變化并沒有與數(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間的影響更大。例如，目前第三代規(guī)格的上升時間在 30ps 的范圍內(nèi)。隨著速率的不斷提高，這似乎并沒有很大變化，這表明，相對于數(shù)據(jù)速率的信號諧波含量正在下降。

詳細(xì)了解精確度和強(qiáng)大捕獲能力

新型 DPO/DSA73304D 平臺兼?zhèn)錁I(yè)界領(lǐng)先的實時示波器信號完整性和計時精度，使用戶能夠更準(zhǔn)確和更有把握地完成他們的設(shè)計。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，此類捕獲系統(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)。

· 使用市場上最佳綜合觸發(fā)系統(tǒng)，捕獲高速信號評估所需的精確的信號事件。

· 利用高采樣率搜尋記錄，以確定關(guān)鍵事件/錯誤，用于系統(tǒng)驗證。

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

果。它能夠提供高靈敏度、低噪聲的測量結(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)測量的執(zhí)行提供依據(jù)。

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

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