决定示波器性能高度的模拟技术

　　安捷伦科技数字测试业务部大中国区市场经理杜吉伟介绍，安捷伦的高端示波器在模拟前端方面借鉴了很多射频微波技术，包括三维的微电路设计、波导电路等，来保证数据在传到模数转换器之前已经经过精密的信号调理。安捷伦的高端示波器采用了磷化铟工艺、快膜三维封装和氮化铝散热等技术，对示波器最后性能的领先性体现在本底噪声和采样时钟抖动在同类产品中最低。磷化铟技术在光通信中广泛应用，安捷伦将其应用到了示波器的模拟前端中，在20GHz以上的高频示波器上有一定技术优势，使用了磷化铟的包括前端放大器、触发电路、采样保持电路、探头放大器。

　　目前可以预见的最主要的技术挑战还是在器件电路设计方面，更进一步的，半导体工艺条件能够达到的最高特性指标也会成为仪器产品性能指标提升的一个潜在制约因素。对于模拟前端和放大器设计，调和增益、带宽和噪声特性的问题;对于模数转换器，实现超高速采样保持，优化模数转换器的转换线性度并保持合理的功耗需求;这都是目前面临的一些主要技术难点。

　　特别的，邢飞指出芯片工艺和材料决定了电路设计当中晶体管的最高截止频率fT，并最终从物理条件上决定了所设计出电路可能实现的最大模拟带宽。当然，模拟前端当中所用的放大器以及模数转换器的最终特性与电路设计技巧和电路实现方式也是紧密相关的，但其物理条件会最终成为器件设计的极限限制。设计方面，RIGOL就非常注重不单单从器件数据手册上标明的规格指标上，也从器件设计过程中所选用工艺的技术特点，去进行有针对性的产品选型和最终仪器产品设计。　　

 

　　模块化的前端设计

　　随着半导体集成工艺的进步和示波器性能的提升，单纯的模拟前端芯片已经无法满足最高性能示波器的需求，因此，各个厂商纷纷将前端模拟设计模块化，实现更高集成和更高模拟性能。安捷伦科技的90000系列产品中，采用了全新的InP技术将模拟前端部分做成6个芯片，其中的几个芯片以三维封装的形式封装成一个大的多芯片模块(MCM)，包括前置放大器，采样保持和触发功能单元，成为模拟前端的核心。

　　传统上，高速信号采集和处理要求在示波器前端进行一系列连接和切换。信号从被测器件(DUT)输送到示波器，通过同轴电缆传送到PCB，经过球栅阵列(BGA)封装，然后到达第一个集成电路(IC)，进行模拟放大或衰减。然后信号输出封装，输送到PCB上，然后发送到包含跟踪和保持(T/H)集成电路的下一个封装。只有在经过这一大串连接之后，信号才准备进行采样、模数转换和存储。遗憾的是，这一系列连接和切换及之后多次反复会在采样前劣化信号，进而损害示波器带宽和信号保真度。

　　为克服这些问题，泰克在DPO/DSA70000D系列示波器采用定制设计、高度集成的前端多芯片模块(MCM)。MCM把多种前端采集和处理组件，包括同轴电缆输入连接器、前置放大器、跟踪和保持芯片及端接电阻，合并到一个封装中，因此在高速信号被采样前永远不会接触PCB。

　　DPO/DSA70000D系列的定制前端MCM封装把以前分散的大量组件集成在一起，包括：

　　● 两块前置放大器芯片;
　　● 一块8路跟踪和保持(T/H)芯片，带模拟滤波器;
　　● 50欧姆端接电阻;
　　● 高性能100 GHz带宽连接器;
　　● 到PCB的弹性接口。

　　由于它是一种自含式模块，MCM减少了信号流经的连接数量及可能的错误来源数量。用户不会再经过单芯片封装和PCB层而发生多个信号跳变，那样会在采样前劣化信号保真度和示波器带宽。通过使用高性能电缆，高速信号从示波器输入直接传送到MCM及内部的集成电路中。IBM的8HP技术是一种130纳米(nm) SiGe双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺，其性能是上一代工艺的两倍。

　　写在最后

　　随着电子技术的快速发展，测试测量任务变得越来越困难。高性能应用，特别是要求芯片检定、串行数据一致性测试、光学调制分析、双倍数据速率(DDR)存储器和宽带RF检验的应用，需要以前不能实现的测试测量功能，包括把杰出的性能(带宽和采样率)和灵活性(端接电压和灵敏度)结合起来，而又不会给信号保真度带来负面影响。因此，市场的需求还会推动示波器不断前行，以现有的半导体工艺和材料，带宽突破100GHz似乎并不是什么难事，据说力科已经在实验室里进行相应的研发，而安捷伦的InP MCM因为设计的原因，做到63GHz而不需改动硬件设计确实属于幸运，下一步无疑要研发新一代MCM去实现更高性能的带宽，提高带宽只是市场需求是否能驱动投入高额研发费用的问题。

　　真正的挑战还是在于采样率的提升更为艰难，目前，力科和安捷伦都做到160GS/s，而现有的模数转换器似乎最高的单颗也只能做到10GS/s，无疑，多个模数转换器的集成是个非常严峻的挑战，特别是在时钟、校准算法，高速SRAM等方面解决起来非常困难，更重要的是，高频信号基本都是微波信号，测试和捕获起来与低频信号完全不同，对整个采样过程提出更大的挑战。