ADC实现测量数字化的必经之路
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专用ADC遥遥领先
推动ADC取得优异成果的主要力量来自电子测量仪器业界，为了保持与时俱进的高速信号的测试和分析，自从1960年代开始，安捷伦科技和泰克两家公司，一直不懈努力研发电子示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器所需的专用集成电路，以期达到测量仪器领先于尖端信号测试的需求。安捷伦和泰克都拥有自己专用集成电路设计和制造部门，目的是保持测量仪器的超性能，在各种仪器专用器件中对ADC投入的力量最强，因为“模拟输入、数字处理”是现代测量仪器的结构基础，而沟通模拟和数字的桥梁则非ADC莫属。对此安捷伦和泰克两公司为测量业界创造了奇迹，从新千禧年的2000年开始至2005年中期，依靠ADC性能的不断提升，从取样率2GS/S和分辨率8位起步，跃进到现在的取样率20GS/S和分辩率8位的最高水平，使数字示波器顺利地越过实时带宽1GHz的难关走向16GHz，同时对实现频谱分析仪推进到6GHz，以及测试有关2G、2.5G和3G移动通信指标的无线测量系统，高清晰度数字电视测量系统。
我们先回顾泰克研发GS/S级ADC的专用集成电路的历程，泰克原来是一个全能的示波器供应商，后来精简机构把半导体部门剥离，但留下一百多名工程师的集成电路开发和支持队伍，在高速器件方面与IBM微电子部密切合作。两公司取得成功的关键是采用SiGe材料制作高速ADC等数字示波器前端集成电路，当时其它竞争对手仍然着意开发Si的CMOS集成电路。IBM掌握SiGe的BiCMOS工艺，既可制成双极模拟电路，亦可生产高速数字电路和混合电路，比Si工艺更适合高性能测量仪器的要求。在1990年后期开始取得突破，SiGe的BiCMOS集成电路的晶体管振荡速度达到60GHz，当时Si的双极晶体管振速度只有25GHz。现在SiGe工艺又有改进，晶体管振荡速度超过120GHz，单个样管更高至200GHz，SiGe的BiCMOS的发展趋势如图1所示。
根据泰克的生产经验，10GHz测量系统的速度与单元晶体管速度之比约为10：1。预计Si的双极和CMOS工艺已无希望，而转为SiGe工艺尚待实践，放弃熟悉的SiCMOS工艺，再投入可观的研发经费，需要科学的论证。终于，泰克方面迈开重要的一步，放弃Si材料而使用SiGe，IC设计人员从头学起，IBM方面对数字电路熟悉但缺乏双极电路经验，而且泰克是第一家SiGe用户，合作只许成功不能失败。IBM发挥SiGe优势，改进工艺至综合双极和CMOS兼容，泰克发挥仪器电路的经验，改进设计。双方合作从1996年开始，1997年进入攻坚阶段，2000年在IBM代号为“5HP”的制程基础上获得一批数字示波器前端高速IC，包括ADC为核心的输入宽带放大器、取样保持电路、精确时钟电路、波形处理用的DSP、高速存储器、开关阵列等关键器件。泰克公司在这些SiGe集成电路基础上推出著名的TDS7000系列数字荧光示波器，早期产品的ADC取样率是1GS/S和分辨率8位，两块1GS/S利用时钟移相T/2的插值法扩展成为取样率2GS/S。
引用SiGe芯片，泰克“五年不鸣，一鸣警人”，一直保持数字示波器的领先地位，并且占有高档数字示波器市场的50%以上的份额。IBM由于合作成功，继续推广SiGe工艺至其它RF器件并向第三方转让技术专利，使SiGe工艺更为成熟，运用它的第三代技术的“7HP”制程，为泰克制成取样率8GS/S、10GS/S和20GS/S的分辨率8位ADC，以及10GHz以上宽带探头用放大器芯片。现在测量仪器业界公认SiGe制程是解决高速数字仪器前端ADC的优选工艺，将会出现取样率更高的ADC芯片。
安捷伦作为测量仪器业巨头，拥有自己的研发实验室和独立的半导体制造部门，比泰克条件更优越，但是产品也多种多样，1998年脱离惠普公司独立经营不久，仪器市场大起大落，高速数字示波器进展缓慢，当泰克宣布推出TDS7000系列高档数字示波器和SiGe高速ADC之后，安捷伦加紧开发具有自身特点的相应产品。它的数字示波器前端模/数电路，由安捷伦实验室设计和直属半导体厂制造，综合最擅长的微波技术和高频半导体技术，分别发挥GaAs、SiGe、Si材料和CMOS、BiCMOS工艺的作用，制成混合集成电路模块，密封在金属法拉弟噪声屏敝封装内。模块内安排有SiGe工艺的前端放大器，GaAs双极触发电路，GaAs步进衰减器和限幅器，模块核心电路由20个250MG/S的8位分辨率ADC块组成5GS/S的ADC。由于250MG/S的ADC块很容易用CMOS工艺实现，可以达到较高精度和较低噪声，ADC前端的缓冲级采用SiGe工艺，并装有2
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