在生活中，很多人崇尚簡(jiǎn)單，認(rèn)為那是生活應(yīng)該具有的本來(lái)面目，是應(yīng)該追求的真諦。高速電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更是崇尚這一原則，用的元器件或芯片要盡可能少，互聯(lián)部分要盡可能少，而且要短，過(guò)多的部件和互聯(lián)會(huì)增加設(shè)計(jì)的不確定性。正如人生的復(fù)雜一樣，不是每個(gè)人過(guò)的都是簡(jiǎn)單生活，過(guò)多的外界聯(lián)系讓人無(wú)暇反照內(nèi)心，維持一顆平靜的心。目前，超過(guò)16GHz高帶寬實(shí)時(shí)示波器的設(shè)計(jì)，可以概括為三種情況，種，前置放大器電路直接實(shí)現(xiàn)模擬帶寬，這是用硬件直接實(shí)現(xiàn)的方法；第二種和第三種，前置放大器實(shí)現(xiàn)不了模擬帶寬，想其它辦法讓示波器的帶寬指標(biāo)能更上一層樓。第二種是用DSP(數(shù)字信號(hào)處理)的方法，第三種采用DBI(數(shù)字帶寬通道復(fù)用)的方法。不同的方法反映不同的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，值得一提的是，后兩種方法的性能好的方面取決于其前置放大器硬件的設(shè)計(jì)性能，不好的方面是提升帶寬帶來(lái)的副作用，也就是說(shuō)，對(duì)于后兩種方法，如果前置放大器硬件本身做的越好，其副作用可能會(huì)被掩蓋的越多，極端情況下可以好到不需要提升帶寬了。本文主要介紹90000 X 系列示波器在設(shè)計(jì)其硬件架構(gòu)時(shí)的取舍。

　　圖1是90000 X系列示波器被拆開(kāi)后的采集板實(shí)際照片，上一篇介紹的前端模塊位于上方黑色的散熱片下面，里面封裝了5個(gè)磷化銦芯片，前置放大器芯片、觸發(fā)芯片和采樣保持芯片在里面，這樣的設(shè)計(jì)其實(shí)是從事多年高速模擬電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的體現(xiàn)，是在眾多設(shè)計(jì)可能中，選擇的優(yōu)化方案。該模塊的設(shè)計(jì)保證了低噪聲和化固有抖動(dòng)，如果從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，尤其是和三個(gè)功能芯片距離較遠(yuǎn)，需透過(guò)PCB互聯(lián)的時(shí)候，它帶來(lái)的優(yōu)越性就更明顯一些，因?yàn)闆](méi)有長(zhǎng)距離互聯(lián)帶來(lái)的反射和傳輸線(xiàn)阻抗難以控制等弊端。目前DSP和DBI提升帶寬的示波器，其觸發(fā)電路、前置放大器和采樣保持電路是完全分開(kāi)的，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR(時(shí)域反射)示波器可以實(shí)際測(cè)出任意一臺(tái)示波器內(nèi)部前置電路的阻抗控制情況。圖2給出實(shí)際測(cè)出的20GHz DSP提升帶寬的示波器前置電路的阻抗曲線(xiàn)，紅色曲線(xiàn)代表S11參數(shù)，藍(lán)色曲線(xiàn)代表S12參數(shù)，可以看出，前置放大器距離前面板輸入端較遠(yuǎn)，傳輸線(xiàn)本身已經(jīng)產(chǎn)生了6.5ns左右的延遲，阻抗失配現(xiàn)象也甚為明顯。90000 X的前面板輸入端直接接入前置模塊，經(jīng)過(guò)一類(lèi)似同軸電纜的三維傳輸線(xiàn)進(jìn)入前置放大器，距離很短，差分時(shí)鐘信號(hào)的波導(dǎo)化設(shè)計(jì)，經(jīng)三維實(shí)現(xiàn)45度到60度的立體斜坡并于其上鍍金，再加上模塊的金屬蓋形成腔體化，消除了傳輸線(xiàn)的相分散(Phase Dispersion)，并將輻射損耗和串?dāng)_化。

　　圖1. 90000 X 系列示波器內(nèi)部采集板實(shí)際照片，因?yàn)橛|發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片全都封裝在一個(gè)模塊里，使得互聯(lián)短，阻抗控制容易，安捷倫的快膜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)厚膜技術(shù)更寬的傳輸線(xiàn)，阻抗變化控制在+/- 1.5 Ω范圍內(nèi)，是標(biāo)準(zhǔn)的厚膜工藝的一半，是PCB(印刷電路板)的一半到三分之一

　　圖2   DSP提升帶寬的示波器，前置電路設(shè)計(jì)部分采用多個(gè)芯片于PCB上互聯(lián)的辦法，用網(wǎng)絡(luò)分析儀或TDR示波器實(shí)際測(cè)出的S11和S12參數(shù)曲線(xiàn)，若在極小的空間里實(shí)現(xiàn)“觸發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片”的互聯(lián)，則情況會(huì)有很大好轉(zhuǎn)。

　　圖3   示波器的頻響曲線(xiàn)圖，紅色代表示波器前置放大器的硬件帶寬，藍(lán)色代表經(jīng)DSP提升帶寬后期望的頻響曲線(xiàn)，綠色代表為了將紅色曲線(xiàn)提升到藍(lán)色曲線(xiàn)的位置需使用的濾波器，也就是說(shuō)將本來(lái)低于-3dB衰減的高頻信號(hào)成份放大，將-3dB頻點(diǎn)提高到一定程度

　　前面提到，超過(guò)16GHz高帶寬實(shí)時(shí)示波器的設(shè)計(jì)，可以概括為三種情況，種情況，前置放大器帶寬技術(shù)沒(méi)有瓶頸，比如安捷倫科技已經(jīng)做出32GHz的模擬帶寬的前置放大器，因此無(wú)需想其它辦法彌補(bǔ)前置放大器帶寬不夠的問(wèn)題。但如果沒(méi)有成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)超過(guò)16GHz帶寬的前置放大器，則需要想其它辦法。其實(shí)，安捷倫對(duì)第二種情況和第三種情況在設(shè)計(jì)初期曾經(jīng)研究過(guò)，畢竟那樣會(huì)省去大量的研發(fā)成本(流片的成本是很高昂的)。之所以選擇較為不確定的一條路，是因?yàn)椋喊步輦愔阅茉诟叨耸静ㄆ黝I(lǐng)域立足，一直依賴(lài)在儀器自身信號(hào)完整性方面的口碑；另一方面，磷化銦半導(dǎo)體制程成功用在安捷倫的射頻微波儀器已經(jīng)有多年了，只是從未想過(guò)要引入到高端示波器領(lǐng)域。

　　DSP方法提升示波器帶寬，并沒(méi)有對(duì)示波器硬件架構(gòu)做出任何改變，為什么安捷倫沒(méi)有選擇DSP提升帶寬到16GHz以上的方法？實(shí)際上，早于2004年安捷倫推出的首臺(tái)13GHz帶寬示波器，就是在12GHz前置放大器帶寬基礎(chǔ)上提升上去的。在那個(gè)時(shí)候，有些技術(shù)爭(zhēng)論認(rèn)為，該技術(shù)帶來(lái)的副作用是，提升帶寬的同時(shí)也提升了底噪聲，但由于只是從12GHz提升到13GHz, 基本上還算被業(yè)界接受。安捷倫試圖嘗試將DSP帶寬做到更高，選擇放棄是因?yàn)椋菢幼鼍屯耆チ税步輦愒诟叨耸静ㄆ黝I(lǐng)域的定位，底噪聲太高，儀器自身信號(hào)完整性有問(wèn)題。

　　到了2007年，臺(tái)20GHz帶寬示波器誕生，是在16GHz前置放大器帶寬的基礎(chǔ)上提升帶寬到20GHz，當(dāng)時(shí)沒(méi)有第二家公司可以做出20GHz 帶寬的實(shí)時(shí)示波器，性能沒(méi)有對(duì)比。后來(lái)，其它廠家陸續(xù)推出20GHz帶寬示波器，有了對(duì)比，DSP帶來(lái)的副作用才逐漸成為工程師擔(dān)心的一個(gè)因素。

　　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(xiàn)代表示波器前置放大器的頻響曲線(xiàn)，其-3dB點(diǎn)代表前置放大器的硬件帶寬，比如16GHz，藍(lán)色曲線(xiàn)代表經(jīng)DSP處理后，將紅色頻響曲線(xiàn)提升為藍(lán)色曲線(xiàn)，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(xiàn)代表將示波器的頻響曲線(xiàn)的高頻部分信號(hào)進(jìn)行放大，提升到藍(lán)色曲線(xiàn)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，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(xiàn)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/p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，而且呈線(xiàn)性分布，DSP和DBI提升帶寬的示波器，底噪聲成非線(xiàn)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(xiàn)性分布，其底噪聲也，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(xiàn)短）、無(wú)過(guò)孔設(shè)計(jì)、三維波導(dǎo)式傳輸線(xiàn)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(xiàn)性。用頻域內(nèi)插DBI提升帶寬的示波器底噪聲差，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，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挷粔颍趲V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。

圖7  數(shù)字帶寬通道復(fù)用(DBI)技術(shù)，信號(hào)被分離后再?gòu)?fù)原的原理圖

　　由上面的討論可知，數(shù)字帶寬通道復(fù)用(DBI)提升帶寬的技術(shù)和用DSP提升帶寬的技術(shù)是完全不同的， DSP提升帶寬的同時(shí)也提升了示波器本底噪聲，DBI沒(méi)有在這方面提升示波器本底噪聲，但它改變了示波器的硬件架構(gòu)，多出了信號(hào)分離器和下變頻器兩種硬件及其所需的互聯(lián)電路部分，實(shí)際上導(dǎo)致了更大的本底噪聲和測(cè)量誤差，如圖5所示，上面的曲線(xiàn)代表DBI提升帶寬的示波器本底噪聲，在現(xiàn)有高端示波器中，底噪是的，不僅高頻段的底噪高，低頻段的底噪也高，這是因?yàn)轭~外的硬件及其互聯(lián)引入額外的底噪聲。圖8則給出DBI示波器底噪聲的頻譜，由于過(guò)多的硬件，使得噪聲密度在不同頻段呈現(xiàn)不一樣的結(jié)果。這種技術(shù)是前置放大器帶寬做不上去而采取的一個(gè)辦法，如果前置放大器帶寬能做上去，就不用這種方法了。DBI示波器的硬件指標(biāo)取決于前置放大器、下變頻器、信號(hào)分離器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及其互聯(lián)部分的設(shè)計(jì)。

圖8  30GHz帶寬的DBI （數(shù)字帶寬通道復(fù)用）示波器本底噪聲的頻譜圖，

（設(shè)置：中央頻率是20GHz, 4GHz一格），可以看出底噪密度不是恒定的

　　DBI示波器多出來(lái)的硬件所帶來(lái)的量測(cè)誤差不僅僅是底噪增加，還包括本底抖動(dòng)的增加。信號(hào)分離器和下變頻器本身必須是寬帶器件，其幅頻特性和群延遲特性都不可能做到理想狀態(tài)，不僅單個(gè)通道的固有抖動(dòng)比傳統(tǒng)硬件架構(gòu)示波器大，通道與通道間的固有抖動(dòng)會(huì)比較大，通常在幾個(gè)皮秒數(shù)量級(jí)（有效值）。一旦使用下變頻器，等效采樣通常無(wú)法 工作，所以廠家一般會(huì)指出，超過(guò)前置放大器的情況下不再支持等效采樣。

　　通道復(fù)用技術(shù)在提高實(shí)時(shí)采樣率方面雖然被業(yè)界廣泛接受，但交錯(cuò)采樣依然會(huì)引入測(cè)量誤差，加劇波形的總諧波失真。實(shí)際上，交錯(cuò)采樣可以是通道復(fù)用，也可以是同一個(gè)通道后面用多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)采樣實(shí)現(xiàn)更高的采樣率，關(guān)于交錯(cuò)采樣技術(shù)的局限性、驗(yàn)證方法或注意事項(xiàng)，可以另文專(zhuān)門(mén)討論。 16GHz和16GHz以上帶寬的示波器為了實(shí)現(xiàn)80GSa/s采樣率，已經(jīng)采用了通道復(fù)用技術(shù)，不同的是，DBI示波器在已經(jīng)采用通道復(fù)用來(lái)提高采樣率的情況下，使用了帶寬通道復(fù)用技術(shù)，采樣之前復(fù)用，采樣之后復(fù)用，借助后處理軟件恢復(fù)原始信號(hào)，帶來(lái)的測(cè)量誤差和不確定性更大些，這可能是DBI示波器至今沒(méi)有被廣泛接納的主要原因之一。

　　高端實(shí)時(shí)示波器的性能不僅僅取決于芯片制程、封裝工藝，簡(jiǎn)潔的硬件架構(gòu)對(duì)提升性能是至關(guān)重要的。當(dāng)然，示波器的總體性能往往是多個(gè)因素綜合影響的結(jié)果，因此工程師一般可通過(guò)*估本底噪聲、掃頻響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、總諧波失真、模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效位數(shù)等來(lái)做的*判，這些可另文討論。限于篇幅，本文只討論了安捷倫科技為什么沒(méi)有用DSP和DBI來(lái)提升帶寬，而直接使用簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，即一個(gè) 32GHz帶寬的前置放大器芯片直接解決難題。對(duì)于硬件架構(gòu)牽涉的其它話(huà)題，如高達(dá)幾百兆的采樣點(diǎn)如何快速處理，實(shí)際上90000  X中有一專(zhuān)門(mén)數(shù)據(jù)處理芯片，用硬件處理大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)深存儲(chǔ)下的高速波形捕獲率，這里就不再詳述。