雖然不是對(duì)硬件要求的儀器，鑒于示波器是眾多工程師熟悉也是測(cè)試儀器細(xì)分市場(chǎng)的單臺(tái)儀器，所以我們采訪(fǎng)了能將示波器帶寬做到GHz級(jí)別廠(chǎng)商中的幾家代表，從示波器的硬件分析入手，帶大家一起了解示波器的設(shè)計(jì)單元。

帶寬，采樣率和存儲(chǔ)深度，是決定一臺(tái)示波器市場(chǎng)價(jià)值直觀的三大特性，其中帶寬是明顯能體現(xiàn)示波器的性能的指標(biāo)，采樣率的數(shù)值和帶寬有著一定的聯(lián)系，而這兩個(gè)數(shù)值則直接關(guān)系到示波器的終售價(jià)，其數(shù)值也基本都是由模擬單元的硬件性能決定的。

示波器的架構(gòu)經(jīng)歷了幾十年的沉淀，特別是近二十年數(shù)字示波器的高速發(fā)展，已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，普源精電(RIGOL)副總裁邢飛介紹，當(dāng)代數(shù)字示波器的基本組成主要包括：模擬前端(負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)理)->模數(shù)轉(zhuǎn)換器(調(diào)理后信號(hào)數(shù)字化)->數(shù)據(jù)采集/存儲(chǔ)/信號(hào)處理->顯示與人機(jī)接口。其中前兩個(gè)部分決定了示波器絕大部分性能指標(biāo)，也是示波器的所在。

帶寬，是選擇示波器時(shí)基本的參數(shù)，從2004年的30GHz問(wèn)世，到45GHz的出現(xiàn)，這期間等待了5年，而到60GHz示波器的出現(xiàn)只有短短的3年，而近的12個(gè)月里，示波器三強(qiáng)紛紛更新了自己的配置示波器，一切仿佛對(duì)2002-2004年示波器性能軍備競(jìng)賽的翻拍。

就在今年4月，力科從2004年開(kāi)始擁有了多年的數(shù)字示波器帶寬性能之的皇冠被安捷倫占據(jù)，安捷倫的Infiniium90000Q帶寬做到了63GHz，超過(guò)了力科LabMaster10Zi的60GHz。當(dāng)兩家主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手都推出60GHz級(jí)別的示波器之后，下一步，我們期待泰克科技如何應(yīng)對(duì)。

決定帶寬的關(guān)鍵是示波器的模擬前端，包括衰減器,放大器和相關(guān)電路，是被測(cè)信號(hào)進(jìn)入示波器的大門(mén)，示波器的測(cè)試信號(hào)帶寬很多情況下都是由模擬前端的帶寬決定的，也就是直接影響了示波器的本底噪聲和量程。模擬前端的設(shè)計(jì)工作在示波器的硬件設(shè)計(jì)工作當(dāng)中，實(shí)際上占據(jù)了一半以上的工作量，并且在很大程度上終決定了示波器的硬件性能。

對(duì)于模擬前端來(lái)說(shuō)，其影響示波器的主要性能指標(biāo)包括：

· 模擬帶寬，包括對(duì)被測(cè)信號(hào)幅頻響應(yīng)特性，在時(shí)域上表現(xiàn)為上升時(shí)間指標(biāo)和過(guò)沖性能指標(biāo);

· 輸入信號(hào)幅度動(dòng)態(tài)范圍(非數(shù)字處理的垂直靈敏度到垂直靈敏度的范圍);

· 直流增益和偏移兩個(gè)指標(biāo)的初始誤差特性和溫度漂移特性;

· 輸入阻抗特性(電阻并聯(lián)寄生電容)影響在帶探頭或不帶探頭情況下對(duì)被測(cè)電路的影響。

如果給示波器的模擬前端設(shè)計(jì)在整個(gè)的硬件設(shè)計(jì)中的重要地位做一個(gè)形象的比喻，模擬前端的作用類(lèi)似于照相機(jī)的鏡頭。很多攝影發(fā)燒友在使用單反相機(jī)，一個(gè)很重要的原因是單反相機(jī)的鏡頭有更好的光學(xué)特性。類(lèi)似的道理，模擬前端對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減放大和信號(hào)調(diào)理，系統(tǒng)噪聲也會(huì)被放大。如果示波器的模擬前端設(shè)計(jì)差，系統(tǒng)噪聲大，希望測(cè)試的微小信號(hào)將無(wú)法捕獲;如果在頻域觀測(cè)，這些噪聲將使信噪比下降，底噪升高。如果信號(hào)通路間的隔離度不夠，其他通道的信號(hào)將對(duì)被測(cè)信號(hào)造成較大的干擾。同時(shí)，模擬前端的線(xiàn)性度和抗飽和能力也十分重要。

在數(shù)字示波器的模擬前端設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，放大器是模擬前端設(shè)計(jì)的部件之一，邢飛介紹，通過(guò)特別的放大器器件選用和設(shè)計(jì)，RIGOL產(chǎn)品里的放大器既能夠保證示波器的高帶寬特性，又能夠保證示波器的高直流增益特性。對(duì)于混合信號(hào)產(chǎn)品，其數(shù)字通道的放大器設(shè)計(jì)具有有別于模擬通道放大器設(shè)計(jì)的特殊技術(shù)點(diǎn)，除了保持與模擬通道類(lèi)似的高帶寬特性之外，對(duì)于信號(hào)調(diào)理過(guò)程中的幅頻響應(yīng)特性要求較高，以降低時(shí)域過(guò)沖，避免數(shù)字通道對(duì)實(shí)際被測(cè)信號(hào)的采集和現(xiàn)實(shí)錯(cuò)誤。

作為示波器市場(chǎng)近年來(lái)殺入的黑馬，羅德與施瓦茨(R&S)中國(guó)區(qū)示波器業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理焦保春分析，在該公司示波器產(chǎn)品在模擬前端設(shè)計(jì)中，采用了大量的R&S在射頻測(cè)試領(lǐng)域的成熟技術(shù)，將射頻設(shè)計(jì)融合到模擬設(shè)計(jì)中。這樣做帶來(lái)直觀的好處是大大降低的信號(hào)通路的噪聲。在的信號(hào)量程條件下(1mV/p)，示波器依然能夠保持極低的噪聲水平,其信號(hào)噪聲有效值為同類(lèi)產(chǎn)品的1/4以下。通道間的高隔離度，特別是對(duì)高頻信號(hào)隔離度，也是射頻設(shè)計(jì)應(yīng)用的范例。

當(dāng)然，在高端示波器中，帶寬并非只在模擬前端中得以實(shí)現(xiàn)，還可以通過(guò)其他數(shù)字辦法實(shí)現(xiàn)更高帶寬，通常高端示波器帶寬有三種方法：一是前置放大電路直接實(shí)現(xiàn);二是采用DSP拉伸帶寬;三是數(shù)字帶寬復(fù)用。泰克科技認(rèn)為，三種方法各有各的優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上用得比較多的是前置放大器直接實(shí)現(xiàn)和DSP拉伸帶寬技術(shù)。從使用上來(lái)說(shuō)，硬件實(shí)現(xiàn)的帶寬使用數(shù)字技術(shù)較少，信號(hào)保真度較高，在使用上更為靈活，限制更少，頻響和噪聲譜更為平坦，支持等效采樣、欠采樣，可以允許信號(hào)超出屏幕外等，但成本相對(duì)較高;相比起來(lái)，數(shù)字技術(shù)則可能造成頻響或噪聲譜的起伏，在某些頻率上有效位低，同時(shí)數(shù)字技術(shù)要求實(shí)時(shí)采樣、不支持欠采樣，信號(hào)超出屏幕外會(huì)出現(xiàn)波形畸變，限制相對(duì)較多，對(duì)使用者的要求也較高。但數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的帶寬由于硬件成本較低，所以?xún)r(jià)格也相對(duì)較低，在犧牲一些性能的情況下，也為用戶(hù)提供了一個(gè)廉價(jià)的解決方案?？偟膩?lái)說(shuō)，前置放大器技術(shù)和DSP為不同客戶(hù)的需求提供了不同選擇。

在示波器三大性能指標(biāo)中，模擬前端決定了帶寬，那么模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)則是影響采樣率重要的一環(huán)，ADC是數(shù)字示波器的器件，其中關(guān)鍵的指標(biāo)是采樣率和有效的ADC位數(shù)。ADC的采樣率直接決定了示波器的數(shù)字帶寬，也就是多高頻率的信號(hào)能夠有效地采集并顯示。

焦保春認(rèn)為，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率不可能無(wú)限制提升，R&S擁有目前示波器市場(chǎng)中的單核10Gs/s采樣率A/D轉(zhuǎn)換器。為達(dá)到更高采樣率，很多公司采用了交織采樣技術(shù)，即用多顆低速A/D并行組合成高速多核的A/D。這種技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題是信號(hào)的相位誤差。為修正此誤差，大多數(shù)示波器廠(chǎng)商使用的DSP修正技術(shù)。但DSP修正處理需要時(shí)間，這種修正使示波器的波形捕獲率降低。

示波器的采樣還包括采樣率的準(zhǔn)確性，就是有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)，常見(jiàn)示波器的A/D轉(zhuǎn)換器都是8位的。但在實(shí)際使用時(shí)，真正能夠發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)換位數(shù)并不能達(dá)到8位。一些示波器在高帶寬是甚至?xí)踊?位左右。這意味者用戶(hù)不可能使用這些示波器準(zhǔn)確測(cè)量出信號(hào)的幅度信息。焦保春介紹R&SA/D轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)可以高達(dá)7位以上。

邢飛坦承，模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要決定了示波器的實(shí)時(shí)采樣率指標(biāo)(例如RIGOL的DS6000，實(shí)現(xiàn)了5GSa/s的實(shí)時(shí)采樣率指標(biāo))，并且在一定程度上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣保持電路部分的滿(mǎn)功率帶寬(FullPowerBandwidth)也影響了產(chǎn)品終能夠達(dá)到的帶寬。

超高采樣率需要多個(gè)ADC集成實(shí)現(xiàn)，安捷倫的90000Q示波器，160GS/s的采樣率是8個(gè)20GS/s芯片實(shí)現(xiàn)的，而每個(gè)20GS/s又是包含80個(gè)250MS/s的單芯片，這對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的同步要求非常嚴(yán)格，特別是時(shí)鐘分配到每個(gè)ADC后，產(chǎn)生的相位差解決起來(lái)挑戰(zhàn)性很大，杜吉偉介紹，磷化銦工藝中，用波導(dǎo)電路設(shè)計(jì)其采樣時(shí)鐘，材料的特性決定其實(shí)際電路非常穩(wěn)定，這是90000Q困難的硬件設(shè)計(jì)。

對(duì)于高端示波器產(chǎn)品，商業(yè)芯片出于成本和目標(biāo)應(yīng)用的考慮，往往在測(cè)試信號(hào)的帶寬和A/D轉(zhuǎn)換速度方面不能滿(mǎn)足高端示波器的要求。很多情況下，只有采用專(zhuān)用的ASIC設(shè)計(jì)才能解決這些問(wèn)題。這也是高端示波器廠(chǎng)商不惜重金設(shè)立自己的ASIC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的原因。高性能的A/D芯片也代表了示波器廠(chǎng)商的技術(shù)研發(fā)能力。

作為本土示波器廠(chǎng)商的杰出代表，RIGOL的邢飛認(rèn)為，到了GHz級(jí)別的示波器，行業(yè)公司，無(wú)一例外都是采用專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)其示波器產(chǎn)品的需求，甚至于已經(jīng)無(wú)法找到能夠滿(mǎn)足其半導(dǎo)體工藝需求集成電路生產(chǎn)線(xiàn)，只能夠自行開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的集成電路工藝(例如磷化銦InP工藝)來(lái)滿(mǎn)足其對(duì)于高帶寬，高性能的要求。

安捷倫科技數(shù)字測(cè)試業(yè)務(wù)部大中國(guó)區(qū)市場(chǎng)經(jīng)理杜吉偉介紹，安捷倫的高端示波器在模擬前端方面借鑒了很多射頻微波技術(shù)，包括三維的微電路設(shè)計(jì)、波導(dǎo)電路等，來(lái)保證數(shù)據(jù)在傳到模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前已經(jīng)經(jīng)過(guò)精密的信號(hào)調(diào)理。安捷倫的高端示波器采用了磷化銦工藝、快膜三維封裝和氮化鋁散熱等技術(shù)，對(duì)示波器性能的性體現(xiàn)在本底噪聲和采樣時(shí)鐘抖動(dòng)在同類(lèi)產(chǎn)品中。磷化銦技術(shù)在光通信中廣泛應(yīng)用，安捷倫將其應(yīng)用到了示波器的模擬前端中，在20GHz以上的高頻示波器上有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使用了磷化銦的包括前端放大器、觸發(fā)電路、采樣保持電路、探頭放大器。

目前可以預(yù)見(jiàn)的主要的技術(shù)挑戰(zhàn)還是在器件電路設(shè)計(jì)方面，更進(jìn)一步的，半導(dǎo)體工藝條件能夠達(dá)到的特性指標(biāo)也會(huì)成為儀器產(chǎn)品性能指標(biāo)提升的一個(gè)潛在制約因素。對(duì)于模擬前端和放大器設(shè)計(jì)，調(diào)和增益、帶寬

和噪聲特性的問(wèn)題;對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)超高速采樣保持，優(yōu)化模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換線(xiàn)性度并保持合理的功耗需求;這都是目前面臨的一些主要技術(shù)難點(diǎn)。

特別的，邢飛指出芯片工藝和材料決定了電路設(shè)計(jì)當(dāng)中晶體管的截止頻率fT，并終從物理?xiàng)l件上決定了所設(shè)計(jì)出電路可能實(shí)現(xiàn)的模擬帶寬。當(dāng)然，模擬前端當(dāng)中所用的放大器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的終特性與電路設(shè)計(jì)技巧和電路實(shí)現(xiàn)方式也是緊密相關(guān)的，但其物理?xiàng)l件會(huì)終成為器件設(shè)計(jì)的極限限制。設(shè)計(jì)方面，RIGOL就非常注重不單單從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)明的規(guī)格指標(biāo)上，也從器件設(shè)計(jì)過(guò)程中所選用工藝的技術(shù)特點(diǎn)，去進(jìn)行有針對(duì)性的產(chǎn)品選型和終儀器產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

隨著半導(dǎo)體集成工藝的進(jìn)步和示波器性能的提升，單純的模擬前端芯片已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足性能示波器的需求，因此，各個(gè)廠(chǎng)商紛紛將前端模擬設(shè)計(jì)模塊化，實(shí)現(xiàn)更高集成和更高模擬性能。安捷倫科技的90000系列產(chǎn)品中，采用了全新的InP技術(shù)將模擬前端部分做成6個(gè)芯片，其中的幾個(gè)芯片以三維封裝的形式封裝成一個(gè)大的多芯片模塊(MCM)，包括前置放大器，采樣保持和觸發(fā)功能單元，成為模擬前端的。

傳統(tǒng)上，高速信號(hào)采集和處理要求在示波器前端進(jìn)行一系列連接和切換。信號(hào)從被測(cè)器件(DUT)輸送到示波器，通過(guò)同軸電纜傳送到PCB，經(jīng)過(guò)球柵陣列(BGA)封裝，然后到達(dá)個(gè)集成電路(IC)，進(jìn)行模擬放大或衰減。然后信號(hào)輸出封裝，輸送到PCB上，然后發(fā)送到包含跟蹤和保持(T/H)集成電路的下一個(gè)封裝。只有在經(jīng)過(guò)這一大串連接之后，信號(hào)才準(zhǔn)備進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。遺憾的是，這一系列連接和切換及之后多次反復(fù)會(huì)在采樣前劣化信號(hào)，進(jìn)而損害示波器帶寬和信號(hào)保真度。

為克服這些問(wèn)題，泰克在DPO/DSA70000D系列示波器采用定制設(shè)計(jì)、高度集成的前端多芯片模塊(MCM)。MCM把多種前端采集和處理組件，包括同軸電纜輸入連接器、前置放大器、跟蹤和保持芯片及端接電阻，合并到一個(gè)封裝中，因此在高速信號(hào)被采樣前永遠(yuǎn)不會(huì)接觸PCB。

DPO/DSA70000D系列的定制前端MCM封裝把以前分散的大量組件集成在一起，包括：

· 兩塊前置放大器芯片;

· 一塊8路跟蹤和保持(T/H)芯片，帶模擬濾波器;

· 50歐姆端接電阻;

· 高性能100GHz帶寬連接器;

· 到PCB的彈性接口。

由于它是一種自含式模塊，MCM減少了信號(hào)流經(jīng)的連接數(shù)量及可能的錯(cuò)誤來(lái)源數(shù)量。用戶(hù)不會(huì)再經(jīng)過(guò)單芯片封裝和PCB層而發(fā)生多個(gè)信號(hào)跳變，那樣會(huì)在采樣前劣化信號(hào)保真度和示波器帶寬。通過(guò)使用高性能電纜，高速信號(hào)從示波器輸入直接傳送到MCM及內(nèi)部的集成電路中。IBM的8HP技術(shù)是一種130納米(nm)SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)工藝，其性能是上一代工藝的兩倍。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，測(cè)試測(cè)量任務(wù)變得越來(lái)越困難。高性能應(yīng)用，特別是要求芯片檢定、串行數(shù)據(jù)一致性測(cè)試、光學(xué)調(diào)制分析、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲(chǔ)器和寬帶RF檢驗(yàn)的應(yīng)用，需要以前不能實(shí)現(xiàn)的測(cè)試測(cè)量功能，包括把杰出的性能(帶寬和采樣率)和靈活性(端接電壓和靈敏度)結(jié)合起來(lái)，而又不會(huì)給信號(hào)保真度帶來(lái)負(fù)面影響。因此，市場(chǎng)的需求還會(huì)推動(dòng)示波器不斷前行，以現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝和材料，帶寬突破100GHz似乎并不是什么難事，據(jù)說(shuō)力科已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相應(yīng)的研發(fā)，而安捷倫的InPMCM因?yàn)樵O(shè)計(jì)的原因，做到63GHz而不需改動(dòng)硬件設(shè)計(jì)確實(shí)屬于幸運(yùn)，下一步無(wú)疑要研發(fā)新一代MCM去實(shí)現(xiàn)更高性能的帶寬，提高帶寬只是市場(chǎng)需求是否能驅(qū)動(dòng)投入高額研發(fā)費(fèi)用的問(wèn)題。

真正的挑戰(zhàn)還是在于采樣率的提升更為艱難，目前，力科和安捷倫都做到160GS/s，而現(xiàn)有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器似乎的單顆也只能做到10GS/s，無(wú)疑，多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的集成是個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是在時(shí)鐘、校準(zhǔn)算法，高速SRAM等方面解決起來(lái)非常困難，更重要的是，高頻信號(hào)基本都是微波信號(hào)，測(cè)試和捕獲起來(lái)與低頻信號(hào)完全不同，對(duì)整個(gè)采樣過(guò)程提出更大的挑戰(zhàn)。