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解析决定示波器性能高度的模拟技术

2017-09-06 10:45:16

[导读] 虽然示波器不是对硬件要求最高的仪器,鉴于示波器是众多工程师最熟悉也是测试仪器细分市场最大的单台仪器,所以我们采访了全球能将示波器带宽做到GHz级别厂商中的几家代表,从示波器的硬件分析入手,带大家一起了解示波器的核心设计单元。

虽然示波器不是对硬件要求最高的仪器,鉴于示波器是众多工程师最熟悉也是测试仪器细分市场最大的单台仪器,所以我们采访了全球能将示波器带宽做到GHz级别厂商中的几家代表,从示波器的硬件分析入手,带大家一起了解示波器的核心设计单元。

带宽,采样率和存储深度,是决定一台示波器市场价值最直观的三大特性,其中带宽是最明显能体现示波器的性能的指标,采样率的数值和带宽有着一定的联系,而这两个数值则直接关系到示波器的最终售价,其数值也基本都是由模拟单元的硬件性能决定的。

示波器的架构经历了几十年的沉淀,特别是最近二十年数字示波器的高速发展,已经基本趋于稳定,普源精电(RIGOL)副总裁邢飞介绍,当代数字示波器的基本组成主要包括:模拟前端(负责信号调理)->模数转换器(调理后信号数字化)->数据采集/存储/信号处理->显示与人机接口。其中前两个部分决定了示波器绝大部分性能指标,也是示波器的核心所在。

带宽与模拟前端

带宽,是选择示波器时最基本的参数,从2004年的30GHz问世,到45GHz的出现,这期间等待了5年,而到60GHz示波器的出现只有短短的3年,而最近的12个月里,示波器三强纷纷更新了自己的最顶级配置示波器,一切仿佛对2002-2004年示波器性能军备竞赛的翻拍。

就在今年4月,力科从2004年开始拥有了多年的数字示波器带宽性能之最的皇冠被安捷伦占据,安捷伦的InfiNIium90000Q最高带宽做到了63GHz,超过了力科LabMaster10Zi的60GHz。当两家主要竞争对手都推出60GHz级别的示波器之后,下一步,我们期待泰克科技如何应对。

决定带宽的关键是示波器的模拟前端,包括衰减器,放大器和相关电路,是被测信号进入示波器的大门,示波器的测试信号带宽很多情况下都是由模拟前端的带宽决定的,也就是直接影响了示波器的本底噪声和量程。模拟前端的设计工作在示波器的硬件设计工作当中,实际上占据了一半以上的工作量,并且在很大程度上最终决定了示波器的硬件性能。

对于模拟前端来说,其影响示波器的主要性能指标包括:

· 模拟带宽,包括对被测信号幅频响应特性,在时域上表现为上升时间指标和过冲性能指标;

· 输入信号幅度动态范围(非数字处理的最小垂直灵敏度到最大垂直灵敏度的范围);

· 直流增益精度和偏移精度两个指标的初始误差特性和温度漂移特性;

· 输入阻抗特性(电阻并联寄生电容)影响在带探头或不带探头情况下对被测电路的影响。

如果给示波器的模拟前端设计在整个的硬件设计中的重要地位做一个形象的比喻,模拟前端的作用类似于照相机的镜头。很多摄影发烧友在使用单反相机,一个很重要的原因是单反相机的镜头有更好的光学特性。类似的道理,模拟前端对输入信号进行衰减放大和信号调理,系统噪声也会被放大。如果示波器的模拟前端设计差,系统噪声大,希望测试的微小信号将无法捕获;如果在频域观测,这些噪声将使信噪比下降,底噪升高。如果信号通路间的隔离度不够,其他通道的信号将对被测信号造成较大的干扰。同时,模拟前端的线性度和抗饱和能力也十分重要。

在数字示波器的模拟前端设计过程当中,放大器是模拟前端设计的核心部件之一,邢飞介绍,通过特别的放大器器件选用和设计,RIGOL产品里的放大器既能够保证示波器的高带宽特性,又能够保证示波器的高直流增益精度特性。对于混合信号产品,其数字通道的放大器设计具有有别于模拟通道放大器设计的特殊技术点,除了保持与模拟通道类似的高带宽特性之外,对于信号调理过程中的幅频响应特性要求较高,以降低时域过冲,避免数字通道对实际被测信号的采集和现实错误。

作为示波器市场近年来杀入的黑马,罗德与施瓦茨(R&S)中国区示波器业务发展经理焦保春分析,在该公司示波器产品在模拟前端设计中,采用了大量的R&S在射频测试领域的成熟技术,将射频设计融合到模拟设计中。这样做带来最直观的好处是大大降低的信号通路的噪声。在最低的信号量程条件下(1mV/div),示波器依然能够保持极低的噪声水平,其信号噪声有效值为同类产品的1/4以下。通道间的高隔离度,特别是对高频信号隔离度,也是射频设计应用的范例。

当然,在高端示波器中,带宽并非只在模拟前端中得以实现,还可以通过其他数字办法实现更高带宽,通常高端示波器带宽有三种方法:一是前置放大电路直接实现;二是采用DSP拉伸带宽;三是数字带宽复用。泰克科技认为,三种方法各有各的优点。目前市场上用得比较多的是前置放大器直接实现和DSP拉伸带宽技术。从使用上来说,硬件实现的带宽使用数字技术较少,信号保真度较高,在使用上更为灵活,限制更少,频响和噪声谱更为平坦,支持等效采样、欠采样,可以允许信号超出屏幕外等,但成本相对较高;相比起来,数字技术则可能造成频响或噪声谱的起伏,在某些频率上有效位低,同时数字技术要求实时采样、不支持欠采样,信号超出屏幕外会出现波形畸变,限制相对较多,对使用者的要求也较高。但数字技术实现的带宽由于硬件成本较低,所以价格也相对较低,在牺牲一些性能的情况下,也为用户提供了一个廉价的解决方案。总的来说,前置放大器技术和DSP为不同客户的需求提供了不同选择。

采样率和模数转换器

示波器三大性能指标中,模拟前端决定了带宽,那么模数转换器(ADC)则是影响采样率最重要的一环,ADC是数字示波器的核心器件,其中最关键的指标是采样率和有效的ADC位数。ADC的采样率直接决定了示波器的数字带宽,也就是多高频率的信号能够有效地采集并显示。

焦保春认为,A/D转换器的采样率不可能无限制提升,R&S拥有目前示波器市场中领先的单核10Gs/s采样率A/D转换器。为达到更高采样率,很多公司采用了交织采样技术,即用多颗低速A/D并行组合成高速多核的A/D。这种技术带来的问题是信号的相位误差。为修正此误差,大多数示波器厂商使用的DSP修正技术。但DSP修正处理需要时间,这种修正使示波器的波形捕获率降低。

示波器的采样还包括采样率的准确性,就是有效转换位数(ENOB),常见示波器的A/D转换器都是8位的。但在实际使用时,真正能够发挥作用的转换位数并不能达到8位。一些示波器在高带宽是甚至会劣化到4位左右。这意味者用户不可能使用这些示波器准确测量出信号的幅度信息。焦保春介绍R&SA/D转换器的有效转换位数可以高达7位以上。

邢飞坦承,模数转换器主要决定了示波器的实时采样率指标(例如RIGOL的DS6000,实现了最高5GSa/s的实时采样率指标),并且在一定程度上,模数转换器的采样保持电路部分的满功率带宽(FullPowerBandwidth)也影响了产品最终能够达到的最高带宽。

超高采样率需要多个ADC集成实现,安捷伦的90000Q示波器,160GS/s的采样率是8个20GS/s芯片实现的,而每个20GS/s又是包含80个250MS/s的单芯片,这对时钟信号的同步要求非常严格,特别是时钟分配到每个ADC后,产生的相位差解决起来挑战性很大,杜吉伟介绍,磷化铟工艺中,用波导电路设计其采样时钟,材料的特性决定其实际电路非常稳定,这是90000Q最困难的硬件设计。

研发是最大的挑战

对于高端示波器产品,商业芯片出于成本和目标应用的考虑,往往在测试信号的带宽和A/D转换速度方面不能满足高端示波器的要求。很多情况下,只有采用专用的ASIC设计才能解决这些问题。这也是高端示波器厂商不惜重金设立自己的ASIC设计团队的原因。高性能的A/D芯片也代表了示波器厂商的尖端技术研发能力。

作为本土示波器厂商的杰出代表,RIGOL的邢飞认为,到了GHz级别的示波器,行业领先公司,无一例外都是采用专用芯片实现其顶级示波器产品的需求,甚至于已经无法找到能够满足其半导体工艺需求集成电路生产线,只能够自行开发专用的集成电路工艺(例如磷化铟InP工艺)来满足其对于高带宽,高性能的要求。

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100GHz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InPMCM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。

[整理编辑:中国测控网]
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