決定示波器性能高度的模擬技術

　　在數(shù)字示波器的模擬前端設計過程當中，放大器是模擬前端設計的核心部件之一，邢飛介紹，通過特別的放大器器件選用和設計，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精度特性。對于混合信號產(chǎn)品，其數(shù)字通道的放大器設計具有有別于模擬通道放大器設計的特殊技術點，除了保持與模擬通道類似的高帶寬特性之外，對于信號調(diào)理過程中的幅頻響應特性要求較高，以降低時域過沖，避免數(shù)字通道對實際被測信號的采集和現(xiàn)實錯誤。

　　作為示波器市場近年來殺入的黑馬，羅德與施瓦茨(R&S)中國區(qū)示波器業(yè)務發(fā)展經(jīng)理焦保春分析，在該公司示波器產(chǎn)品在模擬前端設計中，采用了大量的R&S在射頻測試領域的成熟技術，將射頻設計融合到模擬設計中。這樣做帶來最直觀的好處是大大降低的信號通路的噪聲。在最低的信號量程條件下(1mV/div)，示波器依然能夠保持極低的噪聲水平,其信號噪聲有效值為同類產(chǎn)品的1/4以下。通道間的高隔離度，特別是對高頻信號隔離度，也是射頻設計應用的范例。

　　當然，在高端示波器中，帶寬并非只在模擬前端中得以實現(xiàn)，還可以通過其他數(shù)字辦法實現(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現(xiàn);二是采用DSP拉伸帶寬;三是數(shù)字帶寬復用。泰克科技認為，三種方法各有各的優(yōu)點。目前市場上用得比較多的是前置放大器直接實現(xiàn)和DSP拉伸帶寬技術。從使用上來說，硬件實現(xiàn)的帶寬使用數(shù)字技術較少，信號保真度較高，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，可以允許信號超出屏幕外等，但成本相對較高;相比起來，數(shù)字技術則可能造成頻響或噪聲譜的起伏，在某些頻率上有效位低，同時數(shù)字技術要求實時采樣、不支持欠采樣，信號超出屏幕外會出現(xiàn)波形畸變，限制相對較多，對使用者的要求也較高。但數(shù)字技術實現(xiàn)的帶寬由于硬件成本較低，所以價格也相對較低，在犧牲一些性能的情況下，也為用戶提供了一個廉價的解決方案。總的來說，前置放大器技術和DSP為不同客戶的需求提供了不同選擇。

　　采樣率和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

　　在示波器三大性能指標中，模擬前端決定了帶寬，那么模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)則是影響采樣率最重要的一環(huán)，ADC是數(shù)字示波器的核心器件，其中最關鍵的指標是采樣率和有效的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能夠有效地采集并顯示。

　　焦保春認為，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率不可能無限制提升，R&S擁有目前示波器市場中領先的單核10Gs/s采樣率A/D轉(zhuǎn)換器。為達到更高采樣率，很多公司采用了交織采樣技術，即用多顆低速A/D并行組合成高速多核的A/D。這種技術帶來的問題是信號的相位誤差。為修正此誤差，大多數(shù)示波器廠商使用的DSP修正技術。但DSP修正處理需要時間，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確性，就是有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)，常見示波器的A/D轉(zhuǎn)換器都是8位的。但在實際使用時，真正能夠發(fā)揮作用的轉(zhuǎn)換位數(shù)并不能達到8位。一些示波器在高帶寬是甚至會劣化到4位左右。這意味者用戶不可能使用這些示波器準確測量出信號的幅度信息。焦保春介紹R&S A/D轉(zhuǎn)換器的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)可以高達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時采樣率指標(例如RIGOL的DS6000，實現(xiàn)了最高5GSa/s的實時采樣率指標)，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功率帶寬(Full Power Bandwidth)也影響了產(chǎn)品最終能夠達到的最高帶寬。

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

　　研發(fā)是最大的挑戰(zhàn)

　　對于高端示波器產(chǎn)品，商業(yè)芯片出于成本和目標應用的考慮，往往在測試信號的帶寬和A/D轉(zhuǎn)換速度方面不能滿足高端示波器的要求。很多情況下，只有采用專用的ASIC設計才能解決這些問題。這也是高端示波器廠商不惜重金設立自己的ASIC設計團隊的原因。高性能的A/D芯片也代表了示波器廠商的尖端技術研發(fā)能力。　　

 　　作為本土示波器廠商的杰出代表，RIGOL的邢飛認為，到了GHz級別的示波器，行業(yè)領先公司，無一例外都是采用專用芯片實現(xiàn)其頂級示波器產(chǎn)品的需求，甚至于已經(jīng)無法找到能夠滿足其半導體工藝需求集成電路生產(chǎn)線，只能夠自行開發(fā)專用的集成電路工藝(例如磷化銦InP工藝)來滿足其對于高帶寬，高性能的要求。