32GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器技術(shù)揭秘（六）

　　鶴立白雪，愚者見(jiàn)鶴，聰者見(jiàn)雪，智者見(jiàn)白。磷化銦示波器的出現(xiàn)，我一開(kāi)始的注意力集中在前端放大器芯片、三維設(shè)計(jì)封裝以及氮化鋁散熱材料的應(yīng)用，芯片技術(shù)突破16GHz瓶頸，達(dá)到32GHz數(shù)量級(jí)，甚至為更高示波器實(shí)時(shí)帶寬的實(shí)現(xiàn)做好了技術(shù)儲(chǔ)備。但有著豐富研發(fā)和客戶支持經(jīng)驗(yàn)的孫燈亮反而認(rèn)為最重要的突破是采樣電路技術(shù)，新的采樣電路的設(shè)計(jì)使得樣點(diǎn)間的精度由1ps以上提高到50fs，同時(shí)克服ADC帶寬的限制和未來(lái)采樣率發(fā)展的瓶頸，燈亮認(rèn)為這才是關(guān)鍵之處，并建議國(guó)內(nèi)從事模數(shù)轉(zhuǎn)換器研發(fā)的工程師們可留心這點(diǎn)，燈亮敏銳的技術(shù)視角和觀察深度讓我成就了這篇短文。

　　對(duì)于示波器來(lái)講，帶寬是第一重要的指標(biāo)，我們前面討論的磷化銦技術(shù)，主要是用來(lái)改進(jìn)探頭帶寬、示波器前置放大器帶寬、觸發(fā)帶寬、采樣頭帶寬；磷化銦技術(shù)對(duì)采樣系統(tǒng)率的貢獻(xiàn)只在采樣模塊的輸入緩沖芯片上，其余部分不再是磷化銦技術(shù)，事實(shí)上也沒(méi)有必要使用磷化銦技術(shù)，因?yàn)槠渌y度較低的技術(shù)完全可以勝任。

　　圖1 磷化銦示波器內(nèi)部采集板實(shí)物照片，每個(gè)通道后面有兩個(gè)20GSa/s的單晶片（die）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，實(shí)時(shí)采樣子系統(tǒng)，包括封裝到前置模塊中的Sampler芯片，封裝到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的磷化銦緩沖芯片、CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，封裝到內(nèi)存控制模塊中的MegaZoom大數(shù)據(jù)量硬件加速處理專用芯片、內(nèi)存控制器以及采集內(nèi)存

　　圖1是90000 X系列示波器被拆開(kāi)后的采集板實(shí)際照片，每個(gè)示波器內(nèi)部有兩個(gè)這樣的采集板，每個(gè)采集板支持兩個(gè)通道，上有一塊磷化銦前置電路多芯片模塊，信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器和觸發(fā)芯片，再進(jìn)入采樣頭電路（英文是Sampler或Router），至此所有的信號(hào)都還在磷化銦前置模塊內(nèi)部，所有的高頻信號(hào)在這里均得到調(diào)理，該磷化銦前置模塊透過(guò)BGA波峰焊焊接到PCB上。這個(gè)采集板的PCB是20層板設(shè)計(jì)，材料采用Nelco-13 （放棄使用FR-4），板上有4000多個(gè)部件和近5000個(gè)網(wǎng)表（netlists）。信號(hào)從前置模塊出來(lái)后，經(jīng)由BGA焊盤(pán)連接到PCB上，首先進(jìn)入的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，每個(gè)采集板支持兩個(gè)通道，每個(gè)通道上后面有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此在該采集板上將看到4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再后面是內(nèi)存控制器，最后進(jìn)入采集內(nèi)存。一個(gè)采集板上的內(nèi)存是8G點(diǎn)，每個(gè)通道4G點(diǎn)，是的，物理上是每通道4G點(diǎn)，但如果你翻查磷化銦示波器的Datasheet，其指標(biāo)是最高2G點(diǎn)每通道，在分段存儲(chǔ)下，最多可達(dá)4G點(diǎn)，這意味著，如果有必要，打開(kāi)每個(gè)通道4G的存儲(chǔ)深度是可能的。

　　90000 X 磷化銦示波器的采樣電路子系統(tǒng)架構(gòu)是一項(xiàng)不太引起大家注意的技術(shù)創(chuàng)新，其創(chuàng)新體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1. 采樣頭（Sample）在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入緩沖芯片之前分開(kāi)，單獨(dú)設(shè)計(jì)

　　2. 順序延遲采樣為模數(shù)轉(zhuǎn)換未來(lái)發(fā)展預(yù)留空間

　　3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接口重新設(shè)計(jì)，采用串行鏈路

　　采樣頭被封裝到三維前置模塊中，該采樣頭主要由開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)、濾波功能電路組成，帶寬和頻響由磷化銦技術(shù)解決，采樣間隔的精度由延遲線和校準(zhǔn)電路解決（所以達(dá)到50fs或更低的量級(jí)），最后該示波器達(dá)到40dB以上的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍，最大的技術(shù)貢獻(xiàn)部分在于該采樣頭。其實(shí)，如果只看采樣頭部分，其支持的動(dòng)態(tài)范圍可以很大，瓶頸在后面的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，今天采用的是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對(duì)業(yè)界的影響有可能是震動(dòng)性的。 燈亮呼吁國(guó)內(nèi)同行，考慮借鑒這樣的技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究磷化銦技術(shù)已經(jīng)很多年了，如果集中精力用磷化銦做采樣/開(kāi)關(guān)保持/濾波電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分建議自己研發(fā)芯片，在芯片內(nèi)部用低速的傳統(tǒng)ADC（不要用多個(gè) 商用ADC在PCB電路板上拼接），這樣有機(jī)會(huì)可以達(dá)到：高帶寬、高采樣率、高位數(shù)的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

　　我們來(lái)剖析一下圖1所示的四個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部機(jī)構(gòu)原理，如圖2所示，實(shí)際的電路封裝里面有兩個(gè)片子，一個(gè)片子是磷化銦緩沖芯片，功耗是1瓦，另一個(gè)是CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，功耗是9瓦。模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)是由安捷倫中央實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的， 0.18 u CMOS工藝，內(nèi)部有5000萬(wàn)個(gè)晶體管，采用順序延遲采樣原理設(shè)計(jì)，所謂順序延遲采樣是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部細(xì)分為80個(gè)slices，每個(gè)以250 MSa/s速率運(yùn)作，一次一個(gè) digit 。這里我們用的術(shù)語(yǔ)是 “digit”不是“bit”，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換基數(shù)是1.6 不是 2，所以在每個(gè)Slice中有12個(gè)基數(shù)是1.6的數(shù)值順序產(chǎn)生，然后將它們映射成8-bit 二進(jìn)制值，并傳送到輸出接口處，也就是80 路串行數(shù)據(jù)鏈路處，每個(gè)鏈路的串行數(shù)據(jù)速率是 2 Gb/s，總的速率就是160 Gb/s ，即 20 GB/s 總的數(shù)據(jù)速率。 被測(cè)信號(hào)從示波器輸入端經(jīng)過(guò)磷化銦前置電路模塊的前置放大器、觸發(fā)芯片，最后從該模塊中的Sampler芯片中輸出，信號(hào)經(jīng)由磷化銦緩沖晶片（如圖3所示），再直接驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的80個(gè)Slices，每一個(gè)Slice由幾部分組成，包括輸入跟蹤和保持（圖2中的T/H）、將電壓轉(zhuǎn)換成電流的跨導(dǎo)（transconductor，圖2中的V/I），順序延遲采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（基數(shù)改良的電流模式）和基數(shù)轉(zhuǎn)換器（Radixconverter）。1GHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)延遲鎖相回路、內(nèi)插器、分頻器以生成80路250MHz的時(shí)鐘，相鄰250MHz時(shí)鐘間的延遲是50ps，延遲鎖相回路產(chǎn)生5個(gè)差分時(shí)鐘相位，內(nèi)插器用來(lái)產(chǎn)生20個(gè)單端相位。

圖2 磷化銦示波器內(nèi)部每個(gè)20GSa/s的結(jié)構(gòu)原理圖，除CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片外，里面還有一個(gè)緩沖芯片

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的磷化銦緩沖芯片的主要作用是在驅(qū)動(dòng)CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入電容時(shí)，提供50歐姆匹配終端，緩沖芯片和CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間用鍵合線相連，這樣做的關(guān)鍵好處是讓增益響應(yīng)在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持平坦。