ADC實(shí)現(xiàn)測量數(shù)字化的必經(jīng)之路

高速和低分辨率ADC經(jīng)歷二十年才實(shí)現(xiàn)取樣率從1GS/S到20GS/S的進(jìn)步，但缺少通用芯片可供使用，最近幾年情況有很大改善。溫故而知新，通過下文的回顧，可以預(yù)期高速和較高分辨率的ADC將有更多突破，出現(xiàn)更多的應(yīng)用。
專用ADC遙遙領(lǐng)先
推動(dòng)ADC取得優(yōu)異成果的主要力量來自電子測量儀器業(yè)界，為了保持與時(shí)俱進(jìn)的高速信號(hào)的測試和分析，自從1960年代開始，安捷倫科技和泰克兩家公司，一直不懈努力研發(fā)電子示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發(fā)生器所需的專用集成電路，以期達(dá)到測量儀器領(lǐng)先于尖端信號(hào)測試的需求。安捷倫和泰克都擁有自己專用集成電路設(shè)計(jì)和制造部門，目的是保持測量儀器的超性能，在各種儀器專用器件中對(duì)ADC投入的力量最強(qiáng)，因?yàn)椤澳M輸入、數(shù)字處理”是現(xiàn)代測量儀器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，而溝通模擬和數(shù)字的橋梁則非ADC莫屬。對(duì)此安捷倫和泰克兩公司為測量業(yè)界創(chuàng)造了奇跡，從新千禧年的2000年開始至2005年中期，依靠ADC性能的不斷提升，從取樣率2GS/S和分辨率8位起步，躍進(jìn)到現(xiàn)在的取樣率20GS/S和分辯率8位的最高水平，使數(shù)字示波器順利地越過實(shí)時(shí)帶寬1GHz的難關(guān)走向16GHz，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀推進(jìn)到6GHz，以及測試有關(guān)2G、2.5G和3G移動(dòng)通信指標(biāo)的無線測量系統(tǒng)，高清晰度數(shù)字電視測量系統(tǒng)。
我們先回顧泰克研發(fā)GS/S級(jí)ADC的專用集成電路的歷程，泰克原來是一個(gè)全能的示波器供應(yīng)商，后來精簡機(jī)構(gòu)把半導(dǎo)體部門剝離，但留下一百多名工程師的集成電路開發(fā)和支持隊(duì)伍，在高速器件方面與IBM微電子部密切合作。兩公司取得成功的關(guān)鍵是采用SiGe材料制作高速ADC等數(shù)字示波器前端集成電路，當(dāng)時(shí)其它競爭對(duì)手仍然著意開發(fā)Si的CMOS集成電路。IBM掌握SiGe的BiCMOS工藝，既可制成雙極模擬電路，亦可生產(chǎn)高速數(shù)字電路和混合電路，比Si工藝更適合高性能測量儀器的要求。在1990年后期開始取得突破，SiGe的BiCMOS集成電路的晶體管振蕩速度達(dá)到60GHz，當(dāng)時(shí)Si的雙極晶體管振速度只有25GHz?，F(xiàn)在SiGe工藝又有改進(jìn)，晶體管振蕩速度超過120GHz，單個(gè)樣管更高至200GHz，SiGe的BiCMOS的發(fā)展趨勢如圖1所示。
根據(jù)泰克的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，10GHz測量系統(tǒng)的速度與單元晶體管速度之比約為10：1。預(yù)計(jì)Si的雙極和CMOS工藝已無希望，而轉(zhuǎn)為SiGe工藝尚待實(shí)踐，放棄熟悉的SiCMOS工藝，再投入可觀的研發(fā)經(jīng)費(fèi)，需要科學(xué)的論證。終于，泰克方面邁開重要的一步，放棄Si材料而使用SiGe，IC設(shè)計(jì)人員從頭學(xué)起，IBM方面對(duì)數(shù)字電路熟悉但缺乏雙極電路經(jīng)驗(yàn)，而且泰克是第一家SiGe用戶，合作只許成功不能失敗。IBM發(fā)揮SiGe優(yōu)勢，改進(jìn)工藝至綜合雙極和CMOS兼容，泰克發(fā)揮儀器電路的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)。雙方合作從1996年開始，1997年進(jìn)入攻堅(jiān)階段，2000年在IBM代號(hào)為“5HP”的制程基礎(chǔ)上獲得一批數(shù)字示波器前端高速IC，包括ADC為核心的輸入寬帶放大器、取樣保持電路、精確時(shí)鐘電路、波形處理用的DSP、高速存儲(chǔ)器、開關(guān)陣列等關(guān)鍵器件。泰克公司在這些SiGe集成電路基礎(chǔ)上推出著名的TDS7000系列數(shù)字熒光示波器，早期產(chǎn)品的ADC取樣率是1GS/S和分辨率8位，兩塊1GS/S利用時(shí)鐘移相T/2的插值法擴(kuò)展成為取樣率2GS/S。
引用SiGe芯片，泰克“五年不鳴，一鳴警人”，一直保持?jǐn)?shù)字示波器的領(lǐng)先地位，并且占有高檔數(shù)字示波器市場的50%以上的份額。IBM由于合作成功，繼續(xù)推廣SiGe工藝至其它RF器件并向第三方轉(zhuǎn)讓技術(shù)專利，使SiGe工藝更為成熟，運(yùn)用它的第三代技術(shù)的“7HP”制程，為泰克制成取樣率8GS/S、10GS/S和20GS/S的分辨率8位ADC，以及10GHz以上寬帶探頭用放大器芯片?，F(xiàn)在測量儀器業(yè)界公認(rèn)SiGe制程是解決高速數(shù)字儀器前端ADC的優(yōu)選工藝，將會(huì)出現(xiàn)取樣率更高的ADC芯片。
安捷倫作為測量儀器業(yè)巨頭，擁有自己的研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和獨(dú)立的半導(dǎo)體制造部門，比泰克條件更優(yōu)越，但是產(chǎn)品也多種多樣，1998年脫離惠普公司獨(dú)立經(jīng)營不久，儀器市場大起大落，高速數(shù)字示波器進(jìn)展緩慢，當(dāng)泰克宣布推出TDS7000系列高檔數(shù)字示波器和SiGe高速ADC之后，安捷倫加緊開發(fā)具有自身特點(diǎn)的相應(yīng)產(chǎn)品。它的數(shù)字示波器前端模/數(shù)電路，由安捷倫實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和直屬半導(dǎo)體廠制造，綜合最擅長的微波技術(shù)和高頻半導(dǎo)體技術(shù)，分別發(fā)揮GaAs、SiGe、Si材料和CMOS、BiCMOS工藝的作用，制成混合集成電路模塊，密封在金屬法拉弟噪聲屏敝封裝內(nèi)。模塊內(nèi)安排有SiGe工藝的前端放大器，GaAs雙極觸發(fā)電路，GaAs步進(jìn)衰減器和限幅器，模塊核心電路由20個(gè)250MG/S的8位分辨率ADC塊組成5GS/S的ADC。由于250MG/S的ADC塊很容易用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到較高精度和較低噪聲，ADC前端的緩沖級(jí)采用SiGe工藝，并裝有2