簡(jiǎn)潔是信號完整性設計的基礎: 示波器硬件架構設計

　　圖1是90000 X系列示波器被拆開(kāi)后的采集板實(shí)際照片，上一篇介紹的前端模塊位于最上方黑色的散熱片下面，里面封裝了5個(gè)磷化銦芯片，前置放大器芯片、觸發(fā)芯片和采樣保持芯片在里面，這樣的設計其實(shí)是從事多年高速模擬電路系統設計經(jīng)驗的體現，是在眾多設計可能中，最后選擇的優(yōu)化方案。該模塊的設計保證了低噪聲和最小化固有抖動(dòng)，如果從系統設計的角度看，尤其是和三個(gè)功能芯片距離較遠，需透過(guò)PCB互聯(lián)的時(shí)候，它帶來(lái)的優(yōu)越性就更明顯一些，因為沒(méi)有長(cháng)距離互聯(lián)帶來(lái)的反射和傳輸線(xiàn)阻抗難以精確控制等弊端。目前DSP和DBI提升帶寬的示波器，其觸發(fā)電路、前置放大器和采樣保持電路是完全分開(kāi)的，使用網(wǎng)絡(luò )分析儀或TDR(時(shí)域反射)示波器可以實(shí)際測出任意一臺示波器內部前置電路的阻抗控制情況。圖2給出實(shí)際測出的20GHz DSP提升帶寬的示波器前置電路的阻抗曲線(xiàn)，紅色曲線(xiàn)代表S11參數，藍色曲線(xiàn)代表S12參數，可以看出，前置放大器距離前面板輸入端較遠，傳輸線(xiàn)本身已經(jīng)產(chǎn)生了6.5ns左右的延遲，阻抗失配現象也甚為明顯。90000 X的前面板輸入端直接接入前置模塊，經(jīng)過(guò)一類(lèi)似同軸電纜的三維傳輸線(xiàn)進(jìn)入前置放大器，距離很短，差分時(shí)鐘信號的波導化設計，經(jīng)三維實(shí)現45度到60度的立體斜坡并于其上鍍金，再加上模塊的金屬蓋形成腔體化，消除了傳輸線(xiàn)的相分散(Phase Dispersion)，并將輻射損耗和串擾最小化。

　　圖1. 90000 X 系列示波器內部采集板實(shí)際照片，因為觸發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片全都封裝在一個(gè)模塊里，使得互聯(lián)短，阻抗控制容易，安捷倫的快膜技術(shù)可實(shí)現比傳統厚膜技術(shù)更寬的傳輸線(xiàn)，阻抗變化控制在+/- 1.5Ω范圍內，是標準的厚膜工藝的一半，是PCB(印刷電路板)的一半到三分之一

　　圖2 DSP提升帶寬的示波器，前置電路設計部分采用多個(gè)芯片于PCB上互聯(lián)的辦法，用網(wǎng)絡(luò )分析儀或TDR示波器實(shí)際測出的S11和S12參數曲線(xiàn)，若在極小的空間里實(shí)現“觸發(fā)芯片、前置放大器芯片和采樣保持芯片”的互聯(lián)，則情況會(huì )有很大好轉。

　　圖3 示波器的頻響曲線(xiàn)圖，紅色代表示波器前置放大器的硬件帶寬，藍色代表經(jīng)DSP提升帶寬后期望的頻響曲線(xiàn)，綠色代表為了將紅色曲線(xiàn)提升到藍色曲線(xiàn)的位置需使用的濾波器，也就是說(shuō)將本來(lái)低于-3dB衰減的高頻信號成份放大，將-3dB頻點(diǎn)提高到一定程度

　　前面提到，超過(guò)16GHz高帶寬實(shí)時(shí)示波器的設計，可以概括為三種情況，第一種情況，前置放大器帶寬技術(shù)沒(méi)有瓶頸，比如安捷倫科技已經(jīng)做出32GHz的模擬帶寬的前置放大器，因此無(wú)需想其它辦法彌補前置放大器帶寬不夠的問(wèn)題。但如果沒(méi)有成熟技術(shù)實(shí)現超過(guò)16GHz帶寬的前置放大器，則需要想其它辦法。其實(shí)，安捷倫對第二種情況和第三種情況在設計初期曾經(jīng)研究過(guò)，畢竟那樣會(huì )省去大量的研發(fā)成本(流片的成本是很高昂的)。最后之所以選擇較為不確定的一條路，是因為：安捷倫之所以能在高端示波器領(lǐng)域立足，一直依賴(lài)在儀器自身信號完整性方面的口碑；另一方面，磷化銦半導體制程成功用在安捷倫的射頻微波儀器已經(jīng)有多年了，只是從未想過(guò)要引入到高端示波器領(lǐng)域。

　　DSP方法提升示波器帶寬，并沒(méi)有對示波器硬件架構做出任何改變，為什么安捷倫沒(méi)有選擇DSP提升帶寬到16GHz以上的方法？實(shí)際上，早于2004年安捷倫推出的全球首臺13GHz帶寬示波器，就是在12GHz前置放大器帶寬基礎上提升上去的。在那個(gè)時(shí)候，有些技術(shù)爭論認為，該技術(shù)帶來(lái)的副作用是，提升帶寬的同時(shí)也提升了底噪聲，但由于只是從12GHz提升到13GHz, 基本上還算被業(yè)界接受。安捷倫試圖嘗試將DSP帶寬做到更高，最后選擇放棄是因為，那樣做就完全失去了安捷倫在高端示波器領(lǐng)域的定位，底噪聲太高，儀器自身信號完整性有問(wèn)題。

　　到了2007年，全球第一臺20GHz帶寬示波器誕生，是在16GHz前置放大器帶寬的基礎上提升帶寬到20GHz，當時(shí)沒(méi)有第二家公司可以做出20GHz 帶寬的實(shí)時(shí)示波器，性能沒(méi)有對比。后來(lái)，其它廠(chǎng)家陸續推出20GHz帶寬示波器，有了對比，DSP帶來(lái)的副作用才逐漸成為工程師擔心的一個(gè)因素。