示波器“關(guān)鍵指標”—測量精確度和信號完整性

整個(gè)電子行業(yè)對速度及性能的不懈追求正不斷改變高端示波器的標準。雖然當評估示波器時(shí)，帶寬曾經(jīng)是客戶(hù)和銷(xiāo)售商關(guān)注的“關(guān)鍵指標”，然而捕獲和分析當今最快串行和光信號所需要的精確度（即：測量精確度和信號完整性）已經(jīng)成為當前最重要的因素。

然而，什么是測量精確度？

帶寬是一種用于比較一臺儀器和另一臺儀器差別的簡(jiǎn)單方式 ——具有最高帶寬的那臺一定是最好的，對嗎？可以肯定的是，帶寬是很重要的，對于高速應用而言，高帶寬是必需的。然而，示波器的真正目的是要盡可能準確地顯示感興趣的信號，而且背后更為復雜，涉及儀器的基本設計、探頭架構和連接配件、以及帶寬之外的參數（包括上升時(shí)間、采樣率和抖動(dòng)本底噪聲）。

當選擇示波器時(shí)，工程師應評估的關(guān)鍵參數概述如下表所示：

抖動(dòng)本底噪聲

市場(chǎng)驅動(dòng)因素—— 需要更佳信號完整性

高速信號很容易產(chǎn)生信號完整性問(wèn)題，因為它們涉及快沿和極窄的單位間隔或位次（bit times）。隨著(zhù)通信鏈路數據速率的增加，將增加兩件事的發(fā)生：用戶(hù)界面縮小，信號上升時(shí)間減少。例如，通過(guò)將 5 Gb / s 脈沖與 8 Gb / s 脈沖進(jìn)行比較得出，位寬從 200 ps 降為 125 ps。這使得一項設計的裕量減小了 38％。此外，這也使得接收機的工作更加困難，因為它試圖以更小的裕量，用非?？斓臄祿俾蕦?1 與 0（零） 進(jìn)行區分。同時(shí)，上升時(shí)間也從約 30ps 減少為剛好超過(guò)28 ps。8 GB / s 信號展示如下：

使問(wèn)題復雜化的事實(shí)是，當被傳輸信號進(jìn)入接收機時(shí)，可能產(chǎn)生多個(gè)信號完整性問(wèn)題。這些信號完整性問(wèn)題可能包括當此信號流經(jīng)電路板或從硅芯片進(jìn)入封裝引腳再進(jìn)入電路板時(shí)產(chǎn)生的信號衰減。通道內的信號衰減是一個(gè)非常嚴重的問(wèn)題，必須加以解決。PCB 材料（如：FR – 4）內的信號損失量隨線(xiàn)路長(cháng)度的增加及數據速率的提高而增加。因信號幅度的縮小，噪音和反射正成為一個(gè)更大的影響因素?？蛻?hù)需要在接收機中采用去嵌入策略，以打開(kāi)閉合的眼圖。

隨著(zhù)第三代串行數據標準的出現，8-10 Gb / s正逐漸成為行業(yè)標準。在光通信市場(chǎng)中，因以太網(wǎng)（Ethernet）發(fā)展到 4 × 25G（100GbE），設計人員需要能夠使用高達 32 Gb / s 的比特率對信號進(jìn)行測試。同時(shí)，高速 FPGA 和寬帶射頻也推動(dòng)了極限值的擴大。泰克公司的 DPO/DSA73304D 為這些高端應用程序提供業(yè)界最精準的測量性能。

技術(shù)平臺與突破

泰克公司為了提供業(yè)界領(lǐng)先的 DPO/DSA73304D 示波器性能，采用了 IBM 8HP 鍺化硅技術(shù)。這是一種 130 納米鍺化硅雙極互補金屬氧化物半導體（BiCMOS）工藝，利用 200 GHz 的 FT 轉換速度提供了 2 倍于上代產(chǎn)品的性能。

鍺化硅（SiGe）技術(shù)利用可靠性高且成熟的制造工藝，提供能與特殊材料（如：磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs））性能媲美的性能級別。與其它方案不同的是，鍺硅BiCMOS工藝提供了在一塊芯片上同時(shí)制備高速雙極性晶體管和標準CMOS的途徑，從而使一系列同時(shí)具備高集成度和極致性能的電路成為可能。正是這二者的結合，使泰克公司能夠在長(cháng)達十多年的時(shí)間內持續且可靠地提供功能豐富的高速數據采集系統。

圖 1 所示的組件是采用了鍺化硅 BiCMOS工藝的 70000D 示波器的新式前端，該前端為 33GHz、100 GS / s。該芯片包含 2 個(gè)通道（2 塊小芯片）的前置放大器及一個(gè) 100 GS / s 的跟蹤/保持集成電路（IC）（large die）。泰克公司通過(guò)將前置放大器和采樣/保持功能集成于單一封裝中，提高通道間的匹配能力，減少由其他示波器中使用的獨立采樣/保持電路和 ADC 器件引起的交叉失真。一般情況下，減少所需的組件和接口數量可減少噪音和計時(shí)的不確定性，從而提高了 ENOB 性能。

我們?yōu)榇朔N前端設計提供的另一項創(chuàng )新是大偏移范圍和終端性能。通過(guò)前置放大器芯片上的分離路徑輸入結構和多芯片模塊上的 AC -接地端接電阻器，從而實(shí)現了此種性能。該性能可以更加輕松地對大型直流偏置或直流偏置終端信號做出準確的測量。

由于實(shí)現了向8HP的轉換，DPO/DSA73304D示波器可以提供卓越的信號采集性能和分析能力。它幫助設計人員利用全部四通道前所未有的捕獲功能夠捕捉實(shí)時(shí)信號，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力捕獲更多信號細節。利用一套工具集（為提供更快的設計和一致性測試而設計）實(shí)現設置、高速串行數據設計的捕獲及分析的自動(dòng)化。主要性能包括：

· 雙通道高達 33 GHz 和 100 GS / s，所有四通道 > 20 GHz 和 50 GS / s

· 小于9 ps的上升時(shí)間（通常為 20/80）

· 低于 0.56％ 的垂直噪聲，≥5.5 的有效位數

· 30 多個(gè)可定制特殊應用軟件分析包

示波器性能因素

由于示波器是設計方面（尤其是信號完整性方面）至關(guān)重要的工具，設計人員應熟悉示波器指標以及它們影響測量的方式。讓我們觀(guān)察一下最重要的三大因素 - 上升時(shí)間、采樣率和帶寬 – 從而對它們進(jìn)行更深入的了解。

此示波器的上升時(shí)間越快，測量到的上升時(shí)間會(huì )越準確。但是，當示波器的帶寬或上升時(shí)間和信號的上升時(shí)間彼此更接近時(shí)，會(huì )怎樣呢？ 有人曾用經(jīng)驗法則（如：0.35/上升時(shí)間）來(lái)計算所需的示波器帶寬，但這種經(jīng)驗法則只適用于某些示波器的前端設計，并且通常不適用于為高速串行數據速率和伴隨的快速上升時(shí)間而優(yōu)化過(guò)的當今前端設計。

應當注意的是，具有相同帶寬性能的兩臺示波器可以具有完全不同的上升時(shí)間、振幅和相位響應。所以，僅了解示波器的帶寬無(wú)法可靠地揭示出其測量性能。此外，通過(guò)計算確定的上升時(shí)間可能也不準確。了解示波器上升和下降時(shí)間響應的最可靠方法是使用一個(gè)理想的階躍信號對其進(jìn)行測量，該理想的階躍信號比被測示波器信號快很多。

在使用 DPO/DSA73304D 的情況下，使用這種方法確定 9 ps 的上升時(shí)間。但是，信號速度可以被測量的意思是什么呢？根據正確的經(jīng)驗法則，信號上升時(shí)間與示波器上升時(shí)間的比值為 2x 或 >18 ps。事實(shí)證明，對于當今最快的 FPGA 設計中使用的28 Gb / s 的串行解串器（SerDes）而言，這是指定的上升時(shí)間。

接下來(lái)，讓我們看看另一個(gè)關(guān)鍵性能因素——示波器的實(shí)時(shí)采樣率。因為更快的采樣率帶來(lái)更多的波形細節，所以這一因素非常重要。另一方面，對最快的信號而言，采樣率不足可能會(huì )導致欠采樣。此 DPO/DSA73304D 提供一流領(lǐng)先的采樣率性能。利用交錯技術(shù)提供采樣率性能，此種交錯技術(shù)使用 8 路采樣/保持方法，將雜散高頻的影響降至最低。參見(jiàn)以下數據，可得出被成功和失敗執行的交錯技術(shù)的差異：

成功的交錯，頻率雜散較少 失敗的交錯，頻率雜散且有噪聲

奈奎斯特定理（Nyquist theorem）指出，采樣系統應對輸入信號的最高頻率采樣 2 次以上。雖然這是最低起始點(diǎn)，但是在任何情況下，采樣率越高，結果越準確。通過(guò)使用 2.5 倍較高采樣率，此輸入頻率或更多輸入頻率可提供被關(guān)注信號上的更多采樣點(diǎn)，且避免混疊。對于極高速信號表征而言，這是特別重要的。

下圖顯示了較高的采樣率值。**跟蹤線(xiàn)（C1）在 50 GS / s 上，而白色跟蹤線(xiàn)（R1）在 100 GS / s 上。過(guò)采樣原因包括：

· 為確保信號中已知和未知的高頻部分被捕獲，且沒(méi)有混疊

· 為實(shí)現卓越的定時(shí)分辨率（特別是快速瞬態(tài)信號或邊緣上的定時(shí)分辨率）

· 作為一種減少測量中噪音的手段。采樣過(guò)密會(huì )減少量化噪聲，產(chǎn)生的此類(lèi)量化噪聲是示波器中 A 向 D 轉換的一部分

在此帶寬前端，示波器必須有足夠的帶寬來(lái)捕捉高頻部分，以便準確地顯示信號的轉換。 然而，當銷(xiāo)售商為帶寬需求進(jìn)行善意提示，推薦 5 次諧波時(shí)，事情在不斷發(fā)生變化。邊沿速率（上升/下降時(shí)間）的變化并沒(méi)有與數據速率的變化同步。這意味著(zhù)，所需的最大帶寬受到上升時(shí)間的影響更大。例如，目前第三代規格的上升時(shí)間在 30ps 的范圍內。隨著(zhù)速率的不斷提高，這似乎并沒(méi)有很大變化，這表明，相對于數據速率的信號諧波含量正在下降。

詳細了解精確度和強大捕獲能力

新型 DPO/DSA73304D 平臺兼備業(yè)界領(lǐng)先的實(shí)時(shí)示波器信號完整性和計時(shí)精度，使用戶(hù)能夠更準確和更有把握地完成他們的設計。它可以幫助他們：

· 利用業(yè)界最精準的捕獲系統，發(fā)現感興趣的重要信號，此類(lèi)捕獲系統的特征是采用了在示波器和探頭中使用的可靠鍺化硅技術(shù)。

· 使用市場(chǎng)上最佳綜合觸發(fā)系統，捕獲高速信號評估所需的精確的信號事件。

· 利用高采樣率搜尋記錄，以確定關(guān)鍵事件/錯誤，用于系統驗證。

· 利用 30 + GHz 示波器中最高信號與嗓音的比值，快速分析關(guān)鍵測量結

果。它能夠提供高靈敏度、低噪聲的測量結果，這樣的結果為高速光纖的

準確定性及能源和串行數據測量的執行提供依據。

尖端軟件與 DPO/DSA70000 系列平臺上用戶(hù)界面工具相互結合，為復雜測量方案（包括調試/分析）提供了最短的快速響應時(shí)間。

DPO/DSA73304D 通過(guò)結合高帶寬、高采樣率和快速上升時(shí)間，可為當今最高的信號完整性測量要求而特別進(jìn)行量身定做。