ADC實(shí)現測量數字化的必經(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(guò)下文的回顧，可以預期高速和較高分辨率的ADC將有更多突破，出現更多的應用。
專(zhuān)用ADC遙遙領(lǐng)先
推動(dòng)ADC取得優(yōu)異成果的主要力量來(lái)自電子測量?jì)x器業(yè)界，為了保持與時(shí)俱進(jìn)的高速信號的測試和分析，自從1960年代開(kāi)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(zhuān)用集成電路，以期達到測量?jì)x器領(lǐng)先于尖端信號測試的需求。安捷倫和泰克都擁有自己專(zhuān)用集成電路設計和制造部門(mén)，目的是保持測量?jì)x器的超性能，在各種儀器專(zhuān)用器件中對ADC投入的力量最強，因為“模擬輸入、數字處理”是現代測量?jì)x器的結構基礎，而溝通模擬和數字的橋梁則非ADC莫屬。對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(kāi)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)到現在的取樣率20GS/S和分辯率8位的最高水平，使數字示波器順利地越過(guò)實(shí)時(shí)帶寬1GHz的難關(guān)走向16GHz，同時(shí)對實(shí)現頻譜分析儀推進(jìn)到6GHz，以及測試有關(guān)2G、2.5G和3G移動(dòng)通信指標的無(wú)線(xiàn)測量系統，高清晰度數字電視測量系統。
我們先回顧泰克研發(fā)GS/S級ADC的專(zhuān)用集成電路的歷程，泰克原來(lái)是一個(gè)全能的示波器供應商，后來(lái)精簡(jiǎn)機構把半導體部門(mén)剝離，但留下一百多名工程師的集成電路開(kāi)發(fā)和支持隊伍，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等數字示波器前端集成電路，當時(shí)其它競爭對手仍然著(zhù)意開(kāi)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)高速數字電路和混合電路，比Si工藝更適合高性能測量?jì)x器的要求。在1990年后期開(kāi)始取得突破，SiGe的BiCMOS集成電路的晶體管振蕩速度達到60GHz，當時(shí)Si的雙極晶體管振速度只有25GHz?，F在SiGe工藝又有改進(jìn)，晶體管振蕩速度超過(guò)120GHz，單個(gè)樣管更高至200GHz，SiGe的BiCMOS的發(fā)展趨勢如圖1所示。
根據泰克的生產(chǎn)經(jīng)驗，10GHz測量系統的速度與單元晶體管速度之比約為10：1。預計Si的雙極和CMOS工藝已無(wú)希望，而轉為SiGe工藝尚待實(shí)踐，放棄熟悉的SiCMOS工藝，再投入可觀(guān)的研發(fā)經(jīng)費，需要科學(xué)的論證。終于，泰克方面邁開(kāi)重要的一步，放棄Si材料而使用SiGe，IC設計人員從頭學(xué)起，IBM方面對數字電路熟悉但缺乏雙極電路經(jīng)驗，而且泰克是第一家SiGe用戶(hù)，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，改進(jìn)設計。雙方合作從1996年開(kāi)始，1997年進(jìn)入攻堅階段，2000年在IBM代號為“5HP”的制程基礎上獲得一批數字示波器前端高速I(mǎi)C，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、高速存儲器、開(kāi)關(guān)陣列等關(guān)鍵器件。泰克公司在這些SiGe集成電路基礎上推出著(zhù)名的TDS7000系列數字熒光示波器，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”，一直保持數字示波器的領(lǐng)先地位，并且占有高檔數字示波器市場(chǎng)的50%以上的份額。IBM由于合作成功，繼續推廣SiGe工藝至其它RF器件并向第三方轉讓技術(shù)專(zhuān)利，使SiGe工藝更為成熟，運用它的第三代技術(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在測量?jì)x器業(yè)界公認SiGe制程是解決高速數字儀器前端ADC的優(yōu)選工藝，將會(huì )出現取樣率更高的ADC芯片。
安捷倫作為測量?jì)x器業(yè)巨頭，擁有自己的研發(fā)實(shí)驗室和獨立的半導體制造部門(mén)，比泰克條件更優(yōu)越，但是產(chǎn)品也多種多樣，1998年脫離惠普公司獨立經(jīng)營(yíng)不久，儀器市場(chǎng)大起大落，高速數字示波器進(jìn)展緩慢，當泰克宣布推出TDS7000系列高檔數字示波器和SiGe高速ADC之后，安捷倫加緊開(kāi)發(fā)具有自身特點(diǎn)的相應產(chǎn)品。它的數字示波器前端模/數電路，由安捷倫實(shí)驗室設計和直屬半導體廠(chǎng)制造，綜合最擅長(cháng)的微波技術(shù)和高頻半導體技術(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。模塊內安排有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，可以達到較高精度和較低噪聲，ADC前端的緩沖級采用SiGe工藝，并裝有2