整個電子行業(yè)對速度和性能的不懈追求，正不斷改變著高端示波器的標(biāo)準(zhǔn)。雖然在評估示波器時，帶寬曾經(jīng)是客戶和銷售商關(guān)注的“關(guān)鍵指標(biāo)”，但捕獲和分析當(dāng)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(dāng)前最重要的因素。
那么，什么是測量精確度？帶寬是一種用來比較一臺儀器與另一臺儀器差別的簡單方式。具有最高帶寬的那臺一定是最好的，對吧？可以肯定的是，帶寬非常重要，對于高速應(yīng)用而言，高帶寬是必需的要素。不過，示波器的真正目的，是要盡可能準(zhǔn)確地反映出感興趣的信號。這實現(xiàn)起來非常復(fù)雜，涉及到儀器的基本設(shè)計、探頭架構(gòu)和連接配件，以及帶寬之外的參數(shù)(包括上升時間、采樣率和抖動本底噪聲)。
當(dāng)選擇示波器時，工程師應(yīng)評估的關(guān)鍵參數(shù)概述如表1所示。
市場驅(qū)動因素：更好的信號完整性
高速信號很容易產(chǎn)生信號完整性問題，因為它們涉及到極快的邊沿和極窄的單位時間間隔或位時間。隨著通信鏈路數(shù)據(jù)速率的增加，將發(fā)生兩件事：用戶界面(UI)縮小及信號的上升時間縮短。例如，將5Gb/s脈沖與8Gb/s脈沖進(jìn)行比較可得，位寬將從200ps下降到125ps。這使得設(shè)計的裕量或誤差預(yù)算降低了38%。此外，這也使接收機(jī)的工作更加困難，因為它試圖以更小的裕量和非?？斓臄?shù)據(jù)速率將1和0進(jìn)行區(qū)分。同時，上升時間也從約30ps減少到剛好超過28ps。8GB/s信號如圖1所示。
使問題復(fù)雜化的事實是，當(dāng)傳輸信號進(jìn)入接收機(jī)時，可能產(chǎn)生多個信號的完整性問題。這些信號的完整性問題可能包括：當(dāng)此信號流經(jīng)電路板或從硅裸片進(jìn)入封裝引腳再進(jìn)入電路板時產(chǎn)生的信號衰減。通道內(nèi)的信號衰減是一個非常嚴(yán)重的問題，必須予以解決。PCB材料(如FR-4)內(nèi)的信號損失隨路徑長度的增加及數(shù)據(jù)速率的提高而增大。由于信號幅度縮小，噪聲和反射正成為一個更大的影響因素?？蛻粜枰诮邮諜C(jī)中采用去嵌入策略，以打開閉合的眼圖。
隨著第三代串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，8～10Gb/s正逐漸成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在光通信市場中，隨著以太網(wǎng)發(fā)展到4×25G(100GbE)，設(shè)計人員需要能夠使用高達(dá)32Gb/s的比特率對信號進(jìn)行測試。同時，高速FPGA和寬帶射頻也推動了極限值的擴(kuò)大。泰克公司的DPO/DSA73304D能夠為這些高端應(yīng)用提供業(yè)界最精確的測量性能。
技術(shù)平臺與突破
為提供業(yè)界領(lǐng)先的DPO/DSA73304D示波器性能，泰克采用了IBM的8HP鍺化硅技術(shù)。這是一種130納米鍺化硅雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)工藝，利用200GHz的FT轉(zhuǎn)換速度提供了兩倍上一代產(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，提供了能與特殊材料(如磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs))性能相媲美的性能水平。與其它方案不同的是，鍺化硅BiCMOS工藝提供了在一塊芯片上同時制備高速雙極型晶體管和標(biāo)準(zhǔn)CMOS的途徑，從而使一系列同時具備高集成度和杰出性能的電路成為可能。
圖2所示的器件是采用SiGe BiCMOS的DPO/DSA70000D示波器新型33GHz、100GS/s前端。該器件稱為多芯片模塊或MCM，包含用于兩條通道的前置放大器(2塊小裸片)及一塊100GS/s采樣保持集成電路(較大裸片)。泰克通過將前置放大器和采樣/保持功能集成到單一封裝之中來提高通道之間的匹配能力，并減少由其他示波器使用單獨(dú)的采樣/保持電路和ADC器件引起的交叉失真。
泰克能夠把更多的功能封裝到同一芯片上，減少了元器件和接口的數(shù)量，進(jìn)而降低了噪聲和定時的不確定度，提高了產(chǎn)品性能。
IBM的8HP技術(shù)是一種130納米(nm)SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)工藝，其性能是上一代工藝的2倍。SiGe技術(shù)采用了擁有50年歷史的硅行業(yè)相關(guān)的高度可靠、成熟的鑄造工藝，而其性能水平相當(dāng)于特殊材料的性能，如磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)。與替代材料不同，SiGe BiCMOS可以接入到與標(biāo)準(zhǔn)CMOS相同的晶粒上的高速雙極型晶體管，這實現(xiàn)了一種既有優(yōu)異性能、又有大規(guī)模集成能力的電路。
為保證最高階測量級信號的完整性，從DPO/DSA70000D探頭接口輸入的電信號使用高性能電纜直接傳送到多芯片模塊(圖3)。通過利用這種前所未有的方式，只有在采樣保持芯片捕獲測試信號后，測試信號才接觸示波器采集電路的PCB，從而實現(xiàn)了100GS/s的采樣率和行業(yè)領(lǐng)先的噪聲性能。
我們?yōu)榇朔N前端設(shè)計提供的另一項創(chuàng)新是較大的偏移范圍和終端性能。該性能通過前置放大器芯片上的分離路徑輸入結(jié)構(gòu)和多芯片模塊上的AC接地端接電阻器來實現(xiàn)，可以更加輕松地對大型直流偏置或直流偏置終端信號作出準(zhǔn)確的測量。
由于實現(xiàn)了向8HP技術(shù)的轉(zhuǎn)變，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(shè)計人員利用全部四個通道前所未有的捕獲功能捕捉實時信號，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力來捕捉更多的信號細(xì)節(jié)。利用一套工具集(為提供更快的設(shè)計和一致性測試而設(shè)計)實現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)信號的自動設(shè)置、捕獲及分析。
示波器主要性能包括：雙通道高達(dá)33GHz和100GS/s，四通道高達(dá)23GHz和50GS/s；小于9ps的上升時間(通常為20/80)；低于0.56％的垂直噪聲，≥5.5的有效位數(shù)；30多個可定制特殊應(yīng)用軟件分析包。
示波器性能考慮
由于示波器是設(shè)計方面(尤其是信號完整性方面)至關(guān)重要的工具，設(shè)計人員應(yīng)熟悉示波器的指標(biāo)及它們影響測量的方式。讓我們觀察一下最重要的三大因素：上升時間、采樣率和帶寬，從而對它們進(jìn)行更深入的了解。
上升時間：示波器的上升時間越快，測量到的上升時間就越準(zhǔn)確。但是，當(dāng)示波器的帶寬或上升時間和信號的上升時間彼此更接近時，會怎樣呢？有人曾用經(jīng)驗法則(如：0.35/上升時間)來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(shè)計，并且通常不適用于當(dāng)今為高速串行數(shù)據(jù)速率和伴隨的快速上升時間而優(yōu)化的前端設(shè)計。
應(yīng)當(dāng)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間、幅度和相位響應(yīng)。所以，僅了解示波器的帶寬無法可靠地揭示出其測量性能。此外，通過計算確定的上升時間可能也不準(zhǔn)確。了解示波器上升和下降時間響應(yīng)的最可靠方法是，使用一個比被測示波器信號快得多的理想的階躍信號對其進(jìn)行測量。
在使用DPO/DSA73304D的情況下，使用這種方法確定出9ps的上升時間。但是，信號速度可以被測量的意思是什么呢？根據(jù)正確的經(jīng)驗法則，信號上升時間與示波器上升時間的比值為2x或>18ps。事實證明，對于當(dāng)今最快的FPGA設(shè)計中使用的28Gb/s的串行解串器(SerDes)而言，這是指定的上升時間。
采樣率：因為更快的采樣率將帶來更多的波形細(xì)節(jié)，所以這一因素非常重要。另一方面，對最快的信號而言，采樣率不足可能導(dǎo)致欠采樣。DPO/DSA73304D提供了一流的采樣率性能。利用交錯技術(shù)提供的采樣率性能可將雜散高頻的影響降至最低，該技術(shù)采用的是8路采樣/保持方法。參見圖4中的數(shù)據(jù)，可得出成功和失敗執(zhí)行的交錯技術(shù)的差異。
奈奎斯特定理(Nyquist theorem)指出，采樣系統(tǒng)應(yīng)以輸入信號最高頻率的2倍以上進(jìn)行采樣。雖然這是最低的起點，但是在任何情況下，采樣率越高，結(jié)果越準(zhǔn)確。通過使用2.5倍于輸入頻率的較高采樣率或更高的采樣率，可以提供更多的感興趣信號上的采樣點，且能避免混疊。對于極高速信號的表征而言，這將特別重要。
圖5顯示了較高的采樣率值。黃色跟蹤線(C1)在50GS/s上，而白色跟蹤線(R1)在100GS/s上。過采樣的原因包括：為確保信號中已知和未知的高頻部分被捕獲，且沒有混疊；為實現(xiàn)卓越的定時分辨率(特別是快速瞬態(tài)信號或邊緣上的定時分辨率)；作為一種減少測量中噪聲的手段，采樣過密會減少示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換時附帶產(chǎn)生的量化噪聲。
帶寬：示波器必須有足夠的帶寬來捕捉高頻部分，以便準(zhǔn)確地顯示信號的轉(zhuǎn)換。但是，當(dāng)銷售商為帶寬需求進(jìn)行善意提示，推薦5次諧波時，事情在不斷發(fā)生變化。邊沿速率(上升/下降時間)的變化并沒有與數(shù)據(jù)速率的變化同步。這意味著，所需的最大帶寬受上升時間的影響更大。例如，目前第三代規(guī)格的上升時間在30ps的范圍內(nèi)。隨著速率的不斷提高，這似乎并沒有很大變化，這表明，相對于數(shù)據(jù)速率的信號諧波含量正在下降。
設(shè)定垂直量程：除帶寬、采樣率和上升時間外，對高性能示波器來說，觀察當(dāng)前高頻信令中常見的低壓信令非常重要。在這一領(lǐng)域中，DPO/DSA70000D系列提供了無可比擬的靈活設(shè)定垂直量程的能力，是唯一提供可變端接電壓(Vterm)的高性能示波器。在傳統(tǒng)上，示波器輸入一直是接地的，而被測信號通常沒有參考地電平。多種現(xiàn)代應(yīng)用(包括DC耦合信號應(yīng)用)現(xiàn)在要求具有正或負(fù)的端接電壓才能運(yùn)行和檢測。把這些高速信號引到大地至少會損害測量結(jié)果，要求專用夾具電平移位和/或衰減信號，則可能會損壞被測器件(DUT)。
過去，調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)的端接電壓需要采用專用探頭或定制衰減器網(wǎng)絡(luò)，這引入了額外的測量噪聲，需要額外的成本。DPO/DSA70000D系列為DUT提供了高達(dá)±3.4V的可變Vterm，并在前端MCM采用了分路電路設(shè)計，支持較大的偏置范圍。
用戶可以調(diào)節(jié)示波器、鏡像DUT的條件和特點，在其最終運(yùn)行的類似環(huán)境中測量高速信號，而沒有引入衰減或可能使信號失真的定制電路。
隨著現(xiàn)代高速信號的電壓范圍下降，工程師還需要具有廣闊靈活的測量視角。DPO/DSA70000D系列與Vterm功能相結(jié)合，提供了±3.4V的擴(kuò)展偏置范圍。這不僅是一種放大功能，還可以在全部動態(tài)范圍查看和測量可變電壓。通過結(jié)合使用Vterm和偏置，把示波器的參考點中心放在DUT工作范圍的參考點上，可以使可用的動態(tài)范圍達(dá)到最大，并使測量系統(tǒng)的噪聲達(dá)到最小。
精確性和強(qiáng)大的捕獲能力
高性能技術(shù)應(yīng)用正在推動現(xiàn)代測試設(shè)備的發(fā)展。硅檢定、串行數(shù)據(jù)一致性測試、光學(xué)調(diào)制分析、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲器和寬帶RF檢驗等任務(wù)，不僅要求具有杰出的帶寬、采樣率和信號保真度，還要求具有巨大的靈活性，來調(diào)節(jié)示波器的測量條件和視角。
泰克DPO/DSA70000D系列示波器在實時示波器中同時實現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的信號完整性和定時精度，使用戶能夠更準(zhǔn)確的、以更高的信心來完成設(shè)計，設(shè)計人員能夠：利用業(yè)界最精準(zhǔn)的采集系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)感興趣的重要信號。此類采集系統(tǒng)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)；使用市場上最廣泛的觸發(fā)系統(tǒng)，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/誤差，用于系統(tǒng)驗證；評估要求正或負(fù)端接電壓的DC耦合信號，而不會把信號牽引到地或損壞被測器件；利用30GHz以上的示波器中最高的信噪比，快速分析關(guān)鍵測量結(jié)果。它能夠提供高靈敏度、低噪聲的測量結(jié)果，從而為進(jìn)行精確的高速光學(xué)、能量和串行數(shù)據(jù)測量定性分析提供依據(jù)。
尖端軟件與DPO/DSA70000系列平臺上的用戶界面工具相結(jié)合，為復(fù)雜測量方案(包括調(diào)試/分析)提供了最短的快速響應(yīng)時間。DPO/DSA73304D通過與高帶寬、高采樣率和快速上升時間相結(jié)合，可以為現(xiàn)今最高的信號完整性測量需求而進(jìn)行特別的量身定做。