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　　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準。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”，但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。

　　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。

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　　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。

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　　使問題復(fù)雜化的事實是，當傳輸信號進入接收機時，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：當此信號流經(jīng)電路板或從硅裸片進入封裝引腳再進入電路板時產(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)標準的出現(xiàn)，8～10Gb/s正逐漸成為行業(yè)標準。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32Gb/s的比特率對信號進行測試。同時，高速FPGA和寬帶射頻也推動了極限值的擴大。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準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的采樣/保持電路和ADC器件引起的交叉失真。

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　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可以接入到與標準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。

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　　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33GHz和100GS/s，四通道高達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確。但是，當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。

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　　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。

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　　帶寬：示波器必須有足夠的帶寬來捕捉高頻部分，以便準確地顯示信號的轉(zhuǎn)換。但是，當銷售商為帶寬需求進行善意提示，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)在要求具有正或負的端接電壓才能運行和檢測。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±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)范圍達到最大，并使測量系統(tǒng)的噪聲達到最小。

　　精確性和強大的捕獲能力

　　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行特別的量身定做。