32GHz带宽不是神话——Agilent 90000X系列示波器_图文

32GHz 带宽不是神话-Agilent 90000X 系列示波器 ――李凯 一、前言 2010 年 4 月 27 日,Agilent 公司发布目前业界最高硬件带宽的实时示波器 Agilent 90000X 系列示波器。Agilent 90000X 系列示波器最高实时硬件带宽 32GHz,内部采用了磷化铟(InP)、快膜封装等一系列最尖端的技术,其实时带宽、 采样率、内存深度、底噪声、抖动本底、动态范围等指标都一举改变了示波器的历 史。

Agilent 90000X 系列示波器内部究竟有哪些秘密?我们这篇文章就对其做深入探 讨。

二、前端芯片 Agilent 90000X 系列示波器的核心技术在于其前端芯片,前端芯片采用多芯 片封装技术,打开其 MCBGA(多芯片 BGA)芯片的屏蔽壳后可以看到其内部主要由 5 个磷化铟(InP)材料的芯片采用 3 维工艺封装而成。其中包含 2 片 32GHz 带宽 InP 材料做成的放大器,可以同时支持 2 个通道的信号输入;2 片 InP 材料做成的触发 芯片以及 1 片 InP 材料做成的 80G/s 的采样保持电路;所有芯片采用 Agilent 专利 的快膜封装技术封装在一个密闭的屏蔽腔体内。

三、高带宽的实现方法 示波器的带宽取决于其前置放大器的带宽,在 Agilent 90000X 系列示波器推 出以前,由于放大器的硬件带宽最高只能做到 16GHz,因此实现超过 16GHz 的高带 宽示波器的方法主要有 2 种:第 1 种是通过 DSP 增强带宽;第 2 种是频带交织。 1、 DSP 带宽增强。 DSP 带宽增强技术实际上是一种数字处理技术。在示波器里采用 DSP 处理技术 的初衷是为了进行频响校正,因为一般宽带放大器即使在带内,各个频点的增益也 不是完全一致的,所以放大器会有一个带内平坦度指标来衡量增益的波动情况,通 过 DSP 可以对示波器的频响特性做一点修正。后来,为了充分利用放大器带宽 (BW)以外频点的能量,开始通过 DSP 技术来把放大器硬件带宽以外一部分频率成 分的能量增强上去,这样其-3dB 对应的频点就会右移,相当于带宽 BW 提高了。带 宽增强技术在提高带宽的同时也把系统的高频噪声放大了,带宽增加越多,噪声的 放大得越多。所以采用带宽增强技术后系统噪声会明显增加,同时其不适用于大比 例增加系统带宽。

2、

频带交织。 频带交织技术使用的主要原因也是由于硬件上无法做出真正高带宽的放大 器,因此就把信号分成 2 个频段处理。即把输入信号分成低频段和高频段 2 路 分别处理,在用 DSP 技术合成在一起。比如放大器硬件带宽只能做到 16GHz, 而希望实现 25GHz 的带宽,这就要把 16GHz 以下的能量滤波后用一个放大器放 大后采样,16~25GHz 的能量经滤波、下变频后再用另一个放大器放大后采 样。这种方法推广开来可以 3 个频段或 4 个频段复用实现更高的带宽。但是稍 有点射频知识的人都知道硬件上是做不出来那么理想的滤波器正好把需要的频 率都放进来,同时不需要的频率分量都滤掉的,而且宽带信号的下变频的过程 会产生非常多的问题。因此这种方法在频段的交界点附近会有很大的问题,最 典型的表现就是在频段交界点附近噪声会明显抬高,信号失真明显变大。另外 最后波形的重建必须依赖于 DSP:把高、低频段采样到的信号分别做 FFT,在 频域内拼接起来再做反 FFT 变换回到时域,DSP 做完所有这些处理需要耗费大 量的时间。还有就是信号触发的问题无法解决,因为触发通常是硬件电路实 现,由于原始的全频段信号并没有都进入触发电路,所以不能全频段触发。

3、Agilent 90000X 系列示波器的直接硬件实现 Agilent 90000X 系列示波器的最高带宽做到 32GHz,其采用的方法是通过技 术革新,直接提高前置放大器的硬件带宽。这是最容易理解的方法,听起来很简 单,但也是最难做的,因为高带宽硬件设计方面要求非常苛刻,来不得半点投机 取巧。但是一旦实现,其效果也是最好的,其底噪声可以控制得非常好。 90000X 系列示波器的前端芯片内部包含 2 片 32GHz 带宽的磷化铟(InP)材料的放 大器。磷化铟(InP)材料是这些年国际和国内比较热门的材料。相对于传统的 SiGe 材料或 GaAs 材料来说,磷化铟(InP)材料有更好的电性能,可以提供更高的 饱和电子速度,更低的表面复合速度以及更高的电绝缘强度。但是磷化铟(InP) 材料的制造工艺和传统工艺不太一样,如果不攻克这些技术的话成品率会非常 低,难以产品化。Agilent 在磷化铟(InP)材料和前端芯片的研发上投入了大量资 金,调集材料、工艺、微波、示波器等各方面人才,耗时 2 年多才完成其设计和 产品化工作。目前设计出来的放大器其晶体管切换频率达 200GHz,模拟带宽高达 32GHz。未来而且该技术可以扩展到更高的性能,三极管切换频率可扩到 350GHz,模拟带宽可达 50GHz 左右。磷化铟(InP)材料应用在示波器的前端电路 里使得示波器的频响更加平坦,底噪声更低,同时其较低的功率损耗给产品带来 更高的可靠性。

四、高采样率的实现方法 要保证 32GHz 的带宽,根基 Nyqist 定律,放大器后面 A/D 采样的速率至少需 要 64G/s 以上。目前市面上根本没有这么高采样率的单芯片的 ADC,因此目前所有 的高带宽示波器无一例外都需要使用 ADC 的拼接技术,即使用多片 ADC 交错采集以 实现更高的采样率。 下图是 2 片 ADC 实现交错采集的实现原理:信号经放大后功分为 2 路,送给 2 片 ADC 芯片采样,2 片 ADC 的采样时钟有 180 度的相位差。这样在一个采样时钟周 期内 2 片 ADC 共采了 2 个样点,相当于采样率提高了 1 倍。当然,后续软件在做波 形显示时需要把两片 ADC 采到的样点交替显示才能重构波形。

要实现多片 ADC 的理想拼接,要求各片 ADC 芯片的偏置、增益的一致性要好, 而且对信号和采样时钟的时延要精确控制。偏置和增益的一致性相对比较好解决一

些,比如可以通过校准来消除其偏置和增益误差。但是信号和采样时钟的时延控制 就比较难了,因为高带宽示波器里使用的 ADC 的采样时钟的一个周期只有几十 ps,ps 级的误差或者抖动都会造成非常大的影响。下图显示了当 2 片 ADC 的时钟 相位差不是理想的 180 度时对波形重建造成的影响。

当采用多片 ADC 在 PCB 板上直接进行拼接时,由于 PCB 上走线时延受环境温 度、噪声等影响比较大,很难实现精确的时延控制,所以在 PCB 板上直接进行简单 的 ADC 拼接很难做得非常好。而在 Agilent 90000X 系列示波器的前端芯片内部, 第一次创新性地增加了单片 80G/s 的采样保持电路。由于采样保持电路集成在前端 的 MCBGA 芯片内部,在芯片内可以做很好的屏蔽和时延控制,所以采样点时刻的控 制可以非常精确。而送给 PCB 板上各 ADC 芯片的信号由于已经经过采样保持,所以 信号会保持一段时间。这样即使在 PCB 板上的信号路径或 ADC 的采样时钟有些时延 误差或抖动,只要其范围不超过一个采样时钟周期,就不会对采集到信号的幅度以 及最后的波形重建造成影响。

采用了这种技术以后,Agilent 90000X 系列示波器本身的采样时钟抖动可以 控制在<50fs。在需要进行精确抖动测量的时候,90000X 系列示波器本身的固有抖 动测量本底<150fs。下图是对一个 E8257D 精密微波源产生的 20GHz 时钟信号的周 期抖动的测量结果,可以看到其实际抖动本底大概在 100fs 左右。

高带宽、低噪声的磷化铟(InP)放大器和低抖动采样时钟结合起来,带来的好 处是优异的波形保真度。下图是用对 E8257D 产生的 20GHz 的正弦波信号做 FFT 变 换以后的结果,可以看到其动态范围达 46dB 以上,超越其他厂商达 15dB 以上。

五、内存深度 现在有越来越多的应用把高带宽示波器作为宽带的数据采集设备来使用,比如 可以用高带宽示波器捕获一次高能物理实验的全过程,或采集一段时间的空间电磁 环境信号进行后续分析,这就要求示波器有比较深的内存深度才能胜任。Agilent 90000X 系列示波器的内存深度达到了 2G 样点/每通道,打破了原来由 Agilent 的 90000A 系列保持的 1G 样点/每通道的记录,差不多是其它厂商的 10 倍左右。 内存深度加深后带来的一个负面问题是波形的更新速度会变慢,如果不做优 化,有些示波器处理显示 100M 样点的数据可能就需要十几秒钟的时间,示波器的 实时性无从谈起。Agilent 90000X 系列示波器系列内部专门为大内存管理开发了 数据处理的 ASIC 芯片,其采集上 G 数据样点时仍能保证屏幕上的波形有很快的更 新速度,这对于改善用户体验和及时发现信号问题有非常大的好处。

六、触发能力 高带宽示波器都有比较高的信号带宽,但并不意味着就一定能够捕获到高速信 号,还需要有足够强的触发能力。在高能物理、雷达、激光等应用中都涉及到高速 脉冲的捕获和测量,由于很多脉冲不是重复脉冲,因此实时示波器成为脉冲捕获的 首选手段。很多高速脉冲的半宽度小于 100ps,这对仪器的触发性能,带宽和采样 率要求都很高。Agilent 90000X 系列示波器的 MCBGA 前端内部还专门设计了 2 片 磷化铟(InP)材料制成的触发芯片,可以对小于 100ps 的窄脉冲进行捕获,下图是 实际捕获的一个半宽度小于 50ps 的窄脉冲。

七、封装技术 要把高带宽示波器做成真正的产品,仅仅做出磷化铟(InP)的芯片出来是不够 的,如何把这些芯片封装在一起并保证良好的信号传输和屏蔽特性也是非常重要 的。Agilent 90000X 系列示波器的 MCBGA 前端芯片内部封装了 5 片磷化铟(InP)材 料制成的芯片,所有芯片都封装在一个完全密闭的腔体内,腔体内部采用了 Agilent 专利的快膜封装技术(一种特殊的 3 维封装工艺)。

一般的高速信号都是走微带线,信号只有在底层有一个参考面,即使带状线也 只是在上下有 2 个参考面。而从下图我们可以看到,Agilent 90000X 系列示波器 内部关键的信号路径是做了 3 维屏蔽的,类似同轴电缆,信号的阻抗连续性和屏蔽 特性非常好。

另外,一般芯片都是贴装在一个平面的衬底上,芯片本身会高出衬底,因此信 号线要从衬底走到芯片内部需要拐个弯走上来,这在高频情况下会造成阻抗的不连 续,影响信号的回损特性。而在 Agilent 90000X 系列示波器内部,磷化铟(InP)芯 片是嵌在氮化铝(AlN)材料制成的衬底里,芯片和衬底一样高。这样信号从衬底 上可以直线走到芯片内部,很好地保证了阻抗的连续性。采用氮化铝材料做衬底还 有一个好处,就是其散热特性比铝要好,同时其热膨胀系数和磷化铟材料接近,因 此系统的热稳定性比较好。

七、探头技术 高带宽示波器的实际使用离不开探头,特别是在做系统调试时探头通常必不 可少。探头从某种意义上说比示波器本身更难做,因为探头要达到和示波器差不多

的带宽,又要比较方便连接和拆卸。Agilent 90000X 系列示波器在示波器主机在 推出的同时也推出了全系列高带宽的探头放大器和前端附件,比如业内最高的达 30GHz 带宽的点测探头等。其探头放大器也是使用了磷化铟(InP)的材料制成,使 得高带宽示波器能在实际应用中充分发挥其性能。

八、总结 Agilent 90000X 系列示波器是至今为止 Agilent 在示波器领域最大的投入。 它的推出彻底改写了示波器的历史,其创新点在于: 1、硬件带宽直接做到 32GHz:是业内最高硬件带宽的实时示波器。不需要任何 DSP 进行带宽增强和频带交织,直接突破了原来 16GHz 的极限。示波器成为一台真正的 微波仪器。 2、最大采样率 80G/s:是业内最高采样率的实时示波器。采用片内交织的 ADC 交 织技术,改变了片外交织带来的采样时钟的噪声,采样时钟抖动做到 50fs,抖动 测量本底做到 150fs。 3、最大内存深度 2G 样点:是业内最深的存储深度。采用专利的 IDA 芯片提高存储 深度和大内存下的数据管理问题,是其它示波器厂商极限的 4~5 倍。

4、最低的底噪声:32G 带宽示波器在 50mV/格下的底噪声只有 2mV。采用磷化铟(I nP)芯片和专利的三维厚膜封装工艺,底噪声降低到其它示波器厂商极限的 1/3~1 /2。 5、直接提供 30GHz 的探头:是业内最高带宽的探头。探头放大器也采用了磷化铟 (InP)芯片,提供到 30GHz 的点测探头方案。 Agilent 90000X 系列示波器的诞生,与业内其它示波器厂商拉开了数量级的 距离,将在示波器发展的历史上占有重要的地位。


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