整個(gè)電子行業(yè)對(duì)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(píng)估示波器時(shí)，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(hào)所需要的精確度(即測(cè)量精確度和信號(hào)完整性),，已經(jīng)成為當(dāng)前最重要的因素。

那么,，什么是測(cè)量精確度,？帶寬是一種用來(lái)比較一臺(tái)儀器與另一臺(tái)儀器差別的簡(jiǎn)單方式。具有最高帶寬的那臺(tái)一定是最好的,，對(duì)吧,？可以肯定的是，帶寬非常重要,，對(duì)于高速應(yīng)用而言,，高帶寬是必需的要素。不過(guò),，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(hào)。這實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜,，涉及到儀器的基本設(shè)計(jì),、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(shí)間、采樣率和抖動(dòng)本底噪聲),。

當(dāng)選擇示波器時(shí),，工程師應(yīng)評(píng)估的關(guān)鍵參數(shù)概述如表1所示。

市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素：更好的信號(hào)完整性

高速信號(hào)很容易產(chǎn)生信號(hào)完整性問題,，因?yàn)樗鼈兩婕暗綐O快的邊沿和極窄的單位時(shí)間間隔或位時(shí)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(hào)的上升時(shí)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(jì)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?yàn)樗噲D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(shí),，上升時(shí)間也從約30ps減少到剛好超過(guò)28ps,。8GB/s信號(hào)如圖1所示。

使問題復(fù)雜化的事實(shí)是,，當(dāng)傳輸信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)時(shí),，可能產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)的完整性問題。這些信號(hào)的完整性問題可能包括：當(dāng)此信號(hào)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(shí)產(chǎn)生的信號(hào)衰減,。通道內(nèi)的信號(hào)衰減是一個(gè)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(hào)損失隨路徑長(zhǎng)度的增加及數(shù)據(jù)速率的提高而增大,。由于信號(hào)幅度縮小,，噪聲和反射正成為一個(gè)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(chǎng)中，隨著以太網(wǎng)發(fā)展到4×25G(100GbE),，設(shè)計(jì)人員需要能夠使用高達(dá)32Gb/s的比特率對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,。同時(shí)，高速FPGA和寬帶射頻也推動(dòng)了極限值的擴(kuò)大。泰克公司的DPO/DSA73304D能夠?yàn)檫@些高端應(yīng)用提供業(yè)界最精確的測(cè)量性能,。

技術(shù)平臺(tái)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(shí)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(shí)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(guò)將前置放大器和采樣/保持功能集成到單一封裝之中來(lái)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(shí)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(shí)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(cè)量級(jí)信號(hào)的完整性,，從DPO/DSA70000D探頭接口輸入的電信號(hào)使用高性能電纜直接傳送到多芯片模塊(圖3)。通過(guò)利用這種前所未有的方式,，只有在采樣保持芯片捕獲測(cè)試信號(hào)后,，測(cè)試信號(hào)才接觸示波器采集電路的PCB，從而實(shí)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(jì)提供的另一項(xiàng)創(chuàng)新是較大的偏移范圍和終端性能,。該性能通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)，可以更加輕松地對(duì)大型直流偏置或直流偏置終端信號(hào)作出準(zhǔn)確的測(cè)量。

由于實(shí)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(hào)采集性能和分析能力,。它幫助設(shè)計(jì)人員利用全部四個(gè)通道前所未有的捕獲功能捕捉實(shí)時(shí)信號(hào)，并且利用業(yè)界最高的波形捕獲能力來(lái)捕捉更多的信號(hào)細(xì)節(jié),。利用一套工具集(為提供更快的設(shè)計(jì)和一致性測(cè)試而設(shè)計(jì))實(shí)現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)信號(hào)的自動(dòng)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(shí)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(gè)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(jì)方面(尤其是信號(hào)完整性方面)至關(guān)重要的工具,，設(shè)計(jì)人員應(yīng)熟悉示波器的指標(biāo)及它們影響測(cè)量的方式,。讓我們觀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(duì)它們進(jìn)行更深入的了解,。

上升時(shí)間：示波器的上升時(shí)間越快，測(cè)量到的上升時(shí)間就越準(zhǔn)確,。但是,，當(dāng)示波器的帶寬或上升時(shí)間和信號(hào)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(yàn)法則(如：0.35/上升時(shí)間)來(lái)計(jì)算所需的示波器帶寬,，但這種經(jīng)驗(yàn)法則只適用于某些示波器的前端設(shè)計(jì)，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(shí)間而優(yōu)化的前端設(shè)計(jì),。

應(yīng)當(dāng)注意的是,，具有相同帶寬性能的兩臺(tái)示波器可以具有完全不同的上升時(shí)間、幅度和相位響應(yīng),。所以,，僅了解示波器的帶寬無(wú)法可靠地揭示出其測(cè)量性能。此外,，通過(guò)計(jì)算確定的上升時(shí)間可能也不準(zhǔn)確,。了解示波器上升和下降時(shí)間響應(yīng)的最可靠方法是，使用一個(gè)比被測(cè)示波器信號(hào)快得多的理想的階躍信號(hào)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,。

在使用DPO/DSA73304D的情況下,，使用這種方法確定出9ps的上升時(shí)間。但是,，信號(hào)速度可以被測(cè)量的意思是什么呢,？根據(jù)正確的經(jīng)驗(yàn)法則,，信號(hào)上升時(shí)間與示波器上升時(shí)間的比值為2x或>18ps。事實(shí)證明,，對(duì)于當(dāng)今最快的FPGA設(shè)計(jì)中使用的28Gb/s的串行解串器(SerDes)而言,，這是指定的上升時(shí)間。

采樣率：因?yàn)楦斓牟蓸勇蕦?lái)更多的波形細(xì)節(jié),，所以這一因素非常重要,。另一方面，對(duì)最快的信號(hào)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(cuò)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(cuò)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(hào)最高頻率的2倍以上進(jìn)行采樣。雖然這是最低的起點(diǎn),，但是在任何情況下,，采樣率越高，結(jié)果越準(zhǔn)確,。通過(guò)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(hào)上的采樣點(diǎn)，且能避免混疊,。對(duì)于極高速信號(hào)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(guò)采樣的原因包括：為確保信號(hào)中已知和未知的高頻部分被捕獲,，且沒有混疊；為實(shí)現(xiàn)卓越的定時(shí)分辨率(特別是快速瞬態(tài)信號(hào)或邊緣上的定時(shí)分辨率),；作為一種減少測(cè)量中噪聲的手段,，采樣過(guò)密會(huì)減少示波器模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)附帶產(chǎn)生的量化噪聲。

帶寬：示波器必須有足夠的帶寬來(lái)捕捉高頻部分,，以便準(zhǔn)確地顯示信號(hào)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(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(shí)間的影響更大,。例如，目前第三代規(guī)格的上升時(shí)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(duì)于數(shù)據(jù)速率的信號(hào)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(shí)間外,，對(duì)高性能示波器來(lái)說(shuō),，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(wú)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(cè)信號(hào)通常沒有參考地電平。多種現(xiàn)代應(yīng)用(包括DC耦合信號(hào)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(cè),。把這些高速信號(hào)引到大地至少會(huì)損害測(cè)量結(jié)果,，要求專用夾具電平移位和/或衰減信號(hào)，則可能會(huì)損壞被測(cè)器件(DUT),。

過(guò)去,，調(diào)節(jié)測(cè)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(cè)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(jì),，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(diǎn),，在其最終運(yùn)行的類似環(huán)境中測(cè)量高速信號(hào),，而沒有引入衰減或可能使信號(hào)失真的定制電路。

隨著現(xiàn)代高速信號(hào)的電壓范圍下降,，工程師還需要具有廣闊靈活的測(cè)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(dòng)態(tài)范圍查看和測(cè)量可變電壓,。通過(guò)結(jié)合使用Vterm和偏置，把示波器的參考點(diǎn)中心放在DUT工作范圍的參考點(diǎn)上,，可以使可用的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到最大,，并使測(cè)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(dòng)現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備的發(fā)展,。硅檢定,、串行數(shù)據(jù)一致性測(cè)試、光學(xué)調(diào)制分析,、雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)存儲(chǔ)器和寬帶RF檢驗(yàn)等任務(wù),，不僅要求具有杰出的帶寬、采樣率和信號(hào)保真度,，還要求具有巨大的靈活性,，來(lái)調(diào)節(jié)示波器的測(cè)量條件和視角。

泰克DPO/DSA70000D系列示波器在實(shí)時(shí)示波器中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了行業(yè)領(lǐng)先的信號(hào)完整性和定時(shí)精度,，使用戶能夠更準(zhǔn)確的,、以更高的信心來(lái)完成設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(hào),。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(chǎng)上最廣泛的觸發(fā)系統(tǒng),，捕獲高速信號(hào)評(píng)估所需的精確的信號(hào)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(yàn)證,；評(píng)估要求正或負(fù)端接電壓的DC耦合信號(hào)，而不會(huì)把信號(hào)牽引到地或損壞被測(cè)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(cè)量結(jié)果。它能夠提供高靈敏度,、低噪聲的測(cè)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(cè)量定性分析提供依據(jù),。

尖端軟件與DPO/DSA70000系列平臺(tái)上的用戶界面工具相結(jié)合,，為復(fù)雜測(cè)量方案(包括調(diào)試/分析)提供了最短的快速響應(yīng)時(shí)間。DPO/DSA73304D通過(guò)與高帶寬,、高采樣率和快速上升時(shí)間相結(jié)合，可以為現(xiàn)今最高的信號(hào)完整性測(cè)量需求而進(jìn)行特別的量身定做,。