高性能示波器应对光通信测试分析

整个电子行业对速度和性能的不懈追求，正不断改变着高端示波器的标准。虽然在评估示波器时，带宽曾经是客户和销售商关注的"关键指标"，但捕获和分析当今最快串行和光信号所需要的精确度(即测量精确度和信号完整性)，已经成为当前最重要的因素。
　　那么，什么是测量精确度?带宽是一种用来比较一台仪器与另一台仪器差别的简单方式。具有最高带宽的那台一定是最好的，对吧?可以肯定的是，带宽非常重要，对于高速应用而言，高带宽是必需的要素。不过，示波器的真正目的，是要尽可能准确地反映出感兴趣的信号。这实现起来非常复杂，涉及到仪器的基本设计、探头架构和连接配件，以及带宽之外的参数(包括上升时间、采样率和抖动本底噪声)。
　　当选择示波器时，工程师应评估的关键参数概述如表1所示。

　　市场驱动因素：更好的信号完整性
　　高速信号很容易产生信号完整性问题，因为它们涉及到极快的边沿和极窄的单位时间间隔或位时间。随着通信链路数据速率的增加，将发生两件事：用户界面(UI)缩小及信号的上升时间缩短。例如，将5Gb/s脉冲与8Gb/s脉冲进行比较可得，位宽将从200ps下降到125ps。这使得设计的裕量或误差预算降低了38%。此外，这也使接收机的工作更加困难，因为它试图以更小的裕量和非常快的数据速率将1和0进行区分。同时，上升时间也从约30ps减少到刚好超过28ps。8GB/s信号如图1所示。

　　使问题复杂化的事实是，当传输信号进入接收机时，可能产生多个信号的完整性问题。这些信号的完整性问题可能包括：当此信号流经电路板或从硅裸片进入封装引脚再进入电路板时产生的信号衰减。通道内的信号衰减是一个非常严重的问题，必须予以解决。PCB材料(如FR-4)内的信号损失随路径长度的增加及数据速率的提高而增大。由于信号幅度缩小，噪声和反射正成为一个更大的影响因素。客户需要在接收机中采用去嵌入策略，以打开闭合的眼图。
　　随着第三代串行数据标准的出现，8～10Gb/s正逐渐成为行业标准。在光通信市场中，随着以太网发展到4×25G(100GbE)，设计人员需要能够使用高达32Gb/s的比特率对信号进行测试。同时，高速FPGA和宽带射频也推动了极限值的扩大。泰克公司的DPO/DSA73304D能够为这些高端应用提供业界最精确的测量性能。
　　技术平台与突破
　　为提供业界领先的DPO/DSA73304D示波器性能，泰克采用了IBM的8HP锗化硅技术。这是一种130纳米锗化硅双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺，利用200GHz的FT转换速度提供了两倍上一代产品的性能。
　　锗化硅(SiGe)技术利用可靠性高且成熟的制造工艺，提供了能与特殊材料(如磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs))性能相媲美的性能水平。与其它方案不同的是，锗化硅BiCMOS工艺提供了在一块芯片上同时制备高速双极型晶体管和标准CMOS的途径，从而使一系列同时具备高集成度和杰出性能的电路成为可能。
　　图2所示的器件是采用SiGe BiCMOS的DPO/DSA70000D示波器新型33GHz、100GS/s前端。该器件称为多芯片模块或MCM，包含用于两条通道的前置放大器(2块小裸片)及一块100GS/s采样保持集成电路(较大裸片)。泰克通过将前置放大器和采样/保持功能集成到单一封装之中来提高通道之间的匹配能力，并减少由其他示波器使用单独的采样/保持电路和ADC器件引起的交叉失真。

　　泰克能够把更多的功能封装到同一芯片上，减少了元器件和接口的数量，进而降低了噪声和定时的不确定度，提高了产品性能。
　　IBM的8HP技术是一种130纳米(nm)SiGe双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺，其性能是上一代工艺的2倍。SiGe技术采用了拥有50年历史的硅行业相关的高度可靠、成熟的铸造工艺，而其性能水平相当于特殊材料的性能，如磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)。与替代材料不同，SiGe BiCMOS可以接入到与标准CMOS相同的晶粒上的高速双极型晶体管，这实现了一种既有优异性能、又有大规模集成能力的电路。
　　为保证最高阶测量级信号的完整性，从DPO/DSA70000D探头接口输入的电信号使用高性能电缆直接传送到多芯片模块(图3)。通过利用这种前所未有的方式，只有在采样保持芯片捕获测试信号后，测试信号才接触示波器采集电路的PCB，从而实现了100GS/s的采样率和行业领先的噪声性能。

　　我们为此种前端设计提供的另一项创新是较大的偏移范围和终端性能。该性能通过前置放大器芯片上的分离路径输入结构和多芯片模块上的AC接地端接电阻器来实现，可以更加轻松地对大型直流偏置或直流偏置终端信号作出准确的测量。

由于实现了向8HP技术的转变，DPO/DSA73304D示波器