简洁是信号完整性设计的基础: 示波器硬件架构设计

在生活中，很多人崇尚简单，认为那是生活应该具有的本来面目，是应该追求的真谛。高速电路系统的设计更是崇尚这一原则，用的元器件或芯片要尽可能少，互联部分要尽可能少，而且要短，过多的部件和互联会增加设计的不确定性。正如人生的复杂一样，不是每个人过的都是简单生活，过多的外界联系让人无暇反照内心，维持一颗平静的心。目前，超过16GHz高带宽实时示波器的设计，可以概括为三种情况，第一种，前置放大器电路直接实现模拟带宽，这是用硬件直接实现的方法；第二种和第三种，前置放大器实现不了模拟带宽，想其它办法让示波器最后的带宽指标能更上一层楼。第二种是用DSP(数字信号处理)的方法，第三种采用DBI(数字带宽通道复用)的方法。不同的方法反映不同的硬件架构设计，值得一提的是，后两种方法的性能好的方面取决于其前置放大器硬件的设计性能，不好的方面是提升带宽带来的副作用，也就是说，对于后两种方法，如果前置放大器硬件本身做的越好，其副作用可能会被掩盖的越多，极端情况下可以好到不需要提升带宽了。本文主要介绍90000 X 系列示波器在设计其硬件架构时的取舍。

图1是90000 X系列示波器被拆开后的采集板实际照片，上一篇介绍的前端模块位于最上方黑色的散热片下面，里面封装了5个磷化铟芯片，前置放大器芯片、触发芯片和采样保持芯片在里面，这样的设计其实是从事多年高速模拟电路系统设计经验的体现，是在众多设计可能中，最后选择的优化方案。该模块的设计保证了低噪声和最小化固有抖动，如果从系统设计的角度看，尤其是和三个功能芯片距离较远，需透过PCB互联的时候，它带来的优越性就更明显一些，因为没有长距离互联带来的反射和传输线阻抗难以精确控制等弊端。目前DSP和DBI提升带宽的示波器，其触发电路、前置放大器和采样保持电路是完全分开的，使用网络分析仪或TDR(时域反射)示波器可以实际测出任意一台示波器内部前置电路的阻抗控制情况。图2给出实际测出的20GHz DSP提升带宽的示波器前置电路的阻抗曲线，红色曲线代表S11参数，蓝色曲线代表S12参数，可以看出，前置放大器距离前面板输入端较远，传输线本身已经产生了6.5ns左右的延迟，阻抗失配现象也甚为明显。90000 X的前面板输入端直接接入前置模块，经过一类似同轴电缆的三维传输线进入前置放大器，距离很短，差分时钟信号的波导化设计，经三维实现45度到60度的立体斜坡并于其上镀金，再加上模块的金属盖形成腔体化，消除了传输线的相分散(Phase Dispersion)，并将辐射损耗和串扰最小化。

图1. 90000 X 系列示波器内部采集板实际照片，因为触发芯片、前置放大器芯片和采样保持芯片全都封装在一个模块里，使得互联短，阻抗控制容易，安捷伦的快膜技术可实现比传统厚膜技术更宽的传输线，阻抗变化控制在+/- 1.5Ω范围内，是标准的厚膜工艺的一半，是PCB(印刷电路板)的一半到三分之一

图2 DSP提升带宽的示波器，前置电路设计部分采用多个芯片于PCB上互联的办法，用网络分析仪或TDR示波器实际测出的S11和S12参数曲线，若在极小的空间里实现“触发芯片、前置放大器芯片和采样保持芯片”的互联，则情况会有很大好转。

图3 示波器的频响曲线图，红色代表示波器前置放大器的硬件带宽，蓝色代表经DSP提升带宽后期望的频响曲线，绿色代表为了将红色曲线提升到蓝色曲线的位置需使用的滤波器，也就是说将本来低于-3dB衰减的高频信号成份放大，将-3dB频点提高到一定程度

前面提到，超过16GHz高带宽实时示波器的设计，可以概括为三种情况，第一种情况，前置放大器带宽技术没有瓶颈，比如安捷伦科技已经做出32GHz的模拟带宽的前置放大器，因此无需想其它办法弥补前置放大器带宽不够的问题。但如果没有成熟技术实现超过16GHz带宽的前置放大器，则需要想其它办法。其实，安捷伦对第二种情况和第三种情况在设计初期曾经研究过，毕竟那样会省去大量的研发成本(流片的成本是很高昂的)。最后之所以选择较为不确定的一条路，是因为：安捷伦之所以能在高端示波器领域立足，一直依赖在仪器自身信号完整性方面的口碑；另一方面，磷化铟半导体制程成功用在安捷伦的射频微波仪器已经有多年了，只是从未想过要引入到高端示波器领域。

DSP方法提升示波器带宽，并没有对示波器硬件架构做出任何改变，为什么安捷伦没有选择DSP提升带宽到16GHz以上的方法？实际上，早于2004年安捷伦推出的全球首台13GHz带宽示波器，就是在12GHz前置放大器带宽基础上提升上去的。在那个时候，有些技术争论认为，该技术