现代实时示波器技术的发展--射频信号测量连载（二）

传统的示波器由于带宽较低，无法直接捕获高频的射频信号，所以在射频微波领域的应用仅限于中频或控制信号的测试，但随着芯片、材料和封装技术的发展，现代实时示波器的的带宽、采样率、存储深度以及底噪声、抖动等性能指标都有了显著的提升。

材料技术革新对示波器带宽的提升

以材料技术为例，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。在采用新型材料的过程中，还需要解决一系列的工艺问题。比如InP材料的高频特性非常好，但如果采用传统的铝基底时会存在热膨胀系数不一致以及散热效率的问题。氮化铝（AIN）是一种新型的陶瓷基底材料，其热性能和InP更接近且散热特性更好，但是AlN材料成本高且硬度大，需要采用激光刻蚀加工。

借助于新材料和新技术的应用，现代实时示波器的硬件带宽已经可以达到60GHz以上，同时由于磷化铟(InP)材料的优异特性，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。

磷化铟材料除了提供优异的高带宽性能外，其反向击穿电压更高，采用磷化铟材料设计的示波器可用输入量程可达8V，相当于20dBm以上，大大提高了实用性和可靠性。

ADC采样技术对示波器采样率的提升

要保证高的实时的带宽，根据Nyqist定律，放大器后面ADC采样的速率至少要达到带宽的2倍以上（工程实现上会保证2.5倍以上）。目前市面上根本没有这么高采样率的单芯片的ADC，因此高带宽的实时示波器通常会采用ADC的拼接技术。

典型的ADC拼接有两种方式，一种是片内拼接，另一种是片外拼接。片内拼接是把多个ADC的内核集成在一个芯片内部，典型的如下图所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采样率的10bit ADC芯片，在业内第一次实现8GHz带宽范围内10bit的分辨率。片内拼接的优点是各路之间的一致性和时延控制可以做地非常好，但是对于集成度和工艺的挑战非常大。

所谓片外拼接，就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器，其采用8片20G/s采样率的ADC拼接实现了160G/s的采样率，保证了高达63GHz的硬件带宽。

片外拼接要求各芯片间偏置和增益的一致性非常好，同时对PCB上信号和采样时钟的时延要精确控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采样保持再进行信号分配和模数转换的技术，大大提高了对于PCB走线误差和抖动的裕量。