简洁是信号完整性设计的基础: 示波器硬件架构设计

2015-07-02 10:39:33   来源:dzsc   

关键字: 信号完整性  示波器  硬件架构

      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+/- 1.5 Ω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,该技术带来的副作用是,提升带宽的同时也提升了底噪声,但由于只是从12GHz提升到13GHz, 基本上还算被业界接受。安捷伦试图尝试将DSP带宽做到更高,最后选择放弃是因为,那样做就完全失去了安捷伦在高端示波器领域的定位,底噪声太高,仪器自身信号完整性有问题。

  到了2007年,全球第一台20GHz带宽示波器诞生,是在16GHz前置放大器带宽的基础上提升带宽到20GHz,当时没有第二家公司可以做出20GHz 带宽的实时示波器,性能没有对比。后来,其它厂家陆续推出20GHz带宽示波器,有了对比,DSP带来的副作用才逐渐成为工程师担心的一个因素。

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编辑:什么鱼
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