尽管示波器不是对硬件要求最高的仪器，鉴于示波器是许多工程师最了解也是测验仪器细分商场最大的单台仪器，所以咱们采访了全球能将示波器带宽做到GHz等级厂商中的几家代表，从示波器的硬件剖析下手，带咱们一同了解示波器的中心规划单元。
带宽，采样率和存储深度，是决议一台示波器商场价值最直观的三大特性，其间带宽是最明显能表现示波器的功用的方针，采样率的数值和带宽有着必定的联络，而这两个数值则直接关系到示波器的终究价格，其数值也根本都是由模仿单元的硬件功用决议的。
示波器的架构阅历了几十年的沉积，特别是最近二十年数字示波器的高速开展，现已根本趋于安稳，普源精电(RIGOL)副总裁邢飞介绍，今世数字示波器的根本组成首要包含：模仿前端(担任信号调度)->模数转化器(调度后信号数字化)->数据收集/存储/信号处理->显现与人机接口。其间前两个部分决议了示波器绝大部分功用方针，也是示波器的中心地点。
带宽与模仿前端
带宽，是挑选示波器时最根本的参数，从2004年的30GHz面世，到45GHz的呈现，这期间等待了5年，而到60GHz示波器的呈现只要短短的3年，而最近的12个月里，示波器三强纷繁更新了自己的最尖端装备示波器，全部好像对2002-2004年示波器功用军备竞赛的翻拍。
就在本年4月，力科从2004年开端具有了多年的数字示波器带宽功用之最的皇冠被安捷伦占有，安捷伦的Infiniium90000Q最高带宽做到了63GHz，超过了力科LabMaster10Zi的60GHz。当两家首要竞争对手都推出60GHz等级的示波器之后，下一步，咱们等待泰克科技怎么应对。
决议带宽的要害是示波器的模仿前端，包含衰减器,扩大器和相关电路，是被测信号进入示波器的大门，示波器的测验信号带宽许多情况下都是由模仿前端的带宽决议的，也便是直接影响了示波器的本底噪声和量程。模仿前端的规划作业在示波器的硬件规划作业傍边，实践上占有了一半以上的作业量，并且在很大程度上终究决议了示波器的硬件功用。
关于模仿前端来说，其影响示波器的首要功用方针包含：
· 模仿带宽，包含对被测信号幅频呼应特性，在时域上表现为上升时刻方针和过冲功用方针;
· 输入信号崎岖动态规模(非数字处理的最小笔直灵敏度到最大笔直灵敏度的规模);
· 直流增益精度和偏移精度两个方针的初始差错特性和温度漂移特性;
· 输入阻抗特性(电阻并联寄生电容)影响在带探头或不带探头情况下对被测电路的影响。
假如给示波器的模仿前端规划在整个的硬件规划中的重要位置做一个形象的比方，模仿前端的效果相似于照相机的镜头。许多拍摄本站在运用单反相机，一个很重要的原因是单反相机的镜头有更好的光学特性。相似的道理，模仿前端对输入信号进行衰减扩大和信号调度，体系噪声也会被扩大。假如示波器的模仿前端规划差，体系噪声大，期望测验的细小信号将无法捕获;假如在频域观测，这些噪声将使信噪比下降，底噪升高。假如信号通路间的隔离度不行，其他通道的信号将对被测信号形成较大的搅扰。一起，模仿前端的线性度和抗饱满才干也十分重要。
在数字示波器的模仿前端规划进程傍边，扩大器是模仿前端规划的中心部件之一，邢飞介绍，经过特别的扩大器器材选用和规划，RIGOL产品里的扩大器既可以确保示波器的高带宽特性，又可以确保示波器的高直流增益精度特性。关于混合信号产品，其数字通道的扩大器规划具有有别于模仿通道扩大器规划的特别技能点，除了坚持与模仿通道相似的高带宽特性之外，关于信号调度进程中的幅频呼应特性要求较高，以下降时域过冲，防止数字通道对实践被测信号的收集和实践过错。
作为示波器商场近年来杀入的黑马，罗德与施瓦茨(RS)我国区示波器事务开展司理焦保春剖析，在该公司示波器产品在模仿前端规划中，选用了许多的RS在射频测验范畴的老练技能，将射频规划融合到模仿规划中。这样做带来最直观的长处是大大下降的信号通路的噪声。在最低的信号量程条件下(1mV/div)，示波器仍然可以坚持极低的噪声水平,其信号噪声有用值为同类产品的1/4以下。通道间的高隔离度，特别是对高频信号隔离度，也是射频规划运用的典范。
当然，在高端示波器中，带宽并非只在模仿前端中得以完成，还可以经过其他数字办法完成更高带宽，一般高端示波器带宽有三种办法：一是前置扩大电路直接完成;二是选用DSP拉伸带宽;三是数字带宽复用。泰克科技以为，三种办法各有各的长处。现在商场上用得比较多的是前置扩大器直接完成和DSP拉伸带宽技能。从运用上来说，硬件完成的带宽运用数字技能较少，信号保真度较高，在运用上更为灵敏，约束更少，频响和噪声谱更为平整，支撑等效采样、欠采样，可以答应信号超出屏幕外等，但本钱相对较高;比较起来，数字技能则或许形成频响或噪声谱的崎岖，在某些频率上有用位低，一起数字技能要求实时采样、不支撑欠采样，信号超出屏幕外会呈现波形畸变，约束相对较多，对运用者的要求也较高。但数字技能完成的带宽由于硬件本钱较低，所以价格也相对较低，在献身一些功用的情况下，也为用户供给了一个廉价的处理方案。总的来说，前置扩大器技能和DSP为不同客户的需求供给了不同挑选。
采样率和模数转化器
在示波器三大功用方针中，模仿前端决议了带宽，那么模数转化器(ADC)则是影响采样率最重要的一环，ADC是数字示波器的中心器材，其间最要害的方针是采样率和有用的ADC位数。ADC的采样率直接决议了示波器的数字带宽，也便是多高频率的信号可以有用地收集并显现。
焦保春以为，A/D转化器的采样率不或许无约束进步，RS具有现在示波器商场中抢先的单核10Gs/s采样率A/D转化器。为抵达更高采样率，许多公司选用了交错采样技能，即用多颗低速A/D并行组合成高速多核的A/D。这种技能带来的问题是信号的相位差错。为批改此差错，大多数示波器厂商运用的DSP批改技能。但DSP批改处理需求时刻，这种批改使示波器的波形捕获率下降。
示波器的采样还包含采样率的精确性，便是有用转化位数(ENOB)，常见示波器的A/D转化器都是8位的。但在实践运用时，真实可以发挥效果的转化位数并不能抵达8位。一些示波器在高带宽是甚至会劣化到4位左右。这意味者用户不或许运用这些示波器精确丈量出信号的崎岖信息。焦保春介绍RSA/D转化器的有用转化位数可以高达7位以上。
邢飞坦承，模数转化器首要决议了示波器的实时采样率方针(例如RIGOL的DS6000，完成了最高5GSa/s的实时采样率方针)，并且在必定程度上，模数转化器的采样坚持电路部分的满功率带宽(FullPowerBandwidth)也影响了产品终究可以抵达的最高带宽。
超高采样率需求多个ADC集成完成，安捷伦的90000Q示波器，160GS/s的采样率是8个20GS/s芯片完成的，而每个20GS/s又是包含80个250MS/s的单芯片，这对时钟信号的同步要求十分严厉，特别是时钟分配到每个ADC后，产生的相位差处理起来应战性很大，杜吉伟介绍，磷化铟工艺中，用波导电路规划其采样时钟，资料的特性决议其实践电路十分安稳，这是90000Q最困难的硬件规划。
研制是最大的应战
关于高端示波器产品，商业芯片出于本钱和方针运用的考虑，往往在测验信号的带宽和A/D转化速度方面不能满意高端示波器的要求。许多情况下，只要选用专用的ASIC规划才干处理这些问题。这也是高端示波器厂商不惜重金建立自己的ASIC规划团队的原因。高功用的A/D芯片也代表了示波器厂商的尖端技能研制才干。
作为本乡示波器厂商的出色代表，RIGOL的邢飞以为，到了GHz等级的示波器，职业抢先公司，无一例外都是选用专用芯片完成其尖端示波器产品的需求，甚至于现已无法找到可以满意其半导体工艺需求集成电路生产线，只可以自行开发专用的集成电路工艺(例如磷化铟InP工艺)来满意其关于高带宽，高功用的要求。
安捷伦科技数字测验事务部大我国区商场司理杜吉伟介绍，安捷伦的高端示波器在模仿前端方面学习了许多射频微波技能，包含三维的微电路规划、波导电路等，来确保数据在传到模数转化器之前现现已过精细的信号调度。安捷伦的高端示波器选用了磷化铟工艺、快膜三维封装和氮化铝散热等技能，对示波器终究功用的抢先性表现在本底噪声和采样时钟颤动在同类产品中最低。磷化铟技能在光通信中广泛运用，安捷伦将其运用到了示波器的模仿前端中，在20GHz以上的高频示波器上有必定技能优势，运用了磷化铟的包含前端扩大器、触发电路、采样坚持电路、探头扩大器。
现在可以预见的最首要的技能应战仍是在器材电路规划方面，更进一步的，半导体工艺条件可以抵达的最高特性方针也会成为仪器产品功用方针进步的一个潜在约束要素。关于模仿前端和扩大器规划，谐和增益、带宽和噪声特性的问题;关于模数转化器，完成超高速采样坚持，优化模数转化器的转化线性度并坚持合理的功耗需求;这都是现在面对的一些首要技能难点。
特别的，邢飞指出芯片工艺和资料决议了电路规划傍边晶体管的最高截止频率fT，并终究从物理条件上决议了所规划出电路或许完成的最大模仿带宽。当然，模仿前端傍边所用的扩大器以及模数转化器的终究特性与电路规划技巧和电路完成方法也是严密相关的，但其物理条件会终究成为器材规划的极限约束。规划方面，RIGOL就十分重视不单单从器材数据手册上标明的标准方针上，也从器材规划进程中所选用工艺的技能特色，去进行有针对性的产品选型和终究仪器产品规划。
模块化的前端规划
跟着半导体集成工艺的前进和示波器功用的进步，单纯的模仿前端芯片现已无法满意最高功用示波器的需求，因而，各个厂商纷繁将前端模仿规划模块化，完成更高集成和更高模仿功用。安捷伦科技的90000系列产品中，选用了全新的InP技能将模仿前端部分做成6个芯片，其间的几个芯片以三维封装的方式封装成一个大的多芯片模块(MCM)，包含前置扩大器，采样坚持和触发功用单元，成为模仿前端的中心。
传统上，高速信号收集和处理要求在示波器前端进行一系列衔接和切换。信号从被测器材(DUT)输送到示波器，经过同轴电缆传送到PCB，经过球栅阵列(BGA)封装，然后抵达第一个集成电路(%&&&&&%)，进行模仿扩大或衰减。然后信号输出封装，输送到PCB上，然后发送到包含盯梢和坚持(T/H)集成电路的下一个封装。只要在经过这一大串衔接之后，信号才预备进行采样、模数转化和存储。惋惜的是，这一系列衔接和切换及之后屡次重复会在采样前劣化信号，从而危害示波器带宽和信号保真度。
为战胜这些问题，泰克在DPO/DSA70000D系列示波器选用定制规划、高度集成的前端多芯片模块(MCM)。MCM把多种前端收集和处理组件，包含同轴电缆输入衔接器、前置扩大器、盯梢和坚持芯片及端接电阻，合并到一个封装中，因而在高速信号被采样前永久不会触摸PCB。
DPO/DSA70000D系列的定制前端MCM封装把曾经涣散的许多组件集成在一同，包含：
· 两块前置扩大器芯片;
· 一块8路盯梢和坚持(T/H)芯片，带模仿滤波器;
· 50欧姆端接电阻;
· 高功用100GHz带宽衔接器;
· 到PCB的弹性接口。
由于它是一种自含式模块，MCM减少了信号流经的衔接数量及或许的过错来历数量。用户不会再经过单芯片封装和PCB层而产生多个信号跳变，那样会在采样前劣化信号保真度和示波器带宽。经过运用高功用电缆，高速信号从示波器输入直接传送到MCM及内部的%&&&&&%中。IBM的8HP技能是一种130纳米(nm)SiGe双极互补金属氧化物半导体(BiCMOS)工艺，其功用是上一代工艺的两倍。
写在终究
跟着电子技能的快速开展，测验丈量使命变得越来越困难。高功用运用，特别是要求芯片检定、串行数据一致性测验、光学调制剖析、双倍数据速率(DDR)存储器和宽带RF查验的运用，需求曾经不能完成的测验丈量功用，包含把出色的功用(带宽和采样率)和灵敏性(端接电压和灵敏度)结合起来，而又不会给信号保真度带来负面影响。因而，商场的需求还会推进示波器不断前行，以现有的半导体工艺和资料，带宽打破100GHz好像并不是什么难事，听说力科现已在试验室里进行相应的研制，而安捷伦的InPMCM由于规划的原因，做到63GHz而不需改动硬件规划的确归于走运，下一步无疑要研制新一代MCM去完成更高功用的带宽，进步带宽仅仅商场需求是否能驱动投入高额研制费用的问题。
真实的应战仍是在于采样率的进步更为困难，现在，力科和安捷伦都做到160GS/s，而现有的模数转化器好像最高的单颗也只能做到10GS/s，无疑，多个模数转化器的集成是个十分严峻的应战，特别是在时钟、校准算法，高速SRAM等方面处理起来十分困难，更重要的是，高频信号根本都是微波信号，测验和捕获起来与低频信号彻底不同，对整个采样进程提出更大的应战。
