原创 32G带宽示波器深度揭密－－（1）

一、前言

2010年上半年，Agilent公司发布目前业界最高硬件带宽的实时示波器Agilent 90000X系列示波器。Agilent 90000X系列示波器最高实时硬件带宽32GHz，内部采用了磷化铟(InP)、快膜封装等一系列最尖端的技术，其实时带宽、采样率、内存深度、底噪声、抖动本底、动态范围等指标都一举改变了示波器的历史。

Agilent 90000X系列示波器内部究竟有哪些秘密？我们将对其做深入探讨。

二、前端芯片

Agilent 90000X系列示波器的核心技术在于其前端芯片，前端芯片采用多芯片封装技术，打开其MCBGA(多芯片BGA)芯片的屏蔽壳后可以看到其内部主要由5个磷化铟(InP)材料的芯片采用3维工艺封装而成。其中包含2片32GHz带宽InP材料做成的放大器，可以同时支持2个通道的信号输入；2片InP材料做成的触发芯片以及1片InP材料做成的80G/s的采样保持电路；所有芯片采用Agilent专利的快膜封装技术封装在一个密闭的屏蔽腔体内。

三、高带宽的实现方法

示波器的带宽取决于其前置放大器的带宽，在Agilent 90000X系列示波器推出以前，由于放大器的硬件带宽最高只能做到16GHz，因此实现超过16GHz的高带宽示波器的方法主要有2种：第1种是通过DSP增强带宽；第2种是频带交织。

1、DSP带宽增强。

DSP带宽增强技术实际上是一种数字处理技术。在示波器里采用DSP处理技术的初衷是为了进行频响校正，因为一般宽带放大器即使在带内，各个频点的增益也不是完全一致的，所以放大器会有一个带内平坦度指标来衡量增益的波动情况，通过DSP可以对示波器的频响特性做一点修正。后来，为了充分利用放大器带宽（BW）以外频点的能量，开始通过DSP技术来把放大器硬件带宽以外一部分频率成分的能量增强上去，这样其-3dB对应的频点就会右移，相当于带宽BW提高了。带宽增强技术在提高带宽的同时也把系统的高频噪声放大了，带宽增加越多，噪声的放大得越多。所以采用带宽增强技术后系统噪声会明显增加，同时其不适用于大比例增加系统带宽。

2、频带交织。

频带交织技术使用的主要原因也是由于硬件上无法做出真正高带宽的放大器，因此就把信号分成2个频段处理。即把输入信号分成低频段和高频段2路分别处理，再用DSP技术合成在一起。比如放大器硬件带宽只能做到16GHz，而希望实现25GHz的带宽，这就要把16GHz以下的能量滤波后用一个放大器放大后采样，16～25GHz的能量经滤波、下变频后再用另一个放大器放大后采样。这种方法推广开来可以3个频段或4个频段复用实现更高的带宽。但是稍有点射频知识的人都知道硬件上是做不出来那么理想的滤波器正好把需要的频率都放进来，同时不需要的频率分量都滤掉的，而且宽带信号的下变频的过程会产生非常多的问题。因此这种方法在频段的交界点附近会有很大的问题，最典型的表现就是在频段交界点附近噪声会明显抬高，信号失真明显变大。另外最后波形的重建必须依赖于DSP：把高、低频段采样到的信号分别做FFT，在频域内拼接起来再做反FFT变换回到时域，DSP做完所有这些处理需要耗费大量的时间。还有就是信号触发的问题无法解决，因为触发通常是硬件电路实现，由于原始的全频段信号并没有都进入触发电路，所以不能全频段触发。

3、Agilent 90000X系列示波器的直接硬件实现

Agilent 90000X系列示波器的最高带宽做到32GHz，其采用的方法是通过技术革新，直接提高前置放大器的硬件带宽。这是最容易理解的方法，听起来很简单，但也是最难做的，因为高带宽硬件设计方面要求非常苛刻，来不得半点投机取巧。但是一旦实现，其效果也是最好的，其底噪声可以控制得非常好。     90000X系列示波器的前端芯片内部包含2片32GHz带宽的磷化铟(InP)材料的放大器。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。但是磷化铟(InP)材料的制造工艺和传统工艺不太一样，如果不攻克这些技术的话成品率会非常低，难以产品化。Agilent在磷化铟(InP)材料和前端芯片的研发上投入了大量资金，调集材料、工艺、微波、示波器等各方面人才，耗时2年多才完成其设计和产品化工作。目前设计出来的放大器其晶体管切换频率达200GHz，模拟带宽高达32GHz。未来而且该技术可以扩展到更高的性能，三极管切换频率可扩到350GHz，模拟带宽可达50GHz左右。磷化铟(InP)材料应用在示波器的前端电路里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。