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示波器本底带宽安捷伦用磷化铟芯片实现32GHz模拟带宽实时示波器

安捷伦4月27日在全球同步推出 Infiniium 90000 X 系列实时示波器,包括DSO、DSI两个系列。主要特点为:用磷化铟芯片实现了16、20、25、28 和 32 GHz的模拟带宽,本底噪声为50 mV/格、32 GHz带宽 时小于2mV,本底抖动约180 fs,是目前同类产品的 50%,采样率为80Gsps,存储深度为2 Gpts。该系列示波器有10个型号,带宽均可升级。主要针对10G以太网及其他高速串行接口等应用的信号测试。

图1 Infiniium 90000 X 实时示波器图2 探头系统

  同时推出的还有16 GHz~30 GHz带宽的高阻差分探头系统和40 多个应用软件,探头也可升级到更高的带宽。应用软件包括抖动分析、InfiniiScanPlus触发、雷达脉冲信号分析工具以及一致性认证测试套件。

  安捷伦副总裁兼数字测试方案总经理Siegfried Gross指出:我们将此前在频谱分析仪和射频网络分析仪中采用的磷化铟(InP)材料和工艺首次用在示波器里。与现有的砷化镓(GaAs)材料相比,磷化铟具有更高的饱和及峰值电子速率,更高的热传导率,更低的表面复合速率以及更高的击穿电场强度。通过控制工艺尺寸和电容参数,使内部晶体管截止频率达到200GHz,进而实现了32GHz的带宽。
图3安捷伦副总裁兼数字测试方案总经理Siegfried Gross


  对于如何在实现32 GHz高带宽的同时进行有效的噪声屏蔽和散热,Siegfried Gross进一步解释说:“现有的商用芯片技术无法满足高带宽的需要,我们用磷化铟半导体材料开发了6个模拟芯片,采用射频微波中的氮化铝三维封装技术,同时也用到了示波器探头前端。集成了磷化铟芯片的多芯片组模块用氮化铝材料做散热衬底,它本身热传递系数非常好,热传递系数和硅比较接近,虽然温度高但不会断裂。氮化铝材料本身质地比较硬,我们用了超过十年的时间才把氮化铝散热材料用到工艺里。多芯片组模块采用块模封装技术,即厚模和氮化铝封装,前端放大器模块里有三个部分是用三维电路设计的,上面加一个金属盖形成一个腔体,类似微波波导设计,把金属盖封上后再用波峰焊技术焊到PCB上,在PCB上不再有高速信号。这样,就可以有更多的空间屏蔽噪声信号。32GHz信号通过的地方用准同轴电缆,它不是同轴电缆,但是和同轴电缆的性质非常接近,当信号进来以后处理完再出到模块外,已经变成低速的信号。”

图4 磷化铟芯片封装图5 32 GHz模拟带宽眼图

  由于目前 16 GHz 带宽硬件技术的瓶颈,市场上的同类产品采用DSP增强技术或频域间插技术提高示波器的测试带宽。

  对于用硬件实现32GHz带宽与上述2种方法的区别,安捷伦亚太区示波器市场开发经理杜吉伟表示:用DSP方法把带宽提上升,在放大了信号的同时也放大了噪声,并且会影响测量精度。而频域内插技术用了两套滤波器,信号进来以后直接进ADC,另一路进入混频器,然后再用ADC采样,经过一系列运算之后显示出来,这种方式非常复杂,本底噪声变得更大。与用硬件方式相比,测试结果会差很多。例如,用16GHz示波器测一个信号,测试结果是39.84ps,如果用20GHz带宽示波器,眼图较小,用32GHz示波器,测试结果是16.57ps,眼图是正常的。

图6 Infiniium 90000 X 与DSP增强技术、频域间插技术的比较
  对于本底噪声,杜吉伟把DSP增强技术、频域间插技术和90000 X 实时示波器进行了比较,测试结果显示,通过DSP方法把带宽提高到20GHz,本底噪声显示较高,用频域内插技术本底噪声更高,90000 X的本底噪声最低,为1.53 mV。对于本底抖动,用20GHz带宽示波器测试一个干净的信号,结果显示,90000 X的本底抖动是DSP带宽示波器的十分之一。目前,在高能物理、有线通信标准和USB、SASA、PCIe等高速串行数据链路的测试中,设计裕量和抖动裕量越来越小,带宽要求越来越高;探头的负载效应;被测信号更复杂,要考虑去除夹具、电缆的影响,及调制/解调技术的要求。在此背景下,安捷伦开发出了Infiniium 90000 X 系列实时示波器。
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