[圖文]數字寬帶示波器挑戰(zhàn)10GHz的高速測試

2004年11月A版

　　在2003年全球銷售扭虧為贏之后，2004年測量儀器業(yè)紛紛推出性能指標更高的產品，爭取在市場中占有更大的份額。泰克公司三月份推出TDS6000B寬帶數字存儲示波器，帶寬達到8GHz，繼續(xù)保有世界最高指標的桂冠，同時宣布還有配套使用的PT80SMA帶寬的8GHz差分探頭，泰克在2000年初發(fā)布使用SiGe材料和工藝解決寬帶數字示波器前端電路(即輸入寬帶放大器，信號取樣保持電路)、探頭跟隨器等高速模擬電路，使TDS7000系列的帶寬突破4GHz大關，在業(yè)界遙遙領先。從2000年至今，泰克平均以每年提高1GHz帶寬的步伐前進，現在按帶寬排序，分別由泰克居首位(8GHz)，安捷倫公司第二(7GHz)，力科公司第三(6GHz)構成業(yè)界三強。
　　測量儀器業(yè)的示波器類，頻譜分析儀類，網絡分析儀類，加上信號發(fā)生器類構成四大支柱，它們代表時域、頻域，阻抗域和激勵源，四類產品的銷售額占全業(yè)界總銷售額的70%以上。市場營銷經驗表明，某一行業(yè)只有一家獨大，并不利于發(fā)展，由于沒有對手而停滯不前，反之強者如林同樣不利，過度競爭使力量削弱；三家鼎立的局面比較穩(wěn)定，互相揚長避短，在其它業(yè)界亦有類似經驗。

SiGe材料和工藝的突破
　　在1990年代邏輯電路IC已全部采用Si材料的CMOS工藝，直至今天，IC的線寬從1.0mm縮小到0.09mm，而且還在縮小，在另一方面，射頻電路IC在2GHz以下以Si材料為主，在2GHz以上以GaAs材料為主。但是，需要射頻和邏輯IC在一起時，GaAs與Si不能兼容，不能實現在同一塊襯底上。在今天高度競爭的電子市場中，特別是高級測量儀器，需要有模似、數字相結合的專用IC。數字存儲示波器就是典型實例，它的前端電路使用截止頻率50GHz的模擬電路，它的快速模擬數字轉換使用取樣頻率超過5GHz，依靠Si的CMOS工藝遇到實際困難。泰克公司為在示波器業(yè)保持領先地位，必須在高頻高速IC方面有所突破。在找尋合適的合作者方面，泰克公司經過篩選，認為IBM公司的SiGe(硅鍺)技術最具潛力，SiGe既有很高射頻特性，而且可與CMOS工藝兼容，亦即著名的Bi-CMOS工藝，有望實現測量儀器領先電子產品主流技術的可能。泰克與IBM的強強聯合，各自發(fā)揮核心技術和專長，為新產品的開發(fā)創(chuàng)造了一種高效的合作環(huán)境，終于開發(fā)出實時帶寬4GHz的TDS7000系列數字熒光示波器。
　　IBM公司作為電腦業(yè)的巨頭，擁有強大的半導體材料和器件實驗室，一個材料研究組當時正在開發(fā)SiGe材料和工藝，同樣物色在高頻高速IC方面的應用，以便證明SiGe的商業(yè)價值。IBM不準備出售此項技術，而是找尋在通信、信息技術、測量儀器的強有力的合作者，泰克公司為創(chuàng)造新一代數字測量儀器的需求正好與IBM的想法不謀而合。泰克公司為此投入幾千萬美元的資金，對SiGe工藝寄以厚望，眼光非常獨到。兩家各有特點的高科技公司的結盟，使一種新IC工藝與一種領先的數字示波器開發(fā)得到密切結合，為測量儀器市場帶來新的推動力。
　　力科公司同樣緊跟泰克之后，找到其它SiGe材料和工藝制造廠，為它的最高檔數字存儲示波器WaveMaster系列生產前端寬帶電路，在2002年推出帶寬6GHz的數字示波器，力科的前端寬帶電路包括前端放大器、A/D轉換器，觸發(fā)器和探頭電路。因此，力科借助SiGe技術迅速趕上泰克公司的TDS6000系列，成為第二家可供應帶寬6GHz的示波器供應商。
　　安捷倫公司擁有強大的測量儀器部門和半導體部門，射頻和微波測量儀器是業(yè)界的老大，數字存儲示波器也是它的強項。射頻和光電半導體器件更具有影響，它在Si、GaAs、InP材料，以及在MOS場效應器件，異質結雙極晶體管、E-PHEMT(加強型膺晶電子遷移率晶體管)方面都有一流的水平。因此，安捷倫公司雖然沒有使用SiGe技術，同樣在2002年底將它的Infiniium高檔數字存儲示波器的帶寬推高至6GHz，這樣一來，出現示波器業(yè)界前所未有的盛況，在同一年度內三家公司的數字存儲示波器都攀登到帶寬6GHz的高度，打破多年來泰克公司往往以相當距離領先對手的局面。

　　泰克公司的高檔數字寬度示波器系列
　　至今，時間進入2004年下半年，縱觀示波器供應商的三強中，各自取得不同的成績。泰克繼續(xù)領先對手，在2003年將TDS7000系列升級為TDS7000B系列，帶寬從6GHz增加到7GHz，又在2004年將TDS6000系列升級為TDS6000B系列，帶寬從6GHz升到8GHz。應該指出，TDS6000B和TDS7000B兩系列的最高取樣率仍然是20GHz/s，亦即沒有改善前端電路來取得的，顯然是由于SiGe技術的貢獻。泰克的高檔數字示波器幾種系列的主要特性如表1所示。
　　泰克的高檔數字示波器按特點分為三大系列，TDS6000B著重實時帶寬，具有強大的數字信號處理能力，最高性能的TDS6804B的實時帶寬達到8GHz(相當于上升時間35ps)。與原來的TDS6000系列相比，除增加帶寬之外，波形存儲容量也從128KB增加到32MB，這對于捕捉單次波形非常有效，但是取樣率仍然只有最高20GS/s。TDS6000B系列的觸發(fā)能力也得到加強，它的Pinpoint(尖端)觸發(fā)技術保證觸發(fā)抖動低于1.5ps，可捕捉寬度小于200ps的偶發(fā)現象，在最高取樣率下記錄窗口達到1.6ms，為了配合TDS6000B系列的8GHz帶寬，泰克還推出業(yè)界較高帶寬的差分輸入插頭P7380SMA,它的帶寬同樣是8GHz,并且在2004年底前再提供其它帶寬8GHz的有源插頭，使TDS6000B系列數字存儲示波器成為完整的寬帶測量系統(tǒng)。
　　總的來說，TDS6000B比原來的TDS6000有很多改進，表現為帶寬、存儲容量、處理能力、觸發(fā)功能的提高，前端電路和觸發(fā)電路由于采用SiGe技術，后端電路由于采用高速微處理器和高速信號處理器而得到加強，使TDS6000B以全新面目出現，從而能夠在高檔數字存儲示波器中繼續(xù)領先。
　　TDS6000B系列屬于標準的DSO類型，即數字存儲示波器結構，從電路特點來看，DSO結構是快速A/D轉換，快速波形樣點存儲、慢速D/A波形的復現和顯示。例如TDS6000B的最快掃描速度是25ps/格，總掃描窗口是25ps