[图文]数字宽带示波器挑战10GHz的高速测试

2004年11月A版

　　在2003年全球销售扭亏为赢之后，2004年测量仪器业纷纷推出性能指标更高的产品，争取在市场中占有更大的份额。泰克公司三月份推出TDS6000B宽带数字存储示波器，带宽达到8GHz，继续保有世界最高指标的桂冠，同时宣布还有配套使用的PT80SMA带宽的8GHz差分探头，泰克在2000年初发布使用SiGe材料和工艺解决宽带数字示波器前端电路(即输入宽带放大器，信号取样保持电路)、探头跟随器等高速模拟电路，使TDS7000系列的带宽突破4GHz大关，在业界遥遥领先。从2000年至今，泰克平均以每年提高1GHz带宽的步伐前进，现在按带宽排序，分别由泰克居首位(8GHz)，安捷伦公司第二(7GHz)，力科公司第三(6GHz)构成业界三强。
　　测量仪器业的示波器类，频谱分析仪类，网络分析仪类，加上信号发生器类构成四大支柱，它们代表时域、频域，阻抗域和激励源，四类产品的销售额占全业界总销售额的70%以上。市场营销经验表明，某一行业只有一家独大，并不利于发展，由于没有对手而停滞不前，反之强者如林同样不利，过度竞争使力量削弱；三家鼎立的局面比较稳定，互相扬长避短，在其它业界亦有类似经验。

SiGe材料和工艺的突破
　　在1990年代逻辑电路IC已全部采用Si材料的CMOS工艺，直至今天，IC的线宽从1.0mm缩小到0.09mm，而且还在缩小，在另一方面，射频电路IC在2GHz以下以Si材料为主，在2GHz以上以GaAs材料为主。但是，需要射频和逻辑IC在一起时，GaAs与Si不能兼容，不能实现在同一块衬底上。在今天高度竞争的电子市场中，特别是高级测量仪器，需要有模似、数字相结合的专用IC。数字存储示波器就是典型实例，它的前端电路使用截止频率50GHz的模拟电路，它的快速模拟数字转换使用取样频率超过5GHz，依靠Si的CMOS工艺遇到实际困难。泰克公司为在示波器业保持领先地位，必须在高频高速IC方面有所突破。在找寻合适的合作者方面，泰克公司经过筛选，认为IBM公司的SiGe(硅锗)技术最具潜力，SiGe既有很高射频特性，而且可与CMOS工艺兼容，亦即著名的Bi-CMOS工艺，有望实现测量仪器领先电子产品主流技术的可能。泰克与IBM的强强联合，各自发挥核心技术和专长，为新产品的开发创造了一种高效的合作环境，终于开发出实时带宽4GHz的TDS7000系列数字荧光示波器。
　　IBM公司作为电脑业的巨头，拥有强大的半导体材料和器件实验室，一个材料研究组当时正在开发SiGe材料和工艺，同样物色在高频高速IC方面的应用，以便证明SiGe的商业价值。IBM不准备出售此项技术，而是找寻在通信、信息技术、测量仪器的强有力的合作者，泰克公司为创造新一代数字测量仪器的需求正好与IBM的想法不谋而合。泰克公司为此投入几千万美元的资金，对SiGe工艺寄以厚望，眼光非常独到。两家各有特点的高科技公司的结盟，使一种新IC工艺与一种领先的数字示波器开发得到密切结合，为测量仪器市场带来新的推动力。
　　力科公司同样紧跟泰克之后，找到其它SiGe材料和工艺制造厂，为它的最高档数字存储示波器WaveMaster系列生产前端宽带电路，在2002年推出带宽6GHz的数字示波器，力科的前端宽带电路包括前端放大器、A/D转换器，触发器和探头电路。因此，力科借助SiGe技术迅速赶上泰克公司的TDS6000系列，成为第二家可供应带宽6GHz的示波器供应商。
　　安捷伦公司拥有强大的测量仪器部门和半导体部门，射频和微波测量仪器是业界的老大，数字存储示波器也是它的强项。射频和光电半导体器件更具有影响，它在Si、GaAs、InP材料，以及在MOS场效应器件，异质结双极晶体管、E-PHEMT(加强型膺晶电子迁移率晶体管)方面都有一流的水平。因此，安捷伦公司虽然没有使用SiGe技术，同样在2002年底将它的Infiniium高档数字存储示波器的带宽推高至6GHz，这样一来，出现示波器业界前所未有的盛况，在同一年度内三家公司的数字存储示波器都攀登到带宽6GHz的高度，打破多年来泰克公司往往以相当距离领先对手的局面。

　　泰克公司的高档数字宽度示波器系列
　　至今，时间进入2004年下半年，纵观示波器供应商的三强中，各自取得不同的成绩。泰克继续领先对手，在2003年将TDS7000系列升级为TDS7000B系列，带宽从6GHz增加到7GHz，又在2004年将TDS6000系列升级为TDS6000B系列，带宽从6GHz升到8GHz。应该指出，TDS6000B和TDS7000B两系列的最高取样率仍然是20GHz/s，亦即没有改善前端电路来取得的，显然是由于SiGe技术的贡献。泰克的高档数字示波器几种系列的主要特性如表1所示。
　　泰克的高档数字示波器按特点分为三大系列，TDS6000B着重实时带宽，具有强大的数字信号处理能力，最高性能的TDS6804B的实时带宽达到8GHz(相当于上升时间35ps)。与原来的TDS6000系列相比，除增加带宽之外，波形存储容量也从128KB增加到32MB，这对于捕捉单次波形非常有效，但是取样率仍然只有最高20GS/s。TDS6000B系列的触发能力也得到加强，它的Pinpoint(尖端)触发技术保证触发抖动低于1.5ps，可捕捉宽度小于200ps的偶发现象，在最高取样率下记录窗口达到1.6ms，为了配合TDS6000B系列的8GHz带宽，泰克还推出业界较高带宽的差分输入插头P7380SMA,它的带宽同样是8GHz,并且在2004年底前再提供其它带宽8GHz的有源插头，使TDS6000B系列数字存储示波器成为完整的宽带测量系统。
　　总的来说，TDS6000B比原来的TDS6000有很多改进，表现为带宽、存储容量、处理能力、触发功能的提高，前端电路和触发电路由于采用SiGe技术，后端电路由于采用高速微处理器和高速信号处理器而得到加强，使TDS6000B以全新面目出现，从而能够在高档数字存储示波器中继续领先。
　　TDS6000B系列属于标准的DSO类型，即数字存储示波器结构，从电路特点来看，DSO结构是快速A/D转换，快速波形样点存储、慢速D/A波形的复现和显示。例如TDS6000B的最快扫描速度是25ps/格，总扫描窗口是25ps