从是德科技110G高宽带示波器解“ADC有效位数”之谜

2018-09-27 14:07:02 来源:EEFOCUS
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最近,著名数学家Michael Atiyah宣布世纪数学难题“黎曼猜想”被证明,这一新闻在全球引起一片轰动。可以预见,世界上总有极少数的科学家在专心探索科技领域更深的奥秘,也总有极少数公司站在时代最前沿开发更卓越的产品。在测试测量领域,是德科技算是一家不断探索“无人区”的科技公司,其近期推出的Infiniium UXR系列示波器又一次刷新了业界示波器测量精度的新纪录。

 

从技术参数来看,Infiniium UXR系列示波器带宽范围是13GHZ-110GHz ,ADC 物理上可达10 位垂直分辨率,新一代磷化铟半导体工艺带来极低的本底噪声和固有抖动。除此之外,该系列示波器的通道数和带宽都可以升级,2 通道可升级到 4 通道,13GHz带宽可一路升级到110 GHz。

 

新的“无人区”:13GHZ-110GHz带宽,10bit ADC
“13GHZ-110GHz带宽,10bit ADC”的技术参数还意味着示波器测量精度走到了新的“无人区”。我们不妨列出是德科技示波器产品的几个系列做一个对比:

 

是德科技示波器系列

Infiniium S系列

 

Infiniium V系列

Infiniium Z系列

Infiniium UXR系列

 

带宽范围

500MHz~8GHz

8GHz~33GHz

20GHz~63GHz

13GHZ-110GHz

ADC有效位数

10bit

8bit

8bit

10bit

满带宽和通道数

500MHz~4GHz,

4个通道可达满带宽;6GHz~8GHz,2个通道可以达到满带宽;

20G~33G

2个通道满带宽;

20G~33G,4个通道可达满带宽;50G~63G,2个通道可达满带宽;

110G 4个通道可达到满带宽

 

从表中可以看出,Infiniium UXR系列的带宽已经远远超过了其它三个系列,而且UXR系列在110GHz时可以实现4个通道满带宽,V系列在20G~33G时有2个通道满带宽,Z系列在50G~63G时也只有2个通道可达满带宽。举例来说,在带宽为59GHz时,UXR系列示波器的4个通道都可以达到满带宽,Z系列只有2个通道达到满带宽,也就是一台UXR系列就可以完成两台Z系列测量的参数。对于相干光通讯应用,测试时必须同时使用多个通道,如果采用UXR系列进行测量,单通道成本就会大大降低。

 

Infiniium UXR系列的带宽范围已经覆盖了V系列和Z系列,它们在市场上的定位有什么差异?杜吉伟解释,“Infiniium V和Infiniium Z仍然是8bit ADC示波器中性能最好的示波器。但是,如果用户想测更高速的信号,Infiniium UXR系列性能更好。”这个“好”是有实例体现的。

 

能测量以前无法测量的信号

 

 

在光相干接收机研究时,UXR系列示波器支持 4 个通道同时使用时,每个通道都是110 GHz带宽、256GSa/s采样,以满带宽全速度完全解码全相干接收机设计;由于其自身具有优异的信号完整性,研究人员能够测量以前无法测试的信号,比如超高速256QAM 星座图的EVM测试,这是Infiniium Z系列所不能完成的。

 

 

现在市场竞争压力非常大,新产品需要合乎规范,通过一致性测试,还要缩短开发周期短,降低成本。比如,在一致性测试时,行业规范的EVM是3.5%,以前的设备EVM只能做到5.4%,客户需要在硬件上作多次改进才能通过一致性测试,而UXR系列的EVM可以达到2.8%,用户不仅轻松通过测试,而且通过测试以后,元器件的成本还有下降的空间。

 


如眼图测试,前一代产品测试高度只能达到40mV,宽度8ps,UXR系列测试高度可以达到80mV,宽度15ps,两者之间的测量差异是由于仪器本身造成的,UXR系列测试的眼图张开度更大,更清晰。

 

ADC之谜:位数越高示波器性能越高?
ADC的位数是衡量示波器性能的一项重要参考指标,一般测试测量厂商在发布一款新型示波器时都会强调其ADC位数的改变。市面上的示波器采用ADC从8位到12位不等,普通用户会按照常规思维理解,觉得ADC位数越高测量精度越高,示波器性能越好。

 

从波器参数表来看,采样率和ADC的位数是互斥的,当采样率越高,ADC的有效位数越低。有些产品会采用算法补偿实现更高ADC有效位,但是如果ADC的有效位数是物理的,就和采样率无关。用杜吉伟的话就是,“在示波器领域,目前只有是德科技的产品在带宽达到13GHz以上时可以做到ADC的有效位数是10bit,而且是物理有效位。”

 

ADC再往更高位数做就无法攀岩了吗?其实是德科技已经将ADC做到了14bit,而且已经应用在了频谱分析仪产品中。用户可能会问:既然可以将14bit ADC用到网络分析仪中,为什么不能用在示波器中?我们要知道,衡量示波器性能的参数不只是ADC有效位数,除此之外还有示波器的本底噪声、固有抖动和通道之间的抖动。

 

示波器如果想要测量更精细的信号,首先本身要纯净,噪声要小。杜吉伟比喻仪器本身和人一样,心胸要足够广阔才能看得更远,如果心藏怨恨能看到的世界就只有怨恨,容纳不了更多的风景。但是对于示波器来说,电子产品的杂散不可能是零,信号采集进来要经过前端放大器,如果示波器本身的噪声很大,ADC的位数再高也无法实现更高的精度,目前前端放大器的精度还配不上14bit 的ADC,可见示波器测量精度继续向上发展的瓶颈不是ADC有效位数,而是带宽、前端放大器、ADC全面突破才有意义。

 

独门绝技—磷化铟工艺
是德科技之所以可以在测试测量领域独居鳌头,是因为它还有一项“独门绝技”— 磷化铟工艺。早在80年代,惠普公司就开始进行磷化铟技术的研发,2004年第一次把磷化铟技术用到安捷伦的频谱分析仪和网络分析仪中,2010年将该技术用到示波器中。Infiniium V和Infiniium Z系列均采用了该工艺,UXR系列采用的是新一代磷化铟工艺。杜吉伟分析,“从性能来看,磷化铟工艺比锗硅工艺的本底噪声要小,可以把10bit ADC的优势充分发挥出来,14bit ADC分辨率理论上可以做到1/2^14 ,但是实际上实现不了,是因为前端放大器本身带来的噪声比较大,就是把前端放大器做到毫伏级别,这个级别的底噪也比1/2^14 大很多,会覆盖ADC的精度,ADC位数再高优势发挥不出来。”



笔者在几年前就了解到了磷化铟工艺,但是直到今天别的测试测量公司也没有采用,是技术本身太难还是其它公司觉得没有必要?杜吉伟的解释是,“毋庸置疑,磷化铟的成本很贵,不是所有公司都可以通过销售产品负担得起,但是我们的产品线足够丰富,而且销量足够大,可以均摊成本,从而可以支撑起自建工厂实现商业化。我们在不断扩展磷化铟技术的应用范围,将技术从高端向中低端迁移,让更多工程师能够用上磷化铟技术的产品。”

 

110GHz带宽以后示波器的更高可能
每次采访,我总喜欢让受访者展望未来,因此这个问题也抛给了杜吉伟:继Infiniium UXR系列的“110GHz带宽,10bit ADC”精度之后示波器如何发展?他的回答是,“在五年之内,Infiniium UXR系列的110G带宽基本能满足市场上的大部分需求。除了要解决本底噪声问题外,示波器还有一个发展瓶颈就是计量,仪器要保持既定的测量精度需要每隔一段时间就进行校准,而目前110G带宽的示波器好多公司无法计量,我们推出的自校准模块可以支持110G,让仪器恢复出厂水平。”

 

为了方便中国客户,UXR系列示波器特意为中国市场定制了59GHz带宽产品,后期用户可以根据需要升级到70GHz或者110GHz,升级方式完全是软件升级,硬件不用作任何替换。

 

科技发展的未来有无限可能,就像芯片制造工艺一样,当工艺节点发展到28nm时很多人就觉得够用了,但是后来又推出了16nn、10nm、7nm,如今5nm技术研发已经提上提成,未来还会有3nm、1nm;通信技术从2G到3G,再到4G,我们都觉得手机上网速度已经够快了,如今5G也即将商用,它将推动人工智能、自动驾驶等新应用的实现。示波器的技术参数也会随着科技发展的需求不断向前迈进,突破“110GHz带宽”或许并不遥远。

 

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作者简介
郭云云
郭云云

与非网北京站编辑,网名:咖啡不解困。混迹在电子社区,混迹在电子产业圈,虽不如工程师懂技术但也算半个电子人,喜欢听别人讲故事,喜欢思考电子圈的是是非非,更喜欢发表自己的“正理邪说”,时刻保持对所见所得的思考。

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