从是德科技110G高宽带示波器解“ADC有效位数”之谜

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：

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。

与非网原创内容，未经允许，不得转载！