超宽带示波器架构与电路：探索双极电路的前沿应用（Ultra-Wide-Bandwidth Oscilloscope Architectures and Circuits ）

在当今的测试设备领域，示波器等高性能测试仪器正面临着前所未有的挑战。用户期望这些设备的性能和精度能够超越被测设备（DUT），以确保测量结果真实反映DUT的特性，而非受到测试设备本身的限制。这一需求推动了高带宽示波器前端采用双极电路技术，即便是在CMOS技术主导的市场中，这一趋势也依然明显。

为了满足用户对高精度测量的需求，工程师们开始探索如何在示波器中运用双极晶体管技术。在130纳米和90纳米SiGe BiCMOS工艺下，他们设计了一系列电路原理图，展示了双极晶体管如何在30至70吉赫兹范围内提供宽带直流耦合放大器、采样器和示波器触发功能。这些电路的性能指标不仅依赖于Ft（截止频率）和Fmax（最大振荡频率）等基本参数，还受到许多其他底层工艺参数的影响。因此，设计过程不仅需要深入理解双极器件的核心模型，还需要对许多其他效应进行精确模拟和优化。

通过这些电路原理图，我们可以窥见优化制造工艺以适应这种应用的多个方面。例如，为了获得更高的带宽和更低的噪声，工程师们需要仔细调整晶体管的尺寸、形状和布局，以及优化与之相关的电路参数。此外，他们还需要考虑如何有效地散热，以确保电路在高温环境下仍能稳定运行。

这些努力不仅提升了示波器的性能，也为其他高性能电子设备的设计提供了有益的借鉴。随着科技的不断发展，人们对测试设备的要求将越来越高，而双极电路技术无疑将在这一进程中发挥越来越重要的作用。

在物理和电子实验室中，数字示波器（或更广泛地称为数字波形记录仪）已经是三四十年来的标配设备了。它们能够将被测设备（DUT）的行为数字化，并进行数值分析。图1展示了一个典型的数字示波器采集系统的方框图。

早在20世纪70年代，最早期的数字示波器就出于性能考虑，在所有模块中都采用了双极技术。然而，随着时间的推移，CMOS技术逐渐从方框图的右侧渗透进来。20世纪80年代，计算引擎转向了CMOS；90年代，波形存储器和地址计数器也采用了CMOS；到了21世纪初，有时连模数转换器（ADC）也开始使用CMOS了[1]。在性能要求较低的情况下，输入放大器、采样器和触发电路也可能用CMOS来实现。

这种向CMOS技术转变的原因有两个：一是CMOS器件的性能不断提高；二是CMOS工艺的密度不断增加，使得可以利用并行化技术来进一步提高整体速度。

在计算引擎中，并行化以多核处理器的形式出现，以提高吞吐量。波形存储器的并行化则增加了可用的记录长度，并支持超过存储器写入周期的ADC采样率。同样，采样器和ADC的并行化（更常被称为时间交织）增加了整体的采样率。然而，并行化并不会增加输入放大器、采样器或触发电路的模拟带宽。事实上，多个交织的采样器带来的额外负载可能会降低输入放大器的模拟带宽。因此，在高性能市场端，输入电路仍然采用双极技术，并将继续如此。

级联并行采样技术：突破带宽限制的新策略

在工程技术领域，当大量交织的采样器对输入放大器产生负载时，会导致其带宽损失。为了解决这个问题，技术人员采用了一种级联并行化的方案。在这个方案中，输入放大器首先驱动数量相对较少的交织采样器，而这些采样器又各自驱动更多以较慢速率运行的交织采样器。图2展示了一个“2乘4”级联时间交织采集系统的实例。

这种级联并行化方案与简单的8路交织相比，同样能将采样率提升至单个ADC的8倍，但不同的是，它仅通过两个采样器对输入放大器加载，从而实现了更高的带宽。这意味着，在保持高采样率的同时，也有效减轻了输入放大器的负担，避免了带宽的过度损失。

然而，级联时间交织架构的使用并非没有限制。根据奈奎斯特（Nyquist）理论，我们知道，以4倍于最终采样率Fs的速率进行采样的第一组采样器，其输出包含从直流（DC）到采样率一半（2Fs）的独特频谱内容。因此，第二组采样器必须具有至少这个量的带宽，否则将无法捕获第一组采样器的信息内容。在时间域中，这等价于说，第二组采样器必须能够在新的样本出现之前，稳定到第一组采样器的采样值上。

简单来说，级联并行采样技术是一种创新的解决方案，它通过在采样器之间引入级联关系，有效突破了输入放大器带宽的限制，实现了高采样率与宽带宽的双重保障。这一技术的出现，为高精度数据采集系统的设计提供了新的思路和方法，对于推动相关领域的发展具有重要意义。

在工程技术领域，一项名为“异步时间交织”（Asynchronous Time Interleaving，简称ATI）的技术正逐渐崭露头角。这项技术之所以被称为异步，是因为预采样功能与下游的模数转换器（ADC）转换并非在同一时间或频率上运行。

要实现ATI，对硬件的修改其实相当简单。以图2为例，只需将原本的4倍频率倍增器更换为3倍倍增器即可。然而，真正的变革在于对波形存储器中数字化样本的解读方式。

在传统的同步时间交织中，每个ADC输出的数字字都代表着输入波形单个样本的数字化值，无论这个样本是直接采样还是通过两个或多个采样器的级联得到的。但在ATI中，虽然根据奈奎斯特理论，ADC数字字仍然包含原始信号的信息内容，但ADC数字字与输入信号的样本之间已不再存在直接的一一对应关系。

为了重建代表输入信号的数字值流，我们需要进行数字信号处理（DSP）。在频域中，这一处理过程最为直观，如图3所示。通过DSP，我们可以从看似杂乱无章的ADC输出中，提取并重组出原始信号的完整信息。

ATI技术的出现，不仅打破了传统时间交织技术的局限，还为信号采集和处理带来了全新的可能性。它允许我们在更复杂的采样环境中，依然能够准确、高效地捕获和重建信号，这对于高速、高精度信号采集系统的发展具有重要意义。随着技术的不断进步和应用的深入拓展，ATI有望成为未来信号采集领域的重要发展趋势之一。

在工程技术领域，信号的采集与处理一直是研究热点。近日，一种通过频率域谐波混合技术来高效采集信号的方法备受瞩目。接下来，我们就来详细解读这一技术的奥秘。

首先，我们看到输入频谱（如最左侧图形所示）在直流（DC）到70吉赫兹（GHz）之间呈现轻微倾斜，然后在75 GHz及以上急剧下降至可忽略不计的值（这得益于输入抗混叠滤波器的保护）。这构成了我们处理信号的起点。

接下来，预采样器的采样功能在频率域中展现出了其独特的魅力——谐波混合。它不仅能够传递原始输入频谱，还能将其按照75 GHz采样时钟的整数倍（谐波）进行频移。这里值得一提的是，在双向交织的情况下，仅采样时钟的基波（即1次谐波）是相关的。

于是，在预采样器的输出端，我们得到了一个包含原始输入频谱和镜像上移频谱的复杂频谱。值得注意的是，尽管两条路径中的原始频谱是同相的，但由于交织预采样器的半周期时移（如虚线所示），下路径中的频移频谱与上路径中的频移频谱相位相差180°。

这一相位差异在信号采集和处理中具有重要意义。它允许我们通过特定的算法，从复杂的输出频谱中分离并重建出原始的输入信号。同时，频率域谐波混合技术也为信号的高效采集提供了新的思路和方法。

随着信息技术的快速发展，对于信号采集的精度和效率要求越来越高。频率域谐波混合技术以其独特的优势，在高速信号处理、通信系统等领域展现出了广阔的应用前景。未来，我们有理由相信，这一技术将继续引领信号采集和处理领域的发展潮流，为人类社会带来更多的创新和进步。

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首先，我们看到第二组图形展示了信号经过低通滤波后的频谱。这里的低通滤波不仅由ADC（模数转换器）通道的固有带宽限制实现，还可能包括额外的输入抗混叠滤波器和/或输出DSP（数字信号处理）滤波器，以确保响应的匹配和对称性。这些经过滤波的100 GS/s（每秒千兆采样）数据流，为后续的处理奠定了坚实的基础。

接下来，这些数据流被上采样（插值）至200 GS/s，并在数字域内与模拟域中使用的相同混频函数进行相乘。这一步骤的目的是将部分频谱内容移回其原始频率，但同时也留下了许多频移的伪影。值得注意的是，在上路径中，所有频谱内容（无论是未频移的、在模拟域频移一次的、在数字域频移一次的，还是频移两次的）都保持同相。然而，在下路径中，未频移和频移两次的内容最终同相，而仅频移一次（无论是模拟域还是数字域）的内容，由于其频率错误，最终会异相。

为了消除这些异相的频移伪影，研究者们采取了求两路数据流平均值的策略。这一步骤加强了未频移和频移两次的内容，同时抵消了仅频移一次的伪影。经过平均处理后，输出频谱包含了原始输入的低频内容（未频移）、高频内容（频移两次，先下移到低频再移回原频）以及一个由高频内容在同一方向频移两次产生的最终伪影。幸运的是，这个最终伪影在最后的低通滤波器中被成功去除。

这一数字与模拟混合的信号处理方法，不仅提高了信号采集的精度，还为信号的重构提供了新的思路。随着信息技术的快速发展，对于信号处理的效率和准确性要求越来越高。数字与模拟混合技术以其独特的优势，在高速信号处理、通信系统等领域展现出了广阔的应用前景。未来，我们有理由相信，这一技术将继续推动信号处理领域的发展，为人类社会的信息化进程贡献更多的力量。

在当今的工程技术领域，ADC（模数转换器）的性能直接决定了信号处理的精度和效率。然而，传统的ADC设计往往受到奈奎斯特（Nyquist）带宽的限制，难以处理高频信号。为了突破这一瓶颈，ATI（交替时间交织）技术应运而生，它不仅能够保持标准同步时间交织的优势，还能与现有的具有次奈奎斯特带宽的ADC通道设计兼容，为信号处理带来了革命性的变化。

ATI技术的核心在于，它能够将高频输入内容“平移”或“折叠”到低频内容之上，使得两个ADC通道都能够独立地数字化输入信号，而不受输入频率的限制。这与传统的频带分割架构截然不同，后者通常将低频带输入到一个ADC通道，而将高频带下转换后输入到另一个ADC通道。由于频带分割架构中，任何给定的输入频谱部分都只由一个ADC通道进行数字化，因此在重建的最后一步，需要将来自不同通道的信号内容进行相加，而不是像ATI那样使用平均操作。

正是这一平均操作，为ATI技术带来了显著的噪声优势。通过平均两个ADC通道的输出，ATI能够有效地降低噪声水平，提高信号处理的精度。相比之下，频带分割架构在信号重建时采用的是相加操作，这可能会引入额外的噪声和失真。

随着信息技术的快速发展，对信号处理的要求也越来越高。ATI技术以其独特的优势，在高速信号处理、通信系统、医疗电子等领域展现出了广阔的应用前景。它不仅能够帮助工程师们突破传统ADC设计的带宽限制，还能够提高信号处理的效率和精度，为工程技术的发展注入了新的活力。

总之，ATI技术以其超越带宽限制的能力，正在引领ADC信号处理的新潮流。未来，我们有理由相信，这一技术将继续在工程技术领域发挥重要作用，为人类社会的信息化进程贡献更多的力量。