文档资料:BROADBAND SAMPLING OSCILLOSCOPE CHARACTERIZATION WITH THE “NOSE-TO-NOSE” CALIBRATION PROCEDURE: A THEORETICAL AND PRACTICAL ANALYSIS

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日期:2025-01-12

核心速览

本文详细介绍了“鼻对鼻(“NOSE-TO-NOSE”)”校准程序在宽带采样示波器特性分析中的理论和实践分析,提出了一种数学理论来证明该方法的有效性,并通过实验验证了校准程序的准确性和精确性。

研究背景

·  研究问题:宽带采样示波器的校准问题,特别是如何准确地确定其脉冲响应。
·  研究难点:宽带采样示波器的校准面临多种挑战,包括实验重复性、噪声、采样器线性度和时间基准效应等问题。
·  文献综述:文章提到了之前关于宽带采样示波器特性分析的研究,特别是“鼻对鼻”校准程序的提出和验证,该方法基于“采样器弹跳等于示波器脉冲响应”的假设,并通过实验和SPICE仿真进行了验证。然而,之前缺乏支持这一基本假设的广义数学证据。

研究方法

·  “鼻对鼻”校准程序:研究提出了一种用于确定宽带采样示波器冲击响应的“鼻对鼻”校准程序。该方法基于假设“采样器弹出等于示波器冲击响应”,并从一个广义采样器等效方案出发,发展了数学理论,证明了在实际条件下采样器弹出确实等于采样器冲击响应。
·  数学模型:文章构建了一个广义采样器模型,用于计算采样二极管的电流-电压关系、采样电路的对称性、采样脉冲的馈通以及输入电路匹配的不完美性,并将这些因素与采样二极管特性和采样脉冲形状联系起来。
·  实验验证:通过实验验证了校准程序的准确性和精确性,包括实验重复性、噪声、采样器线性度和时间基准效应。

实验设计

·  实验设备:使用了两台不同类型的示波器进行实验,一台是HP-54121T(带宽20 GHz),另一台是HP-54124T(带宽35 GHz)。实验中使用了示波器内部的“OFFSET”功能来创建弹出脉冲。
·  采样器线性度:通过改变offset电压(50 mV至200 mV),测量了不同电压下的弹出脉冲的幅度和相位,以确定非线性失真。
·  重复性和噪声:通过三次连接和断开示波器,并测量1000个弹出脉冲,评估了校准程序的重复性和噪声引起的不确定性。
·  时间基准漂移和抖动:研究了时间基准漂移和抖动对校准精度的影响,并使用“对数谱平均”方法来避免时间基准漂移的影响。

结果与分析

·  采样器线性度:实验结果表明,当offset电压为100 mV时,与50 mV offset实验相比,幅度差异小于100 mdB,相位差异小于1度,适用于所有小于25 GHz的频率。
·  重复性和噪声:实验显示,对于平均1000个脉冲,75 mV offset的幅度99%置信区间优于+/-100 mdB,相位优于+/-1度,且重复性优于这些值。
·  时间基准效应:时间基准漂移与温度高度相关,而时间抖动的标准差约为1.6皮秒。通过乘以频率依赖函数C(f)可以补偿由时间抖动引入的误差。

总体结论

·  校准程序的有效性:从广义采样器等效方案出发,理论上证明了“采样器弹出等于采样器冲击响应”的说法,并指出了在“鼻对鼻”校准程序中,确定由p(t)可能的不对称性引入的系统误差的量是最重要的未知因素。

·  实验结果:实验结果表明,在20 GHz的频率范围内,“鼻对鼻”校准程序具有良好的准确性和精确性。未来使用54124T示波器的相同类型测量可能将所有结论扩展到50 GHz的带宽。

根据提供的文档内容,"sampler kick-out equals oscilloscope impulse response"是"nose-to-nose"校准程序的基本假设。这个假设最初是基于直观的方法提出的,并且后来通过与功率测量的比较以及SPICE仿真得到了实验验证。然而,直到现在,还没有普遍的数学证据支持这个基本假设。在文档中,作者发展了一个数学理论,这个理论从一个广义的采样器等效方案出发,并表明,在实践中有效的条件下,采样器的kick-out确实等于采样器的脉冲响应。文档还报告了关于校准程序的准确性和精确性的实验结果,这些实验涉及实验重复性、噪声、采样器线性和时间基准效应的研究。

此外,文档中还提到了实验结果,包括采样器线性、重复性、噪声以及时间基准漂移和抖动对校准精度的影响。例如,通过改变采样二极管偏置电压VB₁和vB₂,观察到幅度特性会显著变化,而相位特性几乎不变,这支持了"kick-out equals impulse response"的假设。

综上所述,文档通过理论分析和实验结果支持了"sampler kick-out equals oscilloscope impulse response"这一假设,并且指出了在实际应用中可能存在的系统误差来源。

根据提供的文档内容,"Generalized sampler equivalent scheme"(通用采样器等效方案)是基于一系列的网络方程和采样器的非线性特性来描述的。文档中提到的通用采样器模型包括了信号源、散射参数网络、采样二极管以及与之相关的电压和电流关系。具体来说,采样器的等效方案包括了以下几个关键部分:
  1. 信号源和输出阻抗:模拟采样器输入连接器处的信号源,具有50Ω的输出阻抗。
  2. 散射参数网络:代表输入连接器和采样二极管之间所有物理结构的模型,包括连接到50Ω终端电阻的路径。
  3. 采样二极管:通过非线性电导来模拟,其电流-电压关系由函数G₁和G₂给出。
  4. 采样电路:设计为尽可能对称,通过施加一个具有大负幅度的脉冲(称为“strobe pulse”)来实现采样,将逆偏电压在短时间内变为正偏,从而实现电荷的转移。

在文档中,还提到了采样器的等效方案是基于一系列的数学表达式和方程来推导的,这些方程描述了采样器在采样过程中的大信号行为。例如,文档中提到了方程(Eq.3)到(Eq.8),这些方程描述了采样二极管的电流和电压之间的关系,以及采样电路的电压和电流之间的关系。

此外,文档还提到了如何通过数学推导来得到采样器的等效方案,例如通过将采样二极管的电压-电流特性展开为泰勒级数,并忽略高阶项来简化模型。最终,这些推导结果在图2和图3中得到了可视化展示,分别代表了“sampler drive”等效方案和“signal sampling”等效方案。

综上所述,通用采样器等效方案是通过一系列的数学模型和物理假设来构建的,旨在描述采样器在采样过程中的行为,并且能够通过数学推导来得到采样器的脉冲响应和kick-out波形之间的关系。

为了推导出“sampler drive”等效方案,首先需要建立一些基本的网络方程,这些方程描述了采样二极管的大信号行为。这些方程由以下公式给出:

$$ i_{D1}(t) = G_1(V_{D1}(t)) $$
$$ i_{D2}(t) = G_2(V_{D2}(t)) $$
$$ V_{D1}(t) + V_{C1}(t) + V_{S1}(t) = -V_2(t) $$
$$ V_{D2}(t) + V_{C2}(t) + V_{S2}(t) = V_2(t) $$

其中,$ i_{D1}(t) $ 和 $ i_{D2}(t) $ 分别是两个采样二极管的电流,$ G_1 $ 和 $ G_2 $ 是它们的电流-电压关系函数,$ V_{D1}(t) $ 和 $ V_{D2}(t) $ 是二极管的电压,$ V_{C1}(t) $ 和 $ V_{C2}(t) $ 是保持电容上的电压,$ V_{S1}(t) $ 和 $ V_{S2}(t) $ 是施加在采样二极管上的脉冲电压源。

接下来,引入了四个新的函数和两个新的常数,这些函数和常数用下标 A(“平均”)和 △(“差分”)来替换原来的下标“1”和“2”。这些新函数和常数定义为原始函数和常数的平均值和一半的差值。例如,对于 $ V_{DA}(t) $ 和 $ v_{D\Delta}(t) $,定义如下:

$$ V_{DA}(t) = \frac{V_{D1}(t) + V_{D2}(t)}{2} $$
$$ v_{D\Delta}(t) = \frac{V_{D1}(t) - V_{D2}(t)}{2} $$

通过这种方式,可以将原始的方程简化为一个等效的“sampler drive”等效方案。这个方案中,二极管 D 的电压-电流特性由以下方程给出:

$$ i_D(t) = G(V_{DA}(t)) + v_{D\Delta}(t) \cdot g(V_{DA}(t)) $$

其中,$ G(V_{DA}(t)) $ 是 $ V_{DA}(t) $ 的函数,$ g(V_{DA}(t)) $ 是 $ V_{DA}(t) $ 的导数。这个等效方案的初始电容器上的电荷为零。通过这个等效方案,可以得到 $ v_{DA}(t) $ 的解。

以上推导过程基于文档中提供的信息,具体细节和数学推导过程可以在文档中找到。