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数字示波器寻源录:仪器行业中浪访谈(上)


  来源: 普源精电 RIGOL 时间:2021-03-25 编辑:清风
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图5: LeCroy-WD2000,将实时ADC、存储器、显示器集成到一个盒子中的波形数字化仪,是世界上第一台实时数字示波器。


图6: LeCroy-WD2000的心脏-数据采集板(这是基于LeCroy应用于核物理采集卡中的电流采样ADC而研发出来的)


18年后,另一家电子科技电子公司Hewlett-Packard(惠普,HP)也推出了其第一款同样具有100MHz带宽的数字示波器。不久后,在1992年,Tektronix(泰克)以500MHz带宽,1GSa/s采样率,开始了其对于数字示波器的探索之旅。


图7:HP-HP54501A(左)、Tektronix-TDS500(右)


早期的数字示波器仍然使用CRT显示屏,其与模拟示波器的不同在于对被测信号的处理方式。得益于集成电路(IC)技术的发展,数字示波器使用宽带放大器、高速ADC(Analog to Digital Converter,模数转换器)、存储器(Memory)对输入信号进行调理、采样、量化、存储和显示等一系列处理,实现了模拟示波器所不具备的更高带宽和波形存储回放能力。


集成电路(IC)实现这些功能的核心。所谓IC,就是利用半导体工艺在单个半导体衬底上制作多个二极管、三极管及电阻、电容等元器件件,并连接成可实现特定电路功能的器件。


图8: 1947年在贝尔实验室(Bell Labs)诞生的世界上第一个锗晶体管(左)、1954年美国德州仪器(Texas Instruments)制造的二极管(中)、1961年美国仙童公司((Fairchild)制造的MOSFET(右)


1958年,一位德州仪器公司的工程师Jack Kilby用几根凌乱的导线将五个均由半导体材料制成的电子元件连接在一起,就形成了世界上第一个集成电路,这是集成电路技术的历史性一步。


随后,集成电路技术迅速发展,1965年Intel公司戈登·摩尔提出摩尔定律(Moore’s Law),预测单位面积上集成的晶体管数量每18个月提高一倍。1971年,Intel®(英特尔)发布了全球第一个微处理器4004,一个由2300个晶体管组成的集成电路,与世界上第一台数字示波器同年诞生。


到了20世纪70年代末,64KB动态随机存储器诞生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管,标志着超大规模集成电路(VLSI)时代的来临。


图9:世界上第一块集成电路板(左)、Intel®4004微处理器(右)


图10: Intel®联合创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore),于1965年提出了摩尔定律:集成电路上单位面积可以容纳的晶体管数目大约每经过18个月便会增加一倍


芯片中晶体管数量的剧增得益于工艺制程的进步。半导体工艺制程是指集成电路产业晶圆制造中最为顶尖的若干个工艺节点,随着时间不断演变升级。根据国际半导体技术线路图(ITRS)的规定,制程节点代数通常以晶体管的半节距或栅极长度等特征尺寸来表示,以衡量集成电路的工艺水平。


图11:集成电路制程节点演进


为了实现更高的测量带宽,相比于电脑CPU等芯片而言,数字示波器芯片更关心半导体工艺的速度,而不仅是晶体管密度。通常工艺的速度用晶体管截止频率(fT )来衡量,它是晶体管电流增益下降到1倍的边界频率。随着半导体加工工艺精细程度的提高,SiGe、InP等高电子迁移率半导体材料的使用,器件结构的持续革新,使得芯片上晶体管截止频率不断攀升,这也为高带宽示波器的研制创造了条件。


图12:fT 工艺节点演进


关键词:数字示波器 仪器 电子测量仪器    浏览量:4072

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