ADC實現測量數字化的必經之路
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專用ADC遙遙領先
推動ADC取得優異成果的主要力量來自電子測量儀器業界，為了保持與時俱進的高速信號的測試和分析，自從1960年代開始，安捷倫科技和泰克兩家公司，一直不懈努力研發電子示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發生器所需的專用集成電路，以期達到測量儀器領先于尖端信號測試的需求。安捷倫和泰克都擁有自己專用集成電路設計和制造部門，目的是保持測量儀器的超性能，在各種儀器專用器件中對ADC投入的力量最強，因為“模擬輸入、數字處理”是現代測量儀器的結構基礎，而溝通模擬和數字的橋梁則非ADC莫屬。對此安捷倫和泰克兩公司為測量業界創造了奇跡，從新千禧年的2000年開始至2005年中期，依靠ADC性能的不斷提升，從取樣率2GS/S和分辨率8位起步，躍進到現在的取樣率20GS/S和分辯率8位的最高水平，使數字示波器順利地越過實時帶寬1GHz的難關走向16GHz，同時對實現頻譜分析儀推進到6GHz，以及測試有關2G、2.5G和3G移動通信指標的無線測量系統，高清晰度數字電視測量系統。
我們先回顧泰克研發GS/S級ADC的專用集成電路的歷程，泰克原來是一個全能的示波器供應商，后來精簡機構把半導體部門剝離，但留下一百多名工程師的集成電路開發和支持隊伍，在高速器件方面與IBM微電子部密切合作。兩公司取得成功的關鍵是采用SiGe材料制作高速ADC等數字示波器前端集成電路，當時其它競爭對手仍然著意開發Si的CMOS集成電路。IBM掌握SiGe的BiCMOS工藝，既可制成雙極模擬電路，亦可生產高速數字電路和混合電路，比Si工藝更適合高性能測量儀器的要求。在1990年后期開始取得突破，SiGe的BiCMOS集成電路的晶體管振蕩速度達到60GHz，當時Si的雙極晶體管振速度只有25GHz。現在SiGe工藝又有改進，晶體管振蕩速度超過120GHz，單個樣管更高至200GHz，SiGe的BiCMOS的發展趨勢如圖1所示。
根據泰克的生產經驗，10GHz測量系統的速度與單元晶體管速度之比約為10：1。預計Si的雙極和CMOS工藝已無希望，而轉為SiGe工藝尚待實踐，放棄熟悉的SiCMOS工藝，再投入可觀的研發經費，需要科學的論證。終于，泰克方面邁開重要的一步，放棄Si材料而使用SiGe，IC設計人員從頭學起，IBM方面對數字電路熟悉但缺乏雙極電路經驗，而且泰克是第一家SiGe用戶，合作只許成功不能失敗。IBM發揮SiGe優勢，改進工藝至綜合雙極和CMOS兼容，泰克發揮儀器電路的經驗，改進設計。雙方合作從1996年開始，1997年進入攻堅階段，2000年在IBM代號為“5HP”的制程基礎上獲得一批數字示波器前端高速IC，包括ADC為核心的輸入寬帶放大器、取樣保持電路、精確時鐘電路、波形處理用的DSP、高速存儲器、開關陣列等關鍵器件。泰克公司在這些SiGe集成電路基礎上推出著名的TDS7000系列數字熒光示波器，早期產品的ADC取樣率是1GS/S和分辨率8位，兩塊1GS/S利用時鐘移相T/2的插值法擴展成為取樣率2GS/S。
引用SiGe芯片，泰克“五年不鳴，一鳴警人”，一直保持數字示波器的領先地位，并且占有高檔數字示波器市場的50%以上的份額。IBM由于合作成功，繼續推廣SiGe工藝至其它RF器件并向第三方轉讓技術專利，使SiGe工藝更為成熟，運用它的第三代技術的“7HP”制程，為泰克制成取樣率8GS/S、10GS/S和20GS/S的分辨率8位ADC，以及10GHz以上寬帶探頭用放大器芯片。現在測量儀器業界公認SiGe制程是解決高速數字儀器前端ADC的優選工藝，將會出現取樣率更高的ADC芯片。
安捷倫作為測量儀器業巨頭，擁有自己的研發實驗室和獨立的半導體制造部門，比泰克條件更優越，但是產品也多種多樣，1998年脫離惠普公司獨立經營不久，儀器市場大起大落，高速數字示波器進展緩慢，當泰克宣布推出TDS7000系列高檔數字示波器和SiGe高速ADC之后，安捷倫加緊開發具有自身特點的相應產品。它的數字示波器前端模/數電路，由安捷倫實驗室設計和直屬半導體廠制造，綜合最擅長的微波技術和高頻半導體技術，分別發揮GaAs、SiGe、Si材料和CMOS、BiCMOS工藝的作用，制成混合集成電路模塊，密封在金屬法拉弟噪聲屏敝封裝內。模塊內安排有SiGe工藝的前端放大器，GaAs雙極觸發電路，GaAs步進衰減器和限幅器，模塊核心電路由20個250MG/S的8位分辨率ADC塊組成5GS/S的ADC。由于250MG/S的ADC塊很容易用CMOS工藝實現，可以達到較高精度和較低噪聲，ADC前端的緩沖級采用SiGe工藝，并裝有2
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