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采样技术已经发展成微波工程师的一种强有力工具。有效的微波采样电路需要时域和宽带技术的知识。Picosecond Pulse Labs公司已经将其在时域和宽带技术领域的取得的进步应用到包括脉冲发生器、梳状发生器和高速采样模块在内的多个产品系列上。该公司已成功地借助其非线性传输线(NLTL)技术(图1)把微波采样频率提高到了100GHz以上。 微波采样已经有50多年的历史。微波采样的原理很简单，即使用由本振(LO)选通信号控制的开关以极短的时隔打开RF输入端口和输出IF(中间频率)端口之间的路径。在这个短暂的时间内，一部分RF信号被捕获并转化成IF信号。微波采样器的性能与LO选通驱动器和采样开关的性能关系密切。Picosecond公司的这些技术创新起始于在俄勒冈州建立的镓砷和薄膜设备(见边栏)。这种镓砷制造设备可以生产出截止频率高达几个THz的高性能空气桥(air-bridged)肖特基二极管，这种二极管既可以在微米波和次微米波频率乘法器中作为变容二极管使用也可以在混频器和采样器中作为超高速开关使用。 该公司的NLTL是一种复合型传输线，其结构是沿一条高阻抗传输线放置一些可变容肖特基二极管。这些二极管的集总电容也是沿着这条线分布的(图2)。反偏压肖特基二极管的电容是非线性的(依赖于电压)，在低偏压时的电容远大于高偏压时的电容。因而，基于肖特基变容二极管的NLTL的传播速度依赖于电压。当加入从低压到高压的大幅度阶跃信号时，因为前期低压部分在线上的传播速度比后期的高压部分慢，阶跃信号在时间上被压缩。因而，阶跃的较高电压部分“追上”较低电压部分，导致“边沿压缩”并使从低到高转换的边沿速度加快。在这些NLTL中使用的高速二极管的信号处理转换时间可达次皮秒级。为避免因形成激波(shockwave)而产生畸变，对于在平顶阶跃脉冲发生器中使用的NLTL，该公司对二极管的尺寸和线参数沿线长方向进行了仔细调整。 采样器性能依赖于选通脉冲(用于实现开关通断)的质量、开关的速度和电路的相互连接。理想开关要求既没有串联电阻也没有寄生电容。换句话说，理想的开关二极管的截止频率必须远远高于被采样信号的频率。在俄勒冈州的设备上制造的这种镓砷二极管的截止频率在THz量级。 即使在带宽较低时，采样效率(影响噪声)、采样过程的线性度(决定动态范围)和隔离能力等重要参数也都强烈依赖于选通驱动特性。对要求苛刻的实际采样电路而言，脉冲形状和持续时间都是非常关键的。一个快速的方波脉冲可以迅速接通采样二极管，以将二极管在传输曲线非线性区的工作时间减到最小。方波选通信号也可以通过避免依赖于输入电压的缝隙区间来降低采样效率对输入和偏置的依赖。选通信号也必须能够提供足够大的电流来驱动反应截止电路(backshort)。由反应截止电路造成的选通驱动波形反射将关断采样二极管并决定采样孔径的持续时间。高带宽对孔径时间提出了很高的要求，因而高带宽采样器要求方波孔径具有非常陡的边沿。 传统上，选通驱动电路使用分立的阶跃恢复二极管(SRD)来实现。SRD的转换时间目前最高可达几十皮秒。因而，对于孔径时间为5到7ps(带宽为50到70GHz)的传统采样器，孔径形状为三角形或高斯形，由于孔径时间依赖于输入电压，这种采样器一定是强非线性的。不断变化的信号斜率(slew rate)将对高斯形选通脉冲的采样孔径产生调制作用并导致动态失真，但方波孔径相对来说不受影响。 在500mV的中等输入范围内，这种非线性可高达30%，必须通过软件进行修正。但是，这种由于孔径依赖于输入回转率而引起的动态非线性难以校正并在高带宽采样器中引起严重的互调失真(IMD)。为解决这个问题，Picosecond公司使用由NLTL与采样结构组成的单片来产生选通驱动波形，极大地改进了动态范围和线性度。该公司的先进采样技术是LeCroy公司生产的最新数字采样示波器系列(Wave Expert系列)的核心，其中有一个型号采样带宽达100GHz。 目前，RF输入信号如何进入采样二极管是限制采样器带宽的主要因素。传统的方法以牺牲输入阻抗匹配为代价，使用阻容(RC)“成峰效应”把50GHz模块的带宽扩展到70GHz。在LeCroy示波器中使用的70GHz和100GHz采样器模块通过1mm和1.95mm同轴互连实现了重大的性能改进。正如在美国专利6900710号中所描述的，镓砷采样器晶片刺入1mm同轴空气线(airline)的空腔。同轴空气线的中央导体通过在采样器晶片上形成的一个金质凸起接触镓锗采样器晶片。这种方式产生了一种同轴信号线穿过采样器的“通过式”采样器，同轴信号线可以被复用或外部终止。在为实现可用于晶圆上(on-wafer)测量的1mm晶圆探针而专门设计的100GHz采样器模块原型中也使用了这个特性。 图3显示了这种100GHz采样器下降时间的典型测量结果。在信号幅度的90%和10%之间的时间为4.3ps(假设被测信号的超调量为10%)。这个下降时间测量包含了激励、采样器和系统总抖动的作用。由激励和采样器造成的下降时间估计是相等的，如果抖动作用可略，该采样器的下降时间估计约为3ps，对应于3dB带宽约为120GHz。 传统上，与之性能相同的时间采样器需要在采样速率与由IF充电放大器带宽所引入的噪声之间进行折中。在LeCroy采样模块的设计中，最大采样速率设定为10MHz，比竞争产品的采样速率高20倍以上。这要求使用被称为“脉冲消解IF”的技术大幅度调整IF充电放大器的架构：这种技术不是把采样的电荷积聚到低带宽、高阻抗的运算放大器中，而是用带通转移阻抗放大器把IF采样脉冲放大，并在被放大脉冲的峰值处重新采样。因为信噪比(SNR)随IF链带宽的提高而得到改善(与SNR随带宽下降的传统思想相反)，该架构无需像过去那样在带宽和噪声之间进行折中。该架构使该公司把采样速率提高到几G次采样/s，可以实现“实时”微波采样而不会提高与输入有关的噪声。 因为NLTL方法提供非常出色的采样选通特性，该公司的采样器可以以极高的线性度支持大输入信号范围。当输入范围超过500mV时，传统采样器非线性度超过10%，而在LeCroy示波器中使用的采样器在1V动态范围内的非线性度低于1%。 作者：Steven H. Pepper、Kipp Schoen | 
