采樣速度和信號處理的精度是數字示波器" title="數字示波器">數字示波器性能優劣的重要標志。高速觸發電路是數字示波器采樣速度的基礎，時間內插技術是為提高數字示波器信號處理精度而發展的技術。數字示波器通常由ECL電路組成，以滿足其高采樣速率的要求，但ECL電路功耗大，高速觸發和時間內插數模微系統的功耗約為10W。如果單純依靠傳統印制板電路（PCB）技術很難滿足系統的要求，原因是PCB的導熱率低，并且其互連與封裝的寄生效應大，對提高信號的頻率有很大影響。目前國外示波器生產商，如TEK和LeCroy等所用到的高速觸發和時間內插電路都是借助厚膜技術完成。實現高速觸發和時間內插數模微系統集成對國內高端示波器的研制具有重要作用。
　　本文首先介紹高速觸發和時間內插數模微系統的結構原理及系統特點，然后分析該微系統集成所必備的厚膜技術以及材料和工藝等，進而設計系統的版圖和封裝，最后給出測試方案及測試結果。
1 系統原理
　　本微系統主要包括高速觸發電路和時間內插電路，其系統結構如圖1所示。

　　任意觸發源經過選擇器后送入高速觸發電路產生一個穩定的觸發信號；觸發信號經過電平轉換器輸出給時基電路，同時輸出到時間內插電路；觸發信號通過時間內插電路的鑒別器與時鐘信號相比較，輸出觸發點與采樣點之間的時間差△T，再由雙積分擴展電路對△T擴展，輸出鋸齒斜波信號，并對鋸齒斜波信號進行峰值采樣、電壓保持完成時間－電平轉換。本微系統是高速數模混合系統，時鐘信號的頻率范圍為125MHz~500MHz，上升時間/下降時間小于5ns。
2 后端設計和物理實現
　　本系統采用厚膜技術實現。選取合適的基片" title="基片">基片材料是用厚膜技術實現系統的首要工作，確定基片材料之后需要設計系統的布局、布線，最后根據設計好的基片選擇合適的封裝形式。
2.1 基片材料的選擇
　　基片為芯片和元器件提供了機械支撐、電氣連接和散熱途徑。本微系統屬于高速系統，由ECL電路組成，功耗比較大。因此散熱技術是本電路設計的關鍵技術之一。同時系統也屬于數模混合系統，內部信號比較復雜，基片設計時應該盡量保證信號的質量。
　　本微系統基片材料選擇氧化鋁陶瓷，陶瓷基片介電損耗小、熱導系數高、圖形制作精細。這些優點很好地滿足了本系統對基片的要求。但陶瓷基片也存在一些不足：面積太大時容易脆裂，通孔數量有限，成本也比較高。這給系統設計帶來了很大的難度。考慮上述因素，設計時采用了膜電阻、膜電容。這大大減少了通孔數量，縮小了基片面積。選擇銅作為導體材料。銅導體的優點是附著力好、可焊性好、成本低、電導率較高（僅次于銀優于鋁），這保證了信號的質量。
2.2 布局與布線
　　高速數模微系統設計中，好的布局可以保證基板的溫度分布均衡，得到優質、完整的信號，減小數模干擾也能使走線" title="走線">走線流暢。基于以上原則，歸納出本微系統布局的設計要點：(1)模擬電路區和高速時鐘電路區應該盡量靠近模塊邊緣以減少干擾，高速時鐘電路還應盡量遠離模擬電路區。(2)器件按照信號的流向水平或垂直放置，同一功能模塊的器件最好不要分開。(3)避免功耗較大的器件過于集中，保證基板的熱源分布均勻。(4)匹配電阻都靠近驅動端放置，可以很好地抑制反射。(5)基片邊緣和焊盤邊緣應有一定距離，最小為15mil。

　　系統的布局框圖如圖2所示。布局框圖與實物圖的位置一一對應。圖2中，高速信號由左下角輸入，數字部分沿順時針方向按信號路徑最短布設；模擬區在基片的右下角，其中虛線為模擬部分與數字部分的分區線；時鐘從右上角直接引入到相應IC（時鐘信號頻率范圍為125MHz~500MHz）以減小對模擬部分、其他高速部分的干擾。
　　布局是對系統結構的整體設計，而布線則是對系統走線的具體細化。本系統導體互連線的最小寬度為12mil。布線設計規則如下：首先，模擬電路部分和數字電路部分通過一對差分信號線連接，此信號線應該盡量短且粗，以便更好地耦合，模擬電路部分的走線應該比數字電路部分的走線寬；其次，高速信號、高速時鐘盡量采用等長的差分對走線，可以有效抑制差模輻射；第三，基片的單位面積上應該盡量少打孔，一條高速信號線上通孔不多于兩個；第四，線與線、線與孔、孔與孔間距大于8mil，以避免走線之間、各個IC之間的相互干擾；最后，負載電路多的電源線和電流較大的互連線應該盡量加粗。
2.3 系統的封裝
　　本電路采用全金屬密封封裝，引腳通過封裝側壁的孔洞引出，金屬管殼與基板之間填充了導熱性能良好的導熱膠。電路基板為QFP64腳形式，但考慮到金屬封裝的成本，實際的封裝形式是DIP64腳形式。根據國際上電路的封裝經驗，基片的焊盤和管殼的引腳是通過Wire bounding形式連接的。采用此種封裝，電路的性能并沒有受到影響，而且具有以下優點：固定MCM電路的基片；提供一條從基片到外界空氣熱交換的途徑；保護電路免受外界環境污染，起到了一定的電磁屏蔽作用。
3 系統的測試
3.1 測試方法和測試電路
　　本系統采用結構測試方法，將系統分為四個模塊分別進行測試：高速主觸發電路、內插時間鑒別電路、雙積分擴展電路和時間-電平轉換電路。
　　高速主觸發電路是先將觸發源信號整形，然后再進行極性選擇和脈沖選通，最后輸出穩定的觸發信號。輸入為高頻信號，最高頻率500MHz，輸出為ECL脈沖串。內插時間鑒別電路需要ECL差分信號作為時鐘信號（頻率范圍125MHz~500MHz），觸發脈沖通過鑒別器輸出觸發點和采樣點之間的時間差，為保證在內插時間較小的情況下電路可以繼續工作，設計了擴展周期選擇端。雙積分擴展電路的輸入由時間內插電路的輸出提供，輸出為鋸齒斜波信號，這體現了一個充放電的過程。而對內插時間擴展的倍率則由充電電流與放電電流之比決定。充放電鋸齒斜波信號經整形后送入時間-電平轉換電路進行峰值采樣和電壓保持。
3.2 測試流程
　　測試時需要對封裝前、封裝后和實驗后的系統分別進行測試。封裝可能對系統造成影響，使封裝后的系統無法正常工作；封裝也可能使系統不滿足溫度考核要求（-40℃～+85℃）。機械振動實驗和溫度循環實驗（考核要求規定的實驗）對基片設計和封裝設計也提出了較為嚴格的要求。該系統的整體測試流程如圖3所示。

3.3 測試結果
　　基于以上測試方案，本系統采用了雙層PCB測試板。測試板包含濾波網絡、部分下拉電阻、信號輸入輸出的接口等。測試的主要儀器是Agilent公司的81130A（輸出信號頻率可達500MHz的高頻信號源）和54855A（帶寬為6GHz的四通道數字示波器）。

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　　封裝后系統測試的結果如下：圖4是觸發整形的輸出波形。上方信號是輸入信號，是頻率為500MHz的高頻信號；下方信號是整形后的輸出信號。圖5為觸發晃動測試結果，上方、下方信號分別為輸入、輸出波形，如圖中箭頭所示，觸發晃動小于10%div。圖6給出了高速觸發電路的輸出，輸入為150 MHz的高頻信號，最下方信號是觸發源整形后的信號，中間信號為經過極性選擇后的信號，最上方信號為脈沖選通后輸出的穩定觸發信號。圖7是時間內插電路的輸出(時鐘信號頻率為125MHz），上方信號是三周期選擇后的輸出信號（脈沖寬度為3/125MHz=24ns），下方信號是兩周期選擇后的輸出信號（脈沖寬度為2/125MHz=16ns）。圖8最下方的信號為雙積分擴展電路輸出信號，中間信號是由觸發信號延時后得到，相當于電子開關控制通斷，當它為高電平時電路處于跟蹤狀態，當它為低電平時電路處于峰值電壓保持狀態。峰值采樣和電壓保持電路的輸出波形如圖9最上方信號所示。圖9為圖8的放大波形。由圖9可知內插時間分辨率小于20ps。