201422070126张乐锋

1、申报编号：计划编号：密级：四川省应用基础研究 项 目 申 报 书 项目名称：1.1Gbps数字脉冲调理电路设计申报单位(盖章)：电子科技大学项目负责人：张乐锋归口部门：项目起止年限：四川省科学技术厅制 二0一四 年 九 月 A.项目基本信息项目名称1.1Gbps数字脉冲调理电路设计指南分类研究领域电子测试领域关键词(10个字符)数字脉冲、射频放大器预期成果 实现数字脉冲信号调理电路设计立项依据 国内外研究现状、研究意义、立题新颖性、创新点和特色，主要参考文献 1国内外研究现状和研究意义随着国防航空航天以及新一代通信技术的迅猛发展，雷达、卫星通信、半导体测试技术不断进步对高速数据信号源要求越来越

2、高。在测试中，需要处理大量的数据，对带宽和频率都有了更高的要求，常常涉及最新的高速传输规范，所需的驱动电平范围和幅度都不同。数据发生器作为一种信号激励源能够产生任意逻辑组合并符合各种电平标准的数字信号。工程师在设计及测试过程中，可使用数据发生器创建、复现、生成理想、失真或“实际环境”信号，包括噪声、抖动、毛刺以及其他非理想信号，这些信号在最新的串行数据或宽频数字射频设计中，有助于建模、调试、验证以及标准一致性测试。当今高速串行通信迅猛发展，逐步取代了在高速传递时易受到干扰的并行信号，成为数据传输的主要手段。PCI-Express、SATA、USB、HDMI等传输标准的建立，对电路的调试、各个参

3、数的检定提出了更高的要求。新型半导体技术快速发展，对测试信号的电平标准提出了更多的要求，比如LVTTL和LVDS信号等。航空航天以及国防领域，雷达和电子战的测试，卫星通信，导航等都需要数据信号激励。还有通信系统不同制式的信号需要高速的数据信号为其提供测试激励。这些都需要高速串行数据发生电路作为测试信号源，可见高速数据信号发生器应用广泛，关乎整个电子行业的发展和国家国力的强盛。为了达到不同测试目标需要的信号幅度和电平要求，数据信号发生器需要对输出的数据信号进行调理，由信号源的调理通道实现。由于数据信号数据率高，信号包含的频谱丰富，对宽范围频率数据信息的功率特征和电平偏移特征进行调节，难度很高，成

4、为数据发生器发展的瓶颈，也是通道电路设计关键难点。 可见研究高速数字脉冲调理电路具有重大意义。其核心在于频率与功率的博弈，受到半导体工艺的限制，数字脉冲调理电路有些功率大但是数据率低，数率高的信号源功率小。如何在保证高速数据率传输的同时，实现较大功率输出，并为高速信号加入直流分量，成为调理电路的技术关键。目前，在数据发生器技术上居领先地位的是美国的Tektronix公司和Agilent公司。其中Tektronix公司的DG综合性能突出，其产品主要有两个系列，早期的DG2000DG系列，包括DG2040、DG2030、DG2020A，其中DG2040最高数据率为1.1Gbps；目前的主流产品DT

5、G5000数据定时发生器系列，包括DTG5078、DTG5274、DTG5334等，其数据输出模式更加丰富，序列数据编程能力突出，图形数据可编辑能力更强，存储深度更深，其最高数据率也达到了3.35Gbps，并带有可调电平和幅度的脉冲输出能力和高精度定时输出能力。而Agilent公司的台式脉冲/DG或脉冲/码型发生器，则主要以脉冲产生功能为主数据发生功能为辅，主要产品为81100系列，包括81101，81104，81105，81111，81112，81131，81132，81133，81134，81141，81142等，最高数据率达到了13.5Gbpds。Agilent公司的产品相对Tektro

6、nix公司的产品，数据输出的可编程能力略差一些，但其输出数据率和幅度更高。其对比如表1-1所示。 表1-1本项目与国外主要产品的指标对比 性能指标 DG2040 DTG5078 81130本项目 通道数 2CH 8CH 2CH 2CH 数据率 0.1bps1.1Gbps 50kbps750Mbps1kbps800Mbps0.1bps1.1Gbps 输出码型 NRZ/RZ/R1 NRZ/RZ/R1 NRZ/RZ/R1 NRZ/RZ/R1 存储深度256k bits 8000000bits 64k bits256k bits 最大输出幅度2.5Vpp1.25Vpp3.8Vpp 2.5Vpp 电平范

7、围-1.125V +3.5V-1.2V+2.7V-2.0V+3.5V-1.1V+3.5V 研制单位美国 Tektronix美国 Tektronix美国 Agilent电子科技大学 我国的DG研制起步较晚且研发进展缓慢，目前致力于数据发生技术研究的机构仍然较少，这导致了我国在DG研制中缺乏关键技术。因此，至今为止仍然没有形成DG的成熟产品，在市场上几乎见不到国内研发的 DG设备。由于数据域测试仪器在军事、科研、生产及大型设备的维护中具有十分重要的作用，因此该类仪器在国际市场上的需求增长率一直呈上升趋势。而我国在数据发生器的研究上还很落后，属于起步和探索阶段，迫切需要研制有自主知识产权的数据发生器

8、。本项目的开展将有利于跟踪国外先进技术，推动我国数据域测试技术的发展，满足我国相关领域的需求。其中制约国内信号发生器发展的关键难点就是通道技术，通道完成对数字脉冲信号的调理功能，控制输出信号的电平偏移和功率。通道性能指标包括输出信号的频率、偏移特征、功率特征以及信号质量。通频带偏移功率特征主要依靠示波器直接测试，误码对系统的危害不言而喻，会造成系统传递错误信息，通信系统中误码的产生会造成多种通信错误，比如在数字电视中会造成马赛克现象和图像的停顿，宽带网络中造成丢包现象，使的网络系统阻塞以及无线电话中音声的失真等现象。对于信号源来说误码的产生主要是由于码间串扰形成的，码间串扰可以由眼图来观察和分

9、析。 2本项目的特色与创新之处高速数据发生器的通道模块如何完成对固定功率的数字脉冲信号调理功能，是高速数据发生器的设计难点。数字脉冲调理电路是输出级电路，其性能决定了信号源的数据率和驱动能力。本文结合“*信号发生器”项目对数据信号的带宽、功率和电平指标的要求，围绕高速数字脉冲调理电路技术展开研究，本文针对项目实现的难点提出了不同方案并通过搭建实验电路比较方案的实验结果，综合考虑后采取基于分立元件的ECL可变增益放大方案完成项目设计任务，实现了数据率覆盖0.1bps1.1Gbps，输出幅度范围为0.32.5Vpp（50阻抗），高电平范围达到-0.8+3.5V，电平分辨率高达10mV的数字脉冲信号

10、调理电路设计。3主要参考文献1泰克公司.眼图和抖动.现代电视技术,2006,01,99100. 2Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko.射频电路设计-理论与应用,王子宇.北京:电子工业出版社,2002,309-348. 3Charles Baylis.Design of bias tees for a pulsed-bias.microwave journal,2006,31-34. 4James R Andrews.Brosdband Coaxial Bias Tees.Picosecond Pluse Labs,2008,1-4. 5古天祥,王厚军.电子测量原理.北

11、京:机械工业出版社,2004,458-461. 6唐松.数据综合测试仪驱动模块设计:硕士学位论文.成都:电子科技大学,2011,15-16. 7Jung,T.A.500 MHz ATE pin driver.Bipolar/BiCMOS Circuits an echnology meeting,1992, 238-240. 8David Goren.2.5 GHz pin electronics SiGe driver for IC test equipment.Bipolar/BiCMOSCircuits and Technology Meeting,1992,31-32. 9李松.高性能

12、脉冲发生器脉冲输出通道设计:硕士学位论文.成都:电子科技大学,2007,14-17. 10刘光枯,饶妮妮.模拟电路基础.成都:电子科技大学出版社,2004,131-146. 11付在明, 师奕兵.数字合成高速脉冲的一种非线性调理技术.电子测量与仪器学报,2008,22(4).74-78. 12冈村迪夫.OP放大电路设计.北京:科学出版社,2007,67-70. 13刘明章.Pspice电路设计与分析.北京:国防工业出版社,2010,143-149. 14MAXIM.MAX9977:四通道低功耗1200MbpsATE驱动器,2005,1-16. 15SEMTECH.E7765:1.3GHz Qu

13、ard Pin Electronics Driver,2006,1-24. 16Analog Decices.AD53522:High Speed Dual Pin Electronic,2003,1-8. 17周鹏,刘会衡等.高速ECL数字电路中的端接技术.三峡大学学报,2005,27（3）,257-259. 18Philips Semiconductors. BFG541: NPN 9 GHz wideband transistor,1995,1-4. 19童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2001,241-242. 20Analog Decices.AD7564.+

14、3.3V/+5V,Low Power,Quad 12-bit DAC,1996,1-4. 研究目标、内容、方法、成果及应用方案1研究目标本项目希望实现以下的研究目标：(1)结合国内外研究现状，针对“*数据发生器”项目，制定实现高速宽带信号功率放大技术和偏移技术的方案。(2)提出射频放大器调理方案，引脚电子驱动方案和基于分立元件的ECL可变增益放大方案。2研究内容(1)1.1Gbps数字脉冲调理模块功能实现对数据率在0.1bps1.1Gbps信号的功率特征和电平偏移特征的精密可控。功率特征就是信号的输出幅度，电平偏移特征就是信号的高低电平窗范围，同时项目对以上指标的分辨率精确度都有较高要求。(2

15、)本文通过对调理电路设计目标的分析，针对项目设计的难点，提出三种调理通道的设计方案。由于本项目指标大幅提升，没有相关的成熟技术，所以需要对各个方案搭建实验电路，通过电路的设计调试和分析，选择最优的调理脉冲模块实现方案，完成项目设计目标。3研究方法高速数字脉冲调理电路设计的难点主要是如何将高速且频带宽的数据信号可控的放大到一定功率（功率基本上大于20dBm）并且加入可控的直流信号。首先高速信号要求电路具有较好的高频特性，能够实现高频信号低失真的传递，尽量保持信号的频谱信息，防止信号在时域上被展宽，造成信号沿的退化。第二是非常宽的带宽，有的数字脉冲电路甚至是从DC开始到GHz的频率级别。信号的带宽

16、其实就是电路对不同频率的响应的能力，在时域上就是在单位时间内对信号变化响应的快慢。一般以3dB点来确定带宽，且信号的带宽越宽包含的频谱信息越丰富，信号失真情况就越小，也就是说电路对不同频率的信号都有较为平坦的幅频响应，那么要求电路对各个频率信号的增益和衰减情况一致，信号失真将很小。如果电路的带宽不够，那么数据信号不同谐波的增益不同造成信号时域内的展宽。第三是电路的功率放大能力，功率放大其实就是交直流信号的转换，将直流功率配合小功率高频信号变为大功率高频信号输出。该功能受到有源器件的增益能力限制，主要是器件的半导体技术的限制。设计中调整有源器件的工作状态，使得放大信号在保证信号不失真的情况下进行

17、功率放大。第四是高频信号的偏移，直接加入直流信号会对高频信号加入很大的噪声和信号的畸变。第五是实现宽频带下功率输出的精密可控。项目指标的最主要提升是数据率。当数据率低于500Mbps时，由于已有500Mbps数据发生器的技术基础，电路设计没有难点，主要是在高数据率下如何实现信号的调理。这方面在国内没有成熟的解决方案。由于项目的指标大幅提升，为实现项目指标，同时针对高速数据率的五个设计难点，本文提出射频放大调理方案，集成引脚电子驱动方案和基于分立元件ECL可变增益放大方案。计划进度和阶段目标已有研究工作基础、实验设备及条件研究工作基础本课题组近年来一直从事脉冲电路的研究开发工作。在理论研究方面，

18、已经发表过多篇论文在工程应用方面，课题组结合科研项目主要开展了脉冲和数字电路的设计与开发，这些积累可以为本课题的研究提供良好的支撑。已发表文献1参加电子科技大学承担的“*数据发生器”模拟通道的设计与调试,完成项目设计要求. 2王文斌,王厚军,付在明.基于高速脉冲调理电路的信号沿影响分析.电子科技大学研究生学报.待发表. 3付在明，师奕兵，王厚军.数字合成高速脉冲的一种非线性调理技术.电子测量与仪器学报.Vol.22 No.4 Aug.2008，74-78. 4付在明，王厚军，黄建国.一种用于示波器校准的快沿信号产生方法.计量学报.（录用） 5付在明，王厚军，黄建国.基于NLTL的皮秒级快沿产生方法研究.