2020年10月13日 | 安捷伦采样示波器的光电信号测量模块拆解

Signal Path 最近发了一个视频，拆了一块安捷伦采样示波器上的 86109B 光电信号测量模块。这个模块卖的很贵，大概 85,000 美元，因此很少有机会能看到里面的样子。所以这个拆解，比拆一台 iPhone 刺激多了。
  
DCA-X 采样示波器主机

86109B 是一个 40GHz 光信号 / 50GHz 电信号测量模块，可以安装在 DCA-X 主机上。前面板长这样。左边的接口是光信号输入端，右边的是电信号输入端。
  
86109B 的前面板

与实时示波器不同，采样示波器主要用来测量重复信号。它的采样率很低，通常只有几十或者几百 KHz，却可以用于 GHz 信号的测量。原因就是因为被测信号是重复性的，采样信号每次都可以采集在一个信号周期的不同位置，这样多次采集后就可以通过采样点将一个周期的信号恢复出来。
  
这段视频非常有意思，让我们有机会看到采样示波器的内部构造，顺便也能了解这八万多美元都花到了什么地方，以及 Agilent / Keysight 在仪器研发上是如何不计成本的投入的。

首先取下侧面板，86109B 里面的主电路板就是这样的。空空荡荡的...是不是心一下就凉了，八万刀都花哪儿去了！
  
别急，慢慢看。

从上图右侧接口进来的是 40GHz 光信号，通过黄色的光纤，在电路板上转了一圈，最后进入图片中间靠上的光电传感器，变成电信号，再经过同轴电缆，向左进入到左上角方形的小金属盒子里，里面应该是采样电路。

光信号输入端下面还藏着一个 50GHz 的电信号输入端，直接输入到图片右侧同样的金属盒子里。
  
手指的两个金黄色金属盒里面是采样头，高频的光信号和电信号分别从右侧输入
  
偏下方的方形金属块，是采样脉冲输出端。由于输入的光信号和电信号频率都很高 （40/50GHz），需要上升沿非常快的脉冲信号来触发采样。主机传过来的采样时钟从板子背面送过来，但是它的边沿太慢，不能直接用，需要在这里经过 SRD (step recovery diode) 电路变成非常快速的脉冲信号。

产生的脉冲信号送给采样头，在前面的图里可以看到有两路信号分别从左侧和下方输出，通过半刚性电缆输入到左右两个采样模块中。

所以这就是整个 86109B 的结构了，想想这八万多美元是不是觉得有点心疼。
  
电源电路板

从另一侧打开 86109B，可以看到电源电路板。取下来之后，就是我们之前看到的主电路板背面，从这里看还挺复杂的。
  
上图中左右两个金属屏蔽盒，它们的背面就是封在金黄色金属盒里的采样头。

输入的高频光电信号经过采样变成短时间保持的直流信号，进入到这两个屏蔽盒中进行放大滤波，然后传到示波器主机中进行 AD 采样。

中间竖着的一小块电路板是采样时钟信号的驱动电路，用于把主机传过来的时钟信号进行放大。
  
反正这台 86109B 也没救了，索性把它彻底拆开（如果是自己的设备，千万别这么干）。屏蔽盒打开后，可以看到里面的两个放大器，用来处理采样头输出的差分信号。另外还有一些滤波电路。连接线都是镀金的，感觉值回点票价。

接着看时钟驱动电路：
  
拆下来的驱动电路

主机传过来的时钟信号，经过这块驱动电路，放大后从板子背面输出，传给 SRD 电路产生采样脉冲信号。将电路板翻过来就可以看到这个异型接口。
  
时钟信号的驱动电路

驱动电路与主电路板之间的连接方式很独特，我们从来没在其他的电路上见过这样的设计。在主电路板上有一个 45 度角放置的长方体金属底座（下图中间位置），与驱动电路背面的金属层紧扣在一起。中间的接头用于与时钟信号连接，两侧是两个螺丝孔。

要知道采样示波器的采样频率非常低，只有几十或者几百 KHz。花这么大的力气设计这样的连接方式，应该是为了保证良好的信号完整性。虽然看不太懂，但还是觉得很厉害！
  
这样的定制化接头一定程度上可以解释产品本身的高额造价，但更昂贵的地方还在后面。
  
驱动电路放大后的时钟信号，经过上面的特殊接口，穿过电路板进入到 Step Recovery Diode 电路（上图封装在金属盒内部），变成非常快速的脉冲信号输出。它最多有四路输出（周围四个方向），在这里只用了其中两路用于光信号和电信号的采样。
  
拆下上面覆盖的部分，可以看到里面的样子。时钟信号从中间进入，脉冲信号则从四周输出。但是我们并没有看到 SRD 电路。

再仔细看被拆下来的部分。里面镶嵌有一小块集成电路，放在显微镜下观察就是下面的样子。

藏在这里的才是真正的 SRD（下图）。慢速时钟信号经过周围的四组 SRD 电路，产生四组采样脉冲，从四个不同方向输出。
  
SRD 电路的作用是把慢速的时钟信号，变成边沿非常快的脉冲信号。就像下面的样子。
  
SRD 在射频仪器里有非常广泛的用途，在脉冲信号源和频率计中都经常出现。HP 早年有几篇非常经典的相关设计应用文章。

这里所看到的所有器件的封装，信号的连接方式，以及里面的集成电路，全部都是定制设计。这就像就像你买了一块百达翡丽的手表，大笔的钱都花在了这些专门设计的定制化零部件上。
  
最后我们将一开始看到的采样模块拆开，里面的结构也挺复杂的。因为输入进去的信号频率很高，而整个腔体是由金属制成，所以里面还贴了吸波材料防止信号在腔体内反射共振。而镶嵌在中间就是采样示波器的关键部分——采样头。

将采样头放在显微镜下观察，看到的画面是这样的：
  
电路部分全部镀金，输入信号从正上方进入，采样信号从下方输入。采样后的信号以差分形式，分别从左上和右上两路以差分的形式输出到示波器主机上，进行 AD 采样。

如果对比 1966 年 HP 开发的 141A 采样示波器，两者结构上没什么区别。在制作工艺上却发生了巨大的变化。
  
据统计，一个 mini fab 的投入大约在3000～5000万美元。而大型芯片生产厂的平均投入在 7～13亿美元。

据说 Keysight 在加州有自己的芯片设计和生产中心，每年只生产四千块左右的 7 寸晶圆。因为对性能要求很高，芯片的成品率非常低。苹果手机设计一块芯片可以卖几千万片，而高端仪器一年的销量可能只有几百台。平均下来每块芯片的设计成本可以想象。

且不说在芯片生产中那些动辄数百万的设备。单看一张老化试验室的照片，用来给芯片供电的直流电源，全部是 Keysight 自己生产的高端电源 N6705B，每台电源的售价都在一万美元以上。而这张图片的试验室里，至少有超过 50 台 N6705B 在同时使用，仅仅是为了供电...太豪了。
  
所以相比这些投入，一个模块卖八万美元，还是能 make 一些 sense 的。

看到这里，就觉得国内仪器仪表行业发展还是任重道远，希望尽早能看到华为一样的企业出现，尽早把我们自己生产的仪器仪表带入高端市场。