【上篇】RIGOL“鳳凰座”ASIC芯片組的前世今生

ASIC(Application Specific Integrated Circuits)，或稱(chēng)專(zhuān)用芯片，是針對(duì)專(zhuān)門(mén)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集成電路，與之相對(duì)的是通用芯片，例如運(yùn)算放大器等。專(zhuān)用芯片通常具有性能高，可靠性高，體積小，功耗低等特點(diǎn)，特別在性能方面，專(zhuān)用芯片往往遠(yuǎn)超通用芯片，比如：使用通用芯片設(shè)計(jì)的示波器只能做到1GHz帶寬，而使用專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)的示波器帶寬可以達(dá)到幾十GHz，而且通用芯片一般無(wú)法同時(shí)具備示波器所需的高輸入阻抗、低輸入偏流、快速過(guò)載恢復(fù)等特殊性能。正因如此，目前高性能示波器均使用專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)。

為了研發(fā)性能優(yōu)異的示波器，RIGOL一方面不斷挖掘通用芯片的潛力，通過(guò)深厚的模擬電路設(shè)計(jì)能力彌補(bǔ)了通用芯片的不足，并于2009年推出了中國(guó)第一臺(tái)商用1GHz帶寬數(shù)字示波器;另一方面，為了能夠設(shè)計(jì)更高性能的示波器，RIGOL于2007年便開(kāi)始投入芯片研發(fā)，致力于掌握示波器專(zhuān)用芯片這一核心技術(shù)。

中國(guó)第一臺(tái)商用1GHz帶寬數(shù)字示波器RIGOL DS6000

然而設(shè)計(jì)芯片并非易事，特別是在毫無(wú)基礎(chǔ)的情況下便以打造業(yè)界先進(jìn)水平的示波器芯片為研發(fā)目標(biāo)，設(shè)計(jì)連ADI和TI這種世界頂尖模擬芯片廠商都沒(méi)有的芯片，更是如同癡人說(shuō)夢(mèng)。RIGOL從2007年開(kāi)始至2017年發(fā)布首款示波器ASIC芯片組，歷時(shí)10個(gè)年頭，中間無(wú)數(shù)個(gè)不眠的日夜，闖過(guò)了一個(gè)又一個(gè)難關(guān)，在給芯片組命名的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)選擇了88個(gè)星座中的南天“鳳凰座”(Phoenix)，寄托的含義是“浴火而生”。

研發(fā)一款手機(jī)SoC芯片大概需要2～3年，而RIGOL研發(fā)一套示波器芯片組耗時(shí)10年。為什么需要這么長(zhǎng)時(shí)間?首先，決定示波器帶寬和采樣率這兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的芯片有三顆，包括差分探頭放大器芯片、模擬前端芯片、采樣和信號(hào)處理芯片，它們?cè)谙到y(tǒng)上依次串聯(lián)，三者共同決定了示波器帶寬，因此它們的帶寬性能要均衡，否則就會(huì)成為系統(tǒng)的短板。這3顆芯片的功能和電路結(jié)構(gòu)大不相同，需要單獨(dú)研發(fā)。

其次，示波器測(cè)量的信號(hào)頻率范圍需要從直流到GHz，測(cè)量電壓范圍需要從mV到幾十伏。通常射頻放大器具有幾GHz甚至幾十GHz的帶寬，但是無(wú)法處理直流信號(hào)，失真性能也很差;精密運(yùn)算放大器可以處理mV級(jí)到幾十伏的直流和低頻信號(hào)，但是無(wú)法放大高頻信號(hào);寬帶運(yùn)算放大器的帶寬可以達(dá)到幾GHz，但是無(wú)法滿(mǎn)足mV級(jí)直流精度的要求。示波器的測(cè)量信號(hào)特點(diǎn)決定了示波器專(zhuān)用芯片既要具有射頻和寬帶放大器的帶寬性能、又要具有精密運(yùn)放的精度，還要具有非常低的諧波失真，設(shè)計(jì)難度不言而喻。

另外，示波器里面的放大器使用的是模擬半導(dǎo)體工藝，現(xiàn)在的數(shù)字半導(dǎo)體工藝都已經(jīng)到了10nm甚至7nm，但是模擬半導(dǎo)體工藝還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到這個(gè)程度，所以需要通過(guò)芯片設(shè)計(jì)將模擬半導(dǎo)體工藝的能力推向極限，來(lái)彌補(bǔ)其性能上的不足。可想而知，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)的能力要求有多高。

此前，世界上只有4家企業(yè)在自主研發(fā)示波器芯片組，分別是: 是德、泰克、力科和羅德與施瓦茨。他們大多都是在集成電路誕生之初就開(kāi)始做芯片，已經(jīng)有了幾十年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。既然示波器芯片設(shè)計(jì)的要求這么高，而RIGOL之前又沒(méi)有任何的芯片設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，僅用10年就走過(guò)了前面幾個(gè)廠商20至30年才走完的一個(gè)路程，到底是怎么樣做到的呢?敬請(qǐng)各位閱讀下篇。