采样速度和信号处理的精度是数字示波器" title="数字示波器">数字示波器性能优劣的重要标志。高速触发电路是数字示波器采样速度的基础，时间内插技术是为提高数字示波器信号处理精度而发展的技术。数字示波器通常由ECL电路组成，以满足其高采样速率的要求，但ECL电路功耗大，高速触发和时间内插数模微系统的功耗约为10W。如果单纯依靠传统印制板电路（PCB）技术很难满足系统的要求，原因是PCB的导热率低，并且其互连与封装的寄生效应大，对提高信号的频率有很大影响。目前国外示波器生产商，如TEK和LeCroy等所用到的高速触发和时间内插电路都是借助厚膜技术完成。实现高速触发和时间内插数模微系统集成对国内高端示波器的研制具有重要作用。
　　本文首先介绍高速触发和时间内插数模微系统的结构原理及系统特点，然后分析该微系统集成所必备的厚膜技术以及材料和工艺等，进而设计系统的版图和封装，最后给出测试方案及测试结果。
1 系统原理
　　本微系统主要包括高速触发电路和时间内插电路，其系统结构如图1所示。

　　任意触发源经过选择器后送入高速触发电路产生一个稳定的触发信号；触发信号经过电平转换器输出给时基电路，同时输出到时间内插电路；触发信号通过时间内插电路的鉴别器与时钟信号相比较，输出触发点与采样点之间的时间差△T，再由双积分扩展电路对△T扩展，输出锯齿斜波信号，并对锯齿斜波信号进行峰值采样、电压保持完成时间－电平转换。本微系统是高速数模混合系统，时钟信号的频率范围为125MHz~500MHz，上升时间/下降时间小于5ns。
2 后端设计和物理实现
　　本系统采用厚膜技术实现。选取合适的基片" title="基片">基片材料是用厚膜技术实现系统的首要工作，确定基片材料之后需要设计系统的布局、布线，最后根据设计好的基片选择合适的封装形式。
2.1 基片材料的选择
　　基片为芯片和元器件提供了机械支撑、电气连接和散热途径。本微系统属于高速系统，由ECL电路组成，功耗比较大。因此散热技术是本电路设计的关键技术之一。同时系统也属于数模混合系统，内部信号比较复杂，基片设计时应该尽量保证信号的质量。
　　本微系统基片材料选择氧化铝陶瓷，陶瓷基片介电损耗小、热导系数高、图形制作精细。这些优点很好地满足了本系统对基片的要求。但陶瓷基片也存在一些不足：面积太大时容易脆裂，通孔数量有限，成本也比较高。这给系统设计带来了很大的难度。考虑上述因素，设计时采用了膜电阻、膜电容。这大大减少了通孔数量，缩小了基片面积。选择铜作为导体材料。铜导体的优点是附着力好、可焊性好、成本低、电导率较高（仅次于银优于铝），这保证了信号的质量。
2.2 布局与布线
　　高速数模微系统设计中，好的布局可以保证基板的温度分布均衡，得到优质、完整的信号，减小数模干扰也能使走线" title="走线">走线流畅。基于以上原则，归纳出本微系统布局的设计要点：(1)模拟电路区和高速时钟电路区应该尽量靠近模块边缘以减少干扰，高速时钟电路还应尽量远离模拟电路区。(2)器件按照信号的流向水平或垂直放置，同一功能模块的器件最好不要分开。(3)避免功耗较大的器件过于集中，保证基板的热源分布均匀。(4)匹配电阻都靠近驱动端放置，可以很好地抑制反射。(5)基片边缘和焊盘边缘应有一定距离，最小为15mil。

　　系统的布局框图如图2所示。布局框图与实物图的位置一一对应。图2中，高速信号由左下角输入，数字部分沿顺时针方向按信号路径最短布设；模拟区在基片的右下角，其中虚线为模拟部分与数字部分的分区线；时钟从右上角直接引入到相应IC（时钟信号频率范围为125MHz~500MHz）以减小对模拟部分、其他高速部分的干扰。
　　布局是对系统结构的整体设计，而布线则是对系统走线的具体细化。本系统导体互连线的最小宽度为12mil。布线设计规则如下：首先，模拟电路部分和数字电路部分通过一对差分信号线连接，此信号线应该尽量短且粗，以便更好地耦合，模拟电路部分的走线应该比数字电路部分的走线宽；其次，高速信号、高速时钟尽量采用等长的差分对走线，可以有效抑制差模辐射；第三，基片的单位面积上应该尽量少打孔，一条高速信号线上通孔不多于两个；第四，线与线、线与孔、孔与孔间距大于8mil，以避免走线之间、各个IC之间的相互干扰；最后，负载电路多的电源线和电流较大的互连线应该尽量加粗。
2.3 系统的封装
　　本电路采用全金属密封封装，引脚通过封装侧壁的孔洞引出，金属管壳与基板之间填充了导热性能良好的导热胶。电路基板为QFP64脚形式，但考虑到金属封装的成本，实际的封装形式是DIP64脚形式。根据国际上电路的封装经验，基片的焊盘和管壳的引脚是通过Wire bounding形式连接的。采用此种封装，电路的性能并没有受到影响，而且具有以下优点：固定MCM电路的基片；提供一条从基片到外界空气热交换的途径；保护电路免受外界环境污染，起到了一定的电磁屏蔽作用。
3 系统的测试
3.1 测试方法和测试电路
　　本系统采用结构测试方法，将系统分为四个模块分别进行测试：高速主触发电路、内插时间鉴别电路、双积分扩展电路和时间-电平转换电路。
　　高速主触发电路是先将触发源信号整形，然后再进行极性选择和脉冲选通，最后输出稳定的触发信号。输入为高频信号，最高频率500MHz，输出为ECL脉冲串。内插时间鉴别电路需要ECL差分信号作为时钟信号（频率范围125MHz~500MHz），触发脉冲通过鉴别器输出触发点和采样点之间的时间差，为保证在内插时间较小的情况下电路可以继续工作，设计了扩展周期选择端。双积分扩展电路的输入由时间内插电路的输出提供，输出为锯齿斜波信号，这体现了一个充放电的过程。而对内插时间扩展的倍率则由充电电流与放电电流之比决定。充放电锯齿斜波信号经整形后送入时间-电平转换电路进行峰值采样和电压保持。
3.2 测试流程
　　测试时需要对封装前、封装后和实验后的系统分别进行测试。封装可能对系统造成影响，使封装后的系统无法正常工作；封装也可能使系统不满足温度考核要求（-40℃～+85℃）。机械振动实验和温度循环实验（考核要求规定的实验）对基片设计和封装设计也提出了较为严格的要求。该系统的整体测试流程如图3所示。

3.3 测试结果
　　基于以上测试方案，本系统采用了双层PCB测试板。测试板包含滤波网络、部分下拉电阻、信号输入输出的接口等。测试的主要仪器是Agilent公司的81130A（输出信号频率可达500MHz的高频信号源）和54855A（带宽为6GHz的四通道数字示波器）。

　　封装后系统测试的结果如下：图4是触发整形的输出波形。上方信号是输入信号，是频率为500MHz的高频信号；下方信号是整形后的输出信号。图5为触发晃动测试结果，上方、下方信号分别为输入、输出波形，如图中箭头所示，触发晃动小于10%div。图6给出了高速触发电路的输出，输入为150 MHz的高频信号，最下方信号是触发源整形后的信号，中间信号为经过极性选择后的信号，最上方信号为脉冲选通后输出的稳定触发信号。图7是时间内插电路的输出(时钟信号频率为125MHz），上方信号是三周期选择后的输出信号（脉冲宽度为3/125MHz=24ns），下方信号是两周期选择后的输出信号（脉冲宽度为2/125MHz=16ns）。图8最下方的信号为双积分扩展电路输出信号，中间信号是由触发信号延时后得到，相当于电子开关控制通断，当它为高电平时电路处于跟踪状态，当它为低电平时电路处于峰值电压保持状态。峰值采样和电压保持电路的输出波形如图9最上方信号所示。图9为图8的放大波形。由图9可知内插时间分辨率小于20ps。