Принципы генерации импульсов с субнаносекундным временем нарастания

January 27, 2012 by admin Комментировать »

Для проверки электронных осциллографов с полосой частот до 6 ГГц в СССР был разработан ряд генераторов испытательных импульсов серий И1-11, И1-14, И1-15,

И1-17, И1-18, И1-12. При этом для каждого номинала полосы пропускания осциллографа создавался генератор, выходной сигнал которого можно было считать "идеальной ступенькой". Мелкими сериями выпускались специализированные генераторы с временем нарастания не более 20 пс. Однако препятствием для дальнейшего развития средств измерений импульсного напряжения в СССР (да и ныне в России) явилось отсутствие соответствующей элементной базы и метрологического обеспечения скоростных осциллографов.

Как уже отмечалось в предисловии, в последнее десятилетие стало заметным отставание разработок импульсных генераторов перед разработками современных цифровых осциллографов и анализаторов спектра. Диапазон частот этих приборов, в частности стробоскопических осциллографов, достиг 100 ГГц. Это достигнуто, в частности, применением новейшей элементной базы на основе гетеропереходных кремний-гер- маниевых микротранзисторов, реализованных в составе специализированных монолитных интегральных микросхем.

Однако, непосредственное применении этой элементной базы в измерительных генераторах невозможно из-за малых уровней рабочих напряжений и токов таких микротранзисторов и резкой потери быстродействия в реальных условиях работы их в импульсных генераторах. Между тем последние должны не отставать, а опережать уровень технических решений скоростных схем, применяемых в осциллографах.

Один из советских генераторов Г6-22 формировал импульсы с амплитудой до 15 В при длительности импульса 5 не (длительность переднего фронта 3 не, заднего 2 не) при частоте повторения 10—110 МГц. При этом прибор имел габариты 496x475x295 мм и массу 32 кг!

О трудностях применения обычной схемотехники, даже на основе специализированных интегральных микросхем, говорит опыт разработки отечественных генераторов импульсов Г5-78 и Г5-85. Напомним, что последние имели времена нарастания импульсов 0,5 и 0,25 не при амплитуде импульсов соответственно 5 и 2 В. Так что уже при преодолении порога в 1 не для времен нарастания и спада импульсов заметно резкое снижение амплитуды импульсов. Заметим, что конструкция таких приборов осложняется требованиями тщательного согласования всех блоков и необходимостью работать 50-омными входными и выходными сопротивлениями блоков [111].

Большие надежды в свое время возлагались на туннельные диоды — приборы, имеющие N-образные ВАХ. Однако эти приборы принципиально низковольтные — создаваемые ими перепады напряжения составляют доли В. Применение туннельных диодов в формирователе перепадов с длительностью около 50 пс описано в главе 5.

В ряде случаев хорошими, а подчас просто уникальными, характеристиками обладают схемы на лавинных транзисторах [21, 73]. Это единственные из полупроводниковых приборов, которые непосредственно и без внешних формирователей способны генерировать импульсы с амплитудой в десятки В и током в десятки А при временах их нарастания порядка 1 не, а иногда и намного меньше. Однако получение от них импульсов с временами нарастания в единицы пикосекунд невозможно. Схемы на лавинных транзисторах перспективны для построения генераторов для запуска лазерных дио – дов и лазерных решеток и для управления электронно-оптическими затворами, мощными полевыми транзисторами, приборами с электронной бомбардировкой полупроводниковой мишени и др.

Есть ряд способов существенно уменьшить времена нарастания импульсов, формируемых обычными полупроводниковыми приборами, такими как лавинные транзисторы, СВЧ-биполярные и мощные полевые транзисторы. Так, уже давно применяются обострители перепадов на основе диодов с накоплением заряда [14], которые позволяют формировать импульсы с временами нарастания порядка десятков не. Еще лучшие результаты получены от обострителей на арсенид-галлиевых диодах. Здесь возможно получение импульсов с временами нарастания и спада вплоть до 1 пс.

Однако очевидно, что и этот путь не решает задачу кардинально. Кардинальное решение может базироваться на новых физических принципах. К таким решениям относятся оптико-электронные импульсные устройства, у которых сигнал получается благодаря воздействию на широкополосный фотоприемник (лавинный или p-i-n фотодиод) оптических импульсов с субнаносекундным временем нарастания. Генерация таких импульсов была реализована давно, когда был обнаружен эффект резкого укорочения фронта оптического импульса при запуске некоторых типов лазерных диодов. Но лишь недавно появились разработки серийных генераторов импульсов с пи- косекундными перепадами на основе этого метода создания импульсов.

Этот метод генерации импульсов пригоден для получения импульсов обычной для измерительных генераторов амплитудой в единицы В и, гораздо реже, в десятки В. Как правило подобные генераторы имеют выносной формирователь импульсов. Ныне они, как и генераторы импульсов на лавинных транзисторах, выпускаются фирмой Picosecond Pulse Lab, США.

Однако некоторые новые области применения коротких импульсов, такие как видеоимпульсные локаторы и георадары, требуют импульсов с амплитудой от десятков В до десятков кВ. В принципе, такие импульсы можно получать, используя последовательное и комбинированное включение множества лавинных транзисторов и разрядников на других типах полупроводниковых приборов.

Возродился интерес и к газоразрядным и вакуумным разрядникам. Так, уже давно водородные тиратроны применялись для формирования мощных наносекундных импульсов. Их большим недостатком была большая и нестабильная задержка запуска. Однако были разработаны специальные тиратроны с постоянно тлеющим запускающим электродом — криотроны. Их запуск с помощью схем на лавинных транзисторах позволил создать сверхскоростные разрядники с приемлемым временем задержки запуска и его приемлемой стабильностью.

2.5.2. Генератор MZ60-3 для испытания аналоговых осциллографов

Для измерения времен нарастания и установления переходных характеристик современных аналоговых и цифровых осциллографов нужны специальные генераторы ис- питательных импульсов со временем нарастания в доли не. Один из таких приборов HZ60-3 с названием Scope Tester (осциллографический тестер) выпускается фирмой HAMEG. Его внешний вид показан на рис. 2.33.

Рис. 2.33. Осциллографический тестер HZ60-3

Этот очень простой прибор с батарейным питанием имеет следующие технические характеристики:

•          7 высокостабильных кварцованных частот для калибровки разверток: 1-10- 100 Гц, 1-10-100 КГци1 МГц.

•     Калиброванные постоянные напряжения.

•     Выход импульсов с временем нарастания менее 1 не.

•     3 уровня напряжений: 25 мВ на нагрузке 50 Ом, 0,25 В и 2,5 В.

•     Работа от батарей — 4×1,5 В (элементы АА).

•     Три высокоэкономичные интегральные микросхемы.

•     Размеры: 125x80x42 мм.

Возможности этого прибора ограничены — можно проверять переходную характеристику осциллографов с полосой частот до примерно 200 МГц.

Источник: Дьяконов В. П.  Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 е., ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты