Современное состояние техники генерации сигналов

January 20, 2012 by admin Комментировать »

Современная измерительная техника переживает драматический период. Пожалуй, впервые за многие десятки лет техника генерации, регистрации и измерения сигналов сильно отстала от многих передовых направлений применения электронных устройств. Так, даже в таких массовых устройствах, как микропроцессоры для персональных компьютеров, цифровые и импульсные схемы уже работают на частотах в единицы ГГц (109 Гц), а в ближайшей перспективе будут работать на частотах в десятки ГГц и выше [1].

Основной разработчик микропроцессоров — корпорация Intel объявила о создании терагерцовых полевых микротранзисторов с изолированным затвором, работающих на частотах в тысячи ГГц. Еще большие рабочие частоты имеют гетеропереход- ные Si-Ge микротранзисторы. При исследовании прохождения мощных световых импульсов через нелинейные среды обнаружены явления сокращения длительности их перепадов до пикосекунд и долей пикосекунды. Возникла необходимость в регистрации и имитации таких сигналов.

Между тем, только недавно серийные электронные стробоскопические осциллографы преодолели частотный барьер в 100 ГГц и фактически остановились у него [2-5]. Это уникальные и дорогие приборы, объем продаж которых у нас составляет единицы приборов в год. От них заметно отстали разработки генераторов импульсных сигналов. Так, генераторы импульсов субнаносекундной длительности выпускаются тоже как уникальные и дорогие приборы очень небольшим числом фирм, преимущественно зарубежных.

В период распада СССР отечественные разработки в области генерации сигналов, особенно импульсных, в былые времена проводимые с большим размахом [6-16], практически прекратились. Этим немедленно воспользовались наши западные конкуренты — на наш рынок хлынул поток зарубежных разработок таких устройств, которые не так давно мы разрабатывали вполне самостоятельно. Это особенно печально, если учесть, что во времена СССР развитие теории и проектирования импульсных устройств у нас не уступали зарубежному уровню, что отражено в многочисленной монографической и учебной литературе тех лет [8-24].

Главной причиной указанного отставания у нас стало отсутствие современной элементной базы и разрушение производственных связей между странами — бывшими республиками СССР. Достаточно отметить, что большая часть советских скоростных осциллографов и генераторов импульсов создавалась и выпускалась в Вильнюсском НИИ радиоизмерительных приборов и в Минском приборостроительном институте, множество микросхем выпускалось в Киевском НПО "Кристалл" и т. д.

Автор этой монографии, заведуя кафедрой промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ, еще с конца 60-х годов занимался проблематикой импульсных устройств, начиная с исследования уникальных возможностей биполярных транзисторов в лавинном режиме их работы. В 1973 г. вышла его монография [21] — единственная в мире по данному направлению [20, 25]. В те годы были разработаны и всесторонне изучены первые советские германиевые специальные лавинные транзисторы серии ГТ338 [26-29].

Обширное исследование германиевых и кремниевых транзисторов в лавинном режиме работы [26-45, 73] показало, что особой необходимости в создании специальных кремниевых лавинных транзисторов нет, поскольку большинство обычных серийных кремниевых транзисторов надежно работает в лавинном режиме и не уступает параметрам специальных кремниевых транзисторов, созданных за рубежом (кстати, тоже на основе обычных серийных транзисторов).

В ходе этого исследования был обнаружен и описан в [21, 32-38] комплекс физических явлений, позволивший в деталях объяснить уникальные возможности биполярных транзисторов в лавинном режиме работы, в частности, сочетание предельно высокого быстродействия с предельными импульсными токами и напряжениями.

Ныне это нашло практическое применение как в создании новейших высоковольтных кремниевых лавинных транзисторов, так и в разработке целого ряда уникальных и серийных генераторов мощных импульсов. Недавно была издана новая книга по применению лавинных транзисторов [73], в которой отражены достижения в этой области за последние годы, увы, по большей части зарубежные.

В дальнейшем наши исследования охватили применение и других типов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Так, впервые были показаны уникальные импульсные свойства новых в то время мощных ВЧ и СВЧ МДП-транзисторов (полевых транзисторов со структурой "металл-диэлектрик-полупроводник" и мощных СВЧ арсенид-галлиевых полевых транзисторов с барьером Шоттки [17, 18]. Совместное их применение с лавинными транзисторами [42-69, 73] открывает новые возможности в построении генераторов импульсов нано- и даже пикосекундного диапазона времен нарастания и спада. Многие из этих возможностей до сих пор не реализованы в серийных генераторах импульсов и ждут своей очереди.

В области генерации импульсов микро- и миллисекундной длительности долгожителями оказались устройства на однопереходных транзисторах [22-24]. Наряду с обычными однопереходными транзисторами были созданы программируемые одно- переходные транзисторы. Основной областью их применения стали устройства управления энергетическими преобразователями, в частности, установленными на борту самолетов и других транспортных средств. Неприхотливость и высокая надежность таких устройств способствовали их применению и в наши дни [71].

Схемы на других негатронах (приборах с падающими участками вольт-амперных характеристик), например на туннельных диодах, лямбда-диодах и транзисторах и их аналогах показали высокие функциональные возможности, но широкого распространения не получили. Причиной стали их известные недостатки — применение в релаксаторах индуктивностей, плохая технологичность и др.

Не очень прижились и импульсные устройства на стандартных логических интегральных микросхемах и интегральных операционных усилителях, например [ 16]. Эти микросхемы были изначально оптимизированы для построения цифровых и логических, а не импульсных устройств, и потому не реализуют в последних нужные возможности. Хотя отдельные схемные решения, например [70, 74-76], показали интересные возможности. Весьма привлекательными надолго оказались возможности специализированных для импульсных применений микросхем интегральных таймеров [10, 11]. В наше время они превратились в "рабочих лошадок", используемых повсеместно, но не очень привлекательных для глубоких исследований.

Между тем, потребность в стабильных и модулируемых различными видами модуляции сигналах, как синусоидальных, так и импульсных в последние годы многократно возросла в связи с развитием новых областей их применения — электронно-оптичес- ких приборов, видеоимпульсных и ультразвуковых локаторов, гео- и подповерхностных радаров [77-85] и разнообразных систем цифровой связи, в частности мобильных [86-88].

Во времена СССР потребности в новых средствах генерации сигналов удовлетворялись разработкой огромного числа всевозможных аналоговых генераторов сигналов — низкочастотных, высокочастотных, сверхвысокочастотных и импульсных. Уже тогда была ясна необходимость в универсальных генераторах сигналов типовых форм — синусоидальной, прямоугольной, пилообразной и треугольной. Это привело к развитию некоторых, давно известных устройств — функциональных генераторов [8, 9, 91]. Их частотный диапазон достиг десятков МГц, габариты и масса приборов уменьшились в несколько раз, а функциональные возможности заметно возросли. Обязательной, к примеру, стала электронная регулировка частоты, а нередко и амплитуды, и возможность применения их в качестве генераторов качающейся частоты.

Начиная с разработок генераторов телевизионных сигналов, например в виде приставок к персональному компьютеру [92, 93], появилась необходимость в генерации сигналов намного более сложной формы, чем у функциональных генераторов. К тому же по диапазону частот и стабильности частоты аналоговые функциональные генераторы оказались не способными удовлетворить требования к современным системам цифровой связи, особенно многоканальным, таким, как системы мобильной связи. Острым стал вопрос об осуществимости регулировки всех параметров сигналов генераторов в широких пределах электронными методами.

В связи с этим появились новейшие разработки генераторов сигналов на основе прямого цифрового синтеза частот и форм сигналов [94-102]. В таких генераторах применение аналоговой элементной базы резко ограничено, и приборы строятся на основе как стандартных, так и специализированных сверхскоростных цифровых микросхем, аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. Это обеспечивает легкую и естественную стыковку таких генераторов с цифровыми системами и современными персональными и промышленными компьютерами и открывает широкие возможности их применения в испытании и отладке различных электронных и радиотехнических систем и устройств [102-124].

Эта книга посвящена описанию техники генерации сигналов различной формы — от простых синусоидальных и импульсных сигналов до мощных наносекундных импульсов и сложнейших сигналов произвольной формы. Хотя книга не является каталогом по генераторам сигналов, она дает достаточно подробный обзор рынка современных генераторов сигналов и областей их применения. Автор надеется, что это практически поможет нашим специалистам в выборе современных генераторов сигналов различного типа.

Книга рассчитана на специалистов в различных областях науки и техники, применяющих генераторы сигналов, научных работников и инженеров, студентов и преподавателей технических университетов и вузов. Она полезна и подготовленным радиолюбителям.

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