Примеры применения генераторов сигналов

February 17, 2012 by admin Комментировать »

5.3.1. Применение AFG3000 для запуска формирователей импульсов со временами нарастания и спада до 50 пс

Выпуск фирмой Tektronix бюджетных моделей генераторов сигналов произвольной формы серии AFG3000 открывает широкие возможности в исследовании и тестировании самой различной и массовой аппаратуры [2, 94]. К достоинствам этих приборов относятся: простой и удобный интерфейс, широкий диапазон амплитудных временных и частотных параметров сигналов, большое разнообразие их форм, высокая (до 10"6 в год) стабильность частоты повторения сигналов и легкость стыковки с персональным компьютером.

Однако минимальная длительность перепадов импульсного сигнала у этих приборов равна 10/5/2,5 не (в зависимости от модели), что явно недостаточно для снятия переходных характеристик широкополосных импульсных цепей и скоростных устройств, включая современные электронные осциллографы. В тоже время надо отметить, что при использовании согласованной нагрузки с сопротивлением 50 Ом формируемый генераторами перепад напряжения практически не содержит выбросов (рис. 5.26). Он может использоваться как измерительный при исследовании цепей и устройств (например, осциллографов) с полосой частот в десятки МГц и ниже.

Рис. 5.26. Передний фронт импульсов генератора AFG3101 (осциллограмма получена с помощью осциллографа TDS 2024В фирмы Tektronix)

Для снятия переходных характеристик современных осциллографов желательно иметь импульсы с перепадами напряжения длительностью намного меньше 1 не. В тоже время амплитуда импульсов вполне достаточна в доли вольт. Для получения таких импульсов можно использовать давно известные сверхскоростные полупроводниковые приборы — туннельные диоды. Рис. 5.27 показывает схему формирователя импульсов на туннельном диоде и его вольт-амперную характеристику с выбором не ней рабочих точек при переключении диода.

Предположим, что входной сигнал E(t) формирователя синусоидальный. При увеличении входного сигнала линия нагрузки Rt (фактически, это выходное 50-омное сопротивление генератора) перемещается вверх, пока не достигнет положения А при входном сигнале, равном Еп (от 1,5 до 2,5 В). В этот момент рабочая точка 1 отрывается от ВАХ и скачком перемещается в положение 2. В результате формируется перепад напряжения с амплитудой около 0,5—0,6 В (для германиевых приборов) и малой (суб- наносекундной) длительностью.

Рис. 5.27. Схема формирователя импульсов с длительностями фронтов на

туннельном диоде (а) и N-образная вольт-амперная характеристика туннельного диода (б)

Оценим хотя бы грубо длительность перепада напряжения при переходе рабочей точки из положения 1 в положение 2. Будем считать, что переключение идет током, равным пиковому току диода I. Тогда длительность перепада At~CJS,U/I. Для германиевого туннельного диода 1И308К, специально созданного для формирователей импульсов с субнаносекундной длительностью фронтов, емкость диода С= 5 пФ, ток пика 1= 50 мА, таким образом, при А £7=0,5 В получим A?=5*10"12*0,5/0,05=5* 10-11 с= 50 пс. Этот прикидочный расчет показывает, что возможно формирование импульсов со временем нарастания в 50 пс.

При уменьшении входного сигнала линия нагрузки начинает перемещаться вниз, пока не займет критическое положение Б при уровне входного сигнала Ем (доли вольт). При этом рабочая точка 3 скачкообразно перемещается в положение 4, формируя также быстрый перепад напряжения отрицательной полярности. Амплитуда этого перепада немного меньше, чем положительного перепада, создаваемого при нарастании синусоидального напряжения.

Для получения реальной длительности фронтов порядка 50 пс необходима тщательная оптимизация довольно простой конструкции формирователя в виде литого корпуса с установленным в нем туннельным диодом, имеющим таблеточную конструкцию для уменьшения индуктивности. Отечественная промышленность давно выпускала формирователи на туннельном диоде для стробоскопических осциллографов С1-91 и других с полосой исследуемых частот до 18 ГГц. На рис. 5.28 показан внешний вид формирователя Ф-02 с СВЧ узлами для подключения его к выходу генератора AFG3101 и входу осциллографа.

Для испытания формирователя целесообразно вначале опробовать его работу при синусоидальном входном сигнале генератора AFG3101. Поскольку этот формирователь создан для генерации основного отрицательного перепада, выходной сигнал генератора укладывается в область напряжений с нулевым верхним уровнем и регулируемым нижним уровнем. Задав частоту 100 кГц и меняя нижний уровень напряжения, можно заметить момент, когда формирователь начинает генерировать сигнал разрывной формы (рис. 5.29). Разумеется, можно в широких пределах менять частоту генератора и выходных импульсов.

Рис. 5.28. Внешний вид формирователя Ф-02 и СВЧ узлов импульсного 50-омного

тракта (1 — переходник к входному разъему CNN, 2 — формирователь Ф-02, 3 —разъем выхода формирователя, 4— тройник, 5— выходной разъем, 6 — 50-омная заглушка)

Рис. 5.29. Формирование из синусоиды сигнала разрывной формы

Теперь для получения почти идеальных прямоугольных импульсов достаточно перевести генератор AFG3101 в режим генерации прямоугольных импульсов. При этом собственные перепады напряжения генератора с длительностью около 5 не (рис. 5.26) уменьшатся по длительности примерно в 100 раз и составят около 50 пс. Форма прямоугольных импульсов на выходе формирователя показана на рис. 5.30. Она получена с помощью цифрового 200 МГц осциллографа TDS-2024B. Это 4-канальный бюджетный осциллограф, рассчитанный на самое широкое применение, является расширением популярной линии приборов TDS-2000 [2]. Осциллографы, как и генераторы серии AFG3000, имеют расширенные возможности связи с персональным компьютером через интерфейс USB. В частности, благодаря этому и получены копии экрана осциллографа со всеми осциллограммами, приведенными в данной статье.

Рис. 5.30. Осциллограмма выходных прямоугольных импульсов формирователя на туннельном диоде

Чтобы оценить реальную длительность формируемого перепада, необходимо просмотреть его на осциллографе с полосой частот исследуемых сигналов до 15—20 ГГц. На рис. 5.31 показана осциллограмма, снятая с помощью стробоскопического осциллографа С1-91/4 с 18 ГГц стробоскопическим преобразователем Я4С-100 и блоком стробоскопической развертки А4С-101. Этот довольно громоздкий осциллограф имеет блок генератора перепадов Я4С-89, от которого и взят формирователь, показанный на рис. 5.28.

В состав генератора Я4С-89 входят еще два формирователя для формирования перепадов положительной Ф-00 (0,2 В, 50 пс) и отрицательной и Ф-02 (0,2 В, 70 пс) полярности. Эти формирователи также могут использоваться совместно с генератором AFG3000 и дают несколько меньшие искажения плоской вершины из-за отражений в коаксиальных кабелях и разъемах. Последнее достигается включением в тракт 50-ом- ного резистора после туннельного диода.

Рис. 5.33. Реакция 200МГц цифрового осциллографа TDS 2024В на положительный перепад

Реакция другого цифрового осциллографа (DS-1250 фирмы EZ Digital) с полосой исследуемых частот до 250 МГц показана на рис. 5.34. Этот прибор имеет немного меньшее время нарастания переходной характеристики (до 1,4 нс), но после перепада хорошо видны значительные затухающие колебания после выброса.

Рис. 5.34. Реакция 250 МГц осциллографа DS-1250 фирмы EZ Digital на отрицательный перепад

Такая форма переходной характеристики ведет к значительным искажениям формы прямоугольных импульсов. На рис. 5.35 показана осциллограмма импульсов с частотой 10 МГц, поданных на канал осциллографа с формирователя на туннельном диоде. Здесь также нетрудно заметить отсутствующие у входных импульсов колебания на фронтах. Можно сказать, что у этого осциллографа форма наблюдаемых импульсов (меандра) явно принесена в жертву получению предельно малого (для полосы 250 МГц) времени нарастания.

Рис. 5.35. Реакция 250 МГц осциллографа DS-1250 фирмы EZ Digital на меандр с частотой 10 МГц

Применение туннельных диодов с меньшим пиковым током позволяет получить перепады напряжения с большей (в несколько раз) длительностью. Выброс переходной характеристики и ее колебания при использовании для контроля таких формирователей могут быть заметно уменьшены. Для увеличения времени перепадов можно рекомендовать также шунтирование туннельного диода конденсатором малой емкости с выводами, имеющими предельно малую индуктивность, например таблеточного типа.

Описанные формирователи импульсов можно использовать для запуска сверхскоростных устройств, например, на лавинных транзисторах, туннельных диодах и широкополосных операционных усилителях, для оценки реакции цепей с сосредоточенными параметрами, проверки согласования СВЧ и импульсных коаксиальных и микропо- лосковых трактов и в рефлектометрах, основанных на регистрации отражений от нео- днородностей широкополосных трактов.

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