Простой, но высококачественный генератор наносекундных импульсов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017

Jim Williams, Linear Technology

EDN

Если требуются очень короткие импульсы, запускаемые внешним сигналом, например, для таких приложений, как устройства выборки, этот предсказуемо программируемый генератор будет вам полезен. Длительность выходного сигнала схемы на Рисунке 1, сделанной на счетверенном высокоскоростном компараторе и быстродействующем логическом элементе, регулируется от 0 до 10 нс при длительности фронта 520 пс и амплитуде 5 В. При отклонении напряжения питания 5 В на 65% длительность импульса меняется менее чем на 100 пс. Минимальная длительность входного импульса запуска равна 30 нс, а задержка между входом и выходом составляет 18 нс.

Рисунок 1.

Этот генератор формирует импульсы длительностью от 0 до 10 нс с передним фронтом 520 пс. Компаратор IC1 разгружает согласующий резистор дифференциальными цепями задержки. Комплементарные выходы микросхем IC2-IC3 отображают разность задержек сдвигом передних фронтов своих импульсов. Выходной положительный импульс логического элемента G1 существует в течение времени, пока сигналы на обоих выходах компараторов IC2-IC3 имеют высокий уровень.

Компаратор IC₁ инвертирует входной импульс (Рисунок 2, осциллограмма A) и изолирует от остальной схемы согласующий резистор 50 Ом. Выход IC₁ подключен к двум RC-цепочкам – с фиксированной и переменной постоянными времени. Программирующий резистор R_G в основном определяет разность постоянных времени заряда цепочек и, следовательно, задержку, масштаб которой равен примерно 80 Ом/нс. Компараторы IC₂ и IC₃, включенные детекторами уровней с противоположной полярностью выходных сигналов, отображают разность задержек сдвигом передних фронтов своих импульсов. Выходной сигнал компаратора IC₃ в канале с фиксированной задержкой представлен осциллограммой B, а сигнал на выходе IC₂ в канале с переменной задержкой – осциллограммой C. Выходной импульс схемы на выходе логического элемента G₁ (осциллограмма D) существует в течение времени, пока сигналы на обоих его входах имеют высокий уровень.

Рисунок 2.	Формы сигналов в схеме генератора, измеренные осциллографом реального времени с полосой пропускания 400 МГц. A – «ВХОД», B – выход IC3 (фиксированная задержка), C – выход IC2 (переменная задержка), D – «ВЫХОД».

Рисунок 3.	5-наносекундный выходной импульс при R = 390 Ом имеет хорошую форму и аккуратные фронты. Звон на плоской вершине импульса в пределах 8% обусловлен индуктивностью проводников, идущих к элементу G1, и неидеальностью кабеля, соединяющего щуп с осциллографом.

Полученный при R = 390 Ом выходной импульс, показанный на Рисунке 3, имеет амплитуду 5 В и длительность, измеренную по уровню 50% – 5 нс. Импульс имеет хорошую форму и аккуратные фронты. Выброс переднего фронта, составляющий примерно 8%, обусловлен индуктивностью проводников, идущих к элементу G₁, и неидеальностью кабеля, соединяющего щуп с осциллографом. На Рисунке 4 показан самый узкий импульс, при котором сохраняется полная амплитуда 5 В. Ширина импульса, измерявшаяся в стробоскопическом режиме в полосе частот 3.9 ГГц, равна 1 нс по уровню амплитуды 50% и 1.7 нс у основания. Импульс может быть еще короче, если допустимо, что его амплитуда будет меньше 5 В.

Рисунок 4.	Наименьшая ширина импульса равна 1 нс по уровню половинной амплитуды и 1.7 нс по основанию. Измерения выполнялись в полосе частот 3.9 ГГц.

Рисунок 5.	Импульс с неполной амплитудой 3.3 В имеет длительность 700 пс, а ширину у основания – 1.25 нс. Зернистость осциллограммы обусловлена артефактами стробоскопического режима осциллографа.

Минимально достижимая ширина импульса ограничена временем нарастания микросхемы G₁. Импульс с неполной амплитудой 3.3 В имеет длительность 700 пс, а ширину у основания – 1.25 нс (Рисунок 5). Время нарастания импульса на Рисунке 6, измеренное в стробоскопическом режиме в полосе частот 3.9 ГГц, равно 520 пс. Время спада равно времени нарастания. Фронт импульса имеет четко определенную форму и свободен от артефактов.

Рисунок 6.	Детальное изображение переднего фронта, измеренного в полосе частот 3.9 ГГц стробоскопическим осциллографом с временем нарастания 90 пс, показывает, что его длительность равна 520 пс. Задний фронт имеет такую же длительность. Зернистость осциллограммы обусловлена артефактами стробоскопического режима осциллографа.

Материалы по теме