Формирователи и генераторы импульсов с пикосекундными фронтами

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 13Следующая ⇒

Задачей формирования и генерирования в пикосекундной импульсной технике является получение различных последовательностей, групп или одиночных импульсов. Все они характеризуются фронтами пикосекундной длительности (единицы -десятки пикосекунд) с протяженностью самих импульсов от удвоенной длительности фронта до теоретически неограниченного времени в случае формирования перепадов напряжения (тока).

Формирование импульсов основано на линейных и (или) нелинейных методах. Способы линейного формирования, кроме дифференцирования и интегрирования, содержат операции разветвления, задержку, взвешивание и последующее сложение или вычитание сигналов. Эти операции реализуют с использованием многоканальных или эквивалентных им одноканальных структур, рассмотренных выше. На основе таких структур из одиночных или редко повторяющихся импульсов и перепадов напряжений формируют группы импульсов, многоступенчатые перепады напряжений, импульсы сложной формы или производят укорочение (расширение) импульсов и пр. Длительность фронта и среза исходных сигналов при этом должна быть минимальной, так как возможности их уменьшения с помощью указанных операций ограничены.

Формирование импульсов в рассматриваемом случае можно трактовать как линейное преобразование амплитудного и фазового спектров исходного сигнала путем задания соответствующей формы АЧХ и ФЧХ многоканальной системы.

Другие способы линейного формирования основаны на накоплении в реактивных элементах и коммутации энергии в нагрузку с помощью быстродействующих ключей. В качестве таких ключей используются диоды с S и N образными характеристиками, быстродействующие транзисторы и другие элементы, рассмотренные в разделах 7.2 и 7.3.

Способы нелинейного формирования, основанные на обогащении спектров исходных сигналов высшими гармоническими составляющими, используют обычно для уменьшения длительности фронта и среза импульсов. Эти способы реализуют с помощью ограничителей, выполняемых с применением биполярных и полевых транзисторах.

Для укорочения фронтов импульсов эффективными являются нелинейные элементы с резким восстановлением обратного сопротивления. Это диоды с накоплением заряда и существенно более высоковольтные дрейфовые диоды с р-п-переходом.

Линейные устройства формирования. Многоканальные формирователи импульсов выполняются на основе структур, рассмотренных выше. (см. рисунки 13 и 14). Принцип формирования в таких устройствах заключается в линейном преобразовании амплитудного и фазового спектров исходного сигнала. Форма выходного сигнала определяется сверткой входного воздействия и импульсной характеристики многоканальной системы.

Многоканальные структуры используют для укорочения фронта и среза импульсов, для укорочения или расширения длительности импульсов или для формирования ступенчатых перепадов напряжения и т. п.

Укорочение фронтов импульсов, аналогично тому как это было при формировании ПХ пикосекундных усилителей, осуществляют с использованием многоканальных структур с инверсией полярности сигнала в одном из каналов (см. рисунок 39) с последующими задержкой и суммированием с соответствующими весовыми коэффициентами сигналов каждого канала. В частотной области эти операции над сигналом эквивалентны формированию такой ФЧХ многоканальной структуры, при которой групповое время запаздывания уменьшается с ростом частоты.

Укорочение длительности импульсов производят с помощью двухканальной системы, приведенной на рисунке 17. Действительно, пусть на входе такой системы действует идеальный единичный перепад напряжения х (t) = 1 (t). Для определенности положим, что модули весовых коэффициентов каналов равны единице, а разность задержек в каналах составляет Дт. Тогда, суммируя положительный единичный перепад напряжения и задержанный на отрицательный перепад напряжения, получим выходной сигнал системы у (t) = х (t) - х (t - ), который имеет прямоугольную форму. Такую же форму имеет импульс, полученный при использовании в качестве формирователя короткозамкнутого отрезка линии передачи. Поэтому этот формирователь и двухканальный формирователь с инверсией полярности сигнала в одном из каналов являются в определенном смысле эквивалентными. Если на вход двухканальной системы подать, прямоугольный импульс положительной полярности с длительностью , то на выходе можно получить два импульса, как у дифференцирующей цепи длительностью . Один из этих импульсов имеет положительную полярность, а другой, задержанный на время , - отрицательную полярность.

Рисунок 85. Структурная схема (а) двухканального формирователя биполярных импульсов и ее реализация на основе токового переключателя (б)

Существенным преимуществом двухканального формирователя перед дифференцирующей цепью является возможность его широкополосного согласования по входу и выходу.

Рассмотрим другой вариант двухканального формирователя изображенный на рисунке 85а. От предыдущей эта структура отличается наличием двух выходов, связанных ЛЗ, что позволяет из входного импульса (последовательности импульсов) одной полярности формировать на разных выходах биполярные импульсы (последовательности биполярных импульсов), инвертированные относительно друг друга. Пример выполнения такой структуры на основе токового переключателя на биполярных транзисторах приведен на рисун6ке 85б. Этот переключатель может быть использован и для формирования коротких импульсов, если время задержки линии меньше длительности входных импульсов.

Последовательности импульсов более сложной формы получают, используя в схеме формирователя большее число каналов с инверсией и без инверсии полярности передаваемых импульсов и с соответствующими задержкой и весовыми коэффициентами. С помощью многоканальных структур из входного перепада напряжения или одиночных импульсов можно формировать многоступенчатые перепады с различной длительностью, амплитудой и полярностью каждой ступени или группы (пачки) импульсов.

Основным недостатком многоканальных формирователей является то, что исходные сигналы должны иметь крутой фронт. Эти формирователи позволяют повысить амплитуду выходных импульсов при синфазном суммировании или синтезировать импульсы заданной формы при суммировании выходных импульсов канальных генераторов с определенными задержкой, весом и полярностью. Формирователи можно использовать в качестве канальных генераторов с синхронизированным запуском или с запуском каждого из них через определенное время задержки. В общем случае выходной сигнал такой системы определяется соотношением

где а_n - весовой коэффициент n-го канала, n = 1, 2, 3...; U_n (t) - функция, описывающая форму импульсов канального генератора или формирователя; - время задержки в n-м канале

Формирователи импульсов на основе отрезков линии передачи. Рассмотрим получение импульса нужной формы из импульсного перепада напряжения типа 1(t), но с реально существующими фронтами.

Для получения импульса нужной формы используется изменение волнового сопротивления линии передачи и величины сопротивления нагрузки.

Основные расчетные соотношения, используемые при проектировании формирователей, представлены в таблице 2.

Таблица 2 Основные расчетные соотношения

Схема	Рефлектограмма	Расчетное соотношение

Рассмотрим, что происходит при коротком замыкании и разрыве линии передачи, при R=0 и R=∞. Из приведенного выше выражения получаем коэффициент отражения

(25)

При отражение отсутствует, . При , разрыве (холостом ходе) на конце линии передачи, коэффициент отражения , и сигнал на входе линии передачи имеет форму, приведенную на рисунке 86а. При , коротком замыкании на выходе линии, коэффициент отражения , сигнал на входе линии передачи имеет форму, приведенную на рисунке 86б.

а б

Рисунок 86. Рефлектограммы при холостом ходе (а) и коротком замыкании (б) линии передачи

Формирование импульса нужной длительности Δ производится путем короткого замыкания отрезка линии передачи соответствующей длины:

(26),

где - длительность формируемого импульса, С= м/сек- скорость света, ε – диэлектрическая проницаемость материала линии задержки.

Получение импульса сложной формы или последовательности импульсов производится изменением волнового сопротивления линий передачи в соответствии с разделом 4.4, выражениями (25) и (26). В качестве примера рассмотрим получение из входного импульсного перепада напряжения, изображенного на рисунке 87а импульса с формой, представленной на рисунке 87б.

а б

Рисунок 87. Импульсы: а - на входе, б - выходе формирователя

Выходной импульс может быть сформирован с помощью отрезков линии передачи, включенных по схеме, приведенной на рисунке 88.

Рисунок 86. схема формирующей цепи на отрезках линии передачи

Входная линия, согласованная с сопротивлением источника входного импульса , выполняет функцию задержки выходного импульса относительно входного на величину . Необходимая длина линии определяется из выражения (26). Далее импульс поступает на вторую линию, также согласованную с источником сигнала. В случае, когда устройство, на которое подается выходной импульс, имеет невысокое входное сопротивление, соизмеримое с сопротивлением источника, волновое сопротивление второй линии подбирается с учетом согласования. Вторая линия задерживает приход импульса на третью линию передачи на величину Δ . Третья линия для получения положительного коэффициента отражения должна иметь волновое сопротивление больше сопротивления источника, в соответствии с выражением

Длина линии определяется временем Δ по выражению (26). Следующий, четвертый отрезок линии формирует участок импульса на интервале , (рисунок 87б). Волновое сопротивление линии . Для получения отрицательного коэффициента отражения на конце выходного импульса используется подключение к линии сопротивления , величина которого меньше сопротивления источника сигнала и определяется из выражения

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒