專利名稱：大幅度超高速同步脈沖產生裝置及方法
技術領域：
本發明涉及高速脈沖發生器技術領域，特別涉及一種信號前沿和脈沖寬度都在亞 納秒級的大幅度超高速同步脈沖的產生裝置和方法。
背景技術：
隨著高科技的發展，測量領域所使用的高精度測量設備對大幅度觸發脈沖源的要 求越來越高，不僅要求其能給出滿足一定信號特征(包括上升下降時間、脈沖寬度、幅度 等)的脈沖，而且隨著越來越多高精度測量設備的使用，對信號的前沿時間和觸發信號延 遲時間的要求也越來越高，許多高帶寬示波器、光譜儀等測量設備已經要求提供前沿小于 200ps的大幅度(接近±15V)脈沖信號作為觸發源以保證其測量的精度，而且觸發信號輸 出相對于輸入的延遲時間要求很小，延遲時間的晃動也很小，在幾十PS以內。因此，無論是 為了給高精度測量儀器提供高質量的觸發脈沖，還是為了發展電子學技術本身，都需要對 這種大幅度超高速同步脈沖的產生方法和技術進行研究。
目如,大幅度超聞速同步脈沖的廣生方法都是基于兩種技術聞速開關晶體管電 路和雪崩管電路。高速開關晶體管電路會在輸入觸發信號的條件下，使晶體管瞬間導通或 者截止，從而輸出一個已經事先在某個輸入端準備好的電壓值，這種技術能夠給出很高的 電壓，但由于晶體管帶寬的限制，這種電路只能產生前沿為數納秒的大幅度信號，而且一般 脈沖寬度比較寬，因此無法實現對高精度測量設備的精密觸發。
雪崩管電路可以產生脈沖前沿為納秒級、幅度從幾伏到高達數百伏、脈寬數納秒 的大幅度脈沖，但這種方案有兩個缺點一、需要高達幾十甚至幾百伏的直流電壓源給電 路供電，使雪崩管一直處于雪崩預觸發的狀態，這樣才能在一個較小的觸發脈沖輸入的情 況下產生雪崩，從而輸出一個高速脈沖，也就是說，這種實現方案對直流電壓源有比較高的 要求；二、雪崩管電路產生的高速脈沖前沿仍然是納秒級，與高精度測量設備需要的小于 200ps上升前沿的要求仍有較大差距。
而且，由于以前這種大幅度、前沿時間極短的超高速同步脈沖的應用范圍較小，其 產生方法的研究也很少。發明內容
本發明目的是給出大幅度超高速同步脈沖的產生方案，以及具體的電路實現方 法。本發明涉及的技術不需要使用工作電壓非常高的晶體管，因此對直流電壓源的電壓要 求不是很高。其主要功能由多級寬帶晶體管電路來實現，能夠給出脈沖前沿小于200ps，幅 度接近15V左右的正脈沖及負脈沖。同時，輸出的同步脈沖相對于輸入的延遲時間的抖動 很小，不到20ps。
本發明提出了一種大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括
輸入信號整形電路，其用于將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準 電平信號；
同步脈沖產生電路，其以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，用于產生大幅度超 高速同步脈沖。
其中，所述同步脈沖產生電路包括
高速電平轉換電路，用于將輸入的所述LVPECL標準電平信號轉換為LVTTL電平信 號，所述LVTTL電平信號用于過壓驅動寬帶晶體管電路；
寬帶晶體管電路，以所述LVTTL電平信號作為驅動信號，用于產生大幅度超高速 同步脈沖信號。
其中，所述寬帶晶體管電路為兩級串聯寬帶晶體管電路；其中第一級寬帶晶體管 電路以所述LVTTL電平信號作為驅動信號，其輸出信號用來對第二級寬帶晶體管電路做過 壓驅動，其輸出信號作為大幅度超高速同步脈沖信號。
其中，該裝置為多通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其還包括高精度時鐘扇 出電路，其用于對所述LVPECL標準電平信號作扇出，所述多路高精度觸發信號作為多個所 述同步脈沖電路的觸發信號。
其中，所述同步脈沖產生電路包括正極性脈沖產生電路和負極性脈沖產生電路， 所述多路高精度觸發信號用于分別觸發所述正極性脈沖產生電路和所述負極性脈沖產生 電路。
其中，所述高精度時鐘扇出電路包括至少一片高精度時鐘扇出芯片。
其中，所述高精度時鐘扇出電路包括多片高精度時鐘扇出芯片時，以其中一個所 述高精度時鐘扇出芯片的輸出連接到另一個所述高精度時鐘扇出芯片的觸發輸入引腳的 方式進行級聯，以滿足所述多通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置的通道數量要求。
其中，所述LVTTL電平信號的高低電平邏輯擺幅大于LVPECL標準電平信號的高低 電平邏輯擺幅。
其中，該裝置為單通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置。
本發明還提出了一種大幅度超高速同步脈沖產生方法，其包括
輸入信號整形電路將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準電平信 號;
同步脈沖產生電路以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，產生大幅度超高速同 步脈沖信號。
本發明提出的大幅度同步脈沖產生裝置及方法具有如下有益效果
1、使用的實現方案結構簡潔，對工藝要求比較低，容易復制和批量生產；
2、不需要使用電壓比較高的直流電壓源；
3、采用兩級寬帶晶體管串聯的方式實現大幅度脈沖的產生，兩級晶體管電路都采 用了過壓驅動技術；
4、產生的脈沖前沿小于200ps，幅度達到大約± 15V，而且輸出脈沖抖動小于 20ps,能夠滿足現有的高精度測量儀器對觸發脈沖準確度的要求；
5、正極性脈沖和負極性脈沖使用不同的電路來實現，從而降低了采用極性可調電 路后可能導致的系統不穩定性，減少了高速模擬電路的干擾源，也保證了產生脈沖的性能 和信號質量；
6、本發明所用的輸入整形電路可以產生LVPECL電平標準的信號，容易進行高可靠度的扇出，再用扇出后的信號來驅動脈沖產生電路，因此可以根據具體需求，在進行實際電路設計時，靈活調整正負極性脈沖產生電路的數量。
7、經測試表明，采用本發明設計的超高速同步脈沖的重復頻率能夠達到IOMHz以上，能夠滿足絕大多數場合對觸發脈沖頻率的要求。
圖1是本發明中大幅度同步脈沖產生裝置的結構示意圖2是本發明中的同步脈沖產生電路的結構示意圖3是本發明中多通道大幅度同步脈沖產生裝置的結構示意圖4是本發明多通道大幅度同步脈沖產生裝置中的高精度時鐘扇出電路結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
(一 )本發明的整體技術方案
如圖1所示，本發明提出了一種大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括輸入信號整形電路，其用于將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準電平信號；同步脈沖產生電路，其以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，用于產生大幅度超高速同步脈沖。
本發明提出的上述方案首先使用一個輸入信號整形電路，將輸入的觸發脈沖整形成為一個LVPECL標準電平信號，用來給后面的同步脈沖產生電路作觸發，如圖1所示。由于LVPECL電平具有較低的電壓擺幅和較高的轉換速率，而且LVPECL電平容易實現多通道扇出，極大地方便了超高速同步脈沖的多通道擴展應用，因此本發明的一個優選實施方式選擇了 LVPECL作為同步脈沖產生電路的觸發電平標準。所述輸入信號整形電路可由一個高精度的超快電壓比較器來實現。
由于不同的測量設備對輸入觸發脈沖極性有不同的要求，因此一般來講需要有正負極性可調的脈沖輸出，但是考慮到大幅度超高速同步脈沖產生電路技術的復雜性，在添加極性可調功能后將可能導致同步脈沖輸出的不穩定性的增加，因此本發明的一個優選實施例中放棄了極性可調的電路設計，而選擇了分別設計正極性脈沖產生電路和負極性脈沖產生電路的方案。這樣脈沖產生電路將分為兩種，分別產生正極性脈沖和負極性脈沖，這樣在具體應用時可以根據實際情況選擇適當的電路，再進行超高速同步脈沖發生器的設計。
( 二)本發明中采用的過壓驅動技術
輸出的超高速同步脈沖需要通過傳輸電纜連接到需要其觸發的測量設備上，而傳輸電纜的傳輸阻抗一般是50 Ω (歐姆)，也就是說，要想達到15V的電壓輸出，需要給 出的輸出電流需要達到15V/50Q = 300mA。
晶體管作為一種電流放大器件，輸出電流大，必然要求輸入電流大，而常規的晶體管電路中，輸入驅動電壓只是剛剛達到晶體管的發射結導通壓降，輸入電流較小，因此不可能獲得足夠大的輸出電流。為了獲得滿足輸出驅動條件的電流，本發明提出了將過壓驅動技術應用在晶體管輸入級的實現方法，即加在晶體管發射結兩端的瞬時輸入電壓遠遠超過發射結導通壓降，這樣在扣除發射結導通壓降后的電壓仍較大，可以在輸入回路中形成一 個很大的瞬時電流，這個電流也就是晶體管的輸入電流，這種過壓驅動技術可以在輸入回 路中產生大的電流，從而得到大的輸出電流。
這種過壓驅動技術能夠產生很大的輸出電流，其電流值可達300mA，遠遠超過了超 過目前模擬帶寬IGHz以上的晶體管在產品手冊中給出的集電極輸出電流的最大值。在一 般情況下，超過這個最大值則很容易造成晶體管過熱以致發生不可逆的熱擊穿而燒毀。而 本發明中米用的技術雖然會產生很大的輸出電壓和輸出電流，但是由于脈沖寬度很小，一 般在1.0ns左右，因此盡管瞬時功耗很大，但是持續時間很短，其總體的發熱量不高，不會 造成晶體管的過熱；而且產生的大幅度脈沖的重復頻率較低，相當于大幅度脈沖產生的熱 量能夠在一個比較長的周期內被平均，一個周期內的平均功耗實際上仍然遠遠小于晶體管 的最大允許耗散功率，不會造成晶體管的損毀。經過測試，本發明采用的技術產生的大幅度 同步脈沖的重復頻率可以達到10MHz。
(三)晶體管級聯
經過測試，一級晶體管電路在采用過壓驅動技術的情況下，仍然無法達到300mA 的輸出電流，其輸出的同步脈沖幅度稍小，無法達到15V，因此在本發明的一個優選實施例 中，無論是正脈沖產生電路還有負脈沖產生電路，都使用了兩級晶體管串聯的電路結構，用 第一級電路的輸出信號來對第二級晶體管的輸入回路做過壓驅動，這樣才能保證輸出電壓 幅度達到15V的要求。
同步脈沖產生電路包含LVPECL — LVTTL電平轉換的高速電平轉換電路和串聯的 兩級寬帶晶體管電路。本發明的優選實施例中所述高速電平轉換電路采用SY100EPT23L芯 片來實現。所述高速電平轉換電路所產生的LVTTL信號用來驅動第一級寬帶晶體管電路， 第一級寬帶晶體管電路的輸出信號來對第二級寬帶晶體管電路的輸入回路做過壓驅動。由 于工作在過壓驅動模式下的晶體管需要較高的輸入電壓擺幅來驅動，而LVPECL的高低電 平邏輯擺幅較小，只有約O. 8V，剛剛達到晶體管發射結導通壓降，為了能夠實現完美的過 壓驅動，本發明采用了 LVPECL到LVTTL的高速電平轉換電路，將O. 8V的邏輯擺幅擴大到 LVTTL輸出電平的約2. OV邏輯擺幅，以保證能夠對第一級寬帶晶體管電路的準確高速過壓 驅動。這樣第一級晶體管電路實現了幅度達到5V，信號上升時間約lOOps，脈沖寬度l-2ns 的窄快脈沖輸出，再將這種幅度達5V的窄快脈沖用來對第二級寬帶晶體管作過壓驅動，從 而得到滿足需求的正負脈沖輸出。
正極性脈沖產生電路主要由一個電平轉換芯片即高速電平轉換電路和兩個串聯 寬帶晶體管來實現，最終獲得幅度約15V，信號上升時間小于200ps，脈沖寬度約1.1ns的正 脈沖。正極性脈沖產生電路的第一級晶體管采用的是高帶寬(GHz以上)NPN晶體管，第二級 電路采用是PNP晶體管。本發明的一個優選實施例中第一、二級晶體管型號分別為BFP450 和BFG31，其模擬帶寬均達到數GHz。
負極性脈沖產生電路跟正極性脈沖產生電路結構一樣，經過兩級過壓驅動的寬帶 晶體管電路，最終獲得了幅度約-15V，信號上升時間小于200ps，脈沖寬度約為1. 3ns的負 脈沖。負極性脈沖產生電路的第一、二級晶體管電路采用的都是NPN晶體管，本發明的一個 優選實施例中選用型號分別為BFP450和BFQ19S的NPN晶體管實現第一、二級晶體管電路， 模擬帶寬都在1. 5GHz以上。
實施例一、一種多通道大幅度超高速同步脈沖發生器
本發明的一個實施例中首先采用高精度時鐘扇出電路將輸入觸發信號整形 為LVPECL標準電平后作扇出，從而由一路觸發信號得到多路的高精度觸發信號，以此來 給后面的同步脈沖產生電路作觸發。該實施例中所述高精度時鐘扇出電路采用型號為 NB100LVEP221的扇出芯片。如果需要的大幅度超高速同步脈沖的通道數超過一片多路時鐘 扇出芯片能夠實現的通道總數，就需要采用多片這種多路時鐘扇出芯片，將其中一個多路 時鐘扇出芯片的任一輸出連接到另一個多路時鐘扇出芯片的觸發輸入引腳，通過這樣的級 聯方式就能夠得到滿足需求的通道數量。而在具體應用時，考慮到最終得到的脈沖可能是 由不同的扇出芯片進行驅動的，在使用時，也應該考慮將同一片多路時鐘扇出芯片驅動得 到的一組同步脈沖用于對相同或者類似的測量儀器進行測量觸發。
本發明的一個實施例將扇出后的所述高精度觸發信號作為高速同步脈沖產生電 路的輸入，最后得到在脈沖前沿、脈沖寬度以及通道數等都能夠滿足要求的正負大幅度同 步脈沖。
該實施例的結構如圖3所示，實例中的高精度差分時鐘扇出電路框圖如圖4所示， 必要時可以將扇出芯片級聯，從而得到滿足需要的通道數量。
本實例中，可以根據所需要同步脈沖的極性，選擇合適的脈沖產生電路，同步脈沖 產生電路框圖如圖2所示。
實施例二、單通道大幅度超高速同步脈沖發生器
多通道系統各個通道間的串擾是無法完全避免的，因此，在某些需要更高測量觸 發精度的場合，可以將輸入信號經所述輸入信號整形電路輸出后直接用來對正極性脈沖產 生電路或者負極性脈沖產生電路做觸發，實現單個通道的同步脈沖輸出。這就是單通道大 幅度超高速同步脈沖發生器，第一、二級晶體管的類型則根據所需要的脈沖極性來選擇。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
1.一種大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括輸入信號整形電路，其用于將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準電平信號;同步脈沖產生電路，其以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，用于產生大幅度超高速同步脈沖。
2.如權利要求1所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，所述同步脈沖產生電路包括高速電平轉換電路，用于將輸入的所述LVPECL標準電平信號轉換為LVTTL電平信號， 所述LVTTL電平信號用于過壓驅動寬帶晶體管電路；寬帶晶體管電路，以所述LVTTL電平信號作為驅動信號，用于產生大幅度超高速同步脈沖信號。
3.如權利要求2所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，所述寬帶晶體管電路為兩級串聯寬帶晶體管電路；其中第一級寬帶晶體管電路以所述LVTTL電平信號作為驅動信號，其輸出信號用來對第二級寬帶晶體管電路做過壓驅動；所述第二級寬帶晶體管電路的輸出信號作為大幅度超高速同步脈沖信號。
4.如權利要求1所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，該裝置為多通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括多個所述同步脈沖產生電路；其中，所述多個同步脈沖產生電路中的每一個為正極性脈沖產生電路和負極性脈沖產生電路之一。
5.如權利要求4該裝置所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，該裝置還包括高精度時鐘扇出電路，其用于對所述LVPECL標準電平信號作扇出以輸出多路高精度觸發信號；所述多路高精度觸發信號作為所述多個同步脈沖產生電路的觸發信號同時輸入到所述多個同步脈沖產生電路。
6.如權利要求5所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，所述高精度時鐘扇出電路包括至少一片多路時鐘扇出芯片。
7.如權利要求5所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，所述高精度時鐘扇出電路包括多片多路時鐘扇出芯片，所述多片多路時鐘扇出芯片以其中一片所述多路時鐘扇出芯片的一個輸出連接到另一片所述多路時鐘扇出芯片的觸發輸入引腳的方式進行級聯，以滿足所述多通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置的通道數量要求。
8.如權利要求3所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，所述LVTTL電平信號的高低電平邏輯擺幅大于LVPECL標準電平信號的高低電平邏輯擺幅。
9.如權利要求1所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，該裝置為單通道大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括一個同步脈沖產生電路。
10.如權利要求2所述的大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其特征在于，加在所述寬帶晶體管電路發射結兩端的瞬時輸入電壓遠大于發射結導通壓降。
11.一種大幅度超高速同步脈沖產生方法，其包括輸入信號整形電路將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準電平信號；同步脈沖產生電路以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，產生大幅度超高速同步脈沖信號。
全文摘要
本發明公開了一種大幅度超高速同步脈沖產生裝置，其包括輸入信號整形電路，其用于將輸入的觸發脈沖信號進行整形以輸出LVPECL標準電平信號；同步脈沖產生電路，其以LVPECL標準電平信號作為觸發信號，用于產生大幅度超高速同步脈沖。本發明涉及的方案不需要使用工作電壓非常高的晶體管，因此對直流電壓源的電壓要求不是很高。其主要功能由多級寬帶晶體管電路來實現，能夠給出脈沖前沿小于200ps，幅度接近15V左右的正脈沖及負脈沖。同時，輸出的同步脈沖相對于輸入的延遲時間的抖動很小，不到20ps。
文檔編號H03K5/01GK103066960SQ201310017729
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者李鋒, 陳煉, 梁福田, 金革 申請人:中國科學技術大學