大幅度超高速同步脉冲产生装置及方法

专利名称：大幅度超高速同步脉冲产生装置及方法
技术领域：
本发明涉及高速脉冲发生器技术领域，特别涉及一种信号前沿和脉冲宽度都在亚 纳秒级的大幅度超高速同步脉冲的产生装置和方法。
背景技术：
随着高科技的发展，测量领域所使用的高精度测量设备对大幅度触发脉冲源的要 求越来越高，不仅要求其能给出满足一定信号特征(包括上升下降时间、脉冲宽度、幅度 等)的脉冲，而且随着越来越多高精度测量设备的使用，对信号的前沿时间和触发信号延 迟时间的要求也越来越高，许多高带宽示波器、光谱仪等测量设备已经要求提供前沿小于 200ps的大幅度(接近±15V)脉冲信号作为触发源以保证其测量的精度，而且触发信号输 出相对于输入的延迟时间要求很小，延迟时间的晃动也很小，在几十PS以内。因此，无论是 为了给高精度测量仪器提供高质量的触发脉冲，还是为了发展电子学技术本身，都需要对 这种大幅度超高速同步脉冲的产生方法和技术进行研究。
目如,大幅度超闻速同步脉冲的广生方法都是基于两种技术闻速开关晶体管电 路和雪崩管电路。高速开关晶体管电路会在输入触发信号的条件下，使晶体管瞬间导通或 者截止，从而输出一个已经事先在某个输入端准备好的电压值，这种技术能够给出很高的 电压，但由于晶体管带宽的限制，这种电路只能产生前沿为数纳秒的大幅度信号，而且一般 脉冲宽度比较宽，因此无法实现对高精度测量设备的精密触发。
雪崩管电路可以产生脉冲前沿为纳秒级、幅度从几伏到高达数百伏、脉宽数纳秒 的大幅度脉冲，但这种方案有两个缺点一、需要高达几十甚至几百伏的直流电压源给电 路供电，使雪崩管一直处于雪崩预触发的状态，这样才能在一个较小的触发脉冲输入的情 况下产生雪崩，从而输出一个高速脉冲，也就是说，这种实现方案对直流电压源有比较高的 要求；二、雪崩管电路产生的高速脉冲前沿仍然是纳秒级，与高精度测量设备需要的小于 200ps上升前沿的要求仍有较大差距。
而且，由于以前这种大幅度、前沿时间极短的超高速同步脉冲的应用范围较小，其 产生方法的研究也很少。发明内容
本发明目的是给出大幅度超高速同步脉冲的产生方案，以及具体的电路实现方 法。本发明涉及的技术不需要使用工作电压非常高的晶体管，因此对直流电压源的电压要 求不是很高。其主要功能由多级宽带晶体管电路来实现，能够给出脉冲前沿小于200ps，幅 度接近15V左右的正脉冲及负脉冲。同时，输出的同步脉冲相对于输入的延迟时间的抖动 很小，不到20ps。
本发明提出了一种大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括
输入信号整形电路，其用于将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准 电平信号；
同步脉冲产生电路，其以LVPECL标准电平信号作为触发信号，用于产生大幅度超 高速同步脉冲。
其中，所述同步脉冲产生电路包括
高速电平转换电路，用于将输入的所述LVPECL标准电平信号转换为LVTTL电平信 号，所述LVTTL电平信号用于过压驱动宽带晶体管电路；
宽带晶体管电路，以所述LVTTL电平信号作为驱动信号，用于产生大幅度超高速 同步脉冲信号。
其中，所述宽带晶体管电路为两级串联宽带晶体管电路；其中第一级宽带晶体管 电路以所述LVTTL电平信号作为驱动信号，其输出信号用来对第二级宽带晶体管电路做过 压驱动，其输出信号作为大幅度超高速同步脉冲信号。
其中，该装置为多通道大幅度超高速同步脉冲产生装置，其还包括高精度时钟扇 出电路，其用于对所述LVPECL标准电平信号作扇出，所述多路高精度触发信号作为多个所 述同步脉冲电路的触发信号。
其中，所述同步脉冲产生电路包括正极性脉冲产生电路和负极性脉冲产生电路， 所述多路高精度触发信号用于分别触发所述正极性脉冲产生电路和所述负极性脉冲产生 电路。
其中，所述高精度时钟扇出电路包括至少一片高精度时钟扇出芯片。
其中，所述高精度时钟扇出电路包括多片高精度时钟扇出芯片时，以其中一个所 述高精度时钟扇出芯片的输出连接到另一个所述高精度时钟扇出芯片的触发输入引脚的 方式进行级联，以满足所述多通道大幅度超高速同步脉冲产生装置的通道数量要求。
其中，所述LVTTL电平信号的高低电平逻辑摆幅大于LVPECL标准电平信号的高低 电平逻辑摆幅。
其中，该装置为单通道大幅度超高速同步脉冲产生装置。
本发明还提出了一种大幅度超高速同步脉冲产生方法，其包括
输入信号整形电路将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准电平信 号;
同步脉冲产生电路以LVPECL标准电平信号作为触发信号，产生大幅度超高速同 步脉冲信号。
本发明提出的大幅度同步脉冲产生装置及方法具有如下有益效果
1、使用的实现方案结构简洁，对工艺要求比较低，容易复制和批量生产；
2、不需要使用电压比较高的直流电压源；
3、采用两级宽带晶体管串联的方式实现大幅度脉冲的产生，两级晶体管电路都采 用了过压驱动技术；
4、产生的脉冲前沿小于200ps，幅度达到大约± 15V，而且输出脉冲抖动小于 20ps,能够满足现有的高精度测量仪器对触发脉冲准确度的要求；
5、正极性脉冲和负极性脉冲使用不同的电路来实现，从而降低了采用极性可调电 路后可能导致的系统不稳定性，减少了高速模拟电路的干扰源，也保证了产生脉冲的性能 和信号质量；
6、本发明所用的输入整形电路可以产生LVPECL电平标准的信号，容易进行高可靠度的扇出，再用扇出后的信号来驱动脉冲产生电路，因此可以根据具体需求，在进行实际电路设计时，灵活调整正负极性脉冲产生电路的数量。
7、经测试表明，采用本发明设计的超高速同步脉冲的重复频率能够达到IOMHz以上，能够满足绝大多数场合对触发脉冲频率的要求。


图1是本发明中大幅度同步脉冲产生装置的结构示意图2是本发明中的同步脉冲产生电路的结构示意图3是本发明中多通道大幅度同步脉冲产生装置的结构示意图4是本发明多通道大幅度同步脉冲产生装置中的高精度时钟扇出电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
(一 )本发明的整体技术方案
如图1所示，本发明提出了一种大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括输入信号整形电路，其用于将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准电平信号；同步脉冲产生电路，其以LVPECL标准电平信号作为触发信号，用于产生大幅度超高速同步脉冲。
本发明提出的上述方案首先使用一个输入信号整形电路，将输入的触发脉冲整形成为一个LVPECL标准电平信号，用来给后面的同步脉冲产生电路作触发，如图1所示。由于LVPECL电平具有较低的电压摆幅和较高的转换速率，而且LVPECL电平容易实现多通道扇出，极大地方便了超高速同步脉冲的多通道扩展应用，因此本发明的一个优选实施方式选择了 LVPECL作为同步脉冲产生电路的触发电平标准。所述输入信号整形电路可由一个高精度的超快电压比较器来实现。
由于不同的测量设备对输入触发脉冲极性有不同的要求，因此一般来讲需要有正负极性可调的脉冲输出，但是考虑到大幅度超高速同步脉冲产生电路技术的复杂性，在添加极性可调功能后将可能导致同步脉冲输出的不稳定性的增加，因此本发明的一个优选实施例中放弃了极性可调的电路设计，而选择了分别设计正极性脉冲产生电路和负极性脉冲产生电路的方案。这样脉冲产生电路将分为两种，分别产生正极性脉冲和负极性脉冲，这样在具体应用时可以根据实际情况选择适当的电路，再进行超高速同步脉冲发生器的设计。
( 二)本发明中采用的过压驱动技术
输出的超高速同步脉冲需要通过传输电缆连接到需要其触发的测量设备上，而传输电缆的传输阻抗一般是50 Ω (欧姆)，也就是说，要想达到15V的电压输出，需要给 出的输出电流需要达到15V/50Q = 300mA。
晶体管作为一种电流放大器件，输出电流大，必然要求输入电流大，而常规的晶体管电路中，输入驱动电压只是刚刚达到晶体管的发射结导通压降，输入电流较小，因此不可能获得足够大的输出电流。为了获得满足输出驱动条件的电流，本发明提出了将过压驱动技术应用在晶体管输入级的实现方法，即加在晶体管发射结两端的瞬时输入电压远远超过发射结导通压降，这样在扣除发射结导通压降后的电压仍较大，可以在输入回路中形成一 个很大的瞬时电流，这个电流也就是晶体管的输入电流，这种过压驱动技术可以在输入回 路中产生大的电流，从而得到大的输出电流。
这种过压驱动技术能够产生很大的输出电流，其电流值可达300mA，远远超过了超 过目前模拟带宽IGHz以上的晶体管在产品手册中给出的集电极输出电流的最大值。在一 般情况下，超过这个最大值则很容易造成晶体管过热以致发生不可逆的热击穿而烧毁。而 本发明中米用的技术虽然会产生很大的输出电压和输出电流，但是由于脉冲宽度很小，一 般在1.0ns左右，因此尽管瞬时功耗很大，但是持续时间很短，其总体的发热量不高，不会 造成晶体管的过热；而且产生的大幅度脉冲的重复频率较低，相当于大幅度脉冲产生的热 量能够在一个比较长的周期内被平均，一个周期内的平均功耗实际上仍然远远小于晶体管 的最大允许耗散功率，不会造成晶体管的损毁。经过测试，本发明采用的技术产生的大幅度 同步脉冲的重复频率可以达到10MHz。
(三)晶体管级联
经过测试，一级晶体管电路在采用过压驱动技术的情况下，仍然无法达到300mA 的输出电流，其输出的同步脉冲幅度稍小，无法达到15V，因此在本发明的一个优选实施例 中，无论是正脉冲产生电路还有负脉冲产生电路，都使用了两级晶体管串联的电路结构，用 第一级电路的输出信号来对第二级晶体管的输入回路做过压驱动，这样才能保证输出电压 幅度达到15V的要求。
同步脉冲产生电路包含LVPECL — LVTTL电平转换的高速电平转换电路和串联的 两级宽带晶体管电路。本发明的优选实施例中所述高速电平转换电路采用SY100EPT23L芯 片来实现。所述高速电平转换电路所产生的LVTTL信号用来驱动第一级宽带晶体管电路， 第一级宽带晶体管电路的输出信号来对第二级宽带晶体管电路的输入回路做过压驱动。由 于工作在过压驱动模式下的晶体管需要较高的输入电压摆幅来驱动，而LVPECL的高低电 平逻辑摆幅较小，只有约O. 8V，刚刚达到晶体管发射结导通压降，为了能够实现完美的过 压驱动，本发明采用了 LVPECL到LVTTL的高速电平转换电路，将O. 8V的逻辑摆幅扩大到 LVTTL输出电平的约2. OV逻辑摆幅，以保证能够对第一级宽带晶体管电路的准确高速过压 驱动。这样第一级晶体管电路实现了幅度达到5V，信号上升时间约lOOps，脉冲宽度l-2ns 的窄快脉冲输出，再将这种幅度达5V的窄快脉冲用来对第二级宽带晶体管作过压驱动，从 而得到满足需求的正负脉冲输出。
正极性脉冲产生电路主要由一个电平转换芯片即高速电平转换电路和两个串联 宽带晶体管来实现，最终获得幅度约15V，信号上升时间小于200ps，脉冲宽度约1.1ns的正 脉冲。正极性脉冲产生电路的第一级晶体管采用的是高带宽(GHz以上)NPN晶体管，第二级 电路采用是PNP晶体管。本发明的一个优选实施例中第一、二级晶体管型号分别为BFP450 和BFG31，其模拟带宽均达到数GHz。
负极性脉冲产生电路跟正极性脉冲产生电路结构一样，经过两级过压驱动的宽带 晶体管电路，最终获得了幅度约-15V，信号上升时间小于200ps，脉冲宽度约为1. 3ns的负 脉冲。负极性脉冲产生电路的第一、二级晶体管电路采用的都是NPN晶体管，本发明的一个 优选实施例中选用型号分别为BFP450和BFQ19S的NPN晶体管实现第一、二级晶体管电路， 模拟带宽都在1. 5GHz以上。
实施例一、一种多通道大幅度超高速同步脉冲发生器
本发明的一个实施例中首先采用高精度时钟扇出电路将输入触发信号整形 为LVPECL标准电平后作扇出，从而由一路触发信号得到多路的高精度触发信号，以此来 给后面的同步脉冲产生电路作触发。该实施例中所述高精度时钟扇出电路采用型号为 NB100LVEP221的扇出芯片。如果需要的大幅度超高速同步脉冲的通道数超过一片多路时钟 扇出芯片能够实现的通道总数，就需要采用多片这种多路时钟扇出芯片，将其中一个多路 时钟扇出芯片的任一输出连接到另一个多路时钟扇出芯片的触发输入引脚，通过这样的级 联方式就能够得到满足需求的通道数量。而在具体应用时，考虑到最终得到的脉冲可能是 由不同的扇出芯片进行驱动的，在使用时，也应该考虑将同一片多路时钟扇出芯片驱动得 到的一组同步脉冲用于对相同或者类似的测量仪器进行测量触发。
本发明的一个实施例将扇出后的所述高精度触发信号作为高速同步脉冲产生电 路的输入，最后得到在脉冲前沿、脉冲宽度以及通道数等都能够满足要求的正负大幅度同 步脉冲。
该实施例的结构如图3所示，实例中的高精度差分时钟扇出电路框图如图4所示， 必要时可以将扇出芯片级联，从而得到满足需要的通道数量。
本实例中，可以根据所需要同步脉冲的极性，选择合适的脉冲产生电路，同步脉冲 产生电路框图如图2所示。
实施例二、单通道大幅度超高速同步脉冲发生器
多通道系统各个通道间的串扰是无法完全避免的，因此，在某些需要更高测量触 发精度的场合，可以将输入信号经所述输入信号整形电路输出后直接用来对正极性脉冲产 生电路或者负极性脉冲产生电路做触发，实现单个通道的同步脉冲输出。这就是单通道大 幅度超高速同步脉冲发生器，第一、二级晶体管的类型则根据所需要的脉冲极性来选择。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括输入信号整形电路，其用于将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准电平信号;同步脉冲产生电路，其以LVPECL标准电平信号作为触发信号，用于产生大幅度超高速同步脉冲。
2.如权利要求1所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，所述同步脉冲产生电路包括高速电平转换电路，用于将输入的所述LVPECL标准电平信号转换为LVTTL电平信号， 所述LVTTL电平信号用于过压驱动宽带晶体管电路；宽带晶体管电路，以所述LVTTL电平信号作为驱动信号，用于产生大幅度超高速同步脉冲信号。
3.如权利要求2所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，所述宽带晶体管电路为两级串联宽带晶体管电路；其中第一级宽带晶体管电路以所述LVTTL电平信号作为驱动信号，其输出信号用来对第二级宽带晶体管电路做过压驱动；所述第二级宽带晶体管电路的输出信号作为大幅度超高速同步脉冲信号。
4.如权利要求1所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，该装置为多通道大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括多个所述同步脉冲产生电路；其中，所述多个同步脉冲产生电路中的每一个为正极性脉冲产生电路和负极性脉冲产生电路之一。
5.如权利要求4该装置所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，该装置还包括高精度时钟扇出电路，其用于对所述LVPECL标准电平信号作扇出以输出多路高精度触发信号；所述多路高精度触发信号作为所述多个同步脉冲产生电路的触发信号同时输入到所述多个同步脉冲产生电路。
6.如权利要求5所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，所述高精度时钟扇出电路包括至少一片多路时钟扇出芯片。
7.如权利要求5所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，所述高精度时钟扇出电路包括多片多路时钟扇出芯片，所述多片多路时钟扇出芯片以其中一片所述多路时钟扇出芯片的一个输出连接到另一片所述多路时钟扇出芯片的触发输入引脚的方式进行级联，以满足所述多通道大幅度超高速同步脉冲产生装置的通道数量要求。
8.如权利要求3所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，所述LVTTL电平信号的高低电平逻辑摆幅大于LVPECL标准电平信号的高低电平逻辑摆幅。
9.如权利要求1所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，该装置为单通道大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括一个同步脉冲产生电路。
10.如权利要求2所述的大幅度超高速同步脉冲产生装置，其特征在于，加在所述宽带晶体管电路发射结两端的瞬时输入电压远大于发射结导通压降。
11.一种大幅度超高速同步脉冲产生方法，其包括输入信号整形电路将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准电平信号；同步脉冲产生电路以LVPECL标准电平信号作为触发信号，产生大幅度超高速同步脉冲信号。
全文摘要
本发明公开了一种大幅度超高速同步脉冲产生装置，其包括输入信号整形电路，其用于将输入的触发脉冲信号进行整形以输出LVPECL标准电平信号；同步脉冲产生电路，其以LVPECL标准电平信号作为触发信号，用于产生大幅度超高速同步脉冲。本发明涉及的方案不需要使用工作电压非常高的晶体管，因此对直流电压源的电压要求不是很高。其主要功能由多级宽带晶体管电路来实现，能够给出脉冲前沿小于200ps，幅度接近15V左右的正脉冲及负脉冲。同时，输出的同步脉冲相对于输入的延迟时间的抖动很小，不到20ps。
文档编号H03K5/01GK103066960SQ201310017729
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者李锋, 陈炼, 梁福田, 金革 申请人:中国科学技术大学