МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ СШП ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Часть I Особенности формирования видеоимпульсов субнаносекундной длительности Составители: Бобрешов А.М., Китаев Ю.И., Степкин В.А., Усков Г.К. <...> В учебном пособии рассмотрены основные особенности, структура и классификация формирователей импульсных сигналов субнаносекундной длительности, основные области применения. <...> Генераторы сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии. <...> Процессы, ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых СКИ. <...> Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов. <...> Оценка эффектов накопления и рассасывания зарядов в полупроводниковой структуре ДНЗ. <...> Измерение основных параметров диодов с накоплением заряда. <...> . 25 3 Введение Первые работы по применению сверхширокополосных сигналов (СШПС), или сигналов без несущей, были опубликованы в 60е годы XX века. <...> Но интерес к системам на основе СШПС начал интенсивно расти только в 80х годах, что было связано с прорывом в полупроводниковых технологиях. <...> Альтернативой расширению полосы частот может быть только увеличение времени передачи информации, что является определяющим фактором в пользу СШП систем. <...> Что и определяет быстрое развитие в последние годы технологий, использующих СШП сигналы. <...> По одному из наиболее распространенных определений, к сверхширокополосным относятся системы и сигналы, у которых отношение полосы частот к средней частоте спектра составляет 0,2 и более. <...> Существует еще одно определение, по которому сверхширокополосными называют сигналы с относительной шириной полосы частот равной или приближающейся к единице. <...> Итак, к классу сверхширокополосных сигналов относятся <...>
Методы_генерации_СШП_импульсных_сигналов._Часть_1._Особенности_формирования_видеоимпульсов_субнаносекундной_длительности_.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ
СШП ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
Часть I
Особенности формирования видеоимпульсов субнаносекундной
длительности
Составители:
Бобрешов А.М., Китаев Ю.И.,
Степкин В.А., Усков Г.К.
Воронеж 2014
Стр.1
Содержание
Введение ....................................................................................................................... 4
1. Назначение и принципы формирования импульсов с нано- и
пикосекундными фронтами. ....................................................................................... 6
2. Генераторы сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем энергии.
Процессы, ограничивающие амплитуду и частоту повторения генерируемых
СКИ. .............................................................................................................................. 7
3. Процессы, протекающие в полупроводниковой структуре диода с
накоплением заряда при генерации сверхкоротких импульсов. .......................... 12
4. Оценка эффектов накопления и рассасывания зарядов в полупроводниковой
структуре ДНЗ. .......................................................................................................... 21
Лабораторная работа №1. Измерение основных параметров диодов с
накоплением заряда. .................................................................................................. 25
3
Стр.3
1. Назначение и принципы формирования импульсов с нано- и
пикосекундными фронтами.
Области применения высоковольтных импульсов с нано- и
пикосекундными фронтами и (или) такой же длительности в технике и
экспериментальной физике весьма разнообразны [2]: в качестве запусковых для
мощных тиратронов и разрядников; как импульсы накачки полупроводниковых
лазеров; для времяпролетных анализаторов масс и энергий частиц и т.п. В
последнее время они с успехом используются в радио и ультразвуковой
локации, где их преимущества по сравнению с моночастотными
радиоимпульсами проявляется в уменьшении средней излучаемой мощности и
увеличении импульсной мощности, что дает выигрыш в разрешающей
способности и расширении диапазона применения.
В настоящее время сверхкороткие импульсы (СКИ) субнаносекундной
длительности все чаще используются в качестве сигналов для
сверхширокополосных радиосистем. Наиболее важными параметрами
генерируемого СКИ для приложений радиолокации и связи являются
длительность импульсов, их частота повторения и амплитуда, которые
определяются переходными процессами в схеме генератора и особенностями
работы ключевого элемента.
Генераторы импульсов субнаносекундной длительности на твердотельных
элементах можно свести к трем основным типам [2-5]. Генераторы первого
типа обычно строятся на базе полупроводниковых замыкающих приборов с
лавинным пробоем: лавинных транзисторах, диодах с задержкой лавинного
пробоя и т.п. Известные в литературе формирователи такого типа обладают
рядом недостатков, основными из которых являются низкий КПД и малая
частота повторения импульсов. Второй тип содержит накопитель энергии
(индуктивный или емкостной) и полупроводниковый размыкатель тока, в
качестве которого используют различные виды диодов с накоплением заряда
[3-5]. Третьим типом выделяют солитонные формирователи, основанные на
6
Стр.6
обострении импульсов линиями с нелинейными элементами. Их обычно
применяют для уменьшения длительности импульсов генераторов первых двух
типов.
2. Генераторы сверхкоротких импульсов с индуктивным накопителем
энергии. Процессы, ограничивающие амплитуду и частоту повторения
генерируемых СКИ.
Для генерации сверхкоротких импульсов при помощи диодов с
накоплением заряда традиционно используют решения, заимствованные из
умножителей частоты [2]. Пример простейшей схемы приведен на рисунке 1. В
таких схемах генерации через линейную цепь (емкость - индуктивность) на
ДНЗ подается импульс накачки. В момент начала действия этого импульса
начинает заряжаться конденсатор С линейной цепи через диод SRD и катушку
индуктивности L. Протекающий прямой ток создает условия накопления заряда
в полупроводниковой структуре диода. В момент окончания импульса емкость
начинает разряжаться через ту же цепь, что и при заряде, при этом через диод
начинает протекать обратный ток, рассасывающий накопленный заряд.
Одновременно с этим процессом происходит накопление энергии и в
индуктивности. Разряд конденсатора длится меньше его заряда из-за разных
постоянных времени. При достижении максимального обратного тока
происходит восстановление обратного сопротивления диода и формирование
СКИ в нагрузке R за счет накопленной в индуктивности энергии.
На первый взгляд, данный способ формирования удобен по причине
простоты реализации. Однако на практике возникают некоторые трудности. Вопервых,
для формирования СКИ большой амплитуды с длительностями менее
500 пс возникает проблема наличия быстродействующего ключа для генерации
импульсов накачки. Во-вторых, уменьшение длительности СКИ возможно,
7
Стр.7
Рисунок 1 Простейшая схема генерации СКИ с индуктивным накопителем
энергии и ДНЗ в качестве прерывателя тока.
только при уменьшении индуктивности, что, в свою очередь, влечет за
собой увеличение емкости линейной цепи и уменьшение ее
характеристического сопротивления при той же постоянной времени. Низкое
характеристическое сопротивление ставит более жесткие условия,
предъявляемые к ключу которые сводятся к его высокой скорости включения и
выключения (менее 1-10 нс в зависимости от длительности формируемого
СКИ) и его низкому выходному сопротивлению во включенном состоянии.
Рассмотрим модифицированную схему генератора СКИ [2], приведенную
на рисунке 2. Схема содержит управляемый ключ Кл, источник питания Е,
постоянную индуктивность L, насыщающийся трансформатор Тр, конденсатор
С, диод с накоплением заряда - Д и нагрузку RH. Сд - емкость диода. В момент
срабатывания ключа начинается заряд емкости С. Ток заряда проходит через
ДНЗ в прямом направлении. Индуктивность в цепи заряда есть сумма
индуктивности L и индуктивности рассеяния трансформатора - Ls с учетом
вторичной обмотки. Пока ключ замкнут, трансформатор находится в состоянии
насыщения. Обмотки трансформатора выбраны таким образом, чтобы он
замагнился к моменту отключения ключа, то есть. в момент максимального
заряда емкости С. К этому моменту ток в цепи накачки заряда становится
равным нули, либо начинает протекать обратный ток. Это способствует
быстрому выключению ключа. После размыкания ключа происходит разряд
8
Стр.8