Генераторы импульсов компании Picosecond Pulse Lab
Генераторы испытательных импульсов предназначены для определения параметров переходных характеристик осциллографов, а именно времени нарастания, выброса и неравномерности вершины, и используются в качестве рабочих эталонов при их поверке и калибровке. Необходимость определения параметров следует из теоретической модели осциллографа, в которой входной и выходной сигналы, отображаемые на экране, связаны через импульсную характеристику системы и интеграл свертки во временной области. Импульсная характеристика системы представляет собой реакцию системы на воздействие единичного импульса, а ее интегральным представлением является переходная характеристика или реакция системы на воздействие импульса типа «идеальная ступенька». Собственно генераторы испытательных импульсов и воспроизводят сигналы, которые в каждой конкретной измерительной задаче могут быть приняты за «идеальную ступеньку».
В СССР в разное время было разработано множество генераторов испытательных импульсов серий И1-11, И1-12, И1-14, И1-15, И1-17, И1-18, предназначенных для поверки осциллографов с различной полосой пропускания вплоть до 6 ГГц. При этом для каждого номинала полосы пропускания осциллографа разрабатывался генератор, выходной сигнал которого можно было считать «идеальной ступенькой». Мелкими сериями выпускались специализированные генераторы с временем нарастания не более 20 пс, что соответствует полосе частот осциллографа 20 ГГц. Однако, препятствием для дальнейшего развития средств измерений импульсного напряжения в стране явилось отсутствие на тот момент соответствующей элементной базы и метрологического обеспечения. В настоящее время вопрос метрологического обеспечения является доминирующим. Это связано с тем, что проблема напоминает известную шутку «о курице и яйце» — что же было раньше? Разработчики генераторов импульсов готовы сделать формирователь сигнала, но его параметры необходимо определить на более широкополосном осциллографе, который должен быть априори более точным. Разработчикам же осциллографов необходимы более точные генераторы импульсов, так как оценки характеристик осциллографов, которые теоретически могли бы быть определены в частотной области без привлечения генераторов импульсов, на практике не могут быть получены. При этом должны быть измерены не только амплитудно-частотные характеристики системы (довольно легко реализуется на практике), но и фазочастотные характеристики (в обычном виде не реализуемо).
Решением данного парадокса стало создание специальных электронно-оптических систем, совмещающих в себе генератор импульсов и осциллограф, и использующих в своей работе источники лазерного излучения с длительностью импульса от 0,5 пс и фотоэлектронные преобразователи, что теоретически может обеспечить полосу 500 ГГц. Пока такие метрологические системы реализованы только в США и Великобритании. При этом одна из них разработана и применяется в компании Picosecond Pulse Lab (США). Наличие такой метрологической системы в совокупности с современными собственными полупроводниковыми технологиями, 25-летним опытом по производству метрологических приборов во временной области и тесным сотрудничеством с Национальным Метрологическим Институтом США (NIST) позволяет компании являться ведущей в мире по производству серийных широкополосных осциллографических смесителей и генераторов импульсов.
В настоящее время среди широкой номенклатуры изделий компании Picosecond Pulse Lab представлена линейка генераторов испытательных импульсов 4000-й серии в составе пяти моделей. Генераторы обеспечивают амплитуды испытательных импульсов от 5 до 35 В, время нарастания импульсов от 5 пс, выброс на вершине импульса от 2% и неравномерность вершины импульса от 0,1%.
Среди этой линейки непосредственной заменой самого «быстрого» серийного отечественного генератора И1-12 является модель 4050.
В качестве формирователя импульсов оба генератора используют полупроводниковые элементы с вольтамперной характеристикой, имеющей участок отрицательного дифференциального сопротивления. Но если в И1-12 для этого применялся туннельный диод, то в генераторе 4050 используется лавинный транзистор, что позволяет получить на порядок большую амплитуду выходного импульса (10 В против 0,5 В у И1-12) при одинаковом времени нарастания 50 пс. Естественно, такая амплитуда испытательного импульса открывает более широкие возможности по применению генератора как в метрологических целях (проверка параметров переходной характеристики широкополосных осциллографов на всех коэффициентах отклонения), так и в производстве (например, для накачки лазеров или для антенных измерений). Параметры выброса и неравномерности модели 4050 также примерно в два раза лучше, чем у И1-12. Для измерения и регистрации параметров фронта и выброса был использован осциллограф LeCroy SDA6000A (полоса пропускания 6 ГГц, частота дискретизации 20 ГГц). Импульс, поданный с генератора Picosecond 4050, показан желтым цветом, с И1-12 — синим (рис. 1).
Рис. 1. Сравнение формы импульса
Кроме того, с каждым генератором поставляется подробный калибровочный отчет с указанием действительных значений его параметров, что при необходимости позволяет использовать отчеты в алгоритмах обратной свертки для вычисления импульсных характеристик осциллографов.
Конструктивно генератор 4050 (рис. 2) выполнен в корпусе под девятнадцатидюймовую стойку, все органы управления вынесены на переднюю панель и по функциональному назначению ничем не отличаются от органов управления старых отечественных генераторов испытательных импульсов.
Рис. 2. Генератор 4050В
Единственным отличием является отсутствие регулировки длительности импульса, вызванное применением в формирователе лавинного транзистора. Для формирования прямоугольного импульса в такой схеме генератора необходимо применение конденсатора разряда, в качестве которого в модели 4050 применяется отрезок коаксиального кабеля, длина которого и задает длительность выходного импульса.
Кроме самих генераторов компания Picosecond Pulse Lab предлагает широкий ассортимент дополнительных опций к ним, которые могут существенно расширить характеристики прибора без потери в точности, поскольку все опции также подвергаются калибровке по параметрам, важным во временной области. К таким опциям относятся: аттенюаторы, расширяющие динамический диапазон; фильтры ВЧ, служащие для увеличения времени нарастания выходного сигнала, но уменьшающие выброс (рис. 3); нелинейные компрессоры, служащие для уменьшения времени нарастания выходного сигнала; устройства развязки, позволяющие накладывать на выходной сигнал постоянное смещение и т. п.
Рис. 3. Использование фильтра времени нарастания
Генераторы испытательных импульсов 4000-й серии компании Picosecond Pulse Lab могут быть рекомендованы в качестве рабочих эталонов для поверки и калибровки широкополосных осциллографов.
