PS级八路输出同步机的设计与实现

1. PS级八路输出同步机的设计与实现 第十五届核电子学与核探测技术学术年会 江晓山 中国科学院高能物理研究所 朱科军 中国科学院高能物理研究所 赵京伟 中国科学院高能物理研究所 陈育新 天津市森特尔新技术有限公司 李国忠 天津市森特尔新技术有限公司 熊恒 天津市森特尔新技术有限公司

2. 信号产生器简介 • 目前而言，信号产生器特指产生某种信号的设备，大多数情况下是指电信号产生，当然也有光信号、声信号等其他信号产生器。 • 单指电信号产生器而言，分为以下几类： • 正弦信号产生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。 • 函数（波形）信号产生器。主要用于产生某些特定的周期性非周期性时间函数波形。 • 脉冲信号产生器。用于产生矩形脉冲信号，用于测试线性系统的瞬态响应，或用做数字信号源。 • 随即信号产生器。分为噪声信号产生器和伪随机信号产生器，可以进行设备的噪声测试，确定系统动态范围，等等。

3. 超宽带通信技术 • 超宽带通信技术是通过发送和接收极窄脉冲来传输数据，需要有很高的传输带宽。例如本设计中上升沿小于150ps，则相应的带宽要求在4GHz左右。 • 常用于超宽带通信中产生窄脉冲信号的方法有使用雪崩三极管，阶跃恢复二极管，隧道二极管和雪崩二级管等。

4. 雪崩三极管 • 在晶体三极管集电极与发射极之间加有较高电压时，集电结空间电荷区中的电场随之加强，在强电场的作用下形成电子空穴对；新产生的电子和空穴与原有的电子、空穴一样向相反的方向运动，重新获得足够的能量后，又可通过碰撞再次产生电子空穴对。此过程不断重复，流过集电结的电流便迅速增长，形成晶体管的雪崩效应。一般将雪崩效应比较强的晶体管成为雪崩三极管。 • 采用雪崩三极管的脉冲产生器，脉宽可做到1~2ns ，幅度可达百伏以上。

5. 阶跃恢复二极管 • 阶跃恢复二极管是一种充分利用少子储存效应的器件。作为一种PN结二极管，普通整流管要求正向时管子导通,反向截至，因此少子储存效应对整流器件显然是不利的。而对阶跃二极管，当加上正向电压时，大量少数载流子注入I层并储存起来，反向时由于少子基本上被反向电场提取完毕，器件在极短的阶跃时间内关断，关断瞬间产生了电流跳变，形成一个很窄的脉冲。

6. CML电平 • CML电平是所有高速数据接口中最简单的一种，其输入和输出是匹配好的，可以最大化减少外围芯片，因此常被用在6GHz左右甚至更高的传输中。在本设计中，CML电平作为主要信号传输电平协议。

7. 同步式窄脉冲信号产生器的特点 • 这里介绍的“PS量级八路输出同步机”是脉冲信号产生器中的一种。 • 其特点包括 • 输出信号同步于输入信号； • 需要同步扇出到八个通道； • 输出信号的上升沿快于输入信号，小于150ps； • 输出信号幅度2~5V； • 触发晃动小于15ps。

8. PS级八路输出同步机总体结构 送到窄脉冲产生部分

9. 信号输入 • 信号输入采用带有回滞的高速比较器，通过阈值的调节使适应不同的输入信号。可以处理的最窄脉冲为35ps，输入信号幅度从0.1V至3.2V。 • 正信号输入端和负信号输入端均采用交流耦合，在输入插座处进行阻抗匹配。

10. 信号扇出 • 信号扇出部分在设计之初有两种选择，第一种是先产生高电压的窄脉冲，再进行1:8的扇出，这样对电路设计要求极高，并且会用到高电压的电压源。 • 本方案设计采取低压信号扇出的方法，经过输入甄别后到扇出到各窄脉冲产生级均采用CML和LVPECL信号传输，这样的设计可以极大降低信号抖动，降低设计难度

11. 脉冲信号产生 • 脉冲产生部分各个通道独立，信号经过去不一致性处理，放大之后，由SRD电路产生窄脉冲，并输出驱动50欧姆电缆。

12. SRD电路 • 产生窄信号的SRD电路原理上很简单，但是在布板时需要严格控制传输线阻抗和注意分布电容电感的影响。 • 另外，器件的选择也是影响最终性能的关键因素。

13. 初步得到的输出波形

14. 电路版图

15. 小结 • PS级八路输出同步机采用了低电压逻辑信号传输及处理，采用低电压电平扇出，保证了各个通道的信号完整性和一致性。采用SRD作为窄脉冲产生器。本设计扩展性很强，在以后的改进中，可以采用其他方法得到更窄的“窄脉冲”或更高幅度的”窄脉冲“以适应更加苛刻的应用。