ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ РАЗВЕРТКИ
SCANNING VOLTAGE GENERATOR

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в радиоэлектронных устройствах измерительной техники и автоматики, в частности в электронно-оптических камерах (фотохронографах), для регистрации быстропротекающих процессов с пикосекундным временным разрешением и для получения противофазных высоковольтных импульсов с симметричными фронтами регулируемой крутизны.
Основной задачей, стоящей в данной области техники, на решение которой направлено изобретение, является создание зеркально-симметричных противофазных импульсов, линейных на рабочем участке.
Известны аналогичные устройства, направленные на решение данной задачи.
Например, известна схема развертки для электронно-оптической камеры пикосекундного разрешения (V.N. Rai, М. Shukla, Н.С. Pant, D.D. Bhawalkar. «Development of picosecond time resolution optical and X-ray streak cameras», Sandhana, Vol.20, Part 6, 1995, pp. 937-954). На фиг. 2 статьи представлен генератор напряжения развертки, включающий в себя внешний источник питания, блок запуска и генерирующий каскад. Генерирующий каскад выполнен в виде цепочки, содержащей четное число биполярных транзисторов, работающих в лавинном режиме, транзисторы согласованы резистором, соединяющим базу и эмиттер. При этом цепочка транзисторов одним концом подключена к общей шине, другим - к высокому источнику напряжения, а к обоим концам цепочки подключены коаксиальные кабеля длиной 1,5 м, которые являются выводами-формирователями генератора. Блок запуска выполнен на основе трансформатора, подключенного к согласующему резистору центрального транзистора.
Недостатком генератора напряжения развертки является трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью отбора лавинных транзисторов и дальнейшей настройкой устройства. Кроме этого, другими его недостатками являются увеличенные габариты устройства за счет большого количества транзисторов стандартных габаритов, требования внешнего источника питания и присутствие 3-метрового коаксиального кабеля.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является мостовая схема развертки на лавинных транзисторах для электронно-оптической камеры пикосекундного разрешения (Гилев А.К., Демчук М.И., Дмитриев С.М. и др. Приборы и техника эксперимента, №6, 1985, с. 98-99), которая включает в себя внешний источник питания, двухканальный блок запуска (ДБЗ), генерирующий и выходной каскады. ДБЗ выполнен на основе лавинного транзистора и высоковольтного импульсного трансформатора. Генерирующий каскад (ГК) выполнен в виде двух плеч, каждое из которых представляет собой цепочку на основе биполярных транзисторов, работающих в лавинном режиме. В каждом плече ГК размещены 3 ряда по 5 транзисторов в каждом. Выходной каскад (ВК) выполнен на двух резисторах, смещающих начальное положение импульса.
Недостатком генератора напряжения развертки является трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью отбора лавинных транзисторов в каждом из плеч генерирующего каскада и дальнейшей настройки устройства. Кроме этого, другими недостатками генератора напряжения развертки являются увеличенные габариты устройства за счет большого количества транзисторов стандартных габаритов и требование внешних источников питания.
Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости изготовления при сохранении эксплуатационных характеристик (надежности, линейности, стабильности и ресурса работы устройства), что достигается за счет отсутствия необходимости подбора электронных компонентов, а также устройство не требует настройки и все его компоненты работают в паспортном режиме.
Дополнительным техническим результатом является значительное уменьшение габаритов устройства за счет снижения количества компонентов, в частности транзисторов, а также применения планарных элементов и компактных источников высокого напряжения.
Технический результат достигается тем, что в генераторе напряжения развертки, включающем источник питания, двухканальный блок запуска и генерирующий каскад в виде двух зеркально размещенных плеч, новым является то, что в качестве источника питания используют низковольтный источник напряжения, подключенный к двухканальному блоку запуска и генерирующему каскаду, и высоковольтный источник напряжения, подключенный к генерирующему каскаду, при этом плечи генерирующего каскада соединены между собой выводами первого конденсатора, а каждое плечо состоит из биполярного и МОП-транзисторов, четырех резисторов и трех конденсаторов, при этом к эмиттеру биполярного транзистора первого плеча подключены первые выводы первого конденсатора и первого резистора, к базе подключен отрицательный вывод двухканального блока запуска, к коллектору подключен первый вывод седьмого резистора, а к эмиттеру биполярного транзистора второго плеча подключены второй вывод первого конденсатора и первый вывод второго резистора, к базе подключен положительный вывод двухканального блока запуска, к коллектору - первый вывод восьмого резистора, к истоку МОП-транзистора первого плеча - второй вывод седьмого резистора, к затвору - первые выводы четвертого конденсатора и пятого резистора, к стоку - первые выводы второго и шестого конденсаторов и третьего резистора, к истоку МОП-транзистора второго плеча - второй вывод восьмого резистора, к затвору - первые выводы пятого конденсатора и шестого резистора, к стоку - первые выводы третьего и седьмого конденсаторов и четвертого резистора, при этом к общей шине подключены вторые выводы второго, третьего, четвертого и пятого конденсаторов, к положительному выводу высоковольтного источника напряжения - второй вывод третьего резистора, к отрицательному - второй вывод четвертого резистора, к положительному выводу низковольтного источника напряжения - вторые выводы второго и пятого резисторов, к отрицательному - вторые выводы первого и шестого резисторов, а вторые выводы шестого и седьмого конденсаторов - к соответствующим выходам генератора, при этом в первом плече МОП-транзистор является n-канальным, а биполярный - n-p-n типа, во втором плече соответственно МОП-транзистор - р-канальный, а биполярный - p-n-р типа, причем использованы МОП-транзисторы с задержкой включения и временем нарастания не более 30 нс и малой емкостью затвор-сток не более 300 пФ.
Кроме этого, дополнительно в генерирующий каскад между затвором и стоком полевых транзисторов первого и второго плеч могут быть включены соответственно выводы восьмого и девятого конденсаторов. Также между первым выводом второго конденсатора и стоком полевого транзистора первого плеча может быть включен девятый резистор, а между первым выводом третьего конденсатора и стоком полевого транзистора второго плеча может быть включен десятый резистор. Параллельно первому конденсатору может быть подключен десятый конденсатор. Кроме этого, между вторыми выводами шестого и седьмого конденсаторов генерирующего каскада и выходами генератора может быть подключен двухканальный выходной каскад, каждый канал которого выполнен на резистивном делителе напряжения в виде последовательно соединенных не менее 2+n резисторов, причем первые выводы резистивных делителей подключены к общей шине, а второй вывод резистивного делителя первого канала - к положительному выводу высоковольтного источника напряжения, второй вывод резистивного делителя второго канала - к отрицательному выводу высоковольтного источника напряжения. Двухканальный блок запуска может быть выполнен на базе микросхем: 2-х цифровых изоляторов ADUM 1100, D-тригера 74АС74, ЛН1 74АС04. Также двухканальный блок запуска может быть дополнительно оснащен оптическим входом в виде фотодиода.
Использование в качестве источника питания компактного низковольтного источника напряжения, подключенного к двухканальному блоку запуска и генерирующему каскаду, позволяет использовать МОП-транзисторы в генерирующем каскаде, что ведет к упрощению схемы и в дальнейшем уменьшает габариты устройства.
Использование в качестве источника питания компактного высоковольтного источника напряжения, подключенного к генерирующему каскаду, позволяет упростить изготовление и уменьшить габариты прибора в целом, так как схеме больше не требуется внешний источник высокого напряжения.
Выполнение генерирующего каскада вышеописанным способом обеспечивает, помимо создания линейных противофазных высоковольтных импульсов с симметричными фронтами на выходе, возможность перехода от лавинной плечевой схемы к плечевой схеме на МОП-транзисторах, которые обладают необходимыми техническими характеристиками. Главным достоинством представленной схемы является работа всех ее компонентов в паспортном режиме и отсутствие настройки платы, что упрощает ее изготовление. Кроме этого, применены планарные компоненты и уменьшено общее их количество, что уменьшает габариты устройства в целом.
Применение быстрых МОП-транзисторов с задержкой включения и временем нарастания не более 30 нс и малой емкостью затвор-сток не более 300 пФ обеспечивает создание достаточно крутых фронтов (порядка 10 В/1 нс), что позволяют заменить лавинные транзисторы и тем самым упростить изготовление.
Дополнительное включение в генерирующий каскад между затвором и стоком полевых транзисторов первого и второго плеч соответственно выводов восьмого и девятого конденсаторов осуществляет дополнительную линеаризацию генерируемых импульсов.
Дополнительное размещение в генерирующем каскаде девятого и десятого резистора вышеизложенным способом обеспечивают уменьшение паразитных колебаний в генерируемых импульсах.
Подключение в генерирующий каскад десятого конденсатора параллельно первому обеспечивает усиление связи плеч генератора и более одновременный запуск хода импульса с плеч.
Подключение двухканального выходного каскада между вторыми выводами шестого и седьмого конденсаторов генерирующего каскада и выходами генератора, а также выполнение каждого канала на резистивном делителе напряжения в виде последовательно соединенных не менее 2+n резисторов, причем первые выводы резистивных делителей подключены к общей шине, а второй вывод резистивного делителя первого канала - к положительному выводу высоковольтного источника напряжения, второй вывод резистивного делителя второго канала - к отрицательному выводу высоковольтного источника напряжения, позволяет при подключении к время-анализирующей трубке сместить позицию разворачиваемого луча за экран.
Выполнение двухканального блока запуска на базе микросхем: 2-х цифровых изоляторов ADUM 1100, D-тригера 74АС74 и ЛН1 74АС04 позволяет уменьшить задержку срабатывания схемы.
Дополнительное оснащение двухканального блока запуска оптическим входом в виде фотодиода позволяет запустить схему световым импульсом.
Все приведенные выше признаки в целом упростили изготовление и уменьшили габариты устройства, позволив изготовить компактную плату, не требующую отбора его компонентов и настройки платы.
Принцип работы устройства и ее конструкции поясняются чертежами.
На фиг. 1 - функциональная схема генератора развертки;
На фиг. 2 - принципиальная электрическая схема генератора развертки;
На чертежах позициями обозначены:
1 - пуск;
2 - двухканальный блок запуска (ДБЗ);
3 - генерирующий каскад (ГК);
4 - двухканальный выходной каскад (ДВК);
5 - выходы генератора;
6 - высоковольтный источник напряжения (ВВИН);
7 - низковольтный источник напряжения (НВИН);
8 - биполярный транзистор первого плеча ГК;
9 - биполярный транзистор второго плеча ГК;
10 - МОП-транзистор первого плеча ГК;
11 - МОП-транзистор второго плеча ГК;
12 - первый конденсатор;
13 - десятый конденсатор;
14 - первый резистор;
15 - второй резистор;
16 - третий резистор;
17 - четвертый резистор;
18 - второй конденсатор;
19 - третий конденсатор;
20 - пятый резистор;
21 - шестой резистор;
22 - седьмой резистор;
23 - восьмой резистор;
24 - шестой конденсатор;
25 - седьмой конденсатор;
26 - четвертый конденсатор;
27 - пятый конденсатор;
28 - восьмой конденсатор;
29 - девятый конденсатор;
30 - девятый резистор;
31 - десятый резистор;
32 - резистивный делитель напряжения первого канала ДВК;
33 - резистивный делитель напряжения второго канала ДВК.
На фиг. 2 применены следующие сокращенные обозначения:
ННП - напряжение НВИН для питания микросхем (+5В);
ННВОШ - гальванически развязанная внутренняя общая шина НВИН для смещения выхода ДБЗ;
НН+ - положительное гальванически развязанное напряжение НВИН для смещения выхода ДБЗ и установки режима ГК (+12В относительно ННВОШ);
НН- - отрицательное гальванически развязанное напряжение НВИН для смещения выхода ДБЗ и установки режима ГК (-12В относительно ННВОШ);
Вх+ - положительный вход ГК;
Вх- - отрицательный вход ГК;
НВ+ - положительное напряжение ВВИН;
НВ- - отрицательное напряжение ВВИН.
Представленный генератор напряжения развертки состоит из соединенных между собой соответствующими входами и выходами (см. фиг. 1) двухканального блока запуска 2, генерирующего 3 и двухканального выходного 4 каскадов, а также высоковольтного 6 и низковольтного 7 источников напряжения.
ДБЗ 2 выполнен двухканальным на основе двух микросхем типа ADUM 1100, D-триггере 74АС74 и микросхеме типа ЛН1 74АС04. Этот блок обеспечивает одновременное открытие биполярных транзисторов генерирующего каскада. ДБЗ 2 имеет два входа: электрический срабатывающий на положительный фронт сигнала и оптический вход в виде фотодиода типа ЛФД2. ДБЗ 2 использует положительное и изолированные напряжения (НН+, ННВЗ, НН-) НВИН 7. Положительное напряжение ННП используется для питания микросхем, изолированные напряжения (НН+, ННВЗ, НН-) используется для генерации смещенных открывающих выходных сигналов для блока ГК 3 (на фиг. 2 показаны как Вх+ и Вх- у блока ДБЗ 2). Следует уточнить, что применение цифровых изоляторов типа ADUM 1100 позволило сделать выходы ДБЗ 2 гальванически развязанными с общей шиной, что требуется для создания у блока ГК 3 внутренней средней точки, которая способна смещаться.
ГК выполнен в виде двух зеркально размещенных плеч, которые соединены между собой выводами первого конденсатора 12. При этом каждое плечо состоит из биполярного и МОП-транзисторов, четырех резисторов и трех конденсаторов, при этом к эмиттеру биполярного транзистора первого плеча 8 подключены первые выводы первого конденсатора 12 и первого резистора 14, к базе подключен отрицательный вывод двухканального блока запуска 2, к коллектору подключен первый вывод седьмого резистора 22, а к эмиттеру биполярного транзистора второго плеча 9 подключены второй вывод первого конденсатора 12 и первый вывод второго резистора 15, к базе подключен положительный вывод двухканального блока запуска 2, к коллектору - первый вывод восьмого резистора 23, к истоку МОП-транзистора первого плеча 10 - второй вывод седьмого резистора 22, к затвору - первые выводы четвертого конденсатора 26 и пятого резистора 20, к стоку - первые выводы второго 18 и шестого 24 конденсаторов и третьего резистора 16, к истоку МОП-транзистора второго плеча 11 - второй вывод восьмого резистора 23, к затвору - первые выводы пятого конденсатора 27 и шестого резистора 21, к стоку - первые выводы третьего 19 и седьмого 25 конденсаторов и четвертого резистора 17, при этом к общей шине подключены вторые выводы второго 18, третьего 19, четвертого 26 и пятого 27 конденсаторов, к положительному выводу высоковольтного источника напряжения 6 - второй вывод третьего резистора 16, к отрицательному - второй вывод четвертого резистора 17, к положительному выводу низковольтного источника напряжения 7 - вторые выводы второго 15 и пятого 20 резисторов, к отрицательному - вторые выводы первого 14 и шестого 21 резисторов, а вторые выводы шестого 24 и седьмого 25 конденсаторов - к соответствующим выходам генератора 5. При этом в первом плече использованы n-канальный МОП-транзистор 10 (типа MOSFET VN0550 фирмы Supertex) и n-р-n-канальный биполярный транзистор 8 (тип 2N2907A), во втором плече соответственно использованы р-канальный МОП-транзистор 11 (типа MOSFET VP0550 фирмы Supertex) и р-n-р-канальный биполярный транзистор 9 (тип 2N2222A). К затворам и стокам МОП-транзисторов первого и второго плеч соответственно подключены выводы восьмого 28 и девятого 29 конденсаторов. А между первым выводом второго конденсатора 18 и стоком МОП-транзистора первого плеча 10 включен девятый резистор 30, а между первым выводом третьего конденсатора 19 и стоком МОП-транзистора второго плеча 11 включен десятый резистор 31. Параллельно первому конденсатору 12 подключен десятый конденсатор 13. Между вторыми выводами шестого 24 и седьмого 25 конденсаторов генерирующего каскада 3 и выходами генератора 5 подключен двухканальный выходной каскад 4, каждый канал которого выполнен на резистивном делителе напряжения 32, 33 в виде последовательно соединенных трех резисторов, причем первые выводы резистивных делителей подключены к общей шине, а второй вывод резистивного делителя первого канала 32 - к положительному выводу высоковольтного источника напряжения 6, второй вывод резистивного делителя второго канала 33 - к отрицательному выводу высоковольтного источника напряжения 6.
В качестве ВВИН 6 и НВИН 7 могут быть применены любые компактные вторичные источники питания с входным напряжением 12 В, которые обеспечивают требуемые для объекта напряжения и токи. В данном случае для ВВИН 6 применены два источника - положительный и отрицательный, номиналом 1 кВ и максимальным током 0,5 мА. Для НВИН 7 применены два источника - первый: 12 В/5 В ток не менее 100 мА, второй: 12 В/±12 В ток не менее 100 мА, причем второй должен быть гальванически развязан. НВИН 7 введен в схему для создания правильного режима работы МОП-транзисторов 10, 11 блока ГК 3, а также для открытия с ДБЗ 2 биполярных транзисторов 8, 9 блока ГК 3 и дальнейшего формирования плеч ГК 3.
Устройство работает следующим образом. Для создания режима работы ГК 3 через пятый и шестой резисторы 20, 21 заряжены четвертый и пятый конденсаторы 26, 27 таким образом, что затворы МОП-транзисторов 10, 11 зафиксированы относительно общей шины. Первый и десятый конденсаторы 12, 13, заряженные через первый и второй резисторы 14,15, создают плавающую точку в схеме и заставляют биполярные транзисторы 8, 9 при срабатывании открываться одновременно, что нужно из-за разных типов биполярных транзисторов n-p-n и р-n-р.
Запуск устройства осуществляется подачей на вход двухканального блока запуска 2 пускового импульса 1 положительной полярности (или подачи на фотодиод импульса света). Далее в ДБЗ 2 формируется два противофазных импульса, которые при помощи напряжений НВИН 7 смещаются. Импульсы одновременно подаются на ГК 3, причем отрицательно смещенный положительный импульс подается на базу биполярного транзистора 8 первого плеча ГК 3, положительно смещенный отрицательный импульс - на базу биполярного транзистора 9 второго плеча ГК 3. Затем биполярные транзисторы 8, 9 первого и второго плеч открываются и входят в режим насыщения. МОП-транзистор первого плеча 10 и седьмой резистор 22 переходит в режим токового стабилизатора, а восьмой конденсатор 28 обеспечивает сглаживание биений стабилизации на быстрых временах около 10 нс. Начинается разрядка второго конденсатора 18, который был заряжен ВВИН 6 через третий резистор 16, при этом девятый резистор 30 подавляет колебания при разрядке. Поскольку второй конденсатор 18 разряжается через токовый стабилизатор, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется линейно во времени, получается импульс, который через шестой конденсатор 24 проходит на выход ГК 3. Аналогично МОП-транзистор второго плеча 11 и восьмой резистор 23 также переходит в режим токового стабилизатора, а девятый конденсатор 29 обеспечивает сглаживание биений стабилизации на быстрых временах около 10 нс. Начинается разрядка третьего конденсатора 19, который был заряжен ВВИН 6 через четвертый резистор 17, при этом десятый резистор 31 подавляет колебания при разрядке. Полученный при разрядке импульс через седьмой конденсатор 25 проходит на выход ГК 3. Выходы ГК 3 подключены к двухканальному выходному каскаду 4, через который проходят импульсы, смещаются благодаря резистивным делителям первого и второго каналов 32, 33 и проходят на выходы генератора 5.
Таким образом, предлагаемая усовершенствованная схема исполнения генератора напряжения развертки позволяет следующее:
- отказ от использования транзисторов в лавинном режиме (для которого необходимо их тщательно отбирать);
- обеспечение линейности развертки без дополнительных настроек (каждая лавинная схема предполагает настройку - RLC выводной цепи);
- возможность мелкосерийного производства.
К настоящему времени в РФЯЦ-ВНИИЭФ проведена конструкторская проработка генератора и создан макет устройства, на котором экспериментально проверена его работоспособность.