ps级任意整形脉冲发生器.pdf

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基金项目:

国家部委基金项目ps级任意整形脉冲发生器赵静（中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄050051）摘要:

任意形状激光束需要有一个相应的形状任意可调的电脉冲。

在各种任意脉冲产生技术中,FET行波结构可以达到较好的结果。

采用20节GaAsFET行波结构,300ps的触发脉冲经过多个250ps的延迟,通过计算机控制每个FET状态,实现了输出宽度大于5ns且脉冲的形状任意可调的脉冲信号。

输出脉冲经过滤波和放大,输出幅度达到10V。

关键词:

脉冲发生器;脉冲整形;行波中图分类号:

TN784;TN365文献标识码:

A文章编号:

1003-353X（2007）04-316-04psArbitraryWaveformPulseGeneratorZHAOJing（The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China）Abstract:

Thearbitraryformlaserbeamrequiresthearbitrarywaveformelectricpulse.InallkindsoftechnologiesGaAsFETtravelingwaveconfigurationisagoodselection.Theassemblyadopted20sectionsGaAsFETtravelingwavearchitecture.A300pstriggerpulsesequentialpropagatestothe20GaAsFETby250psdelays,a5nswidthpulseisformed.Thecomputercontrolledpulseshapewasrealized.Theoutputpulseisupto10Vbyfilteringandamplifying.Keywords:

pulsegenerator;pulseform;travelingwave1引言精确的任意脉冲形状激光束对可控核聚变试验变得越来越重要。

产生这种精密的任意形状激光束,需要有一个相应的形状任意可调的电脉冲。

在国外,这方面的研究从80年代开始进行,Nova,Omega,Phebus以及Shiva1等公司采用常规的光振荡器和放大器来组成所需的脉冲激光器,对于任意脉冲形状的要求,使用KDP（磷酸二氢钾）PockelsCells。

这种PockelsCells的半波电压为4或8kV,如此高电压带来很高的电脉冲波形的需求。

Nova公司研究的整形脉冲是由高压矩形脉冲产生的,该高压矩形脉冲输入专门设计微带传输线,通过阻抗失配输出形成所需的脉冲。

为此开发了大量的计算所需带线阻抗的方法,这种技术的缺点是对每一种所需的形状都要制备新的微带线。

随着11035Lm光纤激光器的应用,控制光强度所需的电压仅为10V,这一优点提供了新的脉冲整形方法,Beamletproject2利用电位器周期性的耦合传输线,通过单调增加脉冲的方法,实现了脉冲形状可调,但是不能实现计算机控制。

1994年,J1H1Cambell等人2开始研究计算机控制的电脉冲整形系统,驱动Beamlet型光电组件,通过使用6个电容耦合并联微波GaAsMESFET,形成亚纳秒脉冲,随后压缩到亚皮秒宽度,但是这种并联的方法不能适合数量较大的GaAsFET的结构。

随后,S1C1Burkhart等人3使用行波结构和匹配触发系统,突破了这一限制,制作了14节的单元,实现了315ns的形状可调电脉冲,并用两个这样的装置实现了7ns的形状任意可调电脉冲。

本研究采用20个GaAsFET的行波结构,制备出脉冲宽度大于5ns的任意脉冲发生器,脉冲宽度调节精度250ps,幅度调节达到100B1。

2工作原理采用GaAsFET行波结构来实现任意整形脉冲,器件制造与应用ManufacturingandApplicationofDevice316半导体技术第32卷第4期2007年4月其基本工作原理如图1所示。

每一个GaAsFET构成一个增益可调的脉冲放大器,当触发脉冲到达第一个GaAsFET,产生一个反相的输出脉冲,如图1（a）所示。

输出脉冲由两个幅度相同传播方向相反的子脉冲组成,向电源方向传播的脉冲被508的电阻吸收,向负载方向传播的脉冲构成整形脉冲的一部分。

触发脉冲经过一定时间的延迟到达第二个GaAsFET,在第一个GaAsFET的输出脉冲之后产生第二个脉冲输出。

第二个GaAsFET的输出脉冲同样分成两个传输方向相反的子脉冲,向电源方向传播的子脉冲被508的电阻吸收,向负载方向传播的子脉冲构成整形脉冲的一部分叠加到第一个脉冲之后,触发脉冲再经过一定的延迟到达第三个GaAsFET,产生脉冲输出叠加到前两个整形脉冲的输出波形之后,经过选定数量的多个GaAsFET之后,形成一个所需要的宽脉冲。

输出的宽脉冲是由各个GaAsFET的输出子脉冲组合而成,通过控制各个GaAsFET的栅压来控制放大增益,也就是控制每个GaAsFET的输出脉（a）脉冲到达第一个FET时输出传输线上的波形（b）脉冲到达第二个FET时输出传输线上的波形（c）脉冲到达第三个FET时输出传输线上的波形图1脉冲波形产生原理图冲的幅度,从而达到控制脉冲形状的目的,再经过滤波和脉冲放大达到所需的输出幅度。

各GaAsFET的栅压是由计算机控制的。

计算机串行数据经过串并转换和D/A转换变为控制放大器增益的模拟量,实现输出脉冲形状的计算机控制。

根据设计输出对比度大于100B1的要求,取8位码经过数据锁存和DAC转换,将数字量转换为模拟量（28=256,共有256种模拟量状态）,再经过运算放大器调整到所需的电平,以控制GaAsFET。

每输入一次码数据,就要改变一个GaAsFET的控制状态。

基本设计路线是:

16位串行码输入,经过串/并转换转换成并行码,取其中5位码作为GaAsFET的选择码（25=32,满足20种状态选择的要求）,经过译码将控制信号传送该相应的GaAsFET的控制DAC,使之打开接收数据;两块74LS164组成16位串并转换电路,74LS273为锁存器,74LS138和74LS154组成532的译码器,AD7524完成8位DAC转换,经过运放LM358输出至GaAsFET栅。

3电路设计输入脉冲为脉宽300ps周期1kHz,幅度10V的脉冲,设计调节间距为250ps/点,因此设计20节GaAsFET行波结构,可以满足脉冲宽度大于5ns的要求。

GaAsFET需要输出较高的脉冲幅度,因此选用MGF1801B中功率GaAsFET,其基本参数为:

f=8GHz;P1dB=23dBm;Gp=9dB。

为了进行CAD仿真和优化设计,为MGF1801B建立了大信号模型（图2）,其中比较关键的元件为Cgd和Cds.,它们在脉冲线上引起不连续和反射。

器件制造与应用ManufacturingandApplicationofDeviceApril2007SemiconductorTechnologyVol132No14317设计的单节GaAsFET电路如图3所示。

通过一个2k8的电阻将计算机控制的电压加到GaAsFET的栅上,10V,300ps的触发脉冲经过3908和1008的衰减通过50nF的电容耦合到GaAsFET的栅上,1008的对地电阻有利于提高速度。

MGF1801B的栅夹断电压为2215V,输入电压的有效值应为2153V,触发脉冲经过衰减后的值比较合适输入,而且这一电阻网络还可以减小输出信号反射到触发脉冲线,引起触发脉冲的失真影响整形效果。

图2GaAsFET模型图2的模型参数为:

Lg=018nHRg=118758Ld=01685nHRd=114818Ls=01122nHRs=11238Cgs=018882pFCgd=013367pFCds=01108pFCds=01518pF图3单节GaAsFET电路脉冲整形的调节精度值设计为250ps,采用聚四氟已烯覆铜板制作微带线,计算250ps延迟所需的微带线的长度,介电常数为2154聚四氟已烯覆铜板制作的微带线的有效介电常数为2110,据此计算出所需的延迟线长度。

脉冲整形的调节精度值设计为250ps,因此输出脉冲有4GHz的谐波,在输出端增加一个最大线性相位Bessel低通滤波器,以保证输出脉冲波形不畸变,并滤除高频谐波。

输出脉冲的上升沿设计为300ps,因此要求滤波器的带宽为BW=0135/300ps=112GHzGaAsFET由于受器件自身参数的限制（如击穿电压）,不能在高电压下工作,产生的输出脉冲远不能满足幅度10V的要求。

初步计算经滤波器后的输出电压为最大值1V,因此还要设计一级大动态的放大器,该放大器的带宽同样应设计大于112GHz。

触发脉冲在传输过程中会有一定的损耗,特别是传输到末端时有可能脉冲幅度会变得很小,严重影响输出脉冲形状的调整、设计和优化触发脉冲的传输线,使触发脉冲在传输过程中达到每个GaAsFET节点的幅度保持一致,对输出脉冲形状的可调性会起到很重要的作用。

为此我们设计了一种阻抗渐变的微带线作为触发脉冲线,018mm的聚四氟已烯覆铜板,输入端微带线的宽带为3mm,特征阻抗为408,最后一节微带线的宽带为015mm,特征阻抗为1058,如图4所示。

MGF1801B漏端的电容01628pF使输出脉冲微带线的阻抗发生改变,必须适当提高脉冲线的特征阻抗,为此进行了优化设计,优化设计脉冲线的阻抗为648。

4试验结果对研制的样品进行了电性能测试,测试使用的脉冲源为该工程配套研制的脉冲源组件,脉冲源的输入波形如图5（a）所示,脉冲幅度10V。

使用16位并行码来控制该组件,20个GaAsFET分别输入相应的状态控制编码,调整20个GaAsFET的状图4脉冲触发线阻抗变换示意图器件制造与应用ManufacturingandApplicationofDevice318半导体技术第32卷第4期2007年4月态,分别使输出脉冲呈现所需的波形,测试组件的各项参数。

输入触发脉冲波形图5（a）所示,脉冲宽度为300ps;输出脉冲在最大脉宽状态下的脉冲宽度为512ns,如图5（b）所示;输出调节对比度大于100B1。

（a）输入触发脉冲波形（b）调节后的输出脉冲波形图5输入触发脉冲及调节后输出脉冲波形图5结论采用20个GaAsFET的行波结构,制备出脉冲宽度大于5ns的任意脉冲发生器,脉冲宽度调节精度250ps,幅度调节达到100B1。

在核能源越来越重要的今天,精确的任意脉冲形状激光束为控核聚变试验提供了条件。

参考文献:

1WILCOXRB.Photoconductiveswitchpulse-shapingdeviceforNovamasteroscillatorJ.LasersandParticleBeams,1986,4:

141-143.2CAMPBELLJH.Specialissue:

beamletlaserprojectR.CA,ICFQuarterlyReport,1995,5

（1）:

42-44.3BURKHARTSC,WILCOXRB.ArbitrarypulseshapesynthesisvianouniformtransmissionlinesJ.IEEETransMicrowaveTheoryTech,1990,38（10）:

1514-1518.（收稿日期:

2006-12-06）作者简介:

赵静（1965）,男,山东淄博人,高级工程师,工程硕士,多年从事GaAs微波单片集成电路、微波开关、接收组件等设计,主持完成多项课题研究工作。

新增国外数据库收录5半导体技术62007年2月1日又被日本科学技术文献速报5CBST,JST6和美国乌利希国际期刊指南5Ulrich.s6收录。

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器件制造与应用ManufacturingandApplicationofDeviceApril2007SemiconductorTechnologyVol132No14319