江晓山-高能物理研究所-中国科学院

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。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。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。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。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。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。PS级八路输出同步机总体结构+保护甄别成型4:2MUX1:8扇出-保护甄别成型光接收甄别成型FPGA控制总线送到窄脉冲产生部分信号输入•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。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。去不一致性输入信号放大SRD电路信号输出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。C阶跃恢复二极管LRGND初步得到的输出波形电路版图小结•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。