取样电路

取样门电路：取样门分为非平衡取样门、平衡取样门和行波取样门。非平衡取样门又分为：单管非平衡门、双管非平衡门、三管非平衡门。平衡门分为：四管平衡门、双管平衡门。由于非平衡门取样脉冲是单极性的，只能对单极性脉冲进行取样；其次非平衡门泄露是很大的，对被测信号产生不好的影响，存在一定的误差；再者非平衡门对后级的隔离较差，门管的寄生耦合产生旁通效应较为严重。平衡门有以下优点：1、平衡门基本都是桥形电路，正负取样脉冲的的输入点，被取样信号的输入点和输出点分别在桥的对角线上。如果取样脉冲和加载的偏置电压完全对称，则对另外一个对角线上的信号没有任何干扰，既没有任何剩余取样脉冲存在，减小甚至取消取样门得泄露。2、由于取样脉冲是对称互补的正负脉冲，所以在取样门的输入和输出端可以消除由取样脉冲引入的噪声，提高了取样门的信噪比。3、在同样的条件下，平衡门的取样效率大于至少等于非平衡门的取样效率。4四管平衡门使用平衡变压器可以使取样脉冲的交流内阻很高，进而实现高阻取样。（取样技术原理与应用，P123——P135）所以在试验的过程中选择四管平衡取样门。其电路原理图如下图所示。图1其中T1为平衡变压器，平衡变压器的作用：由于平衡变压器的同名端都接在脉冲的输入端，取样脉冲是两个正负极性脉冲，因此平衡变压器对极性相反的脉冲屋电抗作用。当正负极性脉冲前沿时间没有对齐或者两个脉冲的上升或下降速度不一致时，平衡变压器将起到相互补偿的作用，使正负脉冲的前沿的前沿时间对齐，在上升或下降的速度上相等。（P163）四管平衡取样门如图中的D1，D2，D3，D4组成的桥式门。+Vp和-Vp为偏置电压。D1和D2，D3和D4在+Vp和-Vp的作用下处于截止状态。用于取样的正负脉冲经过平衡线圈后，正极性脉冲由-Vp偏置电压端加入，负极性脉冲由+Vp偏置电压端加入。此时正负取样脉冲的加载到偏置电压上。如图2所示。当脉冲幅度大于Vp时，便形成图2中所示的阴影部分。当脉冲幅度Vm大于Vp时，既VpmVV，当V大于二极管的开启电压Ud时(Ud为正负脉冲经过零电平时的开启电压)，二极管D1和D2，D3和D4导通，四只二极管全部打开，此时被取样信号通过D1D2通路和D3D4通路到达输出端，并被电容C1积分。故取样脉冲露头部分的电压V应大于二极管的开启电压Ud才能使取样门电路正常工作。由于取样脉冲和偏置电压是完全对称的，当取样脉冲的正脉冲从-Vp偏置电压上跳起，负脉冲从+Vp偏置电压上跳起，正负脉冲同时到达零电平，若V大于二极管的开启电压，二极管D1和D2，D3和D4导通，此时形成了二极管的导通时间，即取样脉冲的有效底宽。当正负脉冲不能完全对称时，正负脉冲到达零电平的时间也不一致，致使二极管D1D2和D3D4的导通时间也不相等，取样门的带宽决定于导通时间较大的脉冲。00+Vp-Vp图2+Vp-Vp0二极管开启电压UdVmV图3当被采样信号到来时，如果被采样信号的幅度小于或等于Vp时，如图4所示。如果在正负脉冲没有到来时，平衡四管门在+Vp和-Vp的作用下，二极管D2和D3的开启电压U1要大于Vp，不能使平衡四管门的四个二极管D1D2和D3D4导通，故被采样信号不能通过平衡四管门。如果被采样信号的幅度大于Vp时，如图5所示。在正负脉冲没有到来时，平衡四管门在+Vp和-Vp的作用下，被采样信号的幅度大于二极管D2和D3的开启电压U1，使平衡四管门的二极管D2和D3导通，但是二极管D1和D4任然处于截止状态，故被采样信号只能通过二极管D2和D3，不能通过D1和D4，被采样信号不能通过平衡四管门。只有正负脉冲到来时，正负脉冲在+Vp和-Vp的偏置作用下，使四只二极管的开启电压降低到Ud，平衡四管门的四只二极管全部打开，形成采样脉冲的有效底宽，在时间内，被采样信号便通过平衡取样门（如图4和图5中被采样信号的红色部分区域）被采集出来。所以当正负脉冲和偏置电压完全互补对称时，不管被采样信号的幅度大小，只要不超过二极管的反相击穿电压，均能使被采样信号在有效底宽时间内被采集出来，而在其他时间内被采样信号均不能通过平衡取样门。0+Vp-Vp被采样信号U1图40+Vp-Vp被采样信号U1图5用于取样门的取样脉冲的计算由于被取样信号为高频快速的信号，所以要求采样信号要具有很尖的脉冲，即取样脉冲底宽和取样脉冲有效底宽应符合一定的要求。取样脉冲露头部分的脉冲幅度与取样脉冲的幅度也应有一定的关系。所以取样脉冲电路产生的取样脉冲应与取样门的结构一致。本实验用的四管平衡取样门，是采用HSMS2828肖特基二极管组成的。根据取样系统的频率特性，一个系统的频带宽度是系统的频率特性在-3dB时的频率范围，即2122sinD由此可以求出频带宽度为45.0f取样脉冲频率为150MHz时，取样脉冲的有效底宽为：nsf345.0选取取样脉冲露头部分的脉冲幅度为1.5V，即VV5.1，取样脉冲的总幅度为5V，即VVm5，如图6所示。根据有效底宽、露头部分的脉冲幅度、总脉冲幅度，可以近似的计算出取样脉冲的底宽0。VmV0经计算可得ns100由于四管平衡取样门二极管的反向击穿电压为15V，所以脉冲总幅度应小于15V，防止二极管被击穿。理论计算的脉冲宽度值相对于被取样信号的宽度较大，被取样信号的脉冲总宽度约为7ns，所以实际制作的采样脉冲的总底宽和有效底宽应更小，使取样脉冲的宽度更小，脉冲更尖。对于300MHz带宽的取样门电路，有效底宽ns5.1，取样脉冲总幅度5VmV，露头脉冲幅度VV5.1，则脉冲总底宽ns50。对取样脉冲的要求更高。0-VpVmV0图6