DE102017125386A1 - Pulse generator, test and selection method and imaging system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit hoher Wiederholfrequenz, der eine Impulserzeugungseinheit und eine Steuereinheit aufweist. Die Impulserzeugungseinheit weist eine Mehrzahl von Impulserzeugungsabschnitten auf. Die Steuereinheit ist mit jedem Impulserzeugungsabschnitt der Impulserzeugungseinheit signaltechnisch verbunden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Triggersignale zu erzeugen und die einzelnen zeitlich zueinander versetzten Triggersignale sequentiell verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten zuzuführen, sodass die Impulserzeugungseinheit eine Ausgangsimpulssequenz erzeugt, die eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter und von unterschiedlichen Impulserzeugungsabschnitten erzeugter Ausgangsimpulse umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Prüfverfahren zum Bestimmen einer Durchbruchspannung eines Bipolartransistors und ein Auswahlverfahren zum Auswählen von übereinstimmende Durchbruchspannungen aufweisenden Bipolartransistoren. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein bildgebendes System, das einen Impulsgenerator der eingangs genannten Art aufweist.The invention relates to a pulse generator for generating high repetition rate pulses comprising a pulse generating unit and a control unit. The pulse generation unit has a plurality of pulse generation sections. The control unit is signal-technically connected to each pulse generation section of the pulse generation unit. The control unit is configured to generate a plurality of trigger signals offset in time with respect to one another and to sequentially supply the individual time-offset trigger signals to different pulse generation sections, such that the pulse generation unit generates an output pulse sequence comprising a plurality of output pulses offset in time from one another and generated by different pulse generation sections. The invention also relates to a test method for determining a breakdown voltage of a bipolar transistor and a selection method for selecting matching breakdown voltages having bipolar transistors. The invention further relates to an imaging system having a pulse generator of the type mentioned.
Description
Die Erfindung betrifft einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit hoher Wiederholfrequenz.The invention relates to a pulse generator for generating pulses with high repetition frequency.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Prüfverfahren zum Bestimmen einer Durchbruchspannung eines Bipolartransistors, insbesondere eines Lawinentransistors, sowie ein Auswahlverfahren zum Auswählen von übereinstimmende Durchbruchspannungen aufweisenden Bipolartransistoren, insbesondere Lawinentransistoren.The invention further relates to a test method for determining a breakdown voltage of a bipolar transistor, in particular an avalanche transistor, and to a selection method for selecting bipolar transistors having matching breakdown voltages, in particular avalanche transistors.
Die Erfindung betrifft außerdem ein bildgebendes System, das einen Impulsgenerator aufweist.The invention also relates to an imaging system comprising a pulse generator.
Die von dem Impulsgenerator erzeugten Impulse können insbesondere Impulse einer elektrischen Spannung (Spannungsimpulse) oder Impulse eines elektrischen Stroms (Stromimpulse) sein.The pulses generated by the pulse generator may in particular be pulses of an electrical voltage (voltage pulses) or pulses of an electrical current (current pulses).
Impulsgeneratoren zur Erzeugung von sehr kurzen Impulsen, insbesondere Spannungsimpulsen oder Stromimpulsen, mit einer Impulsdauer in der Größenordnung von Nanosekunden werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Hierzu gehören insbesondere vielfältige Anwendungs- und Einsatzmöglichkeiten in Verbindung mit elektrooptischen Geräten in verschiedenen bildgebenden Systemen (Imaging Systems). Ein bildgebendes System ist ein System, mit dem ein bildgebendes Verfahren ausgeführt wird.Pulse generators for generating very short pulses, in particular voltage pulses or current pulses, with a pulse duration of the order of nanoseconds are used for a variety of applications. In particular, this includes a variety of applications and applications in connection with electro-optical devices in various imaging systems (imaging systems). An imaging system is a system that performs an imaging procedure.
Des Weiteren werden derartige Impulsgeneratoren bspw. verwendet, um Diodenlaser, Pockels-Zellen, elektrooptische Modulatoren und Bildverstärker zu steuern.Furthermore, such pulse generators are used, for example, to control diode lasers, Pockels cells, electro-optic modulators and image intensifiers.
Ein Bildverstärker kann als lichtverstärkender nicht-linearer Modulator angesehen werden. Indem bspw. die Fotokathode eines Bildverstärkers mit Spannungsimpulsen hinreichend großer Amplitude gesteuert wird, ist es möglich, einen schnellen, elektronisch steuerbaren Verschluss bereitzustellen. Das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers, d.h. das Zeitfenster, innerhalb dessen der Bildverstärker das an seinem Eingang empfangene optische Signal verstärkt, wird dabei über einen Gate-Eingang des Bildverstärkers, dem ein Spannungsimpuls zugeführt wird, gesteuert. Diese Technik wird als Time Gating bezeichnet. Die optische Verstärkung des Bildverstärkers kann dabei vorteilhaft für die Bildgebung oder Bilderfassung von Objekten oder Prozessen, die sehr geringe Lichtintensitäten erzeugen, genutzt werden.An image intensifier can be considered as a light amplifying non-linear modulator. By, for example, controlling the photocathode of an image intensifier with voltage pulses of sufficiently large amplitude, it is possible to provide a fast, electronically controllable shutter. The gain window of the image intensifier, i. the time window within which the image intensifier amplifies the optical signal received at its input, is thereby controlled via a gate input of the image intensifier to which a voltage pulse is supplied. This technique is called time gating. The optical amplification of the image intensifier can be used advantageously for the imaging or image acquisition of objects or processes that generate very low light intensities.
Durch das Time Gating wird die Anzahl von Photonen, die pro Zeiteinheit erfasst werden können, weiter reduziert. Um Bilder mit hinreichender Qualität erzeugen zu können, können aus diesem Grund mehrere Gating-Zyklen notwendig sein. Daher ist eine Synchronisierung der dem Gate-Eingang des Bildverstärkers zugeführten Impulse (sogenannte Gating-Impulse) mit einer externen Referenz notwendig, um bildgebende Verfahren für sich wiederholende dynamische Prozesse realisieren zu können.Time gating further reduces the number of photons that can be detected per unit of time. For this reason, multiple gating cycles may be necessary to produce images of sufficient quality. Therefore, a synchronization of the pulses supplied to the gate input of the image intensifier (so-called gating pulses) with an external reference is necessary in order to be able to realize imaging processes for repetitive dynamic processes.
Anwendungen solcher Bildverstärker, die ein kurzes Verstärkungszeitfenster aufweisen (sogenannte fast-gated Bildverstärker) liegen bspw. im Bereich der medizinischen Bildgebungsverfahren wie der diffusen optischen Tomographie, der diffusen Fluoreszenztomographie, der Fluoreszenz-Molekular-Tomographie und der zeitaufgelösten Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung. In der Physik liegen Anwendungen derartiger Bildverstärker bspw. auf dem Gebiet der zeitaufgelösten Spektroskopie, der Bildgebung gefangener Ionen und der Plasmadynamik.Applications of such image intensifiers which have a short gain time window (so-called fast-gated image intensifiers) are, for example, in the field of medical imaging methods such as diffuse optical tomography, diffuse fluorescence tomography, fluorescence molecular tomography and time-resolved fluorescence lifetime imaging. In physics, applications of such image intensifiers are, for example, in the field of time-resolved spectroscopy, the imaging of trapped ions and plasma dynamics.
All diese Anwendungen erfordern die Erzeugung von Impulsen mit hinreichend großer Amplitude, kurzer Impulsdauer sowie kurzer Anstiegs- und Abfallzeit, d.h. hoher Flankensteilheit.All of these applications require the generation of pulses of sufficiently large amplitude, short pulse duration and short rise and fall time, i. high slope.
Zur Erzeugung von Impulsen mit derartigen Eigenschaften ist aus dem Stand der Technik die Verwendung von Lawinentransistoren, die auch als Avalanche-Transistoren (Avalanche Transistors) bezeichnet werden, bekannt. Unter einem Lawinentransistor wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ein Bipolartransistor verstanden, der dazu bestimmt und/oder geeignet ist, im Lawinen-Durchbruchbereich, insbesondere im Lawinen-Durchbruchsbereich der Kollektor-Basis-Diode (p-n-Übergang zwischen Kollektor und Basis), betrieben zu werden. In dem Lawinen-Durchbruchsbereich tritt ein Lawineneffekt auf, durch den die Anzahl freier Ladungsträger im Leitungsband lawinenartig ansteigt. Dieser Effekt wird in Lawinentransistoren genutzt, um sehr kurze Impulse mit großer Amplitude und sehr geringen Anstiegs- und Abfallzeiten zu erzeugen. Die aus dem Stand der Technik bekannten, auf Lawinentransistoren basierenden Schaltungen weisen dabei in der Regel ein Ladungsspeicherelement auf, was dazu eingerichtet ist, eine elektrische Ladung zu speichern. Dieses Ladungsspeicherelement wird mit sehr großer Geschwindigkeit entladen, wenn der Lawinentransistor auslöst, d.h. von einem gesperrten Zustand in einen leitenden Zustand übergeht.To generate pulses having such properties, the prior art discloses the use of avalanche transistors, also referred to as avalanche transistors (avalanche transistors). In the context of the present application, an avalanche transistor is understood as meaning a bipolar transistor which is intended and / or suitable for operation in the avalanche breakdown region, in particular in the avalanche breakdown region of the collector-base diode (pn junction between collector and base) become. In the avalanche breakdown area, an avalanche effect occurs, through which the number of free charge carriers in the conduction band increases in an avalanche manner. This effect is used in avalanche transistors to produce very short pulses of high amplitude and very short rise and fall times. The known from the prior art, based on avalanche transistors circuits usually have a charge storage element, which is adapted to store an electric charge. This charge storage element is discharged at a very high speed when the avalanche transistor triggers, i. from a locked state to a conductive state.
Unter einem gesperrten Zustand eines Transistors oder einer Transistoranordnung wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Zustand verstanden, in dem die Kollektor-Emitter-Strecken des Transistors bzw. der oder die Kollektor-Emitter-Strecke(n) der Transistoranordnung einen hohen Widerstand aufweisen. Unter einem leitenden Zustand eines Transistors bzw. einer Transistoranordnung wird ein Zustand verstanden, in dem die Kollektor-Emitter-Strecken des Transistors bzw. der oder die Kollektor-Emitter-Strecke(n) der Transistoranordnung einen sehr niedrigen Widerstand aufweisen.Under a locked state of a transistor or a transistor arrangement is in the context of this application a Understood state in which the collector-emitter paths of the transistor or the collector-emitter path (s) of the transistor arrangement have a high resistance. A conducting state of a transistor or a transistor arrangement is understood to mean a state in which the collector-emitter paths of the transistor or the collector-emitter path (s) of the transistor arrangement have a very low resistance.
Beispielsweise ist aus der
Derartige Impulsgeneratoren, die auf Lawinentransistoren basieren, sind allerdings nur eingeschränkt geeignet, um Impulse mit hoher Wiederholfrequenz zu erzeugen.Such pulse generators, which are based on avalanche transistors, however, have only limited suitability for generating pulses with a high repetition frequency.
Dies liegt zum einen darin begründet, dass die Wiederholfrequenz, mit der in Schaltungen, die auf Lawinentransistoren basieren, Impulse erzeugt werden können, durch die Geschwindigkeit begrenzt wird, mit der das zugehörige Ladungsspeicherelement (konzentrierte oder verteilte Kapazität) mit der zur Erzeugung des Impulses notwendigen elektrischen Ladung geladen werden kann. Diese Ladegeschwindigkeit ist begrenzt und stellt daher in den aus dem Stand der Technik bekannten, auf Lawinentransistoren basierenden Impulsgeneratoren einen limitierenden Faktor für die Wiederholfrequenz der Impulserzeugung dar.This is partly due to the fact that the repetition frequency with which pulses can be generated in circuits based on avalanche transistors is limited by the speed with which the associated charge storage element (concentrated or distributed capacitance) with that necessary to generate the pulse electric charge can be charged. This charging speed is limited and therefore represents a limiting factor for the repetition frequency of the pulse generation in the known from the prior art, based on avalanche transducers pulse generators.
Zum anderen wird die Wiederholfrequenz der Impulserzeugung in den aus dem Stand der Technik bekannten, auf Lawinentransistoren basierenden Schaltungen begrenzt durch die Verlustleistung der Transistoren, die zu einer Erwärmung der Transistoren und der zugehörigen Schaltung führt. Wird eine maximal zulässige Verlustleistung überschritten, kann dies infolge der starken Erwärmung zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Transistoren führen, sodass die Wiederholfrequenz der Impulserzeugung nicht beliebig erhöht werden kann. Diesem Problem kann zwar in begrenztem Maße durch die Verwendung von Kühlkörpern entgegengewirkt werden, die realisierbaren Wiederholfrequenzen der Impulserzeugung bleiben aber dennoch in der Praxis auf wenige MHz im kontinuierlichen Betrieb begrenzt.On the other hand, the repetition rate of the pulse generation in the avalanche transistor-based circuits known from the prior art is limited by the power dissipation of the transistors, which leads to a heating of the transistors and the associated circuit. If a maximum allowable power loss is exceeded, this can lead to damage or destruction of the transistors due to the strong heating, so that the repetition frequency of the pulse generation can not be increased arbitrarily. Although this problem can be counteracted to a limited extent by the use of heat sinks, the realizable repetition frequencies of the pulse generation, however, remain limited in practice to a few MHz in continuous operation.
Ein weiteres Problem in aus dem Stand der Technik bekannten, auf Lawinentransistoren basierenden Impulsgeneratoren liegt darin begründet, dass die eingesetzten Lawinentransistoren wegen nicht vermeidbarer Fertigungstoleranzen auch dann sich deutlich voneinander unterscheidende Eigenschaften, d.h. Kennwerte und Kennlinien, insbesondere sich deutlich voneinander unterscheidende Durchbruchspannungen, aufweisen, wenn der Transistortyp der eingesetzten Lawinentransistoren identisch ist. Dies führt dazu, dass die Parameter der erzeugten Impulse, insbesondere deren Amplitude, Impulsdauer, Anstiegs- und Abfallzeit, in Abhängigkeit der in der Regel unbekannten Eigenschaften der eingesetzten Lawinentransistoren unvorhersehbar variieren.A further problem in avalanche-based pulse generators known from the state of the art is that the avalanche transistors used, because of unavoidable manufacturing tolerances, also exhibit distinctly distinct properties, i. Characteristic values and characteristic curves, in particular clearly differing breakdown voltages, if the transistor type of the avalanche transistors used is identical. As a result, the parameters of the generated pulses, in particular their amplitude, pulse duration, rise and fall time, vary unpredictably depending on the generally unknown properties of the avalanche transistors used.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Impulsgenerator bereitzustellen, der die zuvor beschriebenen Nachteile überwindet und die Erzeugung von Impulsen, insbesondere Spannungs- und/oder Stromimpulsen, die eine große Amplitude, sehr kurze Impulsdauer sowie kurze Anstiegs- und Abfallzeiten aufweisen, mit hoher Wiederholfrequenz ermöglicht.Based on this, it is an object of the present invention to provide a pulse generator which overcomes the disadvantages described above and with the generation of pulses, in particular voltage and / or current pulses having a high amplitude, very short pulse duration and short rise and fall times, with high repetition frequency allows.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, Verfahren zum Bestimmen der Durchbruchspannung von Bipolartransistoren, insbesondere von Lawinentransistoren, sowie zum Auswählen solcher Transistoren bereitzustellen, mit deren Hilfe es möglich ist, auf einfache Weise die Durchbruchspannung der für die Impulserzeugung eingesetzten Transistoren zu bestimmen und Transistoren mit übereinstimmenden Durchbruchspannungen auszuwählen.A further object of the present invention is to provide methods for determining the breakdown voltage of bipolar transistors, in particular of avalanche transistors, as well as for selecting such transistors, with the aid of which it is possible to easily determine the breakdown voltage of the transistors used for the pulse generation, and transistors to select with matching breakdown voltages.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein bildgebendes System anzugeben, dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Impulsgenerators nutzt, um das bildgebende System und das dadurch realisierte bildgebende Verfahren zu verbessern.Another object of the present invention is to provide an imaging system that takes advantage of the pulse generator of the present invention to improve the imaging system and the imaging method thereby realized.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit hoher Wiederholfrequenz mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The first object is achieved by a pulse generator for generating pulses with high repetition frequency with the features of
Vorgeschlagen wird ein Impulsgenerator zur Erzeugung von Impulsen mit hoher Wiederholfrequenz, der eine Impulserzeugungseinheit und eine Steuereinheit aufweist. Die Impulserzeugungseinheit weist einen mit einer Last verbindbaren Ausgangsanschluss und eine Mehrzahl von Impulserzeugungsabschnitten, d.h. mindestens zwei Impulserzeugungsabschnitte, auf.Proposed is a pulse generator for generating high repetition rate pulses comprising a pulse generating unit and a control unit. The pulse generating unit has an output terminal connectable to a load and a plurality of pulse generating sections, i. at least two pulse generation sections, on.
Mindestens zwei dieser Impulserzeugungsabschnitte oder jeder der Impulserzeugungsabschnitte sind bzw. ist dabei so aufgebaut, dass der Impulserzeugungsabschnitt einen Steuereingang aufweist, dem ein Triggersignal zugeführt werden kann, und eine Ladeschaltung aufweist, die mit einer Versorgungsspannung verbindbar ist und die mindestens ein zum Speichern einer elektrischen Ladung eingerichtetes Ladungsspeicherelement aufweist. Darüber hinaus weist der Impulserzeugungsabschnitt eine zwischen die Ladeschaltung und den Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit geschaltete Transistoranordnung auf. Die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte des Impulsgenerators können dabei insbesondere am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit miteinander verbunden sein. Die Transistoranordnung des Impulserzeugungsabschnitts kann einen gesperrten und einen leitenden Zustand einnehmen und umfasst mindestens einen Lawinentransistor.At least two of these pulse generating sections or each of the pulse generating sections are constructed so that the pulse generating section has a control input, to which a trigger signal can be supplied, and a charging circuit which can be connected to a supply voltage and which has at least one charge storage element arranged to store an electrical charge. In addition, the pulse generating section has a transistor arrangement connected between the charging circuit and the output terminal of the pulse generating unit. The various pulse generation sections of the pulse generator can be connected to one another, in particular, at the output terminal of the pulse generation unit. The transistor arrangement of the pulse generation section can assume a blocked and a conductive state and comprises at least one avalanche transistor.
Dabei ist die Ladeschaltung dazu eingerichtet, das Ladungsspeicherelement mit einer elektrischen Ladung aufzuladen, wenn die Ladeschaltung mit der Versorgungsspannung verbunden ist und die Transistoranordnung einen gesperrten Zustand eingenommen hat. Darüber hinaus ist die Transistoranordnung dazu eingerichtet, von dem gesperrten Zustand in den leitenden Zustand überzugehen, wenn dem Steuereingang das Triggersignal zugeführt wird, und dazu eingerichtet, in dem leitenden Zustand durch Entladen des Ladungsspeicherelementes unter Ausnutzung eines in dem mindestens einen Lawinentransistor auftretenden Lawineneffektes einen Ausgangsimpuls am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit zu erzeugen.In this case, the charging circuit is adapted to charge the charge storage element with an electrical charge when the charging circuit is connected to the supply voltage and the transistor arrangement has assumed a locked state. Moreover, the transistor device is configured to transition from the locked state to the conductive state when the trigger signal is supplied to the control input, and to provide an output pulse in the conductive state by discharging the charge storage element utilizing an avalanche effect occurring in the at least one avalanche transistor to generate at the output terminal of the pulse generating unit.
Die Steuereinheit ist mit jedem Impulserzeugungsabschnitt der Impulserzeugungseinheit über den Steuereingang des Impulserzeugungsabschnitts signaltechnisch verbunden. Die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, eine Triggersignalfrequenz, die eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter Triggersignale umfasst, zu erzeugen. Die Steuereinheit ist des Weiteren dazu eingerichtet, die einzelnen zeitlich zueinander versetzten Triggersignale sequentiell verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten zuzuführen, sodass die Impulserzeugungseinheit an ihrem Ausgangsanschluss eine Ausgangsimpulssequenz erzeugt. Die Ausgangsimpulssequenz umfasst dabei eine Mehrzahl zeitlich zueinander versetzter und von unterschiedlichen Impulserzeugungsabschnitten erzeugter Ausgangsimpulse. Der Steuereingang des Impulserzeugungsabschnitts, dem ein Triggersignal zugeführt werden kann, kann insbesondere mit der Basis mindestens eines oder genau eines Lawinentransistors des Impulserzeugungsabschnitts signaltechnisch verbunden sein, um durch Ansteuerung der Basis das Auslösen des Lawinentransistors oder der gesamten Transistoranordnung, d.h. dessen bzw. deren Übergang von dem gesperrten Zustand in den leitenden Zustand, hervorzurufen.The control unit is signal-technically connected to each pulse generating section of the pulse generating unit via the control input of the pulse generating section. The control unit is set up to generate a trigger signal frequency which comprises a plurality of trigger signals offset in time with respect to one another. The control unit is further configured to supply the individual time-offset trigger signals sequentially to different pulse generation sections so that the pulse generation unit generates an output pulse sequence at its output terminal. In this case, the output pulse sequence comprises a plurality of output pulses which are offset with respect to one another and generated by different pulse generation sections. In particular, the control input of the pulse generating section to which a trigger signal may be applied may be signal connected to the base of at least one or one of the avalanche transistors of the pulse generating section to trigger the avalanche transistor or the entire transistor arrangement, i.e., the base, by driving the base. Its or its transition from the locked state to the conductive state, cause.
Durch die mit der Ladeschaltung verbundene Versorgungsspannung kann zum einen die für das Laden des Ladungsspeicherelementes notwendige elektrische Ladung bereitgestellt werden. Zum anderen kann durch die mit der Ladeschaltung verbundene Versorgungsspannung eine Vorspannung am Kollektor mindestens eines oder genau eines Lawinentransistors des Impulserzeugungsabschnitts bereitgestellt werden, durch die erreicht wird, dass der Lawinentransistor auslöst, wenn seine Basis durch Zuführung des Triggersignals angesteuert wird, d. h. wenn die Basis getriggert wird. Die Ladeschaltung kann zu diesem Zweck zwischen den Kollektor des Lawinentransistors, der mit der Vorspannung beaufschlagt werden soll, und einem Anschluss zum Verbinden mit der Versorgungsspannung geschaltet sein, d.h. zwischen den Kollektor und die Versorgungspannung geschaltet sein.By means of the supply voltage connected to the charging circuit, on the one hand, the electrical charge necessary for charging the charge storage element can be provided. On the other hand, by the supply voltage connected to the charging circuit, a bias voltage can be provided at the collector of at least one or precisely one avalanche transistor of the pulse generating section, which causes the avalanche transistor to trip when its base is driven by supplying the trigger signal, i. H. when the base is triggered. The charging circuit may for this purpose be connected between the collector of the avalanche transistor to be biased and a terminal for connection to the supply voltage, i. be connected between the collector and the supply voltage.
Das Ladungsspeicherelement kann eine konzentrierte Kapazität (lumped capacitance), z.B. in Form eines Kondensators, und/oder eine verteilte Kapazität (distributed capacitance), z.B. in Form einer Verzögerungsleitung (delay line) aufweisen. Das Ladungsspeicherelement wird mit einer elektrischen Ladung geladen, wenn die Ladeschaltung mit der Versorgungsspannung verbunden ist und die Transistoranordnung einen gesperrten Zustand eingenommen hat.The charge storage element may have a lumped capacitance, e.g. in the form of a capacitor, and / or a distributed capacitance, e.g. in the form of a delay line. The charge storage element is charged with an electrical charge when the charging circuit is connected to the supply voltage and the transistor arrangement has assumed a locked state.
Wenn dem Steuereingang das Triggersignal zugeführt wird, kommt es zu einem Auslösen des mindestens einen Lawinentransistors, wobei die Basis-Emitter-Diode (p-n-Übergang zwischen Basis und Emitter) des mindestens einen Lawinentransistors von einem gesperrten in einen leitenden Zustand übergeht. Durch Ausnutzung eines in der Basis-Kollektor-Diode des mindestens einen Lawinentransistors auftretenden Lawineneffektes ist dabei ein sehr schneller Anstieg des durch den mindestens einen Lawinentransistor fließenden Kollektor- und Emitterstroms zu verzeichnen, wodurch das Ladungsspeicherelement entladen und am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit ein Ausgangsimpuls erzeugt wird.When the control input is supplied with the trigger signal, the at least one avalanche transistor is triggered, whereby the base-emitter diode (p-n junction between base and emitter) of the at least one avalanche transistor changes from a blocked to a conductive state. By utilizing an avalanche effect occurring in the base-collector diode of the at least one avalanche transistor, a very rapid increase of the collector and emitter current flowing through the at least one avalanche current is recorded, whereby the charge storage element is discharged and an output pulse is generated at the output terminal of the pulse generation unit.
Der mindestens eine Lawinentransistor der Impulserzeugungsabschnitte kann bspw. ein Bipolartransistor vom Typ 2N2369 sein.The at least one avalanche transistor of the pulse generation sections can be, for example, a bipolar transistor of the type 2N2369.
Die Transistoranordnung übernimmt die Funktion einer Entladeschaltung. Die Transistoranordnung kann daher auch als Entladeschaltung bezeichnet werden.The transistor arrangement assumes the function of a discharge circuit. The transistor arrangement can therefore also be referred to as a discharge circuit.
Die Transistoranordnung kann im einfachsten Fall aus nur einem einzigen Lawinentransistor bestehen. Die Transistoranordnung kann aber auch mehrere Lawinentransistoren und/oder Widerstände und/oder Kondensatoren und/oder andere Bauelemente aufweisen.The transistor arrangement may consist of only a single avalanche transistor in the simplest case. The transistor arrangement can also be several avalanche transistors and / or resistors and / or capacitors and / or other components.
Wenn die Versorgungsspannung über einen bestimmten Wert hinaus erhöht wird, kommt es zu einer Selbstauslösung des mindestens einen Lawinentransistors der Transistoranordnung, d.h. die Transistoranordnung geht von dem gesperrten Zustand in den leitenden Zustand über und der Impulsgenerator erzeugt an dem Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit Impulse, ohne dass dem Steuereingang das Triggersignal zugeführt wird. Dieser Wert der Versorgungsspannung, der zu einer Selbstauslösung führt, wird als Selbstauslösungs-Versorgungsspannung bezeichnet. Um eine solche unerwünschte Selbstauslösung des mindestens einen Lawinentransistors zu vermeiden und gleichzeitig sicherzustellen, dass es zu einer Auslösung des mindestens einen Lawinentransistors kommt, wenn dem Steuereingang das Triggersignal zugeführt wird, kann die Versorgungsspannung vorteilhaft so gewählt werden, dass sie einen geringfügig niedrigeren Wert aufweist als die Selbstauslösungs-Versorgungsspannung.When the supply voltage is increased beyond a certain value, self-triggering of the at least one avalanche transistor of the transistor arrangement occurs, i. the transistor arrangement transitions from the locked state to the conductive state, and the pulse generator generates pulses at the output terminal of the pulse generation unit without supplying the trigger signal to the control input. This value of the supply voltage leading to a self-tripping is referred to as a self-tripping supply voltage. In order to avoid such unwanted self-triggering of the at least one avalanche transistor and at the same time to ensure that there is a triggering of the at least one avalanche transistor when the trigger input signal is supplied to the control input, the supply voltage can advantageously be chosen so that it has a slightly lower value than the self-timer supply voltage.
Die Steuereinheit des Impulsgenerators ist mit jedem Impulserzeugungsabschnitt der Impulserzeugungseinheit über den Steuereingang des jeweiligen Impulserzeugungsabschnitts signaltechnisch verbunden, um jedem Impulserzeugungsabschnitt Triggersignale zuführen zu können, sodass die Transistoranordnung des jeweiligen Impulserzeugungsabschnitts getriggert wird. Die Steuereinheit erzeugt eine Triggersignalsequenz, die mehrere zeitlich zueinander versetzte Triggersignale umfasst. Die einzelnen zeitlich zueinander versetzten Triggersignale werden sequentiell, d.h. zeitlich nacheinander verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten zugeführt, sodass die Transistoranordnungen der verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte sequentiell getriggert werden. Dies führt dazu, dass die Impulserzeugungseinheit an ihrem Ausgangsanschluss eine Ausgangsimpulssequenz erzeugt. Diese Ausgangsimpulssequenz umfasst mehrere zeitlich zueinander versetzte Ausgangsimpulse, die von unterschiedlichen, mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Impulserzeugungsabschnitten erzeugt werden.The control unit of the pulse generator is signal-connected to each pulse generating section of the pulse generating unit via the control input of the respective pulse generating section to be able to supply trigger signals to each pulse generating section so that the transistor arrangement of the respective pulse generating section is triggered. The control unit generates a trigger signal sequence comprising a plurality of trigger signals offset in time with respect to one another. The individual timing signals offset in time are sequentially, i. time sequentially supplied to different pulse generating sections, so that the transistor arrangements of the various pulse generating sections are sequentially triggered. As a result, the pulse generation unit generates an output pulse sequence at its output terminal. This output pulse sequence comprises a plurality of temporally offset output pulses which are generated by different pulse generating sections connected to the output terminal.
Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, dass die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte sequentiell, d.h. zeitlich nacheinander, Ausgangsimpulse erzeugen, die am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit einer Ausgangssignalsequenz zeitlich zueinander versetzter Ausgangsimpulse ergeben. So ist es bspw. denkbar, dass die Impulserzeugungseinheit die Triggersignale den verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten so zuführt, dass zunächst ein erster Impulserzeugungsabschnitt einen Ausgangsimpuls erzeugt, dann ein zweiter Impulserzeugungsabschnitt einen Ausgangsimpuls erzeugt, dann ein dritter Impulserzeugungsabschnitt einen Ausgangsimpuls erzeugt usw., bis der letzte Impulserzeugungsabschnitt der Impulserzeugungseinheit einen Ausgangsimpuls erzeugt. Vorteilhaft kann bspw. die Reihenfolge der Impulserzeugung anschließend wieder beim ersten Impulserzeugungsabschnitt beginnen.It is thus provided according to the invention that the different pulse generation sections are sequential, i. successively in time, generate output pulses which result at the output terminal of the pulse generation unit of an output signal sequence temporally mutually offset output pulses. For example, it is conceivable that the pulse generating unit supplies the trigger signals to the various pulse generating sections so that first a pulse generating section generates an output pulse, then a second pulse generating section generates an output pulse, then a third pulse generating section generates an output pulse, etc. until the last pulse generating section Pulse generating unit generates an output pulse. Advantageously, for example, the sequence of pulse generation can then begin again at the first pulse generation section.
Die Erfindung erlaubt durch den Einsatz von Lawinentransistoren die Erzeugung von Impulsen mit großer Amplitude, sehr kurzer Impulsdauer und sehr kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten. Werden beispielsweise als Lawinentransistoren Bipolartransistoren vom Typ 2N2369 verwendet, so ist es mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator problemlos möglich, als Ausgangsimpulse Spannungsimpulse mit einer Anstiegszeit von 2 ns, einer Halbwertsbreite von 10 ns und einer Amplitude von mehreren zehn Volt zu erzeugen.The invention allows the generation of pulses with large amplitude, very short pulse duration and very short rise and fall times by the use of avalanche transistors. If, for example, bipolar transistors of the type 2N2369 are used as avalanche transducers, it is easily possible with the pulse generator according to the invention to generate voltage pulses with a rise time of 2 ns, a half-width of 10 ns and an amplitude of several tens of volts as output pulses.
Darüber hinaus liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik darin, dass durch die Verwendung mehrerer Impulserzeugungsabschnitte und durch die sequentielle Ansteuerung dieser Impulserzeugungsabschnitte mit Triggersignalen (d. h. das sequentielle Triggern) eine Erzeugung derartiger Impulse mit sehr hoher Wiederholfrequenz möglich ist.Moreover, a significant advantage of the invention over the prior art is that by using a plurality of pulse generating sections and sequentially driving these pulse generating sections with trigger signals (i.e., sequential triggering), it is possible to generate such pulses at a very high repetition rate.
Die Impulserzeugung wird durch die Nutzung mehrerer Impulserzeugungsabschnitte und deren sequentielle Ansteuerung parallelisiert. Erfindungsgemäß können dadurch vorteilhaft die oben genannten limitierenden Faktoren, nämlich die maximale Ladegeschwindigkeit der Ladungsspeicherelemente und die maximal zulässige Leistungsaufnahme der Lawinentransistoren, umgangen werden.Pulse generation is parallelized by the use of multiple pulse generation sections and their sequential control. According to the invention, the abovementioned limiting factors, namely the maximum charging speed of the charge storage elements and the maximum permissible power consumption of the avalanche transistors, can be advantageously avoided.
Durch die Verwendung mehrerer Impulserzeugungsabschnitte und deren sequentielle Ansteuerung wird nämlich zum einen erreicht, dass bei gegebener Wiederholfrequenz der Impulserzeugung die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulserzeugungsvorgängen eines bestimmten Impulserzeugungsabschnitts vervielfacht wird, sodass zwischen zwei Impulserzeugungsvorgängen eines bestimmten Impulserzeugungsabschnitts eine längere Zeitspanne zum Laden des Ladungsspeicherelementes des Impulserzeugungsabschnitts zur Verfügung steht. Zum anderen verteilt sich die Leistungsaufnahme der Lawinentransistoren bei Verwendung mehrerer Impulserzeugungsabschnitte und deren sequentieller Ansteuerung auf die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte, sodass sich pro Impulserzeugungsabschnitt eine deutlich geringere Leistungsaufnahme ergibt. Dies hat eine geringere Erwärmung der einzelnen Lawinentransistoren zur Folge, sodass deren Beschädigung oder Zerstörung vermieden werden kann.Namely, by using a plurality of pulse generating sections and sequentially driving them, at a given repetition frequency of pulse generation, the time between two consecutive pulse generating operations of a particular pulse generating section is multiplied, so that between two pulse generating operations of a certain pulse generating section, a longer period for charging the charge storing element of the pulse generating section Available. On the other hand, the power consumption of the avalanche transistors when using multiple pulse generating sections and their sequential control distributed to the different pulse generating sections, so that per pulse generating section results in a significantly lower power consumption. This results in less heating of the individual avalanche transistors, so that their damage or destruction can be avoided.
Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, deutlich höhere Wiederholfrequenzen der Impulserzeugung zu realisieren, ohne dass die durch die Ladegeschwindigkeit der Ladungsspeicherelemente oder die Leistungsaufnahme der Lawinentransistoren vorgegebenen Grenzen erreicht werden. Weist die Impulserzeugungseinheit beispielsweise acht Impulserzeugungsabschnitte auf, so ist es mit dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator problemlos möglich, Spannungsimpulse der zuvor genannten Art, d. h. Spannungsimpulse mit einer Anstiegszeit von 2 ns, einer Halbwertsbreite von 10 ns und einer Amplitude von mehreren zehn Volt, mit einer Wiederholfrequenz von 25 MHz zu erzeugen. In this way, it is advantageously possible to realize significantly higher repetition frequencies of the pulse generation, without reaching the limits imposed by the charging rate of the charge storage elements or the power consumption of the avalanche transistors. If the pulse generation unit has, for example, eight pulse generation sections, it is easily possible with the pulse generator according to the invention, voltage pulses of the aforementioned type, ie voltage pulses with a rise time of 2 ns, a half width of 10 ns and an amplitude of several tens of volts, with a repetition frequency of 25 MHz to produce.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Impulsgenerators liegt in seiner theoretisch unbegrenzten Skalierbarkeit. Um höhere Wiederholfrequenzen der Impulserzeugung zu realisieren, kann die Anzahl der Impulserzeugungsabschnitte des Impulsgenerators theoretisch beliebig erhöht werden.Another advantage of the pulse generator according to the invention lies in its theoretically unlimited scalability. In order to realize higher repetition frequencies of the pulse generation, the number of pulse generation sections of the pulse generator can theoretically be arbitrarily increased.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Impulsgenerator mindestens eine Kühleinheit aufweisen, die dazu eingerichtet ist, den Impulsgenerator zu kühlen. Eine solche Kühleinheit kann bspw. ein Lüfter, d.h. ein Kühlventilator, sein. Der Lüfter kann dabei bspw. über den Impulserzeugungsabschnitten, insbesondere über den Transistoranordnungen, angeordnet sein.In an advantageous development of the invention, the pulse generator may comprise at least one cooling unit, which is adapted to cool the pulse generator. Such a cooling unit may, for example, be a fan, i. a cooling fan. The fan may, for example, be arranged above the pulse generation sections, in particular via the transistor arrangements.
Eine solche Kühleinheit bietet den Vorteil, dass eine unzulässig hohe Erwärmung der Lawinentransistoren vermieden werden kann und sich auf diese Weise ceteris paribus größere Wiederholfrequenzen der Impulserzeugung realisieren lassen.Such a cooling unit offers the advantage that an inadmissibly high heating of the avalanche transistors can be avoided and in this way ceteris paribus can be realized greater repetition frequencies of the pulse generation.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Impulserzeugungseinheit keinen mit den Transistoranordnungen der Impulserzeugungsabschnitte verbundenen Kühlkörper auf. Ein solcher Kühlkörper kann grundsätzlich als Wärmesenke genutzt werden, um der Erwärmung der Transistoranordnungen entgegenzuwirken. Vorteilhaft ist es aber, auf einen solchen Kühlkörper zu verzichten, da auf diese Weise die parasitären Kapazitäten an den Transistoranschlüssen reduziert werden können.In a further advantageous development of the invention, the pulse generation unit has no heat sink connected to the transistor arrangements of the pulse generation sections. Such a heat sink can basically be used as a heat sink to counteract the heating of the transistor arrangements. However, it is advantageous to dispense with such a heat sink, since in this way the parasitic capacitances at the transistor terminals can be reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten die zeitlich zueinander versetzten Triggersignale sequentiell und zyklisch zuzuführen. Dabei wird in jedem Zyklus jedem Impulserzeugungsabschnitt mindestens ein Triggersignal zugeführt. Vorteilhaft kann dabei insbesondere in jedem Zyklus jedem Impulserzeugungsabschnitt dieselbe Anzahl von Triggersignalen zugeführt werden. Vorteilhaft kann dabei in jedem Zyklus jedem Impulserzeugungsabschnitt insbesondere genau ein Triggersignal zugeführt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control unit is set up to sequentially and cyclically supply the different pulse generation sections to the trigger signals offset in time. In this case, at least one trigger signal is supplied to each pulse generation section in each cycle. Advantageously, the same number of trigger signals can be supplied to each pulse generation section, in particular in each cycle. Advantageously, in each cycle, exactly one trigger signal can be supplied to each pulse generation section in particular.
Es wird somit vorgeschlagen, dass sich die Abfolge der Impulserzeugung durch die einzelnen Impulserzeugungsabschnitte zyklisch wiederholt. Weist bspw. der Impulsgenerator N Impulserzeugungsabschnitte auf, so können die am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit erzeugten Ausgangsimpulse durch die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte bspw. in der folgenden Abfolge erzeugt werden: Impulserzeugungsabschnitt
Eine solche zyklische Zuführung der Triggersignale zu den Impulserzeugungsabschnitten bewirkt demnach eine zyklische Erzeugung der Ausgangsimpulse durch die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte. Dies bietet den Vorteil, dass mit einer begrenzten Anzahl von Impulserzeugungsabschnitten eine unendlich lange Ausgangsimpulssequenz erzeugt werden kann. Darüber hinaus bietet die vorgesehene gleichmäßige Verteilung der Triggersignale auf die verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte den Vorteil, dass die Last der Impulserzeugung, insbesondere die damit verbundene Leistungsaufnahme der Lawinentransistoren und die für das Aufladen der Ladungsspeicherelemente benötigte Zeit, ebenfalls gleichmäßig auf die verschiedenen Pulserzeugungsabschnitte verteilt wird, sodass deren Leistungsfähigkeit optimal ausgenutzt werden kann.Such cyclical supply of the trigger signals to the pulse generating sections thus causes cyclic generation of the output pulses by the various pulse generating sections. This offers the advantage that with a limited number of pulse generation sections an infinitely long output pulse sequence can be generated. Moreover, the intended even distribution of the trigger signals to the various pulse generating sections offers the advantage that the load of the pulse generation, in particular the associated power consumption of the avalanche transistors and the time required for charging the charge storage elements, is equally distributed among the various pulse generating sections, so that their Performance can be optimally utilized.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Impulserzeugungsabschnitte zueinander parallel geschaltet sind.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the pulse generation sections are connected in parallel to each other.
Eine solche Parallelschaltung der Impulserzeugungsabschnitte kann bspw. dadurch erfolgen, dass die Impulserzeugungsabschnitte zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss, über den die Ladeschaltung mit der Versorgungsspannung verbindbar ist, und dem Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit parallel geschaltet sind.Such a parallel connection of the pulse generation sections may, for example, be effected in that the pulse generation sections are connected in parallel between a supply voltage connection, via which the charging circuit can be connected to the supply voltage, and the output connection of the pulse generation unit.
Eine solche Parallelschaltung der Impulserzeugungsabschnitte bietet den Vorteil, dass sich mit einer vergleichsweise einfachen Schaltungsstruktur die Parallelisierung der Impulserzeugung im Sinne der vorliegenden Erfindung, d.h. die Verwendung mehrerer Impulserzeugungsabschnitte und deren sequentielle Ansteuerung durch die Steuereinheit, realisieren lässt.Such a parallel connection of the pulse generating sections offers the advantage that, with a comparatively simple circuit structure, the parallelization of the pulse generation in the sense of the present invention, i. the use of multiple pulse generating sections and their sequential control by the control unit, can be realized.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ladungsspeicherelement einen Kondensator umfasst. In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung kann das Ladungsspeicherelement insbesondere aus einem einzigen Kondensator bestehen.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the charge storage element comprises a capacitor. In a simple embodiment of the invention the charge storage element in particular consist of a single capacitor.
Eine solche Realisierung des Ladungsspeicherelementes als Kondensator bietet den Vorteil einer kompakten Bauform und erlaubt vorteilhaft die Erzeugung kurzer, nadelförmiger Ausgangsimpulse durch eine schnelle Entladung des Kondensators.Such a realization of the charge storage element as a capacitor offers the advantage of a compact design and advantageously allows the generation of short, needle-shaped output pulses by a rapid discharge of the capacitor.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ladungsspeicherelement eine Verzögerungsleitung (Delay Line) umfasst. Das Ladungsspeicherelement kann dabei insbesondere einen Leitungsabschnitt einer elektrischen Leitung umfassen. Insbesondere kann das Ladungsspeicherelement einen Leitungsabschnitt einer Koaxialleitung, einen Leitungsabschnitt einer Streifenleitung und/oder einen Leitungsabschnitt eines sonstigen elektrischen Wellenleiters umfassen.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the charge storage element comprises a delay line (delay line). The charge storage element may in particular comprise a line section of an electrical line. In particular, the charge storage element may comprise a line section of a coaxial line, a line section of a strip line and / or a line section of another electrical waveguide.
In einer einfachen Ausführungsform dieser Weiterbildung der Erfindung besteht das Ladungsspeicherelement nur aus einer einzigen Verzögerungsleitung der genannten Art.In a simple embodiment of this development of the invention, the charge storage element consists only of a single delay line of the type mentioned.
Der Leitungsabschnitt der jeweiligen Art hat dabei jeweils die Funktion eines elektrischen Energiespeichers.The line section of the respective type in each case has the function of an electrical energy store.
Der Leitungsabschnitt hat dabei außerdem die Funktion einer Verzögerungsleitung (Delay Line), die auch als Laufzeitleitung bezeichnet wird. Der Leitungsabschnitt der elektrischen Leitung kann daher auch als Verzögerungsleitung, Laufzeitleitung oder Delay Line bezeichnet werden.The line section also has the function of a delay line (delay line), which is also referred to as a delay line. The line section of the electrical line can therefore also be referred to as a delay line, delay line or delay line.
Der Leitungsabschnitt der elektrischen Leitung kann insbesondere ein am Ende offener Leitungsabschnitt, bspw. ein am Ende offener Koaxialleitungsabschnitt oder ein am Ende offener Streifenleitungsabschnitt, sein.The line section of the electrical line may in particular be a line section open at the end, for example a coaxial line section open at the end or a stripline section open at the end.
Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators, bei der das Ladungsspeicherelement eine Verzögerungsleitung umfasst oder aus einer Verzögerungsleitung besteht, bietet den Vorteil, dass auf diese Weise die Erzeugung von Ausgangsimpulsen mit einer definierten Impulsdauer, insbesondere die Erzeugung von rechteckförmigen Ausgangsimpulsen mit einer definierten Impulsdauer, möglich ist. Die Impulsdauer wird dabei durch die Länge der Verzögerungsleitung und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle auf der Verzögerungsleitung bestimmt.Such an embodiment of the pulse generator according to the invention, in which the charge storage element comprises a delay line or consists of a delay line, offers the advantage that in this way the generation of output pulses with a defined pulse duration, in particular the generation of rectangular output pulses with a defined pulse duration, is possible , The pulse duration is determined by the length of the delay line and the propagation speed of the electromagnetic wave on the delay line.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Impulserzeugungsabschnitte jeweils eine zwischen den Steuereingang und die Transistoranordnung geschaltete Ansteuerschaltung zum Ansteuern der Transistoranordnung aufweisen.In a further advantageous development of the invention, it is provided that the pulse generation sections each have a drive circuit connected between the control input and the transistor arrangement for driving the transistor arrangement.
Die Ansteuerschaltung kann dabei einen Abschlusswiderstand aufweisen. Der Abschlusswiderstand schließt eine Verbindungsleitung, über welche die Steuereinheit mit dem Steuereingang des Impulserzeugungsabschnitts signaltechnisch verbunden ist, mit dem Leitungswellenwiderstand dieser Verbindungsleitung ab. Dies bietet den Vorteil, dass eine Reflexion des dem Steuereingang von der Steuereinheit zugeführten Triggersignals vermieden werden kann.The drive circuit can have a terminating resistor. The terminating resistor terminates a connecting line, via which the control unit is signal-connected to the control input of the pulse-generating section, with the line-wave resistance of this connecting line. This offers the advantage that a reflection of the trigger signal supplied to the control input by the control unit can be avoided.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Ansteuerschaltung einen Koppelkondensator aufweisen, der eine kapazitive Kopplung zwischen dem Steuereingang und der Transistoranordnung herstellt. Dies bietet den Vorteil, dass die unerwünschte Übertragung einer Gleichspannungskomponente von der Steuereinheit zum Impulserzeugungsabschnitt verhindert werden kann.Alternatively or additionally, the drive circuit may have a coupling capacitor, which produces a capacitive coupling between the control input and the transistor arrangement. This offers the advantage that the unwanted transmission of a DC component from the control unit to the pulse generating section can be prevented.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann die Ansteuerschaltung einen Signaltransformator aufweisen, der den Steuereingang galvanisch von der Transistoranordnung trennt. Dies bietet den Vorteil, dass die elektromagnetische Verträglichkeit des Impulsgenerators verbessert werden kann, da elektromagnetische Interferenzen, die durch gemeinsame Impedanzen des Impulserzeugungsabschnitts mit der Steuereinheit verursacht werden, reduziert werden können.Alternatively or additionally, the drive circuit may have a signal transformer, which separates the control input galvanically from the transistor arrangement. This offers the advantage that the electromagnetic compatibility of the pulse generator can be improved because electromagnetic interference caused by common impedances of the pulse generation section with the control unit can be reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Ladeschaltung einen Ladewiderstand auf, der zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss, über den die Ladeschaltung mit der Versorgungsspannung verbindbar ist, und die Transistoranordnung geschaltet ist. Mit einem solchen Ladewiderstand kann durch dessen geeignete Dimensionierung vorteilhaft die Stromstärke des Stroms, mit dem das Ladungsspeicherelement geladen wird, auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Darüber hinaus kann durch den Ladewiderstand vorteilhaft verhindert werden, dass es zu einer Selbstauslösung des mindestens einen Lawinentransistors der Transistoranordnung kommt, indem der Kollektorstrom durch den Ladewiderstand begrenzt wird.In a further advantageous development of the invention, the charging circuit has a charging resistor, which is connected between a supply voltage connection, via which the charging circuit can be connected to the supply voltage, and the transistor arrangement. With such a charging resistor can be adjusted by an appropriate dimensioning advantageously the current intensity of the current with which the charge storage element is charged to an appropriate value. In addition, can be advantageously prevented by the charging resistor, that it comes to a self-triggering of the at least one avalanche transistor of the transistor arrangement by the collector current is limited by the charging resistor.
Der Impulsgenerator kann insbesondere Eingabemittel aufweisen, mit denen die Steuereinheit des Impulsgenerators programmiert und/oder konfiguriert werden kann.The pulse generator may in particular comprise input means with which the control unit of the pulse generator can be programmed and / or configured.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Eingabemittel des Impulsgenerators von den übrigen Komponenten des Impulsgenerators, insbesondere von der Steuereinheit und der Impulserzeugungseinheit, galvanisch getrennt sind. Die Eingabemittel können dabei beispielsweise durch einen Optokoppler, insbesondere einen digitalen Optokoppler, und/oder durch eine kapazitive Kopplung und/oder durch eine induktive Kopplung galvanisch getrennt sein. Eine solche galvanische Trennung bietet den Vorteil, dass Interferenzen verringert und die elektromagnetische Verträglichkeit des Impulsgenerators verbessert werden können.In an advantageous development of the invention, it is provided that the input means of the pulse generator are galvanically isolated from the other components of the pulse generator, in particular from the control unit and the pulse generation unit. The input means can do this For example, by an optocoupler, in particular a digital optocoupler, and / or be isolated by a capacitive coupling and / or by an inductive coupling. Such galvanic isolation offers the advantage that interference can be reduced and the electromagnetic compatibility of the pulse generator can be improved.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Transistoranordnung eine Reihenschaltung von Lawinentransistoren und/oder eine Parallelschaltung von Lawinentransistoren und/oder eine aus Lawinentransistoren aufgebaute Marx-Schaltung aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the transistor arrangement has a series connection of avalanche transistors and / or a parallel connection of avalanche transistors and / or a Marx circuit constructed from avalanche transistors.
Eine Reihenschaltung mehrerer Lawinentransistoren bietet den Vorteil, dass die Gesamt-Durchbruchspannung der Transistoranordnung erhöht werden kann, da die in Reihe geschalteten Lawinentransistoren einen Spannungsteiler bilden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit Impulse mit einer größeren Amplitude, insbesondere Spannungsimpulse mit einer größeren Amplitude, zu erzeugen.A series connection of several avalanche transistors offers the advantage that the total breakdown voltage of the transistor arrangement can be increased, since the serially connected avalanche transistors form a voltage divider. As a result, it is advantageously possible to generate pulses having a greater amplitude, in particular voltage pulses having a greater amplitude, at the output terminal of the pulse generation unit.
In ähnlicher Weise kann durch eine Parallelschaltung mehrerer Lawinentransistoren vorteilhaft eine Vergrößerung der durch den Impulserzeugungsabschnitt gelieferten Stromstärke und damit ebenfalls eine Vergrößerung der Amplitude der am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit erzeugten Ausgangsimpulse herbeigeführt werden.Similarly, parallel connection of several avalanche transistors can advantageously bring about an increase in the current intensity delivered by the pulse generation section and thus also an increase in the amplitude of the output pulses generated at the output terminal of the pulse generation unit.
Durch eine aus mehreren Lawinentransistoren aufgebaute Marx-Schaltung ist es vorteilhaft möglich, die Vorteile der zuvor beschriebenen Reihenschaltung mehrerer Lawinentransistoren zu nutzen und auf diese Weise Ausgangsimpulse mit einer größeren Amplitude zu erzeugen. Die Marx-Schaltung bietet dabei gegenüber der Reihenschaltung der Vorteil, dass sie eine geringere Versorgungsspannung zum Laden der Ladungsspeicherelemente erfordert.By virtue of a Marx circuit constructed from a plurality of avalanche transistors, it is advantageously possible to utilize the advantages of the above-described series connection of several avalanche transistors and in this way to generate output pulses with a greater amplitude. The Marx circuit offers the advantage over the series circuit that it requires a lower supply voltage for charging the charge storage elements.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Impulserzeugungsabschnitte miteinander identisch sind. Die Impulserzeugungsabschnitte können dabei insbesondere eine identische Struktur und/oder Bauelemente des gleichen Typs aufweisen.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the pulse generation sections are identical to each other. The pulse generation sections may in particular have an identical structure and / or components of the same type.
Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators, bei dem die Impulserzeugungsabschnitte miteinander identisch sind, bietet den Vorteil, dass die von den verschiedenen Impulserzeugungsabschnitten erzeugten Ausgangsimpulse im Wesentlichen gleiche Eigenschaften, insbesondere im Wesentlichen gleiche Amplituden, Impulsdauern, Anstiegs- und Abfallzeiten, aufweisen. Des Weiteren erleichtert diese Ausführungsform die Erzeugung von Ausgangsimpulsen mit einheitlichen zeitlichen Abständen am Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit. Darüber hinaus bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass ein Impulsgenerator mit einer besonders einfachen Schaltungsstruktur und daraus resultierenden geringen Herstellungskosten bereitgestellt werden kann.Such an embodiment of the pulse generator according to the invention, in which the pulse generation sections are identical to one another, has the advantage that the output pulses generated by the different pulse generation sections have essentially the same properties, in particular substantially equal amplitudes, pulse durations, rise and fall times. Furthermore, this embodiment facilitates the generation of output pulses at uniform time intervals at the output terminal of the pulse generation unit. In addition, this embodiment offers the advantage that a pulse generator with a particularly simple circuit structure and resulting low production costs can be provided.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Impulserzeugungseinheit mindestens vier oder mindestens sechs oder mindestens acht oder mindestens zehn oder mindestens zwölf oder mindestens 16 oder mindestens 20 oder mindestens 100 Impulserzeugungsabschnitte aufweist. Eine höhere Anzahl von Impulserzeugungsabschnitten bietet dabei den Vorteil, dass eine besonders hohe Wiederholfrequenz der Impulserzeugung realisiert werden kann.In a further advantageous development of the invention, it is provided that the pulse generation unit has at least four or at least six or at least eight or at least ten or at least twelve or at least 16 or at least 20 or at least 100 pulse generating sections. A higher number of pulse generating sections offers the advantage that a particularly high repetition frequency of the pulse generation can be realized.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Triggersignal ein Triggerimpuls ist. Der Triggerimpuls kann insbesondere ein Spannungsimpuls sein. Der Triggerimpuls kann insbesondere ein rechteckförmiger Spannungsimpuls sein. Eine solche Form eines Triggersignals bietet den Vorteil, dass das Triggersignal besonders einfach bereitgestellt werden kann, bspw. durch ein FPGA oder einen einfachen Signalgenerator.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the trigger signal is a trigger pulse. The trigger pulse may in particular be a voltage pulse. The trigger pulse may in particular be a rectangular voltage pulse. Such a form of trigger signal has the advantage that the trigger signal can be provided in a particularly simple manner, for example by means of an FPGA or a simple signal generator.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Impulserzeugungseinheit einen mit dem Ausgangsanschluss verbundenen Lastwiderstand aufweist, über dem ein Spannungsimpuls als Ausgangsimpuls abgegriffen werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise am Ausgangsanschluss Spannungsimpulse bereitgestellt werden können, wie sie für eine Vielzahl von Anwendungen, bspw. zur Steuerung von Bildverstärkern, benötigt werden.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the pulse generation unit has a load resistor connected to the output terminal, via which a voltage pulse can be tapped as an output pulse. This offers the advantage that voltage pulses can be provided in a simple manner at the output terminal, as are required for a large number of applications, for example for controlling image intensifiers.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit einen Synchronisierungseingang aufweist und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Erzeugung der Triggersignale der Triggersignalfrequenz zu einem dem Synchronisierungseingang zugeführten Referenzsignal zu synchronisieren. Das Referenzsignal kann dabei insbesondere ein Hochfrequenz-Referenzsignal (HF-Referenzsignal) sein.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control unit has a synchronization input and the control unit is set up to synchronize the generation of the trigger signals of the trigger signal frequency to a reference signal supplied to the synchronization input. The reference signal may in particular be a high-frequency reference signal (RF reference signal).
Eine solche Synchronisierung der Steuereinheit lässt sich z.B. durch eine Clock-Recovery-Schaltung realisieren, die ein HF-Referenzsignal in ein Digitalsignal, bspw. ein CMOS-Digitalsignal, konvertiert, das als Clock-Eingangssignal (Takt-Eingangssignal) für die Erzeugung der Triggersignale in der Steuereinheit genutzt werden kann.Such synchronization of the control unit can e.g. realized by a clock recovery circuit which converts an RF reference signal into a digital signal, for example. A CMOS digital signal, which can be used as a clock input signal (clock input signal) for generating the trigger signals in the control unit.
Eine solche Möglichkeit zur Synchronisierung der Steuereinheit zu einem Referenzsignal bietet den Vorteil, dass sie den Einsatz des Impulsgenerators zur Untersuchung sich wiederholender dynamischer Prozesse erlaubt. Wird der Impulsgenerator bspw. zur Ansteuerung eines Bildverstärkers als Teil eines bildgebenden Systems verwendet, so wird durch das Time Gating des Bildverstärkers die Anzahl von Photonen, die pro Zeiteinheit erfasst werden, reduziert. Um Bilder mit hinreichender Qualität erzeugen zu können, können aus diesem Grund mehrere Gating-Zyklen notwendig sein. Die Synchronisierung der Steuereinheit des Impulsgenerators zu einem Referenzsignal erlaubt dabei vorteilhaft eine Synchronisierung der dem Gate-Eingang des Bildverstärkers zugeführten Impulse (sogenannte Gating-Impulse) zu dem externen Referenzsignal. Auf diese Weise ist es möglich, Bilder aus mehreren Gating-Zyklen zu erzeugen, indem phasengleiche Bilder des sich wiederholenden dynamischen Prozesses in verschiedenen Wiederholungen des Prozesses erfasst und auf diese Weise die erfassten Lichtstärken kumuliert werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn Bilder von Objekten oder Prozessen erfasst werden sollen, die sehr geringe Lichtintensitäten oder Lichtstärken erzeugen. Such a possibility of synchronizing the control unit to a reference signal offers the advantage that it allows the use of the pulse generator to investigate repetitive dynamic processes. If, for example, the pulse generator is used to drive an image intensifier as part of an imaging system, the time gating of the image intensifier reduces the number of photons detected per unit of time. For this reason, multiple gating cycles may be necessary to produce images of sufficient quality. The synchronization of the control unit of the pulse generator to a reference signal advantageously allows a synchronization of the gate input of the image intensifier supplied pulses (so-called gating pulses) to the external reference signal. In this way, it is possible to generate images from multiple gating cycles by capturing in-phase images of the repeating dynamic process in various iterations of the process, thereby accumulating the detected intensities of light. This is particularly advantageous when images of objects or processes are to be detected, which generate very low light intensities or light intensities.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ein konfigurierbares Verzögerungsglied aufweist, mit dem die Phasenverschiebung zwischen dem Referenzsignal und den Triggersignalen der Triggersignalsequenz konfiguriert werden kann. Dies bietet bspw. bei der Verwendung des Impulsgenerators in Zusammenhang mit einem bildgebenden System den Vorteil, dass die Erfassung statischer Bilder möglich wird, die verschiedene Phasen der zeitlichen Entwicklung eines beobachteten dynamischen Prozesses wiedergeben, d.h. verschiedene Phasen des dynamischen Prozesses können durch das bildgebende System erfasst werden, indem das bildgebende System mit einer entsprechend konfigurierten Verzögerung des Impulsgenerators angesteuert wird.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control unit has a configurable delay element with which the phase shift between the reference signal and the trigger signals of the trigger signal sequence can be configured. For example, in the use of the pulse generator in conjunction with an imaging system, this provides the advantage of enabling the acquisition of static images representing different phases of the temporal evolution of an observed dynamic process, i. Various phases of the dynamic process may be detected by the imaging system by driving the imaging system with a correspondingly configured delay of the pulse generator.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lawinentransistoren der verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte übereinstimmende elektrische Parameter, insbesondere übereinstimmende Durchbruchspannungen, aufweisen. Dies bietet den Vorteil, dass auf diese Weise die Erzeugung einer Ausgangsimpulssequenz möglich ist, die Ausgangsimpulse mit einheitlichen zeitlichen Abständen aufweist und/oder Ausgangsimpulse mit einem besonders gleichförmigem Erscheinungsbild aufweist, d. h. Ausgangsimpulse mit in besonders hohem Maße übereinstimmenden Eigenschaften (z.B. Amplitude, Impulsdauer, Anstiegs- und Abfallzeiten) aufweist.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the avalanche transistors of the various pulse generation sections have matching electrical parameters, in particular matching breakdown voltages. This offers the advantage that in this way the generation of an output pulse sequence is possible which has output pulses with uniform time intervals and / or output pulses having a particularly uniform appearance, d. H. Output pulses having highly consistent characteristics (e.g., amplitude, pulse duration, rise and fall times).
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versorgungsspannungen der Impulserzeugungsabschnitte unterschiedlich sind. Alternativ oder ergänzend hierzu können die Versorgungsspannungen der Impulserzeugungsabschnitte unabhängig voneinander konfigurierbar sein. Alternativ oder ergänzend hierzu können die Versorgungsspannungen der Impulserzeugungsabschnitte jeweils an eine Durchbruchspannung des mindestens einen Lawinentransistors des jeweiligen Impulserzeugungsabschnitts angepasst sein.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the supply voltages of the pulse generating sections are different. Alternatively or additionally, the supply voltages of the pulse generation sections can be configured independently of each other. Alternatively or additionally, the supply voltages of the pulse generation sections can each be adapted to a breakdown voltage of the at least one avalanche transistor of the respective pulse generation section.
Diese vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Impulsgenerators bieten den Vorteil, dass durch die unterschiedlichen bzw. konfigurierbaren bzw. angepassten Versorgungsspannungen individuell verschiedene elektrische Parameter, insbesondere individuell verschiedene Durchbruchspannungen, der Lawinentransistoren der verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte kompensiert werden können. So ist es auf diese Weise vorteilhaft möglich, trotz unterschiedlicher elektrischer Parameter der Lawinentransistoren der verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte die Erzeugung einer Ausgangsimpulssequenz von Ausgangsimpulsen mit einheitlichen zeitlichen Abständen und einer einheitlichen Erscheinungsform im Hinblick auf ihre Eigenschaften, d.h. insbesondere Amplitude, Impulsdauer, Anstiegs- und Abfallzeiten der Impulse, herbeizuführen.These advantageous developments of the pulse generator according to the invention have the advantage that individually different electrical parameters, in particular individually different breakdown voltages, of the avalanche transistors of the different pulse generation sections can be compensated by the different or configurable or adjusted supply voltages. Thus, in spite of different electrical parameters of the avalanche transistors of the various pulse generating sections, it is advantageously possible to produce an output pulse sequence of output pulses with uniform time intervals and a uniform appearance in terms of their properties, i.e., their output characteristics. in particular amplitude, pulse duration, rise and fall times of the pulses to bring about.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ein FPGA aufweist. Dies bietet den Vorteil, dass aufgrund der Vielseitigkeit eines FPGAs verschiedene Funktionalitäten der Steuereinheit im FPGA implementiert werden können. Hierzu gehören bspw. die Erzeugung eines Taktsignals (Clock), die Bereitstellung fester und einstellbarer Verzögerungen sowie die Erzeugung der Triggersignale, bspw. in Form von Triggerimpulsen.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control unit has an FPGA. This offers the advantage that, due to the versatility of an FPGA, different functionalities of the control unit can be implemented in the FPGA. These include, for example, the generation of a clock signal (clock), the provision of fixed and adjustable delays and the generation of the trigger signals, for example in the form of trigger pulses.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Impulsgenerator dazu eingerichtet ist, die Ausgangsimpulse der Ausgangsimpulssequenz mit einer Wiederholfrequenz von mindestens 10 MHz oder von mindestens 20 MHz oder von mindestens 25 MHz zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, dass der Impulsgenerator auch für Anwendungszwecke, welche die Bereitstellung von Impulssequenzen mit einer besonders hohen Wiederholfrequenz erfordern, eingesetzt werden kann.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the pulse generator is adapted to generate the output pulses of the output pulse sequence with a repetition frequency of at least 10 MHz or at least 20 MHz or at least 25 MHz. This offers the advantage that the pulse generator can also be used for applications which require the provision of pulse sequences with a particularly high repetition frequency.
Die zweite eingangs genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Prüfverfahren zum Bestimmen einer Durchbruchspannung eines Bipolartransistors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18. Der Bipolartransistor kann dabei insbesondere ein Lawinentransistor sein.The second object mentioned above is achieved by a test method for determining a breakdown voltage of a bipolar transistor having the features of
In Schritt a) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens wird eine Testschaltung bereitgestellt. In step a) of the test method according to the invention, a test circuit is provided.
Die Testschaltung weist einen mit der Basis des Bipolartransistors verbindbaren Basisanschluss, einen mit dem Kollektor des Bipolartransistors verbindbaren Kollektoranschluss und einen mit dem Emitter des Bipolartransistors verbindbaren Emitteranschluss auf.The test circuit has a base terminal connectable to the base of the bipolar transistor, a collector terminal connectable to the collector of the bipolar transistor, and an emitter terminal connectable to the emitter of the bipolar transistor.
Die Testschaltung weist darüber hinaus eine einstellbare Spannungsquelle auf, die eine einstellbare Testspannung liefert.The test circuit further includes an adjustable voltage source that provides an adjustable test voltage.
Des Weiteren weist die Testschaltung eine zwischen den Kollektoranschluss und die einstellbare Spannungsquelle geschaltete Ladeschaltung auf. Die Ladeschaltung weist dabei mindestens ein zum Speichern einer elektrischen Ladung eingerichtetes Ladungsspeicherelement auf, das mit einer von der einstellbaren Spannungsquelle bereitgestellten elektrischen Ladung aufladbar ist.Furthermore, the test circuit has a charging circuit connected between the collector terminal and the adjustable voltage source. In this case, the charging circuit has at least one charge storage element configured to store an electrical charge, which can be charged with an electrical charge provided by the adjustable voltage source.
Die Testschaltung weist außerdem eine mit dem Emitteranschluss verbundene Lastwiderstandsanordnung auf, die mindestens einen Lastwiderstand umfasst.The test circuit also has a load resistor arrangement connected to the emitter terminal, which comprises at least one load resistor.
Die Testschaltung weist darüber hinaus eine mit dem Basisanschluss verbundene Ansteuerschaltung auf. Die Ansteuerschaltung weist dabei einen Signalgenerator auf und ist so eingerichtet, dass dem Basisanschluss eine von dem Signalgenerator erzeugte Sequenz von Triggersignalen zugeführt wird. Die Triggersignale haben dabei die Form von Spannungsimpulsen.The test circuit furthermore has a drive circuit connected to the base terminal. The drive circuit in this case has a signal generator and is set up such that a sequence of trigger signals generated by the signal generator is supplied to the base terminal. The trigger signals have the form of voltage pulses.
Die Testschaltung weist des Weiteren eine Spannungsmesseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, den zeitlichen Verlauf einer über der Lastwiderstandsanordnung abfallenden Ausgangsspannung zu messen und anzuzeigen. Eine solche Spannungsmesseinrichtung kann bspw. ein Oszilloskop sein.The test circuit further comprises a voltage measuring device, which is set up to measure and display the time profile of an output voltage drop across the load resistor arrangement. Such a voltage measuring device can be, for example, an oscilloscope.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ist vorgesehen, dass ein zu prüfender Bipolartransistor bereitgestellt wird. Der zu prüfende Bipolartransistor kann dabei insbesondere ein Lawinentransistor sein.In step b) of the test method according to the invention it is provided that a bipolar transistor to be tested is provided. The bipolar transistor to be tested may in particular be a avalanche transistor.
In Schritt c) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ist vorgesehen, dass der zu prüfende Bipolartransistor mit der Testschaltung verbunden wird. Dabei werden die Basis des Bipolartransistors mit dem Basisanschluss der Testschaltung, der Emitter des Bipolartransistors mit dem Emitteranschluss der Testschaltung und der Kollektor des Bipolartransistors mit dem Kollektoranschluss der Testschaltung verbunden.In step c) of the test method according to the invention, it is provided that the bipolar transistor to be tested is connected to the test circuit. In this case, the base of the bipolar transistor is connected to the base terminal of the test circuit, the emitter of the bipolar transistor to the emitter terminal of the test circuit and the collector of the bipolar transistor to the collector terminal of the test circuit.
In Schritt d) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens ist vorgesehen, dass die einstellbare Testspannung, die von der einstellbaren Spannungsquelle geliefert wird, erhöht wird, bis die Spannungsmesseinrichtung als zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung eine beständige Spannungsimpulsfolge anzeigt.In step d) of the test method according to the invention, it is provided that the adjustable test voltage, which is supplied by the adjustable voltage source, is increased until the voltage measuring device displays a stable voltage pulse sequence as a time profile of the output voltage.
Unter einer beständigen Spannungsimpulsfolge wird dabei eine Folge von Spannungsimpulsen verstanden, die eine konstante Amplitude aufweisen, wobei für jedes dem Basisanschluss zugeführte Triggersignal ein Spannungsimpuls erzeugt wird. Eine konstante Amplitude der Spannungsimpulse kann dabei bspw. durch Grenzwerte definiert werden. Bspw. kann die Amplitude der Spannungsimpulse dann als konstant betrachtet werden, wenn die Amplitude der Spannungsimpulse um weniger als ±0,4 V und/oder um weniger als ±1 % variiert.A continuous voltage pulse sequence is understood to be a sequence of voltage pulses which have a constant amplitude, a voltage pulse being generated for each trigger signal supplied to the base terminal. A constant amplitude of the voltage pulses can be defined, for example, by limiting values. For example. For example, the amplitude of the voltage pulses may be considered constant if the amplitude of the voltage pulses varies less than ± 0.4 V and / or less than ± 1%.
Während des Prüfvorgangs führt die Ansteuerschaltung dem Basisanschluss kontinuierlich die von dem Signalgenerator erzeugte Sequenz von Spannungsimpulsen zu. Dadurch wird der mit dem Basisanschluss verbundene zu prüfende Bipolartransistor in regelmäßigen Abständen getriggert.During the test procedure, the drive circuit continuously supplies to the base terminal the sequence of voltage pulses generated by the signal generator. As a result, the bipolar transistor to be tested connected to the base terminal is triggered at regular intervals.
Wenn die Spannungsmesseinrichtung eine beständige Spannungsimpulsfolge anzeigt, so kann daraus abgeleitet werden, dass der zu prüfende Bipolartransistor in Folge der seiner Basis zugeführten Triggersignale in regelmäßigen Abständen auslöst, d.h. von einem gesperrten Zustand in einen leitenden Zustand übergeht und dadurch in regelmäßigen Abständen Spannungsimpulse an der Lastwiderstandsanordnung erzeugt.If the voltage measuring device indicates a stable voltage pulse sequence, then it can be deduced that the bipolar transistor to be tested triggers at regular intervals as a result of the trigger signals applied to its base, i. from a locked state to a conductive state, thereby generating voltage pulses on the load resistor array at regular intervals.
Die beständige Spannungsimpulsfolge zeigt also an, dass die eingestellte Testspannung ausreichend groß ist, um ein Auslösen des Bipolartransistors herbeizuführen, wenn dessen Basis durch das Triggersignal getriggert wird. Gleichzeitig lässt die beständige Spannungsimpulsfolge erkennen, dass die eingestellte Testspannung nicht so groß ist, dass eine Selbstauslösung des zu prüfenden Bipolartransistors, d.h. ein Auslösen ohne Zuführung eines Triggersignals, herbeigeführt wird. Die eingestellte Testspannung ist demnach dazu geeignet, in der für einen Einsatz des Bipolartransistors in einem Impulsgenerator gewünschten Weise einen Übergang des Bipolartransistors von dem gesperrten Zustand in den leitenden Zustand herbeizuführen, wenn der Basis des zu prüfenden Bipolartransistors das Triggersignal zugeführt wird.The persistent voltage pulse sequence thus indicates that the set test voltage is sufficiently large to cause the bipolar transistor to trip when its base is triggered by the trigger signal. At the same time, the persistent voltage pulse train indicates that the set test voltage is not so high that self-triggering of the bipolar transistor under test, i. triggering without supplying a trigger signal, is brought about. The set test voltage is therefore suitable for bringing about a transition of the bipolar transistor from the locked state to the conductive state in the manner desired for use of the bipolar transistor in a pulse generator when the trigger signal is supplied to the base of the bipolar transistor to be tested.
In Schritt e) des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens wird daher die zuletzt eingestellte Testspannung als Durchbruchspannung des zu prüfenden Bipolartransistors bestimmt. Die als Ergebnis des Prüfverfahrens ermittelte Durchbruchspannung des zu prüfenden Bipolartransistors ergibt sich somit als die zuletzt eingestellte Testspannung.In step e) of the test method according to the invention, therefore, the last set test voltage is determined as the breakdown voltage of the bipolar transistor to be tested. The breakdown voltage of the to be tested bipolar transistor thus results as the last set test voltage.
Wie eingangs bereits erläutert wurde, können die für Impulsgeneratoren eingesetzten Bipolartransistoren, insbesondere Lawinentransistoren, wegen schwer vermeidbarer Fertigungstoleranzen auch dann deutlich voneinander abweichende Eigenschaften, d.h. Kennwerte und Kennlinien, aufweisen, wenn der Transistortyp der eingesetzten Transistoren identisch ist. Dies führt dazu, dass die Eigenschaften der mit Hilfe dieser Transistoren erzeugten Impulse unvorhersehbar variieren.As already explained, the bipolar transistors used for pulse generators, in particular avalanche transients, can also have distinctly different properties, i.e., differing production tolerances, which are difficult to avoid. Characteristics and characteristics, have, if the transistor type of the transistors used is identical. As a result, the characteristics of the pulses generated by these transistors vary unpredictably.
Das erfindungsgemäße Prüfverfahren bietet daher den Vorteil, dass es eine Bestimmung der Durchbruchspannung des zu prüfenden Bipolartransistors ermöglicht, sodass die Parameter des Impulsgenerators, insbesondere der Wert der Versorgungsspannung und die Amplitude der Triggerimpulse, an die mit Hilfe des Prüfverfahrens bestimmte Durchbruchspannung des Transistors angepasst werden können. Darüber hinaus ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens vorteilhaft möglich, aus einer Menge von Bipolartransistoren, insbesondere Lawinentransistoren, diejenigen Transistoren auszuwählen, die übereinstimmende Durchbruchspannungen aufweisen, oder zumindest diejenigen Transistoren auszusortieren, deren Durchbruchspannung deutlich von der Durchbruchspannung der übrigen Transistoren abweicht.The test method according to the invention therefore offers the advantage that it enables a determination of the breakdown voltage of the bipolar transistor to be tested so that the parameters of the pulse generator, in particular the value of the supply voltage and the amplitude of the trigger pulses, can be adapted to the breakdown voltage of the transistor determined by means of the test method , In addition, it is advantageously possible with the aid of the test method according to the invention to select from a set of bipolar transistors, in particular avalanche transistors, those transistors which have matching breakdown voltages, or at least to sort out those transistors whose breakdown voltage deviates significantly from the breakdown voltage of the other transistors.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Prüfverfahren somit insbesondere dazu verwendet werden, die Durchbruchspannung von Lawinentransistoren eines Impulsgenerators, insbesondere eines erfindungsgemäßen Impulsgenerators der zuvor beschriebenen Art, zu bestimmen.Advantageously, the test method according to the invention can thus be used in particular to determine the breakdown voltage of avalanche transistors of a pulse generator, in particular of a pulse generator according to the invention of the type described above.
Die eingangs genannte zweite Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Auswahlverfahren zum Auswählen von Bipolartransistoren, die übereinstimmende Durchbruchspannungen aufweisen. Die Bipolartransistoren können dabei insbesondere Lawinentransistoren sein.The aforementioned second object is further achieved by a selection method for selecting bipolar transistors having matching breakdown voltages. The bipolar transistors may be avalanche transistors in particular.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Auswahlverfahrens ist vorgesehen, dass eine Anzahl zu prüfender Bipolartransistoren desselben Typs bereitgestellt wird. Die Bipolartransistoren können dabei insbesondere Lawinentransistoren desselben Typs sein. Die Bipolartransistoren können dabei bspw. Lawinentransistoren vom Typ 2N2369 sein.In a first step of the selection method according to the invention, provision is made for a number of bipolar transistors of the same type to be tested to be provided. In particular, the bipolar transistors may be avalanche transistors of the same type. The bipolar transistors can be, for example, avalanche transistors of the type 2N2369.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Auswahlverfahrens ist vorgesehen, dass die Durchbruchspannung jedes zu prüfenden Bipolartransistors durch ein Prüfverfahren der zuvor beschriebenen Art bestimmt wird.In a further step of the selection method according to the invention, it is provided that the breakdown voltage of each bipolar transistor to be tested is determined by a test method of the type described above.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Auswahlverfahrens ist vorgesehen, dass diejenigen Bipolartransistoren ausgewählt werden, für die im zuvor beschriebenen Schritt übereinstimmende Durchbruchspannungen bestimmt wurden. In a further step of the selection method according to the invention, it is provided that those bipolar transistors are selected for which matching breakdown voltages have been determined in the step described above.
Das erfindungsgemäße Auswahlverfahren bietet die vorteilhafte Möglichkeit, dass für einen Impulsgenerator, insbesondere für einen Impulsgenerator der zuvor beschriebenen Art, Lawinentransistoren mit übereinstimmenden Durchbruchspannungen ausgewählt werden können. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, negative Auswirkungen auf die Impulserzeugung, die dadurch entstehen, dass die in dem Impulsgenerator eingesetzten Lawinentransistoren aufgrund von Fertigungstoleranzen unterschiedliche Durchbruchspannungen aufweisen, zu vermeiden. Werden die Lawinentransistoren des Impulsgenerators mit dem erfindungsgemäßen Auswahlverfahren ausgewählt, so ist es vorteilhaft möglich, mit dem Impulsgenerator eine Ausgangsimpulssequenz zu erzeugen, deren Ausgangsimpulse einheitliche zeitliche Abstände und/oder ein besonders gleichförmiges Erscheinungsbild, d.h. in besonders hohem Maße übereinstimmende Eigenschaften (z.B. Amplitude, Impulsdauer, Anstiegs- und Abfallzeiten), aufweisen.The selection method according to the invention offers the advantageous possibility that for a pulse generator, in particular for a pulse generator of the type described above, avalanche transistors with matching breakdown voltages can be selected. As a result, it is advantageously possible to avoid negative effects on the generation of pulses that result from the fact that the avalanche transistors used in the pulse generator have different breakdown voltages due to manufacturing tolerances. If the avalanche transistors of the pulse generator are selected with the selection method according to the invention, it is advantageously possible to use the pulse generator to generate an output pulse sequence whose output pulses have uniform time intervals and / or a particularly uniform appearance, i. have highly consistent properties (e.g., amplitude, pulse duration, rise and fall times).
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Auswahlverfahren daher dazu verwendet werden, Lawinentransistoren mit übereinstimmenden Durchbruchspannungen für einen auf Lawinentransistoren basierenden Impulsgenerator, insbesondere für einen erfindungsgemäßen Impulsgenerator der zuvor beschriebenen Art, auszuwählen.Advantageously, the selection method according to the invention can therefore be used to select avalanche transistors with matching breakdown voltages for an avalanche-based pulse generator, in particular for a pulse generator according to the invention of the type described above.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Impulsgenerators ist daher vorgesehen, dass die Lawinentransistoren der verschiedenen Impulserzeugungsabschnitte der Impulserzeugungseinheit des Impulsgenerators übereinstimmende Durchbruchspannungen aufweisen und durch ein erfindungsgemäßes Auswahlverfahren der zuvor beschriebenen Art ausgewählt worden sind.In a further advantageous development of the pulse generator according to the invention described above, it is therefore provided that the avalanche transistors of the various pulse generation sections of the pulse generation unit of the pulse generator have matching breakdown voltages and have been selected by a selection method according to the invention of the type described above.
Im Hinblick auf die Vorteile einer solchen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators kann auf die obigen Ausführungen zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens und des erfindungsgemäßen Auswahlverfahrens verwiesen werden.With regard to the advantages of such a development of the pulse generator according to the invention can be made to the above statements on the advantages of the test method according to the invention and the selection method according to the invention.
Die dritte eingangs genannte Aufgabe wird gelöst durch ein bildgebendes System mit den Merkmalen des Patentanspruchs 21. Das bildgebende System weist einen erfindungsgemäßen Impulsgenerator der zuvor beschriebenen Art und einen Bildverstärker mit einem steuerbaren Verstärkungszeitfenster auf.The third mentioned object is achieved by an imaging system having the features of claim 21. The imaging system comprises a pulse generator according to the invention of the type described above and an image intensifier with a controllable gain time window.
Das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers ist dabei das Zeitfenster, innerhalb dessen der Bildverstärker das an seinem Eingang empfangene optische Signal verstärkt. Das am Eingang des Bildverstärkers empfangene optische Signal kann dabei die Form von Licht, d. h. die Form von Photonen, haben, das auf eine Fotokathode des Bildverstärkers auftrifft. The gain time window of the image intensifier is the time window within which the image intensifier amplifies the optical signal received at its input. The optical signal received at the input of the image intensifier can have the form of light, ie the form of photons, which impinges on a photocathode of the image intensifier.
Der Bildverstärker des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems weist mindestens einen Gate-Eingang auf. Über eine an dem Gate-Eingang anliegende Spannung ist das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers steuerbar. Das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers kann demnach insbesondere dadurch gesteuert werden, dass dem Gate-Eingang ein Spannungsimpuls zugeführt wird. Diese Technik wird als Time Gating bezeichnet.The image intensifier of the imaging system according to the invention has at least one gate input. The gain time window of the image intensifier can be controlled via a voltage applied to the gate input. Accordingly, the gain time window of the image intensifier can be controlled in particular by supplying a voltage pulse to the gate input. This technique is called time gating.
Der Ausgangsanschluss der Impulserzeugungseinheit des Impulsgenerators des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems ist mit dem Gate-Eingang des Bildverstärkers verbunden, um dem Bildverstärker von dem Impulsgenerator erzeugte Ausgangsimpulse zuzuführen und dadurch das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers in der zuvor beschriebenen Art und Weise zu steuern.The output terminal of the pulse generating unit of the pulse generator of the imaging system according to the invention is connected to the gate input of the image intensifier to supply output pulses generated by the pulse generator to the image intensifier and thereby control the gain window of the image intensifier in the manner previously described.
Die Länge des Verstärkungszeitfensters wird dabei durch die Impulsdauer der von dem Impulsgenerator erzeugten Ausgangsimpulse bestimmt. Eine kurze Impulsdauer erlaubt daher die Erzeugung von Bildern mit einer besonders hohen zeitlichen Auflösung. Dies ist insbesondere für den Einsatz von bildgebenden Verfahren im Zusammenhang mit dynamischen Prozessen relevant.The length of the amplification time window is determined by the pulse duration of the output pulses generated by the pulse generator. A short pulse duration therefore allows the generation of images with a particularly high temporal resolution. This is particularly relevant for the use of imaging processes in connection with dynamic processes.
Die Anstiegs- und Abfallzeiten der von dem Impulsgenerator erzeugten Ausgangsimpulse, die dem Bildverstärker zugeführt werden, müssen deutlich kürzer sein als die Impulsdauer, um sicherzustellen, dass das resultierende Verstärkungszeitfenster eine klar definierte Länge aufweist.The rise and fall times of the output pulses generated by the pulse generator that are applied to the image intensifier must be significantly shorter than the pulse duration to ensure that the resulting gain window has a clearly defined length.
Die Wiederholfrequenz, mit welcher der Impulsgenerator die dem Bildverstärker zugeführten Ausgangsimpulse erzeugt, bestimmt die Gesamterfassungszeit, die notwendig ist, um ein Bild eines sich wiederholenden dynamischen Prozesses über eine Mehrzahl von Gating-Zyklen zu erfassen. Je höher die Wiederholfrequenz der Impulserzeugung des Impulsgenerators ist, desto geringer ist die erforderliche Gesamterfassungszeit.The repetition rate at which the pulse generator generates the output pulses applied to the image intensifier determines the total acquisition time necessary to capture an image of a repeating dynamic process over a plurality of gating cycles. The higher the repetition frequency of the pulse generation of the pulse generator, the lower the required total acquisition time.
Das erfindungsgemäße bildgebende System weist einen erfindungsgemäßen Impulsgenerator auf, der, wie oben bereits erläutert wurde, die Erzeugung von Ausgangsimpulsen großer Amplitude mit sehr kurzer Anstiegszeit, sehr geringer Impulsdauer und sehr hoher Wiederholfrequenz ermöglicht. Das erfindungsgemäße bildgebende System bietet daher den Vorteil, dass Bilder mit hoher zeitlicher Auflösung und klar definierten Verstärkungszeitfenstern mit einer geringen Gesamterfassungszeit erzeugt werden können.The imaging system according to the invention has a pulse generator according to the invention, which, as already explained above, allows the generation of output pulses of large amplitude with very short rise time, very low pulse duration and very high repetition frequency. The imaging system according to the invention therefore offers the advantage that images with high temporal resolution and clearly defined amplification time windows can be generated with a low total acquisition time.
Im Idealfall entspricht die Wiederholfrequenz der Impulserzeugung einer Anregungsfrequenz, mit der ein physikalischer Prozess angeregt wird, sodass der Impulsgenerator einen Ausgangsimpuls je Periodendauer der Anregung des physikalischen Prozesses erzeugt. Mit dem erfindungsgemäßen bildgebenden System ist es möglich, diesen Idealfall auch für physikalische Prozesse zu realisieren, die mit einer sehr hohen Anregungsfrequenz angeregt werden.Ideally, the repetition rate of the pulse generation corresponds to an excitation frequency that is used to excite a physical process so that the pulse generator generates an output pulse per period of excitation of the physical process. With the imaging system according to the invention, it is possible to realize this ideal case also for physical processes that are excited with a very high excitation frequency.
Das erfindungsgemäße bildgebende System bietet daher im Hinblick auf die notwendige Gesamterfassungszeit erhebliche Vorteile insbesondere dann, wenn Bilder von Objekten oder Prozessen erfasst werden sollen, die sehr geringe Lichtintensitäten oder Lichtstärken erzeugen. Solche Anwendungen umfassen beispielsweise die Bildgebung gefangener Ionen in einer lonenfalle, die Auflösung kleiner Konzentrationen von Fluoreszenzmarkern, die Wiedergewinnung von Informationen aus stark gedämpften optischen Signalen oder die Bildgebung in schwach beleuchteten Szenen.The imaging system according to the invention therefore offers considerable advantages with regard to the necessary total acquisition time, in particular when images of objects or processes are to be acquired which generate very low light intensities or light intensities. Such applications include, for example, the imaging of trapped ions in an ion trap, the resolution of small concentrations of fluorescent labels, the recovery of information from highly attenuated optical signals, or imaging in dimly lit scenes.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems ist vorgesehen, dass der Gate-Eingang des Bildverstärkers mit einer inversen Vorspannung beaufschlagt wird. Die inverse Vorspannung ist dabei eine Vorspannung, die im Vergleich zu der Spannung des Spannungsimpulses, der dem Bildverstärker von dem Impulsgenerator zur Steuerung des Verstärkungszeitfensters zugeführt wird, ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Wird bspw. das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers über einen negativen Spannungsimpuls gesteuert (d.h. der Bildverstärker verstärkt, wenn seinem Gate-Eingang eine negative Spannung zugeführt wird), so weist die invertierte Vorspannung ein positives Vorzeichen auf. Wird hingegen das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers durch einen positiven Spannungsimpuls gesteuert (d.h. der Bildverstärker verstärkt, wenn seinem Gate-Eingang eine positive Spannung zugeführt wird), so weist die invertierte Vorspannung ein negatives Vorzeichen auf.In an advantageous development of the imaging system according to the invention, it is provided that the gate input of the image intensifier is subjected to an inverse bias voltage. The inverse bias voltage is a bias voltage having an inverse sign compared to the voltage of the voltage pulse applied to the image intensifier from the pulse generator for controlling the boost time window. For example, if the gain window of the image intensifier is controlled by a negative voltage pulse (i.e., the image intensifier is amplified when a negative voltage is applied to its gate input), then the inverted bias has a positive sign. Conversely, if the gain window of the image intensifier is controlled by a positive voltage pulse (i.e., the image intensifier is amplified when a positive voltage is applied to its gate input), the inverted bias has a negative sign.
Ein solches Beaufschlagen des Gate-Eingangs des Bildverstärkers mit einer invertierten Vorspannung bietet den Vorteil, dass kapazitiven Effekten des Bildverstärkers, die eine verringerte Flankensteilheit der abfallenden Flanke des von dem Impulsgenerator dem Bildverstärker zugeführten Ausgangsimpulses zur Folge haben, entgegengewirkt werden kann. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die zeitliche Auflösung des bildgebenden Systems zu verbessern.Such loading of the gate input of the image intensifier with an inverted bias voltage has the advantage that capacitive effects of the image intensifier which result in a reduced edge steepness of the falling edge of the output pulse supplied by the pulse generator to the image amplifier can be counteracted. As a result, it is advantageously possible to improve the temporal resolution of the imaging system.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems ist vorgesehen, dass der Impulsgenerator des bildgebenden Systems ein Impulsgenerator der zuvor beschriebenen Art ist, dessen Steuereinheit einen Synchronisierungseingang aufweist, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Erzeugung der Triggersignale der Triggersignalfrequenz zu einem Referenzsignal zu synchronisieren, das dem Synchronisierungseingang zugeführt ist. Das Referenzsignal kann dabei insbesondere ein Hochfrequenz-Referenzsignal sein. Das Referenzsignal kann außerdem insbesondere ein periodisches elektrisches Signal sein, bspw. in Form eines sinusförmigen Signals oder einer Impulsfolge. In an advantageous development of the imaging system according to the invention it is provided that the pulse generator of the imaging system is a pulse generator of the type described above, the control unit has a synchronization input, wherein the control unit is adapted to synchronize the generation of the trigger signals of the trigger signal frequency to a reference signal, which is supplied to the synchronization input. The reference signal may in particular be a high-frequency reference signal. In particular, the reference signal may be a periodic electrical signal, for example in the form of a sinusoidal signal or a pulse train.
Darüber hinaus weist das bildgebende System in dieser vorteilhaften Weiterbildung eine Referenzsignalquelle auf, die ein Referenzsignal erzeugt.In addition, the imaging system in this advantageous development, a reference signal source, which generates a reference signal.
Darüber hinaus weist das bildgebende System in dieser vorteilhaften Weiterbildung eine Treibereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Referenzsignals einen physikalischen Prozess und/oder ein physikalisches Objekt zur Erzeugung eines primären optischen Signals anzuregen. Die Treibereinheit kann bspw. ein elektrischer Leistungsverstärker oder eine Lichtquelle, bspw. ein Laser, sein. Die Treibereinheit dient dabei als Mittel zur Konditionierung zwischen der Referenzsignalquelle und dem physikalischen Prozess bzw. dem physikalischen Objekt. Der physikalische Prozess und/oder das physikalische Objekt ist dabei ein Prozess bzw. ein Objekt, das als Reaktion auf eine Anregung, die bspw. in Form eines elektrischen oder optischen Signals erfolgen kann, ein optisches Signal (das primäre optische Signal) erzeugt.In addition, the imaging system in this advantageous development, a driver unit which is adapted to stimulate a physical process and / or a physical object for generating a primary optical signal in response to the reference signal. The driver unit can be, for example, an electrical power amplifier or a light source, for example a laser. The driver unit serves as a means for conditioning between the reference signal source and the physical process or the physical object. In this case, the physical process and / or the physical object is a process or an object that generates an optical signal (the primary optical signal) in response to an excitation, which can take place, for example, in the form of an electrical or optical signal.
Zu diesem Zweck ist die Referenzsignalquelle mit der Treibereinheit signaltechnisch verbunden, um der Treibereinheit das Referenzsignal zuzuführen.For this purpose, the reference signal source is signal-connected to the driver unit in order to supply the reference signal to the driver unit.
Des Weiteren ist in dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems die Referenzsignalquelle mit dem Synchronisierungseingang der Steuereinheit des Impulsgenerators signaltechnisch verbunden, um der Steuereinheit das Referenzsignal zuzuführen. Dadurch wird erreicht, dass die Impulserzeugung durch den Impulsgenerator mit der Anregung des physikalischen Prozesses bzw. des physikalischen Objektes synchronisiert werden kann.Furthermore, in this advantageous development of the imaging system according to the invention, the reference signal source is signal-technically connected to the synchronization input of the control unit of the pulse generator in order to supply the reference signal to the control unit. This ensures that the generation of pulses by the pulse generator can be synchronized with the excitation of the physical process or of the physical object.
Darüber hinaus ist der Bildverstärker in dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der dem Bildverstärker von dem Impulsgenerator zugeführten Ausgangsimpulse das primäre optische Signal innerhalb des Verstärkungszeitfensters zu einem sekundären optischen Signal zu verstärken. Das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers wird demnach in der zuvor beschriebenen Art und Weise (Time Gating) durch die von dem Impulsgenerator erzeugten Ausgangsimpulse gesteuert.In addition, in this advantageous development of the imaging system according to the invention, the image intensifier is set up to amplify the primary optical signal within the amplification time window to a secondary optical signal as a function of the output pulses supplied to the image intensifier by the pulse generator. The gain window of the image intensifier is thus controlled in the manner described above (time gating) by the output pulses generated by the pulse generator.
Des Weiteren weist das bildgebende System in dieser vorteilhaften Weiterbildung eine Kamera auf, die dazu eingerichtet ist, das sekundäre optische Signal zu erfassen und daraus ein Bild zu erzeugen. Die Kamera kann dabei insbesondere dazu dienen, die in mehreren Gating-Zyklen erfassten Photonen und damit die in mehreren Gating-Zyklen erfassten Lichtstärken über die Bilderfassungszeit der Kamera zu kumulieren, d.h. über die Zeit zu integrieren.Furthermore, the imaging system in this advantageous development, a camera which is adapted to detect the secondary optical signal and to generate an image thereof. The camera can in particular serve to cumulate the photons detected in several gating cycles and thus the light intensities detected in several gating cycles over the image acquisition time of the camera, i. to integrate over time.
Die optische Verstärkung des Bildverstärkers dient dabei insbesondere dazu, eine durch das Grundrauschen der Kamera bedingte Limitierung ihrer Lichtempfindlichkeit zu überwinden. Dies ist insbesondere in Anwendungen vorteilhaft, die besonders geringe Lichtstärken bis in den Bereich einzelner Photonen aufweisen.The optical amplification of the image intensifier serves, in particular, to overcome a limitation of its photosensitivity caused by the background noise of the camera. This is particularly advantageous in applications which have particularly low light intensities down to the region of individual photons.
Dadurch, dass sowohl der Impulsgenerator als auch die Anregung des physikalischen Prozesses auf dasselbe Referenzsignal synchronisiert werden, kann das Verstärkungszeitfenster des Bildverstärkers mit dem Zeitverhalten des physikalischen Prozesses synchronisiert werden.By synchronizing both the pulse generator and the physical process excitation to the same reference signal, the gain window of the image intensifier can be synchronized with the timing of the physical process.
Darüber hinaus ist es mit dem erfindungsgemäßen bildgebenden System vorteilhaft möglich, die Erzeugung der Ausgangsimpulse durch die Impulserzeugungseinheit des Impulsgenerators durch eine Verzögerung definierter Länge zu verzögern, indem ein konfigurierbares Verzögerungsglied der Steuereinheit des Impulsgenerators entsprechend konfiguriert wird. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, eine definierte Phasenverschiebung zwischen der Anregung des physikalischen Prozesses bzw. des physikalischen Objekts und den dem Bildverstärker zugeführten Ausgangsimpulsen herbeizuführen. Durch Konfiguration unterschiedlicher Verzögerungen können dabei mehrere statische Bilder erzeugt werden, die unterschiedliche Phasen einer zeitlichen Entwicklung eines dynamischen physikalischen Prozesses bzw. eines dynamischen Verhaltens eines physikalischen Objekts wiedergeben.Moreover, it is advantageously possible with the imaging system according to the invention to delay the generation of the output pulses by the pulse generation unit of the pulse generator by a delay of defined length by a configurable delay element of the control unit of the pulse generator is configured accordingly. As a result, it is advantageously possible to bring about a defined phase shift between the excitation of the physical process or of the physical object and the output pulses supplied to the image intensifier. By configuring different delays, multiple static images can be generated that represent different phases of a temporal development of a dynamic physical process or of a dynamic behavior of a physical object.
Auf diese Weise ist es mit Hilfe des erfindungsgemäßen bildgebenden Systems beispielsweise möglich, Bilder zu erzeugen, die Informationen über die Bewegung von gefangenen Ionen in einer Ionenfalle enthalten. In einem weiteren Anwendungsbeispiel können Informationen über die Konzentration eines spezifischen Fluoreszenzmarkers in einer Probe oder in einem biologischen Gewebe durch Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung gewonnen werden.In this way it is possible, for example with the aid of the imaging system according to the invention, to generate images which contain information about the movement of trapped ions in an ion trap. In another example of application, information about the concentration of a specific fluorescent label in a sample or in a biological tissue can be obtained by fluorescence lifetime imaging.
Die über die Dynamik des Prozesses gewonnene Information ist dabei nicht in einem einzelnen Bild, sondern vielmehr in der Differenz zwischen mindestens zwei Bildern enthalten, die bezogen auf die durch das Referenzsignal vorgegebene Zeitdifferenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugt wurden. The information obtained via the dynamics of the process is not contained in a single image, but rather in the difference between at least two images which were generated at different times in relation to the time difference predetermined by the reference signal.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Impulsgenerators mit einer Impulserzeugungseinheit und einer Steuereinheit; -
2 eine schematische Darstellung zeitlich zueinander versetzter Triggersignale; -
3 ein schematisches Schaltbild eines Impulserzeugungsabschnitts; -
4 ein schematisches Schaltbild einer Impulserzeugungseinheit mit zueinander parallel geschalteten Impulserzeugungsabschnitten; -
5 ein schematisches Schaltbild einer Testschaltung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Prüf- und Auswahlverfahren; -
6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen bildgebenden Systems.
-
1 a schematic representation of a pulse generator according to the invention with a pulse generating unit and a control unit; -
2 a schematic representation of time-staggered trigger signals; -
3 a schematic diagram of a pulse generating section; -
4 a schematic circuit diagram of a pulse generating unit with mutually parallel pulse generating sections; -
5 a schematic circuit diagram of a test circuit for carrying out the testing and selection method according to the invention; -
6 a schematic representation of an imaging system according to the invention.
Die
Jeder Impulserzeugungsabschnitt
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
Mit Hilfe des in dem FPGA
Die
Durch das jeweilige Trägersignal wird dabei der jeweilige Impulserzeugungsabschnitt
Die Darstellung der
Die vier Impulserzeugungsabschnitte
Die
Der Impulserzeugungsabschnitt
Darüber hinaus weist der Impulserzeugungsabschnitt
Die Ladeschaltung
Die Ladeschaltung
Der Impulserzeugungsabschnitt
Die Ladeschaltung
Die Transistoranordnung
Die
Das in
Die Ansteuerschaltung
Die Versorgungsspannung, d.h. die Potentialdifferenz zwischen dem Versorgungspotential +Vs und dem Bezugspotentialanschluss
Mit dem in
Die
Das in der
Alle vier Transistoranordnungen
Da die Steuereinheit
Mit dem in
Die
Die Testschaltung
Darüber hinaus weist die Testschaltung
Zwischen den Kollektoranschluss
Die Testschaltung
Die in der
Die Ansteuerschaltung
Die Testschaltung
Auf diese Weise kann die Spannungsmesseinrichtung
Die
Der Impulsgenerator
Der Bildverstärker
Das bildgebende System
Die Referenzsignalquelle
Schließlich weist das bildgebende System
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 3555301 [0013]US 3555301 [0013]
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LEWIS D. G., MARS P.: Measurement of the avalanche breakdown characteristics of bipolar transistors; International Journal of Electronics; Vol. 29; 1970; Nr. 6; S. 575-579 * |
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