RU2052892C1

RU2052892C1 - Former of voltage pulses

Info

Publication number: RU2052892C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Евгеньевич Павловец; Борис Николаевич Тюшкевич
Original assignee: Институт электроники АН Беларуси
Priority date: 1991-02-12
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: pulse equipment. SUBSTANCE: former of voltage pulses has two transistors 1,2, two diodes 3,7, current generator 9, key 10, controlled current generator 11, Schmitt flip-flop 14 which input is linked to emitter of second transistor 2 and which output is connected to controlling input of controlled current generator 11. EFFECT: increased stability of form of voltage pulses across load. 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов с крутыми фронтами на емкостной нагрузке, например, для управления электрооптическими модуляторами лазерного излучения. The invention relates to a pulsed technique and can be used to generate high-voltage pulses with steep edges on a capacitive load, for example, to control electro-optical laser radiation modulators.

Известно устройство, которое содержит выходной транзистор, коллектор которого соединен через нагрузку с шиной первого источника напряжения, эмиттер через двухполюсник обратной связи и ключ с общей шиной, а база с входным выводом через усилитель мощности и с общей шиной через ограничитель напряжения, управляющий вывод ключа через пороговый блок соединен с входным выводом, вывод питания усилителя мощности соединен с шиной второго источника напряжения. A device is known that contains an output transistor, the collector of which is connected through the load to the bus of the first voltage source, the emitter through a two-terminal feedback and a key with a common bus, and the base with an input output through a power amplifier and with a common bus through a voltage limiter, controlling the key output through the threshold unit is connected to the input terminal, the power amplifier power terminal is connected to the bus of the second voltage source.

Недостатком известного устройства является то, что крутизна спада импульса выходного напряжения на нагрузке с большой емкостной составляющей ограничивается величиной ее активного сопротивления, уменьшение которого приводит к увеличению потребляемой устройством мощности и снижению надежности работы выходного транзистора. Увеличение крутизны фронта импульса выходного напряжения требует увеличения тока базы выходного транзистора, что приводит к его глубокому насыщению по окончании заряда емкости нагрузки и снижению быстродействия. A disadvantage of the known device is that the steepness of the decay of the output voltage pulse on the load with a large capacitive component is limited by the value of its active resistance, a decrease in which leads to an increase in the power consumed by the device and a decrease in the reliability of the output transistor. An increase in the steepness of the front of the output voltage pulse requires an increase in the base current of the output transistor, which leads to its deep saturation at the end of the load capacitance charge and a decrease in speed.

Известно устройство фоpмиpования импульсов напряжения, которое содержит первый транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, база которого подключена к входному выводу устройства через предварительный усилитель мощности, вывод питания которого подключен к шине источника низкого напряжения, второй транзистор, коллектор которого подключен к шине первого источника высокого напряжения, база подключена к коллектору первого транзистора, катоду диода и через резистор к шине второго источника высокого напряжения, а эмиттер подключен к аноду диода и к нагрузке. A device for generating voltage pulses is known, which comprises a first transistor connected in a circuit with a common emitter, the base of which is connected to the input terminal of the device through a preliminary power amplifier, the power output of which is connected to the bus of the low voltage source, and the second transistor, the collector of which is connected to the bus of the first source high voltage, the base is connected to the collector of the first transistor, the cathode of the diode and through a resistor to the bus of the second high voltage source, and the emitter is connected to a to the diode node and to the load.

Недостатком известного устройства является то, что для увеличения крутизны фронтов сигнала на емкостной нагрузке токи без транзисторов должны выбираться достаточно большими, что приводит к их глубокому насыщению по окончании переходного процесса и снижению быстродействия. A disadvantage of the known device is that to increase the steepness of the signal fronts on the capacitive load, the currents without transistors must be selected sufficiently large, which leads to their deep saturation at the end of the transition process and a decrease in speed.

Наиболее близким техническим решением является устройство формирования импульсов напряжения, содержащее первый транзистор, второй транзистор, коллектор которого подключен к шине первого источника высокого напряжения, база к коллектору первого транзистора и катоду первого диода, а эмиттер к аноду первого диода и к нагрузке, регулируемый генератор тока и ключ, которые соединены последовательно и включены между общей шиной и эмиттером первого транзистора, линии задержки, выход которой подключен к управляющему входу регулируемого генератора тока, а вход к управляющему входу ключа и к входному выводу устройства, второй диод, катод которого подключен к коллектору второго транзистора, а анод к коллектору первого транзистора, генератор тока, через который база второго транзистора подключена к шине второго источника высокого напряжения, база первого транзистора подключена к шине источника низкого напряжения. The closest technical solution is a voltage pulse generating device containing a first transistor, a second transistor, the collector of which is connected to the bus of the first high voltage source, the base to the collector of the first transistor and the cathode of the first diode, and the emitter to the anode of the first diode and to the load, an adjustable current generator and a key that are connected in series and connected between the common bus and the emitter of the first transistor, a delay line, the output of which is connected to the control input of the adjustable generator current, and the input to the control input of the key and to the input output of the device, the second diode, the cathode of which is connected to the collector of the second transistor, and the anode to the collector of the first transistor, a current generator through which the base of the second transistor is connected to the bus of the second high voltage source, the base the first transistor is connected to the bus of the low voltage source.

Недостатком известного устройства является то, что при изменении емкости нагрузки (напpимеp, при замене электрооптического затвора) может возникнуть необходимость изменения значения времени задержки входного сигнала линий задержки для того, чтобы обеспечить согласование окончания переходного процесса разряда емкости нагрузки и прихода задержанного входного сигнала на управляющий вход регулируемого генератора тока. Кроме того, если значение времени задержки входного сигнала линией задержки меньше времени разряда емкости нагрузки, то происходит затягивание переходного процесса либо (в том случае, когда интервал между входными импульсами напряжения становится меньше времени переходного процесса из-за его затягивания) происходит уменьшение амплитуды импульсов напряжения на нагрузке. Если же линия задержки задерживает входной сигнал на время, большее времени разряда емкости нагрузки, то происходит кратковременное уменьшение напряжения на нагрузке ниже установленного уровня низкого выходного напряжения. В обоих случаях происходит искажение формы импульсов напряжения на нагрузке. A disadvantage of the known device is that when changing the load capacitance (for example, when replacing the electro-optical shutter), it may be necessary to change the delay time of the input signal of the delay lines in order to ensure coordination of the end of the transient process of discharging the load capacitance and the arrival of the delayed input signal to the control input adjustable current generator. In addition, if the value of the delay time of the input signal by the delay line is less than the discharge time of the load capacitance, the transient is delayed or (in the case when the interval between the input voltage pulses becomes less than the transient time due to its delay), the amplitude of the voltage pulses decreases on load. If the delay line delays the input signal for a time longer than the discharge time of the load capacitance, then a short-term decrease in the voltage at the load occurs below the set low output voltage level. In both cases, the shape of the voltage pulses at the load is distorted.

Целью изобретения является повышение стабильности формы импульсов напряжения на нагрузке. The aim of the invention is to increase the stability of the shape of the voltage pulses at the load.

Это достигается тем, что в устройство формирования импульсов напряжения, содержащее первый транзистор, второй транзистор, эмиттер которого подключен к аноду первого диода и через нагрузку к общей шине, коллектор подключен к катоду второго диода и шине первого источника высокого напряжения, а база подключена к коллектору первого транзистора, катоду первого диода, аноду второго диода и через генератор тока к шине второго источника высокого напряжения, база первого транзистора подключена к шине источника низкого напряжения, а эмиттер через последовательно соединенные ключ и регулируемый генератор тока подключен к общей шине, управляющий вход ключа подключен к входному выводу устройства, введен триггер Шмидта, вход которого подключен к эмиттеру первого транзистора, а выход к управляющему входу регулируемого генератора тока. This is achieved by the fact that in the voltage pulse generating device containing the first transistor, the second transistor, the emitter of which is connected to the anode of the first diode and through the load to the common bus, the collector is connected to the cathode of the second diode and the bus of the first high voltage source, and the base is connected to the collector the first transistor, the cathode of the first diode, the anode of the second diode and through the current generator to the bus of the second high voltage source, the base of the first transistor is connected to the bus of the low voltage source, and the emitter is series connected switch and steering current generator connected to the common bus, a control key input is connected to the input terminal devices introduced Schmidt trigger having an input connected to the emitter of the first transistor, and an output to the control input of the controlled current generator.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений и токов на отдельных элементах устройства. Figure 1 presents the functional diagram of the proposed device; in FIG. 2 time diagrams of voltages and currents on individual elements of the device.

Приняты следующие обозначения: 1 первый транзистор; 2 второй транзистор; 3 первый диод; 4 нагрузка; 5 общая шина; 6 шина первого источника высокого напряжения; 7 второй диод; 8 генератор тока; 9 шина второго источника высокого напряжения; 10 ключ; 11 регулируемый генератор тока; 12 шина источника низкого напряжения; 13 входной вывод; 14 триггер Шмидта; U_вх напряжение на входном выводе 13 устройства формирования импульсов напряжения; U_вых напряжение на нагрузке 4; U_о напряжение низкого уровня на нагрузке 4; U₆ напряжение на шине 6 первого источника высокого напряжения; U₁₄ напряжение на выходе триггера 14; U_вкл напряжение на входе триггера 14, вызывающее его переключение из состояния с низким уровнем напряжения на его выходе в состояние с высоким уровнем напряжения; U_выкл напряжение на входе триггера 14, вызывающее его переключение из состояния с высоким уровнем напряжения на его выходе в состояние с низким уровнем напряжения; I₁₁ выходной ток регулируемого генератора 11 тока; I₁ выходной ток регулируемого генератора 11 тока при низком уровне напряжения на его управляющем входе; I₂ выходной ток регулируемого генератора 11 тока при высоком уровне напряжения на его управляющем входе; t время; t₁ момент времени, соответствующий приходу на входной вывод 13 импульса напряжения t₂ момент времени, соответствующий окончанию формирования фронта импульса напряжения на нагрузке 4; t₃ момент времени, соответствующий окончанию импульса напряжения на входном выводе 13; t₄ момент времени, соответствующий окончанию формирования спада импульса напряжения на нагрузке 4.The following designations are accepted: 1 first transistor; 2 second transistor; 3 first diode; 4 load; 5 common bus; 6 bus of the first high voltage source; 7 second diode; 8 current generator; 9 bus of the second high voltage source; 10 key; 11 adjustable current generator; 12 bus low voltage source; 13 input pin; 14 Schmidt trigger; U _Rin voltage at the input terminal 13 of the device generating a voltage pulse; U _o voltage at load 4; U _about the low voltage level at the load 4; U ₆ voltage on the bus 6 of the first high voltage source; U _{14 the} voltage at the output of the trigger 14; U _on voltage at the input of the trigger 14, causing it to switch from a state with a low voltage level at its output to a state with a high voltage level; U _{off the} voltage at the input of the trigger 14, causing it to switch from a state with a high voltage level at its output to a state with a low voltage level; I _{11 the} output current of an adjustable current generator 11; I _{1 the} output current of the regulated current generator 11 at a low voltage level at its control input; I _{2 the} output current of the adjustable current generator 11 at a high voltage level at its control input; t time; t ₁ moment of time corresponding to the arrival of the voltage pulse at the input terminal 13 t ₂ moment of time corresponding to the end of the formation of the front of the voltage pulse at the load 4; t ₃ moment of time corresponding to the end of the voltage pulse at the input terminal 13; t ₄ moment of time corresponding to the end of the formation of the decay of the voltage pulse on the load 4.

Устройство формирования импульсов напряжения содержит первый транзистор 1, второй транзистор 2, эмиттер которого подключен к аноду первого диода 3 и через нагрузку 4 к общей шине 5, коллектор подключен к шине первого источника высокого напряжения и к катоду второго диода 7, а база подключена к коллектору первого транзистора 1, катоду первого диода 3, аноду второго диода 7 и через генератор 8 тока к шине 9 второго источника высокого напряжения, эмиттер первого транзистора 1 через последовательно соединенные ключ 10 и регулируемый генератор 11 тока подключен к общей шине 5, а база подключена к шине 12 источника низкого напряжения, управляющий выход ключа 10 подключен к входному выводу 13 устройства, триггер 14 Шмидта, вход которого подключен к эмиттеру второго транзистора 2, а выход к управляющему входу регулируемого генератора 11 тока. The voltage pulse generating device comprises a first transistor 1, a second transistor 2, the emitter of which is connected to the anode of the first diode 3 and through load 4 to a common bus 5, the collector is connected to the bus of the first high voltage source and to the cathode of the second diode 7, and the base is connected to the collector the first transistor 1, the cathode of the first diode 3, the anode of the second diode 7 and through the current generator 8 to the bus 9 of the second high voltage source, the emitter of the first transistor 1 through a series-connected key 10 and an adjustable current generator 11 connected to the common bus 5, and the base is connected to the bus 12 of the low voltage source, the control output of the key 10 is connected to the input terminal 13 of the device, the Schmidt trigger 14, the input of which is connected to the emitter of the second transistor 2, and the output to the control input of an adjustable current generator 11.

Элементы 1-13 аналогичны элементам известного устройства. Первый транзистор 1 и второй транзистор 2 представляли собой транзисторы КТ940А. На шине 12 источника низкого напряжения поддерживалось напряжение 5 В. Первый диод 3 диод типа КД522Б. Второй диод 7 представляет собой цепочку последовательно соединенных диодов КД521А. Генератор 8 тока выполнен на транзисторе КТ940А. На шинах 6 и 9 первого и второго источников высокого напряжения поддерживалось напряжение соответственно 300 и 345 В. Нагрузка 4 представлена собой электрооптический затвор МЛ-103. Регулируемый генератор 11 тока собран на транзисторной сборке К125НТ1А и транзисторе КТ630А. Ключ 10 собран на транзисторе КТ904А. Триггер 14 Шмидта собран на транзисторах КТ1316А. Elements 1-13 are similar to elements of a known device. The first transistor 1 and the second transistor 2 were transistors KT940A. A voltage of 5 V was maintained on the bus 12 of the low voltage source. The first diode was a 3 diode of the KD522B type. The second diode 7 is a chain of series-connected diodes KD521A. The current generator 8 is made on a transistor KT940A. On buses 6 and 9 of the first and second high voltage sources, the voltage was maintained at 300 and 345 V, respectively. Load 4 is an ML-103 electro-optical shutter. Adjustable current generator 11 is assembled on transistor assembly K125NT1A and transistor KT630A. Key 10 is assembled on a transistor KT904A. Schmidt trigger 14 is assembled on transistors KT1316A.

Принцип работы устройства заключается в следующем (см. фиг.2). В исходном состоянии на входном выводе 13 низкий уровень входного напряжения, ключ 10 замкнут, на нагрузке 4 присутствует низкий уровень выходного напряжения (U_вых U_о), который переключает триггер 14 Шмидта в состояние с низким уровнем напряжения на его выходе, в результате чего регулируемый генератора 11 тока задает ток I₁. Первый транзистор 1 открыт, а второй транзистор 2 закрыт. После поступления на входной вывод 12 в момент времени t₁ высокого уровня входного напряжения ключ 10 размыкается, и ток, задаваемый генератором 8 тока, течет в базу второго транзистора 2, открывая его. Емкость нагрузки 4 быстро заряжается через открытый второй транзистор 2, и в момент времени t₂ на ней устанавливается напряжение, практически равное напряжению на шине 6 первого источника высокого напряжения. После этого открывается второй диод 7, который шунтирует коллекторный переход второго транзистора 2, препятствуя его насыщению. При достижении во время формирования фронта выходного импульса напряжения на нагрузке 4, равного U_вкл, триггер 14 Шмидта устанавливается в состояние с высоким уровнем напряжения на его выходе, переключая регулируемый генератор 11 тока в режим задания тока I₂ > I₁. По окончании входного импульса в момент времени на входной вывод 13 поступает низкий уровень входного напряжения, ключ 10 замыкается и открывается первый транзистор 1. Напряжение на его коллекторе уменьшается, и к эмиттерному переходу второго транзистора 2 прикладывается способствующее его быстрому закрыванию отрицательное напряжение, которое ограничивается открывшимся первым диодом 3. Емкость нагрузки 4 разряжается через первый диод 3, первый транзистор 1, ключ 10 и регулируемый генератор 11 тока. При достижении напряжения на нагрузке 4 равного U_выкл на выходе триггера 14 Шмидта устанавливается низкое напряжение, переключающее регулируемый генератор 11 тока в режим задания тока, предотвращая насыщение первого транзистора 1, а на нагрузке 4 устанавливается низкий уровень U_о выходного напряжения U_вых. Устройство находится в исходном состоянии и готово к формированию очередного высоковольтного импульса. Изменением величины внутреннего сопротивления генератора 8 тока и (или) тока I₁ можно регулировать напряжение U_о, изменением значения тока I₂ можно регулировать крутизну спада выходного высоковольтного импульса, а изменением величины тока, задаваемого генератором 8 тока, можно регулировать крутизну фронта выходного высоковольтного импульса.The principle of operation of the device is as follows (see figure 2). In the initial state at the input terminal 13, the low level input voltage switch 10 is closed, the load 4 is present a low level output voltage (U _O U _o), which switches the flip-flop 14 Schmidt in a state with a low voltage level at its output, whereby adjustment current generator 11 sets the current I ₁ . The first transistor 1 is open, and the second transistor 2 is closed. After arriving at the input terminal 12 at time t _{1 of a} high level of input voltage, the key 10 opens, and the current specified by the current generator 8 flows into the base of the second transistor 2, opening it. The load capacity 4 is quickly charged through an open second transistor 2, and at time t ₂ a voltage is established on it, which is almost equal to the voltage on the bus 6 of the first high voltage source. After that, the second diode 7 opens, which shunts the collector junction of the second transistor 2, preventing its saturation. When the voltage at the load 4 is equal to U _on during the formation of the front of the output pulse, the Schmidt trigger 14 is set to a state with a high voltage level at its output, switching the adjustable current generator 11 to the current setting I ₂ > I ₁ . At the end of the input pulse, a low input voltage level arrives at the input terminal 13, the key 10 closes and the first transistor 1 opens. The voltage on its collector decreases, and a negative voltage contributing to its fast closing is applied to the emitter junction of the second transistor 2, which is limited by the open voltage the first diode 3. The load capacity 4 is discharged through the first diode 3, the first transistor 1, key 10 and an adjustable current generator 11. Upon reaching the load voltage equal to U 4 _off at the output 14 of Schmidt trigger is set low voltage adjustment switching current generator 11 to the current command mode, preventing saturation of the first transistor 1 and the load 4 is set _to the low level U _O U output voltage. The device is in its initial state and is ready for the formation of the next high-voltage pulse. By changing the value of the internal resistance of the current generator 8 and (or) current I ₁ , the voltage U _о can be controlled, by changing the value of current I ₂ you can adjust the slope of the output high-voltage pulse, and by changing the current set by the current generator 8, you can adjust the slope of the output high-voltage pulse .

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предложенного устройства. Experimental studies have confirmed the efficiency of the proposed device.

Таким образом, предложенное устройство позволяет предотвратить несвоевременное переключение регулируемого генератора тока и искажение формы импульсов напряжения на нагрузке при изменении ее емкости и при изменении параметров элементов, определяющих режим работы устройства. Thus, the proposed device can prevent untimely switching of the adjustable current generator and distortion of the shape of the voltage pulses on the load when changing its capacity and when changing the parameters of the elements that determine the operating mode of the device.

Предлагаемое устройство положено в основу разработанной системы управления электрооптическим затвором для стробоголографии и голографической интерферометрии. Разработанная система обеспечивает формирование серии одиночных и сдвоенных управляющих импульсов, каждый из которых может быть синхронизирован с требуемой фазой исследуемого периодического процесса. При этом с изменением частоты повторения исследуемого процесса могут изменяться в широких пределах как длительности отдельных управляющих импульсов, так и временной интервал между ними. Устройство может быть широко использовано в импульсной технике для формирования импульсов напряжения как на емкостных нагрузках, так и на нагрузках другого типа. The proposed device is the basis of the developed control system of the electro-optical shutter for strobe holography and holographic interferometry. The developed system provides the formation of a series of single and double control pulses, each of which can be synchronized with the required phase of the investigated periodic process. In this case, with a change in the repetition rate of the process under study, the duration of individual control pulses and the time interval between them can vary within wide limits. The device can be widely used in pulsed technology to form voltage pulses both on capacitive loads and on loads of a different type.

Claims

A VOLTAGE PULSE FORMING DEVICE containing a first transistor, a second transistor, the emitter of which is connected to the anode of the first diode and through the load to a common bus, the collector is connected to the cathode of the second diode and the bus of the first high voltage source, and the base is connected to the collector of the first transistor, the cathode of the first diode , the anode of the second diode and through the current generator to the bus of the second high voltage source, the base of the first transistor is connected to the bus of the low voltage source, and the emitter is connected through a series-connected key and an adjustable current generator is connected to a common bus, a control terminal of the key is connected to the input terminal of the device, characterized in that, in order to increase the stability of the shape of the output pulses, a Schmitt trigger is introduced into the device, the input of which is connected to the emitter of the second transistor, and the output to the control input adjustable current generator.