Сверхскоростная твердотельная электроника. Т. 1 : Приборы общего назначения

Сверхскоростная 
твердотельная 
электроника

Приборы общего назначения

Том 1

Москва, 2023

В. П. Дьяконов

2-е издание, электронное

УДК 621.382
ББК 32.852
Д92

Д92
Дьяконов, Владимир Павлович.
Сверхскоростная твердотельная электроника. Т. 1 : Приборы общего 
назначения / В. П. Дьяконов. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 601 с. — Москва : 
ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-390-5

В первом томе описана элементная база твердотельных электронных устройств 
общего назначения нано- и пикосекундного диапазона времен — от туннельных и 
диодов с накоплением заряда, биполярных, полевых и лавинных транзисторов до новых S-диодов, лавинных обострителей, дрейфовых диодов с резким восстановлением, 
SOS-диодов и интегральных микросхем. Особое внимание уделено измерительным 
приборам для их исследования: широкодиапазонным генераторам синусоидальных, 
импульсных и произвольных сигналов, скоростным аналоговым, цифровым и стробоскопическим электронным осциллографам, а также их аксессуарам и опциям. Детально описаны характеристики новейших приборов ведущих фирм мира.
Для широкого круга читателей — инженеров, научных работников, студентов, 
аспирантов и преподавателей университетов и вузов физического и технического 
профилей.

УДК 621.382 
ББК 32.852

Электронное издание на основе печатного издания: Сверхскоростная твердотельная электроника. Т. 1 : Приборы общего назначения / В. П. Дьяконов. — Москва : ДМК Пресс, 2013. — 
600 с. — ISBN 978-5-94074-915-8. — Текст : непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность 
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-390-5
©  Дьяконов В. П., 2013
© Оформление, ДМК Пресс, 2013

Содержание

Предисловие ...........................................................................14
Благодарности и адреса для переписки ................................22

 Глава 1 

Генерация ВЧ- и СВЧ-синусоидальных 
и модулированных сигналов ..............................................................23
1.1. Критерии скорости протекания процессов .......................................23
1.2. Синусоидальные и близкие к ним сигналы и их свойства ..................25
1.2.1. Колебательные системы, создающие синусоидальные 
колебания ...................................................................................................25
1.2.2. Математическое представление синусоидальных сигналов .......25
1.2.3. Стационарные и модулированные синусоидальные сигналы .....27
1.2.4. Мощность синусоидальных сигналов............................................28
1.2.5. Параметры переменных напряжений и токов .............................29
1.2.6. Колебания в нелинейных системах ...............................................30
1.2.7. Типы источников синусоидальных сигналов .................................32
1.3. Основы построения высокочастотных генераторов 
синусоидальных сигналов ............................................................................ 33
1.3.1. Обобщенная схема генератора с обратной связью ................... 33
1.3.2. Стабилизация амплитуды у генераторов синусоидальных 
сигналов .....................................................................................................34
1.3.3. Методы и виды модуляции синусоидальных сигналов ................. 35
1.4. Основные типы генераторов высокочастотных синусоидальных 
сигналов ........................................................................................................37
1.4.1. RC-генераторы ................................................................................37

Содержание
4

1.4.2. LC-генераторы синусоидального напряжения 
и их математическое моделирование ..................................................... 38
1.4.3. Некоторые практические схемы транзисторных 
LC-генераторов .........................................................................................40
1.4.4. LC-генераторы на негатронах ........................................................43
1.4.5. LC-генераторы синусоидальных сигналов на интегральных 
микросхемах .............................................................................................45
1.4.6. Кварцевые резонаторы и генераторы .........................................45
1.4.7. Пути улучшения параметров генераторов синусоидальных 
сигналов .....................................................................................................51
1.4.8. Генераторы на основе синтезаторов частоты ..............................54
1.5. Серийные аналоговые ВЧ-генераторы синусоидальных 
сигналов ........................................................................................................56
1.5.1. Измерительные аналоговые генераторы 
ВЧ-синусоидальных сигналов ...................................................................56
1.5.2. Измерительные аналоговые генераторы 
СВЧ-синусоидальных сигналов ................................................................60
1.5.3. Измерительные СВЧ-генераторы с цифровым 
синтезатором ............................................................................................61
1.5.4. Аналоговые генераторы фирмы Agilent Technologies .................62
1.5.5. Генераторы синусоидальных сигналов фирмы 
ROHDE&SCHWARE .....................................................................................67
1.6. Генераторы с прямым цифровым синтезом сигналов .......................72
1.6.1. Функциональные схемы генераторов сигналов с прямым 
цифровым синтезом сигналов .................................................................72
1.6.2. Шум синтезированного сигнала ...................................................74
1.7. Серийные генераторы с прямым цифровым синтезом сигналов .....77
1.7.1. Простые генераторы с прямым цифровым синтезом .................77
1.7.2. Обзор генераторов сигналов фирмы Tektronix ...........................78
1.7.3. Генераторы сигналов произвольной формы Tektronix 
AFG 3000 ...................................................................................................79
1.7.4. Создание сигнала с кодоимпульсной модуляцией.......................86
1.7.5. Монолитные микросхемы для кодоимпульсной 
модуляции/демодуляции ...........................................................................91
1.8. Векторные генераторы синусоидальных сигналов ............................94
1.8.1. Векторные генераторы фирмы R&S ..............................................94

Содержание

1.8.2. Векторные генераторы фирмы Keithley ........................................96
1.9. Новое поколение микросхем СВЧ-генераторов 
синусоидального сигнала компании Hittite ................................................99
1.9.1. Микросхемы управляемых напряжением генераторов 
(VCO) с встроенным делителем частоты ................................................99
1.9.2. Микросхемы VCO со встроенным буфером .............................102
1.9.3. Микросхемы VCO с двумя радиочастотными выходами ...........104
1.9.4. Широкополосные (Wideband) VCO ...........................................105
1.9.5. Монолитная микросхема генератора типа PLO ........................ 107
1.10. Монолитные микросхемы синтезаторов частоты компании 
Hittite ........................................................................................................... 109
1.10.1. Монолитные микросхемы синтезаторов без VCO ................. 109
1.10.2. Монолитные микросхемы PLL 
СВЧ-синтезаторов ...................................................................................116
1.10.3. Трехдиапазонные монолитные микросхемы 
синтезаторов ...........................................................................................119
1.10.4. Широкодиапазонные монолитные микросхемы 
синтезаторов ...........................................................................................121
1.10.5. Микросхемы HMC983/HMC983 для построения 
сверхширокополосных синтезатров.....................................................124
1.10.6. Монолитные микросхемы широкодиапазонных 
синтезаторов HMC701/702/703  ...........................................................128
1.10.7. Программное обеспечение монолитных микросхем 
синтезаторов ...........................................................................................132
 Глава 2 

Генераторы импульсов и сложных сигналов ..............................135
2.1. Параметры и свойства импульсных сигналов ...................................135
2.1.1. Типы импульсных сигналов ...........................................................135
2.1.2. Параметры импульсных сигналов ...............................................136
2.1.3. Спектр импульсных сигналов .......................................................138
2.2. Основные методы и устройства генерации импульсных 
сигналов ......................................................................................................142
2.2.1. Основные методы генерации импульсных сигналов .................142
2.2.2. Импульсные схемы на биполярных и полевых 
транзисторах ...........................................................................................143

Содержание
6

2.2.3. Генераторы импульсов на интегральных микросхемах 
общего применения ...............................................................................144
2.3. Импульсные генераторы на интегральном таймере ........................144
2.3.1. Наследники классики – таймера 555 ..........................................145
2.3.2. Автоколебательный и ждущий релаксаторы 
на интегральном таймере .......................................................................149
2.3.3. Типовые импульсные схемы на интегральных таймерах 
класса 555 ................................................................................................152
2.3.4. Характеристики прецизионных интегральных таймеров ..........157
2.3.5. Сдвоенные интегральные таймеры класса 556 ..........................158
2.3.6. Одиночные интегральные таймеры на CMOS-транзисторах ....159
2.3.7. Новейшие LinCMOS-таймеры TLC551 и TLC555 ......................... 160
2.4. Импульсные устройства на негатронах  ............................................164
2.4.1. Общая оценка ...............................................................................164
2.4.2. Импульсные устройства на однопереходных транзисторах ....165
2.4.3. Появление лавинных транзисторов .............................................168
2.4.4. Лавинно-инжекционные транзисторы ........................................171
2.4.5. «Аномально быстрое» включение лавинного транзистора ......175
2.4.6. Лавинные транзисторы с ограниченной областью 
объемного заряда (ЛТОООЗ) ................................................................181
2.4.7. Моделирование релаксационных генераторов 
на лавинных транзисторах ......................................................................183
2.4.8. Серийные лавинные транзисторы и их применение .................184
2.4.9. Интегральное исполнение схем на лавинных 
транзисторах ...........................................................................................186
2.5. Измерительные генераторы импульсов  ...........................................187
2.5.1. Функциональная схема аналогового импульсного 
генератора ..............................................................................................187
2.5.2. Серийные генераторы прямоугольных импульсов  ...................188
2.6. Функциональные генераторы ............................................................195
2.6.1. Основные типы функциональных генераторов ..........................195
2.6.2. Аналоговые функциональные генераторы .................................196
2.6.3. Функциональные генераторы, управляемые напряжением
или током .................................................................................................198
2.6.4. Формирователи синусоидального сигнала 
из треугольного .......................................................................................201

Содержание

2.6.5. Микросхемы аналоговых функциональных генераторов ..........202
2.6.6. Серийные аналоговые функциональные генераторы ...............208
2.7. Цифровые функциональные генераторы ..........................................216
2.7.1. Принципы построения функциональных генераторов 
с цифровым синтезом выходных сигналов ...........................................216
2.7.2. Простые цифровые функциональные генераторы ....................218
2.8. Цифровые генераторы сигналов произвольной формы .................220
2.8.1. Назначение и особенности генераторов сигналов 
произвольной формы .............................................................................220
2.8.2. Генераторы сигналов произвольной формы ..............................221
2.9. Многофункциональные генераторы произвольных сигналов 
серии Tektronix АFG3000 ..........................................................................227
2.9.1. Органы управления генератора AFG3000  ...............................227
2.9.2. Технические характеристики генераторов AFG3000  ..............229
2.9.3. Работа с генератором AFG3000  ................................................229
2.9.4. Основные возможности генераторов AFG3101  ......................232
2.10. Генераторы серии DG5000 фирмы RIGOL  ....................................237
2.10.1. Основные возможности генераторов DG5000  .....................237
2.10.2. Возможности генерации сигналов с кодоимпульсной 
модуляцией ..............................................................................................240
2.10.3. DG5000 в роли генератора качающейся частоты ...................242
2.11. Генераторы сигналов произвольной формы класса AWG .............243
2.11.1. Сравнение генераторов класса AFG и AWG ............................243
2.11.2. Генераторы серии AWG7000 ...................................................244
2.11.3. Генераторы серии AWG5000 ....................................................246
2.12. Генераторы сигналов сложной формы (паттернов) .......................248
2.12.1. Функциональная схема генератора паттернов  .......................248
2.12.2. Генераторы цифровых сигналов фирмы Tektronix ...................249
2.12.3. Генератор импульсов/паттернов серии 3400 фирмы 
Keithley .....................................................................................................252
 Глава 3 

Методы генерации и генераторы субнано- 
и пикосекундных импульсов .............................................................253
3.1. Методы генерации перепадов и импульсов сверхмалой 
длительности ...............................................................................................253

Содержание
8

3.1.1. Основные методы генерации импульсов сверхмалой 
длительности ............................................................................................253
3.1.2. Релаксаторы на водородных тиратронах и крайтронах ...........258
3.1.3. Генераторы коротких импульсов с разрядом 
формирующего двухполюсника или линии ......................................... 260
3.1.4. Формирование субнаносекундных перепадов 
нелинейными линиями передачи с ударными волнами .......................263
3.1.5. Генераторы коротких импульсов на основе применения 
ударных волн в линиях передачи ...........................................................265
3.2. Формирователи импульсов субнаносекундной длительности .......268
3.2.1. Диодные и другие ограничители ................................................268
3.2.2. Особенности сверхскоростных интегральных усилителей ......269
3.2.3. Характеристики скоростных интегральных усилителей ............270
3.2.4. Высокоскоростные интегральные компараторы .......................278
3.2.5. Сверхскоростные пикосекундные микросхемы 
корпорации Hittite Microwave ...............................................................280
3.3. Регенеративные формирователи импульсов на туннельных 
диодах..........................................................................................................285
3.3.1. Основная схема на туннельном диоде (ТД) ...............................285
3.3.2. Моделирование генератора синусоидального сигнала 
на ТД .........................................................................................................286
3.3.3. Моделирование ждущего релаксационного генератора 
на ТД .........................................................................................................289
3.3.4. Моделирование триггера на ТД с раздельным запуском ..........289
3.3.5. Пример применения ТД для получения перепадов 
с длительностью 50 пс ............................................................................292
3.4. Формирователи коротких перепадов и импульсов на диодах 
с накоплением заряда ................................................................................296
3.4.1. Физика работы диода при переключении ..................................296
3.4.2. Обостритель переднего фронта импульсов на ДНЗ .................298
3.4.3. Генератор с формирователем прямоугольных импульсов 
на ДНЗ ......................................................................................................299
3.5. Генераторы коротких перепадов и импульсов на лавинных 
транзисторах ...............................................................................................301
3.5.1. Генераторы импульсов с субнаносекундными фронтами 
на лавинных транзисторах ......................................................................301

Содержание

3.5.2. Генератор прямоугольных импульсов с tф ≈ 0,1 нс  ...................306
3.5.3. Генератор импульсов тока с амплитудой 25 А 
и длительностью 1,5 нс ...........................................................................308
3.5.4. Генераторы прямоугольных импульсов с разрядной 
линией ......................................................................................................310
3.6. Генераторы коротких перепадов и импульсов на лавинных 
и полевых транзисторах .............................................................................316
3.6.1. Формирователи коротких импульсов на лавинных 
и мощных СВЧ-биполярных транзисторах ............................................316
3.6.2. Формирователи импульсов на двухполюснике с лавинным 
и мощным СВЧ МДП-транзисторами ....................................................320
3.6.3. Формирователи импульсов с запуском мощного СВЧ GaAs 
полевого транзистора от лавинного .....................................................323
3.6.4. Высокочастотный генератор импульсов .....................................328
3.6.5. Генераторы импульсов на GaAs полевом транзисторе 
с запуском от GaAs-микросхемы...........................................................329
3.7. Генераторы коротких импульсов на новых полупроводниковых 
приборах.....................................................................................................331
3.7.1. Генераторы коротких импульсов на лавинных S-диодах ...........331
3.7.2. Генераторы сверхкоротких импульсов на дрейфовых 
диодах и транзисторах с резким восстановлением ............................334
3.7.3. Генераторы импульсов на фотоно-инжекционных 
импульсных коммутаторах ......................................................................337
3.8. Серийные генераторы импульсов с субнаносекундными 
фронтами .....................................................................................................339
3.8.1. Генераторы импульсов – калибраторы осциллографов............339
3.8.2. Генераторы пикосекундных импульсов серии 4000 фирмы 
Picosecond Pulse Lab ...............................................................................342
3.8.3. Генераторы импульсов серии GFT  ..............................................347
3.8.4. Генераторы сверхкоротких импульсов серий PF и PG ..............347
3.8.5. Высоковольтные импульсные модули HVS фирмы 
ALPHALAS  ...............................................................................................352
3.8.6. Нано- и субнаносекундная техника фирмы AVTECH ..................353
3.8.7. Генераторы импульсов для управления высоковольтными 
ячейками Поккельса ................................................................................356
3.8.8. Оптико-электронные компоненты фирмы Leyshop....................359

Содержание
10

 Глава 4 

Методы и приборы аналоговой электронной 
осциллографии ......................................................................................361
4.1. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) ....................................................361
4.1.1. Устройство осциллографической электронно-лучевой 
трубки (ЭЛТ) ............................................................................................361
4.1.2. Графическая скорость луча в ЭЛТ ................................................364
4.1.3. Время установления отклоняющей системы...............................365
4.1.4. Отклоняющие системы осциллографических ЭЛТ ....................366
4.1.5. Осциллографические трубки специального назначения ..........369
4.2. Принцип действия и устройство аналогового осциллографа .........372
4.2.1. Основные типы электронных осциллографов ...........................372
4.2.2. Принцип действия аналогового осциллографа .........................372
4.2.3. Структурная схема аналогового осциллографа .........................373
4.2.4. Требования к усилителям осциллографа ....................................376
4.2.5. Принципы построения генераторов развертки ........................383
4.2.6. Прочие узлы аналогового осциллографа ...................................387
4.3. Аналоговые осциллографы.................................................................388
4.3.1. Сверхскоростные осциллографы без усилителей .....................388
4.3.2. Массовые советские транзисторные осциллографы 
60-х годов ................................................................................................389
4.3.3. Современные аналоговые сервисные осциллографы ...............391
4.3.4. Отечественные универсальные аналоговые осциллографы .....393
4.3.5. Зарубежные аналоговые универсальные осциллографы ..........397
4.3.6. Скоростные аналоговые осциллографы .................................... 400
4.3.7. Скоростные осциллографы 
AKTAKOM-IWATSU .................................................................................. 406
4.4. Работа с аналоговым осциллографом ...............................................411
4.4.1. Подготовка осциллографа к работе ...........................................411
4.4.2. Выбор режимов работы усилителей канала Y ............................413
4.4.3. Калибровка чувствительности  .....................................................414
4.4.4. Учет влияния входной цепи осциллографа .................................416
4.4.5. Применение пробников в виде компенсированных 
делителей напряжения ............................................................................418
4.4.6. Установка точной компенсации делителя ...................................421