专利分析：US 4956568 A Monolithic sampler
作者：
日期：2025-01-05
核心速览
本文介绍了一种单片式采样器的专利，该采样器通过使用冲击波发生器来实现超过100 GHz的带宽，解决了传统采样电路设计或组件限制导致的采样率不足的问题。
研究背景
· 研究问题：在电子行业中，设计一个能够以极高速度、准确性和可靠性进行采样的设备一直是一个重大挑战。能够突破100 GHz带宽限制的采样器的开发将代表电子仪器领域的一项重大技术进步。
· 研究难点：传统电子仪器的最高可测量频率受到设计约束和所用组件的限制。限制采样器带宽超过25 GHz的主要因素是驱动传统采样电路的脉冲发生器的能力有限。此外，目前可用的采样仪器的高频能力受到其电路中离散电子组件相对效率低下的影响。
· 文献综述：文中提到了几篇相关文献，包括M.J.M.Rodwell等人关于“用于皮秒脉冲压缩和宽带相位调制的非线性传输线”的研究，R.B.Riley关于“非线性传输线的分析”的报告，R.Landauer关于“非线性传输线中的冲击波及其对参量放大影响”的研究，以及M.M.Sayed关于“40 GHz频率转换器头”的文章。这些文献为本专利的研究提供了理论和技术背景。
单片采样器的发明
· 发明背景：本发明是一种单片采样器，能够克服以往仪器因电路设计或组件限制导致的采样率不足的问题。该采样器包含五个电路阶段：本地振荡器部分、冲击波发生器、反射阻尼钳位部分、延迟部分以及由冲击波流控制的采样部分，产生中频输出。
· 技术原理：采样器利用非线性传输线产生高频边缘锐化的脉冲，通过一系列超突变二极管（变容二极管）变形输入脉冲，生成一系列尖峰状的波形，即冲击波。这些冲击波依次激活采样二极管，当这些二极管被激活时，它们为射频输入打开通路，使采样电容充电，从而从输入中抽取代表性的电流样本。
· 电路设计：采样器的整个电路被单片集成在一个基板上，使用传统的半导体制造和封装技术。采样器的阻尼和延迟部分最小化了电路中的杂散振铃，并管理了这些反射的振荡时间。
单片采样器的电路配置
· 本地振荡器阶段：包括一个平衡变压器和一个本地正弦波振荡器，为系统提供驱动。
· 冲击波发生器阶段：包含一个非线性传输线，该传输线具有上分支和下分支，多个冲击波发生器阶段变容二极管跨越传输线的两个导体，位于精心选择的间隔处。
· 钳位二极管阶段：跟随冲击波发生器，包含一个钳位二极管，用于最小化采样电路中的杂散振铃。
· 延迟阶段：位于钳位二极管信号和采样阶段之间，包含一个未加载的传输线，其特征阻抗为50欧姆。
· 采样阶段：包含一对采样电容、一对采样二极管以及一个产生中频采样输出的中频输出网络。
单片采样器的制造
· 制造过程：使用传统的光刻技术完成单片采样器的制造。首先在半绝缘的砷化镓基板上形成二极管，然后使用分子束外延技术在其上生长n+层和n(x)层。n(x)层的掺杂剖面产生所需的电容变化。
· 组件隔离：通过质子轰击隔离各个二极管，并蚀刻n(x)层的部分区域，然后沉积钛-金-锗合金的欧姆接触和钛-铂-金金属的肖特基接触。
· 传输线的连接：通过舌和钩部分将传输线连接起来，形成完整的采样器电路。
单片采样器的实验结果
· 实验操作：通过在采样器的输入端施加射频输入信号来启动采样器的操作。采样信号来自本地振荡器阶段，进入冲击波发生器阶段，二极管的非线性产生陡峭的边缘，用于驱动采样器。
· 性能指标：根据发明者使用SPICE软件包进行的实际模拟，给出了电路中各个组件和参数的规格。例如，本地振荡器阶段的源电阻为50欧姆，冲击波发生器阶段的未加载传输线阻抗为203.5欧姆，钳位二极管阶段的未加载传输线阻抗为57欧姆等。
· 采样结果：采样二极管中的电流脉冲显示了2.6皮秒的全宽度半最大值，代表了大约134 GHz的3dB带宽。
总体结论
· 技术突破：本发明的单片采样器克服了以往仪器采样率不足的问题，实现了超过100 GHz的带宽，为电子仪器行业提供了先进的测量工具。
· 应用前景：该采样器能够提供前所未有的采样带宽，满足电子行业对更快、更复杂的采样设备的需求，有助于工程师构建更经济有效的诊断和监测系统。
· 制造优势：单片集成的设计减少了不需要的干扰，消除了对昂贵的制造方法的需求，这些方法需要昂贵的工具来确保离散组件的精确机械对齐。单片设计消除了组件公差要求和组件温度跟踪的需要。
本文介绍了一种单片式采样器的专利，该采样器通过使用冲击波发生器来实现超过100 GHz的带宽，解决了传统采样电路设计或组件限制导致的采样率不足的问题。
研究背景
· 研究问题：在电子行业中，设计一个能够以极高速度、准确性和可靠性进行采样的设备一直是一个重大挑战。能够突破100 GHz带宽限制的采样器的开发将代表电子仪器领域的一项重大技术进步。
· 研究难点：传统电子仪器的最高可测量频率受到设计约束和所用组件的限制。限制采样器带宽超过25 GHz的主要因素是驱动传统采样电路的脉冲发生器的能力有限。此外，目前可用的采样仪器的高频能力受到其电路中离散电子组件相对效率低下的影响。
· 文献综述：文中提到了几篇相关文献，包括M.J.M.Rodwell等人关于“用于皮秒脉冲压缩和宽带相位调制的非线性传输线”的研究，R.B.Riley关于“非线性传输线的分析”的报告，R.Landauer关于“非线性传输线中的冲击波及其对参量放大影响”的研究，以及M.M.Sayed关于“40 GHz频率转换器头”的文章。这些文献为本专利的研究提供了理论和技术背景。
单片采样器的发明
· 发明背景：本发明是一种单片采样器，能够克服以往仪器因电路设计或组件限制导致的采样率不足的问题。该采样器包含五个电路阶段：本地振荡器部分、冲击波发生器、反射阻尼钳位部分、延迟部分以及由冲击波流控制的采样部分，产生中频输出。
· 技术原理：采样器利用非线性传输线产生高频边缘锐化的脉冲，通过一系列超突变二极管（变容二极管）变形输入脉冲，生成一系列尖峰状的波形，即冲击波。这些冲击波依次激活采样二极管，当这些二极管被激活时，它们为射频输入打开通路，使采样电容充电，从而从输入中抽取代表性的电流样本。
· 电路设计：采样器的整个电路被单片集成在一个基板上，使用传统的半导体制造和封装技术。采样器的阻尼和延迟部分最小化了电路中的杂散振铃，并管理了这些反射的振荡时间。
单片采样器的电路配置
· 本地振荡器阶段：包括一个平衡变压器和一个本地正弦波振荡器，为系统提供驱动。
· 冲击波发生器阶段：包含一个非线性传输线，该传输线具有上分支和下分支，多个冲击波发生器阶段变容二极管跨越传输线的两个导体，位于精心选择的间隔处。
· 钳位二极管阶段：跟随冲击波发生器，包含一个钳位二极管，用于最小化采样电路中的杂散振铃。
· 延迟阶段：位于钳位二极管信号和采样阶段之间，包含一个未加载的传输线，其特征阻抗为50欧姆。
· 采样阶段：包含一对采样电容、一对采样二极管以及一个产生中频采样输出的中频输出网络。
单片采样器的制造
· 制造过程：使用传统的光刻技术完成单片采样器的制造。首先在半绝缘的砷化镓基板上形成二极管，然后使用分子束外延技术在其上生长n+层和n(x)层。n(x)层的掺杂剖面产生所需的电容变化。
· 组件隔离：通过质子轰击隔离各个二极管，并蚀刻n(x)层的部分区域，然后沉积钛-金-锗合金的欧姆接触和钛-铂-金金属的肖特基接触。
· 传输线的连接：通过舌和钩部分将传输线连接起来，形成完整的采样器电路。
单片采样器的实验结果
· 实验操作：通过在采样器的输入端施加射频输入信号来启动采样器的操作。采样信号来自本地振荡器阶段，进入冲击波发生器阶段，二极管的非线性产生陡峭的边缘，用于驱动采样器。
· 性能指标：根据发明者使用SPICE软件包进行的实际模拟，给出了电路中各个组件和参数的规格。例如，本地振荡器阶段的源电阻为50欧姆，冲击波发生器阶段的未加载传输线阻抗为203.5欧姆，钳位二极管阶段的未加载传输线阻抗为57欧姆等。
· 采样结果：采样二极管中的电流脉冲显示了2.6皮秒的全宽度半最大值，代表了大约134 GHz的3dB带宽。
总体结论
· 技术突破：本发明的单片采样器克服了以往仪器采样率不足的问题，实现了超过100 GHz的带宽，为电子仪器行业提供了先进的测量工具。
· 应用前景：该采样器能够提供前所未有的采样带宽，满足电子行业对更快、更复杂的采样设备的需求，有助于工程师构建更经济有效的诊断和监测系统。
· 制造优势：单片集成的设计减少了不需要的干扰，消除了对昂贵的制造方法的需求，这些方法需要昂贵的工具来确保离散组件的精确机械对齐。单片设计消除了组件公差要求和组件温度跟踪的需要。
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