经典技术文档：《A Schottky Diode Bridge Sampling Gate》
作者：
日期：2025-01-17
本文档是关于美国国家标准局（National Bureau of Standards，NBS）的技术说明，重点介绍了该机构的成立目的、组织结构、技术工作以及一个特定的技术研究项目——肖特基二极管桥采样门（Schottky Diode Bridge Sampling Gate）的设计与应用。
研究背景
· 研究问题：在测试运算放大器、数字模拟转换器、采样保持放大器等电子设备时，需要测量低电平信号，但这些信号往往被之前的大信号所掩盖，导致测量仪器过载。这种测量问题在评估这些电子设备的性能时尤为关键，因为低电平信号的准确测量对于确保设备性能至关重要。
· 研究难点：在测量过程中，大信号可能导致测量仪器的放大器过载，产生电压偏差，这些偏差在测量低电平信号时仍未衰减至可忽略的水平，从而导致错误的测量结果。此外，现有的采样开关在处理大信号时可能会产生电压尖峰，导致示波器过载，影响测量精度。
· 文献综述：文档中提到了几种用于防止测量仪器过载的技术，包括二极管限幅电路、各种有源电路和采样开关。这些技术虽然各有优势，但也存在一些局限性，如恢复时间长、需要复杂的门控脉冲等。因此，研究者寻求一种快速响应的电路来解决这一测量难题。
美国国家标准局简介
美国国家标准局成立于1901年3月3日，旨在加强和推进国家的科学技术，并促进其有效应用以造福公众。该局通过国家计量实验室、国家工程实验室和计算机科学与技术研究所进行研究并提供服务。这些机构分别负责国家的物理、化学和材料测量系统，为工业和政府提供科学技术服务，确保贸易中的公平性，并提供促进公共安全的技术服务。
肖特基二极管桥采样门研究
肖特基二极管桥采样门的设计旨在解决在测量低电平信号前有大信号出现时的测量问题。该采样门结合了二极管限幅电路和采样开关的优点，使用肖特基二极管桥作为采样开关，以实现高速度和小的门控电压，从而减少开关动作时产生的瞬态效应。这种设计不仅提高了测量的准确性，还减少了对测量仪器的过载风险。
国家标准局技术说明
· 机构介绍：国家标准局（NBS）成立于1901年3月3日，旨在加强和推进国家的科学技术，并促进其有效应用以造福公众。该局通过国家计量实验室、国家工程实验室和计算机科学与技术研究所进行研究和提供服务。
· 服务内容：国家标准局提供国家物理测量系统的基础，为工业和政府提供科学技术服务，为贸易公平提供技术基础，并提供促进公共安全的技术服务。
国家计量实验室
· 功能与组成：国家计量实验室负责国家的物理、化学和材料测量系统，并与其他国家的测量系统协调。实验室提供必要的测量服务，进行材料研究以改进测量方法、标准和材料属性数据。此外，实验室还为其他政府机构提供咨询和研究服务，开发、生产和分发标准参考材料，并提供校准服务。
· 中心构成：实验室由绝对物理量、辐射研究、热力学与分子科学、分析化学和材料科学等中心组成。
国家工程实验室
· 功能与组成：国家工程实验室为公共和私营部门提供技术和技术服务，以解决国家需求和问题。实验室进行工程和应用科学研究，建立和维护进行研究和技术服务所需的必要学科能力，开发工程数据和测量能力，提供工程测量追溯服务，制定测试方法并提出工程标准和代码变更，开发和提出新的工程实践，并开发和改进将研究成果转移给最终用户的方法。
· 中心构成：实验室由应用数学、电子与电气工程、机械工程与工艺技术、建筑技术、火灾研究、消费品技术、现场方法等中心组成。
计算机科学与技术研究所
· 功能与组成：计算机科学与技术研究所进行研究并提供科学和技术服务，以帮助联邦机构在选择、获取、应用和使用计算机技术方面提高政府运营的效果和经济性。研究所通过管理联邦信息处理标准计划、开发联邦自动数据处理（ADP）标准指南以及管理联邦参与ADP自愿标准化活动来执行这一使命，并为联邦政府的计算机相关政策提供技术基础。
· 中心构成：研究所由编程科学与技术、计算机系统工程等中心组成。
Schottky二极管桥采样门
· 研究背景：为了解决在测试运算放大器、数字模拟转换器、采样/保持放大器等主动电路时，测量低电平信号前的大信号而不使测量仪器过载的问题，设计了Schottky二极管桥和相关的门控及延迟电路。
· 电路设计：Schottky二极管桥和采样开关结合使用，利用二极管的高速开关特性，通过适当的门控脉冲来控制采样开关的闭合，从而实现对低电平信号的准确测量。采样开关由Schottky二极管构成，以确保高速切换并减少开关瞬态。
· 实验结果：该电路能够有效地测量低至10-1000微伏的低电平信号，而不会因前导的大信号而过载测量仪器。在桥接电路开启时，输出瞬态小于8毫伏，并在400纳秒内衰减至200微伏。当桥接电路关闭时，高频信号的穿透小于10毫伏，这在大多数实际应用中不会导致示波器过载。桥接电路的温度偏移量小于20微伏/摄氏度。
### A Schottky Diode Bridge Sampling Gate：Gate Pulse Circuit
#### 1. 电路目的
Gate Pulse Circuit 的目的是将单极性矩形输入脉冲（例如 TTL 逻辑）转换为适合控制二极管桥开关的互补门脉冲。
#### 2. 电路组成
该电路由两个级联的反相宽带放大器组成，通过一个光学隔离门驱动。输出晶体管的开路集电极加载了一个1kΩ的电阻。
#### 3. 调整方法
AR1 和 AR2 的偏移调整方法如下：
1. 将节点d和e接地，调整R4以获得AR1的零输出电压，调整R5以获得AR2的零输出电压。
2. 解除节点d和e的接地状态，然后向光学隔离门的输入施加大约4V的正直流电压，并调整R3以获得AR1的+0.35V输出电压；AR2的输出电压应为-0.35V。
#### 4. 输出电压范围
对于正输入门脉冲，AR1的输出电压范围应在+0.35V到-0.95V之间，AR2的输出将是这些值的补数。
#### 5. 带宽和响应时间
配置后的AR1和AR2的带宽比制造商规格要宽，AR2的带宽比AR1宽，以便AR2能够通过-1的因子放大AR1的输出。因此，施加到D7和D8的门脉冲是彼此的镜像。这些门脉冲是桥接操作所需的最小值。
#### 6. 输出响应
在将矩形电压脉冲应用于光学隔离门的上升沿时，AR1和AR2的输出电压转换在示波器的下部迹线上显示。二极管桥在这些转换期间被打开，桥输出中出现的开关瞬态在这些转换开始后350纳秒内衰减到200微伏的幅度。
#### 7. 电路特性
该门脉冲电路能够产生最小的开关瞬态，使得二极管桥在被打开时的响应时间通常在45纳秒左右。
#### 8. 应用
该门脉冲电路最初与NBS设计的可延迟门脉冲发生器一起操作，后来为了方便和通用性，二极管和门脉冲电路被封装在一个模块中，该模块可以插入包含可触发脉冲发生器的商用主机中。
A Schottky Diode Bridge Sampling Gate 文档中描述的 Delayable Gate Pulse Generator 是一个用于产生延迟的矩形脉冲的电路，这些脉冲被应用于门脉冲电路，并且相对于触发示波器的同步脉冲有延迟。延迟和脉冲宽度（"窗口"大小）基本上是连续可调的，以适应从大约10纳秒/分到1毫秒/分的示波器扫描速度范围。延迟电路由短、中、长三个时间延迟功能块组成。短时间延迟利用集成电路门的传播延迟，并通过级联NOR门实现最多200纳秒的延迟，以20纳秒为增量。中时间延迟是一个单稳态多谐振荡器，其输出脉冲长度（延迟）通过R1可调，范围从100纳秒到1.5微秒。长时间延迟电路使用555型集成电路定时器，并通过R2可调脉冲长度（延迟），范围从1微秒到10微秒。长时间延迟电路由中时间延迟电路通过一个具有固定脉冲长度的单稳态多谐振荡器驱动。决定窗口大小的电路与长时间延迟电路及其驱动电路类似，但脉冲宽度（窗口大小）通过电容C1到C3与R3的组合可调，范围从5微秒到5毫秒，分为三个范围。
总体结论
· 技术应用：Schottky二极管桥采样门的设计成功解决了在测量低电平信号前存在大信号时的过载问题，为测试和评估主动电路提供了有效的测量手段。
· 性能优势：该采样门具有快速响应时间，能够在不损失信号质量的前提下，准确测量低电平信号。其设计适用于宽带示波器，能够测量到100微伏级别的信号变化。
· 实际应用价值：该技术在测试运算放大器、数字模拟转换器、采样/保持放大器等主动电路时具有广泛的应用前景，能够提高测量的准确性和可靠性。
客服咨询
400 093 7005
周一至周日：09:00AM-21:00PM
微信扫码关注
小程序扫码注册