JP2022142572A

JP2022142572A - 短パルス発生回路及び短パルス発生方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープ

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Publication number: JP2022142572A
Application number: JP2021042792A
Authority: JP
Inventors: 悟白土; Satoru Shirato
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2041-03-16
Also published as: JP7176030B2

Abstract

【課題】簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる短パルス発生回路を提供する。
【解決手段】サンプリングオシロスコープに用いられる短パルス発生回路１であって、所定の繰り返し周波数で矩形波信号ａを発生する矩形波発生回路１０と、コンデンサ２１を含み、矩形波信号ａから微分パルス信号ｂを生成する微分回路２０と、リファレンス電圧ｃを供給するリファレンス電圧供給回路４０と、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃを差動入力し、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃの差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号ｄ、ｅを生成し、短パルス信号ｄ、ａを差動出力する差動リミティングアンプ３０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、短パルス発生回路及び短パルス発生方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープに関する。

広帯域サンプリングオシロスコープは、サンプリング時点をずらしながら複数回のサンプリングを行うことにより被測定信号の波形を測定するものであり、被測定信号をサンプリングするサンプラ回路を備えている。サンプラ回路は、直流から数十ＧＨｚ（例えば８０ＧＨｚ）までの広帯域で平坦で良好な周波数応答特性を有している必要があり、このようなサンプラ回路を駆動するためには、数ｐｓから数十ｐｓのパルス幅の短パルス信号が必要になる。

従来、短パルス信号を発生させる回路には、ステップリカバリダイオード（ＳＲＤ（Step Recovery Diode））を用いたものや、複数のトランジスタと遅延回路とを組み合わせたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、リカバリ時間が短く高速なスイッチング特性を有するＳＲＤを用いて、パルスを発生するパルス信号発生回路が記載されている。具体的には、階段状に電圧変化する信号をＳＲＤに加えて、導通状態から遮断状態への状態遷移を生じさせ、コンデンサにおいて状態遷移によって生じる信号の変化を微分してパルス信号を得ている。

特開２００７－６０２１５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の技術にあっては、信号の変化を微分してパルス信号を得る微分手段が記載されているものの、広帯域サンプリングオシロスコープに用いられるサンプラ回路に採用した場合、パルス幅を調整することができないという問題があった。

サンプリングオシロスコープの帯域を変化させるには、サンプラ回路を駆動する短パルス信号（ストローブ信号ともいう）のパルス幅を変化させる必要がある。これを実現するには複雑な回路構成にせざるをえず、高価な部品も必要であった。そのため、簡易で低コストの回路構成が求められていた。また、特許文献１で用いられているＳＲＤは、性能のばらつきが大きいという問題もあった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる短パルス発生回路及び短パルス発生方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することを目的とする。

本発明の短パルス発生回路は、サンプリングオシロスコープに用いられる短パルス発生回路であって、所定の繰り返し周波数で矩形波信号を発生する矩形波発生回路（１０）と、コンデンサを含み、前記矩形波信号から微分パルス信号を生成する微分回路（２０）と、リファレンス電圧を供給するリファレンス電圧供給回路（４０）と、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧を差動入力し、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、前記短パルス信号を差動出力する差動リミティングアンプ（３０）と、を備えることを特徴とする。

上述のように、本発明は、差動リミティングアンプが、微分パルス信号とリファレンス電圧を差動入力し、微分パルス信号とリファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、短パルス信号を差動出力するようになっている。この構成により、性能のばらつきが大きいＳＲＤを用いることなく、リファレンス電圧の大きさを変更することにより、差動リミティングアンプから出力される短パルス信号のパルス幅を調整することができる。このように、本発明の短パルス発生回路は、簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる。また、パルス幅を調整可能な本発明の短パルス発生回路を、サンプリングオシロスコープのサンプラ回路にストローブ信号を与える回路に用いることにより、サンプリングオシロスコープ１００の帯域を変更することができる。

本発明の短パルス発生回路において、前記リファレンス電圧供給回路は、前記リファレンス電圧の大きさを調整するリファレンス電圧調整回路（４１）を含む構成であってもよい。

この構成により、本発明の短パルス発生回路は、差動リミティングアンプから出力される短パルス信号のパルス幅を容易に調整することができる。

本発明の短パルス発生回路において、前記リファレンス電圧調整回路は、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差が前記差動リミティングアンプにより増幅されて生成される前記短パルス信号の最大値が前記予め定められた振幅に達するように、前記リファレンス電圧の大きさを設定する構成であってもよい。

この構成により、本発明の短パルス発生回路は、差動リミティングアンプが入出力特性の飽和領域で動作し、矩形波の短パルス信号を得ることができる。

本発明の短パルス発生回路において、前記差動リミティングアンプは、正相入力端子及び逆相入力端子からなる差動入力端子と、正相出力端子及び逆相出力端子からなる差動出力端子とを備え、前記微分パルス信号は、前記差動リミティングアンプの前記正相入力端子に入力され、前記リファレンス電圧は、前記逆相入力端子に入力され、正相の前記短パルス信号が前記正相出力端子から出力され、逆相の前記短パルス信号が前記逆相出力端子から出力される構成であってもよい。

この構成により、本発明の短パルス発生回路は、差動出力として立ち上り又は立ち下りタイミングの同じ正相及び逆相の短パルス信号を出力することができる。これにより、後段で必要とされる正相及び逆相の両方又は一方の短パルス信号を選択的に利用することができる。

本発明の短パルス発生回路において、前記微分回路の前記コンデンサは、可変容量コンデンサである構成であってもよい。

この構成により、本発明の短パルス発生回路は、可変容量コンデンサの電気容量を変更することにより、差動リミティングアンプから出力される短パルス信号のパルス幅を調整することができる。

本発明の短パルス発生回路は、前記サンプリングオシロスコープにおいて被測定信号をサンプリングするサンプラ回路に対し、サンプリングのタイミングを示すストローブ信号として前記短パルス信号を発生する構成であってもよい。

この構成により、本発明の短パルス発生回路は、リファレンス電圧の大きさを変更することにより、差動リミティングアンプから出力される短パルス信号のパルス幅を調整することができる。すなわち、サンプラ回路に与えるストローブ信号のパルス幅を変更することができる。これにより、短パルス発生回路が用いられるサンプリングオシロスコープの帯域を変更することができる。

本発明のサンプリングオシロスコープは、被測定信号をサンプリングするサンプラ回路（１２０）を備えたサンプリングオシロスコープ（１００）であって、上記いずれかに記載の短パルス発生回路（１１０）をさらに備え、前記サンプラ回路によるサンプリングのタイミングを示すストローブ信号として、前記短パルス発生回路により発生させた短パルス信号が用いられることを特徴とする。

この構成により、本発明のサンプリングオシロスコープは、簡易な回路構成の短パルス発生回路により安定的に出力される短パルス信号を、サンプラ回路の駆動パルス（ストローブ信号）として用いることができる。サンプラ回路の駆動パルスとして用いられる短パルス信号は、リファレンス電圧を調整することによりパルス幅を調整することができるので、リファレンス電圧を変えることによりサンプリングオシロスコープの帯域を変えることができる。

本発明の短パルス発生方法は、サンプリングオシロスコープに用いられる短パルス信号を発生する短パルス発生方法であって、所定の繰り返し周波数で矩形波信号を発生する矩形波発生ステップと、前記矩形波信号から微分パルス信号を生成する微分パルス生成ステップと、リファレンス電圧を供給するリファレンス電圧供給ステップと、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧を差動入力し、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、前記短パルス信号を差動出力する差動リミティング増幅ステップと、を含むことを特徴とする。

上述のように、本発明は、差動リミティング増幅ステップにおいて、微分パルス信号とリファレンス電圧を差動入力し、微分パルス信号とリファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、短パルス信号を差動出力するようになっている。この構成により、性能のばらつきが大きいＳＲＤを用いることなく、リファレンス電圧の大きさを変更することにより、差動リミティング増幅ステップで差動出力される短パルス信号のパルス幅を調整することができる。このように、本発明の短パルス発生方法は、簡易な構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる。また、本方法により発生された短パルス信号が用いられるサンプリングオシロスコープの帯域を変更することができる。

本発明によれば、簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる短パルス発生回路及び短パルス発生方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る短パルス発生回路の概略構成を示す図である。図１の短パルス発生回路の信号波形を示す図であり、（ａ）は矩形波発生回路の出力波形、（ｂ）は微分回路の出力波形、（ｃ）は差動リミティングアンプの正相出力波形を示す。リファレンス電圧により短パルス信号のパルス幅を調整する様子を示す模式図である。本発明の一実施形態に係るサンプリングオシロスコープの概略構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るサンプリングオシロスコープによる信号測定方法を示すフローチャートである。

本発明の実施形態に係る短パルス発生回路１について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る短パルス発生回路１は、例えば、被測定信号に対してサンプリング時点をずらしながら複数回のサンプリングを行って被測定信号の波形データを取得し波形表示するサンプリングオシロスコープにおいて、サンプラ回路に用いられるストローブ信号として短パルス信号を発生する回路である。以下では、短パルス発生回路１は、サンプリングオシロスコープのサンプラ回路に用いられるものとして説明するが、これに限定するものではなく、他の高周波、広帯域用の回路、機器にも適用可能である。

図１に示すように、短パルス発生回路１は、矩形波発生回路１０、微分回路２０、差動リミティングアンプ３０、及びリファレンス電圧供給回路４０を備えている。

矩形波発生回路１０は、所定の繰り返し周波数で矩形波信号ａを発生するようになっている。矩形波信号の周波数は、例えば、サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数に等しく、例えば数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度である。

微分回路２０は、入力信号の時間微分（変化あるいは傾き）を出力する回路であり、矩形波発生回路１０より出力された矩形波信号ａから微分パルス信号ｂを生成するようになっている。具体的には、微分回路２０は、矩形波発生回路１０の出力側と差動リミティングアンプ３０の正相入力端子ＩＮＰの間に設けられた、例えば数十ｐＦのコンデンサ２１を含んで構成される。本実施形態のコンデンサ２１は、電気容量固定であるが、可変容量コンデンサを用いてもよい。この構成により、可変容量コンデンサの電気容量を変更することにより、差動リミティングアンプ３０から出力される短パルス信号ｄ、ｅのパルス幅を調整することができる。

リファレンス電圧供給回路４０は、直流のリファレンス電圧を差動リミティングアンプ３０の逆相入力端子ＩＮＮに供給するようになっている。リファレンス電圧供給回路４０により供給されるリファレンス電圧は、矩形波発生回路１０及び微分回路２０により出力される微分パルス信号ｂの電圧レベルに応じて、例えば０～数Ｖ程度の大きさを有する。

差動リミティングアンプ３０は、入出力特性の飽和した領域を使用し、予め定められた振幅をリミットとして増幅するアンプである。具体的には、差動リミティングアンプ３０は、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃを差動入力し、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃの差を予め定められた振幅Ｖlimまで増幅して短パルス信号ｄ、ｅを生成し、短パルス信号ｄ、ｅを差動出力するようになっている。

より具体的には、差動リミティングアンプ３０は、正相入力端子（非反転入力端子）ＩＮＰ及び逆相入力端子（反転入力端子）ＩＮＮからなる差動入力端子と、正相出力端子ＯＵＴＰ及び逆相出力端子ＯＵＴＮからなる差動出力端子とを備えている。微分回路２０から出力された微分パルス信号ｂは、差動リミティングアンプ３０の正相入力端子ＩＮＰに入力され、リファレンス電圧ｃは、逆相入力端子ＩＮＮに入力され、正相の短パルス信号ｄが正相出力端子ＯＵＴＰから出力され、逆相の短パルス信号ｅが逆相出力端子ＯＵＴＮから出力される。

これとは逆に、差動リミティングアンプ３０は、微分パルス信号ｂを逆相入力端子ＩＮＮに入力し、リファレンス電圧ｃを正相入力端子ＩＮＰに入力するようにしてもよい。いずれの場合も、差動出力として立ち上り又は立ち下りタイミングの同じ正相及び逆相の短パルス信号ｄ、ｅを出力することができるので、後段で必要とされる正相及び逆相の両方又は一方の短パルス信号を選択的に利用することができる。

差動リミティングアンプ３０は、例えば１０ＧＨｚ程度の広帯域特性を持つものを使用するのが好ましい。このように広帯域特性を有する差動リミティングアンプ３０により、立ち上がり、立下り時間の短い急峻な短パルス信号を安定的に得ることができ、性能のばらつきが大きいＳＲＤが不要となる。

リファレンス電圧供給回路４０は、リファレンス電圧供給回路４０により供給されるリファレンス電圧ｃの大きさを調整するリファレンス電圧調整回路４１を備えている。リファレンス電圧調整回路４１は、リファレンス電圧ｃの大きさを調整することにより、差動リミティングアンプ３０から出力される短パルス信号ｄ、ｅのパルス幅を容易に調整することができる。

リファレンス電圧調整回路４１は、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃの差が差動リミティングアンプ３０により増幅されて生成される短パルス信号ｄの最大値が予め定められた振幅Ｖlimに達するように、リファレンス電圧ｃの大きさを設定するようになっている。この構成により、短パルス発生回路１は、差動リミティングアンプ３０が入出力特性の飽和領域で動作し、矩形波の短パルス信号ｄ、ｅを得ることができる。

図３は、リファレンス電圧ｃにより短パルス信号ｄのパルス幅を調整する様子を示す模式図である。図３に示すように、リファレンス電圧ｃ１のとき、差動リミティングアンプ３０により増幅された信号は、波形ｄ１がリミット電圧Ｖlimにより制限された波形となり、パルス幅はＷ１となる。リファレンス電圧ｃ１より大きいリファレンス電圧ｃ２のときは、差動リミティングアンプ３０により増幅された信号は、波形ｄ２がリミット電圧Ｖlimにより制限された波形となり、パルス幅はＷ１より狭いＷ２となる。すなわち、リファレンス電圧ｃを上げることにより、短パルス信号ｄのパルス幅を狭くすることができる。

（サンプリングオシロスコープ）
次に、サンプリングオシロスコープ１００について説明する。

サンプリングオシロスコープ１００は、広帯域・低雑音の特徴を有し、測定対象物（ＤＵＴ（Device Under Test））２００から送信された被測定信号の波形表示を行うものである。図４に示すように、サンプリングオシロスコープ１００は、トリガ生成部１１０、サンプラ回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、表示部１４０、及び制御部１５０を備えている。

トリガ生成部１１０は、サンプラ回路１２０を駆動するサンプラ駆動パルス（ストローブ信号）を生成するようになっている。トリガ生成部１１０は、本実施形態の短パルス発生回路１を備え、短パルス発生回路１により生成された短パルス信号ｄ、ｅがストローブ信号として用いられる。

サンプラ回路１２０は、例えばダイオードを含んで構成され、トリガ生成部１１０の短パルス発生回路１にて数百ｋＨｚから数十ＭＨｚ程度で生成されるストローブ信号としての短パルス信号ｄ、ｅ（パルス幅：例えば数ｐｓから数十ｐｓ）を基に、被測定信号のサンプリングを実施する。サンプリングは、例えばランダムサンプリングやシーケンシャルサンプリング等の等価時間サンプリングが採用され得る。

Ａ／Ｄ変換部１３０は、サンプラ回路１２０にてサンプリングされたアナログ出力によるデータをデジタルのデータに変換する。

表示部１４０は、例えば液晶表示器などで構成され、制御部１５０の制御により、被測定信号の波形や統計処理された測定結果などを表示する。

制御部１５０は、高い周波数で繰り返す波形を観測するため、トリガ生成部１１０、サンプラ回路１２０、Ａ／Ｄ変換部１３０、表示部１４０を統括制御する。

広帯域サンプリングオシロスコープにはその帯域を調整できる機能が求められ、そのためにはサンプラ回路１２０に入力するサンプラ駆動パルス（すなわち短パルス信号ｄ、ｅ）のパルス幅を変化させる必要がある。短パルス発生回路１の差動リミティングアンプ３０に入力されるリファレンス電圧ｃを調整することにより、サンプラ回路１２０を駆動する短パルス信号ｄ、ｅのパルス幅を調整することができる。これにより、サンプリングオシロスコープ１００の帯域を調整することができる。

（短パルス発生方法及び波形測定方法）
次に、本実施形態に係る短パルス発生方法、及びサンプリングオシロスコープ１００を用いて行う波形測定方法について説明する。

図５は、被測定信号の波形を測定する測定方法の概略を示すフローチャートである。図５に示すように、まず、矩形波発生回路１０が、所定の繰り返し周波数にて矩形波信号ａを発生する（ステップＳ１）。

次いで、微分回路２０は、矩形波信号ａから微分パルス信号ｂを生成する（ステップＳ２）。

次いで、差動リミティングアンプ３０は、微分パルス信号ｂとレファレンス電圧ｃを差動入力し、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃの差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号ｄ、ｅを生成し、短パルス信号ｄ、ｅを差動出力する（ステップＳ３）。その際、リファレンス電圧調整回路４１により、リファレンス電圧ｃの大きさを調整することで、短パルス信号ｄ、ｅのパルス幅を調整する。

次いで、正相の短パルス信号ｄをサンプラ回路１２０の正相ストローブ電極端子に入力し、逆相の短パルス信号ｅを逆相ストローブ電極端子に入力する（ステップＳ４）。

サンプラ回路１２０は、正相及び逆相の短パルス信号ｄ、ｅにより駆動され、被測定信号のサンプリングを行う（ステップＳ５）。

次いで、Ａ／Ｄ変換部１３０は、サンプラ回路１２０によりサンプリングされた信号をＡＤ変換し、デジタルの波形データを取得する（ステップＳ６）。

次いで、表示部１４０は、取得した波形データに基づいて被測定信号の波形を表示する（ステップＳ７）。

（作用・効果）
以上のように、本実施形態に係る短パルス発生回路１は、差動リミティングアンプ３０が、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃを差動入力し、微分パルス信号ｂとリファレンス電圧ｃの差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号ｄ、ｅを生成し、短パルス信号ｄ、ｅを差動出力するようになっている。この構成により、性能のばらつきが大きいＳＲＤを用いることなく、リファレンス電圧ｃの大きさを変更することにより、差動リミティングアンプ３０から出力される短パルス信号ｄ、ｅのパルス幅を調整することができる。このように、本実施形態の短パルス発生回路１は、簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができる。また、パルス幅を調整可能な短パルス発生回路１を、サンプリングオシロスコープ１００のサンプラ回路１２０にストローブ信号を与えるトリガ生成部１１０に用いることにより、サンプリングオシロスコープ１００の帯域を変更することができる。

以上説明したように、本発明は、簡易な回路構成でパルス幅が調整可能な短パルス信号を安定的に出力することができるという効果を有し、短パルス発生回路及び短パルス発生方法、並びにそれを用いたサンプリングオシロスコープの全体に有用である。

１短パルス発生回路
１０矩形波発生回路
２０微分回路
２１コンデンサ
３０差動リミティングアンプ
４０リファレンス電圧供給回路
４１リファレンス電圧調整回路
１００サンプリングオシロスコープ
１１０トリガ生成部
１２０サンプラ回路
１３０Ａ／Ｄ変換部
１４０表示部
１５０制御部
２００ＤＵＴ
ＩＮＰ正相入力端子
ＩＮＮ逆相入力端子
ＯＵＴＰ正相出力端子
ＯＵＴＮ逆相出力端子

Claims

サンプリングオシロスコープに用いられる短パルス発生回路であって、
所定の繰り返し周波数で矩形波信号を発生する矩形波発生回路（１０）と、
コンデンサを含み、前記矩形波信号から微分パルス信号を生成する微分回路（２０）と、
リファレンス電圧を供給するリファレンス電圧供給回路（４０）と、
前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧を差動入力し、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、前記短パルス信号を差動出力する差動リミティングアンプ（３０）と、
を備える、短パルス発生回路。
前記リファレンス電圧供給回路は、前記リファレンス電圧の大きさを調整するリファレンス電圧調整回路（４１）を含む、請求項１に記載の短パルス発生回路。
前記リファレンス電圧調整回路は、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差が前記差動リミティングアンプにより増幅されて生成される前記短パルス信号の最大値が前記予め定められた振幅に達するように、前記リファレンス電圧の大きさを設定する、請求項１に記載の短パルス発生回路。
前記差動リミティングアンプは、正相入力端子及び逆相入力端子からなる差動入力端子と、正相出力端子及び逆相出力端子からなる差動出力端子とを備え、
前記微分パルス信号は、前記差動リミティングアンプの前記正相入力端子に入力され、前記リファレンス電圧は、前記逆相入力端子に入力され、正相の前記短パルス信号が前記正相出力端子から出力され、逆相の前記短パルス信号が前記逆相出力端子から出力される、請求項１～３のいずれか一項に記載の短パルス発生回路。
前記微分回路の前記コンデンサは、可変容量コンデンサである、請求項１～４のいずれか一項に記載の短パルス発生回路。
前記サンプリングオシロスコープにおいて被測定信号をサンプリングするサンプラ回路に対し、サンプリングのタイミングを示すストローブ信号として前記短パルス信号を発生する、請求項１～５のいずれか一項に記載の短パルス発生回路。
被測定信号をサンプリングするサンプラ回路（１２０）を備えたサンプリングオシロスコープ（１００）であって、
請求項１～６のいずれか一項に記載の短パルス発生回路（１１０）をさらに備え、
前記サンプラ回路によるサンプリングのタイミングを示すストローブ信号として、前記短パルス発生回路により発生させた短パルス信号が用いられる、サンプリングオシロスコープ。
サンプリングオシロスコープに用いられる短パルス信号を発生する短パルス発生方法であって、
所定の繰り返し周波数で矩形波信号を発生する矩形波発生ステップと、
前記矩形波信号から微分パルス信号を生成する微分パルス生成ステップと、
リファレンス電圧を供給するリファレンス電圧供給ステップと、
前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧を差動入力し、前記微分パルス信号と前記リファレンス電圧の差を予め定められた振幅まで増幅して短パルス信号を生成し、前記短パルス信号を差動出力する差動リミティング増幅ステップと、
を含む、短パルス発生方法。