W swojej pracy najbardziej lubię wymyślanie nowych układów lub choćby modyfikowanie już istniejących. I nie tyle cieszą mnie wyniki bezwględne, co osiąganie korzystnych parametrów "względnych" - tj. dobrych względem możliwości zastosowanych części. Ujmując rzecz w skrócie można powiedzieć, że jest to zabawa w "wyciskanie soków" z tego co jest dostępne, a nie stosowanie super-części, które przeważnie też i "super" kosztują. Wprawa w takim podejściu do układów jest korzystna - jak już się dostanie dobre elementy, to ho, ho!
Na wszelki wypadek zaznaczam (to dla tych, którzy nie mają z analogówką zbyt wiele do czynienia), że nie znam się na CAŁEJ analogówce. Nie wydaje mi się to w ogóle możliwe. Choć na pewno znajdą się tacy, co będą twierdzić, że i owszem, że właśnie ONI znają się na wszystkim ... hm, cóż... No, w każdym razie to nie ja.
SZYBKA TECHNIKA IMPULSOWA
GENERATORY IMPULSOWE
Przydaje się upór w dążeniu do własnych, oryginalnych rozwiązań. Bazując
na dostępnych częściach udało się wykonać np. przerzutnik astabilny pracujący
z częstotliwością do 300MHz (przerzutnik został opatentowany). W pracowni
powstały też inne bloki składowe generatorów impulsowych - np. wzmacniacz
wyjściowy o zboczach rzędu 400ps pracujący z dużą częstotliwością powtarzania
(testowany na 200MHz). Ten ostatni układ to studencka praca dyplomowa (Andrzej
Grodecki, 1992). Inny student wykonał układ przerzutnika monostabilnego
o czasie regulowanym do 3ns (Grzegorz Lawiński). Powstał też typowy dla
generatorów impulsowych końcowy wzmacniacz mocy o dużej amplitudzie wyjściowej,
niestety o mniejszej częstotliwości pracy (Sławomir Małecki). Tu objawiła
się niestety stała bolączka: niedostępność niektórych części. Istnieją
bowiem na świecie odpowiednie tranzystory, ale jako że są stosowane wyłącznie
do specjalistycznych zastosowań, to bardzo trudno je w Polsce zdobyć (oczywiście
można je kupić, jak się zamówi wagon). Nie mam jeszcze 100% pewności, ale
wygląda na to, że da się ten problem (tj. brak odpowiednich tranzystorów)
rozwiązać odpowiednią koncepcją.
Zaznaczę również, że moim ulubionym elementem do
budowy szybkich układów impulsowych jest dioda tunelowa. Niestety,
przemysł światowy przestał produkować te cenne elementy, od kiedy w technice
mikrofalowej pojawiły się tranzystory typu MESFET, PHEMT itp. Dla mikrofalowców
to ulga (dioda tunelowa była dla nich koniecznością, ale i utrapieniem),
ale dla techniki impulsowej to duża strata.
OSCYLOSKOPY I UKŁADY OSCYLOSKOPOWE
To zarówno początek jak i dzień dzisiejszy mojej pracy zawodowej ...
W Pracowni Techniki Pikosekundowej zacząłem pracę w 1987r od opracowania
fragmentu stroboskopowego oscyloskopu cyfrowego o pasmie 1GHz. Był to pierwszy
taki oscyloskop w tej części Europy. Moim zadaniem było skonstruowanie
układu wyzwalania i tzw. szybkiej podstawy czasu. W naszej pracowni zbudowano
już wiele szybkich oscyloskopów stroboskopowych (było to przed moją "kadencją"),
ale ten był pierwszym oscyloskopem CYFROWYM. Z tej "cyfrowości" paradoksalnie
wzięły się większe wymagania na parametry techniczne konstruowanych układów
analogowych. Wymagania musiały wzrosnąć, a jako przykład niech posłużą
poniżej zarysowane problemy z podstawą czasu i z układem wyzwalania.
Stroboskopowa podstawa czasu
Dla niewtajemniczonych: najszybsze na świecie (pod względem pasma analogowego)
oscyloskopy to oscyloskopy stroboskopowe. I choć wszystkie obecnie budowane
przyrządy tego typu są cyfrowe, to ich szybkość i najważniejsze parametry
wynikają z właściwości układów analogowych. Np. pasmo toru Y zależy od
układu próbkującego, a maksymalna szybkość podstawy czasu wynika z możliwości
tzw. szybkiej podstawy czasu. Blok cyfrowy takiego oscyloskopu służy głównie
do sterowania i wyświetlania próbek.
Również w naszym oscyloskopie cyfrowym potrzebna
była stroboskopowa podstawa czasu. Jednym z parametrów, na który należało
spojrzeć zupełnie od nowa, była nieliniowość podstawy czasu. W oscyloskopie
analogowym nawet spory błąd liniowości nikogo nie przerażał, gdyż pomiar
czasu za pomocą oscyloskopu analogowego i tak nie należał do specjalnie
dokładnych. Dlatego wszystkie właściwie podstawy czasu szybkich analogowych
oscyloskopów strpoboskopowych były nie tylko wyraźnie nieliniowe - nie
były nawet monotoniczne! (z powodu dużych szybkości narastania start tych
podstaw czasu miał charakter oscylacyjny). Tymczasem oscyloskop cyfrowy
daje możliwość pomiaru czasu z użyciem tzw. markerów - a więc bardzo precyzyjny
odczyt pozycji czasowej (ułamek procenta). Jak tu nie dopuścić do dużej
nieliniowości?! Długo nad tym siedziałem ... i udało się: powstała pierwsza
w tym środowisku praktycznie bezoscylacyjna podstawa czasu z błędem nieliniowości
poniżej 2.5%. Taki błąd nieliniowości jest oczywiście dużo gorszy niż cyfrowa
rozdzielczość, ale jest to lepsza liniowość, niż w większości wolnych analogowych
oscyloskopów klasycznych.
Układ wyzwalania opracowany do tegoż oscyloskopu również był
nowością i został opatentowany. Tu wpływ "ucyfrowienia" przyrządu objawił
się w konieczności rezygnacji z układu synchronizacji na korzyść "czystego"
układu wyzwalania (układ synchronizacji bywa utożsamiany z układem wyzwalania,
ale to zdecydowanie nie jest to samo: prawdziwa synchronizacja to coś w
rodzaju dzielnika częstotliwości, a układ wyzwalania to przerzutnik bistabilny).
Maksymalna częstotliwość pracy tego układu wyniosła 500MHz, choć wcześniejsze
rozwiązania (zbudowane z tych samych części!) miały zaledwie 50MHz. To
jeden z przykładów na moją ulubioną zabawę w "wyciskanie soków" z dostępnych
elementów: jak się nie ma dostępu do superczęści (a nie mieliśmy i dalej
nie mamy) to trzeba nadrabiać koncepcją, pomysłem i zwykle żmudną pracą...
Potem opracowałem jeszcze kilka układów wyzwalania, a także tropiłem
dziwne zjawiska zachodzące w tych układach (te zjawiska to TREMOR - patrz
dalej).
NIETYPOWE SONDY OSCYLOSKOPOWE
Oscyloskop to również tzw. otoczenie - np. sondy. Kiedyś odważyłem
się zrobić tzw. sondę rezystancyjną (nie mylić z typową sondą bierną).
Od strony elektrycznej układ jest banalny - to właściwie jeden opornik!
Nie można więc powiedzieć, że UKŁAD był trudny, to mechanika sprawiła trochę
problemów; no i trzeba było przełamać opór psychiczny przed rzeczą, której
jeszcze się nie robiło. Opłaciło się: z tej sondy korzystamy w pracowni
do tej pory, a jej pasmo wynosi 2GHz.
Dużo później (ok. 1998) opracowałem i wykonałem aktywną sondę wtórnikową.
Może ona pracować bez tłumienia (1:1) lub z tłumieniem (1:10). Pasmo częstotliwości
tej sondy wynosi ponad 700MHz, a pojemność 3.6pF (bez tłumienia) i 1.1pF
(z tłumieniem). Rezystancja wejściowa jest większa od 10kOhm, co do badania
układów szybkich zwykle wystarcza z nadmiarem. Dla porównania: sonda bierna
firmy HP (1MOhm, typowe tłumienie 1:10) o pasmie 500MHz ma pojemność prawie
10pF (mierzone przy dużych częstotliwościach).
OBECNIE
GENERATORY SINUSOIDALNE
Choć ten temat na pozór nie pasuje do techniki impulsowej, to cóż ja
na to poradzę, że to mnie zainteresowało. Zacząłem skromnie - od
generatorów RC. Oczywiście każdy szanujący się elektronik zna zasadę generacji
sygnału sinusoidalnego przy wykorzystaniu filtru RC (najczęściej stosuje
się filtr Wiena lub mostek Wiena). Jednak co innego znać zasadę, a co innego
zrobić urządzenie. Jako "czeladnik" w tej branży wykonałem generator RC
10Hz - 1.2MHz (i nawet go czasami używam, bo z rozpędu zamknąłem go w obudowę).
Po odbyciu tego "stażu" porwałem się na więcej. Przydało się doświadczenie
w budowaniu szybkich układów: eksperymentalny generator RC z filtrem Wiena
pracuje do 40MHz (niestety tu już nie zdobyłem się na obudowę).
Wciągnęły mnie też generatory LC. Sądzę,
że generatory LC są najtrudniejsze ze wszystkich podstawowych układów elektroniki
analogowej . Dość dużo czasu zajęło mi opanowanie najbardziej standardowego
generatora LC w układzie Colpittsa (zaznaczam,
że dla mnie "opanować" znaczy umieć zrobić fizycznie, a nie na tylko papierze
lub w symulatorze). Bardzo pomogły mi uwagi dr. Bogusława Kalinowskiego,
który niegdyś zajmował się profesjonalnie generatorami LC. Po tym wszystkim
jestem pewien: generator Colpittsa to bardzo trudny, można nawet powiedzieć
- zdradliwy - układ (w jeszcze większym stopniu dotyczy to innych podstawowych
generatorów - Hartley'a i Meissnera). Niestety podręczniki akademickie
niechętnie o tym piszą, bo przecież teoretycznie wszystko działa.
Ponieważ okazało się, że zaprojektowanie (z późniejszym
wykonaniem) prostego Colpittsa wymaga naprawdę dużego wysiłku, zacząłęm
przemyśliwać nad takim układem generatora, który nie wymagałby tak żmudnego
uruchamiania, jak Colpitts. Chyba się udało: wprawdzie układ ma aż trzy
tranzystory, ale za to wymaga tylko jednego, bardzo prostego przeliczenia,
a następnie należy zwyczajnie podłączyć cewkę i kondensator. Układ jest
dość tolerancyjny na rozrzut dobroci cewki i na wartość tzw. oporu charakterystycznego.
Można uzyskać częstotliwości generacji od kilkudziesięciu kHz do setek
MHz (przy zastosowaniu średnio szybkich tranzystorów). Muszę zaznaczyć,
że nie jest wykluczone, iż ktoś już zaprojektował taki układ, a ja niepotrzebnie
się "gimnastykowałem". Ale ja lubię się tak gimnastykować.
Zupełnie inny generator LC był potrzebny do rezonansowego
miernika małych pojemności i indukcyjności. W tym mierniku trzeba było
uzyskać poprawną generację przy bardzo dużym zakresie zmieności L i C.
Miernik powstał i mierzy indukcyjności na poziomie pojedynczych nanohenrów!
Dla niewtajemniczonych: 10nH to mniej więcej indukcyjność 10mm prostego
drutu o średnicy 0.1mm. Zdaje się, że do takiej czułości pomiaru nie zbliżył
się do tej pory żaden przyrząd wyprodukowany w Polsce. W przypadku opisywanego
miernika tego przyrządu mój był tylko pomysł, pierwsza koncepcja
oraz wykonanie wstępnej wersji generatora. Najważniejszą pracę (ogromną
zresztą), wykonał student (obecnie ceniony fachowiec) Michał Parafiniuk.
TREMOR
OSCYLOSKOPOWYCH UKŁADÓW WYZWALANIA
Układy wyzwalania i zjawiska w nich zachodzące to najważniejszy dla
mnie temat. Długoletnie badania tych układów i wiele wykonanych realizacji
pozwoliły mi wykazać istnienie pewnego zjawiska (właściwie kilku zjawisk)
, które nazwałem TREMOREM. Udało mi się także wyjaśnić to zjawisko i stworzyć
jego matematyczny opis.
A dlaczego nazywa się "tremor"? Bo po prostu jakoś
musiałem to nazwać, a tremor - łacińskie słowo oznaczające drżenie
- bardzo do tego pasowało. Dość częstszym bowiem objawem tremoru na ekranie
oscyloskopu jest drżenie obrazu w poziomie.
Tremor określa między innymi najważniejszy parametr
układu wyzwalania tzn. maksymalną częstotliwość poprawnej pracy tego układu.
Tremor może też objawiać się na ekranie oscyloskopu w rozmaity sposób -
czasami podobny do jitteru, a czasami jako np. rozdwojenie obrazu (ale
nie każde rozdwojenie obrazu to tremor).
Koniecznie trzeba dodać, żetremor układów wyzwalania
jest co do swojej istoty tym samym, co metastabilność przerzutników.
Podstawowa różnica między jednym a drugim tkwi w sposobie opisu - mój opis
(teoria tremoru) bazuje na ujemnorezystancyjnym ujęciu działania przerzutnika,
natomiast klasyczna teoria stanów metastabilnych - na bardzo złożonej analizie
przerzutnika typu R-S. Druga - dość ważna różnica - to złożoność teorii:
opis ujemnorezystancyjny okazał się bardzo prosty matematycznie i dał czytelny,
dość zrozumiały model fizyczny procesu przerzutu. Nie można tego powiedzieć
o klasycznej teorii metastabilności - jest ona naprawdę bardzo złożona
(to, że w ogóle powstała, budzi do tej pory mój zbożny podziw). Wymyślne
wyprowadzenia zastosowane w tej teorii zajmują kilkanaście stron! Miałem
szczęście, że wyszedłem od modelu ujemnorezystancyjnego, bo klasycznej
teorii metastanów pewnie nigdy bym nie opanował.
STRONA GŁÓWNA |