高速パルスを増幅するはなし

パルスを増幅するはなしとは

最近、ハイスピードのパルスを増幅するアンプの仕様が話題で 、相談に乗るのですが、どうも数10MHz領域でパルスを作っている方が、もっと高速にしたくて RFアンプに目をつけているようですが、いわゆる DCから出力できる電源的なパルス増幅器と、電波を増幅する目的の高周波アンプでは考え方が違うので、その辺りをもっと知って欲しいと思って書いてみます。

そもそも高周波アンプは...

DCからは増幅するものは少なく、低くても最低通過周波数は 10KHz程度なのです。
これはカップリングにコンデンサーを使ったり、合成器やトランスを使って 50Ωの負荷に電源電圧以上の電圧を発生させて大きなパワーを得ている回路構成から、どうしても DCを通過させるのは難しいのです。
　例をあげてシミュレーションしてみると、低域は 50KHz、高域は150MHz(3dB減衰レベルで）の特性をもつアンプを考えてみます。ここでは簡略して増幅器でなくただのこの帯域幅をもつフィルターとして考えてみます。

この回路の周波数特性は以下の通りです。

この回路にパルスを加えた時にどんな波形になるかシミュレートしてみましょう。以下がシミュレート用の回路です。

5uSの幅の矩形波パルスで周期20uSを2回出力します。
下図の波形では青色の矩形波波形が入力信号です。

そして出力されるのは緑色の波形です。
本来平らな波形であるべき最初の 5uSが右肩下がりに下がってしまいます。
これはいわゆる”微分波形”といってDC電圧がコンデンサーで打ち消されてコンデンサーに充電される時定数によってだんだんゼロレベルに近ずく現象です。

さらに 5uS後のHighから Lowになるタイミングでマイナスに振れ、また反対にゼロ電位に戻ろうとします。
　このように、DCを通さないということはパルスの波形を維持できなくなるという問題があります。しかし短いパルス幅、周期でしたら影響は少なくなります。
また、高域はどう影響するかというと、上図の出力波形の立ち上がり／下がりが丸みを帯びていることが波形からも分かるかと思います。
本来矩形波は奇数次の高調波の集まりで構成され、通常 50%Dutyの場合の繰り返し周波数の 10倍以上の通過帯域がないと矩形波の形をなさず、丸くなってしまいます。極端な例では周期の2倍以下の帯域しかない場合は矩形波を入れても正弦波になってしまいます。
　このように、通常数MHzのパルスでは帯域 100MHzあれば矩形波で支えたものを例えばパルス幅 1nS( 1GHz)にしようとするとそれを通過させるアンプの帯域は 10GHz以上ないと矩形波にならないことになります。繰り返し周期が 1mSであってもおなじことで、150MHzのアンプでは 立ち上がり、下がりに 7nSはかかるので 12nS(80MHz)の矩形波 では正弦波になってしまいますし、66nS(15MHz)程度でようやく矩形波に近くなるということです。