（通信与信息系统专业论文）高速多通道量子符合分析仪的研制.pdf

摘要 摘要 近年来，量子信息科学已经成为物理学和信息学界关注的焦点。在量子信 息科学的基础研究和应用研究中，符合测量起着重要的作用。 在中国科学院量子信息重点实验室的量子信息实验研究中，急需一种新型 的量子符合测量装置。然而，目前从国际市场上购买的量子符合测量装置都是 常规符合测量装置，存在输入通道数有限、不能保存测量数据、无法对数据进 行分析、符合测量灵活性差、升级困难等不足。为了解决上述问题，本文研制 了高速多通道量子符合分析仪。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪采用高速发射极耦合逻辑( e c l ) 电 路，当任意通道有输入信号时。高速输入与控制逻辑电路从输入通道的起始有 意义信号中提取锁存使能和时钟控制信号，经过合理的时序逻辑控制，将多通 道之间所有可能的单一和符合事件锁存并转换后写入同步先进先出( f i f o ) 缓 存器，然后利用现场可编程门阵列( f p g a ) 在定时时间内读取同步f i f o 缓存 器的数据，执行数据预处理，最后通过高速u s b 接口将预处理后的数据传送到 主机，设计主机应用程序实现符合测量的实时监视以及数据的后处理。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪具有以下特点：输入通道数灵活， 最多支持1 6 通道；保存测量数据，便于数据分析；定时精度高，最小定时时间 可达2 0 n s ，定时时间可编程：测量速度高，输入信号允许的最高突发速率达 8 2 m i z ，符合测量的平均速度达1 2 。5 m 事件s ；允许任意输入通道之间的延迟为 2 n s ，最小符合时间窗口为6 n s ；2 个实时通道监视，监视的符合组合可任意选择； 易于扩展输入通道数和实时通道监视，可通过升级f p g a 提高符合测量的速率 和定时精度，数据分析可自定义。 本文研制的高速多通道量子符合分析仪已经成功应用于中国科学院量子信 息重点实验室的两个课题组的实验研究中。有理由相信，该符合分析仪，或者 基于相同原理的类似仪器将成为众多量子信息研究领域中的必要装置，有力促 进量子信息科学的发展。 关键词：量子信息符合测量符合时间发射极耦合逻辑现场可编程门阵列 a b s t r a c t p r o g 脚m m e d i ti sa i s ow i t hh 适hs p e e df o rm e a s u r e i n e n t ，i nw h i c hi ta 】l o w st h e m a x i m u mb u r s tr a t eo fi n p u ts i g n a lu pt o8 2 m h za j l dt h ea v e r a g er a t eo fc o i n c i d e n c e m e a s u r e m e n tu pt o12 5 me v e n t s s t h em a x i m 啪p e 肌i t t e dd e l a yb e 眦e e n a n yi n p u t c h 锄e l si s2 n sa n dt h em i n i m u mc o i n c i d e n c et i m ew i n d o wi s6 n s t h e r ea r et w o r e a l - t i m em o n i t o r i n gc h a n n e l sw i t ho p t i o n a l l ys e l e c t i n gc o m b i n a i i o nf o rc o i n c i d e n c e t h ec o i n c i d e n c ea n a l y z e rc a nb ee a s i l ys c a l e df oa n yn u m b e ro fi n p u tc h a n n e l sa n d r e a l - t i m em o n i t o r i n gc h a n n e l s f u n h e 咖o r e ，t h er a t eo fc o i n c i d e n c em e a s u r e m e n ta n d t i m i n gp r e c i s i o nc a nb ei m p r o v e db yu p g r a d i n gf p g a ，a n dt h ep r o g r a m sf o rd a t a a n a l y s i sc a nb ec u s t o m i z e d t h ep r e s e n t e dh i g h s p e e dm u l t i c h a n n e la n a l y z e rf o rq u a n t u mc o i n c i d e n c ew a s a i r e a d ya n ds u c c e s s f u i l yu s e df o rt h er e a l i z a t i o no fs e v e r a le x p e r i m e n t sf o rt w o r e s e a r c ht e a m sj nk e yl a b o r a t o 碍o fq u a n t u mi n f o n n a t i o n ，c h i n e s ca c a d e m yo f s c i e n c e s ，w ea r ec o n v i n c e dt h a tt h ec o i n c i d e n c ea n a ly z e r o rs i m i l a ri n s t r u m e n tb a s e d o nt h es a m ep r i n c i p l e ，w i l lb e c o m eo n eo fn e c e s s a r yd e v i c e si nn u m e r o u sr e s e a r c h f i e l d so fq u a n t u mi n f o h n a t i o n ，a n ds t r o n g l yp r o m o t ec h ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：q u a n t u mi n f o r m a t i o n ，c o i n c i d e n c em e a s u r e m e n t ，c o i n c i d e n t a lt i m e ， e m i t t e rc o u p l e dl o g i c ，6 e i dp r o g r a m m a b j eg a t ea r r a y i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：童鳖垂主笙 d p g 年r 月2f 日 第一章绪论 第一章绪论 量子信息是2 0 世纪8 0 年代发展起来的新兴交叉学科，是量子物理学与计 算机科学、经典信息论相结合的新的研究领域。由于量子信息学潜在的巨大应 用价值及重大的科学意义，不仅引起各国政府和科技界的广泛关注，而且受到 信息产业界和军事部门的高度重视，己经成为国际学术界研究的热点。在量子 信息科学的基础研究和应用研究中，符合测量起着重要的作用。 1 1量子信息学概述 自人类步入信息时代以来，信息科学在改善人类生活质量和推进社会文明 发展中发挥着不可估量的作用。人们为了快捷、安全、可靠地获取和分享信息， 对信息的需求日益增加，从而促进人们不断地致力于信息技术的研究和开发。另 一方面，信息科学的飞速发展，使经典信息系统受到了前所未有的挑战，信息 科学的进一步发展必须借助于新的原理和方法，从而诞生了由量子力学和信息 科学交叉发展起来的一门新兴学科一量子信息科学。量子信息与经典信息的不 同之处在于它们所遵从的物理规律不一样，量子信息基于量子特性而具有独特 的信息功能，在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度 等方面可能会突破现有经典信息系统的极限，从而实现经典信息论和经典计算 机所不能完成的处理任务。例如，电子计算机在过去的3 0 年中，每个芯片的晶 体数目随着时间呈指数增长。如果以此速度发展，十多年之后，电子计算机的 存储单元将是单个原子，由此带来的问题是量子效应会对计算机运行产生极大 的影响。另一方面，以量子力学原理制成的量子计算机能够进行并行运算，将 具有比现在计算机快许多数量级的速度。此外，量子信息技术还极大地保证了 信息的安全性，例如，量子计算机结合适当的量子算法可以很快破译现在的许 多密码体制。与之形成鲜明对比的是量子密码学和量子隐形传态则提供了能防 止窃听与复制信息、安全性与计算速度无关的保密通信方式。近几十年来，量 子信息科学无论是在理论上还是在实验上，发展都相当迅速。2 1 世纪，将是信 息科学从经典跨越到量子的关键时期，量子信息科学的发展将为未来信息科学 第一章绪论 的革命性变革提供可靠的物理基础，为信息科学的发展提供新的原理和方法。 1 1 1量子信息基础 量子信息的物理基础与经典信息的物理基础不同。在经典信息论中，信息 量的基本单位是比特( b i t ) 。从物理意义方面来看，比特是一个两态物理系统， 它可以制备为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，“0 ”或“1 ”。在 目前使用的数字通信和数字计算机中，“o ”和“l ”按照一定的规则表示信息， 一个比特可视为一个“o ”或“l ”。在量子信息中，信息的载体不再是经典比特， 具有很多不同于经典比特的特征。量子信息单位称为量子比特( q u b i t ) ，是两个 逻辑态的叠加。定义二维h i l b e r t 空间总的任意态矢j ) 为一个二迸制基本量子比 特，以l o ) 和1 1 ) 为二维h i l b e r t 空间的基失，则量子比特l 可表示为： l ) = c o o ) + c 1 ) ，l c o l 2 + 川2 = 1 ，龟、q 为复数 ( 1 1 ) 经典比特可以看成是量子比特的特例( = o 或q = 0 ) 。 在实验中，任何两态的量子系统都可以用来制备量子比特，常见的有：光 子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统 的空间模式等。信息一旦量子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础， 其主要的有： ( 1 ) 量子叠加性：指量子系统的可能的念的任意线性叠加态仍然是系统的 一个可能的态。量子系统的叠加性是量子信息学的基础。 ( 2 ) 量子相干性：指两态的叠加振幅可以相互干涉，叠加态具有量子相干 特征。量子相干现象成为量子信息诸多特性的重要物理基础。量子纠缠念就是 一种特殊( 复合系统) 的相干叠加态。 ( 3 ) 量子纠缠：指多个( 两个以上) 的量子比特可以处于量子纠缠态，系 统的局域状态不是相互独立的，对某一子系统的操作可以影响其余子系统的状 态。量子纠缠被公认为是一种十分有用的物理资源，从某种意义上讲，它是量 子信息技术的关键技术之一。 ( 4 ) 量子不可克隆：量子力学的线性特性禁止对任意量子态实行精确的复 制，量子不可克隆定理和不确定性原理构成量子密码术的物理基础。 1 1 2量子通信 2 第一章绪论 量子通信是量子信息学的一个重要分支。自1 9 9 3 年美国i b m 的研究人员提 出量子通信理论以来，量子通信已成为一门趋于应用的、相对成熟的量子信息 技术。在量子通信中，信息的所有问题都用量子力学的理论来处理，信息的演 变遵循薛定谔方程。利用量子态编码和携带信息，进行信息的加工、处理、传 输和提取的过程就是量子通信过程。 在量子信息学中，由于量子比特是信息的载体，因此可以在一个量子比特 中编码无穷多的信息，只要适当地选取叠加系数即可。量子信息的加工与处理 由具有逻辑功能运算“线路”的量子计算机来完成。量子计算机中的逻辑运算 是符合量子算法逻辑要求的么正变换，完成这种特定么正变换的器件叫做量子 逻辑门。p a u l i 矩阵是最基本的量子逻辑门。在量子信息传输领域，人们可以通 过量子密钥分发( q u a n t u mk e yd i s t r i b u t i o n q k d ) 、量子隐形传态( q u a i l t l j m t e l e p o r c a _ c i o n ) 、量子机密共享( q u a n t u ms e c r e ts h 撕n g q s s ) 和量子安全直接通 信( q u 锄t u ms e c u r ed i r e c tc o m m u n i c a t i o n q s d c ) 等途径来实现通信的目的。 量子密钥分发是密码学与量子力学相结合的产物 1 ，2 】。通常把通信双方以 量子态为信息载体，利用量子力学原理，通过量子信道传输，在保密通信双方 之间建立共享密钥的方法，称为量子密钥分发，其安全性由量子力学中的不确 定性关系及量子不可克隆定理所保证。如果窃听者对分发的量子态进行测量就 会干扰量子态本身，必然会留下痕迹而被合法用户所发现：任何物理上可行的 量子复制机都不可能克隆出与输入量子态完全一样的量子态，因此窃听不可能 通过量子复制机来复制传送信息的量子态，以达到将原量子态传送给信息接收 者，而留下复制的量子态进行测量以窃取信息的目的。量子密码术原则上可以 提供不可破译、不可窃听的保密通讯体系。 1 9 9 3 年b e 皿e t t 等人提出量子隐形传态方案 3 】：将某个粒子的未知量子态i 妒) 通过经典和量子的双重通道传送到另一个地方，把远处的另一个粒子制备到态 l 妨，而原来的粒子仍留在原处。此过程传送的不是粒子，而是原来粒子所荷载 的未知量子态，发送者可能对此态一无所知，而接收者只是将被传递的未知目 标态制备到了其它粒子上。 量子机密共享和量子安全直接通信是近些年发展起来的新的量子通信方 式。与通常的量子密钥分发相类似，量子机密共享也是利用一些基本的量子力 学原理 4 ，5 】，并辅以一些特殊的过程设计，从而使得无论是其他的窃听者e v e 还是通信者中b o b 和c h a r l i e 中的不诚实的一方( 假设为b o b ) 的窃听行为都无 3 第一章绪论 法躲避通信者a 1 i c e 与c h a r l i e 的安全检测 6 】。而这种安全只需要使得b o b 无法 得到a l i c e 发给b o b 和c h a r l i e 的联合量子信号的完备信息就能达到。如果量子 机密共享方案对不诚实的参与者b o b 是安全的，那么它对其它窃听者e v e 也是 安全的。量子安全直接通信是通信双方以量子态为信息载体 7 】，利用量子力学 原理和各种量子特性，通过量子信道传输，在通信双方之间安全地、无泄漏地 直接传输有效信息，特别是机密信息的方法。它与量子密钥分发不一样的地方 在于它用来直接传输不能更改的机密信息。 另外还存在量子稠密编码，利用量子纠缠态的奇妙特性，经由一个量子比 特来传送两个比特的信息，这在经典信息史上是不可能的。 1 1 3 量子计算 量子计算的概念始于2 0 世纪7 0 年代，美国i b m 公司的b e n n e t 提出了可逆 计算的概念，1 9 8 2 年f e y 舯a n 提出了量子计算机的概念，1 9 8 5 年牛津大学的 d e u t s c h 提出了量子图灵机。 在经典计算机中，最基本的计算单元是比特( 经典比特) ，雨在量子计算机 中则是量子态( 量子比特) 。每个经典比特只能代表“0 ”和“l ”两个逻辑态中 的一个，而量子比特可以是“o ”和“1 ”的叠加态。个经典比特只能表示2 个状态中的某一个，而个量子比特可以同时表示2 个状态。而且随着的增 加，量子比特携带信息的能力将指数上升。量子计算机在实施一次运算中可以 同时对个量子比特进行操作，其效果相当于经典计算机要重复实施2 次操 作。因此，量子计算机的计算速度会比经典计算机有显著的提高。 为丌拓量子计算机巨大的计算能力，必须寻找适用于这种量子计算的有效 算法。1 9 9 4 年s h o r 利用量子的纠缠性和叠加性提出了著名的大数因子分解的量 子算法一s h o r 算法 8 】。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的 公开密钥体系r s a 安全性的依据。采用经典计算机对数( 二进制长度为l o g ) 做因子分解，其运算时间随输入长度( 1 0 9 ) 指数增长。迄今在实验上被分解 的最大数为1 7 4 位。若用同样计算功能来分解2 5 0 位的数则要用8 0 万年。而对 于1 0 0 0 位的数，则要用1 0 2 5 年。而同样时钟频率的量子计算机采用s h o r 算法可 以在几分之一秒内实现1 0 0 0 位数的因子分解，而且操作时间仅随输入数的3 次 方增长。s h o r 算法使得现在广泛使用的公开密钥密码系统的安全性受到了极大 4 第一章绪论 的威胁，因此，s h o f 算法的发现给量子计算机的研究注入了新的活力，并引发 了量子计算研究的热潮。1 9 9 6 年g r o v c r 提出了量子搜索算法【9 】，量子搜索法是 一种迭代算法。从包含个样本的数据库中搜索一个特定的样本，使用经典算 法需要执行2 次操作，而采用g r o v e r 算法则只需要次。显然，g r o v e r 算 法可以用来破译d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a u r d ) 密码系统。这个问题的实质是 从2 2 5 6 个可能的密钥中寻找一个正确的密钥，采用经典计算机实现这样的功能需 要执行2 5 5 3 6 x 1 0 m 次操作，而采用量子计算机则只需执行2 2 8 2 7 1 0 8 次操 作。g r o v e r 算法的用途非常广泛，可以寻找最大值、最小值、平均值等。 s h o r 和g r o v e r 的研究工作颠覆了人们对传统密码系统安全性的估计，有力 地促进了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程 碑之一。 1 2 符合测量 符合法是德国科学家博特( w w g b o t h e ) 提出的研究相关事件的一 种方法。符合法是在盖革计数器的基础上发展起来的，所做的革新是利用两个 计数管，使得只有电离碰撞在两个计数管中同时发生时，这两个计数管才会计 数。博特利用符合法来判断能量和动量守恒定律对光子和电子的每一次碰撞是 否都有效，或者说这些定律是否是作为一种统计平均才成立。为了利用计数器 研究被散射的口粒子和反冲电子之间是否符合，博特与盖革考察了单个的康普 顿散射，得到了能量和动量守恒定律对光子和电子之间的每一次碰撞都是有效 的结论。从此，符合法在宇宙射线的研究中得到了广泛应用。博特在1 9 2 4 年至 1 9 2 9 年间首先采用符合法研究散射x 射线与反冲电子之间的符合关系，证实了 宇宙射线是粒子这一性质，他也因此获得了1 9 5 4 年度的诺贝尔物理奖。1 9 3 d 年 前后，宇宙线领域景的一些重要发现几乎都和符合法分不开。符合法的发明为 核物理、口射线和超声波、量子信息科学等方面的研究提供了有效工具。 符合测量技术在核物理实验各领域中有着广泛的应用。在核反应研究中， 可以用来确定反应物的能量和角分布；在核衰变测量中可以用来研究核衰变机 制、级联辐射之间角关联、短寿命核素半衰期等。近2 0 年来，由于快电子学、 多通道分析器的发展以及电子计算机在核实验中的应用，符合法已成为实现多 参数测量必不可少的实验手段。 5 第一章绪论 1 2 1 符合测量的基本概念 符合事件是指两个或两个以上同时发生的关联事件。例如在研究两光子二 重符合实验中，采用图1 1 所示的符合测量装置。来自激光源的光子经过由一系 列光学装置组成的光路后，最后连接到两个单光子探测器，两个探测器的输出 作为符合装置的输入。在符合装置的输入端，如果两路同时有脉冲到达，则符 合装置将有个符合脉冲输出，符合装置产生一次符合计数，即记录一次二重 符合事件；如果两路中仅有一路有脉冲输入，或者都没有脉冲输入，则符合电 路无脉冲输出，不会记录二重符合事件。符合测量技术就是利用符合电路来甄 别符合事件在不同探测器的输出脉冲中把有时间关联的事件选择出来。 图1 1 两光子符合测晕装置 经过单光子探测器输出的脉冲具有一定的宽度，在选择同时事件的脉冲符 合时，当两个脉冲的起始时间差别很小，以致符合装置不能区分它们的时1 1 日j 差 别时，或者说，只要两路脉冲在时间上有部分重叠时，就会被当作符合事件记 录下来，反之就没有发生符合事件，符合脉冲示意图如图1 2 所示。 第l 通道脉冲 y 第2 通道脉冲 矿 符合脉冲 图1 2 符合脉冲示意图 6 第一章绪论 在图1 2 中( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 为符合事件。因此，产生符合脉冲的条件不一 定要求输入脉冲之间绝对“同时”。实际的符合装置有一重要的参数，称之为符 合分辨时间f ，是指符合装置能够产生符合脉冲输出的两通道输入脉冲的最大时 间间隔。符合事件实际上也就是指相继发生于时间间隔小于符合分辨时间r 内的 事件，或者称作同时性事件。f 的大小主要由符合输入端的脉冲宽度以及符合装 置的工作特性决定，它决定了符合装置研究各种关联事件的精度。 ，选择同一时刻脉冲的符合称为瞬时符合，即前面示例的符合；选择排斥同 一时刻脉冲的符合称为反符合，即两个符合通道同时有脉冲输入时，符合装置 无脉冲输出，两通符合中任一通道有脉冲输入时，符合装置有脉冲输出；选择 有延迟时间联系的脉冲的符合称为延迟符合，即只要把第一事件的脉冲延迟一 些时间，便可与第二事件的脉冲同时到达符合装置而产生符合脉冲。本文仅研 究瞬时符合，在没有特殊说明的情况，所指的符合皆指瞬时符合。 1 2 2 符合测量的重要意义 符合测量在量子信息科学研究中有着重要的意义。符合测量装置是量子信 息科学的许多基础研究和应用研究中不可缺少的实验仪器。本文设计的高速多 通道量子符合分析仪除了可以用于研究单光子源、量子操作以及多光子干涉， 还可以用于研究高级多方量子通信【l o ，1 1 ，1 2 】以及全光量子计算【1 3 ，1 4 】，用于分 析构成多方量子通信基础的多光子偏振纠缠态 1 5 ，1 6 ，1 7 j ，用于研究多光子纠缠 和验证双方自由消相干量子通信【1 8 】。另外，高速多通道量子符合分析仪也能验 证两光子多方量子通信协议，例如，量子机密共享、量子远程克隆 1 9 】等通信方 式。由于线性光学量子计算要求对大量光子数进行同时探测和记录，因此高速 多通道量子符合分析仪还将成为线性光学量子计算的必要装置。 1 2 3 常规符合测量装置存在的不足 目前，量子信息实验中常用的符合事件测量装置，通常由逻辑与门组合而 成，结构简单但功能有限，其主要缺点是不能记录原始事件，仅能用来同时记 录少数预置的符合组合【2 0 】。由于无法记录原始事件，不能满足对事件作进一步 分析的要求；输入通道数有限，并且符合组合数目有限，不能同时观测任意符 合体，如要观测其它符合，必需重新设置，反复实验。另外，随着量子通信的 7 第一章绪论 研究进展，可能的符合事件随着探测器数量的增加而迅速增加，所需的测量时 间也大大加长。如果采用常规设计方案，需要增加大量的逻辑单元，导致大量 的配线，逻辑复杂度指数增加，而且重复实验需要耗费大量时间。文献 2 0 提出 的符合测量装置，具有8 个输入通道，最高平均测量速率为8 0 0 k 事件s ，符合 测量时间间隔为3 0 n s 。为进步提高输入通道数的灵活性，提高测量速率，减 小符合测量时间间隔，以及满足实时监视，定时可编程，保存数据以便作进一 步数据分析等需求，本文研制了高速多通道量子符合分析仪，具备上述特点， 具有广泛的应用价值。 1 3 本文安排和概要 本论文共分为五章，内容组织如下： 第一章概述量子信息科学相关的基础理论、量子通信以及量子计算：阐述 符合测量的基本概念以及符合测量在量子信息科学的重要地位，并指_ 出常规符 合测量装置存在的不足。 第二章介绍高速多通道量子符合分析仪的相关技术。包括e c l 电路的基本 结构、基本原理、电路电源、负载匹配、电路特性以及应用范围：介绍f p g a 的基本结构与设计流程，基于多种e d a 工具的f g p a 设计以及硬件描述语言： 介绍u s b 的数据传输模式、u s b 系统的分层结构以及u s b 丌发流程。 第三章详细论述高速多通道量子符合分析仪各部分的软硬件实现。概述系 统的设计思路、工作原理；硬件设计包括高速输入与控制逻辑、同步f 1 f o 接口、 e c l 模块时需分析、f p g a 接口以及u s b 接口的设计；软件设计包括f p g a 程 序设计、u s b 固件程序设计、u s b 驱动程序设计与主机应用程序设计。 第四章介绍高速多通道量子符合分析仪在不同工作条件下的实验测试方 案，测试各项性能指标，并对测试结果进行分析。 第五章对本文的研究工作进行总结。概述高速多通道量子符合分析仪的特 点并展望其应用与发展方向。 第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术 第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术 在量子信息科学研究中采用单光子作为量子信息的载体，利用单光子探测 器可以检测携带量子信息的单光子，并转换输出为具有一定宽度的1 v r l 脉冲信 号，然后通过符合测量、计数等手段提取单光子所携带的量子信息。本文研制 的高速多通道量子符合分析仪，采用高速发射极耦合逻辑( e c l ) 电路、设计现 场可编程门阵列( f p g a ，) 模块、通用串行总线( u s b ) 接口以及相关的数据分 析程序，实现对多通道单光子探测器之间所有可能的符合事件的准确捕获、计 数、存储以及数据分析。本章旨在介绍与高速多通道量子符合分析仪相关的e c l 集成电路、f p g a 、u s b 等技术。 2 1e c l 集成电路 发射极耦合逻辑( e c l ，e m i t t e rc o u p l e dl o g i c ) 集成电路简称e c l 集成电 路( 以下简称“e c l 电路”) ，是一种非饱和型数字逻辑电路【2 l ，2 2 】。c l 电路 内部的晶体管工作在线性区或截止区，从根本上消除了限制速度提高的少数载 流子的“存储时间 ，因此速度很快，是现有各种逻辑电路中速度最快的一种电 路形式，也是目前唯一能够提供亚毫微秒开关时间的实用电路。 2 1 1e c l 电路的结构与工作原理 所谓“射极耦合刀是指逻辑集成电路内的差分放大器的各个发射极彼此连 接并且由此传递信号的一种方式。典型的e c l 基本门电路的结构如图2 1 所示， 由三部分组成：差分放大器输入电路，温度一电压补偿( 跟踪) 偏压网络( 参 考源) 和射极跟随器输出电路。 第一部分是由晶体管墨瓦、电阻如以及，、砭：等组成的差分放大器输 入电路。其中，输入门管互五和固定偏压晶体管( 简称定偏管) 乃的发射极 连接在一起，通过耦合电阻心构成电流导引电路。由于值远大于集电极电阻 砰和肆，因此具有很强的负反馈，不仅使e c l 电路的输入阻抗很高( 通常 9 第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术 1 0 k q ) ，而且能使晶体管可靠地工作在线性放大区，以获得稳定的性能。定偏 管瓦的基极由参考电源供给固定的偏压，其工作状态阍接接受输入信号的控 制。差分放大器是e c l 电路的核心，它不仅为电路提供了或或非等逻辑功能， 同时也为获得很窄的线性门槛区提供了所需的电压增益。 多路输入差分放大器偏压刚络射极跟随器输出 l 弋，、，l 、厂 l - 弋 abcd 、- 输入 ( a ) y ( 或) j ，( 或非) y = a + b + c + d y = 矗+ 8 + c + d 图2 1 典型的e c lfj 电路 ( a ) e c l 门电路的结构：( b ) 逻辑表达式及逻辑图 ( b ) 第二部分是内部的温度一电压补偿偏压网络( 又称参考源) ，由晶体管疋、 二极管d i 、d 和电阻足、尼、尼组成。它为差分放大器提供一个固定的参考 电压圪。，其值一般被调整在信号逻辑电平摆幅的中间值上( 如一i 2 9 v ) 。分压 线路内的二极管对不起到温度补偿的作用，即使温度在一定范围内变化时，也 能使参考电平值和逻辑电平摆幅的中心值保持一致。该参考源的另一个特点是 能适量跟踪电源电压的变化，因而也不会因电源电压变化而显著影响电路的交 直流性能。 第三部分是由乏和e 组成的射极跟随器输出电路，它是输出驱动器即缓冲 部分，起两个作用：其一，能将差分放大器或或非端的输出电平经电平偏移后 变为e c l 电路的标准输出电平，从而保证了前级电路的输出电平与驱动下一级 电路的输入电平褶匹配。其二，是作为集电极结点与负载电容间的隔离级，并 1 0 第二章高速多通道链子符合分析仪的相关技术 提供电流放大和低输出阻抗，使电路可以驱动更多的负载和获得良好的线驱动 能力( 例如，驱动包括同轴电缆，双绞线等在内的传输线) 。 e c l 电路通常设计成射极开路输出的形式。同设计内含输出下拉电阻的电 路相比，射极开路输出不仅可以节省功耗，而且可以根据应用要求灵活地选择 负载。详细的e c l 电路负载将在2 i 3 节讨论。 在图2 1 中，设计输入下拉电阻r 。为5 0 k q 的目的是为了给不用的输入端所 接晶体管的基极漏电流厶剐提供一条电流通路，使不用的输入管完全截止，以避 免厶胁电流在输入电容上建立过量电荷，从而防止了电路因输入端“浮空 而出 现的所谓“浮空输入失真”，以便提高电路的抗干扰能力。采用了这种设计方法， 使用时就不再需要把不用的输入端接到外部负电源攻。上去。 e c l 电路正常工作时，电源电压= 一5 2 v ，i = 2 = o v ，规定标准 的e c l 逻辑高、低电平值分别为= 一0 9 v ：= 一1 7 5 v 。 当所有的输入端均为低电平时，即五瓦的基极接一1 7 5 v ，低于参考电压 = 一1 2 9 v ，则定偏管死导通，瓦的发射极电位下降一个p n 结正向导通 压降圪( 一般为0 8 v ) ，为 = 杉蚺一疗= 一1 2 9 一o 8 = 一2 0 9 ( v ) ( 2 1 ) 此时，互乃管的基极与发射极之间的电位差为一1 7 5 一( - 2 。0 9 ) = o 3 4 v ，小 于五一五管e b 结正向导通压降，因此墨五管截止，五管导通。这时，流经 耦合电阻以上的电流值为 ，萨堡生：二望型2 - 4 ( m a )( 2 2 ) r e j | | 9 因此，瓦集电极结点c ：的电位低于：，处于低电平，其值为 珞，f ，足。，= 4 1 0 - 3 2 4 5 = 一0 9 8 ( v ) ( 2 3 ) 因为互毛管截止，所以其集电极结点c i 的电位。近似等于：( o v ) - 处于高电平。 当互一瓦管中任意一个或者全部输入端的输入电平由低电平一1 7 5 v 变为高 电平巧= 一o 9 v ( 高于拧) 时，超过了晶体管导通所需的闽值电压，相应的晶 体管导通，发射极e 点的电位以较一0 9 v 下降o 8 vp n 结压降，由原来的 一2 0 9 v 变为一1 7 v 。同时，定偏管瓦的基极电位仍然保持在一1 2 9 v ，瓦管基极 一发射极之间的压差为o 4 l v ，不足以使其保持原来的导通状态，故五管截止。 第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术 显然，电流流过石无管。这时，流经耦合电阻群上的电流值为 ，e 。：坚墨：兰塑塑一4 5 ( m a ) ( 2 4 ) 。 r e j | 2 | 9 此时，集电极结点c 1 的电位下降，低于圪，处于低电平，其值为 k ，l 厶l r 1 = 一4 5 1 0 。2 2 0 = 一0 9 8 ( v )( 2 5 ) 同理，因为乃管截止，集电极结点c z 的电位k ：也近似等于k n ( o v ) ， 处于高电平。 当输入信号都返回到低电平状态时，五l 管再次截止，而瓦管导通。如 果重复上述过程，则e c l 电路的工作情况就像一个特殊的“电流丌关”。随着输 入信号的变化，电流时而流过瓦管，时而又转而流过五瓦管。所以，e c l 电 路又被称作电流型开关逻辑( c m l ，c u r r e n t s w i t c h i n gm o d el o 酉c ) 电路。 在实际应用中，总是希望两个集电极结点c i 、c 输出的高电平和低电平值 对应相同。由上述分析可知，高电平值都近似是0 v ，因此总是相同的。但是低 电平不相同，分别是( 一五。，恐) 和( 一，f ：- & 。：) 。如上所述，因为t 。 t ：， 并不相等，所以要使两个结点的低电平值相同，就必须满足下述关系式 ，辱i r 1 = ，2 坟2 ( 2 6 ) 这就是说，一方面要求g ，的值比g ，小些，另一方面足；和尺f ，的比值要符 合上式并且要求数值的相对精度比较高些。 按图2 1 所示，陔电路的输出逻辑电平摆幅( 高电平与低电平之差) 应陔是 k = j f f l 耳，= j s 2 - r 2 0 9 8 v ( 2 7 ) 前面已经讲到，由互五和矗的开关状态决定的集电极结点c l 和c ：的输出 高、低电平值最终将通过射极跟随器瓦和正( 下降一个，压降) 输出高、低电 平应分别约是一0 8 v 和一1 7 8 v 。然而，由于射极跟随器工作在线性区，当输出 电流髓输出逻辑状态的变化而不同时，流经电阻，( 或r ，) 的基极电流也相 差较大( 约为4 ：1 ) ：另外，以，也会随输出电流，。而变化。在高电平输出时，射 极跟随器基极电流比较大，它在砰( 或尼，) 上将产生约o 1 v 的压降，而且这 时射极跟随器的b e 结压降一般约为o 8 v ，因此，输出高电平k w 将为一0 9 v 左 右；反之，低电平输出时，由于射极跟随器基极电流较小，它在r ，( 或q ，：) 上产生的附加压降可以忽略。加上射极跟随器的b e 结压降这时不到0 ，8 v ，因 此输出的低电平形，约是一1 7 5 v 。这样就得到了e c l 电路的标准输出电平。 1 2 第二章 高速多通道量子符合分析仪的相关技术 通过射极跟随器的电平偏移可以解决电路输入、输出电平互相匹配的问题。 因此，前级门的输出端可以直接和后级门的输入端相连接，而不会发生晶体管 工作在饱和区的现象。与此同时，由于“电流开关”的差分作用( 一组管导通 时，另一组管即截止) ，就能在瓦、乃输出端分别提供互补的或或非逻辑功能( 双 相输出) 其逻辑关系如下式 或( 瓦管) ： 或非( 正管) ； 2 1 2e c l 电路的电源 y = a + 8 + c + d j ，= 彳+ b + c + d e c l 电路工作电源的通常接法是正电源接地，负电源端接一5 2 v ( 或 _ 4 5 v ) 。然而根据不同的使用要求，对e c l 电路的工作电源可以采用表2 。l 列 出的几种接法。 表2 1e c l 电路工作电源的几种接法 种类 尹i 、k c 2输入直流偏压k 1 地( o v ) 一5 2 v一1 2 9 v 2 地( 0 v ) 一5 2 v一2 o v一1 2 9 v l 3+ 2 o v一5 2 v 地( o v ) + 0 7 l v 4+ 5 0 v地( o v ) + 3 7 6 v 表2 1 中的第一、二种接法是e c l 电路的标准电源接法。由于形川和k m 接 地，利用了低阻抗的系统地线，从而保证了有最稳定的k 。，电平，即电路以及各 电路之间的线上的噪声可以被控制并减至最低的限度，使系统可以获得良好 的抗扰度。第三种接法为测试e c l 电路的交流参数时的电源接法，该接法的优 点是便于将e c l 电路的输出端与测试用的低阻取样示波器信号通道直接相连， 这时，示波器信号通道的输入电阻即为被测组件的输出端接负载。即是说，允 许e c l 电路的输出端经一个5 0 q 的示波器探头端接到地，从而实现对e c l 电 路的精确测量。在某些应用中，e c l 电路需与，兀l 电路在同一个地电位和+ 5 0 v 的电源电压下工作，可以采用第四种电源接法，只要将+ 5 v 电源线上的噪声保 持在一个足够小的范围内，就能保证e c l 电路很好地工作。表2 1 中的用于 输出匹配的端接电源，它既允许对低阻抗传输线实施并联端接，又限制负载电 流不超过e c l 的供给能力，还可以防止输出射极跟随器与电流开关和偏压源之 1 3 第二章高速多通道量子符合分析仪的相关技术 间通过的耦合。 2 1 3e c l 电路的负载 通常，e c l 电路的输出都采用发射极开路输出【2 l ，2 3 ，输出端必须外接负 载电阻才能够输出。e c l 电路采取发射极开路输出，其目的是给使用带来灵活 性：便于驱动传输线：便于逻辑“线或”；不用的输出端保持开路以节省功耗： 外接负载降低了电路芯片的温度，提高了电路的可靠性。 在实际测试或使用e c l 电路时，负载电阻的取值大小将会影响输出电平。 当直流负载引起输出电平变化时，就会影响噪声容限，同时由于交流负载增大 了电路所驱动的电容，因此或多或少会影响传输延迟时间和上升、下降时间。 e c l 电路输出阻抗的典型值一般为6 8 q ，因此，输出信号的上升很少受 容性负载的影响。但是，输出信号的下降沿受容性负载影响的程度却要受输出 下拉电阻或端接电阻数值的影响。在具有k 下时，由于端接电阻值应该等于或略 高于传输线的特性阻抗，同时考虑到输出电平的稳定性，所以负载电阻尺，值( 接 一2 v ) 一般恰当选择是在5 0 1 0 0 q 之间。如果不采用端接电压巧r ，而选用非端 接线互连，则负载电阻必须提供足够的射极电流以保证输出跟随器晶体管不致 动态截止。在简单的情况下，负载电阻足，( 接一5 2 v ) 可按下列公式( 偏于保 守) 求得： 7 矿t i r ，竿坐掣f 2 8 ) “ i 爿一i 式中，z n 为传输线特性阻抗。在这种情况下，足，一般以选择在2 7 0 5 1 0 q 之削 为宜。可是在实际使用中往往要超出这个范围，这或是因为要保持良好的下降 沿，或是因为要节省功率。为了保证输出逻辑电平值在参数规范允许的范围内， 该足，值也不能选得过大或过小。当尺，选得过大时，低电平噪声容限下降：反之 尺，选得过小时，则高电平噪声容限会下降。因此，要综合考虑负载的取值。图 2 2 示出了e c l 电路在采用不同电源电压情况时，其输出负载电阻的取值范围。 除此之外，测试数据表明：除了一般的电容负载影响电路的速度以外，紧 靠着e c l 电路输出端引线的每个门输入负载也将产生附件的延迟时间。例如电 路的输出端经由一个5 0 q 的电阻接到一2 0 v 上，或者经由一个2 7 0 q 电阻接到 一5 2 v 上时，每增加一个门负载都将产生o 1 n s 的附加延迟时间；如果电路输出 1 4 第一：章 高速多通道昔子符合分析仪的相关技术 端经1 0 0 q 接一2 0 v 或者经5 1 0 q 接一5 2 v 时，则将引起每个门负载有0 2 n s 的附 加延迟时间。 ( c ) 2 o v j ， j ， 。 o v ( b ) 图2 2 不同电源电压一卜e c l 电路的负载取值范围 ( a ) r = 2 7 0 q 2 k q ；( b ) 墨= 5 0 q 1 5 0 q ( a ) r = 5 0 q 1 5 0 q 接地：( b ) 吃= 2 7 0 q 2 k q 接地 0 v j ， j ， 2 o v + 5 o v y 】， o v 总之，使用e c l 电路时，应该谨慎地选择合适的输出端负载，以保证电路 既有合格的逻辑电平又有较小的传输延迟时间，还要力求节省功耗，更不能让 输出晶体管进入饱和状态或截止状态以及发生自激振荡。 2 1 4e c l 电路的特性与应用范围 e c l 电路是根据高速低噪声数字系统的应用要求设计的，具有以下独特的 优点： 第一，速度快。e c l 电路是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一种。 1 5 第二章 高速多通道量子符合分析仪的相关技术 e c l 电路是非饱和型逻辑电路，电路正常工作时，晶体管工作在线性区或截止 区，不存在基区和集电区少数载流子的存储现象，这就从根本上消除了由于饱 和导通而产生的电荷存储效应，因此也就消除了由此而引起的存储延迟时间。 周时，由于电路中电阻阻值取得很小，逻辑电平摆幅小( 典型值为8 5 0 m v ) ，从 而有效地缩短了电路各节点电位的上升时l 白j 和下降时间。目前e c l 门电路的传 输延迟时间己能缩短到o 1 n s 以内。 第二，逻辑功能强。e c l 电路同时提供互补逻辑输出，不仅可以节省系统 所用的组件数，减小系统功耗，而且由于互补输出具有相同的传输延迟时f 白j ， 可以消除一般逻辑电路中为产生互补逻辑功能而设置反相器所增加的时间延 迟，进而提高了系统的速度。e c l 电路还能采用“线或”、“点与”、“串级门” 等技术，可以方便地实现其它复杂的逻辑功能并提高系统的速度和节省功耗。 第三，扇出能力高。e c l 电路输入阻抗高( 通常约l o k q ) ，由于输出端采