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一種超寬脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)
摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)。重點(diǎn)討論了一種采用級聯(lián)雪崩晶體管結(jié)構(gòu)UWB極窄脈沖發(fā)生器，并對其電路及雪崩晶體管的工作原理進(jìn)行了具體分析。實(shí)驗(yàn)獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns，上升時(shí)間約為863ps。關(guān)鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發(fā)生器
目前，UWB技術(shù)已經(jīng)成為國際無線通信技術(shù)研究的新熱點(diǎn)，日益受到重視和關(guān)注。2002年2月14日，美國FCC（聯(lián)邦通信委員會）首次批準(zhǔn)了UWB產(chǎn)品的民用銷售和使用。
UWB即超寬帶，它是一種利用納秒級極窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)，其信號相對帶寬即信號帶寬與中心頻率之比大于25%。一個(gè)典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號的時(shí)域波形及其頻譜圖分別如圖1所示。(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)
一般通信技術(shù)都是把信號從基帶調(diào)制到載波上，而UWB則是通過對具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，從而具有GHz量級的帶寬。UWB具有發(fā)射信號功率譜密度低（數(shù)十mW范圍）、難以截獲、抗多徑、低成本、極好的穿透障礙物能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入和通信、雷達(dá)、定位、汽車防撞、液面感應(yīng)和高度測量應(yīng)用。
UWB信息調(diào)制方式需結(jié)合UWB傳播特性和脈沖產(chǎn)生方法綜合考慮，通�？刹捎妹}沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation）和正反極性調(diào)制（Antipodal Modulation），這里采用PPM調(diào)制。
從本質(zhì)上看，UWB無線技術(shù)是發(fā)射和接收超短電磁能量脈沖的技術(shù)，它采用極窄脈沖直接激勵(lì)天線。因此，極窄脈沖的產(chǎn)生就顯得尤為重要。目前，UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可以達(dá)幾十至幾百皮秒，但其幅度較小，一般為毫伏級。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)的方案，同時(shí)采用雪崩三極管級聯(lián)結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生極窄脈沖，最后得到輸出脈沖上升時(shí)間約為863ps，幅度約為1.2V。
1 雪崩效應(yīng)理論
當(dāng)NPN型晶體管的集電極電壓很高時(shí)，收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場加速，從而獲得很大能量，它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子-空穴時(shí)，新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場加速而重復(fù)上述過程。于是流過收集結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長，這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)。
晶體管在雪崩區(qū)的運(yùn)用具有如下主要特點(diǎn)：
（1）電流增益增大到正常運(yùn)用時(shí)的M倍，其中M為雪崩倍增因子。
（2）由于雪崩運(yùn)用時(shí)集電結(jié)加有很高的反向電壓，集電結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度大為縮小，因而少數(shù)載流子通過基區(qū)的渡越時(shí)間大為縮短。換言之，晶體管的有效截止頻率大為提高。
（3）在雪崩區(qū)內(nèi)，與某一給定電壓值對應(yīng)的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象。也就是說，雪崩運(yùn)用時(shí)晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。
（4）改變雪崩電容與負(fù)載電阻，所對應(yīng)的輸出幅度是不同的。換言之，輸出脈沖與雪崩和負(fù)載電阻有關(guān)。
下面對雪崩管的動態(tài)過程進(jìn)行分析。在雪崩管的動態(tài)過程中，工作點(diǎn)的移動相當(dāng)復(fù)雜，現(xiàn)結(jié)合原理圖形示電路（圖4）進(jìn)行分析（這里主要分析雪崩管Q1的工作過程，其余類同）。
在電路中近似地將雪崩管靜態(tài)負(fù)載電阻認(rèn)為是Rc，當(dāng)基極未觸發(fā)時(shí)，基極處于反偏，雪崩管截止。根據(jù)電路可列出雪崩管過程的方程為：
式中：i為通過雪崩管的總電流，ic為通過靜態(tài)負(fù)載Rc的電流，ia為雪崩電流，uc(0)為電容C初始電壓，R為動態(tài)負(fù)載電阻，C為雪崩電容，tA為雪崩時(shí)間。Vce為雪崩管Q1集-射極電壓，Vcc為電路直接偏置電壓。
從（1）式可求解出雪崩過程動態(tài)負(fù)載線方程式為：
在具體的雪崩管電路中，Rc為幾千歐（本實(shí)驗(yàn)中取為6.8kΩ）,而R則為幾十歐（本實(shí)驗(yàn)中取為51Ω），因此Rc>>R。雪崩時(shí)雪崩電流ia比靜態(tài)電流ic大得多，即ia>>ic，所以i≈ia。于是（2）式可簡化為：
因?yàn)?～tA這段雪崩時(shí)間很短，因此可以略去，即得
i=1/R[uc(0)-Vce] （4）
式（3）和式（4）表明雪崩狀態(tài)下，動態(tài)負(fù)載線是可變的。
雪崩管在雪崩區(qū)形成負(fù)阻特性，負(fù)阻區(qū)處于Bvceo與Bvcbo之間，當(dāng)電流再繼續(xù)加大時(shí)，則會出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象，如圖2所示。
圖2中，電阻負(fù)載線I貫穿了兩個(gè)負(fù)阻區(qū)。若加以適當(dāng)?shù)耐苿�，工作點(diǎn)a會通過負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)b到達(dá)c，由于雪崩管的推動能力相當(dāng)強(qiáng)，c點(diǎn)通常不能被封鎖，因而通過第二負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)d而推向e點(diǎn)。工作點(diǎn)從a到e一共經(jīng)過兩個(gè)負(fù)阻區(qū)，即電壓或電流信號經(jīng)過兩次正反饋的加速。因此，所獲得的信號其電壓或電流的幅度上當(dāng)大，其速度也相當(dāng)快。
當(dāng)負(fù)載很陡時(shí)，如圖2中負(fù)載線II所示，它沒有與二次擊穿曲線相交而直接推而飽和區(qū)，這時(shí)就不會獲得二次負(fù)阻區(qū)的加速。
本文介紹的超寬帶UWB極窄脈沖發(fā)生器即是利用雪崩管的二次負(fù)阻區(qū)加速作用，來達(dá)到產(chǎn)生極窄脈沖的目的。
2 UWB脈沖產(chǎn)生電路及分析
2.1 電路原理圖
UWB發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的簡化框圖如圖3所示，系統(tǒng)的信息調(diào)制采用PPM調(diào)制。本文主要討論UWB脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖4所示。
2.2 電路分析
當(dāng)觸發(fā)脈沖尚未到達(dá)時(shí)，雪崩管截止，電容C2、C4在Vcc的作用下分別通過電阻R1、R和R2、R3充電。電容C通過Rc充電（充電后其電壓近似等于電源電壓Vcc）。當(dāng)一個(gè)足夠大的觸發(fā)脈沖到來后，使晶體管工作點(diǎn)運(yùn)動到不穩(wěn)定的雪崩負(fù)阻區(qū)，Q1雪骨擊穿，產(chǎn)生快速增大的雪崩電流，導(dǎo)致電容C經(jīng)由晶體管Q1快速放電，從而在負(fù)載電阻R上形成一個(gè)窄脈沖。由于雪崩電流很大，因此獲得的窄脈沖有較高的峰值；又由于電容C儲存的電荷很有限（一般電容量只有幾皮法至幾百皮法），因此脈沖寬度也有限。也就是說，當(dāng)開始雪崩以后，由于晶體管本身以及電路分布參數(shù)的影響，使得雪崩電流即電容C的放電電流只能逐漸增大；而到達(dá)某一峰值后，又出于電容C上電荷的減少使得放電電流逐漸減小。前者形成了脈沖的前沿，而后者形成了脈沖的后沿。
Q1雪崩擊穿后，電容C放電注入負(fù)載R。這人電壓經(jīng)過電容C2，導(dǎo)致Q2過壓并且雪崩擊穿。同理Q3也依次快速雪崩擊穿。由于雪崩過程極為迅速，因此這種依次雪崩的過程還是相當(dāng)快的，從宏觀上可以把它看作是同時(shí)觸發(fā)的。因此，在負(fù)載上就可以得到一個(gè)上升時(shí)間非常短的UWB極窄脈沖。
2.3 元件參數(shù)選擇
雪崩晶體管電路中應(yīng)選擇的電路參數(shù)主要為雪崩晶體管Vcc、C、Rc及加速電容等。
①雪崩晶體管：雪崩晶體管的選擇依據(jù)主要是雪崩管的輸出振幅及邊沿應(yīng)滿足要求。
②偏置電壓Vcc:必須適當(dāng)選擇偏置電壓Vcc，使雪崩晶體管能夠發(fā)生雪崩效應(yīng)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)滿足Vcc≤Bvcbo。
③雪崩電壓：雪崩電容C不應(yīng)選擇太大，C太大，輸出脈沖寬度加寬，電路恢復(fù)期太長；但也不能太小，C太小，輸出脈沖振幅減小，而且影響電容分布。通常取為幾皮法到幾十皮法。一般應(yīng)選用瓷片電容或云母電容。
在一定范圍內(nèi)，電容C值越小，脈沖寬度也越小，但幅度也會變得越小。這個(gè)結(jié)果由仿真和實(shí)驗(yàn)均得到驗(yàn)證如表1所示。
表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
當(dāng)電容C值小于3皮法時(shí)，由于其他寄存參數(shù)的影響，寬度的減小已不明顯。
④集電極電阻Rc：集電極電阻Rc應(yīng)保證雪崩電路能夠在靜止期內(nèi)恢復(fù)完畢，即（3～5）（Rc+RL）C≤Ts，式中Ts為觸發(fā)脈沖重復(fù)周期。
通常Rc選為幾千歐姆到幾十千歐姆。若取Rc=5kΩ、C=50pF，則Ts≈1μs，觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)小于100kHz。Rc不能選得太小，否則雪崩晶體管可能長時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)致溫度過度而燒壞。
⑤加速電容：電路中C3、C5為加速電容，它們的主要作用是幫助加速基帶脈沖，減少脈沖的延遲時(shí)間和上升時(shí)間。
圖4 UWB脈沖產(chǎn)生電路
另外，電路還采用了雪崩管極聯(lián)的設(shè)計(jì)，原理上可以看作是一個(gè)Marx發(fā)生器。這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度，同時(shí)還可以使脈沖的寬度變得更窄。首先，通可雪崩管的級聯(lián)，使加在各級雪崩管集電極的電壓遞增（每級的增量約為Vcc）。而集電極電壓的增大可以使雪崩管的導(dǎo)通內(nèi)阻減小，從而縮短脈沖的上升時(shí)間tr。其次，基極注入電流Ib會隨之增大，tr也將減小。另外，雪崩管的級聯(lián)結(jié)構(gòu)還可以相當(dāng)于對各級的輸出脈沖進(jìn)行了乘積，這樣也會使脈沖的上升時(shí)間tr得到進(jìn)一步的減小。這里關(guān)鍵是解決雪崩管觸發(fā)的同時(shí)性問題，由于脈沖很寬，這一瞇就尤為突出。如果雪崩管不能很好地同時(shí)觸發(fā)，反而會增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時(shí)觸發(fā)，就必須要盡量選用觸發(fā)參數(shù)相同的雪崩管。如果有的雪崩管觸發(fā)參數(shù)不同，則需要調(diào)整電路中的元件參數(shù)，使其同時(shí)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)中A、B、C各點(diǎn)輸出脈沖的寬度分別為：2.43ns、1.76ns、1.22ns；上升時(shí)間分別為1.2ns、1.12ns、863ps。與理論分析所得結(jié)論相符。
2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，最后得到輸出脈沖波形，如圖5所示。
從圖5中可以看到輸出脈沖的幅度約為1.2V，寬度約為1.22ns（半寬度），上升時(shí)間約為863ps。采用的雪崩三極管為3DB2B型（tr≤2ns）。觸發(fā)脈沖的周期為1μs,占空比為50%。該波形是用Agilent公司的Infiniium 60MHz示波器測得的。
筆者采用雪崩管級聯(lián)的方法，成功地完成了一種超寬帶（UWB）脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)，最后得到的輸出脈其寬度和上升時(shí)間均較好地符合了要求。今后的工作將致力于提高輸出脈沖的幅度，進(jìn)一步減小脈沖的寬度和上升時(shí)間。
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