一種超寬脈沖發(fā)生器的設(shè)計

 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。實驗獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns,上升時間約為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,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%。一個典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號的時域波形及其頻譜圖分別如圖1所示。

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,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,通常可采用脈沖位置調(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,收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場強度比放大低壓運用時大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強電場加速,從而獲得很大能量,它們與晶格碰撞時產(chǎn)生了新的電子-空穴時,新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復(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)的運用具有如下主要特點：

（1）電流增益增大到正常運用時的M倍,其中M為雪崩倍增因子。

（2）由于雪崩運用時集電結(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,雪崩運用時晶體管集電極-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,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（本實驗中取為6.8kΩ）,而R則為幾十歐（本實驗中取為51Ω）,因此Rc>>R。雪崩時雪崩電流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：

因為0～tA這段雪崩時間很短,因此可以略去,即得

i=1/R[uc(0)-Vce]    （4）    另外,電路還采用了雪崩管極聯(lián)的設(shè)計,原理上可以看作是一個Marx發(fā)生器。這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度,同時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觸發(fā),反而會增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時觸發(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),使其同時觸發(fā)。實驗中A、B、C各點輸出脈沖的寬度分別為：2.43ns、1.76ns、1.22ns;上升時間分別為1.2ns、1.12ns、863ps。與理論分析所得結(jié)論相符。    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。

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,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貫穿了兩個負(fù)阻區(qū)。若加以適當(dāng)?shù)耐苿?工作點a會通過負(fù)阻區(qū)交點b到達(dá)c,由于雪崩管的推動能力相當(dāng)強,c點通常不能被封鎖,因而通過第二負(fù)阻區(qū)交點d而推向e點。工作點從a到e一共經(jīng)過兩個負(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,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,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,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)一個足夠大的觸發(fā)脈沖到來后,使晶體管工作點運動到不穩(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觸發(fā)的。因此,在負(fù)載上就可以得到一個上升時間非常短的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。這個結(jié)果由仿真和實驗均得到驗證如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

當(dāng)電容C值小于3皮法時,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,減少脈沖的延遲時間和上升時間。

2.4 實驗結(jié)果

實驗中采用兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu),最后得到輸出脈沖波形,如圖5所示。

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,最后得到的輸出脈其寬度和上升時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間。