一种超宽脉冲发生器的设计解读.docx
《一种超宽脉冲发生器的设计解读.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种超宽脉冲发生器的设计解读.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
一种超宽脉冲发生器的设计解读
一种超宽脉冲发生器的设计
[日期：
2004-12-7]
来源：
电子技术应用 作者：
刘咏华郑继禹仇红冰
[字体：
大中小]
摘要：
超宽带UWB是一种利用纳秒级窄脉冲发送信息的技术。
重点讨论了一种采用级联雪崩晶体管结构UWB极窄脉冲发生器，并对其电路及雪崩晶体管的工作原理进行了具体分析。
实验获得的UWB输出脉冲宽度约为1.22ns，上升时间约为863ps。
关键词：
UWB（UltraWideband）超宽带雪崩晶体管脉冲发生器
目前，UWB技术已经成为国际无线通信技术研究的新热点，日益受到重视和关注。
2002年2月14日，美国FCC（联邦通信委员会）首次批准了UWB产品的民用销售和使用。
UWB即超宽带，它是一种利用纳秒级极窄脉冲发送信息的技术，其信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25%。
一个典型的中心频率为2GHz（即宽度为500ps）的UWB脉冲信号的时域波形及其频谱图分别如图1所示。
一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上，而UWB则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，从而具有GHz量级的带宽。
UWB具有发射信号功率谱密度低（数十mW范围）、难以截获、抗多径、低成本、极好的穿透障碍物能力等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和通信、雷达、定位、汽车防撞、液面感应和高度测量应用。
UWB信息调制方式需结合UWB传播特性和脉冲产生方法综合考虑，通常可采用脉冲位置调制（PulsePositionModulation）和正反极性调制（AntipodalModulation），这里采用PPM调制。
从本质上看，UWB无线技术是发射和接收超短电磁能量脉冲的技术，它采用极窄脉冲直接激励天线。
因此，极窄脉冲的产生就显得尤为重要。
目前，UWB极窄脉冲的产生方法主通过雪崩三极管、隧道二极管或阶跃恢复二极管实现。
其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达几十至几百皮秒，但其幅度较小，一般为毫伏级。
采用了利用雪崩三极管的雪崩效应的方案，同时采用雪崩三极管级联结构来产生极窄脉冲，最后得到输出脉冲上升时间约为863ps，幅度约为1.2V。
1雪崩效应理论
当NPN型晶体管的集电极电压很高时，收集结空间电荷区内电场强度比放大低压运用时大得多。
进入收集结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子-空穴时，新产生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。
于是流过收集结的电流便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应。
晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点：
（1）电流增益增大到正常运用时的M倍，其中M为雪崩倍增因子。
（2）由于雪崩运用时集电结加有很高的反向电压，集电结空间电荷区向基区一侧的扩展使有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区的渡越时间大为缩短。
换言之，晶体管的有效截止频率大为提高。
（3）在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单值的。
并且随电压增加可以出现电流减小的现象。
也就是说，雪崩运用时晶体管集电极-发射极之间呈负阻特性。
（4）改变雪崩电容与负载电阻，所对应的输出幅度是不同的。
换言之，输出脉冲与雪崩和负载电阻有关。
下面对雪崩管的动态过程进行分析。
在雪崩管的动态过程中，工作点的移动相当复杂，现结合原理图形示电路（图4）进行分析（这里主要分析雪崩管Q1的工作过程，其余类同）。
在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是Rc，当基极未触发时，基极处于反偏，雪崩管截止。
根据电路可列出雪崩管过程的方程为：
式中：
i为通过雪崩管的总电流，ic为通过静态负载Rc的电流，ia为雪崩电流，uc（0）为电容C初始电压，R为动态负载电阻，C为雪崩电容，tA为雪崩时间。
Vce为雪崩管Q1集-射极电压，Vcc为电路直接偏置电压。
从
（1）式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为：
在具体的雪崩管电路中，Rc为几千欧（本实验中取为6.8kΩ）,而R则为几十欧（本实验中取为51Ω），因此Rc>>R。
雪崩时雪崩电流ia比静态电流ic大得多，即ia>>ic，所以i≈ia。
于是
（2）式可简化为：
因为0～tA这段雪崩时间很短，因此可以略去，即得
i=1/R[uc（0）-Vce] （4）
式（3）和式（4）表明雪崩状态下，动态负载线是可变的。
雪崩管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于Bvceo与Bvcbo之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图2所示。
图2中，电阻负载线I贯穿了两个负阻区。
若加以适当的推动，工作点a会通过负阻区交点b到达c，由于雪崩管的推动能力相当强，c点通常不能被封锁，因而通过第二负阻区交点d而推向e点。
工作点从a到e一共经过两个负阻区，即电压或电流信号经过两次正反馈的加速。
因此，所获得的信号其电压或电流的幅度上当大，其速度也相当快。
当负载很陡时，如图2中负载线II所示，它没有与二次击穿曲线相交而直接推而饱和区，这时就不会获得二次负阻区的加速。
本文介绍的超宽带UWB极窄脉冲发生器即是利用雪崩管的二次负阻区加速作用，来达到产生极窄脉冲的目的。
2UWB脉冲产生电路及分析
2.1电路原理图
UWB发射机系统的简化框图如图3所示，系统的信息调制采用PPM调制。
本文主要讨论UWB脉冲产生电路的设计，电路原理图如图4所示。
2.2电路分析
当触发脉冲尚未到达时，雪崩管截止，电容C2、C4在Vcc的作用下分别通过电阻R1、R和R2、R3充电。
电容C通过Rc充电（充电后其电压近似等于电源电压Vcc）。
当一个足够大的触发脉冲到来后，使晶体管工作点运动到不稳定的雪崩负阻区，Q1雪崩击穿，产生快速增大的雪崩电流，导致电容C经由晶体管Q1快速放电，从而在负载电阻R上形成一个窄脉冲。
由于雪崩电流很大，因此获得的窄脉冲有较高的峰值；又由于电容C储存的电荷很有限（一般电容量只有几皮法至几百皮法），因此脉冲宽度也有限。
也就是说，当开始雪崩以后，由于晶体管本身以及电路分布参数的影响，使得雪崩电流即电容C的放电电流只能逐渐增大；而到达某一峰值后，又出于电容C上电荷的减少使得放电电流逐渐减小。
前者形成了脉冲的前沿，而后者形成了脉冲的后沿。
Q1雪崩击穿后，电容C放电注入负载R。
这人电压经过电容C2，导致Q2过压并且雪崩击穿。
同理Q3也依次快速雪崩击穿。
由于雪崩过程极为迅速，因此这种依次雪崩的过程还是相当快的，从宏观上可以把它看作是同时触发的。
因此，在负载上就可以得到一个上升时间非常短的UWB极窄脉冲。
2.3元件参数选择
雪崩晶体管电路中应选择的电路参数主要为雪崩晶体管Vcc、C、Rc及加速电容等。
①雪崩晶体管：
雪崩晶体管的选择依据主要是雪崩管的输出振幅及边沿应满足要求。
②偏置电压Vcc:
必须适当选择偏置电压Vcc，使雪崩晶体管能够发生雪崩效应，同时还应当满足Vcc≤Bvcbo。
③雪崩电容：
雪崩电容C不应选择太大，C太大，输出脉冲宽度加宽，电路恢复期太长；但也不能太小，C太小，输出脉冲振幅减小，而且影响电容分布。
通常取为几皮法到几十皮法。
一般应选用瓷片电容或云母电容。
在一定范围内，电容C值越小，脉冲宽度也越小，但幅度也会变得越小。
这个结果由仿真和实验均得到验证如表1所示。
表1实验结果
电容C（pF）
10
5.6
3
输出脉冲电压振幅Um（V）
6.8
3.6
1.2
A点处输出脉冲宽度（ns）
4.1
3.4
2.43
当电容C值小于3皮法时，由于其他寄存参数的影响，宽度的减小已不明显。
④集电极电阻Rc：
集电极电阻Rc应保证雪崩电路能够在静止期内恢复完毕，即（3～5）（Rc+RL）C≤Ts，式中Ts为触发脉冲重复周期。
通常Rc选为几千欧姆到几十千欧姆。
若取Rc=5kΩ、C=50pF，则Ts≈1μs，触发脉冲重复频率应小于100kHz。
Rc不能选得太小，否则雪崩晶体管可能长时间处于导通状态，导致温度过度而烧坏。
⑤加速电容：
电路中C3、C5为加速电容，它们的主要作用是帮助加速基带脉冲，减少脉冲的延迟时间和上升时间。
另外，电路还采用了雪崩管极联的设计，原理上可以看作是一个Marx发生器。
这样可以增加所产生脉冲的幅度，同时还可以使脉冲的宽度变得更窄。
首先，通可雪崩管的级联，使加在各级雪崩管集电极的电压递增（每级的增量约为Vcc）。
而集电极电压的增大可以使雪崩管的导通内阻减小，从而缩短脉冲的上升时间tr。
其次，基极注入电流Ib会随之增大，tr也将减小。
另外，雪崩管的级联结构还可以相当于对各级的输出脉冲进行了乘积，这样也会使脉冲的上升时间tr得到进一步的减小。
这里关键是解决雪崩管触发的同时性问题，由于脉冲很宽，这一眯就尤为突出。
如果雪崩管不能很好地同时触发，反而会增加输出脉冲的宽度。
为了获得同时触发，就必须要尽量选用触发参数相同的雪崩管。
如果有的雪崩管触发参数不同，则需要调整电路中的元件参数，使其同时触发。
实验中A、B、C各点输出脉冲的宽度分别为：
2.43ns、1.76ns、1.22ns；上升时间分别为1.2ns、1.12ns、863ps。
与理论分析所得结论相符。
2.4实验结果
实验中采用两级级联结构，最后得到输出脉冲波形，如图5所示。
从图5中可以看到输出脉冲的幅度约为1.2V，宽度约为1.22ns（半宽度），上升时间约为863ps。
采用的雪崩三极管为3DB2B型（tr≤2ns）。
触发脉冲的周期为1μs,占空比为50%。
该波形是用Agilent公司的Infiniium60MHz示波器测得的。
笔者采用雪崩管级联的方法，成功地完成了一种超宽带（UWB）脉冲产生电路的设计，最后得到的输出脉其宽度和上升时间均较好地符合了要求。
今后的工作将致力于提高输出脉冲的幅度，进一步减小脉冲的宽度和上升时间。
超宽带（UWB）极窄脉冲的产生与实现（2005-5-20）
摘要：
针对超宽带通信技术迅速发展的需要，详细分析了利用双极性晶体管的雪崩特性产生超宽带极窄脉冲信号的原理并介绍了技术现状。
本方案在微波双极性晶体管串行级联的基础上，采用了并行同步触发的工作方式，极大地减少了时延与上升时间，产生了皮秒级的极窄脉冲。
电路具有结构简单、成本低、性能好及应用价值高等优点。
关键词：
超宽带雪崩倍增脉冲发生器同步触发
超宽带UWB（UltraWideban）技术是一种全新的、与传统通信技术有着极大差异的通信新技术。
它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。
超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，开发了一个具有千兆赫兹容量和最高空间容量的新无线信道；它还具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获与检测的概率低、定位精度高等优点。
超宽带技术因其具体有优越的特性，越来越受到人们的普遍重视和研究。
该技术尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。
美国联邦通信委员会FCC（FederalCommunicationsCommission）在2002年2月14日批准了民用的超宽带无线技术。
实现超宽带技术的首要任务是产生UWB脉冲信号。
按照FCC规定，超宽带（UWB）脉冲信号的部分带宽Bf=2（fH-fL）/（fH+fL）大于20%，其中fH、fL分别为-10dB辐射点所对应的上、下频率点或者是指其总的频谱带宽至少达到500MHz。
从本质上看，UWB是发射和接收超短电磁脉冲的技术，可以使用不同的方式来产生和接收这些信息，这些脉冲可以单独发射或成组发射，并且可以根据脉冲的幅度、相位和位置或它们之间的有效组合来对信息进行编码，实现多址通信。
1UWB极窄脉冲的产生原理
与传统的无线发射机结构相比，UWB发射机的结构相对比较简单，如图1所示。
从中可以发现，UWB发射机部分可以不包含功率放大器，替代它的是一个脉冲发生器，它根据要求产生时间宽度极短的窄脉冲直接激励超宽带天线进行辐射。
可编程时延实现了伪随机码的时域编码和时域调制。
驱动器主要用来提供一定的驱动能力，同时对前、后级电路进行有效的隔离。
脉冲发生器在超宽带无线通信系统中占据着极其重要的地位，是UWB系统中独特的关键部件之一。
UWB通信系统的超宽带特性直接与脉冲发生器的脉冲形状相关，显然，脉冲的持续时间越短，脉冲所占据的带宽就越宽。
能否成功地设计UWB系统的脉冲发生器，关系到整个系统的实现。
窄脉冲产生电路的性能与所使用的高速器件有关。
可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、雪崩晶体管等器件。
其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可达几十到百皮秒，但其幅度较小，一般为几百毫伏的量级。
而雪崩晶体管产生的脉冲，上升时间可以达1～2ns，输出脉冲幅度可达几十伏，但需要较高的电源电压。
本文利用微波双极性晶体管雪崩特性，在雪崩导通瞬间，电流呈“雪崩”式迅速增长，从而获得具有陡峭前沿的波形，成形后得到极短脉冲。
在电路设计中，采用多个晶体管串行级联，使用并行同步触发的方式，加快了雪崩过程，从而达到进一步降低脉冲宽度的目的。
经验证，成功地获得了脉宽为910ps，幅度为8V的极窄脉冲。
般的晶体三级管的输出特性分为四个区域：
饱和、线性、截止与雪崩区。
当晶体管的集电极电压很高时，集电结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子-空穴对，新生的电子、空穴又分别被强电场加速而重复上述过程。
于是流过集电结的电流便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应。
晶体管发生雪崩倍增效应之后，晶体管的共基极电流增益用α*表示如下：
α*=Mα
（1）
式中，M为雪崩倍增因子，α是晶体管的共基极电流增益。
其物理意义是：
若有一个载流子进入集电结空间电荷区，则就有M个载流子流出空间电荷区。
倍增因子M通常可用如下公式表示：
式中Bvcbo是晶体管发射极开路时，集电极-基极雪崩击穿电压；Vc是集电极电压；n是与晶体管有着的密勒指数，通常硅材料为3～4。
图2给出了NPN型硅双极性晶体管的输出特性。
当基极电流为负值（IB<0）时，发射结处于反向偏置，集电极电流Ic随集电极电压Vce和-IB急剧变化的区域是雪崩区。
雪崩区运用时，晶体管集电极-发射极之间呈负阻特性。
2脉冲发生器的电路与分析
利用双极性晶体管工作在雪崩区的雪崩式开关特性，结合MARX电路的基本工作原理，设计了图3所示的UWB脉冲发生器。
首先采用了微波双极性晶体管取代了雪崩晶体管，使得电路在较低的电源电压下能够正常工作，满足实际的使用需要；其次采用了并行同步触发方式，即对多个晶体管的基极同时加入触发脉冲信号，当晶体管串行级联运用时，由于各个晶体管偏置临界雪崩状态，如果采用单管进行触发时，先产生雪山崩击穿的是基极受到触发信号的晶体管，接着才是后面级联的晶体管产生雪崩由穿效应。
对于产生皮秒量级的脉冲而言，电路中任何一个部分存在的时间延迟都会影响产生的输出脉冲，使得输出脉冲的上升时间变长和脉冲变宽。
为了消除电路中存在的雪崩依次延时，对电路中多个晶体管的基极加入了同步触发脉冲信号，使晶体管同时产生雪崩击穿，加快了负载上获得的脉冲的上升过程，获得了非常陡直的UWB脉冲。
该脉冲发生器可以在较低的电源电压下可靠工作，稳定地输出一定幅度和宽度的UWB脉冲，脉冲的重复工作频率可以达到50MHz以上，在超宽带技术中具有相当大的应用价值。
在没有加入触发脉冲信号时，电源电压Vcc通过电阻R1与R11、R2与R5、R5、R3与R6、R4与R7分别对电容C1、C2、C3、C4进行充电，使得4个微波双极性晶体管Q1、Q2、Q3、Q4的集电结偏置在临界雪崩状态，于是储能电容C1、C2、C3、C4的两端所充的电压约等于集电结雪崩击穿电压BVCBO。
当触发的脉冲信号Vi输入时，微波双极性晶体管同时雪崩击穿，储能电容C1、C2、C3、C4所所储存的电荷迅速地通过Q1、Q2、Q3、Q4和等效负载电阻R12放电，于是在负载电阻上得到需要的UWB脉冲信号。
图4是在负载电阻R12仿真计算得到的UWB脉冲信号。
3UWB脉冲发生器参数设计
图3所示的UWB脉冲发生器在晶体管雪崩状态下可以用图5所示的电路进行简化等效。
发生器中的串接电容在晶体管雪崩击穿状态下，可以等效一个电容，其值为C/N，同时所下降的电压为NΔV。
其中C为单个储能电容的值，ΔV为单个电容两端压降，N为串接电容的数目；Nron等效为所有串接晶体管雪崩状态下的导通电阻，其中Ron为单个双极性晶体管雪崩状态下的导通电阻。
根据RC电容的充放电特性可以得到负载电阻R12上获得的脉冲幅度峰值Vop和脉冲下降时间分别为：
脉冲发生器的储能电容值为5pF,电阻R11与负载电阻R12为51Ω，晶体管在雪崩击穿状态下的导通电阻Ron一般为30～50Ω。
使用的微波双极性晶体管的主要参数如下：
特征频率fT=24GHz，集电极-基极雪崩击穿电阻BVcbo=15V，集电极-发射极雪崩击穿电压BVceo=4.5V，集电极最大电流Ic=100mA。
晶体管在开关状态下，脉冲的上升时间可近似表示为：
式中：
fT指上升时间内特征频率的平均值；Cc指Vcc电压下集电结电容值；Icm指集电极电流的最大值；Rc为集电极负载电阻。
从公式（5）可看出基极触发电流Ib对输出脉冲的上升时间存在着影响。
当基极触发电流Ib增大时，脉冲的上升时间tr会减小。
为了加大基极触发电流，在实际工作的脉冲发生器中设计了驱动电路。
由于晶体管串行级联结构的使用相当于各级输出脉冲波形进行乘积，使脉冲的上升过程加快，上升时间tr得到了进一步的减小。
同时由于对多个晶体管的基极的并行同步触发，消除了各晶体管依靠传输依次延迟的雪崩时间，使得脉冲的上升时间tr更短。
UWB脉冲的上升沿主要取决于管子的雪崩导通开关的速度，而下降沿主要由放电回路的放电速度决定，这两个因素决定着最终产生的UWB脉冲信号的形状和宽度。
通过仿真计算获得的脉冲如图4所示，脉冲宽度Tp约为610ps，上升时间tr约为490ps，下降时间tf允为750ps，幅度约为8.25V。
4实验与测试结果
实验测试过程中，利用Aglient81110脉冲发生器作为触发脉冲源，输出信号使用54830B数字存储示波器进行观测。
图6是在负载电阻R12上测试得到的波形，从图中可以看出脉冲的宽度为908.1ps，上升时间为519ps，下降时间为940.9ps，脉冲的幅度为8V。
测试中的数据与前面仿真计算的结果非常相似，但在存在着一些差异，主要由于仿真电路中的器件模型参数和器件在工作中实际参数存在着差异，以及分析过程对电路进行适当的近似。
可以看出图3所示的电路结构具有极大的实用性；同时，在实验中测试，该电路可以稳定地产生重复频率达到50MHz的UWB脉冲。
当在功率与脉冲的重复频率两者之间进行折衷选择时，可以通过改变电路中相应的元件与参数，获得满足不同需求的UWB脉冲信号。
本文利用微波双极性晶体管以雪崩型开关串行级联并行同步触发的方式工作，成功地产生了宽度达到皮秒量级的UWB脉冲。
随着人们对UWB技术的深入研究，能够可靠并且简便产生UWB脉冲信号的电路结构，越来越具有实用价值。
本文设计与制作的电路具有结构简单、制作成本低、性能好的特点，在UWB技术中具有较好的应用前景。
升级会员 