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一種超寬脈沖發生器的設計
摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級窄脈沖發送信息的技術。重點討論了一種采用級聯雪崩晶體管結構UWB極窄脈沖發生器，并對其電路及雪崩晶體管的工作原理進行了具體分析。實驗獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns，上升時間約為863ps。關鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發生器
目前，UWB技術已經成為國際無線通信技術研究的新熱點，日益受到重視和關注。2002年2月14日，美國FCC（聯邦通信委員會）首次批準了UWB產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送信息的技術，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。(范文先生網www.ycxgx.cn收集整理)
一般通信技術都是把信號從基帶調制到載波上，而UWB則是通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制，從而具有GHz量級的帶寬。UWB具有發射信號功率譜密度低（數十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點，尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和通信、雷達、定位、汽車防撞、液面感應和高度測量應用。
UWB信息調制方式需結合UWB傳播特性和脈沖產生方法綜合考慮，通常可采用脈沖位置調制（Pulse Position Modulation）和正反極性調制（Antipodal Modulation），這里采用PPM調制。
從本質上看，UWB無線技術是發射和接收超短電磁能量脈沖的技術，它采用極窄脈沖直接激勵天線。因此，極窄脈沖的產生就顯得尤為重要。目前，UWB極窄脈沖的產生方法主通過雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復二極管實現。其中隧道二極管和階躍恢復二極管所產生的脈沖，上升時間可以達幾十至幾百皮秒，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的方案，同時采用雪崩三極管級聯結構來產生極窄脈沖，最后得到輸出脈沖上升時間約為863ps，幅度約為1.2V。
1 雪崩效應理論
當NPN型晶體管的集電極電壓很高時，收集結空間電荷區內電場強度比放大低壓運用時大得多。進入收集結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生了新的電子-空穴時，新產生的電子、空穴又分別被強電場加速而重復上述過程。于是流過收集結的電流便“雪崩”式迅速增長，這就是晶體管的雪崩倍增效應。
晶體管在雪崩區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加有很高的反向電壓，集電結空間電荷區向基區一側的擴展使有效基區寬度大為縮小，因而少數載流子通過基區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）在雪崩區內，與某一給定電壓值對應的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現電流減小的現象。也就是說，雪崩運用時晶體管集電極-發射極之間呈負阻特性。
（4）改變雪崩電容與負載電阻，所對應的輸出幅度是不同的。換言之，輸出脈沖與雪崩和負載電阻有關。
下面對雪崩管的動態過程進行分析。在雪崩管的動態過程中，工作點的移動相當復雜，現結合原理圖形示電路（圖4）進行分析（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負載電阻認為是Rc，當基極未觸發時，基極處于反偏，雪崩管截止。根據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為通過靜態負載Rc的電流，ia為雪崩電流，uc(0)為電容C初始電壓，R為動態負載電阻，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負載線方程式為：
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）
式（3）和式（4）表明雪崩狀態下，動態負載線是可變的。
雪崩管在雪崩區形成負阻特性，負阻區處于Bvceo與Bvcbo之間，當電流再繼續加大時，則會出現二次擊穿現象，如圖2所示。
圖2中，電阻負載線I貫穿了兩個負阻區。若加以適當的推動，工作點a會通過負阻區交點b到達c，由于雪崩管的推動能力相當強，c點通常不能被封鎖，因而通過第二負阻區交點d而推向e點。工作點從a到e一共經過兩個負阻區，即電壓或電流信號經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大，其速度也相當快。
當負載很陡時，如圖2中負載線II所示，它沒有與二次擊穿曲線相交而直接推而飽和區，這時就不會獲得二次負阻區的加速。
本文介紹的超寬帶UWB極窄脈沖發生器即是利用雪崩管的二次負阻區加速作用，來達到產生極窄脈沖的目的。
2 UWB脈沖產生電路及分析
2.1 電路原理圖
UWB發射機系統的簡化框圖如圖3所示，系統的信息調制采用PPM調制。本文主要討論UWB脈沖產生電路的設計，電路原理圖如圖4所示。
2.2 電路分析
當觸發脈沖尚未到達時，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）。當一個足夠大的觸發脈沖到來后，使晶體管工作點運動到不穩定的雪崩負阻區，Q1雪骨擊穿，產生快速增大的雪崩電流，導致電容C經由晶體管Q1快速放電，從而在負載電阻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，當開始雪崩以后，由于晶體管本身以及電路分布參數的影響，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放電注入負載R。這人電壓經過電容C2，導致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快的，從宏觀上可以把它看作是同時觸發的。因此，在負載上就可以得到一個上升時間非常短的UWB極窄脈沖。
2.3 元件參數選擇
雪崩晶體管電路中應選擇的電路參數主要為雪崩晶體管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主要是雪崩管的輸出振幅及邊沿應滿足要求。
②偏置電壓Vcc:必須適當選擇偏置電壓Vcc，使雪崩晶體管能夠發生雪崩效應，同時還應當滿足Vcc≤Bvcbo。
③雪崩電壓：雪崩電容C不應選擇太大，C太大，輸出脈沖寬度加寬，電路恢復期太長；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。一般應選用瓷片電容或云母電容。
在一定范圍內，電容C值越小，脈沖寬度也越小，但幅度也會變得越小。這個結果由仿真和實驗均得到驗證如表1所示。
表1 實驗結果
當電容C值小于3皮法時，由于其他寄存參數的影響，寬度的減小已不明顯。
④集電極電阻Rc：集電極電阻Rc應保證雪崩電路能夠在靜止期內恢復完畢，即（3～5）（Rc+RL）C≤Ts，式中Ts為觸發脈沖重復周期。
通常Rc選為幾千歐姆到幾十千歐姆。若取Rc=5kΩ、C=50pF，則Ts≈1μs，觸發脈沖重復頻率應小于100kHz。Rc不能選得太小，否則雪崩晶體管可能長時間處于導通狀態，導致溫度過度而燒壞。
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。
圖4 UWB脈沖產生電路
另外，電路還采用了雪崩管極聯的設計，原理上可以看作是一個Marx發生器。這樣可以增加所產生脈沖的幅度，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，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通內阻減小，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，雪崩管的級聯結構還可以相當于對各級的輸出脈沖進行了乘積，這樣也會使脈沖的上升時間tr得到進一步的減小。這里關鍵是解決雪崩管觸發的同時性問題，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，反而會增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時觸發，就必須要盡量選用觸發參數相同的雪崩管。如果有的雪崩管觸發參數不同，則需要調整電路中的元件參數，使其同時觸發。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。與理論分析所得結論相符。
2.4 實驗結果
實驗中采用兩級級聯結構，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），上升時間約為863ps。采用的雪崩三極管為3DB2B型（tr≤2ns）。觸發脈沖的周期為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的方法，成功地完成了一種超寬帶（UWB）脈沖產生電路的設計，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，進一步減小脈沖的寬度和上升時間。
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