采用雪崩管級聯(lián)實現(xiàn)UWB脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計

作者：劉詠華 ， 鄭繼禹 ， 仇紅冰

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?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)生方法主要通過雪崩三極管?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)的電場強度比放大低壓運用時大得多?進入收集結(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-空穴對，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？quot;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，輸出脈沖與雪崩電容和負(fù)載電阻有關(guān)?

下面對雪崩管的動態(tài)過程進行分析?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)合原理圖所示電路（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(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-射級電壓，Vcc為電路直流偏置電壓?

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

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相當(dāng)大，其速度也相當(dāng)快?

當(dāng)負(fù)載線很陡時，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到飽和區(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雪崩擊穿，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;而到達某一峰值后，又由于電容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，而后者則形成了脈沖的后沿? Q1雪崩擊穿后，電容C放電注入負(fù)載R?這個電壓經(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雪崩電容：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?

當(dāng)電容C值小于3皮法時，由于其他寄生參數(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即觸發(fā)脈沖重復(fù)頻率應(yīng)小于1MHz?若取RC=50kΩ，則TS≈10μs，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)致溫度過高而燒壞? 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?

另外，電路還采用了雪崩管級聯(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，通過雪崩管的級聯(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(guān)鍵是解決好雪崩管觸發(fā)的同時性問題？由于脈沖很窄，這一點就尤為突出?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?

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?

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3DB2B3DB2B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 600MHz示波器測得的?

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，最后得到的輸出脈沖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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