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（Ultra Wideband）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（Pulse Position Modulation）和正反极性调制（Antipodal Modulation），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。

2 UWB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Q 3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Infiniium 60MHz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（Ultra Wideban）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（Federal Communications Commission）在2002年2月14日批准了民用的超宽带无线技术。