一種超寬帶脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

馮清娟 唐勝春 任小軍

摘 要 本文首先提出了一種雪崩晶體管超寬帶脈沖發(fā)生電路的優(yōu)化方法，該方法可以在確保輸出功率的同時(shí)，不產(chǎn)生級(jí)間延遲，為超寬帶脈沖產(chǎn)生技術(shù)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方法。然后對(duì)改進(jìn)和優(yōu)化后的雪崩晶體管脈沖發(fā)生電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，從測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的脈沖發(fā)生電路可以在較低的電源電壓下穩(wěn)定工作，并輸出一定幅度和寬度的超寬帶脈沖，能滿足超寬帶脈沖發(fā)生電路的要求。

【關(guān)鍵詞】超寬帶 脈沖電路 雪崩晶體管 脈沖觸發(fā)源

超寬帶技術(shù)是一種新型無線通信技術(shù)。因其具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，功耗極低、透視能力很強(qiáng)等優(yōu)勢，近年來被廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)、雷達(dá)定位和成像系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。因此超寬帶脈沖產(chǎn)生電路的研究就顯得尤為重要。

目前的超寬帶脈沖產(chǎn)生方法有很多，但都存在不足之處，例如隧道二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間短，但幅度較??；雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路的幅度比較高，但脈沖寬度較大；高壓皮秒光導(dǎo)開關(guān)技術(shù)可以產(chǎn)生質(zhì)量很高的皮秒脈沖，但工作時(shí)需要皮秒激光，限制了其使用范圍。因此，本文提出了一種雪崩晶體管超寬帶脈沖發(fā)生電路的優(yōu)化方法，該方法可以在確保輸出功率的同時(shí)，不產(chǎn)生級(jí)間延遲。為超寬帶脈沖產(chǎn)生技術(shù)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方法。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文以一階高斯脈沖為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出一種以振蕩源、儲(chǔ)能元件和高速開關(guān)為主體的超寬帶脈沖產(chǎn)生電路模型，其工作原理是，觸發(fā)信號(hào)控制高速開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)，高速開關(guān)迅速打開，對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電，形成窄脈沖信號(hào)的上升沿，然后迅速關(guān)斷，形成窄脈沖信號(hào)的下降沿。

2 雪崩晶體管脈沖發(fā)生電路的優(yōu)化及電路參數(shù)的確定

由雪崩晶體管電路的工作原理可知，其產(chǎn)生的脈沖寬度較大，輸出功率較小，很難直接應(yīng)用。要想提高輸出功率，一般采用多管聯(lián)合工作方式，但對(duì)于產(chǎn)生皮秒量級(jí)的脈沖電路而言，任何一級(jí)上的時(shí)間延遲都會(huì)影響產(chǎn)生的輸出脈沖的質(zhì)量。

為了消除電路中存在的雪崩依次延時(shí)，本文對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)，在多個(gè)晶體管的基極加入了同步觸發(fā)脈沖信號(hào)，使晶體管同時(shí)產(chǎn)生雪崩擊穿，加快負(fù)載獲得脈沖的上升過程，使其更為陡直。

雪崩晶體管電路中應(yīng)確定的電路元件參數(shù)主要為雪崩晶體管、偏置電壓Vcc、雪崩電容C、負(fù)載電阻R四個(gè)參數(shù)。雪崩晶體管選擇金屬殼TO-18封裝的2N2369A型晶體管，其開關(guān)速度比較快，雪崩電流較大，擊穿電壓較低；Vcc的選擇應(yīng)使雪崩晶體管能夠發(fā)生雪崩效應(yīng)，并同時(shí)滿足Vcc≤BVCBO；雪崩電容選取為幾皮法的瓷片電容；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。

3 負(fù)載電阻和雪崩電容對(duì)輸出信號(hào)的影響分析

為了盡量消除電路其他模塊對(duì)脈沖發(fā)生電路的影響，測量中使用Agilent 33220A標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器代替觸發(fā)信號(hào)源，觸發(fā)脈沖信號(hào)頻率5MHz，占空比10%，觸發(fā)脈沖信號(hào)脈寬20ns，使用標(biāo)準(zhǔn)直流電壓源做直流偏置電源，輸出電壓設(shè)置為雪崩晶體管的臨界雪崩電壓。表1和表2分別統(tǒng)計(jì)了負(fù)載電阻R和雪崩電容C對(duì)輸出脈沖信號(hào)的電壓幅度U和脈沖寬度Td的影響情況。

從以上測量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生電路可以在較低的電源電壓下可靠工作，能穩(wěn)定地輸出一定幅度和寬度的超寬帶脈沖，輸出脈沖的電壓幅度基本在10V以上，脈沖寬度可達(dá)0.68ns，能滿足超寬帶脈沖發(fā)生電路的要求。

4 結(jié)論

本文首先提出了一種雪崩晶體管超寬帶脈沖發(fā)生電路的優(yōu)化方法，該方法可以在確保輸出功率的同時(shí)，不產(chǎn)生級(jí)間延遲，為超寬帶脈沖產(chǎn)生技術(shù)提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方法。從測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的脈沖發(fā)生電路可以在較低的電源電壓下穩(wěn)定工作，并輸出一定幅度和寬度的超寬帶脈沖，可滿足超寬帶脈沖發(fā)生電路的要求。

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作者單位

北京信息科技大學(xué) 北京市 100192