李 宇,路 崇,葉 威,3,譚洪舟,3

(1.廣東藥科大學(xué)信息工程學(xué)院,廣州 510006;2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣州 510006;3.廣東順德中山大學(xué)卡耐基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院,廣東 順德 528300)

一種基于雙三極管并聯(lián)的UWB窄脈沖發(fā)生器*

李 宇1*,路 崇2,葉 威2,3,譚洪舟2,3

(1.廣東藥科大學(xué)信息工程學(xué)院,廣州 510006;2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣州 510006;3.廣東順德中山大學(xué)卡耐基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院,廣東 順德 528300)

脈沖產(chǎn)生器是IR-UWB通信系統(tǒng)的重要組成模塊之一。提出了一種高可靠性的窄脈沖發(fā)生電路。該脈沖產(chǎn)生電路基于并聯(lián)的雙射頻三極管所產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)與LC電路阻尼原理,產(chǎn)生一階微分高斯脈沖波形。雙三級(jí)管的并聯(lián)設(shè)計(jì)加速了雪崩效應(yīng),降低了工作電壓,易于電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)其中單只三極管損壞時(shí),電路仍然可以依靠另一只進(jìn)行工作。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:該電路所產(chǎn)生的脈沖峰峰值約為12.88 V,脈沖寬度約為1.6 ns,可以用于IR-UWB通信系統(tǒng)。

超寬帶;脈沖發(fā)生器;一階微分高斯脈沖;雙并聯(lián)三極管

脈沖無線電超寬帶通信技術(shù)利用所產(chǎn)生的窄脈沖波取代傳統(tǒng)窄帶通信系統(tǒng)中的正弦波,從而實(shí)現(xiàn)超寬頻帶寬通信[1]。因其具有GHz級(jí)的帶寬,被廣泛應(yīng)用于短距離高速通信、雷達(dá)探測(cè)與高精度定位等領(lǐng)域。近年來更被用于腫瘤成像[2]。超寬帶通信系統(tǒng)涉及多項(xiàng)核心技術(shù),其中窄脈沖波形的產(chǎn)生是其具有GHz級(jí)帶寬的重要依據(jù)。近年來脈沖技術(shù)主要朝著高峰值功率、更窄的脈沖寬度和高重復(fù)頻率的方向發(fā)展。

超寬帶脈沖常用具有高速開關(guān)特性的半導(dǎo)體器件來產(chǎn)生,能用來產(chǎn)生納秒或皮秒級(jí)脈沖的器件主要有:雪崩三極管,階躍恢復(fù)二極管,隧道二極管,光導(dǎo)開關(guān)等。其中階躍恢復(fù)二極管和隧道二極管能產(chǎn)生脈沖前沿小于50 ps的極窄脈沖,但產(chǎn)生的幅度太低,一般為幾百毫伏,基于火花隙的光導(dǎo)開關(guān)能產(chǎn)生幾千伏以上脈沖,但是脈沖重復(fù)率低,并且需要幾百伏甚至幾千伏的電壓電源供電,設(shè)備體積龐大,不利于小型化設(shè)計(jì)的要求。超寬帶脈沖的產(chǎn)生由于器件工藝水平的限制,一般采用微波器件的等效開關(guān)產(chǎn)生短持續(xù)時(shí)間的脈沖信號(hào),但造價(jià)和體積都不適合具體應(yīng)用。前蘇聯(lián)開始應(yīng)用二極管PN結(jié)的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生陡峭的脈沖信號(hào)[3],其生成的脈沖幅度高,并且反偏電壓的提供給應(yīng)用造成了不小的困難。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展水平的提高,后續(xù)基于晶體管管雪崩效應(yīng)的改進(jìn)電路相繼出現(xiàn)。

文獻(xiàn)[4]分析了柵脈沖下AlGaN/GaN HEMT電流崩塌效應(yīng),給出了電路與信號(hào)頻率之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[5]采用單個(gè)英飛凌BFP45三極管設(shè)計(jì)了一次微分高斯UWB脈沖發(fā)生電路。類似的方法還有文獻(xiàn)[6]的雙三極管并聯(lián)。文獻(xiàn)[7]采用Marx 電路提高脈沖的輸出幅度,并優(yōu)化了電路的穩(wěn)定性指標(biāo)。雪崩三極管產(chǎn)生的脈沖性能好,重復(fù)頻率高,脈沖幅度可達(dá)幾十伏,并且隨著工藝的發(fā)展,工作所需的電源電壓也降到較低電平,能夠滿足一般的收發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)要求。文獻(xiàn)[8]在三極管雪崩效應(yīng)的電路上引入微分網(wǎng)絡(luò)來獲得更高的峰峰值。此外階躍恢復(fù)二極管特性也可以用于脈沖產(chǎn)生。文獻(xiàn)[9]采樣階躍恢復(fù)二極管提出了一種基于SRD、肖特基二極管和微帶短路線的單周期脈沖方法,但其脈沖峰峰值較低。

本文利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)和LC電路阻尼原理,設(shè)計(jì)了符合超寬帶通信標(biāo)準(zhǔn)的一階微分高斯脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路。該脈沖產(chǎn)生器在充電電路中引入電感加速電壓上升,同時(shí)在負(fù)載端引入電感,無需要額外的微分網(wǎng)絡(luò)即可直接產(chǎn)生一階微分高斯脈沖。雙三極管產(chǎn)生的輸出電流在負(fù)載電阻上疊加,加快了雪崩效應(yīng),從而增加了輸出脈沖的幅度。同時(shí)每個(gè)晶體管承受的功率將減半便于實(shí)現(xiàn)。

1 雙管并聯(lián)的脈沖產(chǎn)生電路

電路采用并聯(lián)三極管的雪崩效應(yīng)控制集電極負(fù)載端的電容放電來產(chǎn)生納秒級(jí)的超寬帶脈沖,并利用LC阻尼振蕩電路原理與脈沖產(chǎn)生間隙相結(jié)合,降低電源供電電壓的要求,提高脈沖輸出幅度,不需脈沖整形電路,直接產(chǎn)生負(fù)極性近似一階高斯脈沖。電路圖如圖1所示。

圖1 超寬帶脈沖產(chǎn)生電路

電路的工作原理如下:晶體管的輸入端是1個(gè)RC的微分電路,對(duì)方波輸入信號(hào)進(jìn)行微分,產(chǎn)生1個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的尖脈沖信號(hào)作為三極管雪崩的觸發(fā)信號(hào),使三極管的觸發(fā)脈沖沿有一個(gè)陡峭的上升沿,從而推動(dòng)三極管快速進(jìn)入雪崩狀態(tài),同時(shí)大大縮短三極管雪崩導(dǎo)通的時(shí)間,保證三極管Qt不會(huì)形成過大的基極直流輸入電流而導(dǎo)致三極管物理損壞。

當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為零,三極管截止。電源通過L1、L3和R1、R4對(duì)儲(chǔ)能電容C2和C3充電,由于電感的儲(chǔ)能作用,能使儲(chǔ)能電容的電壓上升到超過電源電壓,從而能儲(chǔ)存更多電量,放電時(shí)會(huì)在負(fù)載上產(chǎn)生更大電流,從而提高輸出脈沖的幅度。電容兩端充電電壓的最大值是處在基極開路集電極-發(fā)射極之間雪崩擊穿電壓BVCEO和發(fā)射極開路集電極-基極之間雪崩基穿電壓BVCBO之間,使三極管處于臨界雪崩狀態(tài)。

當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)輸入時(shí),2個(gè)三極管Q1和Q2同時(shí)雪崩,電容C2和C3分別通過三極管Q1和Q2進(jìn)行對(duì)電感L2和負(fù)載電阻R3放電,2個(gè)電容的放電電流均會(huì)流經(jīng)負(fù)載電阻R3,在負(fù)載上形成一個(gè)負(fù)向的脈沖,隨著電容C2和C3的電荷量減少,放電電流由峰值開始減小,由于電感L2維持電流的作用會(huì)使負(fù)載電阻的R3的電流反向,從而形成一個(gè)正向的脈沖,于是在負(fù)載上得到一個(gè)近似的一階高斯脈沖。同時(shí)電感L2會(huì)對(duì)儲(chǔ)能電容反向充電,當(dāng)電感L2放電結(jié)束后,儲(chǔ)能電容C2、C3兩端對(duì)三極管呈現(xiàn)負(fù)壓,使三極管截止,放電過程結(jié)束,電路不會(huì)振蕩。

2 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 電路參數(shù)選擇

根據(jù)超寬帶信號(hào)的定義,超寬帶脈沖信號(hào)一般具有20%以上的相對(duì)帶寬或500 MHz以上的絕對(duì)帶寬。衡量超寬帶信號(hào)性能的主要參數(shù)有:脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖上升時(shí)間、下降時(shí)間以及脈沖重復(fù)頻率。超寬帶脈沖產(chǎn)生電路應(yīng)選擇的電路參數(shù)主要是2個(gè)三極管Q1與Q2,儲(chǔ)能電容C2和C3的取值,充電電感L1和L3,集電極電阻R1和R4,負(fù)載電感L2和負(fù)載電阻R3,偏置電壓V1和V3。

對(duì)于雙極型晶體管的選擇,為使脈沖產(chǎn)生電路能安全可靠的工作,需要考慮晶體管在高重復(fù)脈沖下工作引起的功耗問題。在脈沖信號(hào)的作用下,晶體管的功耗P可以表示為:

(1)

式中:C為儲(chǔ)能電容,V0為輸出脈沖幅度,f為電路的工作頻率。電路工作時(shí),晶體管的功率損耗P應(yīng)該小于晶體管的功率損耗容限Pmax。同時(shí),雪崩脈沖的前沿時(shí)間tr與晶體管的截止頻率fa的關(guān)系為:

(2)

由式(2)可以看出晶體管的截止頻率fa越高,管子的開關(guān)時(shí)間tr越小。例如:要想使tr小于500 ps,截止頻率fa就必須大于600 MHz。

電路的脈沖重復(fù)頻率主要由儲(chǔ)能電容的C2和C3的充電回路的時(shí)間常數(shù)決定,一般取充電電路的時(shí)間常數(shù)與脈沖重復(fù)頻率相近為目標(biāo)。一般情況下,取電感L1、L3遠(yuǎn)大于L2,取集電極電阻R1、R4遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻R3,則在充電回路中可以忽略電感L2和電阻R3的影響。儲(chǔ)能電容一般取值在5 pF左右,集電極電阻一般取幾千歐到幾十千歐,負(fù)載電阻一般取50 Ω左右。

電容C2、C4和電阻R2、R5構(gòu)成微分電路,在輸入信號(hào)的1個(gè)周期內(nèi),微分電容會(huì)進(jìn)行充放電各一次,因此微分電路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)該小于脈沖發(fā)生電路工作周期的一半,微分電阻電容應(yīng)在滿足此條件下合適取值。

電源電壓VCC應(yīng)使三極管處在雪崩區(qū)。電源電壓主要影響脈沖的幅度,電源電壓越高,產(chǎn)生的脈沖幅度越大。但電源電壓不能太大,要保證三極管工作在安全范圍。

2.2 電路仿真

采用Cadence 16.5中集成的Pspice A/D對(duì)上述設(shè)計(jì)電路進(jìn)行原理仿真和參數(shù)優(yōu)化。選取頻率為50 MHz,占空比為50%,高電平為3.3 V,低電平為0 V的的方波信號(hào)作為輸入信號(hào)。元件參數(shù)選取如下:C1=C4=10 pF,R2=R5=100 Ω,L1=L3=10 μH,R1=R4=680 MΩ,C2=C3=5.1 pF,R3=51 Ω,L2=16 nH,VCC=12 V。三極管采用的是Infineo公司的BFP450。

對(duì)電路進(jìn)行仿真得到的輸出脈沖如圖2所示波形,脈沖峰約值為23.77 V,脈沖峰谷寬度約為548 ps。從圖2可以看出所得的脈沖有完整的波谷和波峰。

圖2 電路仿真波形

2.3 電路板測(cè)試

為了減少干擾,實(shí)際制作的電路將超寬帶脈沖產(chǎn)生電路與提供輸入信號(hào)的FPGA芯片做在了一塊板上,并且對(duì)脈沖產(chǎn)生電路加入了電源濾波電路。輸入信號(hào)是由FPGA產(chǎn)生的頻率為10 MHz,高電平為3.3 V,低電平為0 V的方波信號(hào),最終制作的電路實(shí)物如圖3所示。使用Agilent示波器DSO90804A測(cè)試電路輸出的連續(xù)高斯一階微分脈沖波形如圖4所示。圖中單周期脈沖的峰值為12.88 V,脈沖寬度約為1.6 ns。

圖3 電路板實(shí)物圖

圖4 電路板輸出脈沖實(shí)測(cè)波形

實(shí)測(cè)信號(hào)的波形較仿真圖形相比,基本實(shí)現(xiàn)了仿真效果,但是脈沖后有小幅度的拖尾效應(yīng),并且脈沖峰峰值幅度也比仿真波形小了10.89 V,但已滿足對(duì)如超寬帶定位、探測(cè)等使用場(chǎng)景。一方面由于仿真的元器件參數(shù)與實(shí)際電路的元器件參數(shù)有差異,并且仿真時(shí)也沒考慮元器件間連接的阻抗匹配問題和電路的分布參數(shù)問題。因此,后續(xù)工作主要擬選用精度較高的貼片元件并且布局盡可能緊湊。

由表1可以看出,基于階躍恢復(fù)二極管的窄脈沖產(chǎn)生技術(shù)具有脈沖寬度窄的優(yōu)點(diǎn),但是產(chǎn)生的脈沖幅度很低,而基于雪崩三極管的電路能產(chǎn)生幅度較大的脈沖,但脈沖寬度要相對(duì)大一些。此外,采用雙管的并聯(lián)的方式產(chǎn)生的脈沖幅度要比單管要大。與同為雙管設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)[6]方法比對(duì),本文脈沖寬度大了0.98 ns,脈沖峰峰值相當(dāng),但所需要的電壓少了8 V,有利于器件的集成。

表1 性能指標(biāo)比較

3 結(jié)論

本文利用雙極型晶體管的雪崩特性設(shè)計(jì)了具有雙管并聯(lián)結(jié)構(gòu)的超寬帶窄脈沖發(fā)生器。對(duì)其工作原理和電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和仿真,并制作了超寬帶窄脈沖發(fā)生器電路板,測(cè)試與仿真表明所設(shè)計(jì)的脈沖產(chǎn)生電路可以輸出符合超寬帶通信要求的近似一階微分高斯脈沖,并且降低了工作電壓,更適用于IC設(shè)計(jì),具有很好的實(shí)用性。

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An UWB Narrow-Pulse Generator Based on Dual Parallel Triodes*

LIYu1*,LUChong2,YEWei2,3,TANHongzhou2,3

(1.School of Information Engineering,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510006,China;(2.School of Information Science and Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006,China;3.SYSU-CMU Shunde International Joint Research Institute,Shunde Guangdong 528300,China)

The pulse generator plays a fundamental role in the Impulse Radio Ultra-wideband(IR-UWB)communication system. A narrow pulse generator with a high reliability for UWB is proposed,which is based on the avalanche effect of dual parallel triodes and the active damping of LC resonance. The first-derivative Gauss pulses are produced. The coupling of triodes leads to an acceleration on the avalanche effect and lowers the required supply voltage,while the implementation is simplified. Even one of the double triodes gets damaged,the other one is able to accomplish the pulse generation. The simulation and experimental results show that the produced pulse of this generator reaches a peak-to-peak voltage at 12.88 V and the pulse width is 1.6 ns. Finally the proposed circuit is proved to collaborate with the IR-UWB communication system.

UWB;pulse generator;first-derivative Gauss pulse;dual parallel triodes

項(xiàng)目來源:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61473322,81570904)

2016-03-28 修改日期:2016-05-24

C:1260

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.014

TN782

A

1005-9490(2017)02-0333-04