超寬帶窄脈沖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - EDN China電子設(shè)計(jì)技術(shù)

1、超寬帶窄脈沖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作者：北京航空航天大學(xué) 毛慧敏 李峭     來(lái)源:電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2009年第5期         摘要：本文簡(jiǎn)單介紹了超寬帶信號(hào)的定義和形式，重點(diǎn)分析了常用的脈沖生成方法，給出了兩種方案實(shí)現(xiàn)窄脈沖的具體電路和測(cè)試結(jié)果。關(guān)鍵詞：超寬帶；競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)；雪崩效應(yīng)引言按照美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)定，如果一個(gè)信號(hào)在-10dB處的絕對(duì)帶寬大于500MHz或相對(duì)能量帶寬大于20%，則認(rèn)為是超寬帶信號(hào)。目前，超寬帶無(wú)線技術(shù)可分為有載波與無(wú)載波兩種方案。其中無(wú)載波超寬

2、帶主要使用的是基于窄脈沖信號(hào)傳輸?shù)姆椒?，這種方法信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，在極寬的頻譜上具有極低的功率譜密度。窄脈沖信號(hào)傳輸是超寬帶信號(hào)的傳統(tǒng)方式，最能體現(xiàn)超寬帶時(shí)域信號(hào)處理特色，目前研究和應(yīng)用較多。實(shí)際應(yīng)用中，一般采用納秒級(jí)的窄脈沖作為發(fā)射信號(hào)近似替代高斯脈沖，滿足超寬帶的帶寬要求。脈沖信號(hào)源的生成技術(shù)，常用的有數(shù)字電路方法、晶體管方法和光電方法。圖1 數(shù)字方法生成窄脈沖的基本原理圖圖2 不同脈寬的窄脈沖波形電路實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果考慮到光電方法需要激光作為激勵(lì)源，難度較大，對(duì)實(shí)驗(yàn)室要求也高，以下給出數(shù)字電路和晶體管兩種方法實(shí)現(xiàn)窄脈沖的具體電路和測(cè)試結(jié)果。數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)窄脈沖本設(shè)計(jì)采用數(shù)字電路的邏輯特

3、性來(lái)產(chǎn)生納秒級(jí)窄脈沖信號(hào)，使用的是兩輸入端的異或邏輯：F=A nor B。此方法原理較簡(jiǎn)單，產(chǎn)生窄脈沖的關(guān)鍵在于高速邏輯的實(shí)現(xiàn)和精確的延遲控制，因此數(shù)字芯片的選擇至關(guān)重要。本文實(shí)際電路中為保證快速邏輯運(yùn)算，選用了74VHC86超高速COMS異或門。其上升下降延時(shí)tr和tf均在納秒級(jí)，符合電路設(shè)計(jì)要求。為實(shí)現(xiàn)兩路時(shí)鐘延時(shí)可控，選用了Maxim公司的DS1020可編程延時(shí)芯片。此外，為保證輸入的激勵(lì)信號(hào)有足夠陡峭的邊沿和穩(wěn)定的幅度，還讓激勵(lì)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)了兩個(gè)快速非門74F04。電路原理圖如圖1所示。本電路的測(cè)試過(guò)程中采用重復(fù)頻率1MHz、占空比為0.5、幅度為5V的標(biāo)準(zhǔn)方波作為輸入激勵(lì)信號(hào)，由泰克

4、公司AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生。輸出波形用泰克公司DPO71254 高寬帶數(shù)字熒光示波器(帶寬達(dá)12.5GHz，最高采樣速率達(dá)50GHz/s)測(cè)量。圖2為不同脈寬的窄脈沖波形(由數(shù)字信號(hào)控制)，圖3為脈寬1ns時(shí)的頻譜，圖4為重復(fù)頻率2M的脈沖串。這里脈沖寬度按照業(yè)內(nèi)普遍的定義取脈沖幅度50%的兩點(diǎn)之間的時(shí)間。圖3 脈寬1ns時(shí)的頻譜圖4 重復(fù)頻率2MHz的脈沖串圖5 晶體管方法生成窄脈沖的原理圖晶體管方法實(shí)現(xiàn)窄脈沖利用雙極型晶體管工作在雪崩區(qū)的雪崩開(kāi)關(guān)特性，本文選擇合適的元器件及參數(shù)，設(shè)計(jì)了圖5所示的脈沖發(fā)生器。該電路采用兩路并行同步觸發(fā)的方式工作，產(chǎn)生的脈沖上升時(shí)間更短，輸出功率更高。另

5、外，每路分別在激勵(lì)源輸入端增加了一個(gè)RC高通濾波器，提取激勵(lì)源的高頻分量，加快觸發(fā)速度。沒(méi)有加入觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，電源電壓VCC通過(guò)電阻R1、R2對(duì)儲(chǔ)能電容C1、C2充電，兩端所充的電壓約等于集電結(jié)雪崩擊穿電壓BVCBO，使得晶體管Q1、Q2的集電結(jié)偏置在臨界雪崩狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，Q1、Q2同時(shí)雪崩擊穿，由于晶體管本身以及電路分布參數(shù)的影響，使得雪崩電流也就是電容C1、C2的放電電流逐漸增大，而到達(dá)某一峰值后，又由于電容C1、C2上電荷的減少使得放電電流逐漸減小，形成了脈沖的前后沿，最終在負(fù)載R5(50W)得到了所需的窄脈沖。在該電路中，開(kāi)關(guān)三極管Q1、Q2的選擇是整個(gè)電路的關(guān)鍵，它們

6、的參數(shù)和性能決定了輸出脈沖的極限性能。在這里可選用意法半導(dǎo)體公司金屬管殼封裝的2N2369A，它的開(kāi)關(guān)時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間在同類產(chǎn)品中是一流的，大多數(shù)類似的應(yīng)用也都采用這種管子。圖6是一定阻容參數(shù)下的測(cè)試結(jié)果。脈寬1.12ns，幅度峰峰值約25V。本電路的測(cè)試基本沿用上述測(cè)試條件，采用重復(fù)頻率100kHz、占空比為0.5、幅度為5V的標(biāo)準(zhǔn)方波作為輸入激勵(lì)信號(hào)，由泰克公司AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生。輸出波形用泰克公司DPO71254高寬帶數(shù)字熒光示波器測(cè)量。圖7是重復(fù)頻率100kHz的脈沖串。圖6 晶體管產(chǎn)生窄脈沖分析比較本文介紹的這兩種方法各有優(yōu)劣。數(shù)字電路方法最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)寬度的實(shí)時(shí)可控

7、。此外使用一些集成度較高的成熟芯片，增強(qiáng)了電路的簡(jiǎn)易性，也增加了整個(gè)系統(tǒng)的集成度。缺點(diǎn)是脈沖信號(hào)功率有限，而且脈寬也受限于集成芯片速度，不易做到很窄。用晶體管方法產(chǎn)生的脈沖輸出幅度較高，帶寬特性較好，利于信號(hào)發(fā)射。但是這種方法分立器件較多，電路較復(fù)雜，器件的參數(shù)選擇和電路調(diào)試的工作量都很大，另外高頻導(dǎo)致的分布參數(shù)對(duì)電路特性影響很大。上述兩種方法在電路板的布局布線上都應(yīng)注意減少分布參數(shù)的影響，尤其是晶體管電路?？梢圆扇〉拇胧┲饕校鹤⒁獗苊怆娏骰亓?、多路通道對(duì)稱布局等長(zhǎng)布線和增加PCB板的電源地等。圖7 重復(fù)頻率100kHz的脈沖串結(jié)語(yǔ)對(duì)于一個(gè)超寬帶應(yīng)用系統(tǒng)，產(chǎn)生帶寬符合要求的信號(hào)源是最基本的前提條件，也是目前國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。本文利用數(shù)字芯片的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象和雙極型晶體管的雪崩特性設(shè)計(jì)出帶寬符合要求的超寬帶脈沖發(fā)生器。這兩類脈沖發(fā)生器各有優(yōu)劣，可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。參考文獻(xiàn)1. 朱慧, 蘇銳. 超寬帶技術(shù)概述J. 信息技術(shù)2006年11期, 2006-05-232. Kim H., Joo Y., All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB systemJ. IEE Electronics Letters Vol. 40, No 24,