一种超宽脉冲发生器的设计
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雪骨击穿,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Q3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雪崩电压: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
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。
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