一种超宽带脉冲发生器的设计

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｡


当电容C值小于3皮法时,由于其他寄生参数的影响,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即触发脉冲重复频率应小于1MHz｡若取RC=50kΩ,则TS≈10μs,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,导致温度过高而烧坏｡ 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级联的设计,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,通过雪崩管的级联,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｡这里关键是解决好雪崩管触发的同时性问题?由于脉冲很窄,这一点就尤为突出｡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3DB2B3DB2B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 600MHz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,最后得到的输出脉冲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｡