采用雪崩管级联实现UWB脉冲产生电路的设计
作者：刘咏华 ， 郑继禹 ， 仇红冰
目前，uwb技术已经成为国际无线通信技术研究的新热点，日益受到重视和关注｡2002年2月14日，美国fcc（联邦通信委员会）首次批准了uwb产品的民用销售和使用｡ uwb即超宽带，它是一种利用纳秒级极窄脉冲发送信息的技术，其信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25%｡一个典型的中心频率为2ghz（即宽度为500ps）的uwb脉冲信号的时域波形及其频谱图分别如图1所示｡
一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上，而uwb则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制？从而具有ghz量级的带宽｡uwb具有发射信号功率谱密度低（数十mw范围）､难以截获､抗多径､低成本､极好的穿透障碍物能力等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和通信､雷达､定位､汽车防撞､液面感应和高度测量应用｡
uwb信息调制方式需结合uwb传播特性和脉冲产生方法综合考虑，通常可采用脉冲位置调制（pulse position modulation）和正反极性调制（antipodal modulation），这里采用ppm调制｡
从本质上看，uwb无线技术是发射和接收超短电磁能量脉冲的技术，它采用极窄脉冲直接激励天线｡因此，极窄脉冲的产生就显得尤为重要｡目前，uwb极窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管､隧道二极管或阶跃恢复二极管实现｡其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达几十至几百皮秒，但其幅度较小，一般为毫伏级｡采用了利用雪崩三极管的雪崩效应的方案，同时采用雪崩三极管级联结构来产生极窄脉冲，最后得到输出脉冲上升时间约为863ps，幅度约为1.2v｡
1 雪崩效应理论
当npn型晶体管的集电极电压很高时，收集结空间电荷区内的电场强度比放大低压运用时大得多｡进入收集结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子-空穴对，新产生的电子､空穴又分别被强电场加速而重复上述过程｡于是流过收集结的电流？quot;雪崩“式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应｡
晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点：
（1）电流增益增大到正常运用时的m倍，其中m为雪崩倍增因子｡
（2）由于雪崩运用时集电结加有很高的反向电压，集电结空间电荷区向基区一侧的扩展使有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区的渡越时间大为缩短｡换言之，晶体管的有效截止频率大为提高｡
（3）在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单值的｡并且随电压增加可以出现电流减小的现象｡也就是说，雪崩运用时晶体管集电极-发射极之间呈负阻特性｡ （4）改变雪崩电容与负载电阻，所对应的输出幅度是不同的｡换言之，输出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关｡
下面对雪崩管的动态过程进行分析｡在雪崩管的动态过程中，工作点的移动相当复杂？现结合原理图所示电路（图4）进行分析（这里主要分析雪崩管q1的工作过程，其余类同）｡
在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是rc，当基极未触发时，基极处于反偏，雪崩管截止｡根据电路可列出雪崩管过程的方程为：
式中：i为通过雪崩管的总电流，ic为通过静态负载rc的电流，ia为雪崩电流，uc（0）为电容c初始电压，r为动态负载电阻，c为雪崩电容，ta为雪崩时间｡vce为雪崩管q1集-射级电压，vcc为电路直流偏置电压｡
从（1）式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为：
在具体的雪崩管电路中，rc为几千欧（本实验中取为6.8kω），而r则为几十欧（本实验中取为51ω），因此rc》》r｡雪崩时雪崩电流ia比静态电流ic大得多，即ia》》ic，所以i≈ia｡于是（2）式可简化为？
因为0~ta这段雪崩时间很短，因此可以略去，即得
式（3）和式（4）表明雪崩状态下，动态负载线是可变的｡
雪崩管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于bvceo与bvcbo之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图2所示｡
图2中，电阻负载线i贯穿了两个负阻区｡若加以适当的推动，工作点a会通过负阻区交点b到达c，由于雪崩管的推动能力相当强，c点通常不能被封锁，因而通过第二负阻区交点d而推向e点｡工作点从a到e一共经过两个负阻区，即电压或电流信号经过两次正反馈的加速｡因此，所获得的信号其电压或电流的幅度相当大，其速度也相当快｡
当负载线很陡时，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到饱和区，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雪崩击穿，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，又由于电容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，而后者则形成了脉冲的后沿｡ q1雪崩击穿后，电容c放电注入负载r｡这个电压经过电容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｡
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｡
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目前，uwb技术已经成为国际无线通信技术研究的新热点，日益受到重视和关注｡2002年2月14日，美国fcc（联邦通信委员会）首次批准了uwb产品的民用销售和使用｡ uwb即超宽带，它是一种利用纳秒级极窄脉冲发送信息的技术，其信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25%｡一个典型的中心频率为2ghz（即宽度为500ps）的uwb脉冲信号的时域波形及其频谱图分别如图1所示｡
一般通信技术都是把信号从基带调制到载波上，而uwb则是通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制？从而具有ghz量级的带宽｡uwb具有发射信号功率谱密度低（数十mw范围）､难以截获､抗多径､低成本､极好的穿透障碍物能力等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入和通信､雷达､定位､汽车防撞､液面感应和高度测量应用｡
uwb信息调制方式需结合uwb传播特性和脉冲产生方法综合考虑，通常可采用脉冲位置调制（pulse position modulation）和正反极性调制（antipodal modulation），这里采用ppm调制｡
从本质上看，uwb无线技术是发射和接收超短电磁能量脉冲的技术，它采用极窄脉冲直接激励天线｡因此，极窄脉冲的产生就显得尤为重要｡目前，uwb极窄脉冲的产生方法主要通过雪崩三极管､隧道二极管或阶跃恢复二极管实现｡其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可以达几十至几百皮秒，但其幅度较小，一般为毫伏级｡采用了利用雪崩三极管的雪崩效应的方案，同时采用雪崩三极管级联结构来产生极窄脉冲，最后得到输出脉冲上升时间约为863ps，幅度约为1.2v｡
1 雪崩效应理论
当npn型晶体管的集电极电压很高时，收集结空间电荷区内的电场强度比放大低压运用时大得多｡进入收集结的载流子被强电场加速，从而获得很大能量，它们与晶格碰撞时产生了新的电子-空穴对，新产生的电子､空穴又分别被强电场加速而重复上述过程｡于是流过收集结的电流？quot;雪崩“式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应｡
晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点：
（1）电流增益增大到正常运用时的m倍，其中m为雪崩倍增因子｡
（2）由于雪崩运用时集电结加有很高的反向电压，集电结空间电荷区向基区一侧的扩展使有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区的渡越时间大为缩短｡换言之，晶体管的有效截止频率大为提高｡
（3）在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单值的｡并且随电压增加可以出现电流减小的现象｡也就是说，雪崩运用时晶体管集电极-发射极之间呈负阻特性｡ （4）改变雪崩电容与负载电阻，所对应的输出幅度是不同的｡换言之，输出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关｡
下面对雪崩管的动态过程进行分析｡在雪崩管的动态过程中，工作点的移动相当复杂？现结合原理图所示电路（图4）进行分析（这里主要分析雪崩管q1的工作过程，其余类同）｡
在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是rc，当基极未触发时，基极处于反偏，雪崩管截止｡根据电路可列出雪崩管过程的方程为：
式中：i为通过雪崩管的总电流，ic为通过静态负载rc的电流，ia为雪崩电流，uc（0）为电容c初始电压，r为动态负载电阻，c为雪崩电容，ta为雪崩时间｡vce为雪崩管q1集-射级电压，vcc为电路直流偏置电压｡
从（1）式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为：
在具体的雪崩管电路中，rc为几千欧（本实验中取为6.8kω），而r则为几十欧（本实验中取为51ω），因此rc》》r｡雪崩时雪崩电流ia比静态电流ic大得多，即ia》》ic，所以i≈ia｡于是（2）式可简化为？
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式（3）和式（4）表明雪崩状态下，动态负载线是可变的｡
雪崩管在雪崩区形成负阻特性，负阻区处于bvceo与bvcbo之间，当电流再继续加大时，则会出现二次击穿现象，如图2所示｡
图2中，电阻负载线i贯穿了两个负阻区｡若加以适当的推动，工作点a会通过负阻区交点b到达c，由于雪崩管的推动能力相当强，c点通常不能被封锁，因而通过第二负阻区交点d而推向e点｡工作点从a到e一共经过两个负阻区，即电压或电流信号经过两次正反馈的加速｡因此，所获得的信号其电压或电流的幅度相当大，其速度也相当快｡
当负载线很陡时，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到饱和区，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雪崩击穿，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，又由于电容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，而后者则形成了脉冲的后沿｡ q1雪崩击穿后，电容c放电注入负载r｡这个电压经过电容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｡
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｡
动力电池的种类介绍
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