孫建中　趙　希

摘要：脈沖產(chǎn)生方式是超寬帶技術(shù)研究重點(diǎn)之一，其脈沖生成電路各有不相同，但可歸結(jié)為幾類典型器件及基本電路，本文較為詳細(xì)和系統(tǒng)的介紹了這幾類常用的超寬帶脈沖產(chǎn)生器件及電路，給出了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，對存在的問題進(jìn)行了研究，為設(shè)計(jì)超寬帶脈沖產(chǎn)生電路提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：超寬帶（UWB） 脈沖 電路

引言

超寬帶技術(shù)因其具有低功耗、高穿透性、高分辯率及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)受到了人們的關(guān)注，對超寬帶信號產(chǎn)生、傳播及接收的研究人們都投入了很大的熱情，目前提出的超寬帶脈沖產(chǎn)生方式主要分為兩大類：一類為利用快速開關(guān)電路產(chǎn)生窄脈沖，另一類為利用波形合成技術(shù)得到窄脈沖。

一、階躍恢復(fù)二級管脈沖產(chǎn)生電路

階躍恢復(fù)二極管[1]（SRD，Step Recovery Diode）是電荷存儲(chǔ)二極管的一種形式，簡稱階躍管。它的主要特點(diǎn)是：當(dāng)加上正向電壓時(shí)，階躍管和普通的PN結(jié)二極管一樣，即正向?qū)ǎ坏?dāng)外加電壓由正向變?yōu)榉聪蚝?，階躍管并不馬上截止，而是有很大的反向電流流通，直到貯存的電荷接近耗完時(shí)，反向電流迅速減小，并立即恢復(fù)到正常的反向截止?fàn)顟B(tài)，于是形成了“階躍”。（圖一）畫出了階躍管與檢波管的電流波形圖以供比較。由圖可見，對于階躍管來說，在負(fù)半周的某一時(shí)刻產(chǎn)生了電流的跳變，因此就有可能在外電路中形成一個(gè)很窄的脈沖，從而可利用階躍管構(gòu)成脈沖發(fā)生器。

一種利用階躍管的脈沖發(fā)生器電路如（圖二），圖中，VG是頻率為f1的輸入信號源；V0是偏置電壓；L為激勵(lì)電感；RL為脈沖發(fā)生器負(fù)載。它的工作過程為：

當(dāng)電流i正向流通時(shí)，階躍管相當(dāng)于短路。（令其兩端電壓v =Φ）當(dāng)電流i反向流通時(shí)，階躍管上貯存的電荷開始返回，這時(shí)v =Φ。但當(dāng)貯存電荷放電完畢時(shí)，電流將突然下降，二極管處于欲斷流狀態(tài)，階躍管相當(dāng)于一個(gè)小電容，激勵(lì)電感 上將產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電壓以阻止電流的減小。電流減小得越快，這一感應(yīng)電壓脈沖幅度越大。這時(shí)在二極管和負(fù)載上出現(xiàn)一個(gè)反向高壓脈沖。此后，二極管電流又恢復(fù)到正向流通狀態(tài)，二極管上的電壓回到Φ值。這樣，隨著輸入信號的周期變化，在負(fù)載上將出現(xiàn)重復(fù)周期為T1=1/f1、脈沖寬度為二極管階躍時(shí)間tp的脈沖串，其波形在（圖二）中已繪出。

利用階躍管產(chǎn)生窄脈沖時(shí)，輸入正弦波的周期應(yīng)大于階躍恢復(fù)二極管的存貯時(shí)間，但不能太大，否則二極管內(nèi)存貯的少數(shù)載流子能跟上輸入電壓的變化， 即當(dāng)輸入電壓由正變負(fù)時(shí)，二極管立即截止，這時(shí)輸出為只有正半周的正弦波，而不是脈沖，另外，要求信號源能輸出足夠大的電流，以使二極管有足夠多的少數(shù)載流子存貯和及時(shí)驅(qū)散。采用階躍管電路可以得到較為陡峭的脈沖沿（10ps 量級） ，脈沖寬度也能做到很窄（100ps 量級），但由于器件性能的限制，脈沖輸出幅值較小（一般較大時(shí)可做到幾伏量級） ，該電路常用于倍頻電路或微功率脈沖雷達(dá)（MIR）電路。

二、隧道二級管脈沖產(chǎn)生電路

半導(dǎo)體PN結(jié)耗盡層（空間電荷區(qū)、阻擋層）的寬度和半導(dǎo)體材料的摻雜濃度有關(guān)。低摻雜材料的耗盡層寬，高摻雜材料的耗盡層窄。在由高摻雜材料形成的PN結(jié)中，耗盡層十分窄，它對電子的流動(dòng)并不構(gòu)成很大的障礙。因此，一個(gè)小的正向或反向偏置（沒有大到足夠克服勢壘）就能使載流子具有足夠的能量可以通過耗盡層。當(dāng)發(fā)生這種情形時(shí)叫作載流子穿透勢壘的隧道效應(yīng)[1]。

（圖三）給出了隧道二極管脈沖產(chǎn)生電路的原理圖。圖中+E、R1和R2決定隧道二極管的工作狀態(tài)。它可以是自激多諧狀態(tài)，或單穩(wěn)、雙穩(wěn)觸發(fā)狀態(tài)。當(dāng)把它用作快沿窄脈沖整形電路時(shí)，多數(shù)是工作在單穩(wěn)觸發(fā)狀態(tài)。如（圖四—(a)）所示，這時(shí)，隧道二極管的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處于其特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)工作電流為IQ。當(dāng)有輸入信號時(shí)，隧道二極管的工作電流增大，且達(dá)到或超過峰值電流IP時(shí)，隧道二極管的特性決定了它存在電壓突跳，從VP跳到VF ，這就形成了快速前沿。如果這時(shí)保持電流IP不變，就能出現(xiàn)VF不變的狀態(tài)，也就產(chǎn)生了脈沖的平頂部分。一旦輸入信號消失，IP也就不能保持，電流逐漸下降。當(dāng)電流下降到谷值IV時(shí)，電壓也就隨著下降到VV ，這也是不穩(wěn)定點(diǎn)，又會(huì)產(chǎn)生電壓突跳，從VV跳到VA，形成脈沖的下降沿。然后隧道二極管的直流工作狀態(tài)又使電流回升到IQ，等待下一個(gè)觸發(fā)信號的到來。

隧道二極管脈沖產(chǎn)生電路具有溫度靈敏度低、反應(yīng)速度快、功率需要小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但其有輸出脈沖電壓低，輸入、輸出間隔離不充分的缺點(diǎn)；在雪崩管出現(xiàn)以前常用隧道二極管電路來產(chǎn)生窄脈沖，當(dāng)雪崩管出現(xiàn)以后此電路已出現(xiàn)被雪崩管脈沖產(chǎn)生電路取代之勢?，F(xiàn)在一些振蕩電路及諧振放大電路中仍在使用隧道二極管。

三、雪崩三極管脈沖產(chǎn)生電路

如果在晶體管的收集結(jié)空間電荷區(qū)加上比正常運(yùn)用大許多倍的電場強(qiáng)度．收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場所加速，從而獲得很大的能量。這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞便產(chǎn)生了新的電子一一空穴對．這些新的電子—一空穴對又分別為強(qiáng)電場所加速，重復(fù)上述過程。于是，流過收集結(jié)的電流便象“雪崩”一樣迅速增長，這被稱之為晶體管的雪崩效應(yīng)，具有明顯的雪崩效應(yīng)的晶體管稱之為雪崩晶體管。晶體管在雪崩區(qū)的運(yùn)用具有如下主要特點(diǎn)[1]：

(1)電流增益增大到正常運(yùn)用時(shí)的 M 倍，其中 M 為雪崩倍增因子。

(2)由于雪崩運(yùn)用時(shí)的基區(qū)寬度遠(yuǎn)小于一般工作時(shí)的基區(qū)寬度，這使得載流子渡越基區(qū)的時(shí)間迅速減小，于是晶體管的有效截止頻率大為提高。

(3)在雪崩區(qū)內(nèi)，與某一給定電壓值對應(yīng)的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象。也就是說，雪崩運(yùn)用時(shí)晶體管集電極－發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。

(4)改變雪崩電容與負(fù)載電阻，所對應(yīng)的輸出幅度是不同的。換言之，輸出脈沖與雪崩電容和負(fù)載電阻有關(guān)。

設(shè)雪崩效應(yīng)后的晶體管的共基極電流增益為α* ，則有：

α*=Mα

M為雪崩倍增因子，?琢*為雪崩前晶體管的共基極電流增益。倍增因子M通?？捎孟率角蟮茫?/p>

M=1/[1-(Uc/BUcBo)n]

式中Uc是外加電壓．BUcBo是發(fā)射極開路時(shí)集電極一基極反向擊穿電壓，n是與晶體管材料有關(guān)的密勒指數(shù)，通常硅材料為 3—4。

晶體管正常運(yùn)用時(shí)的共發(fā)射極電流增益為β=α/(1-α) 。在集電結(jié)空間電荷區(qū)的雪崩倍增情況下，共發(fā)射極電流增益用β*來表示[2] ：

β*=α*/(1-α*)=Mα/(1-Mα)

如（圖五）所示，當(dāng)Uce1，這對應(yīng)于剛剛出現(xiàn)雪崩效應(yīng)的情況。當(dāng)Uce電壓繼續(xù)增加，并且基極接有電阻或加有反向偏壓時(shí)，其將雪崩擊穿并表現(xiàn)出負(fù)阻特性。Us、BUcBo所限定的電壓范圍稱為雪崩工作區(qū)。

雪崩晶體管基本工作電路圖如（圖六）所示：

利用雪崩晶體管脈沖產(chǎn)生電路可以獲得比較陡峭的脈沖沿，選擇適當(dāng)功率的雪崩管，可得到幅值為數(shù)十伏量級而脈沖寬度低于 1ns 的窄脈沖,在應(yīng)用中還可通過晶體管級聯(lián)方式得到上千伏的輸出脈沖幅值。此電路常用于較大功率的脈沖產(chǎn)生電路，如超寬帶雷達(dá)技術(shù)，較遠(yuǎn)距離的超寬帶通信技術(shù)等。 ◆

參考文獻(xiàn)：

[1]楊蔭彪等 特種半導(dǎo)體及其應(yīng)用 電子工業(yè)出版社,1991

[2] 于東海采用雪崩晶體管產(chǎn)生窄脈沖 無線電工程1996年第26卷第2期

[3]王毓銀 脈沖與數(shù)字電路高等教育出版社,1995

作者簡介：孫建中，男，1977年出生，吉林省長春市人，中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。