晶體管驅(qū)動的階躍二極管大幅度窄脈沖源

楊金鋼，謝 嘉，李紅英，和先孟，周祖國

（西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

納秒級窄脈沖信號源主要用于超寬帶無線電通信等領(lǐng)域，隨著國內(nèi)外元器件的快速發(fā)展，窄脈沖源的實現(xiàn)方法很多。早期主要有利用火花隙產(chǎn)生的窄脈沖及利用雪崩管的“雪崩”效應(yīng)產(chǎn)生的窄脈沖［1］。當前產(chǎn)生納秒級窄脈沖的方法也可歸為兩大類：一類是采用低功率CMOS電路來設(shè)計并生成脈沖信號［2］；另一類是采用階躍恢復二極管［3］（以下簡稱階躍管）與場效應(yīng)管、肖特基二極管或是與PIN管組合構(gòu)成的電路［2］。利用火花隙及雪崩管的“雪崩”效應(yīng)的窄脈沖源，存在電壓高、功耗大、體積大等缺點；采用低功率CMOS電路產(chǎn)生的窄脈沖信號存在幅度小、重復頻率低等缺點。采用階躍恢復二極管與場效應(yīng)管、肖特基二極管或是與PIN管組合構(gòu)成的電路實現(xiàn)的窄脈沖雖可以彌補上述的一些不足，但其脈沖幅度的輸出仍小于其工作電壓。

本文提出了一種采用階躍恢復二極管在雙極型晶體管的驅(qū)動下實現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級窄脈沖源的方法。

1 傳統(tǒng)階躍管產(chǎn)生窄脈沖原理與方法

1.1 基本方法與原理

階躍管的電流階躍特性，即階躍管由導通恢復到截止出現(xiàn)了電流突變。目前各型號的階躍管階躍時間（電流突變時間）一般均小于200 ps，因此可利用階躍管極小的電流階躍時間，實現(xiàn)納秒級極窄脈沖信號，該方法是當前用階躍管實現(xiàn)窄脈沖的傳統(tǒng)方法。階躍管實現(xiàn)窄脈沖的原理如圖1所示。

圖1 階躍管產(chǎn)生窄脈沖原理框圖Fig.1 Principle of generating narr ow i mpulse by step recovery diode

當激勵源的正半周加在階躍管上，管子開始導通，處于正向?qū)顟B(tài)，此時階躍管相當于一個大擴散電容，激勵信號對其充電，因此有大量的電荷被儲存起來；當激勵源的負半周加在階躍管上，由于階躍管儲存了大量的電荷，電流不能立刻為零，而是直到儲存的電荷耗盡時，反向電流才迅速下降到反向飽和電流，并最終形成電流的階躍輸出［4］。然后通過微分整形和匹配設(shè)計，輸出窄脈沖信號。

1.2 常見階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路

目前利用階躍管產(chǎn)生窄脈沖的方法有以下兩種電路［5－6］，電路如圖2、圖3所示。

圖2 無電壓偏置窄脈沖產(chǎn)生電路圖Fig.2 Circuit of generating narrow i mpulse without offset voltage

圖2 中：激勵源為脈沖，并利用電感激勵階躍管，產(chǎn)生一持續(xù)時間極短的快脈沖。該電路具有電路簡單、成本低等優(yōu)點，由于沒有外圍的電壓偏置電路，使得階躍開始的時間無法出現(xiàn)在反向電流達到最大值的時刻，所以其脈沖寬度和脈沖幅度電路存在嚴重矛盾，很難提高脈沖幅度。當脈寬約1 ns時，其幅度僅能達到4 V，無法保證信號能量的傳輸，但對于一些對信號能量無要求的應(yīng)用場合，該電路具有一定優(yōu)勢。

圖3 帶電壓偏置窄脈沖產(chǎn)生電路圖Fig.3 Circuit of generating narrow impulse with offset voltage

圖3 中：激勵源為正弦信號，通過外加偏置電路和匹配電路，經(jīng)反復調(diào)試后，基本能保證階躍在反向電流達到最大值的時刻開始，從而提高了該脈沖發(fā)生器的輸出脈沖幅度。但該電路在調(diào)試上存在一定難度。因此該電路僅適合于原理性驗證，一般不在工程上使用。

2 晶體管驅(qū)動階躍管產(chǎn)生窄脈沖方法

上述兩種用階躍管產(chǎn)生窄脈沖的傳統(tǒng)方法，主要存在以下缺點：

1）易受器件參數(shù)散差的影響，調(diào)試難度大；

2）無法輸出大幅度窄脈沖信號；

3）輸出脈沖寬度、形式調(diào)整困難。

為解決上述的不足，采用階躍恢復二極管在雙極型晶體管的驅(qū)動下實現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級窄脈沖。該電路利用階躍管的“階躍特性”，并結(jié)合晶體管的驅(qū)動，對階躍管的激勵信號進行了改進設(shè)計，原理框圖如圖4所示，由方波激勵源、晶體管驅(qū)動電路、階躍輸出電路及微分電路組成。

要產(chǎn)生大幅度窄脈沖，通常要求階躍開始的時間選擇在反向電流達到最大值的時刻。因此可利用具有極高特征頻率的晶體管，使其工作在截止區(qū)與飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換，輸出一個幅度大、下降沿陡的方波作為激勵源，達到大幅度窄脈沖的輸出。

圖4 階躍管驅(qū)動改進后窄脈沖產(chǎn)生原理框圖Fig.4 Principle of generating narrow i mpulse by step recovery diode after i mproved

為使晶體管工作在截止區(qū)與飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換，選擇占空比可調(diào)的方波信號作為激勵源，經(jīng)波形變換和晶體管驅(qū)動，輸出一個具有下降沿很陡的“二次方波”（階躍管的激勵信號），并適當調(diào)整方波的占空比，保證階躍開始的時間選擇在反向電流達到最大值的時刻，最終經(jīng)階躍管的階躍特性和微分電路輸出大幅度納秒級窄脈沖信號，電路如圖5所示。

圖5 晶體管驅(qū)動階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路圖Fig.5 Circuit of generating narrow i mpulse by step recover y diode with transistor driving

電路主要有以下幾個特點：

1）激勵源為容易實現(xiàn)的方波信號；

2）外圍電路簡單，工程上易實現(xiàn)，調(diào)試容易；

3）輸出脈沖幅度、脈寬及形式均可調(diào)。

3 電路仿真

為驗證該方法的可行性，通過Or CAD軟件及修改器件的SPICE模型參數(shù)進行晶體管驅(qū)動階躍管產(chǎn)生窄脈沖電路的仿真。基本參數(shù)：輸入信號為重復頻率10 MHz，占空比1：10的方波信號，L1、L2一般為幾十n H，C3一般為幾PF，工作電壓為5 V。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 一階高斯窄脈沖仿真圖Fig.6 Si mulation of a first-order Gauss narrow i mpulse

圖7 零階高斯窄脈沖仿真圖Fig.7 Si mulation of zero order Gauss narrow i mpulse

圖6 、圖7仿真表明：階躍管激勵源改進后的窄脈沖產(chǎn)生電路可行，且通過適當調(diào)整L1、L2，可以輸出不同形式的窄脈沖。

4 實物測試

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，對實物進行了調(diào)試及測試，實物如圖8所示。經(jīng)實物調(diào)試后，該電路還有以下2個補充說明：

1）雙極型晶體管的選擇，主要取決于晶體管的特征頻率，經(jīng)調(diào)試驗證，最終選擇了特征頻率不小于6 GHz的晶體管；

2）微分整形電路由C3、L2組成，C3基本決定脈寬、L2基本決定脈沖形式。

在負載輸出端利用Tek DPO 70404（4 G帶寬、25 GS／s采樣率）的示波器測試，測試波形如圖9、圖10所示。圖9：實際電路工作電壓12 V，輸出脈沖幅度V≈13 V，脈寬τ≈0.8 ns的一階高斯窄脈沖源；圖10：實際電路工作電壓12 V，其輸出脈沖幅度V≈12 V、脈寬τ≈0.7 ns的零階高斯窄脈沖源。由于分布參數(shù)、PCB布線和電容、電感的損耗等因素，實測波形振鈴要大一些，但仍與圖6、圖7仿真波形基本相似。

圖8 信號發(fā)生器實物照片F(xiàn)ig.8 Photos of real subject

圖9 實測一階高斯脈沖信號（探頭23 d B衰減）Fig.9 Measure of a first-or der Gauss i mpulse signal（Probe attenuating 23 d B）

圖10 實測零階高斯脈沖信號（探頭23 d B衰減）Fig.10 Measure of zero order Gauss impulse signal（Probe attenuating 23 d B）

5 結(jié)論

本文提出一種采用階躍恢復二極管在雙極型晶體管驅(qū)動下實現(xiàn)工作于低電壓的大幅度納秒級窄脈沖源的方法，它以階躍管與雙極型晶體管為核心，并利用階躍管的階躍特性和晶體管的驅(qū)動共同實現(xiàn)了窄脈沖的產(chǎn)生。電路主要由晶體管驅(qū)動、階躍輸出、微分整形等單元電路構(gòu)成。仿真和測試表明：該電路的工作電壓范圍廣，具有輸出幅度不小于工作電壓、脈寬可調(diào)、易調(diào)、脈沖形式可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于集成、對PCB工藝要求不高等優(yōu)點，適用于超寬帶系統(tǒng)中窄脈沖的產(chǎn)生。研究還發(fā)現(xiàn)，其對提高超寬帶沖激引信的探測距離起到了關(guān)鍵作用。

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