_一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计_一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计

考虑 V BE 为常数的情况 。由于基极电流 IB 的影响 , 发
射极电流产生不均匀分布 , 这种不均匀分布 , 导致了基区
电阻 RBi 的增大 。根据如图 1 所示的等效电路 , 利用二极
管方程 :
I E = I Sexp
VB′E′ VT
(3)
式中 :
V B′E′ =V BE - R Bi(I B )I B
二次击穿临界点 Q 的位置 , 可以根据倍增因子 M 来计 算 。由基极电流与发射极电流的关系 :
吴建斌 等 :一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计
第6期
IB =(αM - 1)IE
(1)
可以得到倍增因子 :
M(V CB) =
1 α
IB IE
+1
(2)
式中 :α是晶体管的共基极电流放大系数 。
摘 要 :宽度窄 、幅度大的脉冲生成是探地雷达系统中要解 决的关键 问题之一 。 本 文在比较了 几种不 同实现 电路的 优缺点 , 详细分析了雪崩三极管原理的基础 , 提出利用雪崩三极管的雪崩特性 , 实现超宽带 、窄脉冲的生成 。 文中给出 了电路 原理图和实验结果 , 电路分为 正 、负 脉冲 2 部分 , 可生成 底宽为纳 /亚纳 秒级 、正 、负 脉冲的 峰-峰值 高达 160 V 的窄脉冲信号 , 并且脉冲拖尾的振荡起伏小 , 很好地满足了雷达系统的宽度窄 、幅度大的要求 。 电路结构简单 、参数可 调 、移植性强 、适 用范围广 。 关键词 :脉冲发 生器 ;雪崩三极管 ;超宽带 中图分 类号 :T N784. 1 文献标识码 :A
在图 2 中 , 各元器件的参数为 R 1 =100 Ψ, C1 =C2 = 510 pF , R3 =R6 =20 kΨ, R4 =R5 =200 k Ψ,R 2 =200 Ψ, C4 =1 000 pF , C5 =C6 =51 pF ,R o1 =R o2 =75 Ψ, C7 = C8 =200 pF 。外加电源电压为 150 V 。图 3 是 C 点输出电 压波形 。根据图 3 中的波形曲线 , 单边脉冲的峰值接近 80 V , 脉冲底宽约为 5 ns 。 所以 ,脉冲的中心频率在 100 M H z 附近 。
测试系统与组件
电 子 测 量 技 术 E LEC T RONIC MEAS U REM ENT T EC H NOLOG Y
第 30 卷 第 6 期 2007 年 6 月
一种超宽带窄脉冲信号发生器的设计
吴建斌1 , 2 田 茂2
(1. 华中师范大学信息技术系 武汉 430079;2. 武汉大学电信学院 武汉 430072)
2. Sch ool of El ectronic Inf ormati on , W uhan U niversit y , Wuh an 430072)
Abstract:Ho w to genera te the shor t pulse dura tion time and hig h amplitude pulse is ont of the key problem s in the g r ound penetra ting r adar sy stem. T hrough co mpa ring the pulse circuit composed of diffe rent appa ratus and analyzing the principle of an av alanche transisto r , an av alanche transisto r ultra-w ideband, ultra-sho rt pulse generato r is pre sented in this paper. T he paper analy ses the a ttribute of the circuit composed o f avalanche transistor . Besides , the circuit figure o f pulse g ene rator is intro duced, and the circuit can be divided into two parts. M easured results show that the w avefo rm o f pulse is g ood , ringing lev el is low , the pulse generato r can g ene rate 5 ns dur ation time , and peak-peak is 160 V . T he pulse generato r can be used widely. Keywords:pulse genera to r ;avalanche transisto r ;ultra-wideband
0 引 言
对于超宽带窄脉冲信号的生成 , 在早期 , 主要利用微 波器件(如传输线)等效成开关 , 从而得到持续时间短的信 号 , 再经过脉冲成形网络整形成满足要求的波形和电压足 够高的脉冲 , 这些方法造价通常很高 , 且器件庞大 , 不适于 现代应用 。目前有很多资料提议采用阶跃恢复二极管进 行脉冲整形 , 实现窄脉冲的生成 。 但是 , 采用阶跃二极管 的脉冲生成电路生成的脉冲虽然宽度可以做到亚纳秒级 , 但是幅度不大 , 只有几伏特 , 不能满足探地雷达系统发射 脉冲的宽度窄 、幅度大的要求 。前苏联人发现二极管上速 度极快的良性雪崩效应能够使矩形脉冲的上升沿急剧陡 峭 , 鉴于此 ,本文利用雪崩三极管的雪崩特性 , 设计了一种 结构简单的纳秒级脉冲形成电路 , 其峰值高达 80 V , 并且 通过设计与调整自偏置电路和匹配电路可以得到不同波 形和幅度的脉冲信号[ 1 - 4] ,可以满足探地雷达系统的要求 。
冲 , 输出到负载电阻 RL1 和 RL2 。电路中 R3 、C3 和 R2 、C4 组 成滤波电路 , 避免冲击电流引起电源电压 V CC的波动 , 又由 于晶体管的发射级与地之间由电阻 R6 连接 , 为了保证晶 体管获得够强的触发 , 采用了变压器耦合方式 。
输出脉冲的前沿时间 , 由 晶体管的雪崩 击穿性能决 定 。脉冲的后沿时间由时间常数 τ=Ro1 Cs =Ro2 C6 确定 。
在很多系统中要求输出的脉冲具有对称性 , 如雷达系 统 。根据这个要求 , 设计了如图 2 所示的脉冲形成电路 。 该电路由雪崩晶体管脉冲发生器和脉冲整形电路组成 , 能 生成中心频率为 100 M H z 的脉冲信号 。电路分为两部分 : 上半部分产生负极性脉冲 , 下半部分产生正极性脉冲 。 两 部分电路基本对称 , 为了保证正 、负脉冲的同时触发 , 引入 了电位器 R1 ,通过调整 R1 使正负脉冲达到完全同步 。 从 触发端 A 输入的脉冲触发信号通过变压器 T1 、T2 耦合到 晶体管 Q1 、Q2 ,引发晶体管的雪崩击穿 ,通过 C5 、C6 的快速 放电和充电 ,分别在 C 点和D 点产生尖锐的负脉冲和正脉
由于
R
Bx
的作用
,
导
致
|I
o B
|的减小
,会降
低晶体管的击穿电压
VCB max
;而
R
Ex
的作用
,
导致|I
o B
|的增
大 , 会相应提高晶体管的击穿电压 V CBmax 。
利用式(1),可以确定其雪崩区宽度 , 雪崩区的宽度可
由 V CE 的范围即晶体管的 B V CBO 和 B V CEO 之差来确定 。从 式(1)是可以看出 , 当 αM =1 时 ,无论发射极电流 IE 有多 大 , 对应的基极电流 IB 都等于 0 。反过来看 ,在 αM =1 时 , 极小的基极电流 IB 都应对应无穷大的发射极电流 I E 。所 以 , αM =1 对应着晶体管击穿状态 。由此可得 M =1 /α, 结
Design of an ultra-wideband and ultra-short pulse generator
Wu Jianbin1 , 2 T ian M ao2 (1. D epart ment of Inf ormati on Technology , Huazh on g N ormal U niversit y , Wu han 430079 ;
I
o E
= ISexp
VB E +V T VT
(9)
将此结果代入式(2), 结合 M iller 关于雪崩倍增因子
与 V CB关系的经验公式 :
M
=1 -
1
(V CB
/
BV
)n
CBO
(10)
式中 :n 是一个与材料相关的系数 , 一般在2 ～ 6 之间 。由式
(10) 可以得到与之相对应的击穿电压 V CBm ax , 即确定的临 界点 Q 。
当一次雪崩击穿发生后 , 如果 CB 结反向偏压继续增 大 , 由于倍增效应 , 会导致很大的电流发生二次击穿 , 一旦 二次击穿发生 , 强大的集电极电流迅速改变集电结内的电 场分布 , 即使 V CE 下降 , 集电极电流仍然继续上升 , 晶体管 呈现负输出阻抗特性 , 此时 , 仅需很小的电压 V SUS , 仍然能 维持很大的集电极电流 。
式(6)与下式 :
(6)
M IB
VBE =0
(7)
等效 。 将式(5)代入式(7)计算 , 得到临界击穿基极电流 :
I
o B
=-
VT
/Rbi
(I
o B
)(Leabharlann )式中 :Rbi 是晶体管的小信号基极电阻 , Rbi
=
d(RBi I dI B
B
)
=
RBi
+I B
dRBi dI B
。
将式(8)的结果代入到式(4), 得到发射极电流 :
如果有外接电阻 RBx 与 R Bi 串联 , 外接电阻 REx 与发射 极串联 , 则式(4)应表示为 :