一种超宽脉冲发生器的设计

当负载很陡时,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而饱和区,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雪骨击穿,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,又出于电容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。这人电压经过电容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雪崩电压：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。

表1 实验结果

当电容C值小于3皮法时,由于其他寄存参数的影响,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,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,导致温度过度而烧坏。