📄 ——一种超宽脉冲发生器的设计.htm
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<TD align=middle height=31><FONT size=4><B>一种超宽脉冲发生器的设计
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<TD align=middle height=15>文章作者：刘咏华 郑继禹 仇红冰<BR>文章类型：设计应用
文章加入时间：2003年12月19日1:43</TD></TR>
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<TD align=right><FONT color=#cc0000>文章出处：电子技术应用</FONT> </TD></TR>
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<P class=MsoNormal><SPAN
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<B>摘要：</B></SPAN>超宽带UWB是一种利用纳秒级窄脉冲发送信息的技术。重点讨论了一种采用级联雪崩晶体管结构UWB极窄脉冲发生器，并对其电路及雪崩晶体管的工作原理进行了具体分析。实验获得的UWB输出脉冲宽度约为1.22ns，上升时间约为863ps。</P>
<P class=MsoNormal style="TEXT-INDENT: 30px"><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<B>关键词：</B></SPAN>UWB（Ultra Wideband） 超宽带 雪崩晶体管 脉冲发生器</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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。<IMG
height=542 hspace=1 src="——一种超宽脉冲发生器的设计.files/20a.gif" width=424
align=right vspace=1 border=0></P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>1 雪崩效应理论</B></P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">当NPN型晶体管的集电极电压很高时，收集结空间电荷区内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-空穴时，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便“雪崩”式迅速增长，这就是晶体管的雪崩倍增效应。<IMG
height=392 hspace=1 src="——一种超宽脉冲发生器的设计.files/20e.gif" width=359
align=right vspace=1 border=0></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点：</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">（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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（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。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（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，输出脉冲与雪崩和负载电阻有关。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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，现结合原理图形示电路（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）。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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：</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px"><IMG height=146
src="——一种超宽脉冲发生器的设计.files/20b.gif" width=356 border=0></P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">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-射极电压，Vcc为电路直接偏置电压。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">从（1）式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为：</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px"><IMG height=66
src="——一种超宽脉冲发生器的设计.files/20c.gif" width=485 border=0></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">在具体的雪崩管电路中，Rc为几千欧（本实验中取为6.8k<FONT
face=Arial>Ω</FONT>）,而R则为几十欧（本实验中取为51<FONT
face=Arial>Ω</FONT>），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：</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px"><IMG height=78
src="——一种超宽脉冲发生器的设计.files/20d.gif" width=424 border=0></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">因为0～tA这段雪崩时间很短，因此可以略去，即得</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">i=1/R[uc(0)-Vce]
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