一種矩形脈沖信號沿控制電路設計

鄧倫兵，謝 華，付在明

（電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731）

1 引 言

隨著高速脈沖技術在時域計量學、時域特征分析、各種高速數字通信系統等領域的廣泛應用，對矩形脈沖波形的形狀越來越重視。描述矩形脈沖波形的主要參數包括重復頻率、占空比、上升沿時間、下降沿時間、幅度、過沖等[1]。其上升時間和下降時間是非常重要的參數，當脈沖信號上升/下降時間較長時，信號帶寬主要由重復頻率和有限次諧波決定，當脈沖邊沿比較陡峭時，信號帶寬主要由脈沖信號邊沿陡峭程度決定，也就是上升/下降沿時間大小。

該文介紹了一種基于高速開關、精密可控恒流產生源和恒流吸收源，通過控制電容網絡的充/放電電流，實現對矩形脈沖信號上升/下降時間在大范圍連續可控精密調整的電路設計。

2 基本原理

脈沖信號是指持續時間較短，按特定規律變化的電壓或電流，矩形脈沖波形可以看成由狀態持續和狀態轉換兩部分組成[2]。狀態持續反映了脈沖信號的高、低電平兩種狀態，表現出明顯的開關特性。狀態轉換包括高、低電平兩種狀態間的兩種轉換過程，反映為脈沖信號上升時間和下降時間。對于脈沖電路，信號的上升/下降時間體現了電路對階躍信號的響應時間[3]，這主要取決于電路容性負載的大小，容性負載越大，響應越慢，容性負載越小，響應越快。

電容是一種儲能元件，其壓降不可躍變，壓降變化快慢取決于對電容充電的電流大小。在脈沖電路中，電容壓降的變化時間對應于脈沖信號上升/下降時間。該設計通過增加電路的電容負載，增大上升/下降時間，將脈沖信號沿調慢。

電容電壓與電流之間存在以下關系：

電流保持恒定為I，則可得到關系式：

那么電容電壓的變化時間與電容充/放電電流有以下關系：

利用電容這一特性，設計線性可控的恒流源，對電容提供穩定的充/放電電流，就可以實現對脈沖信號上升/下降沿的控制。

利用增加容性負載的方式調整脈沖信號上升/下降沿時間，信號對容性負載就特別敏感，電路設計中首先要解決信號調理前后級電路的隔離問題。利用脈沖信號的開關特性，二極管常用于脈沖電路中的信號隔離，但由于二極管的存儲效應[4]，當脈沖信號由高電平轉換為低電平時，因為二極管存在很大的反向電流，并不立即關斷。甚至當脈沖信號低電平持續時間小于二極管反向恢復時間時，二極管將失去開關作用[4]。

選用特性一致的二極管，搭建二極管橋，根據電橋平衡原理[5-7]，以脈沖信號為驅動信號，改變電橋平衡狀態，必然使得二極管橋相鄰橋臂交替導通/截止，對稱橋臂同時導通/截止。利用二極管橋設計開關電路由相鄰二極管的交替導通控制脈沖信號兩狀態間的轉換，從而避免由單個二極管導通/截止狀態控制脈沖信號高/低狀態轉換時二極管不能立即關斷的缺陷，具有良好的開關作用。

3 沿控制電路設計

3.1 總體設計

圖1給出了沿控制電路原理框圖，電路由緩沖電路、高速開關、調沿電容網絡、輸出隔離電路、恒流產生源電路、恒流吸收源電路組成。

圖1 沿控制電路原理框圖

3.2 緩沖/隔離電路設計

在高頻電路中，必須考慮阻抗匹配[8]問題。如果傳輸線的特征阻抗跟負載阻抗不匹配，信號將在負載端產生反射，在傳輸線上形成駐波[8]。

沿控制電路中存在大量容性負載，與前后端電路不加隔離必然存在阻抗匹配問題。緩沖/隔離電路實際就是阻抗變換器，起到阻抗匹配的作用。高速運放具有很大輸入阻抗和很小輸出阻抗，這就可以通過在輸入端并聯電阻，輸出端串聯電阻，使得前后級電路都達到阻抗匹配。

由于放大器的帶寬隨著增益的增大而減小，所以在放大器選擇時，帶寬和壓擺率是主要的考慮指標。

3.3 高速開關

高速開關由二極管橋式電路實現，電路示意圖如圖2所示。根據電橋平衡原理，當a點有任何細小變化，b點將迅速的發生相同變化，以使得二極管橋平衡。

圖2 高速開關電路示意圖

工作原理如圖2所示，電橋電路中d點為恒流產生源電流I1輸入點。c點為恒流吸收源電流I2輸入點。無脈沖信號輸入時電橋處于平衡狀態，a、b兩點電壓相同。

當a點輸入脈沖低電平時：D1搶先導通，D3截止，電橋的平衡特性使得D4導通，D2截止。I1全部通過D1流入前級緩沖電路，即圖2所示的電流ID1，I2全部由流經D4的后級電容網絡的放電電流提供，如圖2所示ID4。這樣在D4的導通周期內完成對輸出脈沖下降沿及低電平控制。

當a點輸入脈沖信號高電平時：D3搶先導通，D1截止。D2導通，D4截止。I2為流經D3的緩沖級電路輸出電流，如圖2所示中的ID3。I1則全部流經D2形成對電容網絡的充電電流，如圖2所示中的ID2。這樣在D2導通周期內完成輸出脈沖信號上升沿和高電平的控制。

利用D2、D4的交替導通，使得脈沖信號高低電平控制都由二極管的導通狀態來實現。避免了單個二極管控制時由高電平到低電平轉換時二極管不能立即關斷的缺陷。

3.4 沿控制電容網絡

設計中采用增加電路容性負載的方法，增大矩形脈沖信號上升/下降沿時間，由式（3）可以知道，對時間有兩個可控變量：電容值和充/放電電流。設計要求在800 ps～1 μs范圍內上升/下降沿時間可控，考慮到時間區間太大，用單一電容實現對恒流源要求太高，難以實現。設計采取了對時間分區間實現的方法，由不同電容值在各時間區間進行粗調。時間區間確定為 800 ps～25 ns，20～250 ns，200 ns～1 μs，對應電容值確定為 10 pF、200 pF 和 1.5 nF。控制恒流源充/放電電流，在時間區間內進行細調。由式（3）知在同一時間區間內，時間t與電流I成反比例關系。

為使各檔電容相互影響最小，必須保證電容與沿控制電路有良好的斷開機制。繼電器和三極管是兩種常用的控制開關，考慮到繼電器即使在關斷狀態下漏電流也很大，電路中采用三極管做控制開關。圖3給出了沿控制電路電容網絡的示意圖。

圖3 沿控制電容網絡電路示意圖

如圖 3 所示，合理選擇 C1、C2、C3，由控制信號CRT1、CRT2、CRT3控制三極管的導通和截止，選擇接入電路的電容，實現時間分區選擇。通過控制恒流源電流對電容充/放電電流，實現在時間區間內對上升/下降沿時間進行細調。

3.5 恒流源電路

利用電容的電荷存儲特性設計的沿控制電路，對電容的充/放電電流是一個重要的控制量，它的精度、穩定性對輸出信號有重要影響。

恒流源采用的是電流串聯負反饋結構設計[4]。數模轉換器對恒流吸收源產生-5～0V直流電壓，對恒流產生源產生0～+5V直流電壓，經過級聯的電流串聯負反饋電流源作用，產生0～42mA恒定電流。

4 實驗結果及分析

根據上述原理設計電路板進行實驗驗證，測試過程中，用Tektronix DPO7104數字示波器進行測試，電路輸出經過SMA和同軸電纜與示波器相連，示波器輸入阻抗設置為50Ω。表1給出輸入信號為10MHz時輸出信號的測試結果。

表1 10MHz輸入信號輸出信號測試結果

圖4為1MHz輸入信號輸出測試波形圖。其中圖4（a）為輸入信號波形，輸入信號上升時間711ps，下降時間839ps。圖4（b）為上升時間32.48ns，下降時間26.36 ns輸出波形。圖4（c）為上升時間54.66 ns，下降時間32.48ns輸出波形。

對以上1 MHz的測試波形分析，圖4（b）中tr1=32.48ns，圖 4（c）中 tr2＝54.66ns，則：

由理論計算公式：

這個數據與根據圖 4（b）、圖 4（c）所示實際測試數據的計算結果22.18ns很接近。

從以上實驗結果來看，實驗值和理論計算值非常相近。但是還存在一些差異，這主要由于二極管特性不完全一致，電路設計中不可避免的存在寄生電容、運放等器件輸入電容，恒流源穩定性、精度等眾多因素影響。

5 結束語

該文介紹了一種基于高速開關和可控恒流源設計的矩形脈沖信號沿控制電路，并實現了輸出矩形脈沖信號上升/下降時間在800 ps～1 μs范圍內可控調整。但輸出信號存在上升/下降時間不相等、沿線性度不好等問題，這些都將是進一步研究需要解決的問題。隨著對矩形脈沖信號沿越來越重視，能夠實現沿控制的電路結構將越來越有實用價值，在通訊系統、高速系統與低速系統的匹配中將有較好應用前景。

[1] 郭允晟，蘇秉煒，方偉喬，等.脈沖參數與時域測量技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 付在明，師奕兵.一種可控高速脈沖波形合成技術研究[J].儀器儀表學報，2007，28（5）：934-935.

[3] 何小艇.高速脈沖技術[M].杭州：浙江大學出版社，1990.

[4] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1997.

[5] 張 淼，馬 光.測試技術[M].北京：電子工業出版社，2004.

[6] 張嘉明，王厚軍，付在明.一種對高速脈沖邊沿整形、調整的設計方案[J].電子測量技術，2007，30（7）：175-177.

[7] 張 淼，馬 光，申桂花，等.測試技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[8] Ludwig R，Bretchko P.射頻電路設計理論與應用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[9] Uhmeyer U A，Libby J C.A fast variable transistion time pulse generating circuit [C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference，1992.