晶體管驅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域，隨著國內外元器件的快速發展，窄脈沖源的實現方法很多。早期主要有利用火花隙產生的窄脈沖及利用雪崩管的“雪崩”效應產生的窄脈沖［1］。當前產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）與場效應管、肖特基二極管或是與PIN管組合構成的電路［2］。利用火花隙及雪崩管的“雪崩”效應的窄脈沖源，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管、肖特基二極管或是與PIN管組合構成的電路實現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動下實現工作于低電壓的大幅度納秒級窄脈沖源的方法。

1 傳統階躍管產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，實現納秒級極窄脈沖信號，該方法是當前用階躍管實現窄脈沖的傳統方法。階躍管實現窄脈沖的原理如圖1所示。

圖1 階躍管產生窄脈沖原理框圖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，處于正向導通狀態，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計，輸出窄脈沖信號。

1.2 常見階躍管產生窄脈沖電路

目前利用階躍管產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，產生一持續時間極短的快脈沖。該電路具有電路簡單、成本低等優點，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用場合，該電路具有一定優勢。

圖3 帶電壓偏置窄脈沖產生電路圖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，經反復調試后，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生器的輸出脈沖幅度。但該電路在調試上存在一定難度。因此該電路僅適合于原理性驗證，一般不在工程上使用。

2 晶體管驅動階躍管產生窄脈沖方法

上述兩種用階躍管產生窄脈沖的傳統方法，主要存在以下缺點：

1）易受器件參數散差的影響，調試難度大；

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動下實現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”，并結合晶體管的驅動，對階躍管的激勵信號進行了改進設計，原理框圖如圖4所示，由方波激勵源、晶體管驅動電路、階躍輸出電路及微分電路組成。

要產生大幅度窄脈沖，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，使其工作在截止區與飽和區之間轉換，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 階躍管驅動改進后窄脈沖產生原理框圖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與飽和區之間轉換，選擇占空比可調的方波信號作為激勵源，經波形變換和晶體管驅動，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 晶體管驅動階躍管產生窄脈沖電路圖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）激勵源為容易實現的方波信號；

2）外圍電路簡單，工程上易實現，調試容易；

3）輸出脈沖幅度、脈寬及形式均可調。

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模型參數進行晶體管驅動階躍管產生窄脈沖電路的仿真。基本參數：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生電路可行，且通過適當調整L1、L2，可以輸出不同形式的窄脈沖。

4 實物測試

根據仿真數據，對實物進行了調試及測試，實物如圖8所示。經實物調試后，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，經調試驗證，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、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 信號發生器實物照片Fig.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 結論

本文提出一種采用階躍恢復二極管在雙極型晶體管驅動下實現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動共同實現了窄脈沖的產生。電路主要由晶體管驅動、階躍輸出、微分整形等單元電路構成。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、易調、脈沖形式可調、結構簡單、體積小、易于集成、對PCB工藝要求不高等優點，適用于超寬帶系統中窄脈沖的產生。研究還發現，其對提高超寬帶沖激引信的探測距離起到了關鍵作用。

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