一種基于雙三極管并聯的UWB窄脈沖發生器*

李 宇,路 崇,葉 威,3,譚洪舟,3

(1.廣東藥科大學信息工程學院,廣州 510006;2.中山大學信息科學與技術學院,廣州 510006;3.廣東順德中山大學卡耐基梅隆大學國際聯合研究院,廣東 順德 528300)

一種基于雙三極管并聯的UWB窄脈沖發生器*

李 宇1*,路 崇2,葉 威2,3,譚洪舟2,3

(1.廣東藥科大學信息工程學院,廣州 510006;2.中山大學信息科學與技術學院,廣州 510006;3.廣東順德中山大學卡耐基梅隆大學國際聯合研究院,廣東 順德 528300)

脈沖產生器是IR-UWB通信系統的重要組成模塊之一。提出了一種高可靠性的窄脈沖發生電路。該脈沖產生電路基于并聯的雙射頻三極管所產生的雪崩效應與LC電路阻尼原理,產生一階微分高斯脈沖波形。雙三級管的并聯設計加速了雪崩效應,降低了工作電壓,易于電路實現。當其中單只三極管損壞時,電路仍然可以依靠另一只進行工作。實驗測試結果表明:該電路所產生的脈沖峰峰值約為12.88 V,脈沖寬度約為1.6 ns,可以用于IR-UWB通信系統。

超寬帶;脈沖發生器;一階微分高斯脈沖;雙并聯三極管

脈沖無線電超寬帶通信技術利用所產生的窄脈沖波取代傳統窄帶通信系統中的正弦波,從而實現超寬頻帶寬通信[1]。因其具有GHz級的帶寬,被廣泛應用于短距離高速通信、雷達探測與高精度定位等領域。近年來更被用于腫瘤成像[2]。超寬帶通信系統涉及多項核心技術,其中窄脈沖波形的產生是其具有GHz級帶寬的重要依據。近年來脈沖技術主要朝著高峰值功率、更窄的脈沖寬度和高重復頻率的方向發展。

超寬帶脈沖常用具有高速開關特性的半導體器件來產生,能用來產生納秒或皮秒級脈沖的器件主要有:雪崩三極管,階躍恢復二極管,隧道二極管,光導開關等。其中階躍恢復二極管和隧道二極管能產生脈沖前沿小于50 ps的極窄脈沖,但產生的幅度太低,一般為幾百毫伏,基于火花隙的光導開關能產生幾千伏以上脈沖,但是脈沖重復率低,并且需要幾百伏甚至幾千伏的電壓電源供電,設備體積龐大,不利于小型化設計的要求。超寬帶脈沖的產生由于器件工藝水平的限制,一般采用微波器件的等效開關產生短持續時間的脈沖信號,但造價和體積都不適合具體應用。前蘇聯開始應用二極管PN結的雪崩效應產生陡峭的脈沖信號[3],其生成的脈沖幅度高,并且反偏電壓的提供給應用造成了不小的困難。隨著半導體工藝的發展水平的提高,后續基于晶體管管雪崩效應的改進電路相繼出現。

文獻[4]分析了柵脈沖下AlGaN/GaN HEMT電流崩塌效應,給出了電路與信號頻率之間的關系。文獻[5]采用單個英飛凌BFP45三極管設計了一次微分高斯UWB脈沖發生電路。類似的方法還有文獻[6]的雙三極管并聯。文獻[7]采用Marx 電路提高脈沖的輸出幅度,并優化了電路的穩定性指標。雪崩三極管產生的脈沖性能好,重復頻率高,脈沖幅度可達幾十伏,并且隨著工藝的發展,工作所需的電源電壓也降到較低電平,能夠滿足一般的收發系統的技術要求。文獻[8]在三極管雪崩效應的電路上引入微分網絡來獲得更高的峰峰值。此外階躍恢復二極管特性也可以用于脈沖產生。文獻[9]采樣階躍恢復二極管提出了一種基于SRD、肖特基二極管和微帶短路線的單周期脈沖方法,但其脈沖峰峰值較低。

本文利用雪崩三極管的雪崩效應和LC電路阻尼原理,設計了符合超寬帶通信標準的一階微分高斯脈沖信號產生電路。該脈沖產生器在充電電路中引入電感加速電壓上升,同時在負載端引入電感,無需要額外的微分網絡即可直接產生一階微分高斯脈沖。雙三極管產生的輸出電流在負載電阻上疊加,加快了雪崩效應,從而增加了輸出脈沖的幅度。同時每個晶體管承受的功率將減半便于實現。

1 雙管并聯的脈沖產生電路

電路采用并聯三極管的雪崩效應控制集電極負載端的電容放電來產生納秒級的超寬帶脈沖,并利用LC阻尼振蕩電路原理與脈沖產生間隙相結合,降低電源供電電壓的要求,提高脈沖輸出幅度,不需脈沖整形電路,直接產生負極性近似一階高斯脈沖。電路圖如圖1所示。

圖1 超寬帶脈沖產生電路

電路的工作原理如下:晶體管的輸入端是1個RC的微分電路,對方波輸入信號進行微分,產生1個持續時間很短的尖脈沖信號作為三極管雪崩的觸發信號,使三極管的觸發脈沖沿有一個陡峭的上升沿,從而推動三極管快速進入雪崩狀態,同時大大縮短三極管雪崩導通的時間,保證三極管Qt不會形成過大的基極直流輸入電流而導致三極管物理損壞。

當觸發信號為零,三極管截止。電源通過L1、L3和R1、R4對儲能電容C2和C3充電,由于電感的儲能作用,能使儲能電容的電壓上升到超過電源電壓,從而能儲存更多電量,放電時會在負載上產生更大電流,從而提高輸出脈沖的幅度。電容兩端充電電壓的最大值是處在基極開路集電極-發射極之間雪崩擊穿電壓BVCEO和發射極開路集電極-基極之間雪崩基穿電壓BVCBO之間,使三極管處于臨界雪崩狀態。

當觸發脈沖信號輸入時,2個三極管Q1和Q2同時雪崩,電容C2和C3分別通過三極管Q1和Q2進行對電感L2和負載電阻R3放電,2個電容的放電電流均會流經負載電阻R3,在負載上形成一個負向的脈沖,隨著電容C2和C3的電荷量減少,放電電流由峰值開始減小,由于電感L2維持電流的作用會使負載電阻的R3的電流反向,從而形成一個正向的脈沖,于是在負載上得到一個近似的一階高斯脈沖。同時電感L2會對儲能電容反向充電,當電感L2放電結束后,儲能電容C2、C3兩端對三極管呈現負壓,使三極管截止,放電過程結束,電路不會振蕩。

2 仿真與實驗測試

2.1 電路參數選擇

根據超寬帶信號的定義,超寬帶脈沖信號一般具有20%以上的相對帶寬或500 MHz以上的絕對帶寬。衡量超寬帶信號性能的主要參數有:脈沖幅度、脈沖寬度、脈沖上升時間、下降時間以及脈沖重復頻率。超寬帶脈沖產生電路應選擇的電路參數主要是2個三極管Q1與Q2,儲能電容C2和C3的取值,充電電感L1和L3,集電極電阻R1和R4,負載電感L2和負載電阻R3,偏置電壓V1和V3。

對于雙極型晶體管的選擇,為使脈沖產生電路能安全可靠的工作,需要考慮晶體管在高重復脈沖下工作引起的功耗問題。在脈沖信號的作用下,晶體管的功耗P可以表示為:

(1)

式中:C為儲能電容,V0為輸出脈沖幅度,f為電路的工作頻率。電路工作時,晶體管的功率損耗P應該小于晶體管的功率損耗容限Pmax。同時,雪崩脈沖的前沿時間tr與晶體管的截止頻率fa的關系為:

(2)

由式(2)可以看出晶體管的截止頻率fa越高,管子的開關時間tr越小。例如:要想使tr小于500 ps,截止頻率fa就必須大于600 MHz。

電路的脈沖重復頻率主要由儲能電容的C2和C3的充電回路的時間常數決定,一般取充電電路的時間常數與脈沖重復頻率相近為目標。一般情況下,取電感L1、L3遠大于L2,取集電極電阻R1、R4遠大于負載電阻R3,則在充電回路中可以忽略電感L2和電阻R3的影響。儲能電容一般取值在5 pF左右,集電極電阻一般取幾千歐到幾十千歐,負載電阻一般取50 Ω左右。

電容C2、C4和電阻R2、R5構成微分電路,在輸入信號的1個周期內,微分電容會進行充放電各一次,因此微分電路的時間常數應該小于脈沖發生電路工作周期的一半,微分電阻電容應在滿足此條件下合適取值。

電源電壓VCC應使三極管處在雪崩區。電源電壓主要影響脈沖的幅度,電源電壓越高,產生的脈沖幅度越大。但電源電壓不能太大,要保證三極管工作在安全范圍。

2.2 電路仿真

采用Cadence 16.5中集成的Pspice A/D對上述設計電路進行原理仿真和參數優化。選取頻率為50 MHz,占空比為50%,高電平為3.3 V,低電平為0 V的的方波信號作為輸入信號。元件參數選取如下:C1=C4=10 pF,R2=R5=100 Ω,L1=L3=10 μH,R1=R4=680 MΩ,C2=C3=5.1 pF,R3=51 Ω,L2=16 nH,VCC=12 V。三極管采用的是Infineo公司的BFP450。

對電路進行仿真得到的輸出脈沖如圖2所示波形,脈沖峰約值為23.77 V,脈沖峰谷寬度約為548 ps。從圖2可以看出所得的脈沖有完整的波谷和波峰。

圖2 電路仿真波形

2.3 電路板測試

為了減少干擾,實際制作的電路將超寬帶脈沖產生電路與提供輸入信號的FPGA芯片做在了一塊板上,并且對脈沖產生電路加入了電源濾波電路。輸入信號是由FPGA產生的頻率為10 MHz,高電平為3.3 V,低電平為0 V的方波信號,最終制作的電路實物如圖3所示。使用Agilent示波器DSO90804A測試電路輸出的連續高斯一階微分脈沖波形如圖4所示。圖中單周期脈沖的峰值為12.88 V,脈沖寬度約為1.6 ns。

圖3 電路板實物圖

圖4 電路板輸出脈沖實測波形

實測信號的波形較仿真圖形相比,基本實現了仿真效果,但是脈沖后有小幅度的拖尾效應,并且脈沖峰峰值幅度也比仿真波形小了10.89 V,但已滿足對如超寬帶定位、探測等使用場景。一方面由于仿真的元器件參數與實際電路的元器件參數有差異,并且仿真時也沒考慮元器件間連接的阻抗匹配問題和電路的分布參數問題。因此,后續工作主要擬選用精度較高的貼片元件并且布局盡可能緊湊。

由表1可以看出,基于階躍恢復二極管的窄脈沖產生技術具有脈沖寬度窄的優點,但是產生的脈沖幅度很低,而基于雪崩三極管的電路能產生幅度較大的脈沖,但脈沖寬度要相對大一些。此外,采用雙管的并聯的方式產生的脈沖幅度要比單管要大。與同為雙管設計的文獻[6]方法比對,本文脈沖寬度大了0.98 ns,脈沖峰峰值相當,但所需要的電壓少了8 V,有利于器件的集成。

表1 性能指標比較

3 結論

本文利用雙極型晶體管的雪崩特性設計了具有雙管并聯結構的超寬帶窄脈沖發生器。對其工作原理和電路設計進行了分析和仿真,并制作了超寬帶窄脈沖發生器電路板,測試與仿真表明所設計的脈沖產生電路可以輸出符合超寬帶通信要求的近似一階微分高斯脈沖,并且降低了工作電壓,更適用于IC設計,具有很好的實用性。

[1] Ghavami M,Michael L,Kohno B R. Chapter 2. Generation of UWB Waveforms[M]//Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering,2nd ed. John Wiley and Sons,Ltd,2007:25-41.

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[5] 崔意奇,曾以成,黃妮. 一次微分高斯UWB脈沖發生器設計[J]. 半導體技術,2008,33(6):546-549.

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An UWB Narrow-Pulse Generator Based on Dual Parallel Triodes*

LIYu1*,LUChong2,YEWei2,3,TANHongzhou2,3

(1.School of Information Engineering,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510006,China;(2.School of Information Science and Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510006,China;3.SYSU-CMU Shunde International Joint Research Institute,Shunde Guangdong 528300,China)

The pulse generator plays a fundamental role in the Impulse Radio Ultra-wideband(IR-UWB)communication system. A narrow pulse generator with a high reliability for UWB is proposed,which is based on the avalanche effect of dual parallel triodes and the active damping of LC resonance. The first-derivative Gauss pulses are produced. The coupling of triodes leads to an acceleration on the avalanche effect and lowers the required supply voltage,while the implementation is simplified. Even one of the double triodes gets damaged,the other one is able to accomplish the pulse generation. The simulation and experimental results show that the produced pulse of this generator reaches a peak-to-peak voltage at 12.88 V and the pulse width is 1.6 ns. Finally the proposed circuit is proved to collaborate with the IR-UWB communication system.

UWB;pulse generator;first-derivative Gauss pulse;dual parallel triodes

項目來源:國家自然科學基金項目(61473322,81570904)

2016-03-28 修改日期:2016-05-24

C:1260

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.014

TN782

A

1005-9490(2017)02-0333-04