一种超宽脉冲发生器的设计.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————一种超宽脉冲发生器的设计[ 日期: 2004-12-7] 来源: 电子技术应用作者: 刘咏华郑继禹仇红冰[ 字体:大中小] 摘要: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 ,上升时间约为 863ps 。关键词: UWB ( Ultra Wideband ) 超宽带雪崩晶体管脉冲发生器目前, 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。 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。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。 UW B 信息调制方式需结合 UW B 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。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 雪崩效应理论当 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。晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点: (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。(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。(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。(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。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)。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: 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