超宽带脉冲产生典型器件及基本电路

孙建中　赵　希

摘要：脉冲产生方式是超宽带技术研究重点之一，其脉冲生成电路各有不相同，但可归结为几类典型器件及基本电路，本文较为详细和系统的介绍了这几类常用的超宽带脉冲产生器件及电路，给出了它们的优缺点，对存在的问题进行了研究，为设计超宽带脉冲产生电路提供了有益的经验。

关键词：超宽带（UWB） 脉冲 电路

引言

超宽带技术因其具有低功耗、高穿透性、高分辩率及系统结构紧凑等特点受到了人们的关注，对超宽带信号产生、传播及接收的研究人们都投入了很大的热情，目前提出的超宽带脉冲产生方式主要分为两大类：一类为利用快速开关电路产生窄脉冲，另一类为利用波形合成技术得到窄脉冲。

一、阶跃恢复二级管脉冲产生电路

阶跃恢复二极管[1]（SRD，Step Recovery Diode）是电荷存储二极管的一种形式，简称阶跃管。它的主要特点是：当加上正向电压时，阶跃管和普通的PN结二极管一样，即正向导通；但当外加电压由正向变为反向后，阶跃管并不马上截止，而是有很大的反向电流流通，直到贮存的电荷接近耗完时，反向电流迅速减小，并立即恢复到正常的反向截止状态，于是形成了“阶跃”。（图一）画出了阶跃管与检波管的电流波形图以供比较。由图可见，对于阶跃管来说，在负半周的某一时刻产生了电流的跳变，因此就有可能在外电路中形成一个很窄的脉冲，从而可利用阶跃管构成脉冲发生器。

一种利用阶跃管的脉冲发生器电路如（图二），图中，VG是频率为f1的输入信号源；V0是偏置电压；L为激励电感；RL为脉冲发生器负载。它的工作过程为：

当电流i正向流通时，阶跃管相当于短路。（令其两端电压v =Φ）当电流i反向流通时，阶跃管上贮存的电荷开始返回，这时v =Φ。但当贮存电荷放电完毕时，电流将突然下降，二极管处于欲断流状态，阶跃管相当于一个小电容，激励电感 上将产生一个反向感应电压以阻止电流的减小。电流减小得越快，这一感应电压脉冲幅度越大。这时在二极管和负载上出现一个反向高压脉冲。此后，二极管电流又恢复到正向流通状态，二极管上的电压回到Φ值。这样，随着输入信号的周期变化，在负载上将出现重复周期为T1=1/f1、脉冲宽度为二极管阶跃时间tp的脉冲串，其波形在（图二）中已绘出。

利用阶跃管产生窄脉冲时，输入正弦波的周期应大于阶跃恢复二极管的存贮时间，但不能太大，否则二极管内存贮的少数载流子能跟上输入电压的变化， 即当输入电压由正变负时，二极管立即截止，这时输出为只有正半周的正弦波，而不是脉冲，另外，要求信号源能输出足够大的电流，以使二极管有足够多的少数载流子存贮和及时驱散。采用阶跃管电路可以得到较为陡峭的脉冲沿（10ps 量级） ，脉冲宽度也能做到很窄（100ps 量级），但由于器件性能的限制，脉冲输出幅值较小（一般较大时可做到几伏量级） ，该电路常用于倍频电路或微功率脉冲雷达（MIR）电路。

二、隧道二级管脉冲产生电路

半导体PN结耗尽层（空间电荷区、阻挡层）的宽度和半导体材料的掺杂浓度有关。低掺杂材料的耗尽层宽，高掺杂材料的耗尽层窄。在由高掺杂材料形成的PN结中，耗尽层十分窄，它对电子的流动并不构成很大的障碍。因此，一个小的正向或反向偏置（没有大到足够克服势垒）就能使载流子具有足够的能量可以通过耗尽层。当发生这种情形时叫作载流子穿透势垒的隧道效应[1]。

（图三）给出了隧道二极管脉冲产生电路的原理图。图中+E、R1和R2决定隧道二极管的工作状态。它可以是自激多谐状态，或单稳、双稳触发状态。当把它用作快沿窄脉冲整形电路时，多数是工作在单稳触发状态。如（图四—(a)）所示，这时，隧道二极管的稳态工作点处于其特性曲线和负载线的交点，稳态工作电流为IQ。当有输入信号时，隧道二极管的工作电流增大，且达到或超过峰值电流IP时，隧道二极管的特性决定了它存在电压突跳，从VP跳到VF ，这就形成了快速前沿。如果这时保持电流IP不变，就能出现VF不变的状态，也就产生了脉冲的平顶部分。一旦输入信号消失，IP也就不能保持，电流逐渐下降。当电流下降到谷值IV时，电压也就随着下降到VV ，这也是不稳定点，又会产生电压突跳，从VV跳到VA，形成脉冲的下降沿。然后隧道二极管的直流工作状态又使电流回升到IQ，等待下一个触发信号的到来。

隧道二极管脉冲产生电路具有温度灵敏度低、反应速度快、功率需要小和噪声低等优点，但其有输出脉冲电压低，输入、输出间隔离不充分的缺点；在雪崩管出现以前常用隧道二极管电路来产生窄脉冲，当雪崩管出现以后此电路已出现被雪崩管脉冲产生电路取代之势。现在一些振荡电路及谐振放大电路中仍在使用隧道二极管。

三、雪崩三极管脉冲产生电路

如果在晶体管的收集结空间电荷区加上比正常运用大许多倍的电场强度．收集结的载流子被强电场所加速，从而获得很大的能量。这些被加速的载流子与晶格发生碰撞便产生了新的电子一一空穴对．这些新的电子—一空穴对又分别为强电场所加速，重复上述过程。于是，流过收集结的电流便象“雪崩”一样迅速增长，这被称之为晶体管的雪崩效应，具有明显的雪崩效应的晶体管称之为雪崩晶体管。晶体管在雪崩区的运用具有如下主要特点[1]：

(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)由于雪崩运用时的基区宽度远小于一般工作时的基区宽度，这使得载流子渡越基区的时间迅速减小，于是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，输出脉冲与雪崩电容和负载电阻有关。

设雪崩效应后的晶体管的共基极电流增益为α* ，则有：

α*=Mα

M为雪崩倍增因子，?琢*为雪崩前晶体管的共基极电流增益。倍增因子M通常可用下式求得：

M=1/[1-(Uc/BUcBo)n]

式中Uc是外加电压．BUcBo是发射极开路时集电极一基极反向击穿电压，n是与晶体管材料有关的密勒指数，通常硅材料为 3—4。

晶体管正常运用时的共发射极电流增益为β=α/(1-α) 。在集电结空间电荷区的雪崩倍增情况下，共发射极电流增益用β*来表示[2] ：

β*=α*/(1-α*)=Mα/(1-Mα)

如（图五）所示，当Uce1，这对应于刚刚出现雪崩效应的情况。当Uce电压继续增加，并且基极接有电阻或加有反向偏压时，其将雪崩击穿并表现出负阻特性。Us、BUcBo所限定的电压范围称为雪崩工作区。

雪崩晶体管基本工作电路图如（图六）所示：

利用雪崩晶体管脉冲产生电路可以获得比较陡峭的脉冲沿，选择适当功率的雪崩管，可得到幅值为数十伏量级而脉冲宽度低于 1ns 的窄脉冲,在应用中还可通过晶体管级联方式得到上千伏的输出脉冲幅值。此电路常用于较大功率的脉冲产生电路，如超宽带雷达技术，较远距离的超宽带通信技术等。 ◆

参考文献：

[1]杨荫彪等 特种半导体及其应用 电子工业出版社,1991

[2] 于东海采用雪崩晶体管产生窄脉冲 无线电工程1996年第26卷第2期

[3]王毓银 脉冲与数字电路高等教育出版社,1995

作者简介：孙建中，男，1977年出生，吉林省长春市人，中国人民解放军装甲兵技术学院讲师，主要研究方向为嵌入式系统。