一种基于双三极管并联的UWB窄脉冲发生器*

李 宇,路 崇,叶 威,3,谭洪舟,3

(1.广东药科大学信息工程学院,广州 510006;2.中山大学信息科学与技术学院,广州 510006;3.广东顺德中山大学卡耐基梅隆大学国际联合研究院,广东 顺德 528300)

一种基于双三极管并联的UWB窄脉冲发生器*

李 宇1*,路 崇2,叶 威2,3,谭洪舟2,3

(1.广东药科大学信息工程学院,广州 510006;2.中山大学信息科学与技术学院,广州 510006;3.广东顺德中山大学卡耐基梅隆大学国际联合研究院,广东 顺德 528300)

脉冲产生器是IR-UWB通信系统的重要组成模块之一。提出了一种高可靠性的窄脉冲发生电路。该脉冲产生电路基于并联的双射频三极管所产生的雪崩效应与LC电路阻尼原理,产生一阶微分高斯脉冲波形。双三级管的并联设计加速了雪崩效应,降低了工作电压,易于电路实现。当其中单只三极管损坏时,电路仍然可以依靠另一只进行工作。实验测试结果表明:该电路所产生的脉冲峰峰值约为12.88 V,脉冲宽度约为1.6 ns,可以用于IR-UWB通信系统。

超宽带;脉冲发生器;一阶微分高斯脉冲;双并联三极管

脉冲无线电超宽带通信技术利用所产生的窄脉冲波取代传统窄带通信系统中的正弦波,从而实现超宽频带宽通信[1]。因其具有GHz级的带宽,被广泛应用于短距离高速通信、雷达探测与高精度定位等领域。近年来更被用于肿瘤成像[2]。超宽带通信系统涉及多项核心技术,其中窄脉冲波形的产生是其具有GHz级带宽的重要依据。近年来脉冲技术主要朝着高峰值功率、更窄的脉冲宽度和高重复频率的方向发展。

超宽带脉冲常用具有高速开关特性的半导体器件来产生,能用来产生纳秒或皮秒级脉冲的器件主要有:雪崩三极管,阶跃恢复二极管,隧道二极管,光导开关等。其中阶跃恢复二极管和隧道二极管能产生脉冲前沿小于50 ps的极窄脉冲,但产生的幅度太低,一般为几百毫伏,基于火花隙的光导开关能产生几千伏以上脉冲,但是脉冲重复率低,并且需要几百伏甚至几千伏的电压电源供电,设备体积庞大,不利于小型化设计的要求。超宽带脉冲的产生由于器件工艺水平的限制,一般采用微波器件的等效开关产生短持续时间的脉冲信号,但造价和体积都不适合具体应用。前苏联开始应用二极管PN结的雪崩效应产生陡峭的脉冲信号[3],其生成的脉冲幅度高,并且反偏电压的提供给应用造成了不小的困难。随着半导体工艺的发展水平的提高,后续基于晶体管管雪崩效应的改进电路相继出现。

文献[4]分析了栅脉冲下AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应,给出了电路与信号频率之间的关系。文献[5]采用单个英飞凌BFP45三极管设计了一次微分高斯UWB脉冲发生电路。类似的方法还有文献[6]的双三极管并联。文献[7]采用Marx 电路提高脉冲的输出幅度,并优化了电路的稳定性指标。雪崩三极管产生的脉冲性能好,重复频率高,脉冲幅度可达几十伏,并且随着工艺的发展,工作所需的电源电压也降到较低电平,能够满足一般的收发系统的技术要求。文献[8]在三极管雪崩效应的电路上引入微分网络来获得更高的峰峰值。此外阶跃恢复二极管特性也可以用于脉冲产生。文献[9]采样阶跃恢复二极管提出了一种基于SRD、肖特基二极管和微带短路线的单周期脉冲方法,但其脉冲峰峰值较低。

本文利用雪崩三极管的雪崩效应和LC电路阻尼原理,设计了符合超宽带通信标准的一阶微分高斯脉冲信号产生电路。该脉冲产生器在充电电路中引入电感加速电压上升,同时在负载端引入电感,无需要额外的微分网络即可直接产生一阶微分高斯脉冲。双三极管产生的输出电流在负载电阻上叠加,加快了雪崩效应,从而增加了输出脉冲的幅度。同时每个晶体管承受的功率将减半便于实现。

1 双管并联的脉冲产生电路

电路采用并联三极管的雪崩效应控制集电极负载端的电容放电来产生纳秒级的超宽带脉冲,并利用LC阻尼振荡电路原理与脉冲产生间隙相结合,降低电源供电电压的要求,提高脉冲输出幅度,不需脉冲整形电路,直接产生负极性近似一阶高斯脉冲。电路图如图1所示。

图1 超宽带脉冲产生电路

电路的工作原理如下:晶体管的输入端是1个RC的微分电路,对方波输入信号进行微分,产生1个持续时间很短的尖脉冲信号作为三极管雪崩的触发信号,使三极管的触发脉冲沿有一个陡峭的上升沿,从而推动三极管快速进入雪崩状态,同时大大缩短三极管雪崩导通的时间,保证三极管Qt不会形成过大的基极直流输入电流而导致三极管物理损坏。

当触发信号为零,三极管截止。电源通过L1、L3和R1、R4对储能电容C2和C3充电,由于电感的储能作用,能使储能电容的电压上升到超过电源电压,从而能储存更多电量,放电时会在负载上产生更大电流,从而提高输出脉冲的幅度。电容两端充电电压的最大值是处在基极开路集电极-发射极之间雪崩击穿电压BVCEO和发射极开路集电极-基极之间雪崩基穿电压BVCBO之间,使三极管处于临界雪崩状态。

当触发脉冲信号输入时,2个三极管Q1和Q2同时雪崩,电容C2和C3分别通过三极管Q1和Q2进行对电感L2和负载电阻R3放电,2个电容的放电电流均会流经负载电阻R3,在负载上形成一个负向的脉冲,随着电容C2和C3的电荷量减少,放电电流由峰值开始减小,由于电感L2维持电流的作用会使负载电阻的R3的电流反向,从而形成一个正向的脉冲,于是在负载上得到一个近似的一阶高斯脉冲。同时电感L2会对储能电容反向充电,当电感L2放电结束后,储能电容C2、C3两端对三极管呈现负压,使三极管截止,放电过程结束,电路不会振荡。

2 仿真与实验测试

2.1 电路参数选择

根据超宽带信号的定义,超宽带脉冲信号一般具有20%以上的相对带宽或500 MHz以上的绝对带宽。衡量超宽带信号性能的主要参数有:脉冲幅度、脉冲宽度、脉冲上升时间、下降时间以及脉冲重复频率。超宽带脉冲产生电路应选择的电路参数主要是2个三极管Q1与Q2,储能电容C2和C3的取值,充电电感L1和L3,集电极电阻R1和R4,负载电感L2和负载电阻R3,偏置电压V1和V3。

对于双极型晶体管的选择,为使脉冲产生电路能安全可靠的工作,需要考虑晶体管在高重复脉冲下工作引起的功耗问题。在脉冲信号的作用下,晶体管的功耗P可以表示为:

(1)

式中:C为储能电容,V0为输出脉冲幅度,f为电路的工作频率。电路工作时,晶体管的功率损耗P应该小于晶体管的功率损耗容限Pmax。同时,雪崩脉冲的前沿时间tr与晶体管的截止频率fa的关系为:

(2)

由式(2)可以看出晶体管的截止频率fa越高,管子的开关时间tr越小。例如:要想使tr小于500 ps,截止频率fa就必须大于600 MHz。

电路的脉冲重复频率主要由储能电容的C2和C3的充电回路的时间常数决定,一般取充电电路的时间常数与脉冲重复频率相近为目标。一般情况下,取电感L1、L3远大于L2,取集电极电阻R1、R4远大于负载电阻R3,则在充电回路中可以忽略电感L2和电阻R3的影响。储能电容一般取值在5 pF左右,集电极电阻一般取几千欧到几十千欧,负载电阻一般取50 Ω左右。

电容C2、C4和电阻R2、R5构成微分电路,在输入信号的1个周期内,微分电容会进行充放电各一次,因此微分电路的时间常数应该小于脉冲发生电路工作周期的一半,微分电阻电容应在满足此条件下合适取值。

电源电压VCC应使三极管处在雪崩区。电源电压主要影响脉冲的幅度,电源电压越高,产生的脉冲幅度越大。但电源电压不能太大,要保证三极管工作在安全范围。

2.2 电路仿真

采用Cadence 16.5中集成的Pspice A/D对上述设计电路进行原理仿真和参数优化。选取频率为50 MHz,占空比为50%,高电平为3.3 V,低电平为0 V的的方波信号作为输入信号。元件参数选取如下: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。三极管采用的是Infineo公司的BFP450。

对电路进行仿真得到的输出脉冲如图2所示波形,脉冲峰约值为23.77 V,脉冲峰谷宽度约为548 ps。从图2可以看出所得的脉冲有完整的波谷和波峰。

图2 电路仿真波形

2.3 电路板测试

为了减少干扰,实际制作的电路将超宽带脉冲产生电路与提供输入信号的FPGA芯片做在了一块板上,并且对脉冲产生电路加入了电源滤波电路。输入信号是由FPGA产生的频率为10 MHz,高电平为3.3 V,低电平为0 V的方波信号,最终制作的电路实物如图3所示。使用Agilent示波器DSO90804A测试电路输出的连续高斯一阶微分脉冲波形如图4所示。图中单周期脉冲的峰值为12.88 V,脉冲宽度约为1.6 ns。

图3 电路板实物图

图4 电路板输出脉冲实测波形

实测信号的波形较仿真图形相比,基本实现了仿真效果,但是脉冲后有小幅度的拖尾效应,并且脉冲峰峰值幅度也比仿真波形小了10.89 V,但已满足对如超宽带定位、探测等使用场景。一方面由于仿真的元器件参数与实际电路的元器件参数有差异,并且仿真时也没考虑元器件间连接的阻抗匹配问题和电路的分布参数问题。因此,后续工作主要拟选用精度较高的贴片元件并且布局尽可能紧凑。

由表1可以看出,基于阶跃恢复二极管的窄脉冲产生技术具有脉冲宽度窄的优点,但是产生的脉冲幅度很低,而基于雪崩三极管的电路能产生幅度较大的脉冲,但脉冲宽度要相对大一些。此外,采用双管的并联的方式产生的脉冲幅度要比单管要大。与同为双管设计的文献[6]方法比对,本文脉冲宽度大了0.98 ns,脉冲峰峰值相当,但所需要的电压少了8 V,有利于器件的集成。

表1 性能指标比较

3 结论

本文利用双极型晶体管的雪崩特性设计了具有双管并联结构的超宽带窄脉冲发生器。对其工作原理和电路设计进行了分析和仿真,并制作了超宽带窄脉冲发生器电路板,测试与仿真表明所设计的脉冲产生电路可以输出符合超宽带通信要求的近似一阶微分高斯脉冲,并且降低了工作电压,更适用于IC设计,具有很好的实用性。

[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.

[2] Davis S K,Van Veen B D,Hagness S C,et al. Breast Tumor Characterization Based on Ultrawideband Microwave Backscatter[J]. IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering,2008,55(1):237-46.

[3] 张海平. 超宽带(UWB)窄脉冲发生器的研究[D]. 西南交通大学,2007.

[4] 龙飞,杜江锋,罗谦,等. 栅脉冲下AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应研究[J]. 电子器件,2007,30(1):26-28.

[5] 崔意奇,曾以成,黄妮. 一次微分高斯UWB脉冲发生器设计[J]. 半导体技术,2008,33(6):546-549.

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[8] 倪原,郭玉萍,杨辉. 穿墙探测雷达中的脉冲产生技术研究[J]. 西安工业大学学报,2009,29(1):67-70.

[9] 周建明,陈宁,纪建华,等. 一种超宽带、单周期窄脉冲产生技术[J]. 江苏大学学报(自然科学版),2007,28(2):160-163.

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

项目来源:国家自然科学基金项目(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