可实现高速矩形脉冲上升/下降沿时间可调电路的设计

周春梅

摘要：作为矩形脉冲信号的重要指标，脉冲信号上升/下降沿时间越来越受到重视。本文提出一种对矩形脉冲信号上升/下降沿时间精密控制的电路设计。该电路基于二极管平衡电桥原理和电容充/放电荷的特性，实现对矩形脉冲信号上升/下降时间的控制。实验显示该设计最终可实现脉冲信号上升/下降时间在5ns至1ms范围内的可控调整。

关键词：矩形脉冲；二极管平衡电桥；上升/下降沿

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0231-02

随着科技脚步的不断迈进，无线通信技术逐步成熟，通讯信号中不仅包含了正弦波信号，还有很多波形具备特殊形状，通常把这些具备特殊的波形的非正弦波称为脉冲信号，对脉冲波形的产生、形成、测量和放大等问题的研究称为脉冲技术。在无线通信体系中，脉冲技术充当着重要的角色，如雷达、数字通讯、电子计算机和一系列电子设备中的应用非常广泛。对于脉冲信号的研究与分析，主要参数有脉冲幅度、脉冲重复周期、脉冲宽度、占空比系数、上升时间、下降时间等。其中脉冲上升时间是以脉冲幅度的10%上升到90%所经历的时间间隔，下降时间是以脉冲幅度的90%下降到10%所经历的时间间隔。

本设计介绍了基于肖特基二极管平衡电桥原理、精密可控恒流源原理，通过控制电容网络充/放电流大小，实现对矩形脉冲信号上升/下降时间的5ns到1ms连续精密调节的电路设计。

1 电容充/放电特性及电路设计依据

脉冲信号是由若干个从开始发生变化到逐渐趋于稳态的过程所组成，此过程称为暂态过程，对于电路设计，要想得到暂态过程，必须有破坏稳态的电路，也必须有电路去控制破坏稳态的程度，所以本设计中的电路包含两个主要组成部分，一个是开关电路设计部分，用来破坏电路的稳态，使电路产生暂态过程，另外一个是惰性电路设计部分，用来控制暂态过程的形状和变化的快慢。矩形脉冲波形可以看作有高/低电平两个稳态。高低电平之间的转换表现开关特性为暂态，轉换时间反映为脉冲信号的上升时间和下降时间。

电容是表征电容器容纳电荷的能力的物理量，其压降不可跃变，压降变化快慢取决于电容充电的电流大小。电容电压与电流之间存在一定关系，如公式（1）所示：

当经过电容的电流保持不变，恒定值为I时，得到电容值、电容两端的电压、电流、时间的关系式：CU=It（2）

根据上述公式（2），电容电压变化时间t与电容充/放电电流I存在以下关系：t=CU/I（3）

根据上述公式（3），利用电容充放电的特性与原理，当施压在电容两端的电压改变时，通过改变对电容充/放电的恒定电流，便可以实现时间t的调节控制，此时间t便是对脉冲信号上升/下降时间。

矩形脉冲信号在高低电平之间进行转换。当低电平转换到高电平时，需要恒流产生源对电容充电。当高电平转换到低电平时，需要恒流吸收源对电容放电。为了做到恒流吸收源与恒流产生源的切换，利用二极管单向导通特性，此处选用四个肖特基二极管，二极管参数选用一致，搭建平衡电桥电路，用脉冲信号作为平衡桥电路的驱动信号，便可以改变电桥的平衡状态，从而实现恒流吸收源与产生源之间的切换。

因为矩形脉冲信号对容性负载特别敏感，电路设计中首先解决好前后级电路的隔离，其次解决主通道阻抗匹配问题，否则会影响到波形质量。

2 主电路设计

2.1总体电路设计

沿控制电路原理电路由输入隔离级电路、恒流产生源电路、恒流吸收源电路、二极管平衡电桥电路、调沿电容网络电路、输出隔离电路组成。

2.2二极管平衡电桥电路

平衡电桥的工作原理如图，电桥四个二极管初始状态全部导通的。当节点a的电压改变时，节点c的电压将发生相同的变化，以使得二极管桥平衡。

当输入脉冲信号Vi为低电平时：二极管D1处于导通状态，二极管D3处于截止状态，电流ID1全部通过二极管D1流入前级缓冲电路，二极管D2被截止，节点b的电压与二极管D1的导通电压之和即为节点a的电压。此时电流ID2全部流经二极管D4，与后级连接的电容网络电路形成了回路，此时开始放电，节点c电压开始下降，一直到当节点a的电压等于节点c的电压时，二极管平衡电桥重新达到平衡状态，此时放电过程结束。放电过程所用的时间即为矩形脉冲下降沿的时间。

当输入脉冲信号Vi为高电平时：二极管D3处于导通状态，二极管D1处于截止状态，电流I2全部通过二极管D3流入到前级缓冲电路，节点d的电压与二极管D3导通电压之和即为节点a的电压，二极管D4处于截至状态。此时电流I1全部流经二极管D2，与后级连接的电容网络电路形成了回路，此时开始充电，节点c的电压也随着充电过程开始升高，一直到当节点c的电压等于节点a的电压时，二极管平衡电桥重新达到平衡状态，充电过程结束。充电过程所用的时间为矩形脉冲信号上升沿的时间。

利用二极管D2和二极管D4的交替导通，使得恒流产生源与恒流吸收源相互转换，对电容进行充电与放电之间切换，实现对矩形脉冲信号上升沿时间与下降沿时间的控制。

2.3充/放电电容控制网络

分析（3）式可知，对某一指定电容充/放电时间，受电容两端的压降和充/放电电流大小控制。由于设计电路的本身限制，电容两端的电压是保持恒定的。只有通过改变充/放电电流大小来控制电容充/放电时间。设计电路要求5ns到1ms上升/下降时间进行调节，因时间区间跨度太大，对单一的电容进行充放电来实现恒流源难以实现。设计电路通过增加电容数目，将充/放电时间分区间，根据不同的电容容值，其充放电时间的不同，便可以对各时间区间进行粗调。

时间区间确定为5ns～25ns，25ns～210ns，210ns～2us，2us～20us，20us～200us，200us～1ms，对应的电容值为1pF，150pF，1500pF，0.015uF，0.15uF，1uF。对的时间分区时，要充分考虑，恒流源的电流范围和可以实现的时间调节的分辨率。由公式（2）可知，在同一时间区间内，时间t与电流I成反比例关系。

为了实现各电容值的电容能够独立工作，降低他们相互之间的影响，此处利用NPN三级管独特的开关特性，保证电容可以及时地与沿控制电路连接或断开。由控制信号Ctrl合理的选择电容接入沿控制电路，通过控制恒流源电流对电容充/放电时间的控制，实现在一定的时间区间内对脉冲信号的上升沿时间、下降沿时间进行细调。

3 实验结果和分析

按照上述电路原理设计脉冲上升沿、下降沿时间控制电路，完成电路后进行实验验证，使用美国泰克混合信号示波器 MSO4104B进行测试，混合信号示波器输入阻抗设置为50，电路输出经过MMCX和同轴线电缆与示波器相连，当输入信号频率为1MHz时，图4、图5、图6给出输出信号的测试结果。

通过混合信号示波器测试出的结果来看，测试值和理论计算值很相近，但还是存在一定的误差，这主要由于肖特基二极管即便参数一致，但器件特性不完全一致所导致，在电路设计中不可避免地会存在运放器件输入电容，恒流源的稳定特性、寄生电容、器件精度等多种因素的影响。

4 结束语

该设计介绍了一种基于肖特基二极管的平衡电桥和可控恒流源设计的矩形脉冲信号沿控制电路，并实现了输出矩形脉冲信号上升/下降时间在5ns～1ms范围内可控调整。

参考文献：

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[2] 郭允晟，苏秉炜，方伟乔等.脉冲参数与时域测量技术.北京：电子工业出版社，2004.

[3] 邓伦兵，谢华，付在明.一种矩形脉冲信号沿控制电路设计[J].中国测试，2010（1）.

[4] 王浩.200MSPS任意波形发生器信号调理电路设计[D]，电子科技大学，2012.

[5] 周玉茹.脉冲参数与应用[J].企业标准化，2005（8）.

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