超寬帶窄脈沖的設(shè)計與實現(xiàn) - EDN China電子設(shè)計技術(shù)

1、超寬帶窄脈沖的設(shè)計與實現(xiàn)作者：北京航空航天大學 毛慧敏 李峭     來源:電子設(shè)計應用2009年第5期         摘要：本文簡單介紹了超寬帶信號的定義和形式，重點分析了常用的脈沖生成方法，給出了兩種方案實現(xiàn)窄脈沖的具體電路和測試結(jié)果。關(guān)鍵詞：超寬帶；競爭冒險；雪崩效應引言按照美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定，如果一個信號在-10dB處的絕對帶寬大于500MHz或相對能量帶寬大于20%，則認為是超寬帶信號。目前，超寬帶無線技術(shù)可分為有載波與無載波兩種方案。其中無載波超寬

2、帶主要使用的是基于窄脈沖信號傳輸?shù)姆椒?，這種方法信號脈沖持續(xù)時間非常短，在極寬的頻譜上具有極低的功率譜密度。窄脈沖信號傳輸是超寬帶信號的傳統(tǒng)方式，最能體現(xiàn)超寬帶時域信號處理特色，目前研究和應用較多。實際應用中，一般采用納秒級的窄脈沖作為發(fā)射信號近似替代高斯脈沖，滿足超寬帶的帶寬要求。脈沖信號源的生成技術(shù)，常用的有數(shù)字電路方法、晶體管方法和光電方法。圖1 數(shù)字方法生成窄脈沖的基本原理圖圖2 不同脈寬的窄脈沖波形電路實現(xiàn)及測試結(jié)果考慮到光電方法需要激光作為激勵源，難度較大，對實驗室要求也高，以下給出數(shù)字電路和晶體管兩種方法實現(xiàn)窄脈沖的具體電路和測試結(jié)果。數(shù)字方法實現(xiàn)窄脈沖本設(shè)計采用數(shù)字電路的邏輯特

3、性來產(chǎn)生納秒級窄脈沖信號，使用的是兩輸入端的異或邏輯：F=A nor B。此方法原理較簡單，產(chǎn)生窄脈沖的關(guān)鍵在于高速邏輯的實現(xiàn)和精確的延遲控制，因此數(shù)字芯片的選擇至關(guān)重要。本文實際電路中為保證快速邏輯運算，選用了74VHC86超高速COMS異或門。其上升下降延時tr和tf均在納秒級，符合電路設(shè)計要求。為實現(xiàn)兩路時鐘延時可控，選用了Maxim公司的DS1020可編程延時芯片。此外，為保證輸入的激勵信號有足夠陡峭的邊沿和穩(wěn)定的幅度，還讓激勵時鐘信號通過了兩個快速非門74F04。電路原理圖如圖1所示。本電路的測試過程中采用重復頻率1MHz、占空比為0.5、幅度為5V的標準方波作為輸入激勵信號，由泰克

4、公司AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生。輸出波形用泰克公司DPO71254 高寬帶數(shù)字熒光示波器(帶寬達12.5GHz，最高采樣速率達50GHz/s)測量。圖2為不同脈寬的窄脈沖波形(由數(shù)字信號控制)，圖3為脈寬1ns時的頻譜，圖4為重復頻率2M的脈沖串。這里脈沖寬度按照業(yè)內(nèi)普遍的定義取脈沖幅度50%的兩點之間的時間。圖3 脈寬1ns時的頻譜圖4 重復頻率2MHz的脈沖串圖5 晶體管方法生成窄脈沖的原理圖晶體管方法實現(xiàn)窄脈沖利用雙極型晶體管工作在雪崩區(qū)的雪崩開關(guān)特性，本文選擇合適的元器件及參數(shù)，設(shè)計了圖5所示的脈沖發(fā)生器。該電路采用兩路并行同步觸發(fā)的方式工作，產(chǎn)生的脈沖上升時間更短，輸出功率更高。另

5、外，每路分別在激勵源輸入端增加了一個RC高通濾波器，提取激勵源的高頻分量，加快觸發(fā)速度。沒有加入觸發(fā)脈沖信號時，電源電壓VCC通過電阻R1、R2對儲能電容C1、C2充電，兩端所充的電壓約等于集電結(jié)雪崩擊穿電壓BVCBO，使得晶體管Q1、Q2的集電結(jié)偏置在臨界雪崩狀態(tài)。當觸發(fā)脈沖信號輸入時，Q1、Q2同時雪崩擊穿，由于晶體管本身以及電路分布參數(shù)的影響，使得雪崩電流也就是電容C1、C2的放電電流逐漸增大，而到達某一峰值后，又由于電容C1、C2上電荷的減少使得放電電流逐漸減小，形成了脈沖的前后沿，最終在負載R5(50W)得到了所需的窄脈沖。在該電路中，開關(guān)三極管Q1、Q2的選擇是整個電路的關(guān)鍵，它們

6、的參數(shù)和性能決定了輸出脈沖的極限性能。在這里可選用意法半導體公司金屬管殼封裝的2N2369A，它的開關(guān)時間和轉(zhuǎn)換時間在同類產(chǎn)品中是一流的，大多數(shù)類似的應用也都采用這種管子。圖6是一定阻容參數(shù)下的測試結(jié)果。脈寬1.12ns，幅度峰峰值約25V。本電路的測試基本沿用上述測試條件，采用重復頻率100kHz、占空比為0.5、幅度為5V的標準方波作為輸入激勵信號，由泰克公司AFG3252波形發(fā)生器產(chǎn)生。輸出波形用泰克公司DPO71254高寬帶數(shù)字熒光示波器測量。圖7是重復頻率100kHz的脈沖串。圖6 晶體管產(chǎn)生窄脈沖分析比較本文介紹的這兩種方法各有優(yōu)劣。數(shù)字電路方法最大的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)寬度的實時可控

7、。此外使用一些集成度較高的成熟芯片，增強了電路的簡易性，也增加了整個系統(tǒng)的集成度。缺點是脈沖信號功率有限，而且脈寬也受限于集成芯片速度，不易做到很窄。用晶體管方法產(chǎn)生的脈沖輸出幅度較高，帶寬特性較好，利于信號發(fā)射。但是這種方法分立器件較多，電路較復雜，器件的參數(shù)選擇和電路調(diào)試的工作量都很大，另外高頻導致的分布參數(shù)對電路特性影響很大。上述兩種方法在電路板的布局布線上都應注意減少分布參數(shù)的影響，尤其是晶體管電路。可以采取的措施主要有：注意避免電流回流、多路通道對稱布局等長布線和增加PCB板的電源地等。圖7 重復頻率100kHz的脈沖串結(jié)語對于一個超寬帶應用系統(tǒng)，產(chǎn)生帶寬符合要求的信號源是最基本的前提條件，也是目前國內(nèi)外的研究重點和難點之一。本文利用數(shù)字芯片的競爭冒險現(xiàn)象和雙極型晶體管的雪崩特性設(shè)計出帶寬符合要求的超寬帶脈沖發(fā)生器。這兩類脈沖發(fā)生器各有優(yōu)劣，可以根據(jù)需求進行選擇。參考文獻1. 朱慧, 蘇銳. 超寬帶技術(shù)概述J. 信息技術(shù)2006年11期, 2006-05-232. Kim H., Joo Y., All-digital low-power CMOS pulse generator for UWB systemJ. IEE Electronics Letters Vol. 40, No 24,