高速脈沖邊沿整形調(diào)整的設(shè)計(jì)方案

1、高速脈沖邊沿整形調(diào)整的設(shè)計(jì)方案在高速脈沖中，升高、下降時光挺直打算了脈沖的質(zhì)量，隨著迅速沿脈沖在的瞬態(tài)響應(yīng)、時域反射技術(shù)、元器件的開關(guān)特性等方面的廣泛應(yīng)用，人們不僅關(guān)注脈沖信號的頻率、幅度、寬度等特性，脈沖的升高、下降時光也得到了越來越大的重視。高速脈沖不僅僅要求脈沖的頻率高，脈寬窄，同樣對脈沖的迅速沿提出了很高要求?，F(xiàn)在國外的脈沖發(fā)生器已經(jīng)能夠生成升高、下降時光在100 ps以內(nèi)的脈沖。產(chǎn)生一定重復(fù)頻率、一定寬度的脈沖并不困難，但要產(chǎn)生納秒甚至皮秒量級前、后沿的脈沖信號則是一件相當(dāng)困難的事。隧道以其變幻速度快，功耗小的特點(diǎn)，在脈沖產(chǎn)生和整形中得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在高速脈沖整形電路中，隧道二

2、極管更是憑借它反應(yīng)敏捷，瞬態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)大受青睞，本計(jì)劃利用隧道二極管的隧道效應(yīng)將輸入差分脈沖的前后沿整形至800 ps以內(nèi)，之后通過差分對管搭載恒流源實(shí)現(xiàn)脈沖升高、下降時光在800 ps1s之間的可控調(diào)節(jié)。1 隧道二極管的特點(diǎn)隧道二極管是一個pn結(jié)二極管，其特性曲線1所示。它與一般二極管特性曲線有很大不同，在u很小時，i已經(jīng)相當(dāng)大了，而電壓u增大到一定數(shù)值時，電流i反而下降，呈負(fù)阻性。電壓u為負(fù)值并且不大時，也有相當(dāng)大的反向電流。隧道二極管的特別性質(zhì)是因?yàn)閾诫s特殊重，導(dǎo)致阻止層厚度特殊薄，約為10-6cm，而一般二極管的阻止層厚度約為10-4cm，從而導(dǎo)致二極管內(nèi)的載流子除了以蔓延方式移動以

3、外，還以隧道效應(yīng)移動，在反向狀態(tài)下，流過二極管的電流主要是隧道電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般二極管的反向飽和電流，因?yàn)樗淼佬?yīng)，隧道二極管內(nèi)沒有少數(shù)載流子存儲效應(yīng)，從而使隧道二極管能工作于超高速狀態(tài)，目前隧道二極管能產(chǎn)生邊沿時光為20ps的高速脈沖。隧道二極管的伏安特性可用5個參數(shù)來表征：(1)峰點(diǎn)電壓vp；(2)谷點(diǎn)電壓vv；(3)峰點(diǎn)電流ip；(4)谷點(diǎn)電流iv；(5)前向電壓vf(投影峰點(diǎn)電壓-與峰點(diǎn)相對應(yīng)的其次個正區(qū)的電壓)。2 脈沖整形電路分析隧道二極管是個電壓多值元件，它可以工作在單穩(wěn)觸發(fā)、雙穩(wěn)觸發(fā)和自由多諧振蕩3種方式下，3種工作方式的負(fù)載線見圖2。在本計(jì)劃中，通過偏置電路將隧道二極管的工作

4、狀態(tài)設(shè)為單穩(wěn)觸發(fā)模式，在保證脈寬不轉(zhuǎn)變的前提下，對脈沖的升高、下降沿舉行整形。圖3即為單穩(wěn)觸發(fā)狀態(tài)下的隧道二極管整形電路原理圖。計(jì)劃選用國產(chǎn)2bs21d型號的隧道二極管，它的特性參數(shù)如下：ip=60 ma，vp=180 mv,vv=400 mv，vf=500 mv，iv=15 ma，ctm(最大總)=2 pf,由此可以計(jì)算出單穩(wěn)狀態(tài)下整形出的脈沖的階躍時光為。電路中直流電源v1、電阻r1構(gòu)成隧道二極管的偏置電路，設(shè)置隧道二極管的工作狀態(tài)為單穩(wěn)觸發(fā)模式。l1用來充實(shí)輸出波形邊沿，取值計(jì)算公式為l=5tr×(r2+r1)，c1為隔直電容。當(dāng)觸發(fā)脈沖vin的升高沿到來時，隧道二極管上的電流

5、隨之增強(qiáng)，當(dāng)二極管上的電流超過峰點(diǎn)電流ip時，由隧道效應(yīng)，二極管上的電壓躍升至前向電壓vf，從而實(shí)現(xiàn)對脈沖的升高沿舉行整形；保持二極管上的電流穩(wěn)定不變，即可維持脈沖的幅度不變，也就保證了輸出脈沖vout的脈寬；當(dāng)vin的下降沿到來時，二極管上的電流減小，當(dāng)電流降至二極管的谷點(diǎn)電流iv并繼續(xù)下降時，由隧道效應(yīng)，此時二極管上的電壓由uv突降至ub(與谷點(diǎn)對應(yīng)的第一個正阻區(qū)的電壓)，從而實(shí)現(xiàn)對脈沖的下降沿的整形。3 邊沿調(diào)節(jié)電路分析電容對電壓有記憶性質(zhì)，控制對電容的充放電電流就可以控制電容輸出電壓的波形，利用這個特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出差分脈沖的上下沿調(diào)節(jié)電路。對脈沖邊沿的調(diào)節(jié)過程如下：2個(ne32100

6、0)構(gòu)成高速開關(guān)，控制差分輸入信號的通斷。電流源i1、i2、i3之間的關(guān)系為i1+i2=i3。當(dāng)輸入信號vin+的升高沿到來時，可知vin-幅度下降。此時t1導(dǎo)通，t2關(guān)斷。電容c1上的電流為ic1=i1-i3=-i2，c1放電，調(diào)節(jié)vout-的下降沿；電流源i2對電容c2充電，調(diào)節(jié)vout+的升高沿。當(dāng)c1上的電壓下降到(vcl)-vcr1時，二極管cr1導(dǎo)通，c1不再放電，vout-的低電平被鉗在(vcl)-vcr1上；同理，c2上的電壓升高到(vcl)+vcr4時，cr4導(dǎo)通，c2不再充電，out+的高電平被固定在(vcl+)+vcr4上。電容電流脈沖的升高、下降時光。電路的結(jié)果如下：與

7、電容電壓之間有關(guān)系式：cu=idt，從這個公式中要計(jì)算出脈沖的邊沿時光比較困難，可以將流過電容的電流近似看作一個三角波，由此可得到脈沖升高、下降時光與脈沖幅度、充放電電流和電容之間的關(guān)系式：t2cui?？芍?，轉(zhuǎn)變電流i1、i2、isum和電容c的大小即可調(diào)節(jié)脈沖的升高下降時光。4 試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)測試過程中，采納agilent 33 250脈沖發(fā)生器作為脈沖源，分離輸入頻率為80 mhz和100 khz，邊沿時光為4 ns的脈沖；采納agilent infiniium 600 mhz示波器分離在隧道二極管整形電路和邊沿調(diào)節(jié)電路側(cè)測得輸出結(jié)果如表1、表2所示：從測試數(shù)據(jù)來看，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分相像，但還是存在一些差異，這主要是因?yàn)樵诜治鲞^程中對電路舉行了適當(dāng)?shù)慕坪秃喕?，以及在電路制作中引入的寄生電容等不確定因素造成的?？梢钥闯?，該計(jì)劃對80mhz以內(nèi)的脈沖信號能起到較好的邊沿整形和調(diào)節(jié)的效果。本文利用隧道二極管的隧道效應(yīng)和場效應(yīng)管的高速開關(guān)功能，勝利實(shí)現(xiàn)了將脈沖的升高、下降邊沿整形到皮秒級別，并