基于崩解式技術(shù)的超寬帶窄脈沖生成

基于崩解式技術(shù)的超寬帶窄脈沖生成

0脈沖生成電路在產(chǎn)生超寬帶窄脈沖信號(hào)的情況下，首先使用波器（如傳輸線）等效開(kāi)關(guān)，以獲得具有長(zhǎng)期缺點(diǎn)的信號(hào)，然后通過(guò)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，形成足夠高的波形和電壓的脈沖。這些方法的成本通常很高，并且有巨大的設(shè)備，不適合現(xiàn)代應(yīng)用。目前有很多資料提議采用階躍恢復(fù)二極管進(jìn)行脈沖整形,實(shí)現(xiàn)窄脈沖的生成。但是,采用階躍二極管的脈沖生成電路生成的脈沖雖然寬度可以做到亞納秒級(jí),但是幅度不大,只有幾伏特,不能滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射脈沖的寬度窄、幅度大的要求。前蘇聯(lián)人發(fā)現(xiàn)二極管上速度極快的良性雪崩效應(yīng)能夠使矩形脈沖的上升沿急劇陡峭,鑒于此,本文利用雪崩三極管的雪崩特性,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的納秒級(jí)脈沖形成電路,其峰值高達(dá)80V,并且通過(guò)設(shè)計(jì)與調(diào)整自偏置電路和匹配電路可以得到不同波形和幅度的脈沖信號(hào),可以滿足探地雷達(dá)系統(tǒng)的要求。1社區(qū)內(nèi)擊穿基極電流的計(jì)算在晶體管的集電結(jié)空間電荷區(qū)加上很強(qiáng)的電場(chǎng),集電結(jié)的載流子被電場(chǎng)加速,這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞,產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì),這些新的電子-空穴對(duì)又被電場(chǎng)加速,并和晶格發(fā)生碰撞,再次產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì),如此重復(fù)上述過(guò)程,于是,流過(guò)集電結(jié)的電流便迅速增長(zhǎng),形成晶體管的雪崩效應(yīng)。我們把雪崩效應(yīng)較強(qiáng)的晶體管稱為雪崩晶體管。當(dāng)一次雪崩擊穿發(fā)生后,如果CB結(jié)反向偏壓繼續(xù)增大,由于倍增效應(yīng),會(huì)導(dǎo)致很大的電流發(fā)生二次擊穿,一旦二次擊穿發(fā)生,強(qiáng)大的集電極電流迅速改變集電結(jié)內(nèi)的電場(chǎng)分布,即使VCE下降,集電極電流仍然繼續(xù)上升,晶體管呈現(xiàn)負(fù)輸出阻抗特性,此時(shí),僅需很小的電壓VSUS,仍然能維持很大的集電極電流。二次擊穿臨界點(diǎn)Q的位置,可以根據(jù)倍增因子M來(lái)計(jì)算。由基極電流與發(fā)射極電流的關(guān)系:IB=(αM-1)IE(1)可以得到倍增因子:M(VCB)=1α(IBIE+1)(2)Μ(VCB)=1α(ΙBΙE+1)(2)式中:α是晶體管的共基極電流放大系數(shù)?？紤]VBE為常數(shù)的情況。由于基極電流IB的影響,發(fā)射極電流產(chǎn)生不均勻分布,這種不均勻分布,導(dǎo)致了基區(qū)電阻RBi的增大。根據(jù)如圖1所示的等效電路,利用二極管方程:IE=ISexp(VB′E′VT)(3)ΙE=ΙSexp(VB′E′VΤ)(3)式中:VB′E′=VBE-RBi(IB)IB(4)RBi(IB)為基區(qū)電阻,該電阻阻值隨基極電流IB的大小而變化。將式(3)、(4)代入式(2)得到:M(VCB)=1α(IBISexp(?VBEVT)exp(RBi(IB)IBVT)+1)(5)Μ(VCB)=1α(ΙBΙSexp(-VBEVΤ)exp(RBi(ΙB)ΙBVΤ)+1)(5)當(dāng)晶體管二次擊穿時(shí),應(yīng)有:?IC?VCB|VBE→∞(6)?ΙC?VCB|VBE→∞(6)式(6)與下式:?M?IB|VBE=0(7)?Μ?ΙB|VBE=0(7)等效。將式(5)代入式(7)計(jì)算,得到臨界擊穿基極電流:IoBBo=-VT/Rbi(IoBBo)(8)式中:Rbi是晶體管的小信號(hào)基極電阻,Rbi=d(RBiIB)dIB=RBi+IBdRBidIBRbi=d(RBiΙB)dΙB=RBi+ΙBdRBidΙB。將式(8)的結(jié)果代入到式(4),得到發(fā)射極電流:IoE=ISexp(VBE+VTVT)(9)ΙEo=ΙSexp(VBE+VΤVΤ)(9)將此結(jié)果代入式(2),結(jié)合Miller關(guān)于雪崩倍增因子與VCB關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:M=11?(VCB/BVCBO)n(10)Μ=11-(VCB/BVCBΟ)n(10)式中:n是一個(gè)與材料相關(guān)的系數(shù),一般在2～6之間。由式(10)可以得到與之相對(duì)應(yīng)的擊穿電壓VCBmax,即確定的臨界點(diǎn)Q。如果有外接電阻RBx與RBi串聯(lián),外接電阻REx與發(fā)射極串聯(lián),則式(4)應(yīng)表示為:VB′E′=VBE-(RBi+RBx)IB-RExIE(11)相應(yīng)的臨界擊穿基極電流變成為:IoB=?VT+RExIoERBx+Rbi(IoB)(12)ΙBo=-VΤ+RExΙEoRBx+Rbi(ΙBo)(12)根據(jù)式(12),由于RBx的作用,導(dǎo)致|IoBBo|的減小,會(huì)降低晶體管的擊穿電壓VCBmax;而REx的作用,導(dǎo)致|IoBBo|的增大,會(huì)相應(yīng)提高晶體管的擊穿電壓VCBmax。利用式(1),可以確定其雪崩區(qū)寬度,雪崩區(qū)的寬度可由VCE的范圍即晶體管的BVCBO和BVCEO之差來(lái)確定。從式(1)是可以看出,當(dāng)αM=1時(shí),無(wú)論發(fā)射極電流IE有多大,對(duì)應(yīng)的基極電流IB都等于0。反過(guò)來(lái)看,在αM=1時(shí),極小的基極電流IB都應(yīng)對(duì)應(yīng)無(wú)窮大的發(fā)射極電流IE。所以,αM=1對(duì)應(yīng)著晶體管擊穿狀態(tài)。由此可得M=1/α,結(jié)合式(10)有:11?(VCE/BVCBO)n=1/α(13)11-(VCE/BVCBΟ)n=1/α(13)將共基極電流放大系數(shù)α用共射極電流放大系數(shù)β=α/(1-α)替換,并求解出VCE得到:VCE=BVCBO11+β???√n(14)VCE=BVCBΟ11+βn(14)由于在αM=1時(shí),IB=0,所以該電壓即為BVCEO。由式(14)是可以看出,在BVCBO一定的情況下,β值越大,則BVCEO越小,晶體管的雪崩區(qū)越寬。換一個(gè)角度考慮,假設(shè)β值一定,雪崩區(qū)越寬,則對(duì)應(yīng)的參數(shù)n越大,晶體管的雪崩效應(yīng)越強(qiáng)烈。2崩擊穿下的脈沖放大電路根據(jù)雪崩晶體管的特性要求,一般情況下可以選取具有較高的BVCBO、較寬的雪崩區(qū)寬度、較大的β值、較高的特征頻率fT和較低的飽和壓降的三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖形成電路。在很多系統(tǒng)中要求輸出的脈沖具有對(duì)稱性,如雷達(dá)系統(tǒng)。根據(jù)這個(gè)要求,設(shè)計(jì)了如圖2所示的脈沖形成電路。該電路由雪崩晶體管脈沖發(fā)生器和脈沖整形電路組成,能生成中心頻率為100MHz的脈沖信號(hào)。電路分為兩部分:上半部分產(chǎn)生負(fù)極性脈沖,下半部分產(chǎn)生正極性脈沖。兩部分電路基本對(duì)稱,為了保證正、負(fù)脈沖的同時(shí)觸發(fā),引入了電位器R1,通過(guò)調(diào)整R1使正負(fù)脈沖達(dá)到完全同步。從觸發(fā)端A輸入的脈沖觸發(fā)信號(hào)通過(guò)變壓器T1、T2耦合到晶體管Q1、Q2,引發(fā)晶體管的雪崩擊穿,通過(guò)C5、C6的快速放電和充電,分別在C點(diǎn)和D點(diǎn)產(chǎn)生尖銳的負(fù)脈沖和正脈沖,輸出到負(fù)載電阻RL1和RL2。電路中R3、C3和R2、C4組成濾波電路,避免沖擊電流引起電源電壓VCC的波動(dòng),又由于晶體管的發(fā)射級(jí)與地之間由電阻R6連接,為了保證晶體管獲得夠強(qiáng)的觸發(fā),采用了變壓器耦合方式。輸出脈沖的前沿時(shí)間,由晶體管的雪崩擊穿性能決定。脈沖的后沿時(shí)間由時(shí)間常數(shù)τ=Ro1Cs=Ro2C6確定。在圖2中,各元器件的參數(shù)為R1=100Ω,C1=C2=510pF,R3=R6=20kΩ,R4=R5=200kΩ,R2=200Ω,C4=1000pF,C5=C6=51pF,Ro1=Ro2=75Ω,C7=C8=200pF。外加電源電壓為150V。圖3是C點(diǎn)輸出電壓波形。根據(jù)圖3中的波形曲線,單邊脈沖的峰值接近80V,脈沖底寬約為5ns。所以,脈沖的中心頻率在100MHz附近。調(diào)節(jié)圖2中的定時(shí)電容C5、C6可以改變輸出脈沖的寬度,即調(diào)節(jié)輸出脈沖的中心頻率。圖4是在C5=C6=10pF時(shí)C點(diǎn)輸出電壓波形?？梢?jiàn),當(dāng)定時(shí)電容C5、C6減小時(shí),輸出脈沖的中心頻率提高,同時(shí)輸出電壓的幅度也相應(yīng)減小,且幅度減小較大。比較圖3與圖4中的波形曲線還會(huì)發(fā)現(xiàn),曲線前沿的斜率基本相同,圖3中的脈寬變窄是由于前沿時(shí)間變短和后沿變陡所導(dǎo)致的。這都是因?yàn)殡娙軨5、C6減小而形成的。如果要保持較大的脈沖幅度和更小的脈沖寬度,還必須改善脈沖的前沿。這需要挑選更好的雪崩晶體管,或者采用其他方法縮短脈沖的前沿時(shí)間。由于輸出的信號(hào)是高速脈沖信號(hào),其脈沖的質(zhì)量除了與合理的電路參數(shù)設(shè)計(jì)、雪崩三極管的選擇有關(guān),還與電路的制作工藝結(jié)構(gòu)(印刷線路板的介質(zhì)材料、元器件布局、布線走向和屏蔽)有著密切的關(guān)系。為此,采取以下措施保證設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn):(1)印制電路板材料選擇:選取介電常數(shù)好的聚四氟乙烯板材。(2)印制電路布線:采用高頻電路布線技術(shù),通過(guò)大面積接地線覆銅鍍銀及雙層板地線多點(diǎn)漏孔連接消除接地電感影響,正確接地。(3)屏蔽:采用屏蔽盒體消除外部干擾信號(hào)影響。(4)輸出聯(lián)接器