一種超寬脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)
摘要：超寬帶UWB是一種利用納秒級(jí)窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)。重點(diǎn)討論了一種采用級(jí)聯(lián)雪崩晶體管結(jié)構(gòu)UWB極窄脈沖發(fā)生器，并對(duì)其電路及雪崩晶體管的工作原理進(jìn)行了具體分析。實(shí)驗(yàn)獲得的UWB輸出脈沖寬度約為1.22ns，上升時(shí)間約為863ps。關(guān)鍵詞：UWB（Ultra Wideband） 超寬帶 雪崩晶體管 脈沖發(fā)生器
目前，UWB技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)際無(wú)線通信技術(shù)研究的新熱點(diǎn)，日益受到重視和關(guān)注。2002年2月14日，美國(guó)FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）首次批準(zhǔn)了UWB產(chǎn)品的民用銷(xiāo)售和使用。
UWB即超寬帶，它是一種利用納秒級(jí)極窄脈沖發(fā)送信息的技術(shù)，其信號(hào)相對(duì)帶寬即信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%。一個(gè)典型的中心頻率為2GHz（即寬度為500ps）的UWB脈沖信號(hào)的時(shí)域波形及其頻譜圖分別如圖1所示。
一般通信技術(shù)都是把信號(hào)從基帶調(diào)制到載波上，而UWB則是通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，從而具有GHz量級(jí)的帶寬。UWB具有發(fā)射信號(hào)功率譜密度低（數(shù)十mW范圍）、難以截獲、抗多徑、低成本、極好的穿透障礙物能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入和通信、雷達(dá)、定位、汽車(chē)防撞、液面感應(yīng)和高度測(cè)量應(yīng)用。
UWB信息調(diào)制方式需結(jié)合UWB傳播特性和脈沖產(chǎn)生方法綜合考慮，通常可采用脈沖位置調(diào)制（Pulse Position Modulation）和正反極性調(diào)制（Antipodal Modulation），這里采用PPM調(diào)制。
從本質(zhì)上看，UWB無(wú)線技術(shù)是發(fā)射和接收超短電磁能量脈沖的技術(shù)，它采用極窄脈沖直接激勵(lì)天線。因此，極窄脈沖的產(chǎn)生就顯得尤為重要。目前，UWB極窄脈沖的產(chǎn)生方法主通過(guò)雪崩三極管、隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)。其中隧道二極管和階躍恢復(fù)二極管所產(chǎn)生的脈沖，上升時(shí)間可以達(dá)幾十至幾百皮秒，但其幅度較小，一般為毫伏級(jí)。采用了利用雪崩三極管的雪崩效應(yīng)的方案，同時(shí)采用雪崩三極管級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生極窄脈沖，最后得到輸出脈沖上升時(shí)間約為863ps，幅度約為1.2V。
1 雪崩效應(yīng)理論
當(dāng)NPN型晶體管的集電極電壓很高時(shí)，收集結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度比放大低壓運(yùn)用時(shí)大得多。進(jìn)入收集結(jié)的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，從而獲得很大能量，它們與晶格碰撞時(shí)產(chǎn)生了新的電子-空穴時(shí)，新產(chǎn)生的電子、空穴又分別被強(qiáng)電場(chǎng)加速而重復(fù)上述過(guò)程。于是流過(guò)收集結(jié)的電流便“雪崩”式迅速增長(zhǎng)，這就是晶體管的雪崩倍增效應(yīng)。
晶體管在雪崩區(qū)的運(yùn)用具有如下主要特點(diǎn)：
（1）電流增益增大到正常運(yùn)用時(shí)的M倍，其中M為雪崩倍增因子。
（2）由于雪崩運(yùn)用時(shí)集電結(jié)加有很高的反向電壓，集電結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度大為縮小，因而少數(shù)載流子通過(guò)基區(qū)的渡越時(shí)間大為縮短。換言之，晶體管的有效截止頻率大為提高。
（3）在雪崩區(qū)內(nèi)，與某一給定電壓值對(duì)應(yīng)的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象。也就是說(shuō)，雪崩運(yùn)用時(shí)晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特
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