一种矩形脉冲信号沿控制电路设计

邓伦兵，谢 华，付在明

（电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 611731）

1 引 言

随着高速脉冲技术在时域计量学、时域特征分析、各种高速数字通信系统等领域的广泛应用，对矩形脉冲波形的形状越来越重视。描述矩形脉冲波形的主要参数包括重复频率、占空比、上升沿时间、下降沿时间、幅度、过冲等[1]。其上升时间和下降时间是非常重要的参数，当脉冲信号上升/下降时间较长时，信号带宽主要由重复频率和有限次谐波决定，当脉冲边沿比较陡峭时，信号带宽主要由脉冲信号边沿陡峭程度决定，也就是上升/下降沿时间大小。

该文介绍了一种基于高速开关、精密可控恒流产生源和恒流吸收源，通过控制电容网络的充/放电电流，实现对矩形脉冲信号上升/下降时间在大范围连续可控精密调整的电路设计。

2 基本原理

脉冲信号是指持续时间较短，按特定规律变化的电压或电流，矩形脉冲波形可以看成由状态持续和状态转换两部分组成[2]。状态持续反映了脉冲信号的高、低电平两种状态，表现出明显的开关特性。状态转换包括高、低电平两种状态间的两种转换过程，反映为脉冲信号上升时间和下降时间。对于脉冲电路，信号的上升/下降时间体现了电路对阶跃信号的响应时间[3]，这主要取决于电路容性负载的大小，容性负载越大，响应越慢，容性负载越小，响应越快。

电容是一种储能元件，其压降不可跃变，压降变化快慢取决于对电容充电的电流大小。在脉冲电路中，电容压降的变化时间对应于脉冲信号上升/下降时间。该设计通过增加电路的电容负载，增大上升/下降时间，将脉冲信号沿调慢。

电容电压与电流之间存在以下关系：

电流保持恒定为I，则可得到关系式：

那么电容电压的变化时间与电容充/放电电流有以下关系：

利用电容这一特性，设计线性可控的恒流源，对电容提供稳定的充/放电电流，就可以实现对脉冲信号上升/下降沿的控制。

利用增加容性负载的方式调整脉冲信号上升/下降沿时间，信号对容性负载就特别敏感，电路设计中首先要解决信号调理前后级电路的隔离问题。利用脉冲信号的开关特性，二极管常用于脉冲电路中的信号隔离，但由于二极管的存储效应[4]，当脉冲信号由高电平转换为低电平时，因为二极管存在很大的反向电流，并不立即关断。甚至当脉冲信号低电平持续时间小于二极管反向恢复时间时，二极管将失去开关作用[4]。

选用特性一致的二极管，搭建二极管桥，根据电桥平衡原理[5-7]，以脉冲信号为驱动信号，改变电桥平衡状态，必然使得二极管桥相邻桥臂交替导通/截止，对称桥臂同时导通/截止。利用二极管桥设计开关电路由相邻二极管的交替导通控制脉冲信号两状态间的转换，从而避免由单个二极管导通/截止状态控制脉冲信号高/低状态转换时二极管不能立即关断的缺陷，具有良好的开关作用。

3 沿控制电路设计

3.1 总体设计

图1给出了沿控制电路原理框图，电路由缓冲电路、高速开关、调沿电容网络、输出隔离电路、恒流产生源电路、恒流吸收源电路组成。

图1 沿控制电路原理框图

3.2 缓冲/隔离电路设计

在高频电路中，必须考虑阻抗匹配[8]问题。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配，信号将在负载端产生反射，在传输线上形成驻波[8]。

沿控制电路中存在大量容性负载，与前后端电路不加隔离必然存在阻抗匹配问题。缓冲/隔离电路实际就是阻抗变换器，起到阻抗匹配的作用。高速运放具有很大输入阻抗和很小输出阻抗，这就可以通过在输入端并联电阻，输出端串联电阻，使得前后级电路都达到阻抗匹配。

由于放大器的带宽随着增益的增大而减小，所以在放大器选择时，带宽和压摆率是主要的考虑指标。

3.3 高速开关

高速开关由二极管桥式电路实现，电路示意图如图2所示。根据电桥平衡原理，当a点有任何细小变化，b点将迅速的发生相同变化，以使得二极管桥平衡。

图2 高速开关电路示意图

工作原理如图2所示，电桥电路中d点为恒流产生源电流I1输入点。c点为恒流吸收源电流I2输入点。无脉冲信号输入时电桥处于平衡状态，a、b两点电压相同。

当a点输入脉冲低电平时：D1抢先导通，D3截止，电桥的平衡特性使得D4导通，D2截止。I1全部通过D1流入前级缓冲电路，即图2所示的电流ID1，I2全部由流经D4的后级电容网络的放电电流提供，如图2所示ID4。这样在D4的导通周期内完成对输出脉冲下降沿及低电平控制。

当a点输入脉冲信号高电平时：D3抢先导通，D1截止。D2导通，D4截止。I2为流经D3的缓冲级电路输出电流，如图2所示中的ID3。I1则全部流经D2形成对电容网络的充电电流，如图2所示中的ID2。这样在D2导通周期内完成输出脉冲信号上升沿和高电平的控制。

利用D2、D4的交替导通，使得脉冲信号高低电平控制都由二极管的导通状态来实现。避免了单个二极管控制时由高电平到低电平转换时二极管不能立即关断的缺陷。

3.4 沿控制电容网络

设计中采用增加电路容性负载的方法，增大矩形脉冲信号上升/下降沿时间，由式（3）可以知道，对时间有两个可控变量：电容值和充/放电电流。设计要求在800 ps～1 μs范围内上升/下降沿时间可控，考虑到时间区间太大，用单一电容实现对恒流源要求太高，难以实现。设计采取了对时间分区间实现的方法，由不同电容值在各时间区间进行粗调。时间区间确定为 800 ps～25 ns，20～250 ns，200 ns～1 μs，对应电容值确定为 10 pF、200 pF 和 1.5 nF。控制恒流源充/放电电流，在时间区间内进行细调。由式（3）知在同一时间区间内，时间t与电流I成反比例关系。

为使各档电容相互影响最小，必须保证电容与沿控制电路有良好的断开机制。继电器和三极管是两种常用的控制开关，考虑到继电器即使在关断状态下漏电流也很大，电路中采用三极管做控制开关。图3给出了沿控制电路电容网络的示意图。

图3 沿控制电容网络电路示意图

如图 3 所示，合理选择 C1、C2、C3，由控制信号CRT1、CRT2、CRT3控制三极管的导通和截止，选择接入电路的电容，实现时间分区选择。通过控制恒流源电流对电容充/放电电流，实现在时间区间内对上升/下降沿时间进行细调。

3.5 恒流源电路

利用电容的电荷存储特性设计的沿控制电路，对电容的充/放电电流是一个重要的控制量，它的精度、稳定性对输出信号有重要影响。

恒流源采用的是电流串联负反馈结构设计[4]。数模转换器对恒流吸收源产生-5～0V直流电压，对恒流产生源产生0～+5V直流电压，经过级联的电流串联负反馈电流源作用，产生0～42mA恒定电流。

4 实验结果及分析

根据上述原理设计电路板进行实验验证，测试过程中，用Tektronix DPO7104数字示波器进行测试，电路输出经过SMA和同轴电缆与示波器相连，示波器输入阻抗设置为50Ω。表1给出输入信号为10MHz时输出信号的测试结果。

表1 10MHz输入信号输出信号测试结果

图4为1MHz输入信号输出测试波形图。其中图4（a）为输入信号波形，输入信号上升时间711ps，下降时间839ps。图4（b）为上升时间32.48ns，下降时间26.36 ns输出波形。图4（c）为上升时间54.66 ns，下降时间32.48ns输出波形。

对以上1 MHz的测试波形分析，图4（b）中tr1=32.48ns，图 4（c）中 tr2＝54.66ns，则：

由理论计算公式：

这个数据与根据图 4（b）、图 4（c）所示实际测试数据的计算结果22.18ns很接近。

从以上实验结果来看，实验值和理论计算值非常相近。但是还存在一些差异，这主要由于二极管特性不完全一致，电路设计中不可避免的存在寄生电容、运放等器件输入电容，恒流源稳定性、精度等众多因素影响。

5 结束语

该文介绍了一种基于高速开关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800 ps～1 μs范围内可控调整。但输出信号存在上升/下降时间不相等、沿线性度不好等问题，这些都将是进一步研究需要解决的问题。随着对矩形脉冲信号沿越来越重视，能够实现沿控制的电路结构将越来越有实用价值，在通讯系统、高速系统与低速系统的匹配中将有较好应用前景。

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

[2] 付在明，师奕兵.一种可控高速脉冲波形合成技术研究[J].仪器仪表学报，2007，28（5）：934-935.

[3] 何小艇.高速脉冲技术[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[4] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1997.

[5] 张 淼，马 光.测试技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[6] 张嘉明，王厚军，付在明.一种对高速脉冲边沿整形、调整的设计方案[J].电子测量技术，2007，30（7）：175-177.

[7] 张 淼，马 光，申桂花，等.测试技术[M].北京：中国电力出版社，2004.

[8] Ludwig R，Bretchko P.射频电路设计理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

[9] Uhmeyer U A，Libby J C.A fast variable transistion time pulse generating circuit [C]. Instrumentation and Measurement Technology Conference，1992.