晶体管驱动的阶跃二极管大幅度窄脉冲源

杨金钢，谢 嘉，李红英，和先孟，周祖国

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

纳秒级窄脉冲信号源主要用于超宽带无线电通信等领域，随着国内外元器件的快速发展，窄脉冲源的实现方法很多。早期主要有利用火花隙产生的窄脉冲及利用雪崩管的“雪崩”效应产生的窄脉冲［1］。当前产生纳秒级窄脉冲的方法也可归为两大类：一类是采用低功率CMOS电路来设计并生成脉冲信号［2］；另一类是采用阶跃恢复二极管［3］（以下简称阶跃管）与场效应管、肖特基二极管或是与PIN管组合构成的电路［2］。利用火花隙及雪崩管的“雪崩”效应的窄脉冲源，存在电压高、功耗大、体积大等缺点；采用低功率CMOS电路产生的窄脉冲信号存在幅度小、重复频率低等缺点。采用阶跃恢复二极管与场效应管、肖特基二极管或是与PIN管组合构成的电路实现的窄脉冲虽可以弥补上述的一些不足，但其脉冲幅度的输出仍小于其工作电压。

本文提出了一种采用阶跃恢复二极管在双极型晶体管的驱动下实现工作于低电压的大幅度纳秒级窄脉冲源的方法。

1 传统阶跃管产生窄脉冲原理与方法

1.1 基本方法与原理

阶跃管的电流阶跃特性，即阶跃管由导通恢复到截止出现了电流突变。目前各型号的阶跃管阶跃时间（电流突变时间）一般均小于200 ps，因此可利用阶跃管极小的电流阶跃时间，实现纳秒级极窄脉冲信号，该方法是当前用阶跃管实现窄脉冲的传统方法。阶跃管实现窄脉冲的原理如图1所示。

图1 阶跃管产生窄脉冲原理框图Fig.1 Principle of generating narr ow i mpulse by step recovery diode

当激励源的正半周加在阶跃管上，管子开始导通，处于正向导通状态，此时阶跃管相当于一个大扩散电容，激励信号对其充电，因此有大量的电荷被储存起来；当激励源的负半周加在阶跃管上，由于阶跃管储存了大量的电荷，电流不能立刻为零，而是直到储存的电荷耗尽时，反向电流才迅速下降到反向饱和电流，并最终形成电流的阶跃输出［4］。然后通过微分整形和匹配设计，输出窄脉冲信号。

1.2 常见阶跃管产生窄脉冲电路

目前利用阶跃管产生窄脉冲的方法有以下两种电路［5－6］，电路如图2、图3所示。

图2 无电压偏置窄脉冲产生电路图Fig.2 Circuit of generating narrow i mpulse without offset voltage

图2 中：激励源为脉冲，并利用电感激励阶跃管，产生一持续时间极短的快脉冲。该电路具有电路简单、成本低等优点，由于没有外围的电压偏置电路，使得阶跃开始的时间无法出现在反向电流达到最大值的时刻，所以其脉冲宽度和脉冲幅度电路存在严重矛盾，很难提高脉冲幅度。当脉宽约1 ns时，其幅度仅能达到4 V，无法保证信号能量的传输，但对于一些对信号能量无要求的应用场合，该电路具有一定优势。

图3 带电压偏置窄脉冲产生电路图Fig.3 Circuit of generating narrow impulse with offset voltage

图3 中：激励源为正弦信号，通过外加偏置电路和匹配电路，经反复调试后，基本能保证阶跃在反向电流达到最大值的时刻开始，从而提高了该脉冲发生器的输出脉冲幅度。但该电路在调试上存在一定难度。因此该电路仅适合于原理性验证，一般不在工程上使用。

2 晶体管驱动阶跃管产生窄脉冲方法

上述两种用阶跃管产生窄脉冲的传统方法，主要存在以下缺点：

1）易受器件参数散差的影响，调试难度大；

2）无法输出大幅度窄脉冲信号；

3）输出脉冲宽度、形式调整困难。

为解决上述的不足，采用阶跃恢复二极管在双极型晶体管的驱动下实现工作于低电压的大幅度纳秒级窄脉冲。该电路利用阶跃管的“阶跃特性”，并结合晶体管的驱动，对阶跃管的激励信号进行了改进设计，原理框图如图4所示，由方波激励源、晶体管驱动电路、阶跃输出电路及微分电路组成。

要产生大幅度窄脉冲，通常要求阶跃开始的时间选择在反向电流达到最大值的时刻。因此可利用具有极高特征频率的晶体管，使其工作在截止区与饱和区之间转换，输出一个幅度大、下降沿陡的方波作为激励源，达到大幅度窄脉冲的输出。

图4 阶跃管驱动改进后窄脉冲产生原理框图Fig.4 Principle of generating narrow i mpulse by step recovery diode after i mproved

为使晶体管工作在截止区与饱和区之间转换，选择占空比可调的方波信号作为激励源，经波形变换和晶体管驱动，输出一个具有下降沿很陡的“二次方波”（阶跃管的激励信号），并适当调整方波的占空比，保证阶跃开始的时间选择在反向电流达到最大值的时刻，最终经阶跃管的阶跃特性和微分电路输出大幅度纳秒级窄脉冲信号，电路如图5所示。

图5 晶体管驱动阶跃管产生窄脉冲电路图Fig.5 Circuit of generating narrow i mpulse by step recover y diode with transistor driving

电路主要有以下几个特点：

1）激励源为容易实现的方波信号；

2）外围电路简单，工程上易实现，调试容易；

3）输出脉冲幅度、脉宽及形式均可调。

3 电路仿真

为验证该方法的可行性，通过Or CAD软件及修改器件的SPICE模型参数进行晶体管驱动阶跃管产生窄脉冲电路的仿真。基本参数：输入信号为重复频率10 MHz，占空比1：10的方波信号，L1、L2一般为几十n H，C3一般为几PF，工作电压为5 V。仿真结果如图6、图7所示。

图6 一阶高斯窄脉冲仿真图Fig.6 Si mulation of a first-order Gauss narrow i mpulse

图7 零阶高斯窄脉冲仿真图Fig.7 Si mulation of zero order Gauss narrow i mpulse

图6 、图7仿真表明：阶跃管激励源改进后的窄脉冲产生电路可行，且通过适当调整L1、L2，可以输出不同形式的窄脉冲。

4 实物测试

根据仿真数据，对实物进行了调试及测试，实物如图8所示。经实物调试后，该电路还有以下2个补充说明：

1）双极型晶体管的选择，主要取决于晶体管的特征频率，经调试验证，最终选择了特征频率不小于6 GHz的晶体管；

2）微分整形电路由C3、L2组成，C3基本决定脉宽、L2基本决定脉冲形式。

在负载输出端利用Tek DPO 70404（4 G带宽、25 GS／s采样率）的示波器测试，测试波形如图9、图10所示。图9：实际电路工作电压12 V，输出脉冲幅度V≈13 V，脉宽τ≈0.8 ns的一阶高斯窄脉冲源；图10：实际电路工作电压12 V，其输出脉冲幅度V≈12 V、脉宽τ≈0.7 ns的零阶高斯窄脉冲源。由于分布参数、PCB布线和电容、电感的损耗等因素，实测波形振铃要大一些，但仍与图6、图7仿真波形基本相似。

图8 信号发生器实物照片Fig.8 Photos of real subject

图9 实测一阶高斯脉冲信号（探头23 d B衰减）Fig.9 Measure of a first-or der Gauss i mpulse signal（Probe attenuating 23 d B）

图10 实测零阶高斯脉冲信号（探头23 d B衰减）Fig.10 Measure of zero order Gauss impulse signal（Probe attenuating 23 d B）

5 结论

本文提出一种采用阶跃恢复二极管在双极型晶体管驱动下实现工作于低电压的大幅度纳秒级窄脉冲源的方法，它以阶跃管与双极型晶体管为核心，并利用阶跃管的阶跃特性和晶体管的驱动共同实现了窄脉冲的产生。电路主要由晶体管驱动、阶跃输出、微分整形等单元电路构成。仿真和测试表明：该电路的工作电压范围广，具有输出幅度不小于工作电压、脉宽可调、易调、脉冲形式可调、结构简单、体积小、易于集成、对PCB工艺要求不高等优点，适用于超宽带系统中窄脉冲的产生。研究还发现，其对提高超宽带冲激引信的探测距离起到了关键作用。

［1］杨峰，薛泉，陈志豪.一种基于射频三极管的高斯脉冲发生器的设计［J］.通信学报，2005，26（10）：69-71.YANG Feng，XUE Quan，CHEN Zhihao.Desigen of a subnonsecond Gauusisan pulse generator based on the RF transistor［J］.Journal on Communications，2005，26（10）：69-71.

［2］程勇，周月臣，程崇虎.一种超宽带脉冲信号发生器的设计［J］.通信学报，2005，26（10）：112-115.CHENG Yong，ZHOU Yuechen，CHENG Chonghu.Desigen of a ultrawideband pulse genertor［J］.Jour nal on Co mmunications，2005，26（10）：112-115.

［3］雷华相，周国安，付红卫.基于射频三极管的超宽带引信脉冲源［J］.探测与控制学报，2010，32（3）：9-12.LEI Huaxiang，ZHOU Guoan，FU Hongwei.A Pulse Generator for Ultra-wideband Fuze Based on RF-BJT［J］..Journal of Detection ＆ Control，2010，32（3）：9-12.

［4］薛正辉，杨仕明，李伟明.微波固态电路［M］.北京：北京理工大学出版社，2004.

［5］谈大伟.冲激引信超窄脉冲源的研究［J］.制导与引信，2004，25（3）：22-27.TAN Dawei.The research on ultrabarrow pulse source of ultrawideband radar f uze［J］.Guidance ＆ Fuze，2004，25（3）：22-27.

［6］唐丹，刘文江，陈克难.一种基于超宽带MIR运动传感器的电路实现［J］.电子技术应用，2002（3）：58-59.