雪崩效应产生UWB脉冲的Pspice仿真实现

雪崩效应产生UWB脉冲的Pspice仿真实现重庆大学通信工程学院叶凌峡摘要：利用晶体管的雪崩效应来产生超宽带极窄脉冲是UWB脉冲发生器研究的一个方向。由于在模拟电路仿真软件中往往没有提供三极管雪崩状态的参数。因此不能在计算机中对三极管雪崩状态进行模拟仿真。从而大大增加了UWB脉冲发生器设计的未知性及工作量。本文从三极管雪崩原理分析入手，利用仿真软件Pspice提供了二极管击穿电压参数的条件，经参数修改后将二极管和三极管相结合完成了三极管雪崩效应的仿真，此方法不用重新建造复杂的三极管模型，简单实用，完全达到了设计的要求。关键词：雪崩效应、UWB、Pspice、EM模型超宽带UWB（UltraWideband）通信技术是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。由此可知窄脉冲发生器在超宽带无线通信系统中占据着极其重要的地位。UWB的超宽带特性直接与脉冲发生器的脉冲形状相关，显然，脉冲的持续时间越短，脉冲所占据的带宽就越宽，从而能否成功地设计UWB系统的脉冲发生器，关系到整个系统的实现。窄脉冲产生电路的性能与所使用的高速器件有关。可以产生纳秒、皮秒级窄脉冲的高速器件有隧道二极管、雪崩晶体管等器件。其中隧道二极管和阶跃恢复二极管所产生的脉冲，上升时间可达几十到百皮秒，但其幅度较小，一般为几百毫伏的量级。而晶体管的雪崩效应产生的脉冲，在雪崩导通瞬间，电流呈“雪崩”式迅速增长，从而获得具有陡峭前沿的波形，成形后得到极短脉冲，上升时间可以达1～2ns，输出脉冲幅度可达几十伏，因此被更多的采用。我们知道用模拟器件设计电路有很多未知性，所以先进行仿真设计是非常重要的，不但可以帮助分析，而且可以极大的减少工作量。但是著名的模拟电路设计软件Pspice对一些特殊的工作方式却并不支持，雪崩效应就是它不支持的情况之一。经过分析，通过对仿真电路进行一些转换设计，我们同样可以仿真出晶体管的雪崩效应。下面就来一一介绍它的实现原理。1.晶体管雪崩的基本原理及仿真模型1.1.雪崩效应的原理雪崩击穿的实质是载流子与晶格原子碰撞使之电离。当PN结外加反向偏压足够高使得势垒区场强超过临界电场时，载流子受到加速并获得足够大的动能，它们与晶格原子发生碰撞，把电子从共价键中“打”出来（从能带图看就是一个价带电子被激发到导带），于是产生一个电子——空穴对。新产生的载流子也被电场加速，并与晶格原子连续碰撞产生第三代、第四代的e-h对，形成连锁反应，从而造成载流子雪崩般地剧增。这个雪崩倍增过程使PN结反向电流骤然增加，产生击穿。这就是雪崩效应。1.2.晶体管的击穿电压与电流的关系晶体管发生击穿时，主要相关的电压和电流有：CEV、CBOBV、CEOBV、CI、BI、EI,其关系图如下：图1击穿电压与电流的关系1.3.三极管雪崩效应的触发一般来说用晶体三极管产生雪崩效应有三种方式，我们可以根据不同的情况来采用。进行触发之前，首先要使三极管工作于临界击穿电压状态，在此条件下进行触发的方式如下：(1)触发方式一：用电流触发，给基极施加信号，产生基极电流进行触发，根据图1的原理，当BI=0时的击穿点比BI0时要后一些，因此我们开始使BI＝0时电压处于临界，信号一到BI0，击穿点前移，产生雪崩。(2)触发方式二：用电压触发，直接使CEVCEOBV而产生击穿。固定BI值，通常令其为0，即将基极和射极短接。(3)触发方式三：综合触发，即同时增加电流BI和电压CEV进行触发。1.4.Pspice中晶体管的元件模型双极型晶体管模型种类很多，在电路CAD领域中使用最多的是Ebers-Moll模型（简称EM模型）和Gummel-Poon模型（简称GP模型）。Pspice中采用的是EM模型。EM模型的基本思想是晶体管可以认为是基于正向的晶体管和基于反向的晶体管的叠加。它本身是一种大信号非线性直流模型，不考虑电荷存储效应和二级效应，但原始的EM模型经过不断改进，已经成为包括各种效应特别是如电荷存储效应、β随电流的变化以及基区宽度调制等效应的模型。Pspice中双极型晶体管模型参数共有40个，但其中并没有提供击穿电压的参数，由此导致了我们不能进行UWB信号仿真。2.UWB脉冲产生电路设计2.1.UWB脉冲信号的特点UWB信号相对带宽即信号带宽与中心频率之比大于25%。例如中心频率为2GHz（即宽度为500ps）的UWB脉冲信号的带宽要大于2.5GHz.2.2.电路设计2.2.1.基本电路图由于2N2369A的反应时间只有几十纳秒，比较适合用来产生UWB脉冲，因此我们暂时选用它来做目标晶体管。用一个三极管构建的基本电路如图：图2基本电路图2.2.2.电路的参数分析UWB脉冲的上升沿主要取决于管子的雪崩导通开关的速度，而下降沿主要由放电回路的放电速度决定，这两个因素决定着最终产生的UWB脉冲信号的形状和宽度。我们主要分析一下下降时间及脉冲幅度的确定。雪崩产生时的电容放电回路如图：图3电容放电等效回路其中0R为雪崩产生时晶体管的等效电阻。由电路推出方程组：0()()()()()cLcutRRRitdutitCdt=++⎧⎪⎨=⎪⎩列写出电压微分方程：()1()0ccdututdt⇒-=0L（R+R+R）C求解方程得：0()()LtRRRCcutKe-++⇒=代初值：(0)cuVKV⇒=⇒=得解：0()()LtRRRCcutVe-++⇒=我们取下降到10％V时的时间为下降时间：02.3()FLtRRRC≈++再利用方程组可求出脉冲幅度为：max0()LoLRuVRRR=++2.3.Pspice中的电路修改仿真软件Pspice中的三极管模型没有雪崩参数，因此不能进行仿真，这里利用了二极管具有击穿电压参数的条件，将二极管与三极管模型组合起来，弥补了三极管的参数缺陷。2.3.1.重构三极管模型将二极管反向跨接在三极管的C、E极上，组合成一个新的器件，如下图：图4重构三极管模型2.3.2.Pspice中元件参数的修改ORCAD/PSPICE已经内建了约2万个常见的电子元件模型，但是随着半导体技术的发展和新元件的不断问世，或出于个性化设计需要，又或者内建元件库内没有合适的元件，这时就需要通过修改原有元件或创建新的元件等方法来建立符合要求的新元件。我们这里需要修改二极管的参数用以匹配三极管的指标。参数修改的一般步骤是：调用库中的原有元件；打开原有元件的模型参数窗口；修改参数；保存参数修改后的元件，即得新元件。下面以硅整流二极管D1N4002为例，通过如上步骤来修改参数，以降低其反向击穿电压BV。(1)调用原有的元件。从原有的元件库Diod.odb中调用硅整流二极管D1N4002。(2)打开原有元件模型参数窗口。选中电路图中的D1N4002，点击右键，后选取菜单中EDITPSPICEMODEL，则出现MODELEDITOR窗口。如下图：图中左边是元件模型名称D1N4002，右边用PSPICE模型语句定义了它的所有模型参数。.MODELD1N4002D(IS=14.11E-9N=1.984RS=33.89E-3+EG=1.110CJO=51.17E-12M=.2762VJ=.3905FC=.5+NR=2BV=100.1IBV=10TT=4.761E-6)二极管模型语句的一般格式如下：.MODELmodelnameD[modelparameters]其中modelname是模型名，D是二极管的类型代号，modelparameters是模型参数及其值，在本例中IS是饱和电流，N是注入系数，RS是欧姆电阻，EG是禁带宽度，CJO是零偏PN结电容，M是梯度因子，VJ是结电势，FC是正偏耗尽电容系数，NR是ISR的发射系数，BV是反向击穿电压，IBV是反向击穿电流，TT是渡越时间。(3)修改参数。将反向击穿电压BV由原来的100.1改为40(4)存盘。将参数修改后的元件保存，则得到符合要求的新元件。对于我们的设计要求，还需要修改一些其他的参数来匹配对应的三极管，方法相同，这里就不再赘述了。3.Pspice中的仿真实现3.1.雪崩效应的仿真使用直流扫描方式，在C-E极加压，可以得出晶体管在击穿电压40V处的雪崩曲线。图5雪崩仿真效果图3.2.极窄脉冲的产生虽然基极电流对三极管的雪崩产生有直接的影响，但新构建的三极管模型不能作出反应，因此我们采用电压的触发方式（触发方式二）进行触发，使用频率为100K赫兹，占空比为1：1的方波作为触发信号，其仿真效果如下：图6UWB脉冲仿真效果4.结论经过电路和元件参数的修改，我们很好的对三极管雪崩效应进行了仿真。不过由于软件仿真还是不能完全体现出实际工作时，三极管PN结击穿后，电流的雪崩倍增，所以我们设计的仿真电路的参数也会与实际电路有所差异，与计算公式得出的结果也会有所差异，这是由于PN结击穿之后，晶体管内部结构会发生变化的原因造成的。虽然仿真与实际会有差异，但我们只要注意到造成差异的原因，用Pspice进行UWB脉冲产生电路的设计仿真，同样能够为我们的设计工作带来极大的方便，可以为我们提供有用的参考数据。参考文献：[1]刘永、张福海，晶体管原理，北京：国防工业出版社，2002。[2]李永平、董欣，Pspice电路优化程序设计，北京：国防工业出版社，2004。[3]UlrichL.Rohde、DavidP.Newkirk，无线应用射频微波电路设计，北京：电子工业出版社，2004。