基于雪崩晶体管的UWB脉冲产生电路

13基于雪崩晶体管的UWB脉冲产生电路3.1雪崩效应原理为了对脉冲产生器的电路作分析，我们就得先对雪崩晶体管进行分析。普通的三极管的输出特性可以划分为四个区域，分别是饱和区、截止区、雪崩区和放大区。当三极管的集电极被加上足够高的反向电压的时候，集电结空间电荷区内部的电场强度会比放大运用的大许多倍，进入集电结的载流子会被强电场加速，是指获得极高的能量后继续与晶格产生碰撞而形成新的电子—空穴对，新生的电子、空穴有分别被强电场加速而获得较强的能量而重复上述所示的过程。于是三极管集电结电流就会以类似“雪崩”的方式迅速增大，这就是晶体管的“雪崩”效应。具有明显的雪崩效应的晶体管称之为雪崩晶体管。晶体管在雪崩去的运用具有如下主要特点[9]：1）在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单一的值。并且随着电压的增加可以出现电流减小的现象，也就是说，雪崩效应是晶体管集电极—发射极之间呈负阻特性。2）雪崩晶体管最重要的参数如雪崩上升时间、触发延迟、雪崩下降时间、雪崩脉冲幅度、触发抖动等等，不仅取决于晶体管和电路的参数取值，而且与电路的分布参数有关。3）由于雪崩应用时集电结加有反向电压，集电结空间电荷区向基区一侧的扩展是有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区的渡过时间缩短很多，即晶体管的有效截止频率大为提高。4）当晶体管处于雪崩状态的时候起电流会增大到正常运用时候的M倍，其中M味雪崩倍增因子。设雪崩效应后的晶体管的共基极电流增益为，则有：,M为雪崩倍增因子，我们可以理解为：一个载流子进入了集电结空间电荷区后，在集电结空间强电场的作用下的时候，流出集电结空间电荷区产生载流子的数量是M。则是雪崩前晶体管的共基极电流增益。通常略小于1但却近似于1。倍增因子M可有下式求解：（25）式中是三极管的外加电压，是三极管发射极开路的时候集电极—基极反2向击穿电压，是与晶体管材料相关的密勒指数，通常硅的指数为3—4。晶体管正常用的时候其发射极电流增益为。在集电结空间电荷区的雪崩倍增情况下，共发射极电流增益表示：（26）图3.1NPN型晶体管共发射极输出特性如上图3.1所示为NPN型雪崩三极管，当（为维持电压）的时候，由于，，没有出现雪崩现象，当时候，，晶体管基极开路，此时没有基极电流注入，流经基区的载流子数与通过集电结的载流子数相等，载流子不会复合，即，因而，，这就对应于刚刚出现的雪崩效应。当电压继续增加，并且基极皆有电阻或者加上反向偏压时，其将雪崩击穿并且出现负阻特性。、所限定的电压范围称之为雪崩工作区。在雪崩区的时候，发射结反偏，基极电流为负，集电极电流随着和的变化而急剧变化[12]。33.2基于雪崩三级管的UWB脉冲产生电路利用雪崩三极管的雪崩效应设计的UWB脉冲发生器，为了获得较高的输出幅度你通常需要较高的直流电压，用来满足雪崩击穿的发生条件，下面就是本文设计的UWB脉冲电路。产生近似一次微分的高斯脉冲。1、电路的设计和分析这里所设计的UWB脉冲产生电路依然是基于雪崩三极管的雪崩效应控制接储能的电容快速放点形成的ns级别的UWB脉冲。利用雪崩发生的时候三极管开关速度快和电容的从放电来实现UWB脉冲。图3.2脉冲产生电路如图3.2所示，当脉冲电压源V1触发脉冲尚未到达的时候，雪崩三极管截止，电容C2在直流电压源V2的作用下通过R3充电，使电容上的电压值接近于直流电压源V2的值。当一个足够大的脉冲到来后，是三极管的工作点运动到不稳定的雪崩区。Q1雪崩击穿，产生快速增大的雪崩电流，导致电容C2经由晶体管Q1快速放电，从而在电阻R2上产生一个负的脉冲，而且电容C3在此过程中充电，当电容C2放电完毕后电容C3开始放电，此时在电阻接着R2上产生一个正的脉冲。由于雪崩三极管在雪崩击穿的导通时间非常短，通常只有ns级别。所以上述过程就会在电阻R2上产生输出电压为近似的一次高斯UWB脉冲波形。42、电路仿真分析由以上电路图，电路参数取值：C1=20pF,C2=1.65pF,C3=10pF，R1=100，R2=100，R3=100，R4=50K。V2=20V，雪崩三极管Q为英飞凌公司产品BFP450，输入触发脉冲V1为脉冲宽度为20ns，周期为30ns，幅度为5V的脉冲电压源。利用pspice软件仿真则输出波形如图3.3：图3.3输出波形图图3.3仿真输出的脉冲性能指标：脉冲幅度V，脉冲峰谷宽度ns。其输出的频谱图为3.4：图3.4输出波形的频谱图由超宽带的定义可知道，其绝对宽度为316mV所对应的频率宽度，即为800MHz，而超宽带定义绝对宽度大于500MHz，所以本电路符合产生超宽带脉冲的要求。3、电路中参数对超宽带脉冲的影响5直流电压V2的取值对超宽带的幅值影响。将电压源取5V，20V，30V，50V。然后得到如下输出波形：从下图可以看出，随着电压源V2的增加，输出波形的幅值也会增加。因为随着电压的增大，电容C2的蓄电也会跟着增大，即放电的时候电流也会增大，故会出现上图的情况。图3.5电压取5V，20V，30V，50V时的输出波形改变的脉冲电源V1的上升时间点，则会在相应的时间处产生UWB脉冲，即通过控制脉冲电源可以控制UWB的产生位置。如下图3.6所示为输入脉冲电源为周期为10ns幅度为5V的方波。图3.6脉冲电压源为周期为10ns幅度为5V的方波时的输出波形64、温度对超宽带脉冲产生的影响对电路进行温度分析，电路不变，利用pspice软件可以设定一定的温度条件下电路输出的结果。现在就对此电路选取-20度，0度，20度，40度,60度，就此电路的输出波形为图3.7：图3.7取不同温度值时电路的输出则有图3.7的电路输出可以看出温度对超宽带产生的影响几乎不存在。也就是说，此电路对产生超宽带有很好的适应性。5、改变电路使得电路能产生零次高斯脉冲，电路图如下3.8：7图3.8零次高斯脉冲产生的电路图依旧利用雪崩三极管的雪崩效应来获得超宽带，电路参数经多次仿真所选取的，此电路参数取值为，C1=10pF,C2=15pF,R1=1000，R2=150，R3=1000，V2=20V，雪崩三极管Q为英飞凌公司产品BFP450，输入触发脉冲V1为脉冲宽度为5ns，周期为50ns。此电路的输出如图3.9：图3.9为电路输出的零次高斯脉冲波形8此脉冲的宽度为0.6ns，脉冲幅度为18.8V。电压V2对此电路压的的影响和一次高斯脉冲一样，随着电压的升高，输出高斯脉冲的幅度也会提高。本章小结本章着重讲了UWB的产生电路，由雪崩三极管的雪崩效应得到超宽带脉冲，电路的结构简单，原件布局清晰明了，器件成本相对比较低，工作稳定，易于集成，参数的选取都经过多次仿真比较所得，实验所得结果能够达到预期的效果。但是，经过仿真所得图形和自己预期的波形大体相差不是很大，但波形的过渡处仍然不够理想，波形时域图中脉冲峰谷宽度略显宽了一点。但在可接受范围之内。