一種對高速脈沖邊沿整形、調整的設計方案

在高速脈沖中，上升、下降時間直接決定了脈沖的質量，隨著快速沿脈沖在示波器的瞬態響應、時域反射技術、元器件的開關特性等方面的廣泛應用，人們不僅關注脈沖信號的頻率、幅度、寬度等特性，脈沖的上升、下降時間也得到了越來越大的重視。高速脈沖不僅僅要求脈沖的頻率高，脈寬窄，同樣對脈沖的快速沿提出了很高要求。現在國外的脈沖發生器已經能夠生成上升、下降時間在100 ps以內的脈沖。產生一定重復頻率、一定寬度的脈沖并不困難，但要產生納秒甚至皮秒量級前、后沿的脈沖信號則是一件相當困難的事。隧道二極管以其變化速度快，功耗小的特點，在脈沖產生和整形電路中得到了廣泛應用。尤其是在高速脈沖整形電路中，隧道二極管更是憑借它反應靈敏，瞬態響應快的特點大受青睞，本方案利用隧道二極管的隧道效應將輸入差分脈沖的前后沿整形至800 ps以內，之后通過差分對管搭載恒流源實現脈沖上升、下降時間在800 ps～1μs之間的可控調整。

1 隧道二極管的特點

隧道二極管是一個PN結二極管，其特性曲線如圖1所示。它與普通二極管特性曲線有很大不同，在電壓U很小時，電流I已經相當大了，而電壓U增大到一定數值時，電流I反而下降，呈負阻性。電壓U為負值并且不大時，也有相當大的反向電流。隧道二極管的特殊性質是由于半導體摻雜特別重，導致阻擋層厚度特別薄，約為10-6cm，而普通二極管的阻擋層厚度約為10-4cm，從而導致二極管內的載流子除了以擴散方式移動以外，還以隧道效應移動，在反向狀態下，流過二極管的電流主要是隧道電流，遠遠大于普通二極管的反向飽和電流，由于隧道效應，隧道二極管內沒有少數載流子存儲效應，從而使隧道二極管能工作于超高速狀態，目前隧道二極管能產生邊沿時間為20ps的高速脈沖。隧道二極管的伏安特性可用5個參數來表征：(1)峰點電壓VP；(2)谷點電壓VV；(3)峰點電流IP；(4)谷點電流IV；(5)前向電壓VF(投影峰點電壓-與峰點相對應的第二個正電阻區的電壓)。

2 脈沖整形電路分析

隧道二極管是個電壓多值元件，它可以工作在單穩觸發、雙穩觸發和自由多諧振蕩3種方式下，3種工作方式的負載線見圖2。在本方案中，通過偏置電路將隧道二極管的工作狀態設為單穩觸發模式，在保證脈寬不改變的前提下，對脈沖的上升、下降沿進行整形。圖3即為單穩觸發狀態下的隧道二極管整形電路原理圖。

方案選用國產2bs21d型號的隧道二極管，它的特性參數如下：IP=60 mA，VP=180 mV,VV=400 mV，VF=500 mV，IV=15 mA，CTM(最大總電容)=2 pF,由此可以計算出單穩狀態下整形出的脈沖的階躍時間為。電路中直流電源V1、電阻R1構成隧道二極管的偏置電路，設置隧道二極管的工作狀態為單穩觸發模式。電感L1用來改善輸出波形邊沿，取值計算公式為L=5TR(R2+R1)，C1為隔直電容。當觸發脈沖Vin的上升沿到來時，隧道二極管上的電流隨之增加，當二極管上的電流超過峰點電流IP時，由隧道效應，二極管上的電壓躍升至前向電壓VF，從而實現對脈沖的上升沿進行整形；保持二極管上的電流穩定不變，即可維持脈沖的幅度不變，也就保證了輸出脈沖Vout的脈寬；當Vin的下降沿到來時，二極管上的電流減小，當電流降至二極管的谷點電流IV并繼續下降時，由隧道效應，此時二極管上的電壓由UV突降至UB(與谷點對應的第一個正阻區的電壓)，從而實現對脈沖的下降沿的整形。

3 邊沿調整電路分析

電容對電壓有記憶性質，控制對電容的充放電電流就可以控制電容輸出電壓的波形，利用這個特點，可以設計出差分脈沖的上下沿調整電路。

對脈沖邊沿的調整過程如下：2個場效應管(NE321000)構成高速開關，控制差分輸入信號的通斷。電流源I1、I2、I3之間的關系為I1+I2=I3。當輸入信號VIN+的上升沿到來時，可知VIN-幅度下降。此時T1導通，T2關斷。電容C1上的電流為IC1=I1-I3=-I2，C1放電，調整VOUT-的下降沿；電流源I2對電容C2充電，調整VOUT+的上升沿。當C1上的電壓下降到(VCL)-VCR1時，二極管CR1導通，C1不再放電，VOUT-的低電平被鉗在(VCL)-VCR1上；同理，C2上的電壓上升到(VCL)+VCR4時，CR4導通，C2不再充電，OUT+的高電平被固定在(VCL+)+VCR4上。電容電流脈沖的上升、下降時間。電路的仿真結果如下：與電容電壓之間有關系式：CU=∫Idt，從這個公式中要計算出脈沖的邊沿時間比較困難，可以將流過電容的電流近似看作一個三角波，由此可得到脈沖上升、下降時間與脈沖幅度、充放電電流和電容之間的關系式：T≈2CU／I。可知，改變電流I1、I2、ISUM和電容C的大小即可調整脈沖的上升下降時間。

4 實驗結果及分析

實驗測試過程中，采用agilent 33 250脈沖發生器作為脈沖源，分別輸入頻率為80 MHz和100 kHz，邊沿時間為4 ns的脈沖；采用agilent infiniium 600 MHz示波器分別在隧道二極管整形電路和邊沿調整電路側測得輸出結果如表1、表2所示：

從測試數據來看，實驗結果與理論計算結果非常相似，但還是存在一些差異，這主要是由于在分析過程中對電路進行了適當的近似和簡化，以及在電路制作中引入的寄生電容等不確定因素造成的。可以看出，該方案對80MHz以內的脈沖信號能起到較好的邊沿整形和調整的效果。

本文利用隧道二極管的隧道效應和場效應管的高速開關功能，成功實現了將脈沖的上升、下降邊沿整形到皮秒級別，并可在800 ps-1 us之間可控調整。隨著對脈沖上升、下降時間的重視，能夠實現脈沖邊沿整形、控制的電路結構將越來越有實用價值，本設計方案具有結構簡單，成本低，性能好的特點，在高速脈沖發生技術中將有較好的應用前景。