Second-Order Transient Circuit)
3.1 摘要
此研究將提出一新型超寬頻單輪脈波產生器，電路由兩顆超寬頻雙極接面電晶體 (Bipolar junction transistor 縮 BJT)與二階暫態電路組成主要架構，並利用這些元件達成 幾項優點，第一，脈波產生器的輸出波形擁有對稱且極低的漣波；第二，利用直流電壓 源可調整輸出脈波波形之振幅。電路中由微帶線設計與組裝，微帶線除了當作元件之間 的連接外，也處理阻抗匹配的問題，使得製作容易。實驗結果顯示出，當輸入的震盪器 為 10MHz 時，輸出之單輪脈波振福擁有 100mV 到 500mV 的調整空間以及 500ps 的區 間。
3.2 序言
近幾年，超寬頻技術在現代通訊中扮演著重要角色，主因為超寬頻系統在短距離通 信或軍事應用方面有許多令人著迷的應用，像是無線個人區域網路或時域檢測雷達，在 無線個人區域網路中，使用窄脈衝傳輸之超寬頻系統擁有寬頻與低功率之特性，因此，
系統資料率通常可到達 500M/s；軍事應用方面，超寬頻技術用於微波成像與探地雷達。
然而一個使用在次奈秒(sub-nanoseconds)的超寬頻脈波產生器，將有更深入的應 用，例如:未爆彈(unexploded ordnance)的精準偵測[23][24]和個人區域網路(wireless personal area network)的高速傳輸，這些高頻系統發展，處處都顯示了超寬頻脈波產生 器的重要性。
超寬頻脈波產生器為時域超寬頻系統中之核心裝置，主要工作為產生次奈秒的時域
Vcc
R1
V1
Rs L
Vcc
R2 RL
BJT1
BJT2
C1 C2
C3
V2 V3
窄脈，在發射器裡，資料直接編碼於脈波產生器輸出之脈波，而在接收器之中，脈波產 生器輸出脈波供相關器或匹配濾波器使用，達到解調信號的功能，當超寬頻系統於時域 中設計時，脈波的類型選擇將很重要，超寬頻脈波的使用類型不外乎下列三種:高斯脈 衝波，高斯單輪脈波以及多周波(poly-cycle pulse)；只要是高斯脈波的三次微分以上，
大部分都可以稱為多周波。這些波形普遍都擁有極寬頻的特性，不過在這三種脈波類型 中，只有單輪脈波與多周波之頻譜不包含直流成分，此特性對於 FCC 的功率限定，佔 有極大的好處，因此所提及的後兩者，將會比前者比較普遍被使用。
在過去研究之中，脈波產生器大部分是利用步階恢復二極體(step-recovery diode)特 性去產生超寬頻的脈衝波[8-10]，步階恢復二極體，在順偏壓時充電，負偏壓時，則全 力放電，對方波而言，步階二極體可非常有效的提升方波之上升時間與下降時間。而在 此新型電路中，我們有別於步階恢復二極體的設計，利用兩個雙極接面電晶體以及二階 暫態電路實作超寬頻脈波產生器，用被動元件所實現的二階暫態電路在操作時，會產生 三種暫態響應，這些響應波形帶有超短區間、超寬頻的特性，對於超寬頻脈波的產生，
非常合適。由於此電路的架構簡單，設計方便，所以也有低成本的潛力。
3.2 操作原理與分析 3.2.1 電路描述
圖 3.1 新型高斯單輪脈波產生器
圖 3.1 顯示新型單輪脈波產生器之電路圖，在輸入級，方波震盪器驅動第一顆雙極
Vcc
Ic
R1
V2
V V1=−1
Vcc
saturation mode Rs
R1
V2
V V1=−1~1
Rs
cutoff mode
) (t i
V
V3≈0
V
3C1 C1
L1 L1
接面二極體操作在飽和區與截止區；第二級則是由電阻、電容、電感組成之二階暫態系 統，主要的功能在於產生一個類似釘型的脈波電壓(spike-like pulse)；第二顆電晶體隔 離低電壓的漣波訊號，它的行為就像是一個二極體，阻隔低於 0.6V 的電壓訊號，目的 在於把釘形脈波切割成類似高斯波形；在輸出級方面，則利用電容電阻微分器把在電晶 體射極出現的波形，進行微分的工作。經過這些步驟之後，可獲得一個對稱且極低漣波 之高斯單輪脈波。
3.2.2. 輸入級
顯示於圖 3.2 的輸入級是為共基極架構，作用就像是數位式的開關裝置，輸入訊號 為一個 4V 峰對峰值的方波震盪器，使得電晶體操作在截止區與飽和區。
當震盪器處於負半週-2V 時，電晶體的基射極與基集極成為順向偏壓，使得電晶體 操作於飽和區，由於基射壓降為定值，所以所造成之集極電流也為固定電流，此時集極 電流將關聯兩成份，一成分是電壓源提供的電流，另一成分是經由電感電容的電流，後 者電流將瞬間對電容快速充電，使得電容存在一壓降，此壓降稍後會成為二階暫態電路 的初始條件以及求取節點電壓的方程式，由於往輸出方向的電流都被電容給吸納了，所 以沒有足夠的動態電壓傳導至第二顆雙極接面電晶體的基極並開啟。
42 根據克西荷夫定律(Kichhoff’s rules)可得:
(3.1)
t
Critically
在本次設計中，y=3.536 (overdamped response)，圖 3.3 為各個響應的波形
圖 3.3 Overdamped、underdamped 和 critically damped 響應
利用上面提及的準則調整電阻電容電感的數值，得以控制釘形脈波之高度與寬度，
以達到要求的波形，上面提及之三種響應中，Critically damped 和 Overdamped 響應模 型都適合此電路設計要求，原因為此兩種響應波形合適，無負半週波形，左右對稱，很 適合近似高斯脈波。當設計成Critically damped 響應時，會遇到一個嚴重的問題，即是 所造成的釘形脈波振幅太小或區間太大，理由是當我們想把y 值趨近於一時，就必須把
96 98 100 102 104 106 108
94 110
-0.5 0.0 0.5
-1.0 1.0
Time [nsec]
Amplitude [V]
96 98 100 102 104 106 108
94 110
0.00.2 0.4 0.6 0.81.0 1.2
-0.2 1.4
Time [nsec]
Amplitude [V]
(a)
(b)
圖 3.4 二階暫態電路的電壓波形(a) V2電壓波形 (b)V3 電壓波形
3.2.4 射極隨耦器與輸出級
由雙極接面電晶體與電阻構成的射極隨耦器是寬頻電路的架構，目的為讓電晶體頻 寬不因被動元件而縮減，若是共射極組態，則會因為頻寬不夠而造成釘形脈波經過電晶 體時造成區間變大，除非電晶體的本身為極高頻元件，不然射極隨耦是目前最佳之選擇。
我們將 V3 電壓輸入進第二顆電晶體之基極，由於 V3 電壓有足夠的能力驅動電晶 體，並使其處於主動區，在此情況下，電晶體的基極與射極電壓差會等於電晶體之臨界 電壓，此為射極隨耦器名稱的由來，所以射極電壓將會等於V3的電壓切除掉 0.6V(0.6V 是電晶體的臨界電壓)以下的電壓波形，換句話說，即是保留V3電壓圖中 0.6V以上的 波形，去除小於 0.6V不需要之訊號，而在射極得到一對稱且區間極小的高斯近似脈衝 波，電晶體所扮演的角色就像一個二極體去除多餘的訊號一樣，射極輸出如圖 3.5 所示。
96 98 100 102 104 106 108
94 110
0 200 400 600
-200 800
Time [nsec]
A m pl itude [ m V ]
96 98 100 102 104 106 108
94 110
-100 0 100
-200 200
Time [nsec]
A m pl itude [mV ]
圖 3.5 電路中雙極接面電晶體射極所輸出的電壓
在輸出級，利用RC 微分器將射極所輸出之脈衝波形進行微分動作，當對稱的脈衝 經過電容時，一個反對稱、圓滑且低漣波的高斯單輪脈衝將形成。最後的輸出結果模擬 於圖 3.6。
圖 3.6 新型超寬頻脈波產生器的模擬輸出波形
3.3 製造與量測
新型單輪脈波產生器在介電常數 4.6 與厚度 0.72mm 的微帶線 FR4 板上面已實作，
使用微帶線之特性在各元件之間做阻抗匹配，盡而達到無漣波之輸出波形。雙極接面電 晶體的產品型號為1PS76SB62，由飛利浦半導體(Philip Semiconductor)所製造。實作照
片示於圖 3.7。
圖 3.8 顯示此次量測結果，輸出波型為高斯單輪脈波，脈波區間 500ps，峰對峰值 振幅可以從 100~500mV(圖 3.9)，且在量測圖中可看出在正負部分擁有極佳的對稱性。
此次量測是輸入擁有 10ns 上升時間與下降時間的方波震盪器，頻率為 10MHz；量測端 為 20GHz 之取樣示波器。圖 3.9 顯現了波形振幅的改變，此改變是由於調整直流電壓 1.5V~5V 所引起的結果。
圖 3.7 超寬頻脈波產生器實作電路
圖 3.8 超寬頻脈波產生器輸出量測波形
圖 3.9 (1) 調整直流電壓從 1.5V 到 3V 的輸出波形
圖 3.9 (2) 調整直流電壓從 3.5V 到 5V 的輸出波形 3.4 結論
新型超寬頻雙極接面二極體單輪脈波產生器已設計、實作且量測，更重要的是此電 路成本低，輸出的波形也符合要求。電路的主要特色在於利用二階暫態電路產生區間極 短之釘形脈波，再利用脈波塑型電路將釘形脈波轉變成對稱的高斯脈衝，最後對此高斯 脈衝進行微分動作，即得到單輪脈波波型。此研究設計說明如何利用離散元件把要求寬 鬆的方波震盪器轉化成要求嚴格之單輪脈波，換句話說，即為將低頻方波，轉化成高頻 單輪脈波，當中的優點甚多，例如調整輸出波形振幅從 100mV~500mV，漣波與主振幅 的比例更是不到十分之ㄧ。脈波產生器輸出之脈波擁有極寬頻的特色，更提供了極大的 調變頻寬與更高資料傳輸率的發展空間。
下一步，我們將利用積體電路高速的特性，將此脈波產生器加上脈波位置調變器設 計於單晶片中，以期達到完全符合FCC 所要求的限制，與電路整合的方向前進。
Vcc
R1
V1
Rs
L
Vcc
R2 RL
BJT1
BJT2
C1 C2
C3