在本章節中，將提出超寬頻脈波產生器之架構，並加以設計、實作與量測
5.1 簡介
近幾年來，超寬頻技術在現代通訊系統中所扮演的角色日益重要。在超寬頻系統 中，脈波產生器由於是整個系統脈衝基頻信號來源，因此是目前超寬頻技術中最基本的 設計核心，然而傳統的脈波產生器採用步階恢復二極體(step recovery diode)作為寬 頻脈波的產生，在經過新的設計理念之後，我們採用二階暫態電路的響應方式，產生能 夠適用於寬頻通訊系統的脈波，因此，利用 CMOS 製程的低功率，低價格以及與基頻電 路(baseband circuit)間的高度整合性，使得超寬頻技術將會發展更完具有完整性。
由於超寬頻通訊系統所使用的頻率範圍寬廣且高頻，因此要實現一個符合此需求之 超寬頻脈波產生器最困難之處就在於發送脈波之主要波形與極短區間，若是系統所發送 之脈波區間太大，將造成輸出波形頻寬太低且降低傳送資料率，有鑑於此，本論文將集 中在脈波產生器之波形設計，以滿足超寬頻通訊系統之高速要求。在量測部分透過國家 晶片實驗中心(CIC)所提供之探針台將訊號輸出至數位示波器(HP 54120B Digitizing oscilloscope)進行量測，最後將探討量測波形與模擬波形之差異以及造成電路之不理 想原因為何。
DATA
Oscillator
R1
R2
RL
C1 3
C
L1
L2
M1
M2
脈波位置調變器
脈波產生器
C2 T
T1
T2
T3 5.2 超寬頻脈波產生器(UMC 設計)
圖 5.1 超寬頻脈波位置調變發射器
圖 5.1 為本次下線的電路圖，包含以下兩部分：脈波位置調變器與脈波產生器。一 般傳統電路把脈波位置調變器置於脈波產生器之後，此設計因考量設計上的簡易，所以 把脈波產生器置於脈波位置調變器之後。以下說明每一部分的架構。
此電路除了脈波產生器之外，其餘皆為數位設計。當方波進入 PPM 調變器時，經由 資料輸入端(Data input)的 high 或 low 來控制所輸入的方波要經由＂短＂路徑或＂長＂
路徑，此長短路徑分別代表 data input 的＂1＂或＂0＂，在同一個週期之內，只有一 個路徑在作動。在 PPM 調變器的輸出接上脈波產生器，可直接把方波轉化成超寬頻脈波 (UWB pulses)，量測時輸入端為 50MHz 的方波震盪器，上升時間與下降時間 (rise time and fall time) 都為 2 ns。在震盪器的輸出端是連接兩個反向器 (inverters)，此兩
個反向器主要的功能在提昇震盪器方波的上升時間與下降時間，由於 0.18um CMOS 的反 應時間極快，故能有效的提升方波的上升時間與下降時間；在反向器的輸出，連接脈波 位置調變器，其中調變器是由三個傳輸閘(transmission gates)與一個延遲元件(delay element)組成，來造成調變的效果。有兩條路徑會在調變器的輸出會合，此兩條路徑所 經過的元件數目不同，所以上升時間與下降時間也不同，為了讓兩條路徑擁有相同的上 升與下降時間，進而驅動同一個脈波產生器，我們利用四個反向器，來促使兩條路徑上 升與下降時間一樣。以期在脈波產生器的輸出得到相同的波形卻不同的延遲時間。
當方波驅動開關裝置時，造成在正半週的時候開啟二階暫態電路 (second order transient circuit) ，負半週時關閉二階暫態電路；由於二階暫態電路的開啟，將會 產生一個釘形脈波 (spike-like pulse)，此釘形電壓的寬度是屬於微微秒(pico-second) 的區間，有利於我們產生一超窄的脈衝波；釘型電壓當中有夾雜著我們不需要的信號，
可用一簡單的阻隔器，將不需要的電壓波形濾除掉，進而形成漂亮對稱的脈衝波形 (impulse)，這脈衝波形近似於高斯波形，在很短的時間之內，即可上升到振福的最高 點；最後的輸出階段，使用一個二次微分器，將脈波微分，形成一 scholtz＇s monocycle pulse (此為高斯脈波二次微分的專有名詞)，當高斯波形經過微分之後 ，原本佔據低 頻的成分，將往高頻移動，這將使得超寬頻通訊在低頻部份可以與其他的通訊系統互相 共存，如 GPS 頻段。
5.2.1 量測結果
本論文提出的超寬頻脈波產生器，使用 Agilent ADS 模擬軟體以及 UMC 0.18-um Mixed Signal CMOS 製程的 RF model 實作。本電路設定輸入端為 50MHz 方波，方波振福 為 2V(peak to peak)，電路中之反向器偏壓於±1V，脈波產生器工作於 2~4V，輸出端則 連接數位示波器，以便直接量測。單個波形之量測結果示於圖 5.2，由於輸出方波為 50MHz，所以每 20ns 為一方波週期，即每 20ns 脈波產生器將藉由方波之狀態改變而輸 出一個極短區間脈波，圖 5.2(a)~5.2(f)顯示波形在不同時間區間大小所量測到之結果
與其轉換頻譜；在圖 5.2(f)中可清楚得知，脈波之波形區間約為 130ps，振幅約為 190mV，轉換之頻譜頻寬約從 10GHz~24GHz(以 10dB 頻寬計算)，約 14GHz。
圖 5.3 顯示出對於脈波位置調變時，輸出波形的差異，當 data input 為＂1＂時，
即是左邊藍色脈波；當 data input 為＂0＂時，即是右邊紅色脈波，可發現兩脈波不管 振幅高度或者脈波區間都非常近似，唯一差別只在於延遲的時間不同，約略相差 70ps。
5.2.2 結果與討論
表四顯示出量測與模擬結果之間的差異性，量測結果在電路之輸出波形與脈波位置 調變之功能方面與模擬結果大致吻合。以下將對量測部分較不理想方面提出討論:
1. 在圖 5.2(a)中，在兩主要波形之間，存在一極小的漣波(ripple or ringing)，由於 電路是利用方波由 low to high 驅動脈波產生器產生一個正的超寬頻脈波，但是當 方波由 high to low 時，也會產生一個負的超寬頻脈波，在電路設計時，已把此負 的脈波經由電路濾除，由於電路都帶有寄生效應，所以此負脈波無法濾除，在電路 之輸出端將以小漣波方式呈現。
2. 在圖 5.2(f)中，輸出波形與原來模擬之波形仍有部分差異，原來模擬之波形較對稱，
而量測之波形較不對稱，最主要造成此現象之原因不外乎被動元件之值漂與主動元 件之寄生效應，由於此電路之二階暫態電路與微分器對於電感或電容之數值較敏 感，將使輸出波形造成不對稱的情況出現，且越高頻率則越明顯。
3. 在圖 5.3 中，可知經由量測之脈波位置調變大約 70ps，此與當初模擬之 50ps 有 20ps 之差異，由於產生兩脈波之訊號路徑不同，才造成 PPM 之結果，所以最主要產生這 20ps 時間差異的原因在電路中，＂長＂路徑因製程關係帶有過多之電容，使得訊號 多延遲 20ps。
4.
圖 5.2(a)超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.2(b) 超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.2(c) 超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.2(d) 超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.2(e) 超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.2(f) 超寬頻脈波產生器之輸出量測波形
圖 5.3 脈波位置調變之輸出波形
表 5.1 超寬頻脈波產生器量測與模擬之差異
Measurement Simulation
Process Technology 0.18μm CMOS 0.18μm CMOS
Modulation Pulse Position
Modulation(70ps)
Pulse Position Modulation(50ps)
Waveform Width 130 ps 100 ps
Waveform Amplitude 190mV (peak to peak) 170mV (peak to peak)
Power Consumption 16mW 12mW
Waveform Bandwidth 10GHz~24GHz 8GHz~28GHz
-1.50E-01 -1.00E-01 -5.00E-02 0.00E+00 5.00E-02 1.00E-01 1.50E-01
1.00E+00 2.01E+02 4.01E+02 6.01E+02 8.01E+02
Time [ps]
Amplitude [V]
DATA=1V DATA=-1V
圖 5.4 chip die
4V Gnd Gnd
Gnd
Gnd Gnd
Gnd
1V Data -1V