基于ADS軟件的脈沖電路設(shè)計(jì)

引言
高速窄脈沖技術(shù)是超寬帶雷達(dá)中的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的窄脈沖產(chǎn)生電路的核心是高速器件，不同的高速器件構(gòu)成不同性能的高速脈沖產(chǎn)生電路。對(duì)于作用距離較短的兩線(xiàn)制測(cè)距雷達(dá)來(lái)說(shuō)，高速器件產(chǎn)生的窄脈沖無(wú)疑會(huì)帶來(lái)很大的功耗，這就使兩線(xiàn)制的實(shí)現(xiàn)遇到了很大的阻力。
本文介紹一種基于電容微分結(jié)構(gòu)的低功耗脈沖產(chǎn)生電路，脈沖寬度可以做到1.5ns，比以往用簡(jiǎn)單模擬器件產(chǎn)生的窄脈沖在脈沖寬度上有很大程度的提高。利用Agilent公司的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件ADS對(duì)該電路進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并進(jìn)行了調(diào)試。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明ADS軟件在電路建模與仿真方面具有很高的可靠性。

微分電路
無(wú)源微分電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它實(shí)際上就是一種簡(jiǎn)單的RC充放電回路，當(dāng)電路的時(shí)間常數(shù)RC比較小時(shí)，有下式。

電路完成微分運(yùn)算。微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對(duì)恒定部分則沒(méi)有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與RC有關(guān)(即電路的時(shí)間常數(shù))，RC越小，尖脈沖波形越窄，反之則寬。此電路的RC必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，變?yōu)橐话愕腞C耦合電路了，一般RC少于或等于輸入波形寬度的1/10就可以了。

ADS軟件介紹
安捷倫高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)ADS是一套強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)軟件，可以模擬整個(gè)通信信號(hào)通路，完成從電路到系統(tǒng)的各級(jí)仿真。它把廣泛的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的射頻、混合信號(hào)和電磁設(shè)計(jì)工具集成到一個(gè)靈活的環(huán)境中。本文只簡(jiǎn)單介紹了ADS軟件最基本的電路設(shè)計(jì)仿真方面的應(yīng)用，讀者可以通過(guò)這個(gè)實(shí)例對(duì)更高級(jí)的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。
利用ADS軟件設(shè)計(jì)電路的流程如圖2所示，它包括了從原理圖到PCB板圖的各級(jí)仿真?？梢钥吹?，當(dāng)任何一級(jí)仿真結(jié)果不理想時(shí)，都必須回到原理圖中重新進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行再次仿真，直到仿真結(jié)果滿(mǎn)意為止，這樣可以保證實(shí)際電路與仿真電路的一致性。
脈沖電路設(shè)計(jì)
基于電容微分結(jié)構(gòu)的脈沖產(chǎn)生電路在ADS軟件中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。ADS的器件庫(kù)中有非常豐富的器件模型。本電路中激勵(lì)源SRC1采用上下延幅度為5V(Vlow=-2.5V，Vhigh=2.5V)，頻率為1MHz的方波晶體振蕩器。整形二極管D1、D2、D3選用Agilent_HSMS2820，該二極管封裝為三個(gè)管腳，其中一個(gè)管腳無(wú)效，呈斷開(kāi)狀態(tài)并不影響仿真結(jié)果。三極管Q1選用Siemens_BFT92W，經(jīng)過(guò)三極管后，周期信號(hào)的上升沿變?yōu)橄陆笛?。這樣使產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在時(shí)間軸上處在每個(gè)周期范圍的中間。Tran1為仿真模塊，該電路仿真模式為T(mén)RANSIENT，即瞬態(tài)(時(shí)域)仿真。最終的仿真結(jié)果從探測(cè)點(diǎn)V_out輸出。
對(duì)該電路進(jìn)行仿真并進(jìn)行多次優(yōu)化。其中C5和R5的取值對(duì)脈沖的幅度和寬度影響較大。當(dāng)它們?nèi)≈递^大時(shí)，則脈沖幅度很高，但相應(yīng)的脈沖寬度也很寬?？梢?jiàn)，脈沖幅度和寬度之間是相互制約的。要在滿(mǎn)足脈沖寬度條件下，取合適的C5和R5值，來(lái)獲得最大脈沖幅度。最佳仿真結(jié)果如圖4所示，脈沖周期與激勵(lì)源相同，為1MHz，脈沖寬度約為1.5ns，脈沖幅度約為3V。
對(duì)該電路安裝并進(jìn)行了調(diào)試，利用泰克示波器對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量。需要指出的是，因?yàn)槊}沖寬度比較窄，相對(duì)應(yīng)的在頻域中的頻譜就較寬，因此應(yīng)選用帶寬在1GHz以上的示波器才能準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際測(cè)量的結(jié)果如圖5所示。圖中橫坐標(biāo)每格為1.5ns，縱坐標(biāo)每格為500mV。所設(shè)計(jì)的脈沖產(chǎn)生電路實(shí)際脈沖寬度約為1.5ns。由于一些器件的損耗，脈沖幅度有所降低，約為2.5V。實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

參考文獻(xiàn)
1 胡鷹. 微分電路R、C參數(shù)分析.四川輕化
工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999.1