【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 應(yīng)較強(qiáng)的晶體管稱(chēng)為雪崩晶體管。 雪崩三極管的擊穿機(jī)理晶體三極管的輸出特性包含四個(gè)區(qū)域：飽和區(qū)、線(xiàn)性區(qū)、截止區(qū)和雪崩區(qū)。當(dāng)基極注入電流為正值，即 0時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電極電流隨基極電流的變化而變化了。隨的變化成比例的區(qū)域?yàn)榫€(xiàn)性區(qū)，不隨明顯不變化的區(qū)域?yàn)轱柡蛥^(qū)，以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)。當(dāng)基極注入電流為負(fù)值，即時(shí)，發(fā)射結(jié)處于反偏，一般情況下，集電極電流接近于O。如果在集電極與發(fā)射極之間加上很高的電壓，集電極電流會(huì)隨基極電流和集射電壓劇烈變化，所以。，繪制了一組基極電流為常數(shù)的集電極電流與集電極到發(fā)射極電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。設(shè) 0，且保持不變，隨著電壓的增大，集電極電流開(kāi)始緩慢增大，當(dāng)接近時(shí)，集電極電流劇烈增大，此時(shí)晶體管被擊穿。如果且保持不變，隨著電壓的增大，集電極電流開(kāi)始緩慢增大，當(dāng)接近和超過(guò)時(shí)，集電極電流依然很小。隨著電壓繼續(xù)增大，一旦增大到某一特定值，使得晶體管的工作點(diǎn)移動(dòng)到Q點(diǎn)，開(kāi)始急劇增大。此后即使減小，仍然急劇增大，此時(shí)，晶體管呈現(xiàn)負(fù)阻抗特性。，對(duì)于不同的基極電流，臨界點(diǎn)Q的位置不同，反向基極電流越小，其Q點(diǎn)越靠近直線(xiàn)，但無(wú)論多大，Q點(diǎn)也不能越過(guò)直線(xiàn)，晶體管的雪崩區(qū)位于與之間。 雪崩晶體管的擊穿電壓二次擊穿臨界點(diǎn)Q的位置，可以根據(jù)倍增因子來(lái)計(jì)算。由基極電流與發(fā)射極電流的關(guān)系 ()可以得到倍增因子 ()式中是晶體管的共基極電流放大系數(shù)?？紤]為常數(shù)的情況。由于基極電流的影響，發(fā)射極電流產(chǎn)生不均勻分布，這種不均勻分布，導(dǎo)致了基區(qū)電阻的增大。，利用二極管方程 ()其中 ()為基區(qū)電阻，該電阻阻值隨基極電流的大小而變化。將()、()代入()得到 () 當(dāng)晶體管二次擊穿時(shí)，應(yīng)有 ()此式與下式 ()等效。將()式代入()式計(jì)算，得到臨界擊穿基極電流 ()其中是晶體管的小信號(hào)基極電阻 ()將()的結(jié)果代入到()，得到發(fā)射極電流 ()將此結(jié)果代入()，結(jié)合Miller關(guān)于雪崩倍增因子與關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式 ()(其中n是一個(gè)與材料相關(guān)的系數(shù)，一般在2~6之間)便可以得到與之相對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。若有外接電阻與串聯(lián)，外接電阻與發(fā)射極串聯(lián)，則()式應(yīng)表示為 ()相應(yīng)的臨界擊穿基極電流變成為 ()根據(jù)()，由于的作用，導(dǎo)致的減小，會(huì)降低晶體管的擊穿電壓；而的作用導(dǎo)致的增大，會(huì)相應(yīng)提高晶體管的擊穿電壓。 雪崩三極管脈沖電路的產(chǎn)生，電路中直流電壓（接近于，但小于）給集電極供電。該電路在基極輸入端提供一個(gè)脈沖序列進(jìn)行觸發(fā)，當(dāng)脈沖觸發(fā)電路啟動(dòng)時(shí)，電路集電極輸出端處于高阻狀態(tài)。同時(shí)，由直流電壓經(jīng)過(guò)電阻和負(fù)載為集電級(jí)電容充電，使集射電壓近似等于直流電壓，此時(shí)，三極管的集電結(jié)反偏，負(fù)載 上的電流是由下而上的，電流將三級(jí)管分別流入基級(jí)和發(fā)射結(jié)流出到地。加入脈沖觸發(fā)后，基極電流由之前的負(fù)電流逐漸轉(zhuǎn)換為正向電流，使集電結(jié)的電流急劇增大，三極管也進(jìn)入臨界狀態(tài)，電流的繼續(xù)增大使三極管擊穿，此時(shí)電容開(kāi)始急速放電，從而產(chǎn)生負(fù)脈沖，同時(shí)集射電壓也隨之開(kāi)始減小，根據(jù)雪崩三極管的工作狀態(tài)可逆性，三極管再次進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，再而截止?fàn)顟B(tài)，等待觸發(fā)脈沖使三極管再次進(jìn)入雪崩狀態(tài)。 ，三極管集射電壓增大到臨界狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電阻上的電流可表示為： （）其中為集射擊穿電壓。雪崩三極管產(chǎn)生高幅度脈沖的要求是：三極管擊穿后，電容放電的時(shí)間必須大于觸發(fā)脈沖的相鄰兩脈沖之間的時(shí)間間隔。故電流可允許的最高重復(fù)頻率表示為： （）一般情況下有遠(yuǎn)小于，故對(duì)于對(duì)電容充電時(shí)間的影響這里不做考慮。由于對(duì)于雪崩三極管的二次擊穿目前還沒(méi)有一個(gè)定向的嚴(yán)格分析，所以無(wú)法估計(jì)脈沖的前沿時(shí)間，只能說(shuō)，雪崩效應(yīng)越強(qiáng)，其前沿時(shí)間越短，而后沿時(shí)間則由來(lái)決定。 超寬帶雷達(dá)脈沖產(chǎn)生電路 元器件的選擇衡量超寬帶脈沖性能的主要參數(shù)是：脈沖的峰值幅度V0、脈沖的寬度tW（包括上升時(shí)間或下降時(shí)間）和脈沖的重復(fù)頻率f0；一般而言，在選擇雪崩三極管時(shí)，要注意幾點(diǎn)：三極管應(yīng)具有較高BVCEO 和較寬的雪崩區(qū)；較高的放大倍數(shù)和特征頻率；較低的飽和壓降。這些參數(shù)對(duì)于電路的穩(wěn)定性，確保輸出脈沖的寬度和幅度指標(biāo)有重要影響。同時(shí)，還應(yīng)考慮晶體管的功率損耗，其觸發(fā)脈沖的作用下可表示為： （） 單極性脈沖產(chǎn)生電路本文采用雪崩三極管產(chǎn)生ps極的窄脈沖，由上節(jié)可知產(chǎn)生脈沖的基本形成電路，但在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，通常為了可以使三極管快速進(jìn)入雪崩狀態(tài)，加入微分整形電路。其微分整形電路是由電容Cl和電阻R1組成的，可以使觸發(fā)脈沖的前沿更陡峭，從而使三極管以最短的時(shí)間進(jìn)入雪崩狀態(tài)，也不會(huì)因?yàn)榛?jí)電流輸入的持續(xù)時(shí)間而導(dǎo)致三極管的損壞。本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在微分整形電路后加入了加速電路，其目的是改善脈沖上升沿及下降沿，使其更陡峭，同時(shí)也為三極管輸入脈沖信號(hào)與微分整形電路輸出信號(hào)的一致提供了保證。 單極性超寬帶脈沖 通過(guò)仿真及電路的進(jìn)一步分析，可知影響單極性超寬帶脈沖復(fù)制的觸發(fā)脈沖、儲(chǔ)能電容C負(fù)載電阻R5等。為了減小基極觸發(fā)脈沖對(duì)其輸出脈沖的影響，在微分整形電路后加入了肖特二極管BAT14098，經(jīng)過(guò)仿真分析，可以使相鄰脈沖間的電壓幅值明顯降低。儲(chǔ)能電容C3對(duì)輸入脈沖的影響極大，當(dāng)電容增大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致脈沖寬度增加、帶寬變窄。負(fù)載電阻R5增大的同時(shí)，輸出脈沖的幅度絕對(duì)值也會(huì)相應(yīng)增大，但其脈沖寬度也會(huì)增大。根據(jù)第三章介紹單極性脈沖電路設(shè)計(jì)，使用軟件Multisim經(jīng)過(guò)反復(fù)仿真調(diào)試，。 單極性脈沖產(chǎn)生電路仿真圖 單極性脈沖局部放大圖因?yàn)閱螛O性脈沖脈沖中含有微小的直流分量，若采用此單極性脈沖，在空間傳播電磁波時(shí)將會(huì)使電磁波嚴(yán)重失真，達(dá)不到理想的探測(cè)效果。故針對(duì)單極性脈沖的缺點(diǎn)，本文采用雙極性超寬帶脈沖作為發(fā)射信號(hào)，是在單極性負(fù)脈沖產(chǎn)生電路后級(jí)聯(lián)一路脈沖產(chǎn)生電路，將單極性負(fù)脈沖轉(zhuǎn)換為雙極性脈沖。 雙極性脈沖產(chǎn)生電路雙極性超寬帶脈沖產(chǎn)生的電路采用射頻三極管MRF5812,利用其雪崩效應(yīng)，結(jié)合微分整形電路、加速電路等構(gòu)成。其中觸發(fā)脈沖采用的是有源晶振輸出5V、占空比50%、重復(fù)頻率為10MHz的脈沖序列。微分電路由電容Cl和電阻R2構(gòu)成；肖特基二極管與單極性超寬帶脈沖產(chǎn)生電路中的作用相同；加速電路由電容C2和電阻R3構(gòu)成；經(jīng)過(guò)Ql、CR6等產(chǎn)生負(fù)極性超寬帶脈沖。其中Q2基級(jí)輸入脈沖為第一級(jí)輸出的單極性超寬帶負(fù)脈沖，在負(fù)極性脈沖下降沿觸發(fā)Q2時(shí)，產(chǎn)生負(fù)脈沖，而負(fù)極性脈沖上升沿觸發(fā)Q2時(shí)，產(chǎn)生正脈沖，從而產(chǎn)生雙極性超寬帶脈沖。 雙極性超寬帶脈沖產(chǎn)生，,，可以看出其應(yīng)用于穿墻探測(cè)雷達(dá)中，波形己經(jīng)是比較理想了。 雙極性脈沖產(chǎn)生電路的仿真圖 雙極性脈沖的局部放大圖，雙極性脈沖沒(méi)有單極性負(fù)脈沖中的直流分量成份，而且沒(méi)有拖尾現(xiàn)象。脈沖是雷達(dá)發(fā)射端的重要產(chǎn)生因素，它直接決定了系統(tǒng)的探測(cè)性能，，從理論上講可以達(dá)到穿墻探測(cè)的目的，且波形較為理想。 本章總結(jié)本章首先介紹確定脈沖產(chǎn)生方案過(guò)程，選擇利用雪崩三極管；然后分析了雪崩三級(jí)管的工作原理；最后詳細(xì)介紹超寬帶探地雷達(dá)的脈沖產(chǎn)生電路，包括元器件的選擇和具體電路分析設(shè)計(jì)及優(yōu)化。4 微功率超寬帶雷達(dá)接收電路設(shè)計(jì)與分析 接收前端電路總體設(shè)計(jì)與分析微功率沖擊雷達(dá)的接收電路是對(duì)天線(xiàn)發(fā)射的電磁波經(jīng)人體胸腔運(yùn)動(dòng)而發(fā)生微小變化的反射波進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)和提取，但由于微功率沖擊雷達(dá)的功率低、頻帶寬及中心頻率高的特點(diǎn)，使微功率沖擊雷達(dá)接收電路的關(guān)鍵問(wèn)題歸根于回波信號(hào)的檢測(cè)。本文主要研究的是運(yùn)用微功率沖擊雷達(dá)來(lái)探測(cè)墻壁后面的人體生命信號(hào)，但由于人體生命信號(hào)是極其微弱的信號(hào)，所以檢測(cè)接收的回波信號(hào)必須要提高信噪比。與一般的檢測(cè)技術(shù)相比，微弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)主要關(guān)注的是抑制噪聲和提高信噪比的方法，而不是傳感器物理模型和傳感器原理、相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和儀表的實(shí)現(xiàn)方法，故這就要求我們要靈活運(yùn)用上述的理論知識(shí)提高信噪比，從而檢測(cè)出良好的微弱信號(hào)。接收回波信號(hào)的方法有很多種，而人體的生命信號(hào)一般可看為是正弦信號(hào)。通過(guò)查閱資料可知，取樣積分適合復(fù)雜的寬帶周期信號(hào)波形的檢測(cè)。本文采用取樣積分對(duì)接收回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，此方法又稱(chēng)為門(mén)控相關(guān)檢測(cè)，此方法是針對(duì)噪聲的隨機(jī)性，對(duì)接收回來(lái)的回波信號(hào)進(jìn)行積分平均從而提高其信噪比，達(dá)到提取微弱信號(hào)的目的。 : 可變延遲取樣積分帶通濾波放大濾波接收天線(xiàn)脈沖震蕩器微控制單元A/D轉(zhuǎn)換 主要由取樣積分電路、可變延遲單元、帶通濾波和放大濾波電路組成。其中取樣積分電路將接收的微弱的、被目標(biāo)反射的UWB脈沖信號(hào)和經(jīng)過(guò)延時(shí)后的參考脈沖信號(hào)進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，即取樣積分，提高信噪比，然后經(jīng)過(guò)帶通濾波電路和放大濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息和生命特征信息的接收和檢測(cè)。這里可變延遲電路為取樣積分電路提供精確的同步參考脈沖信號(hào)，它的一個(gè)輸入是發(fā)射端脈沖信號(hào)，另一個(gè)輸入由接收后端微控制單元的程序精確控制。 取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析，其輸入端包括要取樣的信號(hào)輸入端和取樣的控制端，其中控制端是發(fā)射端同步信號(hào)經(jīng)過(guò)延時(shí)達(dá)到對(duì)取樣門(mén)的控制。采用相干疊加技術(shù)，通過(guò)延時(shí)控制后對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行積分達(dá)到對(duì)隨機(jī)噪聲的抑制和提高信噪比的目的，最終實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的提取。 取樣積分原理介紹取樣積分是目前檢測(cè)微弱信號(hào)的方法之一，它采用相干疊加原理技術(shù)，對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行相干處理。其方法是根據(jù)噪聲的隨機(jī)性，而接收的回波中有用信號(hào)的周期性，通過(guò)不斷對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行累加，達(dá)到提高信噪比和提取人體微弱信號(hào)的目的。由于噪聲前后是不相關(guān)的，所以回波信號(hào)在受到噪聲的影響后，回波信號(hào)的變化也是不同的，在回波信號(hào)進(jìn)行取樣時(shí)，人體有關(guān)的微弱信號(hào)隨著周期性而不斷累加，信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，而噪聲在不斷累加的過(guò)程中，因?yàn)榍昂蟮南嚓P(guān)性差異而不斷變?nèi)?。取樣到的信?hào)再經(jīng)過(guò)積分電路，若積分電路中的電容足夠大時(shí)，積分電路取樣加波信號(hào)進(jìn)行積分平均，則周期性的微弱信號(hào)不會(huì)發(fā)生變化，而噪聲則隨著積分平均而變得很弱，如果積分的次數(shù)足夠多時(shí)，噪聲的平均值也就近似為零了，而穩(wěn)定的周期信號(hào)則不會(huì)受影響。經(jīng)過(guò)取樣積分后微弱的回波信號(hào)還是會(huì)有一些噪聲的干擾，則需通過(guò)信號(hào)處理電路將信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。取樣積分電路是取樣和積分兩步完成的。其輸出信號(hào)等于取樣脈沖序列與輸入信號(hào)的乘積，即： （）積分則是采用電阻和電容構(gòu)成。，可知流過(guò)電阻的電流為： （） （）積分器一般分為線(xiàn)性門(mén)積分器和指數(shù)式門(mén)積分器，本文采用線(xiàn)性門(mén)積分器，改善信噪比是受電路的動(dòng)態(tài)范圍限制，而不是受積分時(shí)間常數(shù)限制。而信噪比與取樣次數(shù)是成正比的，只有選擇合適的積分時(shí)間常數(shù)和取樣門(mén)寬，才能設(shè)計(jì)一個(gè)很好的取樣積分器。取樣門(mén)寬越小，其恢復(fù)波形越接近原波形，而當(dāng)取樣門(mén)寬度一樣時(shí)，積分時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于取樣門(mén)寬。根據(jù)取樣脈沖寬度和信號(hào)周期等的要求，結(jié)合考慮積分器的時(shí)間常數(shù)以達(dá)到增大信噪比。取樣門(mén)取樣脈沖p(t)輸入信號(hào)f(t)輸出信號(hào)q(t) 取樣原理圖 取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析微功率沖擊雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)為超寬帶信號(hào)，對(duì)檢測(cè)接收回來(lái)的含有微弱信號(hào)的回波信號(hào)采用取樣積分方法進(jìn)行提取。取樣積分電路包括取樣和積分兩個(gè)步驟，且將取樣積分方法有很多種類(lèi)。根據(jù)取樣點(diǎn)的不同將取樣積分方法分為單點(diǎn)式取樣積分和多點(diǎn)式取樣積分，單點(diǎn)式取樣積分是指在每個(gè)周期內(nèi)固定取樣，且僅僅為一個(gè)取樣點(diǎn)。如果采用此方法對(duì)生命信號(hào)進(jìn)行取樣積分時(shí)，需要經(jīng)過(guò)太多的周期才能得到測(cè)量結(jié)果，這將大大降低了取樣積分的效率。而被測(cè)生命信號(hào)為低頻率微弱信號(hào)，所以在采樣過(guò)程中要采樣更多的點(diǎn)，即更多個(gè)周期，所以過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間會(huì)因電容漏電因素而導(dǎo)致對(duì)生命信號(hào)的測(cè)量不準(zhǔn)確。多點(diǎn)取樣積分方式是指在每個(gè)周期內(nèi)固定取樣，但每次取樣為多個(gè)取樣點(diǎn)，這就大大提高了取樣的效率。每個(gè)周期取樣點(diǎn)數(shù)的多少都是由輸入信號(hào)的頻率和要求恢復(fù)信號(hào)的精度決定的，但要求積分器的多少與取樣的點(diǎn)數(shù)相同。取樣積分電路根據(jù)取樣門(mén)的不同分為對(duì)稱(chēng)平衡取樣積分電路、雙管取樣積分電路和橋式取樣積分電路等。各種取樣門(mén)電路各有其優(yōu)缺點(diǎn)，平衡取樣積分電路是由兩個(gè)采用共陰極集成的高速開(kāi)關(guān)二極管接成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且兩個(gè)門(mén)電路共用一個(gè)取樣脈沖，后面的積分電路采用共模抑制比較高的差分放大器、電容和電阻構(gòu)成線(xiàn)性積分電路；雙管取樣門(mén)電路是由兩個(gè)快速二極管和電阻組成一個(gè)橋路，其中二極管一般都處于截止?fàn)顟B(tài)，由兩個(gè)極性相反的取樣脈沖對(duì)其二極管進(jìn)行控制，后面的積分電路采用線(xiàn)性積分電路，其良好的對(duì)稱(chēng)性幫助其電路更好的實(shí)現(xiàn)取樣積分；橋式取樣積分電路是由四個(gè)二極管構(gòu)成一個(gè)橋路，由幅度相等、極性相反的取樣脈沖控制其橋式二極管的開(kāi)關(guān)，后面積分電路采用最簡(jiǎn)單電容和電阻構(gòu)成。綜上所述，三個(gè)取樣積分電路各有其特點(diǎn)：平衡取樣積分電路是由一個(gè)取樣脈沖對(duì)其電路進(jìn)行控制，電路簡(jiǎn)單易設(shè)計(jì)，但其對(duì)取樣脈沖寬度的要求很高；雙管取樣門(mén)電路則是由兩個(gè)極向相反的取樣脈沖對(duì)電路進(jìn)行控制，且對(duì)電路的對(duì)稱(chēng)性要求極高。同平衡取樣積分電路一樣，其對(duì)取樣脈沖寬度的要求極高，；橋式二極管取樣積分電路同雙管取樣門(mén)電路相同，雙端取樣脈沖進(jìn)行控制，但其后面由電容構(gòu)成的跟蹤保持電路將大大放寬了對(duì)取樣脈沖寬度的要求。經(jīng)過(guò)比較，本文采用的橋式二極管取樣積分電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。 橋式二極管取樣積分電路的設(shè)計(jì)與分析 橋式二極管取樣積分電路由四個(gè)二極管組成橋（），其中