一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置，包括忆阻器控制电路、方波振荡电路、超宽带脉冲产生电路和倍压电路；方波振荡电路的输入端连接忆阻器控制电路，倍压电路的输入端连接至方波振荡电路的第一输出端，脉冲产生电路的第一输入端连接至倍压电路的输出端，第二输入端连接至方波振荡电路的第二输出端。忆阻器控制电路包括三极管，方波振荡电路包括TTL门电路、忆阻器、射极放大电路，超宽带脉冲产生电路包括反相器、RC微分电路、微波三极管放大电路、肖特基二极管。本发明产生的超宽带脉冲具有频率稳定度高、可调范围广、脉冲电压幅值大且稳定易检测、所需电路元件简单，低成本、电路结构简单易调试等优点。
【专利说明】—种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置
【技术领域】
[0001]本发明属于超宽带雷达成像系统，属于信号与系统领域。，更具体地，涉及一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置。
【背景技术】
[0002]自从1989年美国国防部(DARPA)首次提出超宽带概念，其在民用通信中展现的巨大的商机促使美国联邦通信委员会(FCC)于2002批准其应用于民用，颁布了 UWB(UltraWideband)频谱规划并给超宽带定义为:_10dB处的绝对带宽大于500MHz或相对带宽大于20%的信号即可视为是超宽带信号。超宽带有别于传统通信模式，其不需要载波发射信号而是通过直接发射和接收纳秒级或亚纳秒级非正弦纳秒脉冲来传输数据，因此具有传统通信不可企及的优点:大容量、高速率、低功耗、抗干扰能力强等。纳秒脉冲的脉宽直接影响发射信号所包含的频谱分量，而频率范围直接决定了超宽带系统的穿透性能，脉冲幅值决定了探测距离，因此纳秒级或亚纳秒级的高幅值超宽带脉冲产生技术非常关键。
[0003]从目前国内外对UWB技术的研究看，超宽带脉冲产生方式主要有两大类，一是利用半导体器件的开关特性来实现，这种方法是利用储能元件充放电得到尖峰脉冲信号，再经过整形电路即可以得到满足要求的波形。另一种是利用数字电路的逻辑器件特性来产生所需要的脉冲。相比较而言，第一种方式实现方案灵活多样，成本低，器件少，因此成为超宽带脉冲产生的主要方式。第一种方式采用的半导体器件不同，所得到的纳秒脉冲质量不尽相同，在脉宽、幅值上不能同时表现优良，而且大多数在输入端需要晶振提供方波、不同的直流稳压源，不利于集成，因此针对这一现象，本发明拟提出一种基于忆阻器特性的超宽带信号产生方法。第一种方式采用的半导体器件不同，所得到的超宽带纳秒脉冲特性不尽相同，难以同时兼顾幅值和脉宽，而且多数在输入端需要方波激励。因此针对这一现象，本发明拟提出一种基于忆阻器的超宽带信号产生方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种能够产生频率稳定度高、可调范围广、脉冲电压幅值大且稳定易检测的超宽带脉冲信号的基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置。
[0005]本发明提供的一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置，包括忆阻器控制电路、方波振荡电路、倍压电路和脉冲产生电路；方波振荡电路的输入端连接所述忆阻器控制电路，所述倍压电路的输入端连接至所述方波振荡电路的第一输出端，所述脉冲产生电路的第一输入端连接至所述倍压电路的输出端，所述脉冲产生电路的第二输入端连接至所述方波振荡电路的第二输出端，所述脉冲产生电路的输出端用于输出超宽带脉冲信号。
[0006]其中，工作时，在忆阻器控制电路的控制信号下忆阻器阻值呈规律变化，并产生一个频率可调的多谐方波为后级电路提供方波激励；方波振荡电路利用了 TTL门电路双稳态切换时对反馈RC电路充放电来得到高低电平两种状态的切换来实现方波信号发生；脉冲产生电路利用微波三极管的高速开关特性，在开关状态切换时通过RC微分电路充放电来得到尖峰脉冲，并形成纳秒级尖峰脉冲，通过倍压电路使所述纳秒级尖峰脉冲达到超宽带发射要求。
[0007]其中，方波振荡电路包括第一非门G1、第二非门G2、电阻R、电容C1、忆阻器M、M0S管Q、电阻Re和第三非门G3 ;所述第二非门G2的输入端连接至所述第一非门G1的输出端，所述忆阻器Μ的正端通过所述电阻R连接至所述第二非门G2的输出端，所述忆阻器Μ的负端连接至所述M0S管Q的栅极，所述忆阻器Μ的负端还通过所述电容C1连接至所述第二非门G2的输入端；所述M0S管Q的漏极接电源VCC，所述M0S管Q的源极与所述第三非门G3的输入端连接，所述第三非门G3的输出端连接至所述第一非门G1的输入端；所述第三非门G3的输出端作为所述方波振荡电路的输出端；所述电阻Re连接在所述第三非门G3的输入端与地之间。
[0008]其中，第一非门G1、第二非门G2或第三非门G3为TTL非门。
[0009]其中，脉冲产生电路包括:第一反相器G4、第一级微分电路、第二反相器G5、第三反相器G6，可调电阻RT、三极管T3、第二级微分电路、电阻R4和二极管D9 ;第一反相器G4的输入端作为所述脉冲产生电路的第二输入端，所述第二反相器G5的输入端通过所述第一级微分电路连接至所述第一反相器G4的输出端；第三反相器G6的输入端连接至所述第二反相器G5的输出端，三极管T3的基极连接至所述第三反相器G6的输出端，三极管T3的发射极接地，三极管T3的集电极通过所述第二级微分电路连接至二极管D9的阴极，二极管D9的阳极作为所述脉冲产生电路的输出端；所述可调电阻RT的一端作为所述脉冲产生电路的第一输入端与所述倍压电路连接，可调电阻RT的另一端连接至三极管T3的集电极；所述电阻R4连接在所述二极管D9的阳极与地之间。
[0010]其中，第一级微分电路包括依次串联连接在所述第一反相器G4的输出端与地之间的电容C2和电阻R2，所述电容C2与所述电阻R2的串联连接端与所述第二反相器G5的输入端连接。
[0011]其中，第二级微分电路包括依次串联连接在所述T3的集电极与地之间的电容C3和电阻R3，所述电容C3与所述电阻R3的串联连接端与所述二极管D9的阴极连接。
[0012]其中，忆阻器控制电路包括三极管T1和三极管T2 ;三极管T1的发射极与三极管T2的发射极连接，三极管T1的集电极和三极管T2的集电极均接地，三极管T1的基极和三极管T2的基极均用于接收外部的控制信号，三极管T1与三极管T2的连接端作为所述忆阻器控制电路的输出端。
[0013]其中，倍压电路包括多个串联连接的倍压单元；所述倍压单元包括第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；所述第一电容的一端作为所述倍压电路的输入端，所述第一电容的另一端与所述第一二极管的阴极连接；所述第一二极管的阳极接地，第二二极管的阳极连接至所述第一二极管的阴极，第二二极管的阴极作为所述倍压电路的输出端；所述第二电容连接在所述第二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极之间。
[0014]本发明优点主要体现在:
[0015](1)由于忆阻器阻值能呈规律变化，因此方波振荡电路产生的方波频率稳定可调；
[0016](2)电路所用元件简单、体积小、成本低、倍压电路使得整个装置只需要一个恒压源、易集成；
[0017](3)基于微波三极管的纳秒脉冲产生电路产生的脉冲能够兼顾脉冲幅值与脉宽，避免了一味追求窄脉冲导致毫伏级的低幅值。
[0018](4)可广泛应用于超宽带系统的发射端。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明提供的基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置的模块结构原理框图；
[0020]图2为本发明提供的基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置的具体电路图；
[0021]图3为本发明提供的基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置中方波振荡电路的输出波形示意图；
[0022]图4为本发明提供的基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置中超宽带脉冲波形示意图；
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0024]本发明提供的基于忆阻器特性的超宽带信号产生装置的电路结构简单，可集成度高，功耗低，输出脉冲幅值高，可广泛应用于超宽带系统发射机；解决了现有超宽带脉冲产生电路依赖石英晶体振荡器或信号发生器来提供，加强超宽带信号隐蔽性以及提高超宽带脉冲产生装置对应用环境适应度。
[0025]图1示出了本发明实施例提供的一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下:
[0026]基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置包括忆阻器控制电路1、方波振荡电路2、倍压电路3和超宽带脉冲产生电路4 ;忆阻器控制电路1通过控制信号来控制忆阻器阻值变化规律，根据忆阻器阻值变化方波振荡电路产生不同重复频率的方波；方波振荡电路2产生的方波给超宽带脉冲产生电路4和倍压电路3提供输入激励；倍压电路3输出给超宽带脉冲产生电路中的微波三极管提供直流偏置，确保微波三极管能工作在开关状态；超宽带脉冲产生电路能够产生幅值-4V，脉宽Ins的超宽带负极性高斯脉冲。进一步地，基于忆阻器的方波振荡电路包括第一级TTL非门G1输出直接连第二级TTL非门G2输入，第二级TTL非门G2的输出通过串联的电阻和忆阻器与电容C1构成反馈回路将第二级TTL非门G2的输出反馈到其输入端，忆阻器正端接电阻，负端分别接电容和射极放大器M0SFET栅极，设计放大器在源极的输出送到第三级TTL非门G3输入，第三级TTL非门G3输出反馈到第一级非门G1的输入。整个方波振荡电路产生的方波信号从第三极TTL非门输出端输出，为超宽带脉冲产生电路和倍压电路提供激励。
[0027]射极放大电路采用M0SFET管，其漏极直接接反向偏置电压VCC，栅极接忆阻器的负极，源极通过电阻Re接地，漏极输出接第三级TTL非门G3输入端。射极放大电路用来解决忆阻器阻值过高导致第三级TTL非门G3无法正常开启。
[0028]忆阻器控制电路包括NPN型三极管和PNP型三极管，NPN型三极管集电极接正反偏电压，发射极接PNP型三极管的发射极，PNP型三极管的集电极接负的偏置电压，NPN型三极管发射极和PNP型三极管的发射极的相接点连接忆阻器的正端，忆阻器负端接电容。通过设置控制信号改变忆阻器阻值及其变化规律，从而使得基于忆阻器的方波振荡电路能够产生频率可调的方波，后续电路提供激励。
[0029]忆阻器的上电极扎有上电极探针，忆阻器的下电极扎有下电极探针，上下电极探针分别作为忆阻器的正端和负端。忆阻器在忆阻器控制电路作用下阻值具有记忆功能，能呈规律变化，从而使得方波发生电路产生的方波频率也能呈规律变化。
[0030]超宽带脉冲产生电路，方波振荡电路产生的方波通过反相器G4后经过第一级RC微分电路，RC微分电路将方波削窄后通过两级级联的反相器G5、G6形成一个脉宽很窄的方波，输入到微波三极管的基极，微波三极管发射极直接接地，微波三极管的集电极偏置电压由倍压电路输出提供。微波三极管的集电极输出通过第二级RC微分电路后继续削窄脉宽形，电容与电阻的结点处反向连接一个肖特基二极管，二极管的正向输入端通过小电阻接地，超宽带脉冲信号由二极管的正向输入端输出。
[0031]倍压电路由8个相同型号的二极管和电容按照图2模块3电路排列组成，其倍压原理为:当输入方波为低电平时，回路无输出；当输入方波为高电平％时，此电平通过C4、D2、C5、D1组成一个回路，Dl、D2为理想二极管，C4、C5串联各自充电V^/2Uh;当输入方波高电平消失时，C4、C5开始放电，根据二极管排列方向可知C4、C5放电方向，C6的输入电压为C4、C5放电电压之和，最大为V^Uh，这样在C4、C5充放电过程中C6输入类
似于低电平为零，高电平为VIUh的方波；并联4个这样的回路，则在最后D8输入端得到V2*V2*V2*V2Uh-4Uho由于UH为5V，因此只需要4个这样的回路就可以使得最终的输出电压达到近似20V的恒压，足以保证微波三极管始终工作在开关状态。
[0032]倍压电路能够把方波发生电路产生的方波激励近似转换成恒压源，给微波三极管提供直流偏置电压，确保微波三极管能正常工作在开关状态。倍压电路使得整个电路系统只需要一个5V的恒压源，可以降低了电路成本。
[0033]本发明的有益效果在于:根据忆阻器特性，通过忆阻器控制电路输入的控制信号，忆阻器的阻值将呈规律改变，从而改变由忆阻器、电阻和电容组成的充放电反馈回路的时间常数，进而达到自动改变方波振荡器频率的目的；产生的方波通过倍压电路后输出一个近似恒压的电压给微波三极管提供偏置电压使其能工作在开关状态。产生的方波通过RC微分电路和两级反相器在微波三极管基极输入脉宽20ns的方波，当微波三极管处于高速开关切换时，方波信号再通过微波三极管集电极第二级RC微分电路后形成窄脉冲，通过反向连接的肖特基二极管将窄脉冲整形形成脉宽约Ins的尖脉冲，即时本发明要产生的超宽带脉冲。
[0034]本发明优点主要体现在:
[0035](1)由于忆阻器阻值能呈规律变化，因此方波振荡电路产生的方波频率稳定可调；
[0036](2)电路所用元件简单、体积小、成本低、倍压电路使得整个装置只需要一个恒压源、易集成；
[0037](3)基于微波三极管的纳秒脉冲产生电路产生的脉冲能够兼顾脉冲幅值与脉宽，避免了一味追求窄脉冲导致毫伏级的低幅值。
[0038](4)可广泛应用于超宽带系统的发射端。
[0039]以下结合附图，对本发明超宽带信号产生方法的特征和优点作更详细的说明。
[0040]请参阅图1，为本发明一种基于忆阻器的超宽带信号产生电路组成框图，本发明包括忆阻器控制电路1、方波振荡电路2、倍压电路3和超宽带脉冲产生电路4。参阅图2，所述的方波振荡电路，其特征在于，第一级TTL非门G1输出直接连第二级TTL非门G2输入，第二级TTL非门G2的输出通过串联的电阻R和忆阻器Μ与电容C1构成反馈电路将第二级TTL非门G2的输出反馈到其输入端，忆阻器正端接电阻，负端分别接电容和射极放大器M0SFET的栅极，设计放大器M0SFET在源极的输出接第三级TTL非门G3输入，第三级TTL非门G3输出反馈到第一级非门电路的输入。整个方波振荡电路输出的方波信号从第三极TTL非门G3输出端输出。
[0041]射极放大电路采用M0SFET管，其漏极直接接反向偏置电压VCC，栅极接忆阻器的负极，源极通过电阻Re接地，漏极输出接第三极TTL非门G3输入端。
[0042]忆阻器控制电路包括NPN型三极管和PNP型三极管，NPN型三极管集电极接正反偏电压，发射极接PNP型三极管的发射极，PNP型三极管的集电极接负的偏置电压，NPN型三极管发射极和PNP型三极管的发射极的相接点连接忆阻器的正端，忆阻器负端接电容。
[0043]超宽带脉冲产生电路，方波振荡电路产生的方波通过反相器后经过第一级RC微分电路，经RC微分电路削窄后的波形通过两级级联的反相器输入到微波三极管的基极，微波三极管发射极直接接地，微波三极管的集电极偏置电压由倍压电路输出提供，微波三极管的集电极输出通过第二级RC微分电路后继续削窄脉宽形，电容与电阻的接点处反向放置一个肖特基二极管，二极管的正端通过小电阻接地，超宽带脉冲信号由二极管的正端输出。方波振荡电路产生的方波通过C0MS反相器后经过RC微分电路，RC微分电路削窄后的波形通过两级级联的CMOS反相器输入到微波三极管的基极，微波三极管发射极直接接地，微波三极管的集电极偏置电压由倍压电路输出提供，微波三极管的集电极输出通过第二级RC微分电路后继续削窄脉宽，电容与电阻的接点处反向连接肖特基二极管，二极管的输出通过小电阻接地，超宽带脉冲信号由二极管的输出弓丨出。
[0044]倍压电路由8个相同型号的二极管和电容组成，上下各四个电容间隔排列，上面C4、C6.C8.C10串联，下面C5、C7、C9、C11串联，C4与C5通过反向放置二极管连接，同理C5与C6、C6与C7、C7与C8、C8与C9、C9与CIO、CIO与C11间也这样连接二极管，二极管D1正向输入端接地，C10输出与C11输出间正向放置二极管。假设电源刚接通时方波振荡电路的输出信号U&为高电平,设TTL反相器G1、G2输入端电压为UpUyGZ输出端电压为u3,G3输入电压u4，由于此时C1尚未充电其两端电压为零，则u2、u4为低电平，电路处在第一暂稳态。随着u3高电平通过电阻R和忆阻器Μ对C1充电，u4逐渐升高，直到超过反相器的阈值电压Vth时，G3翻转，U()1 = Ul变为低电平，使得G1也翻转，u2变成高电平，由于电容Cl电压不能突变，114也有一个正跳变，保持G3输出电平为低电平，此时电路处于第二暂稳态。随着u2高电平经R、M对C1的反向充电，u4逐渐降低至小于阈值电压时，G3再次翻转，电路又回到第一暂稳态。如此循环就产生了连续振荡的方波。电路各点的工作波形如图3所示。以图3中的作为时间起点，利用三参数法，可以得到充放电时间为:
[0045]
【权利要求】
1.一种基于忆阻器的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，包括忆阻器控制电路(1)、方波振荡电路(2)、倍压电路(3)和脉冲产生电路⑷；所述方波振荡电路(2)的输入端连接所述忆阻器控制电路(1)，所述倍压电路(3)的输入端连接至所述方波振荡电路(2)的第一输出端，所述脉冲产生电路(4)的第一输入端连接至所述倍压电路(3)的输出端，所述脉冲产生电路(4)的第二输入端连接至所述方波振荡电路⑵的第二输出端，所述脉冲产生电路⑷的输出端用于输出超宽带脉冲信号。
2.如权利要求1所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，工作时，在忆阻器控制电路的控制信号下忆阻器阻值呈规律变化，并产生一个频率可调的多谐方波为后级电路提供方波激励；方波振荡电路利用了 TTL门电路双稳态切换时对反馈RC电路充放电来得到高低电平两种状态的切换来实现方波信号发生；脉冲产生电路利用微波三极管的高速开关特性，在开关状态切换时通过RC微分电路充放电来得到尖峰脉冲，并形成纳秒级尖峰脉冲，通过倍压电路使所述纳秒级尖峰脉冲达到超宽带发射要求。
3.如权利要求1所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述方波振荡电路(2)包括第一非门G1、第二非门G2、电阻R、电容C1、忆阻器M、MOS管Q、电阻Re和第三非门G3 ；所述第二非门G2的输入端连接至所述第一非门G1的输出端，所述忆阻器Μ的正端通过所述电阻R连接至所述第二非门G2的输出端，所述忆阻器Μ的负端连接至所述MOS管Q的栅极，所述忆阻器Μ的负端还通过所述电容C1连接至所述第二非门G2的输入端；所述MOS管Q的漏极接电源VCC，所述MOS管Q的源极与所述第三非门G3的输入端连接，所述第三非门G3的输出端连接至所述第一非门G1的输入端；所述第三非门G3的输出端作为所述方波振荡电路(2)的输出端；所述电阻Re连接在所述第三非门G3的输入端与地之间。
4.如权利要求3所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述第一非门G1、第二非门G2或第三非门G3为TTL非门。
5.如权利要求1所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述脉冲产生电路(4)包括:第一反相器G4、第一级微分电路(41)、第二反相器G5、第三反相器G6，可调电阻RT、三极管T3、第二级微分电路(42)、电阻R4和二极管D9 ；第一反相器G4的输入端作为所述脉冲产生电路(4)的第二输入端，所述第二反相器G5的输入端通过所述第一级微分电路(41)连接至所述第一反相器G4的输出端；第三反相器G6的输入端连接至所述第二反相器G5的输出端，三极管T3的基极连接至所述第三反相器G6的输出端，三极管T3的发射极接地，三极管T3的集电极通过所述第二级微分电路(42)连接至二极管D9的阴极，二极管D9的阳极作为所述脉冲产生电路(4)的输出端；所述可调电阻RT的一端作为所述脉冲产生电路(4)的第一输入端与所述倍压电路(3)连接，可调电阻RT的另一端连接至三极管T3的集电极；所述电阻R4连接在所述二极管D9的阳极与地之间。
6.如权利要求5所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述第一级微分电路(41)包括依次串联连接在所述第一反相器G4的输出端与地之间的电容C2和电阻R2，所述电容C2与所述电阻R2的串联连接端与所述第二反相器G5的输入端连接。
7.如权利要求5所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述第二级微分电路(42)包括依次串联连接在所述T3的集电极与地之间的电容C3和电阻R3，所述电容C3与所述电阻R3的串联连接端与所述二极管D9的阴极连接。
8.如权利要求1所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述忆阻器控制电路(1)包括三极管T1和三极管T2 ;三极管T1的发射极与三极管T2的发射极连接，三极管T1的集电极和三极管T2的集电极均接地，三极管T1的基极和三极管T2的基极均用于接收外部的控制信号，三极管T1与三极管T2的连接端作为所述忆阻器控制电路(1)的输出端。
9.如权利要求1所述的超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于，所述倍压电路(3)包括:多个串联连接的倍压单元(30);所述倍压单元(30)包括第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容；所述第一电容的一端作为所述倍压电路(3)的输入端，所述第一电容的另一端与所述第一二极管的阴极连接；所述第一二极管的阳极接地，第二二极管的阳极连接至所述第一二极管的阴极，第二二极管的阴极作为所述倍压电路(3)的输出端；所述第二电容连接在所述第`二二极管的阴极与所述第一二极管的阳极之间。
【文档编号】H03K3/64GK103731123SQ201310723749
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】缪颖, 李震, 缪向水, 梁伟成 申请人:华中科技大学