用于脉冲整形的非线性传输线(译文)

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1、在硅片中进行脉冲整形的非线性传输线EhsanAfshari,StudentMember,IEEE,andAliHajimiri,Member,IEEE李洪胜译摘要：开发了脉冲在NLTL（Nonlineartransmissionlines）中传输的理论，使用渐变刻度NLTL解决了单脉冲传输的退化问题，利用MOS变容二极管集聚膜性质设计了NLTL，能够将脉冲的上升沿和下降沿同时变得陡峭，获得了很好的理论、仿真和测量的一致性。1.引言孤波被有效地用于传输数据，例如UWB冲击无线电最近获得流行。其他应用包括高速取样和定时

2、系统。GaAstechnology能进行脉冲上升和下降沿的同时整形，而NLTL也是同一时期被证实，但是没有证实在CMOS工艺上能够实现NLTL。本文首先给出在传统的硅技术上的孤波线，能够获得非常窄的脉冲，其带宽超过用该工艺最快晶体管的特征截止频率fT，然后我们证明使用MOS变容二极管的良好特性，引导出不同类型的非线性，同时改变上升和下降时间。这是采用通常在NLTL使用非线性元件（反向偏置PN结）所作不到的，即使使用三极管也是做不到的，因为它受到增益带宽积fT的限制。我们引人两种不同的非线性传输线，来产生窄脉冲和锐化

3、脉冲的过渡时间。2.非线性传输线原理图1是表示采用电感L、电压可变电容c(v)组成的非线性传输线。图1非线性传输线构造当设为单位长度电感和单位长度电容时，可得下面公式：12对于连续均匀传输线来讲，即δ=0时：当是线性传输线时，即C(V)为常数：A．使脉冲变窄的非线性传输线变容二极管上的电压与电容值可近似用下面公式表达：C(V)=C0(1+bV)重要观察是：1)孤波的速度随着它的幅度的增加而增加；2)脉冲宽度随着脉冲的速度增加而减小；3)对较高的脉冲幅度，脉冲宽度缩小；121)解的符号取决于非线性系数b的符号；图3N

4、LTL的散射和非线性效应图4MOS变容二极管的电容随电压变化关系基于上述结果，为了得到大幅度窄脉冲，电感和电容应该尽可能小，非线性系数b应该足够大，以补偿传输线的散射。知道传输线的特征阻抗也很重要，由于NLTL的电容是电压的函数，我们仅能给出特征阻抗的半经验值，仿真结果指出，特征阻抗可以用有效电压下的电容来表示。其中：12B.锐化边沿的NLTL能够设计锐化边沿的NLTL，对NRZ数据传输特别有用，因此，过去的所有努力都仅限于研究在上升和下降边沿进行锐化，然而，这很少有实际价值，就像在通常NRZ数字系统中一样，两个跳

5、变沿同等重要。图5形象地表示出由图4所示的特性曲线，怎样使信号沿得到锐化。首先看上升时间是如何减少的。图5中上面部分是电压上升沿波形，开始时电压较低，对应图4中电容值较小，因此，脉冲的下端具有较快的瞬时传播速度，随着电压的逐渐升高，电容逐渐增加，脉冲的上端瞬时传播速度减小，这使得脉冲前沿开始端（下端）在时间上比上端超前到达传输线的输出，从而整形了上升沿。该作用形象地用图5中间的曲线表示了出来。下降时间减少的原理也一样，表示在图5的下面波形中。图5上升和下降时间如何在NLTL中发生改变完整的解释应该由微分方程（3）进

6、行精确计算得到。为了得到对称的沿整形效果，可以采用图6所示的电路。图6具有对称沿整形效果的NLTL电路123．损耗的影响图7和图8是有损耗非线性传输线的两种简单模型。图7有电感损耗的非线性传输线简单模型图8有电容损耗的非线性传输线简单模型这两个模型的微分方程分别表示如下：两个方程的数学解析对散射影响差不多是一样的，并且表现为波形被展宽，以至于在有损耗非线性传输线中的孤波脉冲，非线性度必须足够强，以消除散射和损耗的影响。4.渐变式NLTL在12窄脉冲MLTL中，存在一个问题，就是如果输入脉冲比传输线的自然脉冲宽度还要

7、宽，则传输线就不能将所有能量全部压缩到一个脉冲中，代之的是输入脉冲退化为多个孤波脉冲，如图10仿真的上面波形，这是我们所不希望出现的，但是，确实是标准传输线所不可避免的。图10一般的和渐变孤波两种NLTL输出波形我们能够采用渐变非线性传输线解决这个问题，我们注意到，传输线典型的脉冲宽度是由节点间距δ、传播速度v控制的，而传播速度又是由L和C控制的，因此，我们采用几节渐变线，逐渐变到较小的特征脉冲宽度，如图9所示。图9渐变非线性传输线示意图12前面几节具有较宽的特征脉冲，意味着它的输出脉冲较宽、幅度较小，其结果，在这

8、些段输出的只有一个脉冲，后面的几段具有较窄的响应，最末尾一段具有最窄的脉冲，这就保证使脉冲渐渐变窄，避免了脉冲退化。每一段必须足够长，以致脉冲进入下一段之前，在每一段都具有稳定状态响应。另一个设计上的考虑，是应该使每一段的特性阻抗与后面相邻一段的相匹配，以避免发生反射，这就要求L和C应该有相同的刻度系数，以使其比值保持恒定，如果我们假定变容二极管的C-V曲线