用于脉冲整形的非线性传输线(译文)

在硅片中进行脉冲整形的非线性传输线Ehsan Afshar,i Student Member, IEEaEn,d Ali Hajimi,riMember, IEEE李洪胜译摘要：开发了脉冲在NLTL (Nonlinear transmission )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系统。GaAs technolog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站然后我们证明使用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。_y图1非线性传输线构造当设 人=-八为单位长度电感和单位长 度电容时，可得下面公式：对于连续均匀传输线来讲，即5=0时:当是线性传输线时，即c(v)为常数:Fig. 2. Three nortnalized soliton slopes tor different values ot L nd C. 心匸=1 nH imtl C = 1 nF. = 2 ilH arxl C = 2 nF. 匚=4 nH jnd= 4 nF.II!；=.=2“i：3.!；.=i= a-匚Jv 1.I n._.-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；4）解的符号取决于非线性系数b的符号;图3 NLTL的散射和非线性效应基于上述结果，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：B. 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。叽Ia和5, r1ri亍T图 6 具有对称沿整形效果的 NLTL 电路3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CQ)护 C() 乂图 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，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5、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 曲线近似为线性，我们就能计算出刻 度电感和可变电容:0(% 二内)(1-帀Jwhere= Go(l 血旺J and耳) = Z0(l - a2n)L0和C0是对应各输入级的电感和0V偏置电容；xn是到输入节点的距离； ai和a2对应某一节的电容和电感系数。这里假定每一节的刻度系数都是与前面 一节相比较的，a1和a2是对应刻度电容和电感的比率，因此，我们的NLTL没 有两个相邻部分是一样的，现在我们能够由上面定义写出渐变NLTL传输线的波 动方程：如)鲁0(%)二护* 1护声爲8护 12 矢4dt00(1 口2坯)丽為1 血戈九)(1 况8护假定 竹人-匚1上：. L 其中L为线的长度，我们能够简化 上述等式为：dv1WdP仇（1 一（创 +阪2_ P1W b &V212 qCq（1 （ii 十阿） &工 + 2 dt?假定-J -：. 1.我们能够解出方程，近似地得到脉冲宽度为:基于该等式，脉冲沿线（距离X）传播是，脉冲宽度将逐渐减小，这个渐变NLTL传输线的波形表示在图10的下方，证明了该技术的有效性。x 门小 Cspa-citance vs. 3ia&匸 eousclKI 他 0图11用于渐变NLTL中MOS变容二极管的测量特性5. 仿真三种NLTL都是用0.18um BICMOS工艺制作的，使用不同的节系数a1和 a2。为了获得最窄脉冲，必须精心选择 DC 电平和电压摆幅，通常在系统设计中 附加约束，因为需要附加电平偏移和放大或衰减来调节输入电平，然而，这一点 很容易在今天的集成电路中做到。所制作的三种传输线都包含有上百个电容和上百个电感，以下分别介绍三种 传输线。A. 窄脉冲传输线 对脉冲变窄传输线，我们希望电容随着电压能有最大变化，因此，我们选择 了基线偏置点在0.8V,对应最大电容点，从这个电平开始加负的输入脉冲，典 型输入幅度为1V,有效非线性系数b大约为0.5V-1,正如我们在第4部分所叙 述的那样，该传输线不是连续的，而是由几节不同电容和电感组成的，并且每一 节含有几个等值的电容和电感。每一节的电感、电容都比前面一节小，使每一段 特征脉冲宽度是前面那段的一半，以致能用 16 个系数使输入脉冲得到最窄压缩， 并且不存在多脉冲退化问题。图 12 是输入 65ps 宽度脉冲得到的仿真输出波形， 输出窄脉冲宽度仅有2.5ps、幅度0.8V。图 12 窄脉冲线的仿真输出波形B. 沿压缩传输线为了构建沿压缩传输线，必须象第 2 部分 B 中那样，利用图 11 的电容 C-V 曲线的优点，由计算机仿真算出最好的偏置点和电压摆幅，大约在-0.25V2V脉 冲输入，图 13 是仿真的输入和输出波形。D.O 020 40.6081 01.21 41.61.8 2.0time (nsec)(由图13沿压缩传输线的仿真输入输出波形输出脉冲表现的上升和下降时间，分别减少到1.5ps和20ps。输出波形的上 升和下降时间不一样，是因为非线性元件的特性对于两个不同的沿不对称引起 的。我们还在该传输线用伪随机数据源进行了仿真，验证了对任意数据序列的沿 压缩能力。不幸的是，我们不能完全控制传输线的特性阻抗，因为有寄生元件的限制， 我们必须选择最低的电容和电感，以便获得上升和下降时间的最大改善。这也就 允许我们实现最高截止频率，然而，建造非常小的电容是不可能的，因为我们要 缩短累加模 MOSVAR 传输线尺寸，寄生电容的影响就会变得更加重要了，这些 寄生电容与电压没有关系，是线性的，其结果有效地减小了非线性系数b。本设 计沿压缩传输线的有效输入阻抗大约为20Q，渐变到输出端为50Q，传输线的 输入发射系数大概为 0.4。我们必须拿这个影响量去比对仿真和测量结果。6实验结果图14是用0.18mBICMOS工艺制作的三条传输线芯片，我们用射频探头加脉 冲到传输线的输入端，在输出端测量波形，测量使用 50GHz 取样示波器。测量 的主要挑战，是系统的带宽与信号带宽比较，显得低（40GHz） 了，以致测量设备必须精心标定。图 14 芯片图：中间一根是沿压缩线；另外两根是窄脉冲线首先采用扫频信号源输入到示波器，测量幅度，然后用同样的信号源、电缆和连接器输入到功率计，测量幅度，两次测量的幅度比作为示波器的幅度响应，图 15 给出了这个响应曲线。mH窘旦吕F然后我们用 50GHz 的网络分析仪及同样方法标定其他的电缆、头以及偏置用的T型接头。这些部件的响应表示在图16中。连接器、探rr&quenc/ Aponse-Uonneciors, and Probesmufi 献耐ioFroquancy HzJ图 16 电缆、连接器、探头的频率响应容电积面位单管极oo8.Meficure: Ca:acitarice UsJ cul ai-ed 匸丘閣 dn n csfii + rz/ r= 0.57333= 1.23fFjW=0.799 V二极管反向电压（V）