1.   引　言

距离选通激光主动成像系统(GVS)利用高峰值功率的脉冲激光器瞬间照射目标，并且进行发射器与窄快门面阵成像探测器(ICCD)^[1]之间的同步控制，在指定的时间内接收目标反射光并成像。在激光往返目标过程中探测器快门关闭，可以有效地抑制背景噪声和杂波干扰，因而能在恶劣天气下提高对小目标、暗背景、远距离的成像识别分辨率。美国INTEVAC公司研制的LIVAR2400型便携式短波红外激光主动侦察系统，照明激光采用对人眼安全的1.57 μm 激光器，距离选通相机选通门宽最小可达150 ns^[2]。加拿大OBZERV公司设计的ARGC-2400^[3]照明光源使用多模且均匀的阵列式激光源，对人和车辆的识别距离分别达8 km和15km。距离选通成像系统中，距离分辨率由激光脉冲宽度和选通门宽度决定，1 ns的激光脉冲和宽度为1 ns的成像仪相结合能够提供30~60 cm的距离分辨率，如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，此时只能探测到目标附近的反射光，从而能够提高回波信号的信噪比。缩短光脉冲的宽度能够实现系统成像分辨率的提高，100 ps的光脉冲可提供的分辨率为3 mm。

在成像距离较远的情形下，探测系统接收的回波信号将会十分微弱，当距离远到一定程度，每像素返回的光子只有几十个甚至几个，而且伴随着大量的噪声，信号极容易淹没在噪声中。由于传播过程中存在背景噪声、后向散射等因素的干扰，系统探测效率受到严重影响^[4]。针对噪声、散射等问题，同时考虑缩小系统体积及减少成本，应用于单光子距离选通成像系统中的激光脉冲能量不需要很大，其只需具备高的重复频率，即可实现多次探测，同时使探测器工作在光子计数模式，每次探测一个或几个光子，并在一定时间内积分实现成像^[5]。因此，具备高时空分辨能力的单光子距离选通成像技术是重要的研究方向。光电导开关^[6]、阶跃恢复二极管、雪崩晶体三极管等^[7]常用模拟器件都可以用来产生窄脉冲。

本文详细介绍了两种适用于单光子距离选通成像系统的短脉冲激光驱动电路，对基于晶体管和基于阶跃恢复二极管(Step Recovery Diode, SRD)结合短路传输线两种产生窄脉冲方法的电路结构和工作原理进行了分析并且完成模拟仿真和实际电路的制作。总结了两种脉冲发生器各自的设计难点、特点、影响输出脉宽的因素。经过实物测试，两种方法分别可以产生脉冲宽度为824 ps和1.5 ns的电脉冲，重复频率可达50 MHz，配合外加电流能够实现对于激光二极管的驱动^[8]，能够获得满足系统要求的超短脉冲激光^[9]。

2.   双极晶体管脉冲产生电路原理、仿真及测试

2.1   基于晶体管产生窄脉冲原理

双极性结型晶体管，英文名称bipolar junction transistor，简称BJT，即三极管，该电子器件具有3个终端，由3部分掺杂程度不同的半导体构成，管中的主要电荷流动行为是载流子在PN结处的扩散和漂移。文献[10]方法是基于射频(RF)双极性晶体管，产生非常短的电脉冲。双极性晶体管脉冲产生电路原理图如图1所示。NPN宽带晶体管具有7 GHz的过渡频率和200 mA的最大集电极电流。PNP宽带晶体管具有5 GHz的过渡频率和−25 mA的最大集电极电流。

图  1  晶体管窄脉冲产生电路原理图

Figure  1.  Schematic diagram of narrow pulse generation circuit based on a transistor

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当触发信号（50 MHz、6V_pp）加到电路输入端时，在Q2未导通时，VCC、R2、C7、R4、GND对C7充电，Q2导通时，Q2、C7、R4、GND对C7放电。在此R2的阻值会影响此部分充放电的速度，R2如果阻值过大，会导致充电速度慢，Q2的输出端信号幅值会减小。晶体管Q2逐渐饱和，其集电极电压从VCC快速变化到地，在C7的输入端出现一个快速的电压斜坡。通过耦合电容C8、上拉电阻R1，Q2产生的电压斜坡经过一个截止频率为$\dfrac{1}{{2{\text{π}} \cdot C7 \cdot R4}}$的高通滤波器被微分到Q1的输入端，产生一个窄脉冲，这个窄脉冲的振幅取决于电压斜坡的转换速率。这个负脉冲被施加到Q1基极时，Q1饱和，其集电极电压从地到VCC快速变化，现实中负脉冲太短导致Q1不能完全饱和，所以它的集电极电压先上升再下降，配合下拉电阻R8，这样得到一个正脉冲到达Q3的输入端。配合下拉电阻R8，耦合电容C9，输出的窄脉冲允许直接与后面的电路及外部电流发生器配合驱动激光二极管，由于晶体管提供的电流不足以直接驱动LD发光，可调外部电流发生器在发射点附近对激光二极管进行预极化，一般从0到100 mA可调。然后电脉冲注入快速电流，使激光二极管发出快速光脉冲。下拉电阻R6和保护电阻R3用来防止不确定信号在不必要时驱动晶体管。

2.2   基于晶体管产生窄脉冲模拟仿真

为验证该方法的可行性，使用Multisim14.0对此电路进行仿真，导入BFG591spice模型，调用BFT92模型。在本次仿真中，采用频率为50 MHz，占空比50%，电压为3 V，上升下降时间均为0.1 ns的方波信号源，外加5 V电源，负载端用100 Ω的电阻代替，用示波器测量该电阻两端的电压。对电路中各个点响应进行测量，仿真结果如图2（彩图见期刊电子版）所示。

图  2  电路中各个点响应仿真结果

Figure  2.  Response simulation results of various points in the circuit

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从图2(c)中可以看出，第一级晶体管产生一个电压斜坡，经过微分单元后产生窄脉冲并经过第二级晶体管进行放大，第三级晶体管用于增加电路的驱动能力，最后产生脉冲幅度约为2 V，脉冲宽度约为半宽度710 ps的脉冲。

2.3   基于晶体管产生窄脉冲电路实物测试

基于晶体管的脉冲产生电路信号的流程框图如图3所示。

图  3  窄脉冲产生流程图

Figure  3.  Flow chart of narrow pulse generation

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在制作实物电路板时，Q1型号为BFT92，Q2、Q3型号为BFG591，电路其他器件选取：电容R1为3 kΩ，R2为200 Ω，R3为5 Ω，R4为50 Ω，R6为60 Ω，R7为270 Ω，R8为630 Ω，电容C7为10 pF，C8为100 pF，C9为10 nF， C1~C6均为解耦电容。激励源输入信号和输出信号均使用SMA接口传输。PCB设计板材选用FR4基板，厚度为0.8 mm。制作的窄脉冲驱动电路如图4所示。

图  4  晶体管窄脉冲产生电路实物图

Figure  4.  Real picture of a transistor-based narrow pulse generation circuit

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根据仿真数据，对实物进行了测试，在激励源频率为10 MHz、20 MHz、50 MHz，外加电源分别为5 V、10 V时测试波形如图5所示。

图  5  不同条件下脉冲波形的实测结果

Figure  5.  Measured results of pulse wareforms under different conditions

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从图5(e)、5(f)中可以看出，激励源信号6 V_pp 50 MHz方波，外加5 V电源作用下，产生脉宽半宽τ/2≈824 ps的窄脉冲，幅度可达2.46 V；激励源信号6 V_pp 50 MHz方波，外加10 V电源作用下，产生脉宽半宽τ/2≈1 ns的窄脉冲，幅度达6.04 V。脉冲波形的对称性较好，并且脉冲振荡起伏电平很小，整体波形比较平坦。其他情况的脉宽和幅值如表1所示。

表  1  其他情况下基于晶体管电路的测试数据

Table  1.  Test data of transistor-based circuits in other cases

激励源频率/MHz	外加电源/V	脉冲宽度	脉冲幅度/V
10	5	1.186 ns	4.24
20	5	1.041 ns	3.68
50	5	824.0 ps	2.46
10	10	1.869 ns	8.16
20	10	1.508 ns	7.32
50	10	1.011 ns	6.04

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3.   SRD结合延时线脉冲产生电路原理、仿真及测试

3.1   基于SRD产生窄脉冲电路原理

阶跃恢复二极管是一种PN结二极管，在高掺杂P+层和高掺杂N+层之间，存在一低掺杂的N层，它是典型缓变结结构之一。正反偏置时内部结构如图6(a)、6(b)所示^[11]。SRD是一种非常理想的获得窄脉冲的电路元器件。阶跃管的等效电路如图6(c)所示，通过一个开关，SRD的工作方式可分为正向和反向偏置。正向偏置时，开关闭合，此时等效成由一个扩散电容C_f并联一个电阻R_s；反向偏置时, 阶跃管不会立即截止^[12]，存储电荷返回原处,形成很大的反向电流，开关仍然闭合直至C_f上的所有电荷释放完全。当存储电荷全部返回时，扩散电容消失, 恢复到反向截止状态，形成阶跃。此时开关断开，SRD等效为一个小的结电容C_j。由以上可知，阶跃管在负电压的某一时刻产生阶跃，因此可以用来产生持续的窄脉冲。

图  6  SRD正反偏时的内部结构和等效电路图

Figure  6.  Forward/reverse bias block diagram and equivalent circuit of the SRD

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该方法^[13]是基于SRD与短路传输线相结合产生短脉冲，脉冲发生器的电路原理图如图7所示。激励源经过SRD产生的脉冲到达和传输线的连接处时，分成两个相等的脉冲。向短路线方向传播的脉冲被反射回来，与传输线上的其他脉冲结合^[14]，在后面的电路中形成一个脉宽很窄的脉冲，形成过程原理图如图8所示^[15]。之后通过肖特基二极管整流，结合外部偏置电流能够直接驱动激光二极管。

图  7  SRD结合延时线产生窄脉冲电路原理图

Figure  7.  Schematic diagram of SRD combined with a delay line to generate narrow pulse circuit

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图  8  窄脉冲形成机理示意图

Figure  8.  Schematic diagram of the narrow pulse formation process

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图8定性地显示了这一脉冲形成过程^[16]。Wave1为激励源波形；Wave 2为SRD产生快沿信号沿主传输线的传输波形；Wave3为SRD产生快沿信号经短路传输线反射回到连接处的波形；Wave4为两信号叠加后的波形，为一个窄脉冲。

当触发信号（50 MHz 7 V_pp）加到电路输入端时，当正电压通过时，SRD处于导通状态，内部开始存储电荷，在到达主传输线与短路传输线的交界处时分为两路信号，一部分沿主传输线继续传输，一部分沿着短路传输线传输，这部分信号经过短路传输线接地后会延时一段时间并且反向传输回来，该电压回到节点时，与原电压产生错位相消，形成一个慢的上升沿、慢的下降沿和部分持续电压，此信号为慢沿信号。当负电压通过时，SRD不会马上截止，当内部存储的电荷消耗完时，SRD关断，在截止时产生阶跃的快沿信号，其信号沿与SRD的过渡时间成正比，此电压通过短路传输线延时并反向后形成一个快的下降沿，其与原电压结合后就形成一个快沿的窄脉冲。延时线的长度决定了最后产生信号的上沿和下沿之间的持续时间，即脉冲持续时间。信号源的正负电压通过SRD都产生一个信号，正电压产生的脉冲边沿慢，幅度小，通过延时线后大部分相消，信号源负电压产生的脉冲，边沿快，幅度大。这两类脉冲信号继续向后传输。通过串联肖特基二极管^[17]，振铃电平进一步降低，该二极管作为半波整流器，只通过正部分，去除负部分。小幅度慢沿信号幅值太小，通过肖特基二极管后，就得到了幅度大边沿快的脉冲信号。

3.2   基于SRD产生窄脉冲电路模拟仿真

为验证该方法的可行性，通过ADS2020仿真软件进行模型仿真。在进行仿真之前，对SRD进行建模，导入二极管模型参数结合原理图进行仿真电路的搭建^[18]。本次仿真中，采用频率为50 MHz，占空比为50%，电压为3.5 V，上升下降时间为0.1 ns的方波信号源，传输线长度为10 cm，负载端用50 Ω的电阻代替，测量其两端的电压。仿真所得的窄脉冲结果如图9所示。从图9中可以看出，脉冲幅值在2.6 V左右，脉宽半宽在1 ns左右。

图  9  窄脉冲输出信号仿真结果

Figure  9.  Simulation results of a narrow pulse’s output signal

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3.3   基于SRD产生窄脉冲电路实物测试

基于阶跃恢复二极管的脉冲产生电路信号流程框图如图10所示。

图  10  窄脉冲产生原理框图

Figure  10.  Block diagram of narrow pulse generation

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实物板中SRD使用的是Metelics公司的MMD835，其少数载流子寿命为10 ns，最小过渡时间为50 ps，反向击穿电压为15 V。电路其他器件选取如下：电阻R4为100 Ω，R5为56 Ω，电容C5为10 nF，C6为470 nF，电感L1选用33 μH，激励源输入信号、短路传输线的连接以及输出信号均使用SMA接口传输。PCB设计板材选用FR4基板，厚度为0.8 mm。制作的窄脉冲驱动电路如图11所示。

图  11  SRD脉冲产生电路实物图

Figure  11.  Physical diagram of SRD pulse generation circuit

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进行实验所用的不同长度短路线如图12所示。根据仿真数据，对实物进行了测试，在激励源频率分别为10 MHz、20 MHz、50 MHz，传输线长度分别为10和20 cm时测试波形如图13所示。

图  12  不同长度传输线

Figure  12.  Transmission lines with different lengths

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图  13  不同频率不同传输线长度时实测结果

Figure  13.  Measured results at different frequencies and different transmission line lengths

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由图13可以看出，激励源信号50 MHz 7 V_pp方波，L_d=10 cm情况下，产生脉宽半宽τ/2≈1.5 ns的窄脉冲，上升时间为456.8 ps，下降时间为458.3 ps，幅度可达2.38 V；激励源信号50 MHz 7 V_pp方波，L_d=20 cm情况下，产生脉宽半宽τ/2≈2.8 ns的窄脉冲，上升时间为462.6 ps，下降时间为451.2 ps，幅度为2.30 V。分布参数、电容、电感的一些损耗和PCB布线都会带来一些误差。其他情况的测试数据如表2所示。

表  2  其他情况下基于阶跃恢复二极管电路的测试数据

Table  2.  Test data of step recovery diode-based circuits in other cases

激励源频率	传输线长度	脉冲脉宽	脉冲幅度
10 MHz	10 cm	1.493 ns	2.86 V
20 MHz	10 cm	1.498 ns	2.606 V
50 MHz	10 cm	1.525 ns	2.38 V
10 MHz	20 cm	2.884 ns	3.00 V
20 MHz	20 cm	2.923 ns	2.82 V
50 MHz	20 cm	2.878 ns	2.30 V

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4.   影响因素与特点分析

4.1   影响脉宽和幅度的因素分析

4.1.1   基于晶体管的脉冲产生电路

(1)、在高频情况下，晶体管电子渡越时间和结电容尤其是集电极结电容将对信号传输带来较大影响，这些参数会影响到晶体管的上升时间。

(2)、输出的脉冲宽度会被微分单元的$R \cdot C$时间常数所影响，$R \cdot C$值越小，脉冲波形会变得越尖；同时输入波形宽度须大于5~10倍的$R \cdot C$值。

(3)、Q2的饱和速度必须足够快，微分后的窄脉冲振幅取决于电压斜坡的转换速率。

(4)、触发信号的转换速率必须大于1 V/ns以保证晶体管有足够的开关速度。

(5)、R2的阻值大小会影响Q2输出的电压幅值，从而影响脉冲幅度。

(6)、驱动晶体管的外加电源会影响产生的脉冲幅度^[19]。

(7)、若用来驱动LD二极管，温度会影响光功率，但对于脉冲持续时间没有太大影响。

4.1.2   基于SRD结合短路传输线的脉冲产生电路

(1)、改变传输线的长度可以方便地改变想要的脉冲宽度，如图14所示，传输线长度变长会导致信号在短路线上的传输时间增加，从而使脉冲宽度增加，区域①，②，③分别对应传输线长度为L_d1，L_d2，L_d3时电路所产生的脉冲。

图  14  传输线长度对于脉冲宽度和幅度的影响

Figure  14.  Effect of transmission line length on pulse width and amplitude

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(2)、阶跃恢复二极管参数中的少数载流子寿命τ应当足够长，这样能够确保载流子不会直接结合，但过长又会导致脉冲宽度变大。

(3)、根据公式$f = \dfrac{1}{{2{\text{π}} ZC}}$，SRD的结电容决定了最后输出脉冲的最高输出频率。重复频率还受到SRD少子寿命和脉冲持续时间的限制。

(4)、击穿电压和输出脉冲的最大幅度相关联，如果要输出脉冲幅度较大，则要选择击穿电压相对较高的SRD。

(5)、影响窄脉冲波形的因素还有二极管的电流，二极管电流值由二极管反向饱和电流决定，窄脉冲幅度随反向饱和电流的增大而增大。

(6)、反向恢复时间T_t，它直接决定了脉冲的上升沿时间，对于皮秒级别的脉冲来说，阶跃管的T_t需在 100 ps上下。

(7)、零偏结电容、掺杂分布系数、阶跃时间以及掺杂分布系数M值等^[20]都会影响脉宽和脉冲幅度。

(8)、各个器件的参数精度、因电路板的布局布线而产生的分布参数也是影响窄脉冲波形的因素。

4.2   特点分析

现将两种方法产生的实测效果最好的波形进行对比，在50 MHz激励源频率下，基于晶体管产生的脉冲脉宽为824 ps，脉冲上升时间为903.5 ps，下降时间为946.1 ps；基于SRD结合短路传输线在传输线长度为5 cm时产生脉宽为800 ps的窄脉冲，上升时间为640.3 ps，下降时间为426.0 ps，实测波形如图15所示。前者通过晶体管和微分电路产生窄脉冲并通过后级放大；后者产生的脉冲具有更尖锐的上升沿和下降沿，这是由SRD的器件特性决定的，可以产生皮秒级的极窄脉冲，但是脉冲幅度会受到很大的限制，通常只有几百mV到几V。

图  15  50 MHz方波激励源L_d=5 cm的脉冲波形

Figure  15.  Pulse waveform of 7 V_pp at 50 MHz (L_d=5 cm)

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基于晶体管的脉冲产生电路结构简单、元器件较易获得，实物实际尺寸为7 cm×2.6 cm，通过一些修改，可以使重复频率进一步提高，脉冲幅度可以根据外加电压调节的比较高，如果外接不同的激光二极管就可以实现在不同的波长下工作，电流发生器注入的电流可以调节激光二极管的发射功率。在较高工作电压下BJT易产生电磁脉冲，实验中会因电磁干扰存在误差，并且该方法的脉冲脉宽不宜变更，同时工作时需要外加电源，且得到的脉冲输出幅度小于工作电压。当用来驱动LD时电流发生器注入的电流过弱，会出现脉冲功率较低，宽度变宽的情况；当电流注入过高时，会出现二次发射甚至多次发射的情况。适用于不需要改变脉宽同时要求脉冲幅度较高的实验工程中。

为了测量激光脉冲，使用同步扫描条纹相机，该仪器可以测量从200 nm到850 nm的极快光学事件，对应于2 ps的时间分辨率。石英振荡器产生方波再通过定向耦合器注入脉冲发生器。该信号一部分通过定向耦合器和通带滤波器获得正弦信号，此信号被放大后用作条纹相机的同步扫描触发信号。激光二极管通过透镜与条纹相机光学耦合。由于条纹相机具备高时间分辨率，由条纹相机测量光学事件，可以精确测量光脉冲的形状，同时测量其半高宽。图16(a)为外接525 nm激光二极管时产生的激光脉冲，由图16(b)可以看出，产生的光脉冲半高宽为47.4 ps。

图  16  光脉冲测量

Figure  16.  Optical pulse measurement

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基于SRD结合短路传输线的脉冲产生电路结构紧凑，实物尺寸为4.3 cm×2.4 cm，整体体积小，脉宽可以通过改变传输线长度直接调整，用于直接输入商用LD产生光脉冲，在其运行期间不需要任何冷却。但是得到的脉冲幅度不够高，后期可以尝试使用LD阵列结构提高照射强度^[21]。同时SRD是一种高度的非线性元器件，会引起电路振荡和自激现象，同时对激励源信号、负载牵引比较敏感，在实际测试中需要进行多次调试。适用于小型化设备以及对信号能量要求不高的某些应用场合或有调整脉冲宽度需求的实验工程中。

5.   结　论

本文对基于晶体管和基于SRD结合短路传输线两种不同的产生窄脉冲的方法进行了理论分析，同时进行了模拟仿真，实物制作及测试并且分别得到了脉冲宽度为1 ns和1.5 ns的窄脉冲，可以承受高达50 MHz的重频，能够满足高速数据通信的要求。对比了不同结构的特点，分析了影响脉冲宽度和幅度的因素。激励信号为容易获得的正弦波或方波，工程上便于实现同时方便调试。对窄脉冲电路的设计及优化具有一定的参考价值。二者产生的脉冲可以配合外部电流注入激光二极管得到短脉冲激光，适用于单光子距离选通成像系统中的发射机。