几种取样门电路

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1、几种取样积分电路的分析比较几种取样积分电路的分析比较 取样积分电路包括取样和积分两个步骤，且将取样积分方 法有很多种类。根据取样点的不同将取样积分方法分为单点式 取样积分和多点式取样积分，单点式取样积分是指在每个周期 内固定取样，且仅仅为一个取样点。采用此方法对信号进行取 样积分时，需要经过太多的周期才能得到测量结果，这将大大 降低了取样积分的效率。当被测信号为低频率微弱信号时，采 样过程中要采样更多的点，即更多个周期，而过长的测量时间 会因电容漏电因素而导致对生命信号的测量不准确。多点取样 积分方式是指在每个周期内固定取样，但每次取样为多个取样 点，这就大大提高了取样的效率。每个周期取样点数

2、的多少都 是由输入信号的频率和要求恢复信号的精度决定的，但要求积 分器的多少与取样的点数相同。 取样积分电路根据取样门的不同分为对称平衡取样积分电 路（李葵芳，李太全.“平衡取样积分电路分析与应用”） 、双管取样积分电路 （Parssinen A，Magoon R， Stephen I L.A2GHz Sub-harmonic Sampler For signal Down-conversion）和桥式取样积分电路(Yu-xiao Chen et.”Design and Simulation of 100ps Transient Sampling Gate Based on High Spee

3、d Schottky Diode”)等。各种取样 门电路各有其优缺点，平衡取样积分电路是由两个采用共阴极 集成的高速开关二极管接成对称结构，且两个门电路共用一个 取样脉冲，后面的积分电路采用共模抑制比较高的差分放大器、 电容和电阻构成线性积分电路;双管取样门电路是由两个快速二 极管和电阻组成一个桥路，其中二极管一般都处于截止状态， 由两个极性相反的取样脉冲对其二极管进行控制，后面的积分 电路采用线性积分电路，其良好的对称性帮助其电路更好的实 现取样积分;桥式取样积分电路是由四个二极管构成一个桥路， 由幅度相等、极性相反的取样脉冲控制其桥式二极管的开关， 后面积分电路采用最简单电容和电阻构成。综

4、上所述，三个取 样积分电路各有其特点:平衡取样积分电路是由一个取样脉冲对 其电路进行控制，电路简单易设计，但其对取样脉冲宽度的要 求很高;双管取样门电路则是由两个极向相反的取样脉冲对电路 进行控制，且对电路的对称性要求极高。同平衡取样积分电路 一样，其对取样脉冲宽度的要求极高，要求其取样门导通时间 要小于被取样信号最高频率倒数的 0.443 倍;桥式二极管取样积分电路同双管取样门电路相同，双端取样脉冲进行控制，但其 后面由电容构成的跟踪保持电路将大大放宽了对取样脉冲宽度 的要求。 由于受 A/D 数据处理速度的限制 ,实时采样只适用于频率 相对较低的信号,例如小于 500MHz ;对于微波信号

5、 ,如果信号具 有可重复性 ,则可利用等效采样方法实现低成本地接收 ,即在每 个重复周期内进行适量次数(一般为一次) 的采样 ,然后综合所 有采样 ,合成完整的输入信号。基于等效采样原理的超宽带接 收机需包含取样门电路 ,常见的取样门通常由肖特基二极管组 成双管对称结构或四管桥式结构。下面对几种典型取样电路分 别进行分析，以试图为自己的 UWB 系统选择一种较为合适的 取样门电路。 （1）双管取样门电路）双管取样门电路 双管取样门电路的电路结构如下图所示，取样门电路由肖 特基采样二极管 D1 和 D2 、保持电容 C1 和 C2 以及保持电阻 R1 和 R2 组成。当一对极性相反幅度相同的取样

6、窄脉冲信号 pulse +与 pulse - 通过电容 C1 和 C2 耦合至肖特基二极管时 ,二 极管同时导通 ,取样门迅速打开 ,微波信号对保持电容 C1 和 C2 充电。极短的取样脉冲结束后,肖特基二极管迅速截止,存储于电 容 C1 和 C2 上的电荷通过电阻 R3 和 R4 放电,将电容 C1 和 C2 上集聚的电荷转移至 C3 上,对微波信号进行取样积分,使 C3 两 端电压与微波输入信号电压成一定比例,并反映了微波信号电压 的大小和变化。图 2 中的 pulse +与 pulse - 为对称取样脉冲,由 脉冲信号源经过微带魔 T 结构得到。在理论上 ,通过分析肖特基二极管的开关特性

7、,可以计算得 到接收机的取样带宽 ,取样门电路中肖特基二极管的等效电路如下图所示,其中 C j 和 R d 分别为二极管的结电容和结电阻 , R s 表示二极管的串联电阻,L p 和 C p 分别为二极管的引线电感和 引线电容。按照一般高速肖特基二极管的参数，假设仿真参数选为: R d =14, R s = 6, C j = 0. 2 p F。定义有效取样时间22 sraTtt,其中 tr 为射频信号给肖特基二极管充电的上升时间, ta 为取样 缝隙时间。由于 tr 很小可以忽略不计, Ts ta ,系统中 ta 大约为 70ps。增益转换曲线可以表示为式中, Ch 和 Rh 分别为接收机取样

8、电路中的保持电容和保持 电阻。将相关参数代入,可计算得到本文设计的接收机的增益转 换曲线。 (2)平衡取样门平衡取样门 当取样门宽为 T g，取样次数为 N 时，则信噪比的改善为从上式可以看出，取样次数越多，信噪 比的改善越大。而要增加取样次数，需要延长测量时间，即牺 牲了时间来获取信噪比的改善。这种方法要求待测信号在测量 其间保持稳定，同时也要求测量系统本身具有很高的稳定性。 尤其在高时间分辨率情况下，这个问题变得尤为重要。而在实 际中，存在着取样脉冲的抖动、脉冲宽度的变化、偏置电压的 变化、取样脉冲的不对称和器件的老化等不稳定因素，使取样 积分器的基线漂移，严重影响着取样积分器的性能。在基

9、于取 样积分器的近距离冲激雷达中，基线漂移可看作是取样接收机 的噪声（平均值不等于 0） ，由于它的存在，限制了取样接收机 灵敏度的提高，影响雷达的检测性能。平衡取样积分器采用高2222 21 ()1 (1) ()1 ()2.2hCdjRFshdjshdhjsVwR CVw R C R Cw R CR CCwT5gRCSINRNT时间分辨率取样积分器，采用取样与积分分开的方法解决了采 样电路中普遍存在的积累与取样的矛盾，即为了保证一定的带 宽，提高雷达分辨力保证信号不失真，要求取样脉冲很窄，回 路的 RC 积分电路时间常数 要小而积累要求 RC 时间常数要大。其典型电路如下图所示：图为平衡取样

10、积分器的电路原理图，两个单二极管接成对 称结构，C l = C 2、R l = R 2、C 3 = C 4，二极管采用共阴极集 成的高速开关二极管，两个门电路共用一个取样脉冲，放大器 A 一般选择共模抑制比较高的差分放大器。 由于电路的对称性，正常情况下，偏置电压以及取样脉冲 在差分放大器的输入端产生的电压大小是相等、极性相同的， 所以在没有信号输入时，其输出等于零，当有信号输入时其输 出为 V0=k(V1-V2),式中 k 为差分放大器的增益。下面简要分析 这种平衡取样积分器消除基线漂移的原理。 消除偏置电压变化以及二极管参数变化引起的基线漂移。 当偏置电压变化时，使得二极管 D l、D 2

11、 正极的平均电压发生 变化，引起二极管工作点的变化，但由于电路的对称性，使其 变化输出为零，从而消除了偏置电压变化引起的基线漂移。 消除二极管参数变化引起的基线漂移。由于两个二极管在 电路里是对称连接，各参数变化也是对称变化，所以合成变化 输出为零，从而消除二极管参数变化引起的基线漂移。 消除取样脉冲引起的基线漂移。当取样脉冲重复频率、脉 冲宽度、脉冲幅度变化时，取样二极管工作点将发生变化，也 会引起 C l、C 2 上取样脉冲充电电压的变化，但由于电路的对 称性，其变化量是相等的，由此引起 V l、V2 变化也是相等的 所以差放的输出为零，从而消除了取样脉冲引起的基线漂移。超宽带无线电引信接

12、收机就是在取样积分原理的基础上增 加微分环节，来实现目标回波信号检测。其电路原理图如下：平衡式取样积分微分电路的输入端为天线送来的大小相同、 极性相反的目标回波信号，取样脉冲为经过预定延迟、重复周 期与发射信号相同的 ns 级窄脉冲。由于超宽带无载波信号的时 域多普勒效应，回波信号的重复周期发生变化 Tr=Td+2Tdv/c， 将 =2Tdv/c 称为时域多普勒信号。时域多普勒效应使得各周 期回波与取样脉冲的时间相对位置发生变化，回波信号以 步 进依次通过取样门，相当于取样积分微分电路工作于扫描模式， 从而得到形状与回波信号相似而时间上大大展宽的输出信号， 经过差分放大和门限检测电路就可判定预

13、定距离上有没有目标。取样积分微分电路可分解为两级电路串联而成，前一级是 指数式取样电路，它由周期为 Td，脉冲宽度为 Tg的取样脉冲 Vp控制二极管的工作状态，利用积分电路对输入信号进行取样； 后一级是 RC 带通滤波器。其输出是一个与输入脉冲信号极性 相反，波形相似，在时域上展宽的脉冲信号。取样脉冲对平衡式取样积分微分电路性能影响取样脉冲对 平衡式取样积分微分电路性能影响取样脉冲对平衡式取样积分 微分电路性能影响。闫岩、黄忠华等在其文献“取样脉冲对平 衡式取样积分微分电路性能影响”中对平衡取样积分电路进行 了时域和频域分析和仿真，得出了电路在非严格对称情况下的 输出，并指出： 1、取样、积分

14、、微分电容的不对称会在电路输出端达到稳 态前产生一个负脉冲，并且微分电容的偏差在这三种电容中是 影响最大的一个。 2、在电路对称的情况下选通脉冲的幅值大小在保证二极管 导通的前提下不影响输出；但在电路非完全对称下，选通脉冲 的幅值越小，在输出端的干扰负脉冲幅值就越小。 3、选通脉冲的脉宽对信号输出有影响，一般选取 0.3ns-1ns 之间。且脉宽的大小和输出幅值不成线性变化，而是在中间某 点有最小值。（3）桥式取样门）桥式取样门 桥式二极管取样积分电路由四个二极管组成桥(如图 5.4 所 示)，其中 A 和 B 端输入的是一对极性相反，幅度相同的取样 脉冲信号，C 端则输入的是被取样的输入信号

15、，D 端则为取样 结束后的输出信号，后面一般接一个储能电容 Cl 及负截电阻 RL 构成简单的积分电路。电路工作时，桥式二极管一般都处于 截止状态，当桥式二极管的 A、B 端被输入极性相反的取样脉 冲时，四个二极管全部导通，并对 C 端的输入信号进行取样， 从 D 端输出被取样信号。当取样脉冲结束后，四个二极管又重 新恢复截止状态，从而完成一次取样。取样门电路需要在输入端连接电阻 Rl 与前级电路匹配，这 是由于其取样导通的时间极短，同时桥式二极管大部分时间都 处于截止状态，从而导致其输入阻抗近似为无穷大。在桥式二极管电路中，当取样脉冲的幅度远大于被取样脉 冲的幅度时，导通的二极管中的电流，可

16、忽略被取样脉冲产生 的电流，而只有取样脉冲来产生。其导通电阻也就为二极管的 动态电阻，当取样脉冲输入 A、B 端口时，二极管导通，则被 取样脉冲信号从 C 端可以通过二极管 D3 和 Dl 到达 D 端输出， 或是通过二极管 D2 和 D4 到达 D 端输出，由于两通路的电流正 负方向不同，从而导致其二极管的动态电阻会在一路增大，而 在另一路减小，从而扩大了电路的线性范围，故其总导通电阻 可近似的看为二极管的动态电阻 rD。 当桥式二极管导通时，随着被取样脉冲电压的增大，输出 端储能电容 Cl 的电压也开始增大，而当被取样脉冲电压超过二 极管的门限电压时，输出端储能电容 Cl 开始放电，从而出输出 波形发生严重失真。故被取样脉冲的最大脉冲电压不能超过二 极管的门限电压。最大输入电压为：其中 vp是回波信号电压，Rs为信号源内阻，Rsp为脉冲信号 源的输出电阻，RL是取样门电路的负载电阻。 、 取样门工作时关键在其脉冲的对称性，理想状态下，电路 完全对称得到电压相等且极向相反的控制桥式二极管的脉冲信 号，从而完成对被取样信号的取样。在