PDF《高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用》

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06 基金项目: 国家

863 高技术资助项目 作者简介: 梁步阁 (1979―) , 男, 博士生. Trigger Avalanche Pulse Circuit Antenna/ Loa6 图1脉冲源框图 Fig.

1 Diagram of pulser ! 雪崩电路设计 脉冲源基于雪崩管雪崩级联放电效应工作, 雪崩电路设计成为脉冲源设计技术的关键. !. # 设计基本原理 2. 1.

1 雪崩效应理论 一般晶体三极管的输出特性有四个区域: 饱和区、 线性区、 截止区与雪崩区.对于 NPN 型晶体 管, 当基极电流为正时 (IB >

0) , 基射结正偏, 此时处于线性区或饱和区.当基极电流为负时 (IB <

0) , 基射结反偏, 一般为截止区.此时, 逐渐增加集电极电压 UCE , 当集电极电流 IC 随UCE 和-IB 急剧变 化时, 则进入雪崩区.集电极电压很高时, 阻挡层中电子被强电场加速, 从而获得很大能量, 它们与附 近的晶格碰撞时产生新的电子、 空穴时, 新产生的电子、 空穴又分别被强电场加速而重复上述过程, 于 是结电流便 雪崩 式迅速增长, 这就是晶体管的雪崩倍增效应. 下面对雪崩管的动态过程进行分析.在雪崩管的动态过程中, 工作点的移动相当复杂, 现结合典 型的雪崩电路 (图2) 进行简要分析. 图2雪崩晶体管电路 Fig.

2 Circuit of avalanche transistor 图3雪崩管雪崩击穿曲线 Fig.

3 Avalanche effect curve of transistor 在电路中近似地将雪崩管静态负载电阻认为是 RC , 当基极未触发时, 基极处于反偏, 雪崩管截 止.根据图

2 列出电路方程为: i = iR + iA UCE = EC - iR RC UCE = UC (0)-

1 C t A

0 iA 6t - iA R { L (1) 式中, i 为通过雪崩管的总电流, iR 为通过静态负载 RC 的电流, iA 为雪崩电流, UC (0) 为电容 C 的初始 电压, RL 为动态负载电阻, C 为雪崩电容, tA 为雪崩时间. 从(1) 式可求解出雪崩过程动态负载线方程式为: UCE = UC (0)-

1 C t A

0 i + UCE - EC R ( ) C 6t - i + UCE - EC R ( ) C RL (2) 在实际的雪崩管电路中, RC 为几千欧到几十千欧, 而RL 则为几十欧 ( 本文均为 50!) , 因此 RC RL . 雪崩时雪崩电流 iA 比静态电流 iR 大得多, 所以 i iA .于是 (2) 式可简化为:

9 3 梁步阁, 等: 高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用 UCE = UC (0)- l C t a

0 idt - iRL (3) 可进一步改写成 UCE : E'

C - iRL (4) 式中, E'

C = UC (0)- l C t a

0 idt, 称为动态电源. 式(3) 和式 (4) 表明雪崩状态下, 动态负载线是可变的, 雪崩管在雪崩区形成负阻特性.负阻区 处于 BVCEO 与BVCBO 之间.当电流再继续加大时, 则会出现二次击穿现象, 如图

3 所示. 图3中, 电阻负载线 ae 贯穿了两个负阻区.若加以适当的推动, 工作点 a 会通过负阻区交点

6 到达 c, 由于雪崩管的推动能力相当强, c 点通常不能被封锁, 因而通过第二负阻区交点 i 而推向 e 点.工作点从 a 到e一共经过两个负阻区, 即电压或电流信号经过两次正反馈的加速, 因此, 所获得 的信号的电压或电流的幅度相当大, 其速度也相当快. 当负载很陡时, 如图

3 中负载线 a'

6'

所示, 它没有与二次击穿曲线相交而直接推进到饱和区, 这 时就不会获得二次负阻区的加速. 2. l.

2 MARX 电路工作机理 本文系列脉冲源电路大体上均呈 MARX 电路结构.所谓 MARX 电路, 就是多管由电源并联充 电, 然后串联向负载放电.MARX 电路结构由于其并联充电、 串联放电机理, 所以具有突出优点, 可以 以较低的电源电压得到较高的输出脉冲, 其幅度可以远高于电源电压.设计中研究了 MARX 电路充 放电机理以及脉冲形成机理, 下面简单介绍分析过程. 图4MARX 电路示意图 Fig.