PDF《高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用》

4 MARX circuit 图5雪崩级联电路梳状 PCB 结构 Fig.

5 Comb PCB layout for avalanche series 图4为一

5 级MARX 电路, 触发脉冲加入前, 各雪崩管截止, 但已处于临界雪崩状态.Cl ~ C5 各电容均充有直流偏置电源电压 EC . 触发脉冲加入后, 首先引起 Tl 雪崩击穿, 于是 C2 左端电势等于 Cl 右端电势, 即约等于 EC (均指 对地电势, 下同) , 记作: UC2 - LEFT : UCl - RIGHT EC (5) 而且, 电容充电后, 其上所充电荷不会瞬间放电完毕, 因而其两端电势差将几乎维持不变, 即有 UC2 - RIGHT : UC2 - LEFT + EC EC + EC : 2EC (6) 于是, 此时在 C2 右端, 可得

2 倍EC 的瞬间电势.而此瞬间电势加于管子 T2 上, T2 也将发生雪 崩击穿, 以此类推, T3 ~ T5 管子将相继雪崩.最终, 在C5 右端, 将得到几乎

5 倍EC 的瞬间电势. 以上简单分析未考虑管子的雪崩电压范围.实际上

2 倍甚至

5 倍EC 的电势加在管子上, 管子必 将烧毁.庆幸的是, 这种情况不会发生.在C2 右端电势从 EC 稍有上升, 到EC + ! 时, T2 便将出现 雪崩短路.等到纳秒量级时间后, C2 右端电势上升到两倍 EC 时, T2 将不会遭受 2EC 的电压降, 甚至 此时后继的管子 T3 ~ T5 也早已雪崩, 不会承受大的压降, 导致烧毁, 而且 T2 ~ T5 管子的雪崩也并不 一定将按顺序进行.这种现象相当于有一个雪崩加速的效果, 对于级联产生高压窄脉冲是非常有利 的. 各级全部雪崩后, 由于电容 Cl ~ C5 此时相当于串联, 并由 Cl 左端对地、 C5 右端对地放电, 所以

0 4 国防科技大学学报2004 年第

6 期 此电势将迅速凋落, 从而形成快凋落的脉冲后沿.电路两端均接入负载可以有效防止反射, 以改善波 形, 在RLl 、RL2 上分别获得正、 负脉冲.缺点是输出脉冲幅度减半. 2.

2 MARX 电路具体设计步骤 MARX 电路在高压脉冲源电路中应用十分广泛, 但是具体的设计方法、 器件值大小的选取, 却很 少有文献提及, 下面结合实际设计中所做工作, 对其设计进行较系统的阐述. 举例 l: 本文产生的 l200V, 全底宽 lns 脉冲源, 上升沿 400ps, 直流偏压 300V.大致设计计算步 骤如下: (l)级数的确定.设每级的瞬间电势 EC 平均加于两端负载 RLl 、RL2 上.要在 RLl 上得到 l200V 的脉冲电压, 所需级数为 l200 / (0.

5 X 300)=

8 (级) .实际中留有余量, 选为 l0 级. (2)负载脉冲峰值电流的计算 I = U/ RLl = l200 /

50 = 24A 由于此时各级雪崩短路, 所以此亦为级间电流. (3)级间电容的确定.一般雪崩管上升时间 tr 为纳秒量级, 如国产 3DB2 系列, tr S2ns, 则初级 电容 Cl 要在雪崩管 T5 雪崩时仍能够剩余有较多存储电荷, 以对负载 RLl 放电, 那么, 其至少所应存 储的电荷可粗略计算如下 O = I X tr X

5 =

24 X

2 X

5 = 240nC 由电容充电方程, 得C=O/ U =

240 /

300 = 0. 8nF = 800pF 同理, C5 反过来要对负载 RL2 放电, 也需要同样大小容值.所以 MARX 电路中级间电容多取相同值, 稍留有余量, 可取为 l000pF. 2.

3 对MARX 电路的特殊改进 为使输出波形尽可能窄, 我们对常规 MARX 电路尝试了两种方法的特殊改进. (l)电容锐化法.常规 MARX 电路为在尽可能少的级数下获得尽可能高的电压输出, 级间电容 容值选取时希望各电容均较大, 从而所充电荷可以尽可能地多, 避免在脉冲到达末级雪崩管之前, 前 面几级电容过早地放电完毕.但是, 由于产生的脉冲宽度将同时取决于所选晶体管的参数和储能电 容的容值, 所以容值偏大将大大加长脉冲后沿.此时可以采取末端电容锐化方法, 即在末端负载前串 接一适当电容. 举例 2: 上例中电路输出波形上升沿约为 500ps, 但后沿拖尾将达到几十纳秒.欲使脉冲全底宽 度在 lns 左右, 可在输出末端串入小电容, 当脉冲对其充满电荷后, 电容等效为开路, 输出脉冲便将自 行截止.电容值大致估算如下: 设输出大致为等腰三角波形, 则电容电荷存储能力应不大于 O = l /