一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路的制作方法

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路。

背景技术：

随着信息科学与技术的高度发展，现如今人们对于半导体激光器驱动电路的设计要求逐渐增高，尤其是一些新型半导体激光器，通过电脉冲驱动可以测试激光器性能，增益开关技术需要用到大幅度的窄脉冲。

目前，利用半导体器件产生脉冲信号的方法大致有两种：一是采用数字技术来产生窄脉冲信号；另一种是基于高速开关的半导体器件，通过这些器件的导通与截止状态来控制电容的充放电产生窄脉冲信号。

上述采用数字技术产生窄脉冲信号的方法，产生的脉冲宽度多为纳秒级别，并且脉冲幅度较小，在应用上有很大的局限性。基于高速开关的半导体器件通过电容充放电产生脉冲信号的方法，各器件单独产生脉冲信号时，很难同时实现幅度大、宽度窄的脉冲信号。单级雪崩三极管输出脉冲幅值较大，可达几伏甚至十几伏，但其输出脉冲宽度在纳秒量级；阶跃恢复二极管可输出皮秒量级宽度的脉冲信号，但其产生的幅度较小，很难满足半导体激光器对脉冲驱动电路的实际应用需求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路，以尽可能增大脉冲幅度，减小脉冲宽度。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路，特点是该电路包括触发信号、雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路及阶跃恢复二极管脉冲整形电路, 雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路接收触发信号, 阶跃恢复二极管脉冲整形电路与雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路连接；其中：

所述触发信号，幅度为3～10V，重复频率为10KHz~10MHz，上升沿为1~3ns；

所述雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路，包括：电容C1、电阻R1、起始雪崩单元和多级雪崩单元；所述电容C1一端连接触发信号，另一端连接电阻R1的一端，同时连接起始雪崩单元，电阻R1另一端接地；

所述起始雪崩单元包括：起始雪崩三极管Q1、起始集电极储能电容C2及起始集电极电阻R2，所述起始集电极电阻R2一端连接供电电压VCC的输出端，另一端连接起始集电极储能电容C2，并且同时连接起始雪崩三极管Q1的集电极，起始雪崩三极管Q1的发射极接地，起始雪崩三极管Q1的基极连接电容C1一端；起始集电极储能电容C2的另一端连接多级雪崩单元；

所述多级雪崩单元由数个单级雪崩单元连接而成，每一单级雪崩单元由雪崩三极管、集电极电容、集电极电阻以及发射极电阻组成，其中，任意单级雪崩单元集电极电阻的一端连接至供电电压VCC的输出端，另一端连接集电极电容，并且同时连接本级雪崩单元中雪崩三极管的集电极，本级雪崩单元中的雪崩三极管的发射极与其自身的基极相连，并且同时连接发射极电阻一端，发射极电阻另一端接地，本级雪崩单元的集电极电容的另一端连接相邻雪崩单元的雪崩三极管的基极；最后一级雪崩单元的集电极电容远离集电极的一端通过一电阻R11接地，并且同时连接阶跃恢复二极管脉冲整形电路；

所述阶跃恢复二极管脉冲整形电路，包括：第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、电容C7、电容C8、电阻R12、电阻R13及电阻R14，所述电容C7的一端连接多级雪崩单元、另一端连接第一阶跃恢复二极管D1正极，并且同时通过第二偏置电阻R12连接至第一偏置电压VD1的输出端，第一阶跃恢复二极管D1的负极接地；第二阶跃恢复二极管D2，其正极通过电阻R13连接至第二偏置电压VD2的输出端，第二阶跃恢复二极管D2的负极连接至电阻R14，并且同时作为脉冲信号的输出端；电容C8作为耦合电容连接第一阶跃恢复二极管D1的正极与第二阶跃恢复二极管D2的正极；电阻R14另一端接地。

所述雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路雪崩单元级为5~20级。

所述雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路中电容C1的电容值为50pf~100pf，电阻R1的值为50Ω~100Ω。

所述雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路中各集电极电阻的值相等，为1KΩ~10KΩ；各集电极储能电容的电容值相等，为5pf~51pf；各发射极电阻的值相等，为1KΩ~10KΩ之间。

所述阶跃恢复二极管脉冲整形电路中电容C7和电容C8的电容值相等，取值10nf。

所述阶跃恢复二极管脉冲整形电路中电阻R12和电阻R13的阻值相等，为100Ω~1KΩ之间。

所述供电电压VCC的取值范围为15V~25V，所述第一偏置电压VD1和第二偏置电压VD2的取值范围为1V~5V。

本发明的有益效果：

本发明充分利用了雪崩三极管的雪崩效应产生脉冲，又采用Marx级联电路，Marx电路中有依次级联的起始雪崩单元和多级雪崩单元，这些雪崩单元中都有雪崩三极管和储能电容，储能电容采用并联充电，串联放电的方式产生大幅度脉冲信号，这种方式的优点是不需要较高的供电电压，只需单级雪崩三极管的偏置电压即可，放电时所有雪崩单元的储能电容串联放电，减小了电路等效放电电容，每级都可采用电容值较大的储能电容，增加了输出功率，同时使得输出脉冲电压幅度大幅提升；同时利用了阶跃恢复二极管的阶跃特性，在输出大幅值脉冲的同时使得输出脉冲的前沿和后沿均陡峭，大幅缩短脉冲宽度，并且脉宽可调，有利于提高半导体激光器的驱动能力。

附图说明

图1为本发明电路图；

图2为本发明实施例电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明采用雪崩三极管Marx级联的方式与阶跃恢复二极管等构成大幅度窄脉冲发生电路，实现脉冲宽度和电压幅度可调，适合于半导体激光器的驱动应用。

实施例

参阅图2，以下分别对本实施例的各个组成部分进行详细说明。

触发信号产生电路

本实施例中，触发信号产生电路为一方波发生器。其包括：有源晶振U1及比较器U2，有源晶振U1输出端连接比较器U2的第一输入端，比较器U2的第二输入端连接固定的电压信号；其中有源晶振U1产生固定频率的正弦信号，通过比较器U2后变为具有快速上升沿的方波信号；其产生幅度为5V，重复频率为32.768KHz的方波信号，触发信号上升沿为1~3ns。

本发明并不以此为限，该触发信号的幅度可以介于3V~10V之间，信号重复频率可以介于10KHz~10MHz之间。

此外，本发明中也可以不包含此触发信号产生电路，而直接由外界输入满足上述条件的任一触发信号，同样可以实现本发明。

雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路

该电路包括：微分电容C1、第一偏置电阻R1、起始雪崩单元和四级雪崩单元；所述微分电容C1其一端连接触发信号，另一端连接至起始雪崩三极管Q1的基极同时连接第一偏置电阻R1的一端，第一偏置电阻R1另一端接地；所述起始雪崩单元包括：起始雪崩三极管Q1、起始集电极储能电容C2、起始集电极电阻R2，起始雪崩单元的起始集电极电阻R2一端连接供电电压VCC的输出端，另一端连接起始集电极储能电容C2，并且同时连接雪崩三极管Q1的集电极，起始雪崩三极管Q1的发射极接地，所述起始集电极储能电容C2的另一端则连接到多级雪崩单元的第一级雪崩单元的雪崩三极管Q2的基极；所述四级雪崩单元由雪崩三极管 Q2- Q5、集电极电容C3-C6、集电极电阻R3-R6以及发射极电阻R7-R10连接而成，其中任意一级雪崩单元集电极电阻的一端均连接至供电电压VCC的输出端，另一端均连接集电极电容，并且同时连接本级雪崩单元中雪崩三极管的集电极，本级雪崩单元中的雪崩三极管的发射极与其自身的基极相连，并且同时连接发射极电阻一端，发射极电阻另一端接地，本级雪崩单元的集电极电容的另一端连接相邻雪崩单元的雪崩三极管的基极；最后一级雪崩单元的集电极电容远离集电极电阻的一端通过第一负载电阻R11接地，并且同时连接第一耦合电容C7的一端。

图2所述雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路中的所有雪崩单元级数共为5级，也即雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路中的雪崩三极管数量为5个。

该雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路中，起始雪崩单元的雪崩三极管Q1在脉冲触发信号的作用下快速导通，引起雪崩击穿效应，于是起始集电极储能电容C2快速放电，进一步引起雪崩三极管Q2发生雪崩击穿；以此类推，雪崩三极管Q3~Q5发生雪崩击穿，由于集电极储能电容C2~C6相当于串联放电，在第一负载电阻R11上产生负极性大幅度脉冲信号。

阶跃恢复二极管脉冲整形电路

该电路包括：第一阶跃恢复二极管D1、第二阶跃恢复二极管D2、第一耦合电容C7、第二耦合电容C8、第二偏置电阻R12、第三偏置电阻R13；所述第一阶跃恢复二极管D1，其正极连接第一耦合电容C7的另一端，并且同时通过第二偏置电阻R12连接至第一偏置电压VD1的输出端，第一阶跃恢复二极管D1的负极接地；第二阶跃恢复二极管D2，其正极通过第三偏置电阻R13连接至第二偏置电压VD2的输出端，第二阶跃恢复二极管D2的负极连接至第二负载电阻R14，并且同时作为最后脉冲信号的输出端；电容C8作为第二耦合电容连接第一阶跃恢复二极管D1的正极与第二阶跃恢复二极管D2的正极；第二负载电阻R14另一端接地。

该阶跃恢复二极管脉冲整形电路中，阶跃恢复二极管整形网络对雪崩三极管Marx级联脉冲产生电路产生的脉冲信号进行整形，产生大幅度并且脉冲宽度较窄的皮秒级窄脉冲信号。最终输出的脉冲信号，其前沿被第一阶跃恢复二极管D1优化，其后沿被第二阶跃恢复二极管D2优化。同时，通过调节第一阶跃恢复二极管D1和第二阶跃恢复二极管D2的偏置电压，可以调节输出脉冲的宽度。

所述的一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路的工作方法，其改变集电极供电电压VCC、各级雪崩单元的集电极储能电容C2~C6以及第一偏置电压VD1、第二偏置电压VD2的大小，可以调节输出脉冲的幅度和宽度，实现脉冲可调性。

本实施例的工作过程如下：

步骤一、当触发信号未到来时，各级雪崩单元中雪崩三极管Q1~Q5均未导通，处于截止状态，供电电压VCC通过集电极电阻R2~R6对集电极储能电容C2~C6进行充电，此时各雪崩三极管Q1~Q5均处于临界雪崩状态，各集电极储能电容C2~C6均充有直流偏置电源电压VCC，阶跃恢复二极管在正向偏置电压VD1和VD2的作用下，均处于正向偏置状态；

步骤二、当触发信号到来时，首先使得起始雪崩单元中雪崩三极管Q1的偏置状态改变，发生雪崩击穿，雪崩三极管Q1迅速导通，起始集电极储能电容C2迅速放电，其左端电位等于地电位，右端电位约等于-VCC（均指对地电位），雪崩三极管Q2的集电极-发射极两端大约有2倍VCC的瞬间电压，使得雪崩三极管Q2从临界雪崩击穿状态转变成雪崩击穿状态而发生导通；以此类推，雪崩三极管Q3~Q5依次发生雪崩击穿，这种现象相当于有一个雪崩加速的效果，非常有利于脉冲前沿的锐化，对于级联产生大幅度窄脉冲有着积极作用；

步骤三、各级雪崩三极管Q1~Q5全部雪崩后，此时各级集电极储能电容C2~C6相当于串联，对第一负载电阻R11放电，形成大幅度负脉冲；

步骤四、大幅度负脉冲信号到达阶跃恢复二极管脉冲整形网络时，第一阶跃恢复二极管D1处于反向偏置状态，结间存储的电荷开始消耗，经过一段时间电荷提取完毕后D1迅速截止，第二阶跃恢复二极管D2处于反向偏置状态，开始消耗D2的结间存储电荷，经过一段时间电荷消耗完毕后D2迅速截止，在第二负载电阻R14处产生一个前沿和后沿均得到优化的大幅度窄脉冲信号；

步骤五、调节集电极供电电压VCC的大小可改变最终输出脉冲的幅度，VCC越大，则脉冲幅度越大。调节第一偏置电压VD1、第二偏置电压VD2的大小可改变输出脉冲的宽度，偏置电压越大，脉冲宽度越大。其中，第二偏置电阻R12和第三偏置电阻R13的大小与所选取的阶跃恢复二极管D1、D2的型号相关。C8为阶跃恢复二极管脉冲整形网络的级间耦合电容，通常取值为10nf左右。

实际测试表明，本实施例产生的大幅度皮秒级窄脉冲信号，脉冲前沿在155ps~185ps，为皮秒量级，后沿在120ps~150ps，同为皮秒量级，脉冲宽度为180ps~280ps范围内可调，脉冲幅度为20V~30V可调。脉冲的前沿光滑度好，抖动性小，振铃几乎为零，脉冲的后沿存在一定振铃，但是由于激光器需要脉冲信号的幅值大于其阈值电压，因此非常适合半导体激光器的脉冲驱动应用。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。根据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种大幅度皮秒级窄脉冲发生电路有了清楚的认识。

此外，上述对各个元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

（1）本实施例中，触发信号产生电路可由信号发生器产生，便于调节输出脉冲的重复频率；

（2）阶跃恢复二极管脉冲整形电路中的正向偏置电压源VD1和VD2可以用恒流源来代替；

（3）在阶跃恢复二极管脉冲整形电路的输出端可串联肖特基二极管，对输出脉冲信号的过冲及振铃进行优化。

综上所述，本发明利用雪崩三极管的雪崩特性产生脉冲信号，通过Marx级联的方法获得大幅度脉冲信号，利用阶跃恢复二极管整形网络对大幅度脉冲信号进行优化整形，产生大幅度皮秒级窄脉冲信号。通过调节集电极供电电压以及阶跃恢复二极管的偏置电源，可以调节输出脉冲信号的脉冲幅度和脉冲宽度，满足于半导体激光器的脉冲驱动需求。

上述实施例仅是本发明的一个优选方案，并非用以限制本发明的实质技术内容范围。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，凡在权利要求书所限定的本发明的精神和原则内，对本发明做出修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。