专利名称：雪崩晶体管高压方波脉冲发生器的制作方法
技术领域：
本发明属脉冲发生器，是对雪崩晶体管高压方波脉冲发生器的改进，以产生纳秒至微秒脉宽的高压方波脉冲。
1982年12月Isao Metsushima等人在科学仪器评论(Rev.Sci.Instrum，Vol.52.No.12.P1860-1864)公开了一种雪崩晶体管纳秒级高压脉冲发生器电路，如图1。它由直流高压电源3、充电电阻RA、R′A，雪崩晶体管串放电电路2和4，负载RL和延时触发器6组成。该脉冲发生器中高压雪崩晶体管串放电电路2由N个雪崩晶体管T1，T2，T3……TN的集电极和发射极相互串联，每个晶体管的基极与发射极分别并联一小电阻r1，r2，r3……rN，集电极与发射极间并联一大电阻R1，R2，R3……RN，T1管发射极接地，TN管集电极接充电电阻RA和充放电容C1，C1的另一端分别连负载RL和接地的放电电阻RL1，雪崩晶体管放电电路4和2是结构相同的。
该种脉冲发生器限于雪崩后，雪崩晶体管串的动态电阻R(t)仅在十几微秒内即会按指数曲线恢复，雪崩晶体管串处于低雪崩电阻R(t)＝Nrce(其中rce为雪崩时集电极与发射极间内阻，约1-2欧姆)的时间仅有几百纳秒。因此，这种电路不可能在负载RL上获得脉宽为数微秒的方波高压脉冲，只能获得较理想的脉宽在10纳秒至100纳秒的方波脉冲。
本发明的目的是对雪崩晶体管高压方波脉冲发生器的改进，提供一种能产生纳秒至微秒量级脉宽的高压方波脉冲发生器。
本发明的技术解决方案是在已有技术的雪崩晶体管纳秒高压脉冲发生器电路中插入阻容电压补偿电路。如图2所示，它由阻容补偿电路1和5、雪崩晶体管串放电电路2和4、充电电阻RA和R′A、直流高压电源3、延时触发器6和负载RL组成。直流高压电源3通过充电电阻RA和R′A分别连接阻容电压补偿电路1和5中A点和H点，阻容电压补偿电路1和5中都由一个电容和一个电阻组成，1中电容C2连接在A点和地之间，电阻RB连接在A点和雪崩晶体管串放电电路2中TN管的集电极B点之间，5中电容C′2连接在H点和地之间，电阻R′B连接在H点和雪崩晶体管串放电电路4中T′N管的集电极G点之间。高压雪崩晶体管串放电电路2由N个雪崩晶体管的集电极和发射极串联而成，而每个晶体管(T1，T2，T3……TN)的基极与发射极间分别并联一小电阻r1，r2，r3……rN，集电极与发射极间并联一大电阻R1，R2，R3……RN，T1管发射极接地，TN管集电极接电阻RB和充放电电容C1，C1的另一端C点分别连放电负载RL和接地的放电电阻RL1。雪崩晶体管串放电电路4和电路2结构相同。亦由N个雪崩晶体管T′1，T′2，T′3……T′N集电极和发射极串联而成，每个晶体管的基极与发射极间分别并联一小电阻r′1，r′2……r′N，集电极与发射极间并联一大电阻R′1，R′2……R′3。T′1管发射极接地，T′N管集电极接电阻R′B和充放电电容C′1，C′1的另一端D分别接负载RL和接地的放电电阻R′L1。负载RL接在C和D之间。延时触发器6两输出端分别连接T1和T′1管的基极，以控制雪崩晶体管串电路2和4的工作。
两阻容补偿电压电路中电容C2＝C′2，电阻RB＝R′B。RA＝R′A，R1＝R2＝…＝RN＝R′1＝R′2＝…＝R′N＝R，RB＜＜RA，R′B＜＜R′A，并且RA＜＜NR，R′A＜＜NR。静态时，电容C2、C′2均被直流高压电源3通过充电电阻RA、R′A充电至V1，通过电阻RB和R′B将雪崩放电电路2、4中的充放电电容C1、C′1充电近似为V1，则VA＝VB＝VG＝VH＝V1。2和4的共用负载RL两端电位VC＝VD＝0，RL上电压降VCD＝0。如图3，当t＝0时，雪崩放电电路2中T1管被一来自延时触发器6的正脉冲触发时，电路2中雪崩晶体管串全部雪崩，雪崩串的电阻立即从R(t＜0)＝NR降为R(t≥0)＝Nrce，B点电压从VB(t＜0)＝V1降为VB(t≥0)= (Nrce·V1)/(RB+NrCe) ，C点电压从VC(t＜0)＝0降为VC(t≥0)=- (RB·V1)/(RB+NrCe) 。同时阻容电压补偿电路1中电容C2上电压V1通过RB和R(t)开始放电。因为RA很大，时间常数RAC2远大于R(t)从雪崩后Nrce至常态NR的恢复时间τ0，所以C2上电压VA(t)在τ0内几乎不受直流高压电源3通过充电电阻RA的充电影响。因为B点电压变化可以表示为VB(t)= (V(t))/(RB+R(t)) VA(t)，则C点电压VC(t)= (V(t))/(RB+R(t)) VA(t)-V1。随着时间的增加，要使B点和C点在〔O，t0〕时间内电压维持不变，VC(t)始终为- (RB·V1)/(RB+NrCe) ，就要使阻容电压补偿电路参数RB和C2满足在〔O，t0〕时间内 (dVB(t))/(dt) = (dVC(t))/(dt) ＝0，这里t0＜τ0。由电路分析和数学推导得，RB，C2必须满足R(t)＝R(0)exp(t/RBC2)。即随着雪崩管串内阻R(t)的指数型自然恢复，电容C2上放电电压的减小，要求RB、C2以及R(t)所决定的C2上电压放电能够补偿R(t)的指数增加所引起R(t)上分压VB(t)的升高，使VB(t)和VC(t)在〔0，τ0〕内保持不变的电压值，即VB(O≤t≤tO)=- (RBV1)/(RB+NrCe) 。而在当t＞t0时随着R(t)的进一步恢复，电压补偿电路1中电容C2上电压VA放电减慢，C2受到电源3通过充电电阻RA的缓慢充电，B点和C点电压开始缓慢回升，直至常态V1值。
当t＝τ1(τ1＜t0)时，延时触发器6送出与雪崩晶体管串放电电路2中T1管的正脉冲延迟τ1的另一正脉冲触发雪崩晶体管串放电电路4中的T′1管，导致雪崩管串全部雪崩。如图3，H点、G点、D点电压波形图，阻容网络电压补偿电路5和雪崩晶体管串放电电路4将发生与电路1和电路2相同的过程，只是具有一个时间差τ1。当t＝τ1时，VG(t=τ1)= (Nrce)/(RB＇+Nrce) ,VD(t=τ1)=- (RB＇)/(RB＇+Nrce) V1=-RBV1/(RB+Nrce)。这样，负载RL上产生宽度为τ1(τ1＜t0)，前后沿相同(＜5纳秒)，幅度为-RBV1/(RB+Nrce)的电压脉冲。
图2电路中选择延时触发器6中不同的触发延迟时间τ1(τ1＜t0)，可以获得不同宽度的高压方波脉冲。当τ1＜10纳秒时，脉冲幅度下跌;当τ1＞t0时，脉冲尾部开始出现明显的背底电压值。当10纳秒≤τ1≤t0时，脉冲尾部的微小电压降可以忽略不计。
发明的优点本发明具有已有技术的全部特性，而且把已有技术电路形成高压脉冲宽度的可调范围从10纳秒-100纳秒提高到10纳秒-10微秒，拓宽了该类型雪崩晶体管高压脉冲发生器的应用领域。
图1为已有技术雪崩晶体管高压纳秒脉冲发生器电路图。
图2为本发明中雪崩晶体管高压纳秒-微秒脉冲发生器电路图。
图3为本发明中雪崩晶体管高压纳微秒-微秒脉冲发生器中各点电压波形图。
图4为本发明中雪崩晶体管高压纳秒-微秒脉冲发生器实施例中雪崩晶体管串动态内阻R(t)变化曲线。
图5为本发明实施例中阻容电压补偿电路参数RB或R′B、C2或C′2及C、D点脉冲平顶延迟时间t0的三维曲线。
最佳实施例图2中，直流高压电源3采用输出电压在0-5千伏，最大输出电流为2毫安的任一型号的电压源。充电电阻RA和R′A均为1兆欧姆。雪崩晶体管串放电电路2和4中T1～TN、T′1～T′N各管均采用2N5551型，单管雪崩电压在500伏左右，电阻r1～rN、r′1～r′N都取50欧姆，电阻R1～RN、R′1～R′N都取1兆欧姆，电阻RL1和R′L1为20兆欧姆，电容C1和C′1为3300皮法瓷片电容，负载RL取100千欧姆以上，延时触发器6采用任一型号具有双路正脉冲延时输出，延时在10纳秒～10微秒可调，正脉冲幅度+10伏，前沿＜5纳秒，宽度＜1微秒的脉冲触发器。阻容网络电压补偿电路1和5中电阻RB和R′B以及电容C2和C′2的取值根据雪崩电路2和4中雪崩晶体管串的电阻R(t)曲线获得。由实验结果得R(t)在〔0，t0〕内可以近似表达为R(0≤t≤t0)≈Nrce×exp(t/RBC2)，并且在此时间区间内满足 (dVc(t))/(dt) = (dVD(t))/(dt) ≈0，这里t0＜τ0，获得的t0极限值约为15微秒。当t＞t0时，R(t)快速地以指数上升转化为NR定值区间，不满足 (dVc(t))/(dt) = (dVD(t))/(dt) ≈0，并且此时VC(t)和VD(t)出现一个低跨度的拐点，并进入另一新的极缓慢变化区。
由R(t)实验曲线，在〔0，15微秒〕内与计算机模拟的R(t)＝Nrceexp(t/20.2×10-6)欧姆吻合较好，因此只要RBC2＝R′BC′2＝20.2×10-6秒，就能满足VC(t)在〔0，15微秒〕内幅度的展平。在实施过程中，必须注意以下两点①雪崩放电电路中雪崩晶体管的个数N≤10，当较大时，高压下难以工作。
②RB＝R′B≥3N/4(千欧姆)，即C2＝C′2≤26.9/N(纳法)，RB或R′B太小时雪崩管串很容易被C2或C′2的放电电流烧坏。
③应取RB＝R′B≤50千欧姆，C2＝C′2≥400皮法，否则RB和R′B会严重影响雪崩管串的工作电压V1，C2和C′2会改变充放电电路时间常数应该满足的条件。
图4为典型的R(t)曲线，在〔0，15微秒〕内，R(t)呈指数曲线型上升。当t≥15微秒时，R(t)为定值。
图5为由R(t)实验曲线产生的RBC2和t0的三维图。它说明了在〔0，15微秒〕区间中，RBC2曲线簇可以近似表示为一组若干个互相平行的相同的双曲线，并且有RBC2≈20.2×10-6秒或R′BC′2≈20.2×10-6秒。
在如图2中，如上述选取参数。并且当N＝4时，取3千欧姆≤RB＝R′B≤50千欧姆，400皮法≤C2＝C′2≤6800皮法，耐压3千伏，雪崩串充电电压V1＝2000伏，改变延时触发器的延迟触发时间τ1，10纳秒≤τ1≤10微秒，可在负载上形成10纳秒～10微秒宽度、前沿低于5纳秒、幅度为2千伏的电脉冲。同样实施不同的工作电压对应采用不同的雪崩晶体管个数N和阻容电压补偿电路参数RB、C2及R′B、C′2。脉冲尾部出现的微小压降可以忽略不计。当τ1的取值为10微秒＜τ1≤15微秒，脉冲尾部电压降比较大，但当τ1＞15微秒时，脉冲尾部电压降更为明显。所以τ1的取值最佳区间为〔10纳秒，10微秒〕。该脉冲发生器重复频率最高为10赫兹。最大负载电流为20毫安。
权利要求
1.一种雪崩晶体管高压方波脉冲发生器，其组成包括1>直流高压电源3；2>延时触发器6；3>负载RL；4>一对等值的充电电阻RA和R′A；5>两个结构相同的雪崩晶体管串放电电路2和4，雪崩晶体管串放电电路2由N个雪崩晶体管T1，T2，T3……TN的集电极和发射极相互串联而成，每个雪崩晶体管的基极与发射极依次并联一小电阻r1，r2，r3……r4，集电极与发射极依次并联一大电阻R1，R2，R3……RN，T1管的发射极接地，TN管集电极B接充放电容C1，C1的C端通过放电电阻RL1接地，雪崩晶体管串放电电路4亦由N个雪崩晶体管T′1，T′2，T′3……T′N的集电极和发射极相互串联而成，每个晶体管的基极与发射极依次并联一小电阻r′1，r′2，r′3……r′N，集电极与发射极依次并联一大电阻R′1，R′2，R′3……R′N，T′1管的发射极接地，T′N管集电极G接充放电容C′1，C′1的D端通过放电电阻R′L1接地，放电负载R接在C和D之间，延时触发器6的两个触发输出端分别接T1管的基极和T′1管的基极，直流高压电源3的正端接充电电阻RA和R′A，其特征在于还有两个结构相同的阻容电压补偿电路1和5，电路1中电容C2一端接地，电阻RB一端接TN管集电极B，电容C2和电阻RB的节点A连充电电阻RA，电路5中电容C′2一端接地，电阻R′B一端接T′N管的集电极G，电容C′2和R′B的节点H连充电电阻R′A。
2.按照权利要求1的脉冲发生器，其特征在于所说的雪崩晶体管数N≤10，所说的阻容电压补偿电路的电阻和电容的取值为3N/4千欧姆≤RB＝R′B≤50千欧姆400皮法≤C2＝C′2≤26.9/N纳法
3.按照权利要求1或2的脉冲发生器，其特征在于N＝4。3千欧姆≤RB＝R′B≤50千欧姆400皮法≤C2＝C′2≤6800皮法
全文摘要
一种雪崩晶体管高压方波脉冲发生器，其组成包括直流高压电源、延时触发器、负载、一对等值的充电电阻、两个结构相同的雪崩晶体管串放电电路。本发明在于在两只充电电阻和两个雪崩晶体管串放电电路之间各增加了一结构相同的阻容电压补偿电路，可以获得脉宽在10纳秒至10微秒之间可调的高压方波脉冲。
文档编号H03K3/335GK1085024SQ92108470
公开日1994年4月6日 申请日期1992年6月19日 优先权日1992年6月19日
发明者顾冠清, 王笑鹃, 支婷婷, 陈兰荣, 杨镜新, 徐振华, 韩爱妹, 陈韬略, 林尊祺 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所