一種超寬脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)
(2)由于雪崩運(yùn)用時(shí)集電結(jié)加有很高的反向電壓,集電結(jié)空間電荷區(qū)向基區(qū)一側(cè)的擴(kuò)展使有效基區(qū)寬度大為縮小,因而少數(shù)載流子通過基區(qū)的渡越時(shí)間大為縮短。換言之,晶體管的有效截止頻率大為提高。
(3)在雪崩區(qū)內(nèi),與某一給定電壓值對(duì)應(yīng)的電流不是單值的。并且隨電壓增加可以出現(xiàn)電流減小的現(xiàn)象。也就是說,雪崩運(yùn)用時(shí)晶體管集電極-發(fā)射極之間呈負(fù)阻特性。
(4)改變雪崩電容與負(fù)載電阻,所對(duì)應(yīng)的輸出幅度是不同的。換言之,輸出脈沖與雪崩和負(fù)載電阻有關(guān)。
下面對(duì)雪崩管的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析。在雪崩管的動(dòng)態(tài)過程中,工作點(diǎn)的移動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜,現(xiàn)結(jié)合原理圖形示電路(圖4)進(jìn)行分析(這里主要分析雪崩管Q1的工作過程,其余類同)。
在電路中近似地將雪崩管靜態(tài)負(fù)載電阻認(rèn)為是Rc,當(dāng)基極未觸發(fā)時(shí),基極處于反偏,雪崩管截止。根據(jù)電路可列出雪崩管過程的方程為:
式中:i為通過雪崩管的總電流,ic為通過靜態(tài)負(fù)載Rc的電流,ia為雪崩電流,uc(0)為電容C初始電壓,R為動(dòng)態(tài)負(fù)載電阻,C為雪崩電容,tA為雪崩時(shí)間。Vce為雪崩管Q1集-射極電壓,Vcc為電路直接偏置電壓。
從(1)式可求解出雪崩過程動(dòng)態(tài)負(fù)載線方程式為:
在具體的雪崩管電路中,Rc為幾千歐(本實(shí)驗(yàn)中取為6.8kΩ),而R則為幾十歐(本實(shí)驗(yàn)中取為51Ω),因此Rc>>R。雪崩時(shí)雪崩電流ia比靜態(tài)電流ic大得多,即ia>>ic,所以i≈ia。于是(2)式可簡(jiǎn)化為:
因?yàn)?~tA這段雪崩時(shí)間很短,因此可以略去,即得
i=1/R[uc(0)-Vce] (4) 另外,電路還采用了雪崩管極聯(lián)的設(shè)計(jì),原理上可以看作是一個(gè)Marx發(fā)生器。這樣可以增加所產(chǎn)生脈沖的幅度,同時(shí)還可以使脈沖的寬度變得更窄。首先,通可雪崩管的級(jí)聯(lián),使加在各級(jí)雪崩管集電極的電壓遞增(每級(jí)的增量約為Vcc)。而集電極電壓的增大可以使雪崩管的導(dǎo)通內(nèi)阻減小,從而縮短脈沖的上升時(shí)間tr。其次,基極注入電流Ib會(huì)隨之增大,tr也將減小。另外,雪崩管的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)還可以相當(dāng)于對(duì)各級(jí)的輸出脈沖進(jìn)行了乘積,這樣也會(huì)使脈沖的上升時(shí)間tr得到進(jìn)一步的減小。這里關(guān)鍵是解決雪崩管觸發(fā)的同時(shí)性問題,由于脈沖很寬,這一瞇就尤為突出。如果雪崩管不能很好地同時(shí)觸發(fā),反而會(huì)增加輸出脈沖的寬度。為了獲得同時(shí)觸發(fā),就必須要盡量選用觸發(fā)參數(shù)相同的雪崩管。如果有的雪崩管觸發(fā)參數(shù)不同,則需要調(diào)整電路中的元件參數(shù),使其同時(shí)觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)中A、B、C各點(diǎn)輸出脈沖的寬度分別為:2.43ns、1.76ns、1.22ns;上升時(shí)間分別為1.2ns、1.12ns、863ps。與理論分析所得結(jié)論相符。 從圖5中可以看到輸出脈沖的幅度約為1.2V,寬度約為1.22ns(半寬度),上升時(shí)間約為863ps。采用的雪崩三極管為3DB2B型(tr≤2ns)。觸發(fā)脈沖的周期為1μs,占空比為50%。該波形是用Agilent公司的Infiniium 60MHz示波器測(cè)得的。
式(3)和式(4)表明雪崩狀態(tài)下,動(dòng)態(tài)負(fù)載線是可變的。
雪崩管在雪崩區(qū)形成負(fù)阻特性,負(fù)阻區(qū)處于Bvceo與Bvcbo之間,當(dāng)電流再繼續(xù)加大時(shí),則會(huì)出現(xiàn)二次擊穿現(xiàn)象,如圖2所示。
圖2中,電阻負(fù)載線I貫穿了兩個(gè)負(fù)阻區(qū)。若加以適當(dāng)?shù)耐苿?dòng),工作點(diǎn)a會(huì)通過負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)b到達(dá)c,由于雪崩管的推動(dòng)能力相當(dāng)強(qiáng),c點(diǎn)通常不能被封鎖,因而通過第二負(fù)阻區(qū)交點(diǎn)d而推向e點(diǎn)。工作點(diǎn)從a到e一共經(jīng)過兩個(gè)負(fù)阻區(qū),即電壓或電流信號(hào)經(jīng)過兩次正反饋的加速。因此,所獲得的信號(hào)其電壓或電流的幅度上當(dāng)大,其速度也相當(dāng)快。
評(píng)論