專利名稱：一種雪崩電脈沖發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是涉及電子學(xué)領(lǐng)域的一種雪崩電脈沖發(fā)生器，用于為脈沖NdYAG激光器加壓式調(diào)Q提供調(diào)Q晶壓波形。
從70年代開始，國際電子學(xué)領(lǐng)域利用雪崩晶體管實現(xiàn)高壓、快前沿脈沖輸出。該電路可分為兩大類—串聯(lián)雪崩電路和Marx電路。前者要求較高的直流電源電壓，對晶體管參數(shù)一致性要求高、但電路結(jié)構(gòu)簡單。后者的特點是直流電源電壓低，對晶體管參數(shù)一致性要求低，壽命長。在對Marx電路以往的研究報導(dǎo)中，特別強調(diào)實現(xiàn)快前沿(0.3～2ns)及窄脈寬(10～20ns)波形，輸出脈沖電壓只要求在1000～3500V之間。文獻Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research，A256(1987)529-531 North-Holland，Amsterdam《Fast Solid State High Voltage Pulse Generator》側(cè)重研究Marx電路的速度，得到了前沿2ns、電壓2400V的脈沖輸出。其輸出電壓低，且沒有考慮脈寬。該類研究結(jié)果直接用于提供調(diào)Q晶壓波形將有如下缺點其一快前沿高壓脈沖難以持續(xù)，形不成脈沖平頂，即使有平頂，頂寬只有10～50ns。影響調(diào)Q激光輸出波形及能量，嚴(yán)重的還可能造成腔內(nèi)元件損傷。其二脈沖電壓太低，會導(dǎo)致激光器諧振腔損耗過大。在現(xiàn)有的Marx電路基礎(chǔ)上，強行加大時間常數(shù)以展寬脈寬或增加級數(shù)以提高輸出電壓，將導(dǎo)致部分晶體管不觸發(fā)或壽命降低，嚴(yán)重影響電路的可靠性及壽命。因此該類研究結(jié)果不能適用于要求脈沖頂寬100～1000ns、電壓4000～5000V、前沿1～4ns的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是避免現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺點，提供一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其輸出脈沖頂寬100～1000ns、最大頂部過沖10％，平均頂降0.5％、電壓300～5000V、前沿1～4ns。主要為脈沖NdYAG激光器加壓式調(diào)Q提供調(diào)Q晶壓波形。
本發(fā)明是一種雪崩電脈沖發(fā)生器，由基本Marx電路和助雪崩電路構(gòu)成(

圖1)。本電路按輸出電壓的要求設(shè)計成1～15級倍增電路，每級相應(yīng)元件參數(shù)完全相同，級間以虛線隔開，每級基本Marx電路由電阻R1、R2、R4、電容C2、雪崩晶體管Tn(n＝1～15)構(gòu)成，助雪崩電路由電阻R3和電容C1串聯(lián)后并聯(lián)到雪崩晶體管集電極與發(fā)射極兩端。
1).助雪崩電路為了解決加大時間常數(shù)或增加級數(shù)時導(dǎo)致部分晶體管不觸發(fā)或壽命降低的問題，設(shè)計了助雪崩電路，該電路由電阻R3和電容C1串聯(lián)后并聯(lián)到雪崩晶體管集電極與發(fā)射極兩端，R3為0.1～3kΩ，C1為10～1000pf。該電路的功能是在每級雪崩晶體管放電時提供300mA的集電極電流，對雪崩過程起著誘發(fā)和延續(xù)的作用，該電路也決定了脈沖頂寬及脈寬。
2).基本Marx電路雪崩放電電阻R4阻值的設(shè)計為了使脈沖頂寬100～1000ns，要求R4、C2構(gòu)成的放電回路時間常數(shù)τ(＝R4·C2)～1000us，同時為了減少雪崩放電過程中電流對Tn沖擊，提高Tn的壽命，R4設(shè)計在10～500kΩ之間，較佳為100kΩ，C2設(shè)計在2000pf～2μf之間。
3).助雪崩電路中分布電容、電感的影響僅有上述電路還不足以保證雪崩發(fā)生的可靠性和輸出波形前沿的速度(1～4ns)。在制作印刷線路板時必須考慮分布電容、電感的影響。每級中每一放電回路所包含的面積為＜1cm2，以減小分布電感的影響。每級印刷線路銅箔覆蓋的面積為1cm2，以調(diào)整分布電容的影響。
本發(fā)明一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其輸出脈沖頂寬100～1000ns、最大頂部過沖10％，平均頂降0.5％、電壓300～5000V、前沿1～4ns，具有長壽命、電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。典型輸出參數(shù)如例所示。用于NdYAG激光器加壓式調(diào)Q，得到了激光脈寬8～15ns、單脈沖能量300mj、能量穩(wěn)定度±2％的調(diào)Q激光輸出。
圖1是本發(fā)明的雪崩電脈沖發(fā)生器原理圖；本電路僅以1-15級倍增電路為例，每級相應(yīng)元件參數(shù)完全相同，級間以虛線隔開。D0是高反壓二極管，Tn是雪崩晶體管，C0、C1、C2是電容，R0、R1、R2、R3、R4是電阻。D0、R1將直流電壓250～500V引入電路，R2是Tn的工作點偏置電阻，R3、C1構(gòu)成助雪崩電路，R4、C2、Tn構(gòu)成基本Marx電路雪崩放電回路。由限流電阻R0及微分電路C0、R2構(gòu)成了觸發(fā)電路。觸發(fā)脈沖要求電壓5V、前沿20ns、脈寬100～1000ns。
圖2是該種雪崩電脈沖發(fā)生器如例選取元件型號及參數(shù)條件下的輸出波形；觀測設(shè)備Tektronix Inc.示波器TSD380及高壓探頭P6015A(電壓衰減1000∶1)。(a)示波器電壓衰減檔1V/格，時間檔10ns/格的測量波形；(b)示波器電壓衰減檔1V/格，時間檔1us/格的測量波形；
實施例1當(dāng)電子元件型號及參數(shù)如下選取D0 2N4001Tn 2N5551C0 470pf/500VC1 20pf/500VC2 0.01uf/500VR0、R250Ω/0.25WR1、R4100kΩ/0.25WR3 1kΩ/0.25W印刷線路板尺寸135×60(mm2)將電路設(shè)計為14級倍增電路，得到輸出電壓4500V、前沿～4ns、脈沖平頂寬～800ns電脈沖波形。電路的工作過程如圖2所示。當(dāng)無觸發(fā)信號時，直流電壓源通過D0、R1將C1、C2充電至Tn的臨界雪崩電壓～300V，后幾級也相同。當(dāng)觸發(fā)信號通過R0、C0觸發(fā)T1的基極時，由R3、C1構(gòu)成的助雪崩電路向T1提供～300mA的雪崩電流，T1發(fā)生雪崩，C2正電壓端通過T1與地短路，即C2與R4并聯(lián)，將T2發(fā)射極鉗位在～-300V，由于寄生電容的存在，T2集電極上～+300V電壓不能突變，造成T2集電極與發(fā)射極之間電位差～600V，該電位差遠大于T2的臨界雪崩電壓～300V，導(dǎo)致T2產(chǎn)生雪崩過程，依次類推T3～T14。造成每級中電容C2與電阻R4并聯(lián)，所有級的阻容并聯(lián)又串聯(lián)在一起，輸出端電壓就是這些串聯(lián)電容電壓的總和～4500V。
權(quán)利要求
1.一種雪崩電脈沖發(fā)生器，它包括1～15級倍增電路，每級倍增電路由電阻R1、R2、R4、電容C2、雪崩晶體管Tn構(gòu)成的基本Marx電路組成，其特征是在每一級雪崩晶體管Tn的集電極和發(fā)射極兩端并聯(lián)了一個由電阻R3和電容C1串聯(lián)而成的助雪崩電路，上述的R4為10～500kΩ，電容C2為2000pf～2μf，n為1～15。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其特征是在每一個助雪崩電路中電阻R3為0.1～3kΩ，電容C1為10～1000pf。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其特征是在每一級電路中放電回路所包含的面積＜1cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其特征是所述的電阻R4為100kΩ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雪崩電脈沖發(fā)生器，其特征是所述的倍增電路為14級。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雪崩電脈沖發(fā)生器,它由1—15級倍增電路構(gòu)成,在每級雪崩晶體管(T
文檔編號H03K4/00GK1263381SQ9910065
公開日2000年8月16日 申請日期1999年2月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月11日
發(fā)明者王進雄, 牟宗瀛 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所