三極管雪崩窄脈沖電路設(shè)計(jì)

1、三極管雪崩窄脈沖電路設(shè)計(jì)窄脈沖發(fā)射機(jī)主要是產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)制后的窄脈沖并將信號(hào)從天線發(fā)射出去，其中關(guān)鍵的是如何產(chǎn)生需要的窄脈沖信號(hào)，本文在參考探地雷達(dá)脈沖和IR-UWB產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)有的和實(shí)際的情況，選擇了適合的發(fā)射電路。§1.1雪崩三極管窄脈沖產(chǎn)生原理雪崩晶體三極管是可以用來(lái)產(chǎn)生比較高速、大功率窄脈沖的器件，它價(jià)格便宜、使用方便，因此得到廣泛運(yùn)用。圖1.1 共發(fā)射極輸出特性曲線從圖1.1中可以看出，按照晶體管的工作情況，可以把共發(fā)射極接法的輸出特性曲線分為四個(gè)區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)反向運(yùn)用，集電結(jié)也反向運(yùn)用時(shí)，晶體管處于截止區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)正向運(yùn)用，集電結(jié)反向運(yùn)

2、用時(shí)，晶體管處于放大區(qū)。當(dāng)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于正向運(yùn)用狀態(tài)時(shí)，晶體管處于飽和區(qū)。在放大區(qū)工作時(shí)，如果將集電極和發(fā)射極間的電壓增加到一定程度，就會(huì)使集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，雪崩擊穿電壓較高，一般6伏，擊穿后集電極電流急劇上升。下面分析晶體三極管發(fā)生雪崩效應(yīng)的過(guò)程。集電結(jié)反向偏壓很大，集電結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)時(shí)，電流通過(guò)集電結(jié)空間電荷區(qū)，由于雪崩倍增，電流增大，因此引進(jìn)倍增因子為電流增大的倍速，定義為雪崩區(qū)內(nèi)集電結(jié)電流與基結(jié)電流的比值，數(shù)值上等效于雪崩區(qū)域內(nèi)電流放大系數(shù)與正常工作區(qū)域內(nèi)電流放大系數(shù)的比值。 圖1.2 測(cè)量原理電路圖 圖1.3 測(cè)量原理電路圖在基極開(kāi)路的共發(fā)射極電路

3、中，外加電壓比較小而沒(méi)有發(fā)生雪崩倍增情況下，電路電流關(guān)系為： (1-1)若外加電壓較高，集電結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，這時(shí)的電流放大系數(shù)為，基區(qū)的電流為，電路電流關(guān)系變?yōu)椋?(1-2)當(dāng)，時(shí)，晶體管發(fā)生了擊穿，當(dāng)時(shí)，間所加的反向電壓就是。實(shí)驗(yàn)表明，倍增因子與外加反向電壓的關(guān)系為： (1-3)其中為集電結(jié)雪崩擊穿電壓，對(duì)于基極開(kāi)路的情況，近似等于，為常數(shù)，與晶體管的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)8，具體取值如表1.1：表1.1 的數(shù)值導(dǎo)體材料集電結(jié)摻雜區(qū)為N型集電結(jié)摻雜區(qū)為P型硅42鍺36對(duì)于不同的值，應(yīng)用值表達(dá)式可以仿真出外加電壓倍增因子與，三者之間的關(guān)系，仿真圖如下：圖1.4倍增因子與， 關(guān)系從圖1.4中可以看出

4、，在一定的時(shí)候，越大，則值越小；當(dāng)外加電壓一定時(shí)，越小，則雪崩電流增加得越大；當(dāng)一定的情況下，只有增大外加電壓的值，值才會(huì)變大，雪崩電流才會(huì)顯著增加，所以在觀察晶體管的雪崩現(xiàn)象時(shí)，外加電壓要有一定的要求，否則雪崩現(xiàn)象就不會(huì)明顯9。因此在選擇雪崩晶體管時(shí)，雪崩擊穿電壓是一個(gè)比較重要的標(biāo)準(zhǔn)。在集電結(jié)為雪崩擊穿的情況下，設(shè)，代入值表達(dá)式，在晶體管發(fā)生了雪崩擊穿時(shí)，=，于是有： (1-4)由化簡(jiǎn)得（為大電流直流放大系數(shù)） (1-5)由于一般情況下大于1，因此總是大于，在知道和后可以近似估算出，可以看出越大，與的差值就越大，這在給選擇雪崩三極管提供了一個(gè)重要的依據(jù)。§1.2基于三極管雪崩效應(yīng)的

5、大幅度脈沖電路設(shè)計(jì)與測(cè)試應(yīng)用單個(gè)晶體三極管可以構(gòu)成一個(gè)基本的雪崩電路，其原理如圖1.5所示：圖1.5 晶體管雪崩效應(yīng)窄脈沖形成電路從電路圖1.5中可以看出，晶體管雪崩電路圖與基本的三極管開(kāi)關(guān)電路一樣，都是通過(guò)三極管結(jié)間導(dǎo)通截止從而形成輸出波形，所不同的是三極管開(kāi)關(guān)電路工作在飽和、截止區(qū)，而雪崩電路工作在雪崩區(qū)，兩者之間的差別在于所加的電源電壓不同，工作點(diǎn)不同。其實(shí)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，雪崩電路也是一種開(kāi)關(guān)電路，只不過(guò)這種電路工作在雪崩區(qū)，開(kāi)關(guān)速度非?？?，這是由于在導(dǎo)通時(shí)電流是雪崩式地成倍增長(zhǎng)而流過(guò)的緣故?；趫D1.5電路，三極管型號(hào)為S8085D331，當(dāng)所加電源低于雪崩電壓VCC=24V時(shí)，輸出脈沖

6、幅度為4.32V，脈沖寬度為60ns，測(cè)量到的脈沖波形如下： 圖1.6 三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出波形 圖1.7 開(kāi)關(guān)管輸出波形從測(cè)量的波形可以看出，由于輸入端有=100p電容和=1k構(gòu)成了微分電路，輸入到三極管基極的100kHz，幅度為2V的方波被微分了，在上升沿和下降沿形成了脈沖，從圖上可以看出，輸出的波形為反相的開(kāi)關(guān)電路。在本次制作中，根據(jù)圖1.2和圖1.3測(cè)量了型號(hào)為S8085D331、S9014C331、S9013H311、2N3094四種常見(jiàn)三極管的和，實(shí)際測(cè)量值如表1.2所示：表1.2三極管型號(hào)（）S8085D331 （254）100V34.2VS9013H311 （194）103

7、.6V37.2VS9014C331 （329）121V75V 2N3094 （200）>120V61.4V應(yīng)用四種三極管在圖1.5中分別做了測(cè)試，其中=100p，=1k，=10k，=100p，=61.5輸入外部觸發(fā)脈沖為100kHz,幅度2V的方波，改變VCC值，示波器為泰克TDS2024，采樣率為2GS/S，帶寬200MHz，探頭為200MHz，得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1.3所示：表1.3三極管型號(hào)雪崩前雪崩后電源幅度脈沖幅度脈沖寬度電源幅度脈沖幅度脈沖寬度S8085D33160V5.68V68ns64V17.2 V24 ns63.8V7.92V50ns65.6 V25.6 V10 nsS9

8、013H31160 V5.12 V68 ns75 V20.2 V16 ns74.5 V13.4 V26 ns80 V36.8 V7.2 ns2N309460 V3.7 V86 ns93.7 V30 V8 ns93.3 V7.52 V76 ns95 V39.2 V8 nsS9014C33160 V4.16 V74 ns113.7 V43.2 V10 ns113.2 V6.48 V92 ns115 V49.6 V10 ns從表1.2和表1.3可以看出，為了保證雪崩擊穿，電源電壓需大于，但為了防止三極管發(fā)生二次擊穿而損壞三極管，所外加電源電壓最好小于。越高的管子要求外加的電壓就越大，雪崩效應(yīng)才比較明

9、顯，這與第三節(jié)中分析倍增因子與外加電壓的關(guān)系是一致的。在三極管發(fā)生雪崩效應(yīng)的臨界點(diǎn)，輸出脈沖的幅度和寬度都有顯著的變化，即雪崩前，三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出的脈沖為觸發(fā)信號(hào)的反向信號(hào)，而工作在雪崩區(qū)的三極管，開(kāi)關(guān)速度明顯更快，集電結(jié)電流顯著增大。為了觀察負(fù)載與儲(chǔ)值電容對(duì)輸出雪崩脈沖的影響，選取S8085D331三極管，在測(cè)試條件同上的情況下，改變儲(chǔ)值電容和負(fù)載值，得到的測(cè)試結(jié)果如表1.4所示：表2.4/雪崩前雪崩后電源幅度脈沖幅度脈沖寬度電源幅度脈沖幅度脈沖寬度47p/61.560 V3.72 V35 ns64.8 V10.8 V18 ns64.5 V5.76 V26 ns70 V25.6 V

10、6 ns10p/61.560 V1.1 V43 ns68.7 V6.24 V7.2 ns68 V2.4 V10 ns70 V9.36 V4.2 ns10p/51070 V5.36 V60 ns74.5 V16 V22 ns74 V7.2 V50 ns80 V23.6 V13.2 ns10p/2k74 V12.8 V92 ns74.5 V17.6 V58 ns80 V21.6 V42 ns從表1.4中可以看出，在相同的情況下，增大的值可以提高輸出脈沖的幅度，因所存儲(chǔ)電量比較多，在觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，需外加電壓比較低就可以使三極管發(fā)生雪崩擊穿，但脈沖寬度比電容值小時(shí)寬；在相同的情況下，增大可以提高外加

11、電壓，從而使三極管雪崩時(shí)的脈沖幅度提高，但隨之而來(lái)的也是脈沖寬度的增加。由此我們可以將三極管發(fā)生明顯雪崩狀態(tài)時(shí)的輸出回路看成一個(gè)C-E間有小電阻，由和組成的放電回路，輸出的脈沖幅度和寬度與電阻值和電容值有一定的比例關(guān)系。雪崩后三極管輸出的波形在幅度上要比雪崩前脈沖的幅度高，而且脈沖下降沿也很陡峭，四種型號(hào)三極管雪崩前和雪崩后臨界點(diǎn)之間的波形如下列圖所示： 圖1.8 S8085D331雪崩前 圖1.9 S8085D331雪崩后 圖1.10 S9013H311雪崩前 圖1.11 S9013H311雪崩后 圖.1.12 2N3094雪崩前 圖1.13 2N3094雪崩后 圖1.14 S9014C331雪崩前 圖1.15 S9014C331雪崩后結(jié)合表1.3和示波器的波形可以看出，雪崩臨界點(diǎn)之間的波形區(qū)別很明顯，在未發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，輸出脈沖平整，對(duì)觸發(fā)源的影響不大