【www.zhangdahai.com--其他范文】
苗鑫雨，林 正，李雨忻，王 森，张 迪，李 青
（1.中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018；
2.浙江省智能制造质量大数据溯源分析与应用重点实验室，浙江 杭州 310018；
3.浙江省特种设备检察院，浙江 杭州 310000；
4.西交利物浦大学集萃学院，江苏 苏州 215123）
时域反射技术（Time Domain Reflection Technology，TDR）是一种利用超带宽、高幅值脉冲对线缆进行检测的技术[1]。近年来，其作为一项无损检测新技术，在线路检测领域得到了广泛的应用。过程中反射快速、脉冲能量损耗大，是时域反射技术（TDR）的显著特点。例如利用TDR装置无损测量一根10 m左右长度线缆的损伤情况，从脉冲的发射到采样模块接收到反射信号仅仅需要几十纳秒的时间，一旦脉冲的脉宽不够窄，则在脉冲信号还未发射完毕时，反射信号已经返回，测量实验就会失败[2]。同样，线缆较长时，由于脉冲信号在传播的过程中存在着能量损耗，如果脉冲幅值过小，也会对测量结果产生限制。因此，高幅值、超带宽的窄脉冲源是时域反射技术（TDR）的关键条件之一，决定着整个技术最终是否能够出现明显的测量结果。文献[3]使用四路Marx电路功率合成的方法，产生幅值1.7 kV、脉宽2 ns的脉冲源；
文献[4]使用20级Marx电路设计出幅值1.5 kV、上升沿1 ns的纳秒级脉冲；
文献[5]使用雪崩三极管设计出幅值2 kV、上升沿为200 ps的脉冲发生装置。广大学者对高幅值、窄脉宽的脉冲源展开一系列研究，然而，成本高、电路复杂、超高压大功率电源的限制使其不能广泛的应用。本文旨在设计一种低成本、小功率电源供电下的高幅值、窄脉宽的脉冲发生装置，并提出一种新型的并级联电路结构，其产生的脉冲质量明显优于同级数的Marx级联结构。
目前被广泛使用的高压超带宽脉冲发生源主要由以下几个部分构成：直流高压电源、储能元件、耐高压的快速开关、触发模块以及脉冲成型模块[6]，系统框图如图1所示。高压快速开关在未被触发电路触发时，处于断开状态，此时直流高压电源为储能元件进行充电，使其能够储存足够的能量，一旦触发电路产生触发信号，高压快速开关将在极短的时间闭合，电路短暂导通，储能元件对负载迅速放电形成脉冲。
图1 一般脉冲源系统结构图
脉冲源的好坏主要体现在其所产生脉冲的上升时间、脉冲宽度、脉冲幅值以及拖尾情况，对这些因素影响最大的就是高压快速开关的选择。目前主要的高压快速开关有两类：一类是以二次电子发射管、触发管和氢闸管为代表的电真空器件；
另一类是以雪崩三极管和阶跃恢复二极管为代表的半导体器件。虽然电真空器件能满足实际的应用，但这一类器件的缺点很明显：体积过大、可靠性较低、结构复杂，尤为不适用于TDR这种要求小型化的装置电路中，因此在TDR装置的设计中，采用小体积、高可靠性、结构简单的半导体器件作为超带宽脉冲源的高压快速开关更具优势。阶跃恢复二极管以其快速的反向导通特性著称，使用阶跃恢复二极管作为高压快速开关可以在负载上形成一个脉宽极窄的皮秒级超带宽窄脉冲，但幅值有限，不能承受远距传输的损耗，而雪崩三极管虽然在脉冲宽度上不如阶跃恢复二极管表现优异，脉宽仅为纳秒级，但它可以通过级联的方式制造出几百伏甚至几千伏的超带宽窄脉冲[7]。
本文针对雪崩三极管的基本级联电路，即Marx电路和雪崩三极管并联电路进行分析并改进，提出一种新型结构的并级联电路，使脉冲性能得到大幅度提高。
1.1 雪崩效应的产生
雪崩三极管是一种较为理想的高速（纳秒级）、大电流（安培级）半导体高压快速开关，由于其体积小、价格低、性能好，因而在超带宽窄脉冲源装置的设计中得到广泛的应用[8]。雪崩三极管特性曲线如图2所示。
图2 雪崩三极管特性
截止区、饱和区、线性区和雪崩区是一般的晶体三极管所共有的四个区域。正常的放大电路用到的截止区、饱和区和线性区属于三极管的正常工作区，雪崩区是晶体三极管很特殊的一种工作区域，当三极管工作在此区域时，集电极电流iC随着集电极与发射极之间的电压UCE和iB的变化而急剧变化[9]，雪崩三极管的工作特性如图2所示。BVCEO是雪崩三极管集电极到发射极之间的击穿电压，BVCBO则是集电极到基极之间的击穿电压，BVCEO与BVCBO就是雪崩三极管雪崩区的两个临界雪崩击穿电压值。以NPN型三极管为例，当发生雪崩击穿时，由于载流子倍增效应的存在，少数流向集电极的电子在强电场的作用下撞击晶格，击出共价键中的价电子，这些电子又共同去撞击新的晶格产生连锁反应，造成晶格迅速的雪崩式坍塌，因此产生极大的瞬间电流，就像雪山上雪崩发生时的现象一样，整个过程在纳秒级的时间内瞬间完成[10]。
引起雪崩三极管雪崩效应的触发共有四种方式：光信号触发导通、电信号触发导通、过压击穿导通及快速上升沿导通[11⁃12]。雪崩三极管主要通过电信号触发和过压击穿这两种方式进行导通，电信号触发导通是给三极管的集电极和发射极之间施加一个电压值UCE（介于BVCEO与BVCBO之间的高压直流电压源），不同的雪崩三极管之间的参数不同，这时三极管处于临界导通状态，此时给基极施加一个电流iB，其临界击穿电压就会降低，此时UCE高于临界击穿电压，便足够触发其雪崩效应；
而过压击穿则是将集电极和发射极之间施加的电压值UCE瞬间大过BVCBO，则雪崩效应迅速发生。
雪崩三极管在雪崩区BVCEO与BVCBO之间呈现负阻特性，即一种强烈的正反馈，在负阻区内会发生两次雪崩效应，第二次雪崩效应被称为二次击穿，该区域实际位于图2中正常工作区域的正上方。雪崩效应开始后，经过一次雪崩击穿，雪崩三极管达到一种双稳态特性，此时，如果触发信号不够大、持续时间不够长，则工作点不再继续向二次击穿区域进发，雪崩效应截止，发生封锁现象；
假如触发信号足够大、持续时间足够长，则继续将工作点推至二次击穿区域。从理论上来说，当脉冲发生时，由于雪崩效应的存在，击穿电流是不断增大的，易于满足二次击穿的条件，两次击穿所获得的脉冲信号的速度较快、幅值较高。雪崩三极管发生二次击穿，其脉冲幅值就可以达到UCE左右，一次与二次雪崩击穿产生脉冲的对比如图3所示。
图3 一次击穿与二次击穿对比图
1.2 雪崩三极管的选型
由于雪崩三极管在脉冲产生领域的大量应用，世界上许多公司和科研机构生产出大批型号的雪崩三极管，当前市面上有许多可供选择的雪崩三极管，如何进行雪崩三极管的选型值得深思。
当雪崩效应发生时，集电极电流iC与发射极电流iE之间的关系为：
式中：α是共基极电流放大系数；
α*为雪崩三极管工作在雪崩区时的共基极电流放大系数；
M则表征雪崩区域内电流倍增的程度。M的表达式如下：
式中m是与三极管制作材料相关的系数。不同材料对应的系数如表1所示。
表1 材料系数表
式（1）表明，集电极电流在雪崩区域内随发射极电流变化急剧，在共射极雪崩晶体三极管电路中集电极电流为：
在正常工作区域中的三极管，其共射极电流放大系数β与共基极电流放大系数α间有以下关系：
在雪崩区域工作时，其关系仍然不变。
由式（1）和式（6）可知：
可得只有当Mα=1时，β*才能为无穷大，即可以产生无穷大的电流放大倍数，说明当UCE满足Mα=1时，雪崩效应就会发生，由：
可以得到：
当基极开路时，BVCEO近似等于UCE，由式（4）和式（10）可知：
由此可知，β值越大，三极管的雪崩区即BVCEO与BVCBO之间的差值就越宽，其雪崩效应性能就越好。因此在选择雪崩三极管时应挑选β值与BVCBO值大、BVCEO值小的雪崩三极管。经过对比市面上的雪崩三极管，最终选择了DIODES公司出品的FMMT417TD芯片，它的BVCBO值和BVCEO值[13]分别为330 V与90 V，性能较为优异、价格较低、性价比较高。
2.1 典型雪崩电路工作原理
雪崩三极管所构成的典型雪崩电路如图4所示，通常电容C1取值在皮法级，限流电阻R1在电路中起保护作用，不能取值太小，否则会因功率过大烧坏雪崩三极管，通常选为几千欧到几十千欧。直流电压源V1取值在雪崩三极管FMMT417TD的临界击穿电压附近，V2是一个矩形波发生源，为电路提供峰峰值3.3 V、频率为10 kHz的方波触发信号，R2为负载电阻，通常取50Ω。
图4 典型雪崩电路图
当V2的触发信号没有到来时，直流电压源V1为电容C1充电，随着触发信号的到来，V1的电压值瞬间足够使三极管导通，发生雪崩效应，C1左端瞬间与地相连，由于电容的电压不能发生突变，此时负载R2上的电位变为-V1，脉冲的上升沿随之成型，然后C1通过右侧回路进行放电，就是脉冲信号的下降沿，一次雪崩效应随之结束，电容再次充电，等待下一次触发信号的到来[14]。典型雪崩等效电路图如图5所示[15]。
图5 典型雪崩等效电路图
影响最终脉冲信号质量的主要有以下5个因素：雪崩三极管器件的选型、直流电压源电压的大小、触发信号V2的上升沿、储能电容C的容值、负载电阻RL的阻值。这些因素主要影响脉冲信号的脉宽及幅值，其中，雪崩三极管器件的选型在上一节中已经做了详细的讲解，这里不再重复分析；
触发信号V2的上升沿越窄越好，能更快地触发雪崩效应；
负载电阻RL的阻值过大会使脉宽变宽，过小会导致幅值过低，经大批学者验证，采用50Ω是最理想的负载阻值。采用高速仿真软件PSpice进行仿真实验，分析直流电压源电压的大小和储能电容C的容值对脉冲信号质量的影响。
对V1分别取BVCEO与BVCBO之间的5个不同的电压值进行仿真实验，产生的脉冲信号如图6所示。可以看出，在雪崩区域的电压范围内直流电压源提供的电压值越高，脉冲信号的质量就越好，然而超过BVCBO的电压值之后，再次升高电压，脉冲信号将不再发生变化，这是由于雪崩三极管直接发生了过压击穿，不再需要等待触发信号的到来，因此选择直流电压源要在BVCBO左右，脉冲信号的效果最好。
图6 不同电压值产生的脉冲
对C1在0~100 pF之间取5个不同的容值进行仿真实验，结果如图7所示。结果发现，储能电容的容值越小，脉冲的下降沿就会越窄，然而这样造成的缺点是幅值太小；
相反，容值越大，能储存更多的能量，使脉冲的幅值更大，但导致脉冲的下降沿变宽，选择一个中间的容值，既能保证幅值的大小又不会使脉宽过宽，性价比较高。
图7 不同电容值产生的脉冲
2.2 Marx级联电路工作原理
Marx级联电路是目前雪崩三极管电路中使用最多的一种脉冲产生电路，它是由多个雪崩三极管串联，电容首先并联充电，当雪崩效应发生后各级电容串联放电的电路，其电路图如图8所示。
图8 Marx电路图
原则上由雪崩三极管串联应用时，其输出振幅必定不会超过电源电压V1，如果想要得到大幅值脉冲信号，就要提高直流电压源的电压和功率，由于杂散参数的存在，级联之间能量损耗严重，且雪崩三极管内阻并非很小，致使这种现象尤其严重，通常想得到几百伏特的脉冲信号就要施加上千伏特的电源。Marx电路很好地弥补了这一不足，它可以使用电压较低的电源获得幅值远高于V1的脉冲信号。该电路可以设置多级连接，理论上连接越多脉冲幅值越高，第一级采用电信号触发导通的方式，后面均采用过压击穿导通。首先，在触发信号没有到来时，直流电压源同时给所有电容进行充电，当U1的基极接收到高电平信号，U1发生雪崩效应，U2的基极与发射极的电位瞬间变为-V1，U2的UCE变成2V1，大过FMMT417TD雪崩三极管的BVCBO，发生过压击穿导通的雪崩效应。随着级数的增加，后级三极管集电极和发射极间的压差成倍地增加，过压击穿越来越快速。由于触发存在先后顺序，所以存在时间上的间隔，但时间在皮秒级，对于纳秒级的脉冲宽度此间隔可以忽略不计，所有雪崩三极管几乎同时触发，电容串联放电，负载上形成脉冲信号[16]。
分别取1、3、5、7、9级搭建Marx仿真电路，采用320 V直流电压源供电，结果如图9所示。
图9 不同级数产生的脉冲
由图9可知，级数越高得到的脉冲越高，但其上升沿也在变宽，当级数达到9级时，脉冲信号几乎消失，这是由于此时电压源的能量已经不能足够供给如此多的雪崩三极管使其发生雪崩效应，想要级数更高就要使用更高电压、更大功率的电源。
同时，从实际的实验中得到当Marx级联电路的级数超过5级时，由于触发及二次击穿不同步的原因会造成多级脉冲叠加不良好的情况，严重影响脉宽和幅值的结果，并且使用过多级数时，必然会造成引线的延长，导致引线电感的增大，产生边沿变慢、过冲震荡加剧等现象。
2.3 雪崩三极管的并联工作原理
该电路是由多个雪崩三极管并联同时被触发信号触发，所有三极管均是过压击穿导通，电容并联充电，在导通后，所有电容并联放电，两级雪崩三极管并联电路如图10所示。
图10 两级雪崩三极管并联电路
当并联电路中的雪崩三极管导通时，电容的并联放电显然比电容的串联放电所释放的能量更大也更快，同时，并联的方式可以减小器件内阻对能量释放的影响。其关键是要解决晶体管的同时触发问题，选择的雪崩三极管每一颗都要进行单管实验，对比其产生的脉冲，以确保并联的雪崩三极管触发参数基本一致，同时，在进行电路的布局时也要考虑到线路的等长。当多个雪崩三极管并联时，必然会导致负载两端的分布电容变大，进而影响脉宽，因此，并联级数不宜过多。
3.1 新型并级联电路的原理图设计
基于上一节的分析，得出Marx级联电路选择4级连接是这种电路结构的最佳状态，而并联电路虽然有助于提高脉冲幅值，但并联级数过多时分布电容的增大限制了其产生脉冲信号的质量，且过多的级数使雪崩三极管的同时触发成为一个难题。
结合Marx级联电路与雪崩三极管并联电路设计出一种新型并级联电路结构，由两个雪崩三极管先进行并联搭建，再由四组并联电路进行级联，这种电路结构结合了两种电路结构的优势，相互弥补了缺点，电路结构如图11所示。
图11 雪崩三极管并级联电路
第一级电路由雪崩三极管U1与U5并联构成，其同时受方波触发信号的高电平触发，发生电信号触发导通，C1与C5的右端电位瞬间变为-V1，使U2与U6的集电极与发射极之间的电压变为2V1，发生过压击穿导通，同理，U3与U7，U4与U8，均同时发生过压击穿导通，当所有雪崩三极管导通时，上下电容两两并联再进行级间串联放电，这样就在不增大级联电路中单个电容容值的情况下，通过晶体管导通后电容间的并联将容值提高了1倍，最终大大提高脉冲信号的幅值，即在不影响原有脉宽时间的基础上提高了脉冲幅值。同时，两个雪崩三极管并联同时触发发生雪崩效应产生的瞬时电流也变为了原来的2倍，且两个雪崩三极管进行并联有效地缩小了电路中的内阻，这样对缩短脉宽时间产生了极大的帮助。级联与并级联电路产生的脉冲信号仿真图像如图12所示。
通过对电路的理论分析，可以实现对并级联电路中的主要参数进行计算。
导通之后所有电容先两两并联后级联，脉冲成型电路中只有雪崩三极管和负载电阻分压，由此在得知需求的脉冲幅值时，可以根据以上参数求得电路中的级联级数。用n表示电路级数，r表示雪崩三极管的等效内阻，RL表示负载电阻，UI表示供电电压，UO表示输出脉冲信号的期望幅值，则：
取r=12Ω，RL=50Ω，UI=320 V，UO≈300 V，计算得到并级联电路级联的级数n应大于2级，考虑到能量损耗以及第2节中对Marx级联级数的分析，最终将级数确定为4级。
脉冲电路由n组两两并联的雪崩三极管级联构成，当n组储能相同的电容同时串联放电时，储能电容储存的电荷量即为输出的k倍。
取k=1.2，脉冲上升沿时间Te=300 ps，计算得到每一级的电容C应大于2 pF。而电容的容值又决定了脉冲信号的下降沿Td：
取Td=500 ps，则C≤65 p F，结合第2节关于储能电容容值的大小对电路的影响，最终确定电容C的值取56 pF。
电路中的限流电阻取决于供电电源的额定电流和触发信号的频率，因此：
重复频率f取10 kHz，使两个限流电阻取相同值，得到Rc=Rf≤179 kΩ，考虑到电流值与限流电阻值成反比，限流电阻太小会导致雪崩三极管被烧坏，太大则会导致导通电流变小，从而影响脉冲信号质量。经过大量实物实验对比，最终确定第一级电信号触发的电路限流电阻取值为47 kΩ，之后的过压击穿电路中的限流电阻取值为33 kΩ。
由文献[17]得知，采用了减小最后一级储能电容值的发放来缩短脉冲的上升沿时间，但这样就会大大影响脉冲的幅值，即以牺牲脉冲幅值的发放来换取脉冲宽度的缩短。基于电容并联可以同时放电的启发，将每个储能电容改为容值减半的两个电容并联的形式，一方面减少放电电路的内阻，另一方面小电容比大电容放电更快，两个小电容同时放电，这样就能在不减少脉冲幅值的情况下，有效地缩短脉冲的上升沿。
由文献[18]可知，在负载电阻处串联一个电感值10 nF的电感，可以在一定程度上缓解由过冲造成的振荡尾波。
考虑同时触发的问题，使用多级并联的雪崩三极管会导致波形叠加不同时，从而造成脉冲信号的上升沿变宽，幅值不能达到理论高度。因此选择只保留最后一级对脉冲信号影响最大的并联电路，可以缓解触发不同时而造成的脉冲信号质量差的问题。
同时为电源加装一个10µF的电解电容来确保断电之后电压不会突变从而对器件造成损害。同时，该脉冲发生装置处于高压的工作环境，在断电之后的一段时间内依然会有大大超过人体安全电压的残余电量不能及时释放，会对使用者造成触电的危险，所以要给该电路添加一条残余电量释放电路，在使用结束后，通过按下开关，使电源正极通过一个100 kΩ的电阻将残余电量向地释放，从而保障使用者的人身安全，最终的电路图及器件参数如图13所示。
图13 新型纳秒级并级联脉冲产生电路
3.2 新型并级联电路的实物加工及测试
由于雪崩效应产生瞬时大电流，因此，在PCB布线时线宽不能太窄，否则不利于信号的流通及散热，令走线线宽按照微带线设计为50Ω，也可以尽可能地避免信号反射造成的干扰。
在对器件位置进行布局时，要尽可能地使导线更短，有利于各个三极管的同时触发，而最后一级的并联电路在布局布线时要使其上下对称才能保证两个雪崩三极管的同时触发。尽管如此布局，且此并级联电路只有四级，前后级雪崩三极管由于触发顺序的不同，依然会产生皮秒级的触发延迟，从而造成脉冲信号的质量变差。由于雪崩三极管做工工艺的问题，每颗雪崩三极管本身都会存在皮秒级的上升沿误差。因此，触发顺序造成的各级雪崩三极管触发不及时的问题便可以据此得到有效解决：对每颗雪崩三极管均搭建经典的单管脉冲发生电路进行性能测试，按照上升沿时间长短的顺序进行排序，将触发时间长的雪崩三极管焊接到前级，触发时间短的雪崩三极管焊接到后级，这样就可以尽可能地补偿因为触发顺序不同而造成的脉冲信号质量差的问题。
制作好的电路板如图14所示，将其通过20 dB的衰减器接入KEYSIGHT DSOS254A高采样率数字示波器中，得到一个实际幅值为321.16 V、上升沿为1.94 ns、脉宽为4.25 ns的脉冲信号，实际产生的脉冲图像如图15所示。
图14 并级联脉冲产生电路实物图
图15 实际产生的脉冲信号图
为了满足TDR技术的需要，提高脉冲发射信号的质量，本文基于Marx级联电路与雪崩三极管并联电路研制了一种幅值高、脉宽窄、低成本的新型并级联脉冲发生装置。从实验结果可知，较以前的电路结构，在同样功率电源供电情况下，新型并级联电路结构产生的脉冲信号幅值更高、脉宽更窄，尾波振幅不超过脉冲幅值的15%，且在10 ns内稳定，满足TDR技术的需要，具有较大的使用价值。
注：本文通讯作者为李青。
猜你喜欢三极管雪崩级联铀浓缩厂级联系统核安全分析核安全(2022年3期)2022-06-29雪崩大危机小哥白尼(趣味科学)(2022年1期)2022-04-26雪崩时，没有一片雪花是无辜的湘潮(上半月)(2019年11期)2019-05-22基于晶体三极管的放大电路分析成都信息工程大学学报(2019年1期)2019-05-20The shocking disappearance of flights疯狂英语·新读写(2018年2期)2018-11-29三极管引脚折弯机双凸轮机构的分析与仿真新乡学院学报(2016年6期)2016-12-01三极管放大电路的研究电子制作(2016年1期)2016-11-07基于级联MUSIC的面阵中的二维DOA估计算法系统工程与电子技术(2016年2期)2016-04-16三极管单管放大电路的失真分析工业设计(2016年11期)2016-04-16H桥级联型STATCOM启动策略研究电测与仪表(2016年8期)2016-04-15本文来源：http://www.zhangdahai.com/shiyongfanwen/qitafanwen/2023/0910/652541.html
