三極管雪崩窄脈沖電路設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上三極管雪崩窄脈沖電路設計窄脈沖發(fā)射機主要是產(chǎn)生經(jīng)過調制后的窄脈沖并將信號從天線發(fā)射出去，其中關鍵的是如何產(chǎn)生需要的窄脈沖信號，本文在參考探地雷達脈沖和IR-UWB產(chǎn)生的基礎上，根據(jù)現(xiàn)有的和實際的情況，選擇了適合的發(fā)射電路。§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產(chǎn)生比較高速、大功率窄脈沖的器件，它價格便宜、使用方便，因此得到廣泛運用。圖 共發(fā)射極輸出特性曲線從圖中可以看出，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區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。當發(fā)射結反向運用，集電結也反向運用時，晶體管處于截止區(qū)。當發(fā)射結正向運用，集電

2、結反向運用時，晶體管處于放大區(qū)。當發(fā)射結和集電結都處于正向運用狀態(tài)時，晶體管處于飽和區(qū)。在放大區(qū)工作時，如果將集電極和發(fā)射極間的電壓增加到一定程度，就會使集電結發(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)生雪崩效應的過程。集電結反向偏壓很大，集電結空間電荷區(qū)內電場強度達到發(fā)生雪崩倍增效應時，電流通過集電結空間電荷區(qū)，由于雪崩倍增，電流增大，因此引進倍增因子為電流增大的倍速，定義為雪崩區(qū)內集電結電流與基結電流的比值，數(shù)值上等效于雪崩區(qū)域內電流放大系數(shù)與正常工作區(qū)域內電流放大系數(shù)的比值。 圖 測量原理電路圖 圖 測量原理電路圖在基極開路的共發(fā)射極電路中，

3、外加電壓比較小而沒有發(fā)生雪崩倍增情況下，電路電流關系為： (1-1)若外加電壓較高，集電結發(fā)生雪崩倍增效應，這時的電流放大系數(shù)為，基區(qū)的電流為，電路電流關系變?yōu)椋?(1-2)當，時，晶體管發(fā)生了擊穿，當時，間所加的反向電壓就是。實驗表明，倍增因子與外加反向電壓的關系為： (1-3)其中為集電結雪崩擊穿電壓，對于基極開路的情況，近似等于，為常數(shù)，與晶體管的結構和材料有關8，具體取值如表：表 的數(shù)值導體材料集電結摻雜區(qū)為N型集電結摻雜區(qū)為P型硅42鍺36對于不同的值，應用值表達式可以仿真出外加電壓倍增因子與，三者之間的關系，仿真圖如下：圖倍增因子與， 關系從圖中可以看出，在一定的時候，越大，則值越

4、小；當外加電壓一定時，越小，則雪崩電流增加得越大；當一定的情況下，只有增大外加電壓的值，值才會變大，雪崩電流才會顯著增加，所以在觀察晶體管的雪崩現(xiàn)象時，外加電壓要有一定的要求，否則雪崩現(xiàn)象就不會明顯9。因此在選擇雪崩晶體管時，雪崩擊穿電壓是一個比較重要的標準。在集電結為雪崩擊穿的情況下，設，代入值表達式，在晶體管發(fā)生了雪崩擊穿時，=，于是有： (1-4)由化簡得（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重要的依據(jù)。§基于三極管雪崩效應的大幅度脈沖電路設計與測試應用單個晶

5、體三極管可以構成一個基本的雪崩電路，其原理如圖所示：圖 晶體管雪崩效應窄脈沖形成電路從電路圖中可以看出，晶體管雪崩電路圖與基本的三極管開關電路一樣，都是通過三極管結間導通截止從而形成輸出波形，所不同的是三極管開關電路工作在飽和、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，工作點不同。其實從本質上來說，雪崩電路也是一種開關電路，只不過這種電路工作在雪崩區(qū)，開關速度非?？?，這是由于在導通時電流是雪崩式地成倍增長而流過的緣故?；趫D電路，三極管型號為S8085D331，當所加電源低于雪崩電壓VCC=24V時，輸出脈沖幅度為，脈沖寬度為60ns，測量到的脈沖波形如下： 圖 三

6、極管工作在開關狀態(tài)輸出波形 圖 開關管輸出波形從測量的波形可以看出，由于輸入端有=100p電容和=1k構成了微分電路，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關電路。在本次制作中，根據(jù)圖和圖測量了型號為S8085D331、S9014C331、S9013H311、2N3094四種常見三極管的和，實際測量值如表所示：表三極管型號（）S8085D331 （254）100VS9013H311 （194）S9014C331 （329）121V75V 2N3094 （200）>120V應用四種三極管在圖中分別做了測試，

7、其中=100p，=1k，=10k，=100p，=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，得到的測試數(shù)據(jù)如表所示：表三極管型號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S8085D33160V68ns64V V24 ns50ns V V10 nsS9013H31160 V V68 ns75 V V16 ns V V26 ns80 V V ns2N309460 V V86 ns V30 V8 ns V V76 ns95 V V8 nsS9014C33160 V V74 ns

8、 V V10 ns V V92 ns115 V V10 ns從表和表可以看出，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，雪崩效應才比較明顯，這與第三節(jié)中分析倍增因子與外加電壓的關系是一致的。在三極管發(fā)生雪崩效應的臨界點，輸出脈沖的幅度和寬度都有顯著的變化，即雪崩前，三極管工作在開關狀態(tài)，輸出的脈沖為觸發(fā)信號的反向信號，而工作在雪崩區(qū)的三極管，開關速度明顯更快，集電結電流顯著增大。為了觀察負載與儲值電容對輸出雪崩脈沖的影響，選取S8085D331三極管，在測試條件同上的情況下，改變儲值電容和負載值，得到的測

9、試結果如表所示：表/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/60 V V35 ns V V18 ns V V26 ns70 V V6 ns10p/60 V V43 ns V V ns68 V V10 ns70 V V ns10p/51070 V V60 ns V16 V22 ns74 V V50 ns80 V V ns10p/2k74 V V92 ns V V58 ns80 V V42 ns從表中可以看出，在相同的情況下，增大的值可以提高輸出脈沖的幅度，因所存儲電量比較多，在觸發(fā)脈沖到來時，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寬；在相同

10、的情況下，增大可以提高外加電壓，從而使三極管雪崩時的脈沖幅度提高，但隨之而來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)時的輸出回路看成一個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，四種型號三極管雪崩前和雪崩后臨界點之間的波形如下列圖所示： 圖 S8085D331雪崩前 圖 S8085D331雪崩后 圖 S9013H311雪崩前 圖 S9013H311雪崩后 圖. 2N3094雪崩前 圖 2N3094雪崩后 圖 S9014C331雪崩前 圖 S9014C331雪崩后結合表和示波器的波形可以看出，雪崩臨界點之間的波形區(qū)別很明顯，在未發(fā)生雪崩擊穿時，輸出脈沖平整，對觸發(fā)源的影響不大，但在發(fā)生雪崩時，由于輸出脈沖幅度較大，反饋到了