三极管雪崩窄脉冲电路设计窄脉冲发射机主要是产生经过调制后的窄脉冲并将信号从天线发射出去，其中关 键的是如何产生需要的窄脉冲信号，本文在参考探地雷达脉冲和 IR-UWB 产生的基 础上，根据现有的和实际的情况，选择了适合的发射电路。1.1 雪崩三极管窄脉冲产生原理雪崩晶体三极管是可以用来产生比较高速、大功率窄脉冲的器件，它价格便宜、 使用方便，因此得到广泛运用。图 1.1 共发射极输出特性曲线从图 1.1 中可以看出，按照晶体管的工作情况，可以把共发射极接法的输出特性 曲线分为四个区域：截止区、放大区、饱和区和击穿区。当发射结反向运用，集电结也反向运用时，晶体管处于截止区。 当发射结正向运用，集电结反向运用时，晶体管处于放大区。 当发射结和集电结都处于正向运用状态时，晶体管处于饱和区。在放大区工作时，如果将集电极和发射极间的电压V增加到一定程度，就会使CE集电结发生雪崩击穿，雪崩击穿电压较高，一般6伏，击穿后集电极电流I急剧上C 升。下面分析晶体三极管发生雪崩效应的过程。集电结反向偏压很大，集电结空间电荷区内电场强度达到发生雪崩倍增效应时， 电流通过集电结空间电荷区，由于雪崩倍增，电流增大，因此引进倍增因子M为电 流增大的倍速， M 定义为雪崩区内集电结电流与基结电流的比值，数值上等效于雪 崩区域内电流放大系数与正常工作区域内电流放大系数的比值。0e图 1.3 BV 测量原理电路图(l-l)(l-2)图 1.2 BV 测量原理电路图CEO CBO在基极开路的共发射极电路中，外加电压比较小而没有发生雪崩倍增情况下，电 路电流关系为：二 CBOCEO (l_a )0若外加电压较高，集电结发生雪崩倍增效应，这时的电流放大系数为a M，基0区的电流为MI，电路电流关系变为：CBOMI二CBOCEO (l_a M )0当a M T 1，I fg时，晶体管发生了击穿，当a M=1时，C-E间所加的反 0CEO0向电压就是BV 。实验表明，倍增因子M与外加反向电压V的关系为：(1-3)其中V为集电结雪崩击穿电压，对于基极开路的情况，V近似等于V，m为常数,BCEO与晶体管的结构和材料有关8，具体取值如表 1.1：表 1.1 m 的数值导体材料集电结掺杂区为N型集电结掺杂区为P型硅42锗36对于不同的m值，应用M值表达式可以仿真出外加电压倍增因子M与m，三B者之间的关系，仿真图如下：01IIIIIIIII00 10 20 30 40 50 6070 80.9外加电压WVB图1.4倍增因子M与m ,V关系从图1.4中可以看出，在一定的时候，m越大，则M值越小；当外加电压V 一 VB定时，V越小，则雪崩电流增加得越大；当V 一定的情况下，只有增大外加电压V的BB值，M值才会变大，雪崩电流才会显著增加，所以在观察晶体管的雪崩现象时，外 加电压要有一定的要求，否则雪崩现象就不会明显。因此在选择雪崩晶体管时，雪 崩击穿电压V是一个比较重要的标准。B在集电结为雪崩击穿的情况下，设BV二V，代入M值表达式，在晶体管发生CBO B了雪崩击穿时，a M=1， V = BV ，于是有：0CEOCEO 丿 mBVCBO=1 n BV =m1 -a BVCEO0 CBO(1-4)a由P二一化简BV 得 o 1 -a0(1-5)BV =塑cb隹（P为大电流直流放大系数）CEO m1 +P0由于P 一般情况下大于1,因此BV 总是大于BV ，在知道BV 和P后可0CBOCEOCEO0以近似估算出BV ，可以看出P越大，BV 与BV 的差值就越大，这在给选择 CBO0CBOCEO雪崩三极管提供了一个重要的依据。1.2基于三极管雪崩效应的大幅度脉冲电路设计与测试应用单个晶体三极管可以构成一个基本的雪崩电路，其原理如图1.5所示:从电路图1.5中可以看出，晶体管雪崩电路图与基本的三极管开关电路一样，都 是通过三极管结间导通截止从而形成输出波形，所不同的是三极管开关电路工作在饱 和、截止区，而雪崩电路工作在雪崩区，两者之间的差别在于所加的电源电压不同， 工作点不同。其实从本质上来说，雪崩电路也是一种开关电路，只不过这种电路工作 在雪崩区，开关速度非常快，这是由于在导通时电流是雪崩式地成倍增长而流过的缘 故。基于图1.5电路，三极管型号为S8085D331,当所加电源低于雪崩电压VCC=24V时，输出脉冲幅度为4.32V，脉冲宽度为60ns，测量到的脉冲波形如下:图1.6三极管工作在开关状态输出波形MP05：EJi：irs SAVE REC*uCH2 1JOOV M 50.0nsCl-当前冃录量锂CH27EM去于存團像选择祐存TEK0001.BMP图1.7开关管输出波形从测量的波形可以看出，由于输入端有Cb =100p电容和Rb =1kQ构成了微分电 路，输入到三极管基极的100kHz，幅度为2V的方波被微分了，在上升沿和下降沿 形成了脉冲，从图上可以看出，输出的波形为反相的开关电路。在本次制作中，根据图1.2和图1.3测量了型号为S8085D331、S9014C331、S9013H311、2N3094四种常见三极管的bvcb和 BV聞 实际测量值如表1.2所示：表 1.2三极管型号（h ）BVBVFECBOCEOS8085D331（254）100 V34.2VS9013H311（194）103.6V37.2VS9014C331（329）121V75V2N3094（200）120V61.4V应用四种三极管在图1.5中分别做了测试，其中Cb =100p, Rb =lkQ, Rc =10k Q, Co =100p, Ro =61.5 Q输入外部触发脉冲为100kHz，幅度2V的方波，改变VCC 值，示波器为泰克TDS2024，采样率为2GS/S，带宽200MHz，探头为200MHz，得 到的测试数据如表 1.3 所示：表1.3三极管型号雪崩前雪崩后电源幅度脉冲幅度脉冲宽度电源幅度脉冲幅度脉冲宽度S8085D33160V5.68V68ns64V17.2 V24 ns63.8V7.92V50ns65.6 V25.6 V10 nsS9013H31160 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从表1.2和表1.3可以看出，为了保证雪崩击穿，电源电压需大于BV ，但为CEO了防止三极管发生二次击穿而损坏三极管，所外加电源电压最好小于BV 。BV 越CBOCEO高的管子要求外加的电压就越大，雪崩效应才比较明显，这与第三节中分析倍增因子 与外加电压的关系是一致的。在三极管发生雪崩效应的临界点，输出脉冲的幅度和宽 度都有显著的变化，即雪崩前，三极管工作在开关状态，输出的脉冲为触发信号的反 向信号，而工作在雪崩区的三极管，开关速度明显更快，集电结电流显著增大。为了观察负载与储值电容对输出雪崩脉冲的影响，选取 S8085D331 三极管，在测试条件同上的情况下，改变储值电容和负载值，得到的测试结果如表1.4所示：表 2.4Co / Ro雪崩前雪崩后电源幅度脉冲幅度脉冲宽度电源幅度脉冲幅度脉冲宽度47p/61.5Q60 V3.72 V35 ns64.8 V10.8 V18 ns64.5 V5.76 V26 ns70 V25.6 V6 ns10p/61.5Q60 V1.1 V43 ns68.7 V6.24 V7.2 ns68 V2.4 V10 ns70 V9.36 V4.2 ns10p/510Q70 V5.36 V60 ns74.5 V16 V22 ns74 V7.2 V50 ns80 V23.6 V13.2 ns10p/2kQ74 V12.8 V92 ns74.5 V17.6 V58 ns80 V21.6 V42 ns从表1.4中可以看出，在Ro相同的情况下，增大Co的值可以提高输出脉冲的幅度，因所存储电量比较多，在触发脉冲到来时，需外加电压比较低就可以使三极管发 生雪崩击穿，但脉冲宽度比电容值小时宽；在Co相同的情况下，增大Ro可以提高外 加电压，从而使三极管雪崩时的脉冲幅度提高，但随之而来的也是脉冲宽度的增加。 由此我们可以将三极管发生明显雪崩状态时的输出回路看成一个 C-E间有小电阻，由Co和Ro组成的放电回路，输出的脉冲幅度和宽度与电阻值和电容值有一定 CE的比例关系。雪崩后三极管输出的波形在幅度上要比雪崩前脉冲的幅度高，而且脉冲下降沿也图 1.10 S9013H311 雪崩前图 1.11 S9013H311 雪崩后当前目录是瞅M Po5：3UD0ns诸存CH2 /选择CH当前冃录是怕CH2 2jddj MoonsSAVE REC动作存霞TEHOOO.BvlP图.1.12 2N3094雪崩前图1.13 2N3094雪崩后CH当前冃录是怕Tek 儿H TrigdM Fos: 31J0rsSrtVE REC图 1.14 S9014C331 雪崩前 III ill.11.4选择TEHOOO.BvlPCH2 2J0就 M 25,0ns图 1.15 S9014C331 雪崩后结合表1.3和示波器的波形可以看出，雪崩临界点之间的波形区别很明显，在未 发生雪崩击穿时，输出脉冲平整，对触发源的影响不大，但在发生雪崩时，由于输出 脉冲幅度较大，反馈到了触发源，影响了触发脉冲的波形，在雪崩脉冲的上升沿形成 了震荡，输出的雪崩脉冲幅度越大，影响的效果就越明显；同时可以看出，在发生雪 崩状态时，输出脉冲并不是立即产生很尖锐的脉冲，在触发脉冲上升沿到来时就已经 发生了三极管的导通状态，而后才发生更剧烈的雪崩状态，这更进一步说明了雪崩状 态其实是在开关状态上的更高速导通。