基于MARX電路的高斯脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范永欣　劉久文　張多納

摘 要：文章對(duì)高斯脈沖信號(hào)在電磁兼容測(cè)試方面的應(yīng)用進(jìn)行了概述，講述了雪崩三極管以及MARX電路的基本理論，采用雪崩三極管組成MARX電路來(lái)生成高斯脈沖信號(hào)的原理，分析MARX電路結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖的影響，對(duì)波形各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了分析和規(guī)律總結(jié)。設(shè)計(jì)了基于MARX電路和雪崩三極管的高斯脈沖信號(hào)發(fā)生器，脈沖幅值800V（50歐負(fù)載），半高寬2ns，重復(fù)頻率從1kHz至20kHz可調(diào)，工作狀態(tài)穩(wěn)定已持續(xù)工作數(shù)十小時(shí)，對(duì)脈沖源的改進(jìn)提出了設(shè)想。

關(guān)鍵詞：雪崩三極管；MARX電路；脈沖源；電磁兼容

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)量與日俱增，性能也在不斷提高，并正向高頻率、寬頻帶、高集成度、高可靠性、高精度和高靈敏度方向發(fā)展。與此同時(shí)，電磁干擾的問(wèn)題勢(shì)必越來(lái)越嚴(yán)重，現(xiàn)已成為電子系統(tǒng)和設(shè)備正常工作的突出障礙。

在實(shí)際工作環(huán)境中，隨著設(shè)備的增多，多個(gè)設(shè)備共同工作在同一環(huán)境下，設(shè)備之間會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，特別是在大型的設(shè)備與機(jī)器上，同時(shí)工作的元器件多達(dá)幾百甚至上千個(gè)，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備的故障率大幅提高，如何對(duì)設(shè)備的電磁兼容環(huán)境進(jìn)行測(cè)試成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。高斯脈沖信號(hào)具有功率大，頻譜廣的特點(diǎn)，能夠覆蓋設(shè)備的各個(gè)敏感點(diǎn)，有利于模擬真實(shí)的電磁環(huán)境。高斯脈沖信號(hào)生成電路在軍工、科研、雷達(dá)探測(cè)、超寬帶傳輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域具有重大的作用，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

1 雪崩三極管的二次擊穿

雪崩三極管是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于工作在雪崩區(qū)的三極管，具有較高的Vceo與Vcbo，在脈沖狀態(tài)下最大工作電流可以達(dá)到幾十安。這類(lèi)雪崩三極管通常可以工作在負(fù)阻區(qū)，并具有二次擊穿的特性，非常符合脈沖生成電路的制作要求。負(fù)阻效應(yīng)是指當(dāng)三極管工作在雪崩區(qū)時(shí)，Vce隨Ic的增大而減小的效應(yīng)。二次擊穿指當(dāng)三極管工作在雪崩區(qū)時(shí)，它的工作點(diǎn)并不穩(wěn)定，當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí)會(huì)發(fā)生二次擊穿，此時(shí)的電流非常大。如圖1所示：當(dāng)雪崩三極管處于第一次雪崩時(shí)，工作在c點(diǎn)，而隨著電流增大，導(dǎo)致工作點(diǎn)的上移至b點(diǎn)，而b點(diǎn)的工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，雪崩三極管發(fā)生2次擊穿，此時(shí)工作點(diǎn)繼續(xù)上移至a點(diǎn)。

2 MARX電路工作原理

如圖2所示為MARX電路原理示意圖，圖中偏置電源Ec對(duì)電容C1～C5進(jìn)行充電，Ec的大小為三極管T1～T2的臨界雪崩電壓，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)加入后，三極管迅速進(jìn)入雪崩區(qū)，此時(shí)C2左端的電壓與C1右側(cè)電壓可以近似理解為相等，由于C2為電容兩側(cè)電壓不能突變，所以C2右側(cè)電壓等于C1+Ec，即2Ec，以此類(lèi)推最終在RL1上得到5倍的Ec。

MARX電路的最重要的作用就是通過(guò)多級(jí)MARX電路可以得到幾倍于Ec的電壓，是產(chǎn)生高幅值脈沖的有效途徑。

3 脈沖幅值與電路級(jí)數(shù)的關(guān)系

在實(shí)際制作MARX電路中，脈沖幅值往往不能得到理想的倍增效果，原因主要有三個(gè)，首先是雪崩三極管的雪崩效率是否滿足要求，其次是充電電容的選擇，通常在電容中的電量不滿足雪崩需求時(shí)，雪崩三極管就會(huì)退出雪崩狀態(tài)，第三是信號(hào)在元器件以及信號(hào)線上的耗損。

所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們并不追求實(shí)現(xiàn)完全的電壓倍增，而是采用欠電荷充電的方式，所謂欠電荷充電，是指每一個(gè)充電電容只要存有滿足該級(jí)電路雪崩所需的電荷量即可，這樣做的好處是，通過(guò)增加電路級(jí)數(shù)來(lái)得到高幅值脈沖，而縮小電容的大小，使得電容放電時(shí)間縮小。

假設(shè)需要得到800V電壓，負(fù)載50歐，那么電流的大小應(yīng)為16A，在實(shí)際制作中，電荷Q=I*t，t為三極管導(dǎo)通時(shí)間，通常國(guó)產(chǎn)三極管為2ns，則Q=32納庫(kù)倫，C=Q/U，U=200V，則C=160pF。即當(dāng)電容為160pF時(shí)，即可滿足雪崩，在實(shí)際制作時(shí)，通常留有余量。

4 雪崩三極管的加速作用

脈沖幅值的特點(diǎn)是幅值高，脈寬窄，通常脈寬只有幾納秒至幾十納秒，減小脈寬是MARX電路的重要作用，主要利用的是欠電荷充電法以及雪崩三極管的加速作用。

電容的放電與其RC回路相關(guān)，通常情況下大約需要3～5個(gè)RC時(shí)間常數(shù)，電容將放電完畢，經(jīng)過(guò)計(jì)算，以470P的電容和50歐姆電阻為負(fù)載，其放電時(shí)間大約需要70.5～117.5ns。而實(shí)際制作過(guò)程中，經(jīng)過(guò)雪崩三極管的加速作用，最終得到的脈沖幅值通常不超過(guò)10ns。

5 制作實(shí)例

本例采用20級(jí)雪崩三極管級(jí)聯(lián)，雪崩三極管采用FMMT417TA雪崩三極管，電容470P，充電電阻39K，充電電壓為220V，輸出為50歐負(fù)載，最終得到脈沖幅值800V，脈寬4.8ns，拖尾較小。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章從高斯信號(hào)在電磁兼容測(cè)試中的作用引出納秒級(jí)高斯脈沖信號(hào)源的特點(diǎn)，提出了利用MARX電路進(jìn)行高斯脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)，并對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試和分析，提出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，該實(shí)例已正常工作十幾個(gè)小時(shí)，穩(wěn)定度良好，完全滿足電磁兼容測(cè)試的注入需求。

作者簡(jiǎn)介：范永欣（1986，7-），男，山東諸城人，碩士，研究方向：超寬帶技術(shù)，MARX電路的設(shè)計(jì)。