近年來(lái)，脈沖式半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于它增益帶寬寬、體積小效率高，而且壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉，因此，無(wú)論軍用或民用都倍受世人青睞采用增益開關(guān)法即直接注入射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器，也可產(chǎn)生超短光脈沖，相比于調(diào)Q法、鎖模法，其無(wú)需任何光學(xué)器件，適用于常規(guī)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器。同時(shí)其光脈沖的重復(fù)頻率在很大范圍內(nèi)可調(diào)。為了得到高質(zhì)量的超短光脈沖，需用納秒級(jí)甚至皮秒級(jí)電脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。采用雪崩晶體管可以很方便地產(chǎn)生亞毫微秒上升時(shí)間以及較大峰值功率的短脈沖，且具有延時(shí)抖動(dòng)小、壽命長(zhǎng)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為納秒級(jí)脈沖發(fā)生器的首選元件。
1.雪崩晶體管工作原理
如果在晶體管的集電極加上比正常運(yùn)用大許多倍的電壓，使集電極的載流子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，從而獲得很大的能量。這些被加速的載流子與晶格發(fā)生碰撞便產(chǎn)生了新的電子-空穴對(duì)，這些新的電子.空穴對(duì)又分別為強(qiáng)電場(chǎng)所加速，重復(fù)上述過(guò)程。于是，流過(guò)集電極的電流便像“雪崩”一樣迅速增長(zhǎng)，這種現(xiàn)象被叫做晶體管的雪崩效應(yīng)，具有明顯雪崩效應(yīng)的晶體管稱之為雪崩晶體管。設(shè)雪崩效應(yīng)后的晶體管的共基極電流增益為α*，則有α*=Mα，M為雪崩倍增因子，α為雪崩前晶體管的共基極電流增益。倍增因子通常可用下式求得即：
式中Uc是外加電壓，BUCBO是發(fā)射極開路時(shí)集電極基極反向擊穿電壓，n是與晶體管材料有關(guān)的密勒指數(shù)，通常硅材料為3～4。
同樣，設(shè)β*為雪崩晶體管雪崩后的共射極電流增益，則有：
圖1 NPN型雪崩晶體管共發(fā)射極輸出特性
如圖1所示，當(dāng)UCE＜US(US為維持電壓)時(shí)，由于UCE＜UCBO，M≈1，沒有雪崩現(xiàn)象。當(dāng)UCE=US時(shí)，IB=0，晶體管基極開路，此時(shí)沒能基極電流注入，流經(jīng)基區(qū)的載流子數(shù)目與通過(guò)收集結(jié)的載流子數(shù)目相等，載流子沒有復(fù)合，即α*=1，因而α＜1，M=＞1，這對(duì)應(yīng)于剛剛出現(xiàn)雪崩效應(yīng)的情況。
當(dāng)UCE繼續(xù)增加，并且基極接有電阻或加有反向偏壓時(shí)，基雪崩擊穿出現(xiàn)負(fù)阻特性。本文將Us、BUCBO所限定的電壓范圍稱之為雪崩工作區(qū)。圖1中BUCEO是基極開路時(shí)，集-射極間的擊穿電壓;BUCBR是基-射極間接電阻時(shí)，集-基極之間的擊穿電壓;BUCBS是基-射極間短路時(shí)，集-射極間的擊穿電壓;BUCBX是基-射極反向偏置時(shí)，集-射極間擊穿電壓，它們滿足以下關(guān)系：BUCEO＜BUCBR＜BUCBS＜BUCBX＜BUCBO。
在雪崩區(qū)內(nèi)，電流增益增加到正常運(yùn)用的M倍，晶體管的有效截止頻率大為提高，其開啟速度僅為毫微秒甚至亞毫微秒級(jí)，通過(guò)改變雪崩過(guò)程儲(chǔ)能電容與負(fù)載電阻，可以改變所對(duì)應(yīng)的輸出幅度與脈沖寬度。雪崩晶體管一般為小功率開關(guān)晶體管，如2N5551、2N5192等。而Zetex公司的ZTX415則是一款專用的雪崩晶體管，它所能產(chǎn)生的最大電流脈沖為60A，本電路的設(shè)計(jì)就選用了ZTX415。
雪崩管的基本電路如圖2所示。電路應(yīng)滿足：
Ts是觸發(fā)脈沖Vi的周期。
圖2 雪崩晶體管的基本電路
電壓VCC通過(guò)電阻R3和R5對(duì)C2進(jìn)行充電，R3一般為幾十kΩ，以保證雪崩管的工作頻率。R5為探測(cè)電阻，約為1Ω。C2可選用瓷片或云母電容，一般為幾十pF。當(dāng)觸發(fā)脈沖接入基級(jí)后，雪崩晶體管作為一個(gè)開關(guān)，使C2通過(guò)晶體管和R5放電。通過(guò)改變C2和VCC，可改變輸出脈沖的峰峰值。增加C2，不僅增加了峰峰值，也使輸出脈寬有所增加。而增大VCC在增加峰峰值的同時(shí)會(huì)使輸出脈寬有所減小，原因是晶體管開狀態(tài)的電阻減小了。若將一支肖特基二極管D1與探測(cè)電阻R5并聯(lián)，可減小C2放電時(shí)的反向過(guò)沖。
為了獲得更大的峰值電流，可將幾個(gè)雪崩管進(jìn)行并聯(lián)。但是當(dāng)溫度改變后，不能保證并聯(lián)雪崩管的同時(shí)導(dǎo)通，以致于輸出脈沖的波形發(fā)生變化。為解決這一問題，采用了雪崩管陣列。如圖3所示。
圖3 雪崩晶體管陣列結(jié)構(gòu)圖
該電路由2級(jí)雪崩管串聯(lián)而成，每一級(jí)又由3個(gè)雪崩管并聯(lián)。此電路的重要特性是：①在開過(guò)程中重新分配每一級(jí)的電壓;②由于較快的電壓變化從而為雪崩管的基級(jí)提供額外的載流子，相當(dāng)于在管子的基區(qū)接入觸發(fā)脈沖。該電路的工作原理如下：觸發(fā)脈沖接入處于臨界雪崩狀態(tài)的晶體管Q1-Q3的基級(jí)，Q1-Q3中至少有一級(jí)發(fā)生雪崩。晶體管集-射級(jí)間的電壓將由初始時(shí)的VO=230，V下降為VRO(約為100~150V，取決于此時(shí)電流的大小)。VO-VRO的負(fù)階躍接到Q4-Q6的射級(jí)，打破了它們基區(qū)載流子的平衡狀態(tài)，增加了集-射級(jí)間的壓降，使Q4-Q6中至少有一個(gè)發(fā)生雪崩。新導(dǎo)通的晶體管的壓降使得另外兩個(gè)未導(dǎo)通的晶體管上的壓降重新分配，最終使每一個(gè)雪崩管都發(fā)生雪崩。理論上，所得到的最大電流為：
其中：
Rj是雪崩晶體管導(dǎo)通時(shí)的電阻，R1是負(fù)載的阻值，L1是負(fù)載的寄生電感，Ls是雪崩晶體管和電容的寄生電感。FWHM是電流脈沖的半高寬，n是并聯(lián)雪崩晶體管的級(jí)數(shù)，N是串聯(lián)的級(jí)數(shù)。
由于工藝原因，每一支晶體管的起崩電壓Vb有所不同。在該電路中，應(yīng)選擇Vb相差小于1V的晶體管，以保證它們能夠同時(shí)導(dǎo)通。
為了使大電流脈沖的上升沿陡化，可在后級(jí)加入階躍恢復(fù)二極管(SRD)。
2.觸發(fā)脈沖的獲得
本文所選用的觸發(fā)脈沖由振蕩電路和脈沖整形電路組成，具體電路如圖3所示。由555定時(shí)器構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖序列V1，經(jīng)74LS123整形后得到觸發(fā)脈沖V2。調(diào)節(jié)R1可改變輸出脈沖的頻率，調(diào)節(jié)Rext可改變輸出脈沖的脈寬。脈寬的計(jì)算公式為：
lN為待定系數(shù)，由Rext和Cext的值確定。若Rext為0.6kΩ，Cext為100pF，則Tw≈6+0.05Cext+0.45RextCext+11.6Rext≈44.96ns。
圖4 觸發(fā)級(jí)電路圖
觸發(fā)脈沖的特性對(duì)后級(jí)所生成的大電流短脈沖有著重要影響。從圖中可得出：觸發(fā)脈沖越窄，功率越大，越有益于雪崩晶體管的瞬間導(dǎo)通。本電路所產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖參數(shù)如下：FWNM=40～80ns(可調(diào));峰峰值=4V;頻率f=800Hz~35kHz(可調(diào));上升沿tr≈16ns。
3.抗干擾措施與電路板的設(shè)計(jì)
(1)電源電路的抗干擾措施
本電路通過(guò)市電供電，所以電網(wǎng)的噪聲通過(guò)電源電路干擾儀器電路，這是儀器電路受干擾的主要來(lái)源之一。其次電源電路本身也是一個(gè)干擾源，其產(chǎn)生的紋波、自激振蕩等都可能對(duì)電子電路造成干擾。因此在選用電源時(shí)，必須考慮其紋波電壓大小、電壓是否穩(wěn)定、隔離措施是否良好，我們?cè)陔娫措娐吠饧恿似帘握帧?/div>
(2)數(shù)字集成電路的抗干擾措施
在數(shù)字集成電路的電源引入處，并接一個(gè)10μF左右的鉭電容和一個(gè)0.01μF左右的陶瓷電容作去耦電路，以防電源端電流變化對(duì)集成電路產(chǎn)生干擾。在布線上使集成電路外接定時(shí)電容和定時(shí)電阻接點(diǎn)部分的引線盡可能短;電容的兩根引線邊到電路上所形成的環(huán)路面積要小，以防止耦合電磁場(chǎng)的噪聲。
(3)電路板設(shè)計(jì)
印制電路板的設(shè)計(jì)是在考慮了整機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電源的位置尺寸及各單元電路的相互關(guān)系后，從而確定電路板的安裝位置及元器件在印制電路板上的定位、布線。
電路板采用雙面印制板一面作電路連線用，另一面布放元件，數(shù)字集成電路元件放在一起，模擬電路元件放在一起，放元件的一面整面是銅箔做地線，這樣使地電阻、地電感大大減小，各接地點(diǎn)之間地電位基本相等。又由于整個(gè)線路元件與“地”緊挨著，因此一些干擾電場(chǎng)直接入“地”了，減弱了元件之間、走線之間以及走線與元件間的串接或寄生耦合，有效地消除了脈沖串?dāng)_;印制電路板上數(shù)字地與模擬地分開，以減小數(shù)字集成電路的噪聲干擾通過(guò)地電阻對(duì)模擬電路產(chǎn)生影響;輸出匹配電路與其它單元電路分開制板，以減小其它電路分布參數(shù)對(duì)輸出匹配電路部分的影響;根據(jù)印制電路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減小環(huán)路電路。
小結(jié)
以上就是基于雪崩晶體管的納秒脈沖驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)介紹了。采用雪崩晶體管陣列得到了峰值電流為6A、半高寬為70s的大電流窄脈沖，脈沖頻率可調(diào)。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，所選器件價(jià)格適中。該脈沖驅(qū)動(dòng)電路用YB4365型100M的示波器，在末級(jí)用2Ω的電阻作為半導(dǎo)體激光器的等效電阻做了一系列的測(cè)試，其輸出指標(biāo)如下：極性：負(fù)極性;FWHM≈7ns;tf≈5ns;tr≈3.6ns;Im≈6A。
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