基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述
基于雪崩晶体管纳秒脉冲发生器的设计与仿真.
29科技创新导报Science and Technology Innovation Herald I T技术2010NO.15Science and Technology Innovation Herald科技创新导报随着以IP 为代表的数据业务的爆炸性增长,带宽和通信容量的急剧增大,使网络最终向全光网(AON,All-optical network方向发展。
全光光开关是全光网络的基石,光开关在光网络系统中可对光信号进行通断和切换。
目前正在商用或正在研究的光开关有基于MEMS 技术的微机械光开关和固态开光,固态开光包括声光开关、热光开关、磁光开关、液晶光开光等。
传统型MEMS 光开关、热光开光、液晶光开光的开关速度都为ms 量级,基本上达不到光交换的要求,另外传统的电光开光有着很高的偏振敏感性,同样很难达到光交换的要求。
磁光开关是利用法拉第旋光效应,通过外加磁场的改变来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用,从而达到切换光路的效果。
相对于传统的机械式光开关,它具有开关速度快,稳定性高等优势,而相对于其他固态开关,它又具有驱动电压低、串扰小等优势,可以预见在不久的将来,磁光开关将是一种极具竞争力的光开关。
磁光开关的关键之处是要求光开关的光路切换时间为纳秒级,这就要求有一个纳秒上升沿、幅度大、重复率高和稳定性好的纳秒脉冲发生器。
在磁光开关的纳秒脉冲发生器中,产生纳秒脉冲的高速脉冲器件有场效应管和雪崩晶体三极管,雪崩三极管是一种比较理想的能同时提供快速响应和大峰值功率的器件,如ZTX417等,利用雪崩三极管可以很方便地产生具有纳秒和亚纳秒上升沿时间和大峰值功率的脉冲[1]。
在普通的高频小功率管中,也能挑出不少适合雪崩运用的管子,如2N5551、3DB2N和2N2369A 等。
所以,我们利用晶体三极管的雪崩特性,设计出线路简单、成本低、性能好的纳秒脉冲发生电路。
1雪崩晶体三极管特性晶体三极管的输出范围一般可以分为四个区域:饱和区、线性区、截止区和雪崩区。
基于雪崩三极管的天线发射电路
基于雪崩三极管的天线发射电路
基于雪崩三极管的天线发射电路主要是利用雪崩三极管的特性来实现无线电频率的放大和发射。
雪崩三极管是一种特殊的二极管，具有雪崩效应，在逆向击穿时可以产生高电流和高频率。
利用这个特性，可以将其作为无线电发射机的放大器来使用。
在天线发射电路中，首先是输入信号经过低噪声放大器进行放大。
然后，经过一个带通滤波器，滤除不需要的频率成分，并将信号调整到需要的频率范围。
在滤波器之后，信号进入雪崩三极管放大器。
雪崩三极管的输入端与输出端被相应的电容和电感耦合，以实现匹配和幅度调整。
当输入信号通过雪崩三极管时，它会经历雪崩效应，产生倍增的效果。
然后，经过另外一个带通滤波器，将不需要的频率成分滤除。
最后，信号经过功率放大器进一步放大，以实现足够的功率才能够被天线辐射出去。
在功率放大器之后，还可以添加输出匹配网络来进一步优化功率传输。
整个天线发射电路基于雪崩三极管的特性，能够实现较高的功率放大和发射效果。
但是需要注意的是，由于雪崩三极管的特殊性质，需要特别注意功率的控制和稳定性，以避免电路损坏或者产生干扰。
基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述
基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述赵政;钟旭;李征;顾悦;李涛;李江涛【摘要】激发大气压脉冲等离子体通常对施加脉冲的要求是kV级幅值、ns级前沿和宽度、kHz级重复频率,尤其要求脉冲前沿和宽度尽量小,雪崩三极管脉冲产生电路非常适合于这样的要求.本文综述了基于雪崩三极管的脉冲产生方法.首先介绍了雪崩三极管的基本原理和研究概况,进而介绍了多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路四种典型电路结构的研究现状,分析了各电路的性能特点,并以多级Marx电路为例理论分析了影响输出脉冲幅值、前沿、后沿、脉宽、重复频率、效率和稳定性等参数的关键因素.最后介绍了多管串联Marx电路、多管并联Marx电路以及多路Marx并联电路三种组合型脉冲产生电路的研究进展,并对基本原理进行了分析.%In order to stimulate atmospheric pressure plasma (APP),it is usually demanded that the applied pulses is with kV amplitude,ns rising time and pulse width,and kHz repetitivefrequency.Intensively,the pulse front edge and width are always requiredto be as short as possible.Fortunately,the pulse generating circuit based on avalanche transistor is much suitable for these parameter requirements.This paper summarized the pulse generating methods using avalanche transistors.Firstly,the basic principle and research status of the avalanche transistor were introduced.And then the research status and performance characteristics of the four typical avalanche transistor-based circuits were detailed,including the series-transistor circuit,Marxcircuit,parallel-transistor circuit and pulse cut-off circuit.Thereafter,the key factors influencing output pulse parameters were theoreticallyanalyzed,such as pulse amplitude,rising time,fall time,pulse width,repetitive frequency,efficiency and stability.At last,the research status and basic theory of three combined avalanche transistor-based circuits were presented,including the series-transistor Marx circuit,parallel-transistor Marx circuit and parallel Marx circuit.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)008【总页数】16页(P33-47,54)【关键词】大气压等离子体;雪崩三极管;脉冲产生电路;Marx电路【作者】赵政;钟旭;李征;顾悦;李涛;李江涛【作者单位】西安交通大学电气工程学院西安 710049;国网四川省电力公司天府新区供电公司成都 610041;西安交通大学电气工程学院西安 710049;西安交通大学电气工程学院西安 710049;西安交通大学电气工程学院西安 710049;西安交通大学电气工程学院西安 710049【正文语种】中文【中图分类】TM832大气压等离子体（Atmospheric Pressure Plasma, APP）作为一种特殊的低温等离子体，其产生方法、形成机理及应用近年来得到越来越广泛和深入的研究[1]。
雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器
雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器饶俊峰;章薇;李孜;姜松【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2018(030)009【摘要】雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器.为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路.采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响.通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值.通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳.实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲.【总页数】7页(P71-77)【作者】饶俊峰;章薇;李孜;姜松【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TN782【相关文献】1.雪崩管纳秒脉冲发生器 [J], 李晶2.基于雪崩管的增强型MARX纳秒脉冲源试验研究与实现 [J], 张亚东;梁步阁;何继爱;张锋3.基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述 [J], 赵政;钟旭;李征;顾悦;李涛;李江涛4.基于串行雪崩纳秒脉冲源的设计 [J], 邹爱民;程德福;王慧博;于兰5.基于雪崩晶体管纳秒脉冲发生器的设计与仿真 [J], 吴青萍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于雪崩三极管的高重频高稳定度脉冲源研究
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ＹＵＡＮ Ｘ ｅ ｎ Ｚ ｕ ｌ ＨＡＮＧ Ｈｏ ｇ ｅ Ｘ Ｚ ｅｅ ｇ Ｄ ＮＧ Ｚ ｅ ｊ ＹＵ Ｊ ｎ ｕ ＨＡ ｎｏ ｇ ｉ ｎ ｄ 。 Ｕ ｈ ｆｎ 。 Ｉ ｈ ｎｉ ｅ ｉ ｇ ｏ ａ Ｏ Ｑｉｓｎ
第３ 卷 第 １ Ｏ 期
２１ 年 ３ ００ 月
固体 电子 学 研 究 与进 展
Ｒ Ｅ Ｃ ＆Ｐ ＯＧＲ Ｓ Ｓ ＥＳ ＡＲ Ｈ Ｒ Ｅ ＳＯＦ Ｓ Ｅ
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基 于雪崩 三极 管的高重频高稳定度脉冲源研究
袁 林 雪 张洪 徐 。 臻 俞 浩 松 曾 胡 德 哲峰 丁 捷 建国 庆 搏 龙
（ 西 北 核技 术 研 究 所 ， 安 ， １０ ４ （ 重 庆 通 信 学 院 ， 庆 ，００ ５ （ 国 防 科 技 大学 ， 沙 ，１０ ３ 西 ７ ０ ２ ） 重 ４ ０ ３ ）。 长 ４０７）
２ ０— ６２ 收 稿 ，０ ９０—５收 改 稿 ０ 于 雪 崩 三 极 管 的 脉 冲源 具 有 稳定 度 高 、 冲 窄 、 升 时 间 短 等 优 点 ， 析 了 雪 崩 三 极 管 脉 冲源 稳 定 度 基 脉 上 分
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三极管雪崩击穿电压
三极管雪崩击穿电压三极管是一种常用的电子元器件，具有放大电流和开关功能。
在正常工作条件下，三极管的工作电压一般是在其最大耐压范围内，但当电压超过三极管的雪崩击穿电压时，会导致电子元件的损坏。
本文将重点讨论三极管的雪崩击穿电压及其相关内容。
一、什么是雪崩击穿电压雪崩击穿电压（Breakdown Voltage）是指在特定条件下，当三极管的电压超过某一临界值时，由于电场强度过大导致电子与空穴的碰撞增多，进而引发电流大幅度增加，从而使得三极管失去正常工作状态的现象。
在雪崩击穿状态下，三极管的电流增加非常迅速，会导致器件过热，甚至烧坏。
二、雪崩击穿电压的影响因素1. 材料特性：三极管内部的材料特性对雪崩击穿电压有一定影响。
不同材料的电子结构和能带结构不同，导致其雪崩击穿电压也不同。
2. 温度：三极管的雪崩击穿电压会随温度的变化而变化。
通常情况下，温度升高会导致雪崩击穿电压的降低，因此在设计电路时需要充分考虑温度对电压的影响。
3. 电场分布：三极管内部的电场分布也会对雪崩击穿电压产生影响。
电场分布不均匀会导致局部电场强度过大，从而引发雪崩击穿现象。
三、如何提高三极管的耐压能力1. 合理选择材料：选择具有较高雪崩击穿电压的材料，可以提高三极管的耐压能力。
2. 优化电场分布：通过优化三极管的结构设计，使得电场分布更加均匀，避免局部电场过大，从而提高雪崩击穿电压。
3. 控制温度：保持三极管在适宜的工作温度范围内，避免温度过高导致雪崩击穿电压降低。
4. 合理选取工作电压：在设计电路时，需要根据三极管的最大耐压能力选择合适的工作电压，避免超过雪崩击穿电压。
四、应用领域雪崩击穿电压是三极管重要的参数之一，合理选择三极管的雪崩击穿电压可以确保电路的安全稳定运行。
在实际应用中，三极管的雪崩击穿电压广泛应用于各个领域，如通信设备、电源管理、放大电路等。
不同应用场景对三极管的雪崩击穿电压有不同的要求，因此在选型时需要根据具体的应用要求进行选择。
高功率全固态微波纳秒级脉冲源的设计与应用
图 5 雪崩级联电路梳状 PCB 结构 Fig. 5 Comb PCB layout for avalanche series
图 4 为一 5 级 MARX 电路，触发脉冲加入前，各雪崩管截止，但已处于临界雪崩状态。Cl ~ C5
各电容均充有直流偏置电源电压 EC。 触发脉冲加入后，首先引起 Tl 雪崩击穿，于是 C2 左端电势等于 Cl 右端电势，即约等于 E（C 均指
（ 国防科技大学电子科学与技术学院，湖南 长沙 410073）
摘 要：基于雪崩三极管雪崩效应，研制出了一种数千伏、纳秒级脉冲源。其为全固态微波 PCB 电路 结构形式，利用数字电路产生可控重频触发信号，脉冲全底宽度 400ps ~ 2ns 可调，重频 1k ~ 1000kHz 可调， 脉冲幅度 360 ~ 2600V 可调，峰值功率可达 135kW。详细讲述了电路设计、器件选择以及重要电路结构。 针对高压窄脉冲引起的特殊问题，提出了新颖的欠电荷充电法以及有效的梳状 PCB（ 印刷电路板）结构。 电路性能优良、稳定可靠，已投入超宽带目标探测实验系统应用。
基于雪崩晶体管的UWB脉冲产生电路
3 基于雪崩晶体管的UWB脉冲产生电路3.1雪崩效应原理为了对脉冲产生器的电路作分析，我们就得先对雪崩晶体管进行分析。
普通的三极管的输出特性可以划分为四个区域，分别是饱和区、截止区、雪崩区和放大区。
当三极管的集电极被加上足够高的反向电压的时候，集电结空间电荷区内部的电场强度会比放大运用的大许多倍，进入集电结的载流子会被强电场加速，是指获得极高的能量后继续与晶格产生碰撞而形成新的电子—空穴对，新生的电子、空穴有分别被强电场加速而获得较强的能量而重复上述所示的过程。
于是三极管集电结电流就会以类似“雪崩”的方式迅速增大，这就是晶体管的“雪崩”效应。
具有明显的雪崩效应的晶体管称之为雪崩晶体管。
晶体管在雪崩去的运用具有如下主要特点[9]：1）在雪崩区内，与某一给定电压值对应的电流不是单一的值。
并且随着电压的增加可以出现电流减小的现象，也就是说，雪崩效应是晶体管集电极—发射极之间呈负阻特性。
2）雪崩晶体管最重要的参数如雪崩上升时间、触发延迟、雪崩下降时间、雪崩脉冲幅度、触发抖动等等，不仅取决于晶体管和电路的参数取值，而且与电路的分布参数有关。
3）由于雪崩应用时集电结加有反向电压，集电结空间电荷区向基区一侧的扩展是有效基区宽度大为缩小，因而少数载流子通过基区的渡过时间缩短很多，即晶体管的有效截止频率大为提高。
4）当晶体管处于雪崩状态的时候起电流会增大到正常运用时候的M倍，其中M味雪崩倍增因子。
设雪崩效应后的晶体管的共基极电流增益为，则有：,M为雪崩倍增因子，我们可以理解为：一个载流子进入了集电结空间电荷区后，在集电结空间强电场的作用下的时候，流出集电结空间电荷区产生载流子的数量是M。
则是雪崩前晶体管的共基极电流增益。
通常略小于1但却近似于1。
倍增因子M 可有下式求解：（25）式中是三极管的外加电压，是三极管发射极开路的时候集电极—基极反向击穿电压，是与晶体管材料相关的密勒指数，通常硅的指数为3—4。
晶体管正常用的时候其发射极电流增益为。
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2017年4月电工技术学报Vol.32 No. 8 第32卷第8期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2017基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述赵政1钟旭2李征1顾悦1李涛1李江涛1（1. 西安交通大学电气工程学院西安 7100492. 国网四川省电力公司天府新区供电公司成都 610041）摘要激发大气压脉冲等离子体通常对施加脉冲的要求是kV级幅值、ns级前沿和宽度、kHz 级重复频率，尤其要求脉冲前沿和宽度尽量小，雪崩三极管脉冲产生电路非常适合于这样的要求。
本文综述了基于雪崩三极管的脉冲产生方法。
首先介绍了雪崩三极管的基本原理和研究概况，进而介绍了多管串联电路、多级Marx电路、多管并联电路以及脉冲截断电路四种典型电路结构的研究现状，分析了各电路的性能特点，并以多级Marx电路为例理论分析了影响输出脉冲幅值、前沿、后沿、脉宽、重复频率、效率和稳定性等参数的关键因素。
最后介绍了多管串联Marx电路、多管并联Marx电路以及多路Marx并联电路三种组合型脉冲产生电路的研究进展，并对基本原理进行了分析。
关键词：大气压等离子体雪崩三极管脉冲产生电路Marx电路中图分类号：TM832Review on the Methods of Generating High-Repetitive-FrequencyHigh-Voltage Nanosecond Pulses Based on Avalanche TransistorsZhao Zheng1 Zhong Xu2 Li Zheng1Gu Yue1Li Tao1 Li Jiangtao1（1. School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China2. Tianfu Electric Power Supply Company State Grid Sichuan Electric Power CompanyChengdu 610041 China）Abstract In order to stimulate atmospheric pressure plasma (APP), it is usually demanded that the applied pulses is with kV amplitude, ns rising time and pulse width, and kHz repetitive frequency.Intensively, the pulse front edge and width are always required to be as short as possible. Fortunately, the pulse generating circuit based on avalanche transistor is much suitable for these parameter requirements. This paper summarized the pulse generating methods using avalanche transistors. Firstly, the basic principle and research status of the avalanche transistor were introduced. And then the research status and performance characteristics of the four typical avalanche transistor-based circuits were detailed, including the series-transistor circuit, Marx circuit, parallel-transistor circuit and pulse cut-off circuit. Thereafter, the key factors influencing output pulse parameters were theoretically analyzed, such as pulse amplitude, rising time, fall time, pulse width, repetitive frequency, efficiency and stability. At last, the research status and basic theory of three combined avalanche transistor-based circuits were presented, including the series-transistor Marx circuit, parallel-transistor Marx circuit and parallel Marx circuit.Keywords：Atmospheric pressure plasma, avalanche transistor, pulse generating circuit, Marx circuit收稿日期 2016-08-09 改稿日期 2017-02-0934 电工技术学报 2017年4月0引言大气压等离子体（Atmospheric Pressure Plasma, APP）作为一种特殊的低温等离子体，其产生方法、形成机理及应用近年来得到越来越广泛和深入的研究[1]。
例如中国学者利用大气压氩气等离子体射流提高了聚酰亚胺薄膜的亲水性和表面能[2]；韩国学者研制了能产生数厘米长大气压等离子体射流的装置，适用于处理热敏感性材料（如人体皮肤）[3]；日本学者则在利用大气压等离子体过滤工业尾气中的氮氧化物[4]和室内甲醛气体[5,6]等方面做了深入的研究。
在多数情况下，人们倾向于用交流源[7-10]或射频源[11-13]来产生大气压等离子体，也不乏用直流源、微波源的相关研究[14,15]。
这类电源的结构和控制方法简单，且激发的大气压等离子体具有放电电压低、作用范围大等优点[9-13]，但由于等离子体中心温度过高（达几百甚至上千摄氏度）[14,16]，限制了其在生物医学及处理热敏感性材料等方面的应用。
鉴于此，各国学者在大气压等离子体的高效稳定产生方法（激励源设计）上作了大量研究[17-23]，希望防止任何可能的过热损伤。
国内外研究表明，采用重频脉冲源激励产生的大气压等离子体具有粒子密度高、均匀程度高、热量沉积少等显著优点，且重频脉冲源装置整体功耗要显著低于传统激励源[20,21,23]。
另外，快前沿脉冲通常能够提供很高的功率密度并同时减少电场对电子的加速效应（减少宏观温升），从而在大气压条件下产生具有高反应活性的等离子体[19,22]。
总之，利用脉冲功率源激励产生大气压等离子，在保证瞬时功率巨大的情况下，整体功耗却非常小，且具有发热低、能量利用率高、粒子反应活性高、成本低等优点。
大气压脉冲放电等离子体的性能受脉冲发生器的输出电压幅值、前沿时间、半高宽度、重复频率等的影响。
郑超等学者的研究表明，电压幅值或脉冲重复频率越高，所产生的等离子体浓度越高、活性越强且作用范围越大[1,24,25]，但同时也需要注意热量沉积所带来的温升效应。
对于脉冲前沿和宽度，国内外学者也作过诸多分析比较。
中国科学院学者章程等专门针对纳秒脉冲（70ns前沿、100ns半高宽）和微秒脉冲（300ns前沿、5μs半高宽）产生的大气压氦气等离子体射流长度、放电电流、功率损耗、发射光谱等方面进行了比较，结果发现纳秒脉冲激发的等离子体射流更长、损耗更小，放电电流和功率是微秒脉冲的3～4倍，所有光谱线强度也高于微秒脉冲[16]。
美国学者C. Jiang等对比了500Hz 重频短脉冲（5.1ns前沿、4.6ns半高宽）和长脉冲（60ns前沿、140ns半高宽）激发的大气压氦气等离子体发展特性，研究发现由于短脉冲更高的电压上升速率对应更大的电离系数和电子转换速率，其激发的放电电流更大、等离子体射流更长、射流发展速度几乎是长脉冲的三倍；测试结果还说明更短的脉冲前沿和宽度可以使等离子体中产生的活性粒子种类和数量更多、发热更低[26]。
其他学者也对利用脉冲功率的方法产生大气压等离子体进行了大量的研究，所利用的脉冲源输出参数部分统计见表1。
从以上分析和表1可以看出，为了高效产生作用范围大、均匀程度高、发热低、活性粒子浓度高的大气压等离子体，对脉冲源的要求是kV级幅值、ns级前沿和宽度、kHz级重复频率，尤其要求脉冲前沿和宽度尽量小。
国内外关于等离子体脉冲源的研究取得一定成果，等离子体脉冲电源的小型化、重频化、长寿命等是进一步深入研究的方向，开关技术是实现上述特点的关键。
表1近年国内外部分用于产生大气压等离子体的脉冲源输出参数Tab.1 Output parameters of typical pulse sources at home and abroad for APP generation in recent years第一作者国家年份电压幅值/kV前沿时间/ns半高宽度/ns重复频率/kHzT. Heeren[27]日本2005 1.5 2 4～60—T. Ueno[28]日本2009 2.5 —35 —T. Shao[29,30]中国201015～35 15～40 30～700.1～1J.L. Walsh[31]英国2010 5 ＜20 200 5J.L. Walsh[32]英国20101～5 1 3 10 J.L. Walsh[33]英国2011 5 —150 5D.Z. Pai[34]法国2010——10 12 S. Muller[35]德国2011 1.3 —10 3070 100C. Zhang[16]中国20145～30300 50000.1～15.1 4.6C. Jiang[26]美国2016860 1400.5近年来，俄罗斯、美国等开发的新型半导体开关技术的发展和成熟为脉冲功率源向高重频、小型化、高稳定性方向的发展提供了强大的动力。
雪崩三极管作为一种常用的新型高速高功率半导体器件，它可以提供极高的开关速度（100V/ns或更高），第32卷第8期赵政等基于雪崩三极管的高重频高压纳秒脉冲产生方法综述 35单管击穿电压高于300V，并且在60A峰值、20ns 宽度的电流脉冲下可以连续工作至少4×1011次而不损坏，重复工作频率可以轻易达到数万赫兹。