本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大幅度皮秒級窄脈沖發(fā)生電路。

背景技術(shù)：

隨著信息科學(xué)與技術(shù)的高度發(fā)展，現(xiàn)如今人們對于半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電路的設(shè)計要求逐漸增高，尤其是一些新型半導(dǎo)體激光器，通過電脈沖驅(qū)動可以測試激光器性能，增益開關(guān)技術(shù)需要用到大幅度的窄脈沖。

目前，利用半導(dǎo)體器件產(chǎn)生脈沖信號的方法大致有兩種：一是采用數(shù)字技術(shù)來產(chǎn)生窄脈沖信號；另一種是基于高速開關(guān)的半導(dǎo)體器件，通過這些器件的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)來控制電容的充放電產(chǎn)生窄脈沖信號。

上述采用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生窄脈沖信號的方法，產(chǎn)生的脈沖寬度多為納秒級別，并且脈沖幅度較小，在應(yīng)用上有很大的局限性?；诟咚匍_關(guān)的半導(dǎo)體器件通過電容充放電產(chǎn)生脈沖信號的方法，各器件單獨(dú)產(chǎn)生脈沖信號時，很難同時實現(xiàn)幅度大、寬度窄的脈沖信號。單級雪崩三極管輸出脈沖幅值較大，可達(dá)幾伏甚至十幾伏，但其輸出脈沖寬度在納秒量級；階躍恢復(fù)二極管可輸出皮秒量級寬度的脈沖信號，但其產(chǎn)生的幅度較小，很難滿足半導(dǎo)體激光器對脈沖驅(qū)動電路的實際應(yīng)用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種大幅度皮秒級窄脈沖發(fā)生電路，以盡可能增大脈沖幅度，減小脈沖寬度。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種大幅度皮秒級窄脈沖發(fā)生電路，特點(diǎn)是該電路包括觸發(fā)信號、雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路及階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路, 雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路接收觸發(fā)信號, 階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路與雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路連接；其中：

所述觸發(fā)信號，幅度為3～10V，重復(fù)頻率為10KHz~10MHz，上升沿為1~3ns；

所述雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路，包括：電容C1、電阻R1、起始雪崩單元和多級雪崩單元；所述電容C1一端連接觸發(fā)信號，另一端連接電阻R1的一端，同時連接起始雪崩單元，電阻R1另一端接地；

所述起始雪崩單元包括：起始雪崩三極管Q1、起始集電極儲能電容C2及起始集電極電阻R2，所述起始集電極電阻R2一端連接供電電壓VCC的輸出端，另一端連接起始集電極儲能電容C2，并且同時連接起始雪崩三極管Q1的集電極，起始雪崩三極管Q1的發(fā)射極接地，起始雪崩三極管Q1的基極連接電容C1一端；起始集電極儲能電容C2的另一端連接多級雪崩單元；

所述多級雪崩單元由數(shù)個單級雪崩單元連接而成，每一單級雪崩單元由雪崩三極管、集電極電容、集電極電阻以及發(fā)射極電阻組成，其中，任意單級雪崩單元集電極電阻的一端連接至供電電壓VCC的輸出端，另一端連接集電極電容，并且同時連接本級雪崩單元中雪崩三極管的集電極，本級雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極與其自身的基極相連，并且同時連接發(fā)射極電阻一端，發(fā)射極電阻另一端接地，本級雪崩單元的集電極電容的另一端連接相鄰雪崩單元的雪崩三極管的基極；最后一級雪崩單元的集電極電容遠(yuǎn)離集電極的一端通過一電阻R11接地，并且同時連接階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路；

所述階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路，包括：第一階躍恢復(fù)二極管D1、第二階躍恢復(fù)二極管D2、電容C7、電容C8、電阻R12、電阻R13及電阻R14，所述電容C7的一端連接多級雪崩單元、另一端連接第一階躍恢復(fù)二極管D1正極，并且同時通過第二偏置電阻R12連接至第一偏置電壓VD1的輸出端，第一階躍恢復(fù)二極管D1的負(fù)極接地；第二階躍恢復(fù)二極管D2，其正極通過電阻R13連接至第二偏置電壓VD2的輸出端，第二階躍恢復(fù)二極管D2的負(fù)極連接至電阻R14，并且同時作為脈沖信號的輸出端；電容C8作為耦合電容連接第一階躍恢復(fù)二極管D1的正極與第二階躍恢復(fù)二極管D2的正極；電阻R14另一端接地。

所述雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路雪崩單元級為5~20級。

所述雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路中電容C1的電容值為50pf~100pf，電阻R1的值為50Ω~100Ω。

所述雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路中各集電極電阻的值相等，為1KΩ~10KΩ；各集電極儲能電容的電容值相等，為5pf~51pf；各發(fā)射極電阻的值相等，為1KΩ~10KΩ之間。

所述階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路中電容C7和電容C8的電容值相等，取值10nf。

所述階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路中電阻R12和電阻R13的阻值相等，為100Ω~1KΩ之間。

所述供電電壓VCC的取值范圍為15V~25V，所述第一偏置電壓VD1和第二偏置電壓VD2的取值范圍為1V~5V。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明充分利用了雪崩三極管的雪崩效應(yīng)產(chǎn)生脈沖，又采用Marx級聯(lián)電路，Marx電路中有依次級聯(lián)的起始雪崩單元和多級雪崩單元，這些雪崩單元中都有雪崩三極管和儲能電容，儲能電容采用并聯(lián)充電，串聯(lián)放電的方式產(chǎn)生大幅度脈沖信號，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要較高的供電電壓，只需單級雪崩三極管的偏置電壓即可，放電時所有雪崩單元的儲能電容串聯(lián)放電，減小了電路等效放電電容，每級都可采用電容值較大的儲能電容，增加了輸出功率，同時使得輸出脈沖電壓幅度大幅提升；同時利用了階躍恢復(fù)二極管的階躍特性，在輸出大幅值脈沖的同時使得輸出脈沖的前沿和后沿均陡峭，大幅縮短脈沖寬度，并且脈寬可調(diào)，有利于提高半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電路圖；

圖2為本發(fā)明實施例電路圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明采用雪崩三極管Marx級聯(lián)的方式與階躍恢復(fù)二極管等構(gòu)成大幅度窄脈沖發(fā)生電路，實現(xiàn)脈沖寬度和電壓幅度可調(diào)，適合于半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動應(yīng)用。

實施例

參閱圖2，以下分別對本實施例的各個組成部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

觸發(fā)信號產(chǎn)生電路

本實施例中，觸發(fā)信號產(chǎn)生電路為一方波發(fā)生器。其包括：有源晶振U1及比較器U2，有源晶振U1輸出端連接比較器U2的第一輸入端，比較器U2的第二輸入端連接固定的電壓信號；其中有源晶振U1產(chǎn)生固定頻率的正弦信號，通過比較器U2后變?yōu)榫哂锌焖偕仙氐姆讲ㄐ盘?；其產(chǎn)生幅度為5V，重復(fù)頻率為32.768KHz的方波信號，觸發(fā)信號上升沿為1~3ns。

本發(fā)明并不以此為限，該觸發(fā)信號的幅度可以介于3V~10V之間，信號重復(fù)頻率可以介于10KHz~10MHz之間。

此外，本發(fā)明中也可以不包含此觸發(fā)信號產(chǎn)生電路，而直接由外界輸入滿足上述條件的任一觸發(fā)信號，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明。

雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路

該電路包括：微分電容C1、第一偏置電阻R1、起始雪崩單元和四級雪崩單元；所述微分電容C1其一端連接觸發(fā)信號，另一端連接至起始雪崩三極管Q1的基極同時連接第一偏置電阻R1的一端，第一偏置電阻R1另一端接地；所述起始雪崩單元包括：起始雪崩三極管Q1、起始集電極儲能電容C2、起始集電極電阻R2，起始雪崩單元的起始集電極電阻R2一端連接供電電壓VCC的輸出端，另一端連接起始集電極儲能電容C2，并且同時連接雪崩三極管Q1的集電極，起始雪崩三極管Q1的發(fā)射極接地，所述起始集電極儲能電容C2的另一端則連接到多級雪崩單元的第一級雪崩單元的雪崩三極管Q2的基極；所述四級雪崩單元由雪崩三極管 Q2- Q5、集電極電容C3-C6、集電極電阻R3-R6以及發(fā)射極電阻R7-R10連接而成，其中任意一級雪崩單元集電極電阻的一端均連接至供電電壓VCC的輸出端，另一端均連接集電極電容，并且同時連接本級雪崩單元中雪崩三極管的集電極，本級雪崩單元中的雪崩三極管的發(fā)射極與其自身的基極相連，并且同時連接發(fā)射極電阻一端，發(fā)射極電阻另一端接地，本級雪崩單元的集電極電容的另一端連接相鄰雪崩單元的雪崩三極管的基極；最后一級雪崩單元的集電極電容遠(yuǎn)離集電極電阻的一端通過第一負(fù)載電阻R11接地，并且同時連接第一耦合電容C7的一端。

圖2所述雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路中的所有雪崩單元級數(shù)共為5級，也即雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路中的雪崩三極管數(shù)量為5個。

該雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路中，起始雪崩單元的雪崩三極管Q1在脈沖觸發(fā)信號的作用下快速導(dǎo)通，引起雪崩擊穿效應(yīng)，于是起始集電極儲能電容C2快速放電，進(jìn)一步引起雪崩三極管Q2發(fā)生雪崩擊穿；以此類推，雪崩三極管Q3~Q5發(fā)生雪崩擊穿，由于集電極儲能電容C2~C6相當(dāng)于串聯(lián)放電，在第一負(fù)載電阻R11上產(chǎn)生負(fù)極性大幅度脈沖信號。

階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路

該電路包括：第一階躍恢復(fù)二極管D1、第二階躍恢復(fù)二極管D2、第一耦合電容C7、第二耦合電容C8、第二偏置電阻R12、第三偏置電阻R13；所述第一階躍恢復(fù)二極管D1，其正極連接第一耦合電容C7的另一端，并且同時通過第二偏置電阻R12連接至第一偏置電壓VD1的輸出端，第一階躍恢復(fù)二極管D1的負(fù)極接地；第二階躍恢復(fù)二極管D2，其正極通過第三偏置電阻R13連接至第二偏置電壓VD2的輸出端，第二階躍恢復(fù)二極管D2的負(fù)極連接至第二負(fù)載電阻R14，并且同時作為最后脈沖信號的輸出端；電容C8作為第二耦合電容連接第一階躍恢復(fù)二極管D1的正極與第二階躍恢復(fù)二極管D2的正極；第二負(fù)載電阻R14另一端接地。

該階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路中，階躍恢復(fù)二極管整形網(wǎng)絡(luò)對雪崩三極管Marx級聯(lián)脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行整形，產(chǎn)生大幅度并且脈沖寬度較窄的皮秒級窄脈沖信號。最終輸出的脈沖信號，其前沿被第一階躍恢復(fù)二極管D1優(yōu)化，其后沿被第二階躍恢復(fù)二極管D2優(yōu)化。同時，通過調(diào)節(jié)第一階躍恢復(fù)二極管D1和第二階躍恢復(fù)二極管D2的偏置電壓，可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度。

所述的一種大幅度皮秒級窄脈沖發(fā)生電路的工作方法，其改變集電極供電電壓VCC、各級雪崩單元的集電極儲能電容C2~C6以及第一偏置電壓VD1、第二偏置電壓VD2的大小，可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的幅度和寬度，實現(xiàn)脈沖可調(diào)性。

本實施例的工作過程如下：

步驟一、當(dāng)觸發(fā)信號未到來時，各級雪崩單元中雪崩三極管Q1~Q5均未導(dǎo)通，處于截止?fàn)顟B(tài)，供電電壓VCC通過集電極電阻R2~R6對集電極儲能電容C2~C6進(jìn)行充電，此時各雪崩三極管Q1~Q5均處于臨界雪崩狀態(tài)，各集電極儲能電容C2~C6均充有直流偏置電源電壓VCC，階躍恢復(fù)二極管在正向偏置電壓VD1和VD2的作用下，均處于正向偏置狀態(tài)；

步驟二、當(dāng)觸發(fā)信號到來時，首先使得起始雪崩單元中雪崩三極管Q1的偏置狀態(tài)改變，發(fā)生雪崩擊穿，雪崩三極管Q1迅速導(dǎo)通，起始集電極儲能電容C2迅速放電，其左端電位等于地電位，右端電位約等于-VCC（均指對地電位），雪崩三極管Q2的集電極-發(fā)射極兩端大約有2倍VCC的瞬間電壓，使得雪崩三極管Q2從臨界雪崩擊穿狀態(tài)轉(zhuǎn)變成雪崩擊穿狀態(tài)而發(fā)生導(dǎo)通；以此類推，雪崩三極管Q3~Q5依次發(fā)生雪崩擊穿，這種現(xiàn)象相當(dāng)于有一個雪崩加速的效果，非常有利于脈沖前沿的銳化，對于級聯(lián)產(chǎn)生大幅度窄脈沖有著積極作用；

步驟三、各級雪崩三極管Q1~Q5全部雪崩后，此時各級集電極儲能電容C2~C6相當(dāng)于串聯(lián)，對第一負(fù)載電阻R11放電，形成大幅度負(fù)脈沖；

步驟四、大幅度負(fù)脈沖信號到達(dá)階躍恢復(fù)二極管脈沖整形網(wǎng)絡(luò)時，第一階躍恢復(fù)二極管D1處于反向偏置狀態(tài)，結(jié)間存儲的電荷開始消耗，經(jīng)過一段時間電荷提取完畢后D1迅速截止，第二階躍恢復(fù)二極管D2處于反向偏置狀態(tài)，開始消耗D2的結(jié)間存儲電荷，經(jīng)過一段時間電荷消耗完畢后D2迅速截止，在第二負(fù)載電阻R14處產(chǎn)生一個前沿和后沿均得到優(yōu)化的大幅度窄脈沖信號；

步驟五、調(diào)節(jié)集電極供電電壓VCC的大小可改變最終輸出脈沖的幅度，VCC越大，則脈沖幅度越大。調(diào)節(jié)第一偏置電壓VD1、第二偏置電壓VD2的大小可改變輸出脈沖的寬度，偏置電壓越大，脈沖寬度越大。其中，第二偏置電阻R12和第三偏置電阻R13的大小與所選取的階躍恢復(fù)二極管D1、D2的型號相關(guān)。C8為階躍恢復(fù)二極管脈沖整形網(wǎng)絡(luò)的級間耦合電容，通常取值為10nf左右。

實際測試表明，本實施例產(chǎn)生的大幅度皮秒級窄脈沖信號，脈沖前沿在155ps~185ps，為皮秒量級，后沿在120ps~150ps，同為皮秒量級，脈沖寬度為180ps~280ps范圍內(nèi)可調(diào)，脈沖幅度為20V~30V可調(diào)。脈沖的前沿光滑度好，抖動性小，振鈴幾乎為零，脈沖的后沿存在一定振鈴，但是由于激光器需要脈沖信號的幅值大于其閾值電壓，因此非常適合半導(dǎo)體激光器的脈沖驅(qū)動應(yīng)用。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對本實施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。根據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對本發(fā)明一種大幅度皮秒級窄脈沖發(fā)生電路有了清楚的認(rèn)識。

此外，上述對各個元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換，例如：

（1）本實施例中，觸發(fā)信號產(chǎn)生電路可由信號發(fā)生器產(chǎn)生，便于調(diào)節(jié)輸出脈沖的重復(fù)頻率；

（2）階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路中的正向偏置電壓源VD1和VD2可以用恒流源來代替；

（3）在階躍恢復(fù)二極管脈沖整形電路的輸出端可串聯(lián)肖特基二極管，對輸出脈沖信號的過沖及振鈴進(jìn)行優(yōu)化。

綜上所述，本發(fā)明利用雪崩三極管的雪崩特性產(chǎn)生脈沖信號，通過Marx級聯(lián)的方法獲得大幅度脈沖信號，利用階躍恢復(fù)二極管整形網(wǎng)絡(luò)對大幅度脈沖信號進(jìn)行優(yōu)化整形，產(chǎn)生大幅度皮秒級窄脈沖信號。通過調(diào)節(jié)集電極供電電壓以及階躍恢復(fù)二極管的偏置電源，可以調(diào)節(jié)輸出脈沖信號的脈沖幅度和脈沖寬度，滿足于半導(dǎo)體激光器的脈沖驅(qū)動需求。

上述實施例僅是本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，并非用以限制本發(fā)明的實質(zhì)技術(shù)內(nèi)容范圍。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，凡在權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和原則內(nèi)，對本發(fā)明做出修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。