基于MARX電路的高斯脈沖信號源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

范永欣　劉久文　張多納

摘 要：文章對高斯脈沖信號在電磁兼容測試方面的應(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電路來生成高斯脈沖信號的原理，分析MARX電路結(jié)構(gòu)對脈沖的影響，對波形各項指標(biāo)進(jìn)行了分析和規(guī)律總結(jié)。設(shè)計了基于MARX電路和雪崩三極管的高斯脈沖信號發(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，對脈沖源的改進(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，電磁干擾的問題勢必越來越嚴(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，多個設(shè)備共同工作在同一環(huán)境下，設(shè)備之間會產(chǎn)生擾動，特別是在大型的設(shè)備與機(jī)器上，同時工作的元器件多達(dá)幾百甚至上千個，電磁環(huán)境非常復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備的故障率大幅提高，如何對設(shè)備的電磁兼容環(huán)境進(jìn)行測試成為一個熱點(diǎn)問題。高斯脈沖信號具有功率大，頻譜廣的特點(diǎn)，能夠覆蓋設(shè)備的各個敏感點(diǎn)，有利于模擬真實(shí)的電磁環(huán)境。高斯脈沖信號生成電路在軍工、科研、雷達(dá)探測、超寬帶傳輸?shù)榷鄠€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

雪崩三極管是一類專門用于工作在雪崩區(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，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，它的工作點(diǎn)并不穩(wěn)定，當(dāng)電流繼續(xù)增大時會發(fā)生二次擊穿，此時的電流非常大。如圖1所示：當(dāng)雪崩三極管處于第一次雪崩時，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)信號加入后，三極管迅速進(jìn)入雪崩區(qū)，此時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多級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，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，雪崩三極管就會退出雪崩狀態(tài)，第三是信號在元器件以及信號線上的耗損。

所以在實(shí)際設(shè)計中，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，是指每一個充電電容只要存有滿足該級電路雪崩所需的電荷量即可，這樣做的好處是，通過增加電路級數(shù)來得到高幅值脈沖，而縮小電容的大小，使得電容放電時間縮小。

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)通時間，通常國產(chǎn)三極管為2ns，則Q=32納庫倫，C=Q/U，U=200V，則C=160pF。即當(dāng)電容為160pF時，即可滿足雪崩，在實(shí)際制作時，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RC時間常數(shù)，電容將放電完畢，經(jīng)過計算，以470P的電容和50歐姆電阻為負(fù)載，其放電時間大約需要70.5～117.5ns。而實(shí)際制作過程中，經(jīng)過雪崩三極管的加速作用，最終得到的脈沖幅值通常不超過10ns。

5 制作實(shí)例

本例采用20級雪崩三極管級聯(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

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

作者簡介：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。