ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к формирователям импульсного тока, в частности для накачки импульсных инжекционных лазеров.

Известны формирователи импульсного тока с динисторными ключами [1] недостатком которых является низкая частота повторения импульсов, определяемая величиной зарядного резистора накопительной емкости, который не поддается существенному уменьшению, так как при малых величинах зарядного резистора ток, протекающий через динисторы, превышает ток выключения динисторов. Динисторы с большими токами выключения трудно реализуемы и обладают низким быстродействием.

Известны формирователи импульсного тока с биполярными транзисторами в качестве ключевых элементов [2] содержащие разрядный контур, в который входят накопительный конденсатор, лазерный инжекционный диод, токовый ключ, выполненный по схеме Дарлингтона с параллельным соединением нескольких выходных биполярных транзисторов. Запускающий импульс включает токовый ключ, формирующий импульс тока в разрядном контуре.

Недостатком известного формирователя является низкая надежность на предельных токах, связанная с недостаточной балансировкой токов выходных транзисторов токового ключа. При параллельном соединении двух биполярных транзисторов (фиг. 1) в случае случайного увеличения тока через один из транзисторов, напримеp VТ1, увеличится его разогрев, уменьшится напряжение U_бэ, увеличится шунтирующее действие входа VТ1, увеличится коэффициент усиления по току VТ1, что приведет к еще большему перераспределению входного тока к транзистору VТ1 и к увеличению коллекторного тока I1, которое вызовет еще больший разогрев и т.д. а это может привести к разрушению транзистора VТ1.

VТ1, VТ2 выходные транзисторы токового ключа;
I_вх входной ток;
I1, I2 коллекторные токи;
U_бэ напряжение перехода база -эмиттер;
R_н сопротивление нагрузки.

Другим недостатком известного формирователя является повышенное значение индуктивности монтажа дискретных элементов, снижающее его быстродействие.

Цель изобретения создание формирователя импульсного тока с более широким диапазоном токов и рабочих частот для накачки импульсных инжекционных лазеров, конструктивное выполнение которого позволило бы повысить предельные токи и быстродействие формирователя.

Поставленная задача решается тем, что в известном формирователе импульсного тока, содержащем разрядный контур, в который, в частности входит токовый ключ, выполненный по схеме Дарлингтона с параллельным соединением нескольких выходных биполярных транзисторов и балластных резисторов. Согласно изобретению токовый ключ выполнен в виде кремниевого кристалла с металлическими столбиковыми выводами от каждого из эмиттеров выходных транзисторов и металлизированной обратной (коллекторной) стороной кристалла, балластные резисторы и межэлементные соединительные проводники формирователя расположены на керамической плате в виде металлических дорожек, столбиковые выводы ключа соединены металлическим припоем с балластными резисторами, коллектор металлической проволокой с соответствующей проводниковой дорожкой.

На фиг.1 изображена схема параллельного соединения двух биполярных транзисторов (прототип); фиг.2 и 3 представляют варианты принципиальной схемы формирователя (где R1 R6 функциональные резисторы, образованные межсоединениями и диффузионными областями внутри кристалла; VТ1 VТ2 - активные элементы Дарлингтона; 1,2 зарядные резисторы; 3 накопительный конденсатор; 4 лазерный диод; 5 токовый ключ; 6 балластные резисторы); фиг.4 изображает взаимное расположение элементов формирователя.

На керамической подложке 6 методом намазки нанесены зарядные резисторы 1,2, проводниковые дорожки 7, в том числе дорожка 8, выполняющая роль балластных резисторов, на проводниковые дорожки напаяны накопительный конденсатор 3 и лазерный диод 4, токовый ключ 5, напаянный столбиковыми эмиттерными и базовыми выводами 9 через припойную пасту 10 на дорожку 8, коллекторная металлизация ключа соединена с проводниковой дорожкой проволочным выводом 11, второй вывод лазерного диода соединен с проводниковой дорожкой проволочным выводом 12; 13 резистор база эмиттер входных транзисторов токового ключа.

Устройство работает следующим образом.

От источника питания происходит заряд накопительного конденсатора 3 через зарядные резисторы 1,2. В момент прихода запускающего импульса на базовый вывод токового ключа 5 последний открывается и в разрядном контуре, образованном конденсатором 3, токовым ключом 5 и инжекционным лазерным диодом 4 формируется импульс тока, пропорциональный последовательному комплексному сопротивлению контура. При увеличении тока в одном из выходных транзисторов токового ключа увеличивается и падение напряжения на соответствующем балластном резисторе, состоящем из сопротивления столбикового вывода 9, проволочного вывода 11 и токового ключа 5, примыкающего к этому столбиковому выводу на величину
ΔUR_б= ΔΙ_к•R_б (I)
где ΔUR_б увеличение падения напряжения на балластном резисторе;
ΔI_к увеличение тока выходного транзистора;
Rб cопротивление соответствующего балластного резистора.

Подобное вызывает уменьшение базового тока в данном транзисторе в соответствии с выражением:

где URб падение напряжения на балластном резисторе;
Rбэ сопротивление между выводами базы и эмиттера,
что ограничивает увеличение коллекторного тока через выходной транзистор в соответствии с выражением:
ΔI_к=h₂₁•I_б (3)
где h₂₁ коэффициент усиления составного транзистора по току.

Действует известный механизм электрической обратной связи по току, обеспечивающий устойчивость работы токового ключа на максимальных токах. Однако для повышения предельного тока формирователя величину Rб необходимо уменьшать и таким образом снижать глубину электрической обратной связи по току и устойчивость работы формирователя на предельных токах.

При наличии предлагаемого в техническом решении непосредственного теплового контакта между столбиковыми эмиттерными выводами выходных транзисторов токового ключа и низкоомными балластными резисторами работает дополнительный канал обратной связи и cопротивление балластного резистора увеличивается под действием нагрева его теплом, выделившимся при прохождении через соответствующий выходной транзистор токового ключа возросшего коллекторного тока:
ΔR_б= ΔT•K_т•R_б (4)
где Т изменение температуры балластного резистора в результате дополнительного нагрева его через столбиковый вывод эмиттера токового ключа, определяемое по формуле:

где К_т температурный коэффициент сопротивления балластного резистора;
R_нас сопротивление насыщения выходного транзистора токового ключа;
R_т тепловое сопротивление между коллекторным переходом выходного транзистора и окружающей средой.

В результате падение напряжения на балластном резисторе возрастает на величину
ΔUR_б= ΔI_к•ΔR_б (6)
что приводит к уменьшению базового тока на величину

cоответственно уменьшается ток коллектора.

Таким образом работает дополнительный канал электрической обратной связи, расширяющий режим устойчивой работы формирователя и позволяющий увеличить его предельный ток.

При температурных коэффициентах сопротивления проводниковых паст 0,3 - 310^oC, Rб может достигать 30% от номинала в диапазоне Т 30^oC, что значительно расширяет устойчивый режим работы формирователя.

Предлагаемый формирователь тока имеет также более высокую скорость нарастания разрядного тока за счет меньших значений паразитных индуктивностей элементов разрядного контура, так как функционально объединены и минимизированы по размерам балластные резисторы и соответствующие соединительные проводники за счет использования интегральной схемы и керамической плиты. Размещение зарядного резистора 1 и лазерного диода 4 на керамической плате необязательно. Лазерный диод может быть напаян на теплоотвод, находящийся в непосредственной близости от керамической платы, электрическое соединение в этом случае выполняется разваркой металлической проволоки.

Экспериментальные образцы формирователей имели максимальный импульсный ток до 100 А, минимальная длительность формируемого импульса тока составляет 20 нс, скорость нарастания тока 25000 А/мкс при напряжении питания не более 50 В.

Применение: изобретение относится к импульсной технике, а именно к формирователям импульсного тока и может использоваться для накачки импульсных инжекционных лазеров. Сущность изобретения: устройство содержит разрядный контур, в который входит токовый ключ, выполненный по схеме Дарлингтона с параллельным соединением нескольких выходных биполярных транзисторов и балластных резисторов, токовый ключ выполнен в виде кремниевого кристалла с металлическими столбиковыми выводами от каждого из эмиттеров выходных транзисторов и с металлизированной обратной стороной кристалла, причем балластные резисторы и межэлементные соединительные проводники расположены на керамической плате в виде металлических дорожек, столбиковые выводы ключа соединены металлическим припоем с балластными резисторами, а коллектор ключа - металлической проволокой с соответствующей проводниковой дорожкой. 4 ил.

Формирователь импульсного тока, содержащий разрядный контур, в который входит токовый ключ, выполненный по схеме Дарлингтона с параллельным соединением нескольких выходных биполярных транзисторов и балластных резисторов, отличающийся тем, что токовый ключ выполнен в виде кремниевого кристалла с металлическими столбиковыми выводами от каждого из эмиттеров выходных транзисторов с металлизированной обратной стороной кремниевого кристалла, причем балластные резисторы и межэлементные соединительные проводники расположены на керамической плате и имеют вид металлических дорожек, столбиковые выводы токового ключа соединены металлическим припоем с балластными резисторами, а коллектор токового ключа соединен металлической проволокой с соответствующей проводниковой дорожкой.