ФОРМИРОВАТЕЛЬ СУБНАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2024 года по МПК H03K3/335 H03K5/01 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к импульсной технике и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. Подобные формирователи используются в устройствах выборки информации, стробоскопических преобразователях, в зондирующих устройствах и других областях

Основным требованием к устройствам выборки информации является минимальное время считывания, достигающего значения в десятки пикосекунд. Точность работы устройства считывания информации ограничивается длительностью импульса считывания, а также стабильностью формы и амплитуды вырабатываемых импульсов. В качестве формирователей коротких стабильных импульсов широко используются ДНЗ.

Процессы, проходящие в ДНЗ при формировании крутых фронтов, широко описаны в литературе и в результатах научных исследований. Наиболее важные результаты, на основе которых можно улучшить характеристики формирователей, следующие [1].

• Величина накопленного объемного заряда определяется прямым током диода, максимальный ток, отдаваемый в нагрузку, зависит от величины объемного заряда.

• Заряд, накопленный в ДНЗ, можно разделить на барьерный и диффузионный. Избыточный заряд неосновных носителей, концентрация которых уменьшается при удалении от базовой области диода, накапливается в области базы. Диффузионный заряд в основном связан с концентрацией носителей на периферийной области структуры диода и является более медленным.

• После накопления объемного заряда и подаче на ДНЗ запирающего напряжения происходит рассасывание объемного заряда, формируется обратный ток разряда объемного заряда. После окончания объемного заряда происходит резкое восстановление обратного сопротивления.

На основании анализа возможностей максимального уменьшении фронтов и длительностей генерируемых сигналов при одновременном повышении амплитуды выходных импульсов предложено совместить следующие решения.

Для получения максимального тока питания ДНЗ применить импульсы с большой скважностью. При сохранении среднего прямого тока через диод подобное питание позволяет значительно, с единиц-десятков миллиампер повысить ток питания до единиц-десятков ампер.

Для минимизации времени восстановления обратного сопротивления необходимо накопить объемный заряд за минимально возможное время, равное времени рекомбинации заряда τ_р. Благодаря разной скорости накопления и рассасывания барьерного и диффузионного зарядов, это решение позволяет значительно сократить время процесса переключения диода от максимального обратного тока, связанного с прямым током до минимального тока утечки.

Для реализации этого решения необходимо обеспечить максимальную скорость накопления заряда в области базы диода, то есть за время равное (или даже меньшее) времени рекомбинации диода.

Наиболее близким вариантом решения является схема формирователя, показанная на фиг. 1 [2].

В схеме формирователя используется сочетание ключа на мощном СВЧ МДП-транзисторе КП907 (VT2) с горизонтальным каналом, который увеличивает нагрузочную способность формирователя и диод с накоплением заряда VD1 типа КД524Б. Амплитуда тока накачки диода плавно регулируется от 0 до 1 А при изменении питания транзистора VT2. Длительность импульса питания задается длиной формирующей линии РК-50 и составляет десятки наносекунд. Уровень запирающего напряжения регулируется с помощью переменного резистора 3 кОм. Формирователь обеспечивает импульсы тока с амплитудой около 1 А и временем нарастания порядка 0,4 нс.

Основными недостатками схемы являются:

1. Ограниченный ток накачки, вызванный большой длительностью импульса накачки и рассеиваемой мощностью ДНЗ.

2. Сравнительно длительный процесс отключения ДНЗ из-за рассасывания увеличенного диффузного заряда.

В идеальном коммутаторе длительность импульса питания должна стремиться к нулю. Нужно учитывать, что ДНЗ изготавливаются методом диффузии примесей, в результате чего концентрация примесей и основных носителей формируется неравномерно, с максимальным значением у базы диода. При коротких импульсах питания весь объемный заряд будет сконцентрирован вблизи базы, что позволит исключить из процесса заряда процесс диффузии и периферийные области кристалла. Это позволяет при переключении полярности питания диода формировать импульсы с очень короткими задними фронтами

Технический результат заявляемого изобретения заключается в уменьшении задних фронтов и длительностей формируемых импульсов при одновременном повышении амплитуды импульсов.

Технический результат достигается благодаря тому, что в качестве коммутатора импульсов питания диода с накоплением заряда применяется лавинный транзистор с накопительным конденсатором, включенным между общим корпусом и точкой соединения коллектора лавинного транзистора с ограничительным резистором.

Схема предлагаемого формирователя показана на фиг.2.

Заявляемый формирователь содержит (фиг.2) транзистор VT1, работающий в лавинном режиме, накопительный конденсатор С3, задающий длительность импульса питания ДНЗ VD2, источник запирающего напряжения V3, высоковольтный источник V2.

В исходном состоянии транзистор заперт подачей положительного смещения в эмиттер транзистора через резистор R3. Потенциал на базе транзистора равен нулю благодаря резистору R1, напряжение на коллекторе близко к напряжению лавинного пробоя, устанавливаемого напряжением источника V2.

При подаче положительного переднего фронта входного сигнала происходит лавинный пробой транзистора, в результате которого накопительный конденсатор С3 разряжается через транзистор, разделительную емкость С4 и ДНЗ. В результате подачи высокого напряжения импульс тока питания диода достигает величины 7-8 ампер при длительности импульса питания 3-5 нс. После окончания импульса питания происходит быстрое рассасывание объемного заряда из-за подачи запирающего напряжения, заканчивающееся резким восстановлением высокого сопротивления диода. Короткое время заряда позволяет исключить из области объемного заряда периферийную область и соответственно уменьшить задний фронт и длительность формируемых импульсов при одновременном повышении амплитуды импульсов.

Литература.

1. Рязанцев А.Д. Совершенствование характеристик генераторов на основе диодов с накоплением заряда. Кандидатская диссертация. Воронежский государственный университет, 2022

2. Дьяконов В.П. Генерация и генераторы сигналов / В.П. Дьяконов. М.: ДКМ Пресс, 2009

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в системах цифровой обработки сигналов. Техническим результатом изобретения является уменьшение задних фронтов и длительностей формируемых импульсов при одновременном повышении амплитуды импульсов. Формирователь субнаносекундных импульсов содержит в качестве коммутатора импульсов питания диода с накоплением заряда лавинный транзистор с накопительным конденсатором, включенным между общим корпусом и точкой соединения коллектора лавинного транзистора с ограничительным резистором. 2 ил.

Формирователь субнаносекундных импульсов, содержащий диод с накоплением заряда, коммутатор на транзисторе, подключенный между положительным источником питания и катодом диода, источник запирающего напряжения, через резистор подключенный к катоду диода, отличающийся тем, что в качестве коммутатора применяется лавинный транзистор с накопительным конденсатором, включенным между общим корпусом и точкой соединения коллектора лавинного транзистора с ограничительным резистором.