• Основная схема релаксатора
• Расчет динамики лавинного пробоя транзистора
• Расчет временной зависимости выходных импульсов
• Время восстановления
• Режимы работы релаксатора
• Выводы

Основная схема релаксатора

Релаксаторы на лавинном транзисторе дают самый простой путь создания мощных коротких импульсов с субнаносекундными временами нарастрания. Рассмотрим типовую схему емкостного ждущего релаксатора на лавинном транзисторе, приведенную ниже. Нормально на коллекторе устанавливается напряжение, весьма близкое к напряжению лавинного пробоя коллекторного перехода Um. Для этого базовая цепь запирается подключением через резистор Rb к источнику напряжения +Eb. Резистор Rc ограничивает ток коллектора в исходном режиме на допустимой величине Ic0=(Ec-Um)/Rc (обычно доли мА). Диод Db фиксирует потенциал базы для предотвращения пробоя нормально закрытого эмиттерного перехода транзистора. Данное состояние стабильно, если Ic0<|Eb|/Rb.

Расчет динамики лавинного пробоя транзистора

При запуске нормально закрытого лавинного транзистора напряжение на его коллекторе быстро падает от значения Um до Ub, причем практически независимо от параметров подключенной к лавинному транзистору цепи С=Cd и Rl. Этот процесс можно вычислить из условия, что в динамике процесса должно соблюдаться условие M*a(t)=1. Здесь M- коэффициент лавинного умножения носителей для мгновненного значения напряжения на коллекторе, а a(t)=a0(1-exp(t/ta)) - переходная характеристика транзистора при управлении по эмиттеру. Только в этом случае ток коллектора будет в динамике равен току эмиттера (малым током базы пренебрегаем).

Постоянная времени ta приближенно равна постоянной времени в схеме с общей базой и для современных маломощных транзисторов составлят сотые или десятые доли наносекунды.

На быструю лавинную составляющую переходного процесса накладывется медленная составляющая спада напряжения на коллекторе с постоянной времени tb=ta/(1-a0). Ее характер зависит от накопленного в базе избыточного заряда неосновных носителей при лавинном разряде C и действия отпирающего запускающего импульса. Дабы чрезмерно не усложнять анализ этого второстепенного процесса (он объясняет возможность разряда C до нуля) будем считать, что напряжение на коллекторе падает ниже Ub по экспоненциальному закону с постоянной времени tb>>ta.

С учетом указанных соотношений находится временная зависимость напряжения на коллекторе. Ниже она представлена для p-n-p транзистора с Um<0:

Расчет временной зависимости выходных импульсов

Выходное напряжение на резисторе Rl можно найти как реаrцию дифференцирующей цепи CdRl на перепад напряжения u(t). Ниже это сделано для трех значений Cd=10, 20 и 50 пФ. Реакция находится из численного решения дифференциального уравнения с помощью функции NDSolve.

Теперь можно построить временные зависимости выходного напряжения для указанных выше трех значений Cd.

Время восстановления

За исключения случаев очент малых Cd разряд Cd происходит практически до нуля. После этого начинается стадия заряда C через Rc, которая задает время воссстановления ждущего релаксатора.Заряд Cd происходит с постоянной времени Cd*Rc от напряжения 0 до напряжения Um. Ниже дан типовой расчет времени восстановления.

В данном случае время восстановления оказалось около 2 микросекунд, что говорит о возможности запуска релаксационного генератора с частотой повторения импульсов до 500 кГц.

Режимы работы релаксатора

Как уже отмечалось при выборе |Eb|/Rbі(Ec-Um)/Rc обеспечивается ждущий режим работы релаксатора, так как несмотря на пробой коллекторного перехода эмиттерный переход остается закрытым. Однако уменьшением тока |Eb|/Rb можно обеспечить автоколебательный режим работы этой схемы. При этом частота повторения равна 1/tc. Плавно изменяя Rc можно обеспечить плавное изменение частоты повторения импульсов в 15-20 раз и выше.

Выводы

1. Представленные вышеке результаты свидетельствуют о возможности получения на довольно низкоомной нагрузке (Rl=75 Ом) импульсов с амплитудой порядка 15-25 В с временем нарастания менее 1 нс даже при применении относительно низковольтных лавинных транзисторов (Um=50 В в приведенном примере).

2. Кремниевые высоковольтные лавинные транзисторы могут формироватьт импульсы с амплитудой по напряжению в сотни В и по току в десятки А. Последовательное, параллельное и каскадное соединение позволяют увеличить значения этих параметров в несколько раз.

2. В лавинном режиме наблюдается интересное явление - расширение области объемного заряда коллекторного перехода, что может привести к смыканию коллекторного перехода с эмиттерным и уменьшению ta во много раз. Лавинные транзисторы со сквоным пробоем (или с ограниченной областью объемного заряда) являются до сих пор самыми быстродействующими активными приборами, способными формировать импульсы большой амплитуды с временем нарастания порядка 0.01-0.1 наносекунды.