книги / Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров

*|ре£ дроссель! (ДМ-1, 2 -5 ± 0,5%) и фиксирующий диод VD4, что, в свою очередь, дозволяет формировать импульсы с амплитудой, большей напряжения источника питания. При подаче напряжения питания накопительная емкость С4 через дрос­ сель!, диоды VD4, VD8, VD9 и первичную обмотку трансформатора Т2 (10 витков

провода МГТФЛ 0,12 мм2 на магнитопроводе М200НМ К10х6х4,5) заряжается до удвоенного напряжения. Вторичная обмотка Т2 выполнена в виде объемного витка

Вмомент прихода импульса задающего генератора транзистор VT2 переходит

врежим насыщения. При этом С4 разряжается через открытый транзистор VT2, первичную обмотку Г2,диод VD8 открывается током смещения, образуя при этом цепь разряда накопительной емкости С4. Разряд происходит до тех пор, пока заряд, накопленный на VDBтоком смещения, не рассосется током разряда. В этот момент диод VDB закрывается. В результате этого на нагрузке 0,1 Ом формируется импульс тока амплитудой 30 А с крутым фронтом т ф = 4 и срезом тс = 10 нс, длительность которого можно регулировать изменением тока смещения диода

VZ>8. Минимальная длительность импульса - 20 нс, при этом форма и амплитуда импульса остаются неизменными. Частота повторения импульсов определяется задающим генератором и равна 50 кГц.

Изменение длительности импульса тока в зависимости от тока смещения диода показано на рис.2.11* Объем генератора - 40 см3, вес - 75 г. Он обеспе­ чивает стабильность параметров в интервале температур ±60°С. Соотношение

переходов кристалла обусловлен формой и дли тельностью токового импульса, подводимой мощностью и временем включенного состояния транзистора.

Рис.2.11. Зависимость длитель­ ности импульса от тока сме­ щения ДНЗ: 1-при амплитуде импульса тока 1,5А; 2 - при шплитуде ЗА

Процесс разогрева является сложной функцией ряда конструктивных и техюлогических факторов. Из-за имеющейся всегда тепловой инерции транзистора зменение температуры кристалла несколько запаздывает во времени по сравению с изменением мощности потерь на переходах транзистора В условиях ледующих друг за другом импульсов температуру электродов можно считать остолнной и равной температуре внешней поверхности (корпуса) кристалла эанзистора В этом случае тепловые процессы могут быть воспроизведены с омощью упрощенной модели [40]. В одномерной модели (рис. 2.12) процесс аспространения тепла описывается дифференциальным уравнением

71

гдеХт - удельная теплопроводность; Су - удельная теплоемкость; двплотность^ вещества; P(t) - мощность; V - объем; Т - температура кристалла. На основании^ решения этого уравнения можно определить температуру кристалла Г = T(t).

По временной температурной зависимости следует различать два случал: ста­ тический (dT/dt = 0) и динамический (dT/dt Ф 0). Оценим влияние формы, длитель­

ности и амплитуды токового импульса для статического случая. Количество тепла, выделенное на переходе dQ/dt при действии токового импульса мощностью Ру , остается неизменным во времени, т.е. dQ /dt-P y = const.

Решение уравнения (2.12) в соответствии с рис. 2.12 имеет следующий вид:

Г - Ру Ят+ T6= p K+P9+ P jR (t) + T6,

где Гбтемпература корпуса транзистора;R(t) - тепловое сопротивление; РК,Р Э- среднее значение мощности сигнала, выделяемой на коллекторе и эмиттере; Рт -

мощность, выделенная на переходах транзистора в закрытом состоянии.

где / п- частота повторения импульсов.

Таким образом, изменение температуры кристалла за время действия оди­ ночного импульса полностью описывается выражением для огибающей про­ цесса Р у . С учетом изложенного определим влияние каждой составляющей

токового импульса (фронта, среза и вершины) на тепловой процесс в кристалле. Для этого найдем мЫЦность, рассеиваемую на переходах в течение рассмат­ риваемых моментов времени. Если на входе транзистора действует токовый импульс прямоугольной формы, то мощность, рассеиваемую на эмиттере ^ V s - получим из условия насыщения эмиттерного перехода РУз = и л -16. Принимая, что

где M - временной интервал усреднения; U jt) - напряжение на коллекторе

транзистора В этом случае мощность рассеивания на коллекторе в течение действия фронта (ф равна

ФО

-В *б(0>61 Б + 1,57 р I(R H)

соответственно для среза t = te

-fc“8,3Tp

72

'v Cp e ^ 4 * . Atф + P v/f=AfK+ P

где 5 = / “ V T b - скважность импульсов.

Анализ полученных выражений показывает, что при формировании больших импульсов тока на низкую нагрузку разогрев кристалла транзистора в основном происходит в момент формирования фронта и среза токового импульса. Поэтому для минимизации рассеиваемой транзистором мощности необходимым тре­ бованием к форме токового импульса является обеспечение условия *ф+ *с« t B При Teepuj-^min.

Потери в кристалле (выделяемая на нем мощность и соответственно темпе­ ратура его разогрева) в значительной степени определяются соотношением между величиной нагрузочного сопротивления и внутренним сопротивлением токового ключа Так, увеличение сопротивления нагрузки за счет введения трансформатора позволяет при данном питающем напряжении значительно

Рис.2.12. Тепловая модель транзисторного ключа: а - физическая интерн полиция; б — приведенная схема замещения

Ри этом на выходе схемы устанавливается перепад температуры Д*а = общем виде воздействие импульсной мощности на переходах транзистора ожно представить в виде скачка амплитудой

73

Передаточная характеристика рассматриваемой схемы имеет вид

В этом случае характер изменения температуры транзистора во времени можц представить в следующем виде:

На основании полученной зависимости максимальное время работы тра зистора, необходимое для достижения при заданной мощности на тра зистореРу, найдем как

/„ , можно изменять предельно допустимое время работы генератора импульс тока. Приравнивая ДРэд0Л к A PVmK/Q , можно найти зависимость примени

ередельно допустимого времени работы генератора импульсов тока от чаете повторения импульсов

Полученное выражение подтверждает возможность повышения частоты торения импульсов генератора при сокращении времени его работы, т.а можность использования его в форсированном режиме в течение ма промежутка времени, что позволяет повысить эффективность передай устройств.

74

Ш

Се0 ,1 m С$ ю т

Рис.2.13. Схеш генератора накачки с высокой частотой повторения им­ пульсов. VDl t VDa —2Д503Б, VD3 - Д814Г, VTt - 1Т3311Б, VT. - 2T355A, VT3 - 2T907A, ДД,, ДД3 - 133JIA3

Схема генератора наносекундных импульсов с высокой частотой повто­ рения представлена на рис. 2.13 [39]. Несимметричный одноемкостный мульти­ вибратор на логических элементах DD1.1-.DD1Л является задающим генератором и определяет частоту повторения импульсов (цепи R, CJ. После инвертирования,

импульса (элемент DD1.4) он проходит через схему совпадений DD2.1 при наличии на втором входе разрешающего сигнала логической единицы. Формирователь на элементах DD22., DD2.3, Q, определяет длительность запускающего импульса

Tjan ^ R? 0 /Е ш ,

где Бом-напряжение смещения на резисторе К , .

Переменный резистор й4 в усилителе напряжения (ут2) позволяет изменять амплитуду импульса, поступающего на базу транзистора VT2, и ток через диод

VDJ .MTO приводит к уменьшению времени рассасывания неосновных носителей в базах VT2 и УЁь.к сокращению длительности выходного импульса и улучшению

его формы.

Применение в генераторе транзисторов разной структуры - VT2, VT3,

закрытых при отсутствии запускающего импульса, значительно снижает мощ­ ность, потребляемую генератором. При напряжении источника питания Б = 24 В,

частоте повторения импульсов 10 МГц амплитуда тока в нагрузке Я н = 5 Ом

75

составляет 1,4 А, длительность импульса 20 нс, длительность фронта и среза« около 8 -10 нс. Ток потребления не превышает 0,32 А.

Для работы транзистора в импульсном режиме важно сочетание низкого сопротивления насыщения и значительного допустимого напряжения на кол­ лекторе при высоком быстродействии. Это может быть достигнуто за счет применения гетероструктур на основе прямых широкозонных материалов типа А3 В5, в которых используется оптическое излучение для переноса энергии из одной части в другую для эффективного управления током ключа К указанным приборам относятся мощные транзисторы на основе GaAs с оптической связью, структура которых представляет собой оптически и электрически связанные фототранзистор и гетеросветодиод [49]. Образцы арсенидгаллиевых транзис­ торов с фотонным питанием базы существенно превосходят обычные высоко­ вольтные импульсные приборы по основным параметрам. Они обеспечивают напряжение коллектор-эмиттер 300 В, ток коллектора 7 А, сопротивление насыщения 1 -2 Ом (практически равно сопротивлению контактов), время включения 30-50 нс и время выключения 0,1-1 мкс.

Импульсные генераторы на лавинных транзисторах

Лавинный пробой обратносмещенного коллекторного перехода биполярного транзистора есть результат ударного умножения носителей в сильном электри­ ческом поле, когда исходная пара носителей (электрон и дырка) порождает дополнительнее пары. Коэффициент лавинного умножения М определяется

полуэмпирической формулой [41]

где 4 - тепловой обратный ток перехода; / - ток перехода с учетом лавинного умножения; и - модуль обратного напряжения на переходе; Uu - напряжение лавинного пробоя, при котором М = » . Полуэмпирическая зависимость напряжения

пробоя от удельного сопротивления базы р( имеет вид

U№- ip ? .

Значения показателей и и in, а также коэффициента £ для различных видов

перехода [41] приведены в табл. 2.4.

76

Рис.2.15. Принципиальная схема импульсного генератора на ЯГ с внешним (а), и внутренним (б)

запуском, с длительностью импуль­ са 0,5нс (в)

Анализ параметров релаксационного генератора на ЛТ, проведенный в работе [43], позволяет определить амплитуду импульсов разрядного тока

отличие постоянной времени экспоненты, аппроксимирующей форму срез* напряжения на транзисторе, от эффективного времени пролета Величию! т подбирается по наилучшему совпадению аппроксимирующей зависимости

Щ -

у(т) = ту------т р - 1 * 1 - ехр (-т/т) и ш~

с теоретической

У 1 - ^ ( 1 - е х р ( - т ) - V i

у(т)

1 - Ч 1 - Ч

где X ,- коэффициент передачи тока на низкой частоте (спад £ при больших тока

учитывается введением последовательного сопротивления Ят).

78

Основной областью применения лавинных транзисторов является создание образцов несложных измерительных приборов и устройств, работающих в лабораторных условиях, так как из-за специфического режима не обеспечивается высокая надежность работы и повторяемость параметров.

Характерной особенностью генераторов на лавиннь!х транзисторах является способность формировать на низкоомной нагрузке мощные импульсы тока. На рис. 2.15',а приведена схема генератора с внешним запуском на лавинном транзисторе 1Т338Б, обеспечивающая на выходе положительные импульсы колоколообразной формы с амплитудой ит = 11 В при длительности по уровню

тельного элемента линию с распределенными параметрами (рис. 2.16,6), длина которой /= 2 м определяет значение т = 20 нс. Параллельное соединение двух отрезков коаксиального кабеля типа РК-50-2-11 приводит к увеличению амплитуды напряжения по нагрузке до Um = 19 В (примерно на 70% по сравнению с оди­

нарным кабелем). Это объясняется изменением соотношения сопротивления цепи открытый транзистор - нагрузка и волнового сопротивления накопительной линии, а также большей накапливаемой энергии. Некоторое затягивание среза импульса в этом случае (до 2,5-3 нс) связано с неидентичностью характеристик коаксиальных отрезков. Длительность фронта при минимальной длине цепи нагрузка - вход линии - транзистор составляет 1 нс.

нарастания (рис. 2.15,6) позволяют измерять при этом импульсную и переходную характеристики светодиодов и ПКГ, а также время задержки их включения. Малое выходное сопротивление генераторов на лавинных транзисторах (Квых *“ Ян) Дает возможность применять их в качестве источников управляющих импульсов для мощных ключевых схем.

79

ч

Для накачки мощных источников оптического излучения с внутренним сопротивлением = 0,1-4 Ом были проведены исследования работы в ла­ винном режиме транзисторов различных типов, результаты которых приведены

втабл. 2.5.

-На рис 2.15,в представлена схема генератора субнаносекундных импульсов на лавинном транзисторе для накачки маломощного лазерного диода 32ДЛ103 [44]. Время колебания тока 0,5 нс обеспечивается высокой скоростью открывания

транзистора. А для формирования короткого спада (0,15 нс) применен диод с накопителем заряда VD1, напряжение смещения которого £ j определяет накап­

ливаемый заряд и соответственно длительность импульса накачки. Напряжение смещения £ , изменяет порог генерации диода VD^, а значит, и время задержки

излучения. Параметры излучаемых импульсов - длительность на полувысоте 0,3 нс мощность 10-3 Вт,частота повторения 5-10* Рц, позволяют применять данное устройство в высокочастотных измерительных системах, а также при иссле­ довании быстродействия фотоприемных устройств. В режиме внешнего запуска на вход генератора подаются отрицательные управляющие импульсы. В авто­ колебательном режиме (при повышенном напряжении источника J^) период повторения импульсов определяется постоянной времени заряда цепи й . С,.

Генераторы токовых импульсов на полевых транзисторах

Выпускаемые в настоящее время высокочастотные и сверхвысокочастотные мощные полевые транзиеторы (ПТ) также могут применяться в генераторах коротких токовых импульсов. Для ПТ характерно отсутствие явления накопления неосновных носителей, т.е. формируемые импульсы имеют малое время спада. Принципиальным преимуществом ПТ перед биполярными транзисторами является более высокая температурная стабильность работы, обусловленная увеличением сопротивления канала при повышении температуры прибора.

Указанные транзисторы представляют собой вертикальную структуру металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с каналом n-типа малой длины с У-образной или ^образной изолирующими канавками [45]. Эта особенность мощных МДП-ПТ по сравнению с планарными структурами дает возможность реализовать большие крутизну проходной характеристики 5 и рассеиваемую

ведены в табл. 2.6. Быстродействие приборов КП801В характеризуется временем

На рис. 2.16 и 2.17 представлены семейство выходных характеристик и проходная характеристика мощного МДП-ПТ типа 2П913А, измеренные при

тангенс угла наклона касательной к стоксовой характеристике в точке / с = О, и ы = 0. З н а ч е н и я у к а з а н н ы е в табл. 2.6, измерены при амплитуде входных импульсов и ж > 10—15 В (рис. 2.16). Это сопротивление вместе с качеством

теплоотвода определяет максимальный импульсный ток стока/агпки допустимую рассеиваемую мощность транзистора. Высокая крутизна, а значит, и макси­ мальный КПД транзистора обеспечиваются в диапазоне изменения амплитуды управляющих импульсов Um = 8 -16 В для приборов 2П913А и и ж = 10-20 В для

80