基于MARX电路的高斯脉冲信号源的设计与实现

范永欣　刘久文　张多纳

摘 要：文章对高斯脉冲信号在电磁兼容测试方面的应用进行了概述，讲述了雪崩三极管以及MARX电路的基本理论，采用雪崩三极管组成MARX电路来生成高斯脉冲信号的原理，分析MARX电路结构对脉冲的影响，对波形各项指标进行了分析和规律总结。设计了基于MARX电路和雪崩三极管的高斯脉冲信号发生器，脉冲幅值800V（50欧负载），半高宽2ns，重复频率从1kHz至20kHz可调，工作状态稳定已持续工作数十小时，对脉冲源的改进提出了设想。

关键词：雪崩三极管；MARX电路；脉冲源；电磁兼容

引言

随着科学技术的发展，电子系统和设备的数量与日俱增，性能也在不断提高，并正向高频率、宽频带、高集成度、高可靠性、高精度和高灵敏度方向发展。与此同时，电磁干扰的问题势必越来越严重，现已成为电子系统和设备正常工作的突出障碍。

在实际工作环境中，随着设备的增多，多个设备共同工作在同一环境下，设备之间会产生扰动，特别是在大型的设备与机器上，同时工作的元器件多达几百甚至上千个，电磁环境非常复杂，导致设备的故障率大幅提高，如何对设备的电磁兼容环境进行测试成为一个热点问题。高斯脉冲信号具有功率大，频谱广的特点，能够覆盖设备的各个敏感点，有利于模拟真实的电磁环境。高斯脉冲信号生成电路在军工、科研、雷达探测、超宽带传输等多个领域具有重大的作用，是当前研究热点。

1 雪崩三极管的二次击穿

雪崩三极管是一类专门用于工作在雪崩区的三极管，具有较高的Vceo与Vcbo，在脉冲状态下最大工作电流可以达到几十安。这类雪崩三极管通常可以工作在负阻区，并具有二次击穿的特性，非常符合脉冲生成电路的制作要求。负阻效应是指当三极管工作在雪崩区时，Vce随Ic的增大而减小的效应。二次击穿指当三极管工作在雪崩区时，它的工作点并不稳定，当电流继续增大时会发生二次击穿，此时的电流非常大。如图1所示：当雪崩三极管处于第一次雪崩时，工作在c点，而随着电流增大，导致工作点的上移至b点，而b点的工作状态并不稳定，雪崩三极管发生2次击穿，此时工作点继续上移至a点。

2 MARX电路工作原理

如图2所示为MARX电路原理示意图，图中偏置电源Ec对电容C1～C5进行充电，Ec的大小为三极管T1～T2的临界雪崩电压，当触发信号加入后，三极管迅速进入雪崩区，此时C2左端的电压与C1右侧电压可以近似理解为相等，由于C2为电容两侧电压不能突变，所以C2右侧电压等于C1+Ec，即2Ec，以此類推最终在RL1上得到5倍的Ec。

MARX电路的最重要的作用就是通过多级MARX电路可以得到几倍于Ec的电压，是产生高幅值脉冲的有效途径。

3 脉冲幅值与电路级数的关系

在实际制作MARX电路中，脉冲幅值往往不能得到理想的倍增效果，原因主要有三个，首先是雪崩三极管的雪崩效率是否满足要求，其次是充电电容的选择，通常在电容中的电量不满足雪崩需求时，雪崩三极管就会退出雪崩状态，第三是信号在元器件以及信号线上的耗损。

所以在实际设计中，我们并不追求实现完全的电压倍增，而是采用欠电荷充电的方式，所谓欠电荷充电，是指每一个充电电容只要存有满足该级电路雪崩所需的电荷量即可，这样做的好处是，通过增加电路级数来得到高幅值脉冲，而缩小电容的大小，使得电容放电时间缩小。

假设需要得到800V电压，负载50欧，那么电流的大小应为16A，在实际制作中，电荷Q=I*t，t为三极管导通时间，通常国产三极管为2ns，则Q=32纳库伦，C=Q/U，U=200V，则C=160pF。即当电容为160pF时，即可满足雪崩，在实际制作时，通常留有余量。

4 雪崩三极管的加速作用

脉冲幅值的特点是幅值高，脉宽窄，通常脉宽只有几纳秒至几十纳秒，减小脉宽是MARX电路的重要作用，主要利用的是欠电荷充电法以及雪崩三极管的加速作用。

电容的放电与其RC回路相关，通常情况下大约需要3～5个RC时间常数，电容将放电完毕，经过计算，以470P的电容和50欧姆电阻为负载，其放电时间大约需要70.5～117.5ns。而实际制作过程中，经过雪崩三极管的加速作用，最终得到的脉冲幅值通常不超过10ns。

5 制作实例

本例采用20级雪崩三极管级联，雪崩三极管采用FMMT417TA雪崩三极管，电容470P，充电电阻39K，充电电压为220V，输出为50欧负载，最终得到脉冲幅值800V，脉宽4.8ns，拖尾较小。

6 结束语

文章从高斯信号在电磁兼容测试中的作用引出纳秒级高斯脉冲信号源的特点，提出了利用MARX电路进行高斯脉冲信号源的设计，并对电路进行了测试和分析，提出了一个设计实例，该实例已正常工作十几个小时，稳定度良好，完全满足电磁兼容测试的注入需求。

作者简介：范永欣（1986，7-），男，山东诸城人，硕士，研究方向：超宽带技术，MARX电路的设计。