專利名稱：高速高壓開關電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及高電壓高速率脈沖，特別是一種高電壓高速率脈沖的高電壓高開關。
背景技術：
已有的高速高壓開關電路大多用雪崩晶體管級聯，在末級輸出高壓脈沖。這種電路中，晶體管工作在雪崩點，對偏置電壓的要求很高，輸出脈沖幅度調節范圍很小。目前也有基于場效應管(MOSFET)的開關電路，如圖1所示的倍壓開關電路，在輸入觸發信號打開的瞬間，越靠近輸出端，元件承受的電壓越高，因此這種電路對元件的性能要求很高，不易實現很高的輸出電壓，按這種方式構成的高壓開關體積大，成本高。
發明內容
本發明的目的是提供一種高速高壓開關電路，該開關應可輸出高電壓高速率脈沖，而且具有體積小、成本低的特點。
本發明的技術解決方案如下一種高速高壓開關電路，其構成是基于多級場效應晶體管，簡稱為場效應管連接而成的，特征在于其構成包括第1級由第1場效應管、第11電阻、第12電阻、第13電阻、第11電容構成；第2級由第2第場效應管、第21電阻、第22電阻、第23電阻、第21電容、第22電容構成；第3級到第n級的結構與第二級相同，即第n級由第n場效應管、第n1電阻、第n2電阻、第n3電阻、第n1電容、第n2電容構成，各級元件的具體連接關系
包括第1級第1場效應管的柵極與第13電阻的一端和輸入信號的輸入端相連，第13電阻的另一端接地線；第1場效應管的源極接地；第1場效應管的漏極與第11電容的一端、第11電阻的一端以及第2級的第21電阻的一端相連，第11電容的另一端與第12電阻的一端相連并與第2級的第2場效應管的源極相連，第12電阻的另一端接地線，第11電阻的另一端接高壓HV；第2級第2場效應管的柵極與第23電阻的一端、第22電容的一端以及第3級第32電容的一端相連，第22電容的另一端接地線；第2場效應管的源極與第23電阻的另一端、第22電阻的一端相連并與前級第11電容、第12電阻的一端相連，第22電阻的另一端與第21電容的一端相連并與第3級的第3場效應管的源極相連；第2場效應管的漏極與第21電阻的一端、第21電容的另一端相連并與第3級的第31電阻的一端相連，第21電阻的另一端與第1級第1場效應管的漏級相連；……；第i級第i場效應管的柵極與第i3電阻的一端、第i2電容的一端以及下一級第i+1電容的一端相連，第i2電容的另一端與前級第i-1場效應管的柵極相連；第i場效應管的源極與第i3電阻的另一端、第i2電阻的一端相連并與前級第(i-1)1電容、第(i-1)2電阻的一端相連，第i2電阻的另一端與第i1電容的一端相連并與下一級的第i+1場效應管的源極相連；第i場效應管的漏極與第i1電阻的一端、第i1電容的另一端相連并與下一級的第i+1電阻的一端相連，第i1電阻的另一端與前級第i-1場效應管的漏級相連；……；最后第n級各元件的連接關系第n場效應管的柵極與第n3電阻的一端、第n2電容的一端相連，第n2電容的另一端與前一級第n-1場效應管的柵極相連；第n場效應管的源極與第n3電阻的另一端、第n2電阻的一端相連并與前一級第(n-1)1電容、第(n-1)2電阻的一端相連，第n2電阻的另一端與第n1電容的一端相連并構成本開關電路的輸出端；第n場效應管的漏極與第n1電阻的一端、第n1電容的另一端相連，第n1電阻的另一端與前級第n-1場效應管的漏級相連。
所述的第3級至第n級的第2電容與前級場效應管相連的一端直接接地。
本發明的技術效果經分析和實驗表明本發明構成的高速高壓開關電路，不管是靜態(管子未開通)還是導通瞬間，所有元器件上承受的電位差均不超過偏置電壓HV，具有體積小、成本低等特點，而且可以很多級串在一起，獲得很高的輸出脈沖電壓。
圖1為已有的基于場效應管的倍壓開關電路2是本發明高速高壓開關電路實施例1的電路3是本發明高速高壓開關電路實施例2的電路圖具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做詳細說明。
先請參閱圖2，圖2是本發明高速高壓開關電路實施例1的電路圖，由圖可見，本發明本發明高速高壓關由多級串聯組成，每級都由場效應管、電容、電阻構成，其構成包括第1級由第1場效應管Q1、第11電阻R1_1、第12電阻R1_2、第13電阻R1_3、第11電容C1_1構成；第2級由第2第場效應管Q2、第21電阻R2_1、第22電阻R2_2、第23電阻R2_3、第21電容C2_1、第22電容C2_2構成；第3級到第n級的結構與第2級相同，即第n級由第n場效應管Qn、第n1電阻Rn_1、第n2電阻Rn_2、第n3電阻Rn_3、第n1電容Cn_1、第n2電容Cn_2構成，各級元件的具體連接關系第1級第1場效應管Q1的柵極與第13電阻R1_3的一端和輸入信號的輸入端相連，第13電阻R1_3的另一端接地線；第1場效應管Q1的源極接地；第1場效應管Q1的漏極與第11電容C1_1的一端、第11電阻R1_1的一端以及第2級的第21電阻R2_1的一端相連，第11電容C1_1的另一端與第12電阻R1_2的一端相連并與第2級的第2場效應管Q2的源極相連，第12電阻R1_2的另一端接地線，第11電阻R1_1的另一端接高壓輸入端HV；第2級第2場效應管Q2的柵極與第23電阻R2_3的一端、第22電容C2_2的一端以及第3級第32電容C3_2的一端相連，第22電容C2_2的另一端接地線；第2場效應管Q2的源極與第23電阻R2_3的另一端、第22電阻R2_2的一端相連并與前級第11電容C1_1、第12電阻R1_2的一端相連，第22電阻R2_2的另一端與第21電容C2_1的一端相連并與第3級的第3場效應管Q3的源極相連；第2場效應管Q2的漏極與第21電阻R2_1的一端、第21電容C2_1的另一端相連并與第3級的第31電阻R3_1的一端相連，第21電阻R2_1的另一端與第1級第1場效應管Q1的漏級相連；……；第i級第i場效應管Qi的柵極與第i3電阻Ri_3的一端、第i2電容Ci_2的一端以及下一級第i+1電容Ci+1_2的一端相連，第i2電容Ci_2的另一端與前級第i-1場效應管Qi-1的柵極相連；第i場效應管Qi的源極與第i3電阻Ri_3的另一端、第i2電阻Ri_2的一端相連并與前級第(i-1)1電容Ci-1_1、第(i-1)2電阻Ri-1_2的一端相連，第i2電阻Ri_2的另一端與第i1電容Ci_1的一端相連并與下一級的第i+1場效應管Qi+1的源極相連；第i場效應管Qi的漏極與第i1電阻Ri_1的一端、第i1電容Ci_1的另一端相連并與下一級的第i+1電阻Ri+1_1的一端相連，第i1電阻Ri_1的另一端與前級第i-1場效應管Qi-1的漏級相連；……；最后第n級各元件的連接關系第n場效應管Qn的柵極與第n3電阻Rn_3的一端、第n2電容Cn_2的一端相連，第n2電容Cn_2的另一端與前級第n-1場效應管Qn-1的柵極相連；第n場效應管Qn的源極與第n3電阻Rn_3的另一端、第n2電阻Rn_2的一端相連并與前級第(n-1)1電容Cn-1_1、第(n-1)2電阻Rn-1_2的一端相連，第n2電阻Rn_2的另一端與第n1電容Cn_1的一端相連并構成本開關電路的輸出端；第n場效應管Qn的漏極與第n1電阻Rn_1的一端、第n1電容Cn_1的另一端相連，第n1電阻Rn_1的另一端與前級第n-1場效應管Qn-1的漏級相連。
下面以圖2電路為例說明本發明的工作原理。當輸入脈沖觸發第1場效應管Q1時，第1場效應管Q1很快被打開，第1場效應管Q1漏極電勢很快變為零，于是在第11電容C1_1另一端，即在第2場效應管Q2的源極S建立起幅值為HV的負高壓，而且第11電容C1_1上的部分電荷很快分配到第22電容C2_2和第2場效應管Q2的柵源等效第電容CgsEIF上，當第22電容C2_2的容值合適時，滿足在CgsEIF上建立的電壓大于第2場效應管Q2的閾值電壓時，第2場效應管Q2也很快被打開，于是在第3場效應管Q3的源極建立起幅值為2HV的負高壓，依次類推，直至第n級的輸出端輸出nHV的負脈沖。各級的電阻Rn_1、Rn_2、Rn_3為本級場效應管Qn提供靜態工作點以及構成電荷充放回路。當電路參數匹配得當，在輸入脈沖信號觸發瞬間，所有場效應管幾乎同時打開，在輸出端獲得納秒級的高壓脈沖。該高壓開關電路主要控制各級場效應管MOSFET的柵源電壓，不象雪崩管構成的開關電路，主要控制各個晶體管的雪崩偏置電壓，因此輸出高壓脈沖的調節范圍要比以雪崩管構成的高壓開關調節范圍大得多。
通過分析我們知道，在圖1所示的已有電路中，越靠近輸出級，偏置電阻、柵極到地間的分壓電容承受的電壓越大，因此用圖1所示的電路構成的高壓開關，對元器件的耐壓性能要求高，體積大，也就是說，受到元器件性能的限制，倍壓級數不可能很多，輸出脈沖高壓不易太高。用本發明構成的高壓開關不管是靜態(管子未開通)還是導通瞬間，所有元器件上承受的電位差均不超過偏置電壓HV，具有體積小、成本低等特點，而且可以很多級串在一起，獲得很高的輸出脈沖電壓。
如果電路只有一級，從第11電容C1_1與第12電阻R1_2相連的一端輸出脈沖高壓；如果電路有兩級，從第21電容C2_1與第22電阻R2_2相連的一端輸出脈沖高壓；如果電路有多級，則從第n1電容Cn_1與第n2電阻Rn_2相連的一端輸出脈沖高壓。
在電路級數不多的情況下，可將電容C3_2、C4_2直到最后一級的電容Cn_2的與前級的場效應管相連的一端接地。具體電路如圖3所示，圖3是本發明高速高壓開關電路實施例2的電路圖。圖中所述的第3級至第n級的第2電容(C3_2、C4_2……Cn_2)與前一級場效應管相連的一端直接接地是本實施例2與圖2實施例1的區別，換一句話說，僅是將接在各級柵極間的電容Cn_2由串聯接地改為分別接地。級數的多與少主要由電容Cn_2的容值、額定耐壓值、體積決定。由于第n2電容Cn_2一般為皮法量級，擊穿電壓在千伏量級的電容體積也不大，直接接地可減少各級間的相互影響，便于調節。
權利要求
1.一種高速高壓的開關電路，是基于多級場效應晶體管，簡稱為場效應管連接而成的，特征在于其構成包括第1級由第1場效應管(Q1)、第11電阻(R1_1)、第12電阻(R1_2)、第13電阻(R1_3)、第11電容(C1_1)構成；第2級由第2第場效應管(Q2)、第21電阻(R2_1)、第22電阻(R2_2)、第23電阻(R2_3)、第21電容(C2_1)、第22電容(C2_2)構成；第3級到第n級的結構與第二級相同，即第n級由第n場效應管(Qn)、第n1電阻(Rn_1)、第n2電阻(Rn_2)、第n3電阻(Rn_3)、第n1電容(Cn_1)、第n2電容(Cn_2)構成，各級元件的具體連接關系第1級第1場效應管(Q1)的柵極與第13電阻(R1_3)的一端和輸入信號的輸入端相連，第13電阻(R1_3)的另一端接地線；第1場效應管(Q1)的源極接地；第1場效應管(Q1)的漏極與第11電容(C1_1)的一端、第11電阻(R1_1)的一端以及第二級的第21電阻(R2_1)的一端相連，第11電容(C1_1)的另一端與第12電阻(R1_2)的一端相連并與第二級的第2場效應管(Q2)的源極相連，第12電阻(R1_2)的另一端接地線，第11電阻(R1_1)的另一端接高壓輸入端(HV)；第2級第2場效應管(Q2)的柵極與第23電阻(R2_3)的一端、第22電容(C2_2)的一端以及第三級第32電容(C3_2)的一端相連，第22電容(C2_2)的另一端接地線；第2場效應管(Q2)的源極與第23電阻(R2_3)的另一端、第22電阻(R2_2)的一端相連并與前級第11電容(C1_1)、第12電阻(R1_2)的一端相連，第22電阻(R2_2)的另一端與第21電容(C2_1)的一端相連并與第三級的第3場效應管(Q3)的源極相連；第2場效應管(Q2)的漏極與第21電阻(R2_1)的一端、第21電容(C2_1)的另一端相連并與第三級的第31電阻(R3_1)的一端相連，第21電阻(R2_1)的另一端與第一級第1場效應管(Q1)的漏級相連；……；第i級第i場效應管(Qi)的柵極與第i3電阻(Ri_3)的一端、第i2電容(Ci_2)的一端以及下一級第i+1電容(Ci+1_2的一端相連，第i2電容(Ci_2)的另一端與前級第i-1場效應管(Qi-1)的柵極相連；第i場效應管(Qi)的源極與第i3電阻(Ri_3)的另一端、第i2電阻(Ri_2)的一端相連并與前級第i-1電容(Ci-1_1)、第i-1電阻(Ri-1_2)的一端相連，第i2電阻(Ri_2)的另一端與第i1電容(Ci_1)的一端相連并與下一級的第i+1場效應管(Qi+1)的源極相連；第i場效應管(Qi)的漏極與第i1電阻(Ri_1)的一端、第i1電容(Ci_1)的另一端相連并與下一級的第i+1電阻R(i+1_1)的一端相連，第i1電阻(Ri_1)的另一端與前級第i-1場效應管(Qi-1)的漏級相連；……；最后第n級各元件的連接關系第n場效應管(Qn)的柵極與第n3電阻(Rn_3)的一端、第n2電容(Cn_2)的一端相連，第n2電容(Cn_2)的另一端與前級第n-1場效應管(Qn-1)的柵極相連；第n場效應管(Qn)的源極與第n3電阻(Rn_3)的另一端、第n2電阻(Rn_2)的一端相連并與前級第(n-1)1電容(Cn-1_1)、第(n-1)2電阻(Rn-1_2)的一端相連，第n2電阻(Rn_2)的另一端與第n1電容(Cn_1)的一端相連并構成本開關電路的輸出端；第n場效應管(Qn)的漏極與第n1電阻(Rn_1)的一端、第n1電容(Cn_1)的另一端相連，第n1電阻(Rn_1)的另一端與前級第n-1場效應管(Qn-1)的漏級相連。
2.根據權利要求1所述的高速高壓的開關電路，其特征在于所述的第3級至第n級的第2電容(C3_2、C4_2……Cn_2)與前級場效應管相連的一端直接接地。
全文摘要
一種高可靠性串聯倍壓式高速高壓開關電路，是基于多級場效應晶體管連接而成的，構成包括第1級由一個場效應管、三個電阻和一個電容構成；第2級至第n級第n級由第n場效應管、第n1電阻、第n2電阻、第n3電阻、第n1電容、第n2電容構成，對元器件的耐壓要求低，通過多級串聯倍壓，輸出脈沖電壓幅度高。調節偏置高壓，可輸出不同幅度的脈沖高壓，而且調節范圍寬。本發明的高速高壓開關電路具有體積小、成本低、調節范圍寬、穩定可靠的特點，可用于電光調Q開關、脈沖式粒子加速/偏轉測試、高能物理、醫療、雷達及微波等領域。
文檔編號H03K17/687GK1794581SQ20051011202
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月27日 優先權日2005年12月27日
發明者臧華國 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所