專利名稱：高速高壓開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型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(guān)。
背景技術(shù)：
已有的高速高壓開關(guān)大多用雪崩晶體管級(jí)聯(lián)，在末級(jí)輸出高壓脈沖。這種電路中，晶體管工作在雪崩點(diǎn)，對(duì)偏置電壓的要求很高，輸出脈沖幅度調(diào)節(jié)范圍很小。目前也有基于場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的開關(guān)電路，如圖1所示的倍壓開關(guān)電路，在輸入觸發(fā)信號(hào)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(duì)元件的性能要求很高，不易實(shí)現(xiàn)很高的輸出電壓，按這種方式構(gòu)成的高壓開關(guān)體積大，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種高速高壓開關(guān)，該開關(guān)應(yīng)可輸出高電壓高速率脈沖，而且具有體積小、成本低的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種高速高壓開關(guān)，其構(gòu)成是基于多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱為場(chǎng)效應(yīng)管連接而成的，包括第1級(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第13電阻的一端和輸入信號(hào)的輸入端相連，第13電阻的另一端接地線；第1場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地；第1場(chǎng)效應(yīng)管的漏極與第11電容的一端、第11電阻的一端以及第二級(jí)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二級(jí)的第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第2場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第23電阻的一端、第22電容的一端以及第三級(jí)第32電容的一端相連，第22電容的另一端接地線；第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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三級(jí)的第3場(chǎng)效應(yīng)管的源極相連；第2場(chǎng)效應(yīng)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三級(jí)的第31電阻的一端相連，第21電阻的另一端與第一級(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管的漏級(jí)相連；……；第i級(jí)第i場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第i3電阻的一端、第i2電容的一端以及下一級(jí)第i+1電容的一端相連，第i2電容的另一端與前級(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第i+1場(chǎng)效應(yīng)管的源極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)的第i+1電阻的一端相連，第i1電阻的另一端與前級(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管的漏級(jí)相連；……；最后第n級(jí)各元件的連接關(guān)系第n場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與第n3電阻的一端、第n2電容的一端相連，第n2電容的另一端與前級(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管的柵極相連；第n場(chǎng)效應(yīng)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級(jí)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(gòu)成本開關(guān)電路的輸出端；第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管的漏級(jí)相連。
所述的第3級(jí)至第n級(jí)的第2電容與前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管相連的一端直接接地。
本實(shí)用新型的技術(shù)效果經(jīng)分析和實(shí)驗(yàn)表明本實(shí)用新型構(gòu)成的高速高壓開關(guān)，不管是靜態(tài)(管子未開通)還是導(dǎo)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(diǎn)，而且可以很多級(jí)串在一起，獲得很高的輸出脈沖電壓。


圖1為已有的基于場(chǎng)效應(yīng)管的倍壓開關(guān)電路圖圖2是本實(shí)用新型高速高壓開關(guān)實(shí)施例1的電路圖圖3是本實(shí)用新型高速高壓開關(guān)實(shí)施例2的電路圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)說明。
先請(qǐng)參閱圖2，圖2是本實(shí)用新型高速高壓開關(guān)實(shí)施例1的電路圖，由圖可見，本實(shí)用新型本實(shí)用新型高速高壓關(guān)由多級(jí)串聯(lián)組成，每級(jí)都由場(chǎng)效應(yīng)管、電容、電阻構(gòu)成，其構(gòu)成包括第1級(jí)由第1場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成；第2級(jí)由第2第場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成；第3級(jí)到第n級(jí)的結(jié)構(gòu)與第二級(jí)相同，即第n級(jí)由第n場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成，各級(jí)元件的具體連接關(guān)系第1級(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極與第13電阻R1_3的一端和輸入信號(hào)的輸入端相連，第13電阻R1_3的另一端接地線；第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1的源極接地；第1場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第3場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極相連；第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1的漏級(jí)相連；……；第i級(jí)第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管Qi-1的柵極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第i+1場(chǎng)效應(yīng)管Qi+1的源極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管Qi-1的漏級(jí)相連；……；最后第n級(jí)各元件的連接關(guān)系第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管Qn-1的柵極相連；第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(gòu)成本開關(guān)電路的輸出端；第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管Qn-1的漏級(jí)相連。
下面以圖2電路為例說明本實(shí)用新型的工作原理。當(dāng)輸入脈沖觸發(fā)第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1時(shí)，第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1很快被打開，第1場(chǎng)效應(yīng)管Q1漏極電勢(shì)很快變?yōu)榱悖谑窃诘?1電容C1_1另一端，即在第2場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極S建立起幅值為HV的負(fù)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(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵源等效第電容CgsEIF上，當(dāng)?shù)?2電容C2_2的容值合適時(shí)，滿足在CgsEIF上建立的電壓大于第2場(chǎng)效應(yīng)管Q2的閾值電壓時(shí)，第2場(chǎng)效應(yīng)管Q2也很快被打開，于是在第3場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極建立起幅值為2HV的負(fù)高壓，依次類推，直至第n級(jí)的輸出端輸出nHV的負(fù)脈沖。各級(jí)的電阻Rn_1、Rn_2、Rn_3為本級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管Qn提供靜態(tài)工作點(diǎn)以及構(gòu)成電荷充放回路。當(dāng)電路參數(shù)匹配得當(dāng)，在輸入脈沖信號(hào)觸發(fā)瞬間，所有場(chǎng)效應(yīng)管幾乎同時(shí)打開，在輸出端獲得納秒級(jí)的高壓脈沖。該高壓開關(guān)電路主要控制各級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET的柵源電壓，不象雪崩管構(gòu)成的開關(guān)電路，主要控制各個(gè)晶體管的雪崩偏置電壓，因此輸出高壓脈沖的調(diào)節(jié)范圍要比以雪崩管構(gòu)成的高壓開關(guān)調(diào)節(jié)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(jí)，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(gòu)成的高壓開關(guān)，對(duì)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(jí)數(shù)不可能很多，輸出脈沖高壓不易太高。用本實(shí)用新型構(gòu)成的高壓開關(guān)不管是靜態(tài)(管子未開通)還是導(dǎo)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(diǎn)，而且可以很多級(jí)串在一起，獲得很高的輸出脈沖電壓。
如果電路只有一級(jí)，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(jí)，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(jí)，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(jí)數(shù)不多的情況下(級(jí)數(shù)的多與少主要由第電容Cn_2的容值、額定耐壓值、體積決定)，可將第電容C3_2、C4_2直到最后一級(jí)的第電容Cn_2的與前級(jí)的第場(chǎng)效應(yīng)管相連的一端接地。具體電路如圖3所示，圖3是本實(shí)用新型高速高壓開關(guān)實(shí)施例2的電路圖。圖中所述的第3級(jí)至第n級(jí)的第2電容(C3_2、C4_2……Cn_2)與前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管相連的一端直接接地。在輸出電壓不太高，倍壓級(jí)數(shù)不多的情況下，也可采用圖3所示的倍壓電路，它與圖2的區(qū)別僅是將接在各級(jí)柵極間的第電容Cn_2由串聯(lián)接地改為分別接地。級(jí)數(shù)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(jí)，擊穿電壓在千伏量級(jí)的電容體積也不大，直接接地可減少各級(jí)間的相互影響，便于調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求1.一種高速高壓的開關(guān)，是基于多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱為場(chǎng)效應(yīng)管連接而成的，特征在于其構(gòu)成包括第1級(jí)由第1場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成；第2級(jí)由第2第場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成；第3級(jí)到第n級(jí)的結(jié)構(gòu)與第二級(jí)相同，即第n級(jí)由第n場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成，各級(jí)元件的具體連接關(guān)系第1級(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)的柵極與第13電阻(R1_3)的一端和輸入信號(hào)的輸入端相連，第13電阻(R1_3)的另一端接地線；第1場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)的源極接地；第1場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第3場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的源極相連；第2場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第1場(chǎng)效應(yīng)管(Q1)的漏級(jí)相連；……；第i級(jí)第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管(Qi-1)的柵極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)的第i+1場(chǎng)效應(yīng)管(Qi+1)的源極相連；第i場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(jí)第i-1場(chǎng)效應(yīng)管(Qi-1)的漏級(jí)相連；……；最后第n級(jí)各元件的連接關(guān)系第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管(Qn-1)的柵極相連；第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)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(gòu)成本開關(guān)電路的輸出端；第n場(chǎng)效應(yīng)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(jí)第n-1場(chǎng)效應(yīng)管(Qn-1)的漏級(jí)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高壓的開關(guān)，其特征在于所述的第3級(jí)至第n級(jí)的第2電容(C3_2、C4_2……Cn_2)與前級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管相連的一端直接接地。
專利摘要一種高可靠性串聯(lián)倍壓式高速高壓開關(guān)，是基于多級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管連接而成的，構(gòu)成包括第1級(jí)由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管、三個(gè)電阻和一個(gè)電容構(gòu)成；第2級(jí)至第n級(jí)第n級(jí)由第n場(chǎng)效應(yīng)管、第n1電阻、第n2電阻、第n3電阻、第n1電容、第n2電容構(gòu)成，對(duì)元器件的耐壓要求低，通過多級(jí)串聯(lián)倍壓，輸出脈沖電壓幅度高。調(diào)節(jié)偏置高壓，可輸出不同幅度的脈沖高壓，而且調(diào)節(jié)范圍寬。本實(shí)用新型的高速高壓開關(guān)具有體積小、成本低、調(diào)節(jié)范圍寬、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可用于電光調(diào)Q開關(guān)、脈沖式粒子加速/偏轉(zhuǎn)測(cè)試、高能物理、醫(yī)療、雷達(dá)及微波等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H03K17/687GK2852531SQ20052004800
公開日2006年12月27日 申請(qǐng)日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者臧華國 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所