穆 克， 李凤银， 周大东

（1.辽宁石油化工大学信息与控制工程学院，辽宁抚顺113001；2.朝阳伏特电子研究所，辽宁朝阳122000；3.锦州环境工程技术公司，辽宁锦州121001）

脉冲电路是电压或电流的突变技术，由于其抗干扰能力强，准确度高，控制性好等优点，广泛应用在国防、科研及工业控制等领域。常用电子脉冲振荡器一般由晶体管或单结管与外围器件构成。如LC电感三点式振荡器、RC电容三点式振荡器、文氏桥振荡器和RC振荡器等。上述电路存在结构复杂、元器件多、不易制作、输出波形前后沿也不易陡直等缺点。为此，提出设计一个两端半导体器件，它像石英晶体那样，只要给其施加一个合适的直流电压就可以自行产生脉冲振荡。

1 自行脉冲振荡电路的模拟实验

在大量模拟试验的基础上，不加任何储能用的电感、电容等元件反馈和自激，特意采取将换能元件与振荡反馈回路融为一体的设计方案［1］，采用两只同极性（NPN或PNP型）的晶体管［2］，进行电路设计，给电路以适当的直流工作电压，使其工作在高度非线性的负阻区就可产生三角形的脉冲振荡波形，其电路设计图与输出脉冲波形图如图1所示。

Fig.1 No LC pulse oscillation circuit and the output oscillation waveform图1 无储能元件脉冲振荡电路图及输出振荡波形

图1（a）电路中元器件的选择：T1和T2管均选NPN型晶体管，其放大倍数β为80～100；Rbb在两个管的基区串联等效电阻；Rc为负载兼隔离电阻。还必须要求两个管均具有反向放大作用，其倍数为2～10倍即可。

因本电路是脉冲振荡电路，其输出是不连续的突变波形，故将T1管工作在高度非线性可逆的雪崩负阻状态。由图1（a）的电路中总电流Ic可用下式表示：

若T1管的直流工作电压Uc小于T1的BVE1B1O时，则处于截止状态，只有很小的电流，所以Ibb≫Icc。

若T1管的工作电压Uc等于BVE1B1O时，发生雪崩击穿，Ibb≪Icc，则动态电阻r等于零。即

当T1管工作电压Uc大于T1管的BVE1B1O时，而T2管正处于放大状态，将有大量电子注入到T1管已展宽的发射结空间电荷层，发生碰撞产生大量电子空穴对使其空间电荷层立刻变薄，结电阻减小，于是产生了雪崩负阻效应，其动态电阻r小于零。即

通过负载电阻就可测试脉冲振荡输出波形。

2 脉冲振荡管结构及其振荡电路

在分立器件所组成的脉冲振荡电路的模拟实验基础上，设计成由一个横向晶体管和两个纵向晶体管而集成的“复合晶体管”［3］。这种复合型结构中两个纵向管具有公共的基区和集电区，但均不做电极引线，只将两个发射区做出发射极引线E1和E2。其结构图和电路符号如图2所示。

Fig.2 The structure and symbol of pulse oscillation transistor图2 脉冲振荡管结构和电路符号

在硅N＋＋型衬底的外延片上，采用氧化、光刻、扩散、蒸发等工艺方法，先扩硼形成基区，然后光刻出两个发射区窗孔，再扩磷形成两个发射区，再光刻出引线孔，最后再蒸铝、反刻、合金、压焊引出两个发射极E1和E2。

3 脉冲振荡管及自行振荡电路机理分析

将两端振荡管的发射极，通过负载电阻Rc，给其施一个适当直流工作电源电压，无须外加LC元件，就可自行产生稳定可靠的持续周期振荡波形，如图3所示。

Fig.3 Self－oscillating transistor oscillator circuit and output waveform图3 振荡管自行振荡电路和输出波形

自行振荡电路的输出参数如下：

脉冲幅度V0＝1～5V

脉冲宽度τ＝30～40ns

脉冲上升时间tr＝1～8ns

脉冲周期T＝0.5～1μs

其电路参数Ec和Rc及其器件的串联电阻Rs和结电容Cj等因素对振荡参数V0，τ，tr，T等均有影响。若将振荡管的两个发射结面积进一步减小，缩小基区间距，提高发射区杂质浓度等工艺措施，则有可能将脉冲振荡频率由现在的1MHz提高100 MHz以上，甚至更高。

采用图示仪对图1（a）电路和图3（a）器件进行静态伏安特性曲线测试，发现其均具有双向雪崩负阻特性，如图4所示。由图1和图3可知，当直流工作电源电压较小时，有很小的漏电流Ibb，当电源电压逐渐增加时，T1管的发射结空间电荷层自动展宽，当工作电压超过发射结E1的BVE1B1O时，则发生雪崩击穿，此时T2管处于正向放大作用，又因T1管具有反相放大功能，故将有大量电子注入到T1管的基区，由于电子撞击作用产生大量的电子空穴对，而电子很快被正向电源电压抽取走，剩下的空穴迅速填充已展宽的空间电荷层负离子层，则空间电荷层立刻变薄，结电阻减小，进而产生了雪崩负阻效应，如图4所示。

Fig.4 VA characteristic curve and the output pulse oscillation waveform图4伏安特性曲线及输出脉冲振荡波形图

在图4中，Vs为转折电压，Is为转折电流，VF为导通电压，IF为导通电流，IH为维持电流。若产生负阻效应时，则有较大导通电流IF输出。当电压降等于VF时，IF减小到IH，瞬间负阻消失，然后回到高电位Vs，又立刻产生负阻。根据雪崩负阻特性，将电路工作点设在由转折点A至维持电流IH与负载线的交点B之上，由于串联电阻Rs，结电容Cj的存在，导通电流通过Rs，Cj充放电，当有一定电流损耗衰减后，就立刻回到高电位转折点A，一回到A点就立刻产生雪崩负阻效应，于是又立刻迅速回到低电位B点，进而输出电流又获得一次能量补充，就这样靠其内反馈［4］，工作点时而在A点，时而在B点，于是周而复始地稳定可靠地作周期振荡。

脉冲振荡管的振荡过程很复杂，基本上是偏置在负阻区，其动态等效电路如图5所示［5］。其中Rj是结动态电阻，其值为负；Cj为PN结电容，二者是并联组成的。Rs为引线和芯片的体电阻、扩散电阻、欧姆接触电阻等串联电阻。Ls为引线与管壳电感。由于Rs，Ls和Cj的存在，影响器件的固有谐振频率，即f＝πRsCj／2。

Fig.5 Oscillation equivalent circuit图5 振荡时等效电路

4 结束语

脉冲振荡管，不同于已有的各种振荡器，它无须外加任何LC元件，其自身就可自行产生脉冲振荡，并具有较高输出振幅和频率，而工作电源电压又不高，其电路简单，具有新颖性、实用性。可广泛地应用在多种脉冲数字电路中。在简化电路、缩小体积、减轻重量、提高集成度和脉冲速度以及与TTL电路相兼容等方面有广泛的应用前景。用脉冲振荡管做脉冲振荡源，采用变换整形等调制技术和措施做成多种脉冲信号电源，有待进一步研究。

［1］ 李凤银，王佳琴.新型LC元件脉冲振荡电路的设计［J］.半导体技术，2005，30（5）：69－70.

［2］ 魏希文，王美田，李建军，等.双管S型负阻器件的研究［J］.电子学报，1995，23（2）：74－77.

［3］ 王楚，余道衡.电子线路［M］.北京：北京大学出版社，2003.

［4］ 华成英，童诗白.模拟电子技术［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］ 李凤银，周旋，李锦林，等.一种新颖的负阻开关器件－双向负阻晶体管［J］.半导体学报，1984，5（6）：689－701.

［6］ 钱博森.负阻器件负阻电路及其应用［M］.天津：天津大学出版社，1993.

［7］ 张万荣，李志国，王立新，等.Si／SiGe／Si双异质结晶体管（HBT）的负阻特性［J］.电子学报，2001（8）：1－3.

［8］ Inder Bahl，Prakash Bhartia（美），著.微波固态电路设计［M］.郑新，译.北京：电子工业出版社，2006.