专利名称：高速高压开关电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及高电压高速率脉冲，特别是一种高电压高速率脉冲的高电压高开关。
背景技术：
已有的高速高压开关电路大多用雪崩晶体管级联，在末级输出高压脉冲。这种电路中，晶体管工作在雪崩点，对偏置电压的要求很高，输出脉冲幅度调节范围很小。目前也有基于场效应管(MOSFET)的开关电路，如图1所示的倍压开关电路，在输入触发信号打开的瞬间，越靠近输出端，元件承受的电压越高，因此这种电路对元件的性能要求很高，不易实现很高的输出电压，按这种方式构成的高压开关体积大，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种高速高压开关电路，该开关应可输出高电压高速率脉冲，而且具有体积小、成本低的特点。
本发明的技术解决方案如下一种高速高压开关电路，其构成是基于多级场效应晶体管，简称为场效应管连接而成的，特征在于其构成包括第1级由第1场效应管、第11电阻、第12电阻、第13电阻、第11电容构成；第2级由第2第场效应管、第21电阻、第22电阻、第23电阻、第21电容、第22电容构成；第3级到第n级的结构与第二级相同，即第n级由第n场效应管、第n1电阻、第n2电阻、第n3电阻、第n1电容、第n2电容构成，各级元件的具体连接关系
包括第1级第1场效应管的栅极与第13电阻的一端和输入信号的输入端相连，第13电阻的另一端接地线；第1场效应管的源极接地；第1场效应管的漏极与第11电容的一端、第11电阻的一端以及第2级的第21电阻的一端相连，第11电容的另一端与第12电阻的一端相连并与第2级的第2场效应管的源极相连，第12电阻的另一端接地线，第11电阻的另一端接高压HV；第2级第2场效应管的栅极与第23电阻的一端、第22电容的一端以及第3级第32电容的一端相连，第22电容的另一端接地线；第2场效应管的源极与第23电阻的另一端、第22电阻的一端相连并与前级第11电容、第12电阻的一端相连，第22电阻的另一端与第21电容的一端相连并与第3级的第3场效应管的源极相连；第2场效应管的漏极与第21电阻的一端、第21电容的另一端相连并与第3级的第31电阻的一端相连，第21电阻的另一端与第1级第1场效应管的漏级相连；……；第i级第i场效应管的栅极与第i3电阻的一端、第i2电容的一端以及下一级第i+1电容的一端相连，第i2电容的另一端与前级第i-1场效应管的栅极相连；第i场效应管的源极与第i3电阻的另一端、第i2电阻的一端相连并与前级第(i-1)1电容、第(i-1)2电阻的一端相连，第i2电阻的另一端与第i1电容的一端相连并与下一级的第i+1场效应管的源极相连；第i场效应管的漏极与第i1电阻的一端、第i1电容的另一端相连并与下一级的第i+1电阻的一端相连，第i1电阻的另一端与前级第i-1场效应管的漏级相连；……；最后第n级各元件的连接关系第n场效应管的栅极与第n3电阻的一端、第n2电容的一端相连，第n2电容的另一端与前一级第n-1场效应管的栅极相连；第n场效应管的源极与第n3电阻的另一端、第n2电阻的一端相连并与前一级第(n-1)1电容、第(n-1)2电阻的一端相连，第n2电阻的另一端与第n1电容的一端相连并构成本开关电路的输出端；第n场效应管的漏极与第n1电阻的一端、第n1电容的另一端相连，第n1电阻的另一端与前级第n-1场效应管的漏级相连。
所述的第3级至第n级的第2电容与前级场效应管相连的一端直接接地。
本发明的技术效果经分析和实验表明本发明构成的高速高压开关电路，不管是静态(管子未开通)还是导通瞬间，所有元器件上承受的电位差均不超过偏置电压HV，具有体积小、成本低等特点，而且可以很多级串在一起，获得很高的输出脉冲电压。
图1为已有的基于场效应管的倍压开关电路2是本发明高速高压开关电路实施例1的电路3是本发明高速高压开关电路实施例2的电路图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
先请参阅图2，图2是本发明高速高压开关电路实施例1的电路图，由图可见，本发明本发明高速高压关由多级串联组成，每级都由场效应管、电容、电阻构成，其构成包括第1级由第1场效应管Q1、第11电阻R1_1、第12电阻R1_2、第13电阻R1_3、第11电容C1_1构成；第2级由第2第场效应管Q2、第21电阻R2_1、第22电阻R2_2、第23电阻R2_3、第21电容C2_1、第22电容C2_2构成；第3级到第n级的结构与第2级相同，即第n级由第n场效应管Qn、第n1电阻Rn_1、第n2电阻Rn_2、第n3电阻Rn_3、第n1电容Cn_1、第n2电容Cn_2构成，各级元件的具体连接关系第1级第1场效应管Q1的栅极与第13电阻R1_3的一端和输入信号的输入端相连，第13电阻R1_3的另一端接地线；第1场效应管Q1的源极接地；第1场效应管Q1的漏极与第11电容C1_1的一端、第11电阻R1_1的一端以及第2级的第21电阻R2_1的一端相连，第11电容C1_1的另一端与第12电阻R1_2的一端相连并与第2级的第2场效应管Q2的源极相连，第12电阻R1_2的另一端接地线，第11电阻R1_1的另一端接高压输入端HV；第2级第2场效应管Q2的栅极与第23电阻R2_3的一端、第22电容C2_2的一端以及第3级第32电容C3_2的一端相连，第22电容C2_2的另一端接地线；第2场效应管Q2的源极与第23电阻R2_3的另一端、第22电阻R2_2的一端相连并与前级第11电容C1_1、第12电阻R1_2的一端相连，第22电阻R2_2的另一端与第21电容C2_1的一端相连并与第3级的第3场效应管Q3的源极相连；第2场效应管Q2的漏极与第21电阻R2_1的一端、第21电容C2_1的另一端相连并与第3级的第31电阻R3_1的一端相连，第21电阻R2_1的另一端与第1级第1场效应管Q1的漏级相连；……；第i级第i场效应管Qi的栅极与第i3电阻Ri_3的一端、第i2电容Ci_2的一端以及下一级第i+1电容Ci+1_2的一端相连，第i2电容Ci_2的另一端与前级第i-1场效应管Qi-1的栅极相连；第i场效应管Qi的源极与第i3电阻Ri_3的另一端、第i2电阻Ri_2的一端相连并与前级第(i-1)1电容Ci-1_1、第(i-1)2电阻Ri-1_2的一端相连，第i2电阻Ri_2的另一端与第i1电容Ci_1的一端相连并与下一级的第i+1场效应管Qi+1的源极相连；第i场效应管Qi的漏极与第i1电阻Ri_1的一端、第i1电容Ci_1的另一端相连并与下一级的第i+1电阻Ri+1_1的一端相连，第i1电阻Ri_1的另一端与前级第i-1场效应管Qi-1的漏级相连；……；最后第n级各元件的连接关系第n场效应管Qn的栅极与第n3电阻Rn_3的一端、第n2电容Cn_2的一端相连，第n2电容Cn_2的另一端与前级第n-1场效应管Qn-1的栅极相连；第n场效应管Qn的源极与第n3电阻Rn_3的另一端、第n2电阻Rn_2的一端相连并与前级第(n-1)1电容Cn-1_1、第(n-1)2电阻Rn-1_2的一端相连，第n2电阻Rn_2的另一端与第n1电容Cn_1的一端相连并构成本开关电路的输出端；第n场效应管Qn的漏极与第n1电阻Rn_1的一端、第n1电容Cn_1的另一端相连，第n1电阻Rn_1的另一端与前级第n-1场效应管Qn-1的漏级相连。
下面以图2电路为例说明本发明的工作原理。当输入脉冲触发第1场效应管Q1时，第1场效应管Q1很快被打开，第1场效应管Q1漏极电势很快变为零，于是在第11电容C1_1另一端，即在第2场效应管Q2的源极S建立起幅值为HV的负高压，而且第11电容C1_1上的部分电荷很快分配到第22电容C2_2和第2场效应管Q2的栅源等效第电容CgsEIF上，当第22电容C2_2的容值合适时，满足在CgsEIF上建立的电压大于第2场效应管Q2的阈值电压时，第2场效应管Q2也很快被打开，于是在第3场效应管Q3的源极建立起幅值为2HV的负高压，依次类推，直至第n级的输出端输出nHV的负脉冲。各级的电阻Rn_1、Rn_2、Rn_3为本级场效应管Qn提供静态工作点以及构成电荷充放回路。当电路参数匹配得当，在输入脉冲信号触发瞬间，所有场效应管几乎同时打开，在输出端获得纳秒级的高压脉冲。该高压开关电路主要控制各级场效应管MOSFET的栅源电压，不象雪崩管构成的开关电路，主要控制各个晶体管的雪崩偏置电压，因此输出高压脉冲的调节范围要比以雪崩管构成的高压开关调节范围大得多。
通过分析我们知道，在图1所示的已有电路中，越靠近输出级，偏置电阻、栅极到地间的分压电容承受的电压越大，因此用图1所示的电路构成的高压开关，对元器件的耐压性能要求高，体积大，也就是说，受到元器件性能的限制，倍压级数不可能很多，输出脉冲高压不易太高。用本发明构成的高压开关不管是静态(管子未开通)还是导通瞬间，所有元器件上承受的电位差均不超过偏置电压HV，具有体积小、成本低等特点，而且可以很多级串在一起，获得很高的输出脉冲电压。
如果电路只有一级，从第11电容C1_1与第12电阻R1_2相连的一端输出脉冲高压；如果电路有两级，从第21电容C2_1与第22电阻R2_2相连的一端输出脉冲高压；如果电路有多级，则从第n1电容Cn_1与第n2电阻Rn_2相连的一端输出脉冲高压。
在电路级数不多的情况下，可将电容C3_2、C4_2直到最后一级的电容Cn_2的与前级的场效应管相连的一端接地。具体电路如图3所示，图3是本发明高速高压开关电路实施例2的电路图。图中所述的第3级至第n级的第2电容(C3_2、C4_2……Cn_2)与前一级场效应管相连的一端直接接地是本实施例2与图2实施例1的区别，换一句话说，仅是将接在各级栅极间的电容Cn_2由串联接地改为分别接地。级数的多与少主要由电容Cn_2的容值、额定耐压值、体积决定。由于第n2电容Cn_2一般为皮法量级，击穿电压在千伏量级的电容体积也不大，直接接地可减少各级间的相互影响，便于调节。
权利要求
1.一种高速高压的开关电路，是基于多级场效应晶体管，简称为场效应管连接而成的，特征在于其构成包括第1级由第1场效应管(Q1)、第11电阻(R1_1)、第12电阻(R1_2)、第13电阻(R1_3)、第11电容(C1_1)构成；第2级由第2第场效应管(Q2)、第21电阻(R2_1)、第22电阻(R2_2)、第23电阻(R2_3)、第21电容(C2_1)、第22电容(C2_2)构成；第3级到第n级的结构与第二级相同，即第n级由第n场效应管(Qn)、第n1电阻(Rn_1)、第n2电阻(Rn_2)、第n3电阻(Rn_3)、第n1电容(Cn_1)、第n2电容(Cn_2)构成，各级元件的具体连接关系第1级第1场效应管(Q1)的栅极与第13电阻(R1_3)的一端和输入信号的输入端相连，第13电阻(R1_3)的另一端接地线；第1场效应管(Q1)的源极接地；第1场效应管(Q1)的漏极与第11电容(C1_1)的一端、第11电阻(R1_1)的一端以及第二级的第21电阻(R2_1)的一端相连，第11电容(C1_1)的另一端与第12电阻(R1_2)的一端相连并与第二级的第2场效应管(Q2)的源极相连，第12电阻(R1_2)的另一端接地线，第11电阻(R1_1)的另一端接高压输入端(HV)；第2级第2场效应管(Q2)的栅极与第23电阻(R2_3)的一端、第22电容(C2_2)的一端以及第三级第32电容(C3_2)的一端相连，第22电容(C2_2)的另一端接地线；第2场效应管(Q2)的源极与第23电阻(R2_3)的另一端、第22电阻(R2_2)的一端相连并与前级第11电容(C1_1)、第12电阻(R1_2)的一端相连，第22电阻(R2_2)的另一端与第21电容(C2_1)的一端相连并与第三级的第3场效应管(Q3)的源极相连；第2场效应管(Q2)的漏极与第21电阻(R2_1)的一端、第21电容(C2_1)的另一端相连并与第三级的第31电阻(R3_1)的一端相连，第21电阻(R2_1)的另一端与第一级第1场效应管(Q1)的漏级相连；……；第i级第i场效应管(Qi)的栅极与第i3电阻(Ri_3)的一端、第i2电容(Ci_2)的一端以及下一级第i+1电容(Ci+1_2的一端相连，第i2电容(Ci_2)的另一端与前级第i-1场效应管(Qi-1)的栅极相连；第i场效应管(Qi)的源极与第i3电阻(Ri_3)的另一端、第i2电阻(Ri_2)的一端相连并与前级第i-1电容(Ci-1_1)、第i-1电阻(Ri-1_2)的一端相连，第i2电阻(Ri_2)的另一端与第i1电容(Ci_1)的一端相连并与下一级的第i+1场效应管(Qi+1)的源极相连；第i场效应管(Qi)的漏极与第i1电阻(Ri_1)的一端、第i1电容(Ci_1)的另一端相连并与下一级的第i+1电阻R(i+1_1)的一端相连，第i1电阻(Ri_1)的另一端与前级第i-1场效应管(Qi-1)的漏级相连；……；最后第n级各元件的连接关系第n场效应管(Qn)的栅极与第n3电阻(Rn_3)的一端、第n2电容(Cn_2)的一端相连，第n2电容(Cn_2)的另一端与前级第n-1场效应管(Qn-1)的栅极相连；第n场效应管(Qn)的源极与第n3电阻(Rn_3)的另一端、第n2电阻(Rn_2)的一端相连并与前级第(n-1)1电容(Cn-1_1)、第(n-1)2电阻(Rn-1_2)的一端相连，第n2电阻(Rn_2)的另一端与第n1电容(Cn_1)的一端相连并构成本开关电路的输出端；第n场效应管(Qn)的漏极与第n1电阻(Rn_1)的一端、第n1电容(Cn_1)的另一端相连，第n1电阻(Rn_1)的另一端与前级第n-1场效应管(Qn-1)的漏级相连。
2.根据权利要求1所述的高速高压的开关电路，其特征在于所述的第3级至第n级的第2电容(C3_2、C4_2……Cn_2)与前级场效应管相连的一端直接接地。
全文摘要
一种高可靠性串联倍压式高速高压开关电路，是基于多级场效应晶体管连接而成的，构成包括第1级由一个场效应管、三个电阻和一个电容构成；第2级至第n级第n级由第n场效应管、第n1电阻、第n2电阻、第n3电阻、第n1电容、第n2电容构成，对元器件的耐压要求低，通过多级串联倍压，输出脉冲电压幅度高。调节偏置高压，可输出不同幅度的脉冲高压，而且调节范围宽。本发明的高速高压开关电路具有体积小、成本低、调节范围宽、稳定可靠的特点，可用于电光调Q开关、脉冲式粒子加速/偏转测试、高能物理、医疗、雷达及微波等领域。
文档编号H03K17/687GK1794581SQ20051011202
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者臧华国 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所