JP2007042731A - Pulse power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルス出力を発生するパルス電源装置に関するものである。 The present invention relates to a pulse power supply device that generates a pulse output.
従来、半導体レーザや発光ダイオードを短パルス発光させるパルス電源装置として、アバランシェ降伏特性を有するトランジスタ(アバランシェトランジスタ)を使用するものや、ステップリカバリダイオードを使用するものが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a pulse power supply device that emits a short pulse of a semiconductor laser or a light emitting diode, one using a transistor having an avalanche breakdown characteristic (avalanche transistor) or one using a step recovery diode is known.
このうちの、アバランシェトランジスタを用いたパルス電源装置では、アバランシェ降伏特性の降伏電圧より高いバイアス電圧を印加し、ベース電極にパルストリガ信号を与えることにより、このときに発生する2次降伏現象によりコレクタ・エミッタ電極間に流れる急峻なパルス電流を利用するようにしている。 Among these, in a pulse power supply device using an avalanche transistor, a bias voltage higher than the breakdown voltage of the avalanche breakdown characteristic is applied, and a pulse trigger signal is applied to the base electrode. -A steep pulse current flowing between the emitter electrodes is used.
このようなアバランシェトランジスタを用いたパルス電源として、例えば、非特許文献1に開示されものが知られている。図4は、かかる非特許文献1に開示されたパルス電源の基本回路を示すもので、アバランシェトランジスタQは、ベース電極に、パルストリガ信号を与える制御回路101が接続されている。また、コレクタ電極がコンデンサCを介して接地されるとともに、バイアス抵抗Rを介してバイアス電圧源Vbに接続され、さらにエミッタ電極が半導体レーザLDを介して接地されている。
As a pulse power source using such an avalanche transistor, for example, one disclosed in Non-Patent
このような構成において、アバランシェトランジスタQのベース電極に、図5(a)に示すようなパルストリガ信号が印加されると、同図(b)に示すようにコンデンサCに充電された電荷が放電され、コレクタ・エミッタ電極間に大きなパルス電流(アバランシェ電流)が流れ、半導体レーザLDに対して同図(c)に示すようにエミッタ電極からの短パルス状の出力電流が与えられる。また、これと同時に、コレクタ電極の電位は、ほぼ0Vとなる。その後、バイアス抵抗RとコンデンサCの値によって決まる時定数に従ってコンデンサCに充電が行われ、コレクタ電位はパルストリガ信号の入力前の状態に回復する。コンデンサCの充電後は、ベース電極にパルストリガ信号を印加することで、再びエミッタ電極から出力電流を発生させることができる。
しかしながら、このように構成したパルス電源では、コレクタ電位が回復するまでの時間によって、パルスの繰り返し周波数が制限されてしまう。つまり、コンデンサCの電荷が放電され、バイアス抵抗Rとの時定数により再充電されるまでの時間によりパルスの繰り返し周波数が決定されてしまう。このため、コンデンサCとバイアス抵抗Rで決まる時定数を極力小さくし、コレクタ電位の回復時間を短くすることで、高い周波数でパルスを発生させることが考えられる。しかし、時定数を小さくするため、コンデンサCの容量を小さくすると、アバランシェトランジスタQのオン時に得られるエミッタ電極の出力電流小さくなってしまう。また、バイアス抵抗Rを小さくすると、アバランシェトランジスタQのオフ時にエミッタ・コレクタ電極間に流れる電流が問題となり、あまりバイアス抵抗Rを小さくすることができない。図6(a)(b)(c)は、バイアス抵抗Rを小さくして、充電の時定数を小さくした場合のトリガパルス信号、コレクタ電位、エミッタ電極からの出力電流のそれぞれの波形を示しており、同図(b)に示すようにコレクタ電位は、急速に回復しているが、同図(c)に示すエミッタ電極からの出力電流には、パルス以外の不要な成分が含まれるようになり、パルス電源として使用することが難しくなる。 However, in the pulse power supply configured as described above, the pulse repetition frequency is limited by the time until the collector potential is recovered. That is, the repetition frequency of the pulse is determined by the time until the capacitor C is discharged and recharged by the time constant with the bias resistor R. For this reason, it is conceivable to generate pulses at a high frequency by reducing the time constant determined by the capacitor C and the bias resistor R as much as possible and shortening the recovery time of the collector potential. However, if the capacitance of the capacitor C is reduced in order to reduce the time constant, the output current of the emitter electrode obtained when the avalanche transistor Q is turned on decreases. If the bias resistance R is reduced, the current flowing between the emitter and collector electrodes becomes a problem when the avalanche transistor Q is off, and the bias resistance R cannot be reduced much. 6A, 6B, and 6C show waveforms of the trigger pulse signal, the collector potential, and the output current from the emitter electrode when the bias resistor R is reduced and the time constant of charging is reduced. As shown in FIG. 5B, the collector potential is rapidly recovered, but the output current from the emitter electrode shown in FIG. 6C includes an unnecessary component other than the pulse. It becomes difficult to use as a pulse power source.
このため実際には、バイアス抵抗Rは10kΩ程度、コンデンサCは、100pF程度のものが用いられており、コレクタ電位の回復に数μ秒程度の時間を要するため、パルスの発生周波数は10kHzから最大でも100kHz程度に抑えられてしまうという問題があった。 Therefore, in practice, a bias resistor R of about 10 kΩ and a capacitor C of about 100 pF are used, and the recovery of the collector potential takes about several microseconds. Therefore, the pulse generation frequency is from 10 kHz to the maximum. However, there was a problem that it was suppressed to about 100 kHz.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高い周波数の繰り返しパルスを発生することができるパルス電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a pulse power supply device capable of generating high-frequency repetitive pulses.
請求項1記載の発明は、アバランシェ降伏特性を有するトランジスタと、前記トランジスタのコレクタ電極に抵抗手段を介して接続され、且つ前記トランジスタの降伏電圧よりも高いバイアス電圧を発生するバイアス電圧源と、前記トランジスタのコレクタ電極に接続され、前記バイアス電圧源により前記抵抗手段を介して充電されるとともに、前記トランジスタのアバランシェ降伏により前記トランジスタに対し電荷を放電する容量手段と、前記容量手段の放電により前記トランジスタを流れる電流によってパルス出力を発生するパルス出力発生手段と、前記トランジスタのベース電極に対しパルストリガ信号を発生するとともに、該パルストリガ信号の発生と同期して前記バイアス電圧源をオフし、前記パルストリガ信号の終了タイミングで前記バイアス電圧源をオンする制御手段とを具備したことを特徴としている。
The invention according to
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、前記制御手段は、スイッチング手段を有し、該スイッチング手段により前記バイアス電圧源のオンオフを制御することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the control unit includes a switching unit, and the switching unit controls on / off of the bias voltage source.
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記スイッチング手段は、電界効果トランジスタからなることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the switching means comprises a field effect transistor.
本発明によれば、高い周波数の繰り返しパルスを発生することができるパルス電源装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the pulse power supply device which can generate | occur | produce the repetition pulse of a high frequency can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に従い説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかるパルス電源装置の概略構成を示している。図1において、Qはアバランシェ降伏特性を有するトランジスタ、つまりアバランシェトランジスタで、このアバランシェトランジスタQは、ベース電極に、パルストリガ信号を駆動するためのベース駆動回路1が接続されている。また、コレクタ電極は、コンデンサCを介して接地されるとともに、バイアス抵抗R、電界効果トランジスタFETを介してバイアス電圧源Vbに接続されている。さらにエミッタ電極は、パルス出力発生手段としての例えばパルスレーザダイオードなどの半導体レーザLDを介して接地されている
ここで、コンデンサCは、バイアス電圧源Vbによりバイアス抵抗Rを介して充電され、アバランシェトランジスタQのアバランシェ降伏によりアバランシェトランジスタQのコレクタ・エミッタ電極間に電荷を放電する容量手段である。バイアス抵抗Rは、電界効果トランジスタFETを通してバイアス電圧源VbとアバランシェトランジスタQのコレクタ電極を接続する抵抗手段である。電界効果トランジスタFETは、バイアス電圧源Vbのバイアス電圧のオン、オフを行うためのスイッチング手段で、ゲート電極には、ゲート信号を駆動するためのゲート駆動回路2が接続されている。バイアス電圧源Vbは、アバランシェトランジスタQの降伏電圧と電界効果トランジスタFETのオン時の抵抗値による電圧降下を加算した電圧よりもやや高いバイアス電圧を発生するものである。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a pulse power supply device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, Q is a transistor having an avalanche breakdown characteristic, that is, an avalanche transistor, and the avalanche transistor Q has a base electrode connected to a
ベース駆動回路1とゲート駆動回路2には、制御回路3が接続されている。この制御回路3は、上述したアバランシェトランジスタQのベース駆動回路1、電界効果トランジスタFET及びゲート駆動回路2とともに、制御手段を構成するもので、ベース駆動回路1とゲート駆動回路2を各別に制御するようにしている。
A
このような構成において、まず、パルス発生前は、制御回路3の指示により、ゲート駆動回路2より図2(b)に示すように電界効果トランジスタFETをオンにするようなゲート信号が出力され、また、ベース駆動回路1より図2(a)に示すようにアバランシェトランジスタQをオフにするような信号が出力されている。この場合、電界効果トランジスタFETのオンにより、コンデンサCはバイアス電圧源Vbにより充電され(図2(c))、アバランシェトランジスタQのコレクタ電極の電位Vcは、ほぼバイアス電圧源Vbと同じになっている。
In such a configuration, first, before a pulse is generated, a gate signal for turning on the field effect transistor FET is output from the
この状態から、制御回路3の指示により、ベース駆動回路1よりアバランシェトランジスタQのベース電極に対し、図2(a)に示すようなパルストリガ信号が出力されると、アバランシェトランジスタQのコレクタ電極にはバイアス電圧源Vbにより降伏電圧よりも高い電圧が印加されているので、アバランシェ降伏が発生する。これにより、コンデンサCに充電された電荷が放電され(図2(c))、アバランシェトランジスタQのコレクタ・エミッタ電極間に急峻なパルス電流が流れる(図2(d))。このパルス電流により半導体レーザLDは発光し、パルス出力を発生するパルス光源として動作する。
In this state, when a pulse trigger signal as shown in FIG. 2A is output from the
一方、ベース駆動回路1からのパルストリガ信号の発生と同時に、ゲート駆動回路2より電界効果トランジスタFETをオフにするゲート信号が出力される(図2(b))。これにより、電界効果トランジスタFETが直ちにオフし、アバランシェトランジスタQのコレクタ電極への電流供給源は、コンデンサCに充電された電荷のみとなり、コンデンサCの放電終了とともに半導体レーザLDへのパルス電流も停止する。
On the other hand, simultaneously with the generation of the pulse trigger signal from the
そして、このパルス電流の停止後、ベース駆動回路1からのパルストリガ信号終了のタイミングで、制御回路3の指示により、ゲート駆動回路2より図2(b)に示すように電界効果トランジスタFETを再びオンさせるゲート信号が出力される。このとき、アバランシェトランジスタQのコレクタ電位Vcは、コンデンサCの放電によりバイアス電圧源Vbの電位よりも低い状態になっている。従って、電界効果トランジスタFETがオンすることにより、バイアス電圧源Vbよりバイアス抵抗Rを介してコンデンサCに充電電流が流れる。このバイアス抵抗RからコンデンサCへの電流は、アバランシェトランジスタQのべース信号がオフ状態であるので、アバランシェトランジスタQ側に流れることなく、全てコンデンサCに流れる。
Then, after the pulse current is stopped, at the timing of the end of the pulse trigger signal from the
その後、コンデンサCの充電が完了すれば、制御回路3により上述の手順を繰り返すことにより、続けてパルス電流が発生し、半導体レーザLDをパルス光源として動作させることができる。
Thereafter, when the charging of the capacitor C is completed, the
したがって、このようなパルス電源装置によれば、パルストリガ信号をアバランシェトランジスタQのべース電極に出力し、アバランシェ降伏を開始させるのと同時に、電界効果トランジスタFETをオフにしてバイアス電圧源Vbをオフにすることで、コンデンサCに充電された電荷が、急峻なパルス電流としてアバランシェトランジスタQのコレクタ・エミッタ電極間を流れ、半導体レーザLDをパルス光源として動作させることができる。そして、このパルス電流の出力後、つまりパルストリガ信号の終了のタイミングで電界効果トランジスタFETをオンにしてバイアス電圧源Vbをオンにすると、この時点で、アバランシェ降伏が終了しているので、バイアス電圧源Vbからの電流は、コレクタ電極に流入せず、全てコンデンサCに流れるようになり、コンデンサCを速やかに充電することができる。さらに、アバランシェ降伏にあるときは、電界効果トランジスタFETがオフになっていて、バイアス電圧源Vbからの電流が遮断されているので、バイアス電圧源Vbとコレクタ電極の間に接続されたバイアス抵抗Rの値を小さくしても、バイアス電圧源Vbからコレクタ電極に流れる電流がなく、コンデンサCの放電後に速やかにアバランシェ降伏から回復することもできる。つまり、このようにすることで、バイアス抵抗Rを従来よりも小さい値にしても、エミッタ・コレクタ電極間に不要な電流を生じず、しかも高速にコンデンサCを充電することが可能となるので、より高い繰り返し周波数でパルスを発生することが可能となる。 Therefore, according to such a pulse power supply device, a pulse trigger signal is output to the base electrode of the avalanche transistor Q to start avalanche breakdown, and at the same time, the field effect transistor FET is turned off to turn off the bias voltage source Vb. By turning off, the electric charge charged in the capacitor C flows between the collector and emitter electrodes of the avalanche transistor Q as a steep pulse current, and the semiconductor laser LD can be operated as a pulse light source. When the field effect transistor FET is turned on and the bias voltage source Vb is turned on after the output of the pulse current, that is, at the end timing of the pulse trigger signal, the avalanche breakdown is completed at this time. The current from the source Vb does not flow into the collector electrode but all flows to the capacitor C, and the capacitor C can be charged quickly. Further, when the avalanche breakdown occurs, the field effect transistor FET is off and the current from the bias voltage source Vb is cut off, so that the bias resistor R connected between the bias voltage source Vb and the collector electrode is used. Even if the value of is reduced, no current flows from the bias voltage source Vb to the collector electrode, and it is possible to quickly recover from the avalanche breakdown after the capacitor C is discharged. In other words, by doing this, even if the bias resistor R is made smaller than the conventional value, unnecessary current is not generated between the emitter and collector electrodes, and the capacitor C can be charged at high speed. Pulses can be generated at a higher repetition frequency.
ちなみに、従来では、上述したようにアバランシェトランジスタQのオフ時にコレクタ・エミッタ電極間に流れる電流を可能な限り低く抑えるために、バイアス抵抗Rとして10kΩ程度の値のものが用いられ、パルスの発生周波数は10kHzから最大でも100kHz程度であったが、本発明では、バイアス抵抗Rとして数100Ω程度の値のものを用いることが可能となり、パルスの発生周波数は、数10MHzから100MHzでの繰り返しが可能となった。 Incidentally, conventionally, in order to keep the current flowing between the collector and the emitter electrode as low as possible when the avalanche transistor Q is turned off as described above, the bias resistor R having a value of about 10 kΩ is used, and the pulse generation frequency is used. However, in the present invention, it is possible to use a bias resistor R having a value of about several hundreds Ω, and the pulse generation frequency can be repeated from several tens of MHz to 100 MHz. became.
なお、上述した第1の実施の形態では、バイアス電圧源Vbのオン、オフを行うスイッチとして電界効果トランジスタFETを使用したが、半導体スイッチや半導体リレーなど、スイッチング素子として使用できる他の素子に置き換えることが可能である。 In the first embodiment described above, the field effect transistor FET is used as a switch for turning on and off the bias voltage source Vb. However, it is replaced with another element that can be used as a switching element, such as a semiconductor switch or a semiconductor relay. It is possible.
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態を説明する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図3は、本発明の第2の実施の形態にかかるパルス電源装置の概略構成を示すもので、図1と同一部分には、同符号を付している。 FIG. 3 shows a schematic configuration of the pulse power supply device according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG.
第1の実施の形態では、アバランシェトランジスタQとバイアス電圧源Vbの間に電界効果トランジスタFETを配置し、この電界効果トランジスタFETを用いてアバランシェトランジスタQに印加するバイアス電圧をオン、オフするようにしたが、この第2の実施の形態では、アバランシェトランジスタQのコレクタ電極にバイアス抵抗Rを介してバイアス電圧源4が接続されている。このバイアス電圧源4は、アバランシェトランジスタQに印加するバイアス電圧を発生するとともに、制御回路3によりバイアス電圧を直接オン、オフ制御可能とし、上述の電界効果トランジスタFETによるスイッチング機能と同様な効果を持たせるようにしたものである。
In the first embodiment, a field effect transistor FET is disposed between the avalanche transistor Q and the bias voltage source Vb, and the bias voltage applied to the avalanche transistor Q is turned on and off using the field effect transistor FET. However, in the second embodiment, the
このようにしても、第1の実施の形態と同様な効果を得ることができ、加えて、電界効果トランジスタFETなどのスイッチング素子や、これのゲート駆動回路などを省略できるので、さらに小形で、構成の簡単なものを実現できる。 Even in this case, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and in addition, since a switching element such as a field effect transistor FET, a gate driving circuit thereof, and the like can be omitted, the size can be further reduced. A simple configuration can be realized.
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、実施段階では、その要旨を変更しない範囲で種々変形することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the implementation stage, it can change variously in the range which does not change the summary.
さらに、上記実施の形態には、種々の段階の発明が含まれており、開示されている複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出できる。例えば、実施の形態に示されている全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出できる。 Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and is described in the column of the effect of the invention. If the above effect is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
Q…アバランシェトランジスタ
C…コンデンサ
R…バイアス抵抗
Vb…バイアス電圧源
LD…半導体レーザ
FET…電界効果トランジスタ
Vc…コレクタ電位
1…ベース駆動回路
2…ゲート駆動回路
3…制御回路
4…バイアス電圧源
Q ... Avalanche transistor C ... Capacitor R ... Bias resistor Vb ... Bias voltage source LD ... Semiconductor laser FET ... Field effect transistor Vc ...
Claims (3)
前記トランジスタのコレクタ電極に抵抗手段を介して接続され、且つ前記トランジスタの降伏電圧よりも高いバイアス電圧を発生するバイアス電圧源と、
前記トランジスタのコレクタ電極に接続され、前記バイアス電圧源により前記抵抗手段を介して充電されるとともに、前記トランジスタのアバランシェ降伏により前記トランジスタに対し電荷を放電する容量手段と、
前記容量手段の放電により前記トランジスタを流れる電流によってパルス出力を発生するパルス出力発生手段と、
前記トランジスタのベース電極に対しパルストリガ信号を発生するとともに、該パルストリガ信号の発生と同期して前記バイアス電圧源をオフし、前記パルストリガ信号の終了タイミングで前記バイアス電圧源をオンする制御手段と
を具備したことを特徴とするパルス電源装置。 A transistor having avalanche breakdown characteristics;
A bias voltage source connected to the collector electrode of the transistor via a resistance means and generating a bias voltage higher than a breakdown voltage of the transistor;
Capacitance means connected to the collector electrode of the transistor, charged through the resistance means by the bias voltage source, and discharging the charge to the transistor by avalanche breakdown of the transistor;
Pulse output generating means for generating a pulse output by a current flowing through the transistor by discharging of the capacity means;
Control means for generating a pulse trigger signal for the base electrode of the transistor, turning off the bias voltage source in synchronization with the generation of the pulse trigger signal, and turning on the bias voltage source at the end timing of the pulse trigger signal A pulse power supply device comprising:
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