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针对高速模数转换器(ADC)对时钟信号的占空比以及低抖动的要求,提出了一种电荷泵型的时钟管理电路,利用电荷泵构成两个闭环回路,分别实现占空比稳定和可调双相不交叠时钟产生功能。电荷泵对时钟相位的积分功能可实现宽范围的时钟占空比调节,并能明显抑制电源噪声对时钟下降沿抖动的影响。该时钟管理电路采用0.18μm标准CMOS工艺设计。版图寄生参数提取后的仿真结果表明:该时钟管理电路可在40～200 MHz频率范围内,将20%～80%的输入占空比稳定地调整到45%～55%的范围内;在200 mV电源干扰的条件下,输出时钟抖动可降低到传统RC型占空比稳定电路的1/10之下。将该时钟电路应用于一款双通道、20...

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电荷泵 流水线ADC 时钟管理电路 占空比稳定

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针对高速模数转换器(ADC)对时钟信号的占空比以及低抖动的要求,提出了一种电荷泵型的时钟管理电路,利用电荷泵构成两个闭环回路,分别实现占空比稳定和可调双相不交叠时钟产生功能。电荷泵对时钟相位的积分功能可实现宽范围的时钟占空比调节,并能明显抑制电源噪声对时钟下降沿抖动的影响。该时钟管理电路采用0.18μm标准CMOS工艺设计。版图寄生参数提取后的仿真结果表明:该时钟管理电路可在40~200 MHz频率范围内,将20%~80%的输入占空比稳定地调整到45%~55%的范围内;在200 mV电源干扰的条件下,输出时钟抖动可降低到传统RC型占空比稳定电路的1/10之下。将该时钟电路应用于一款双通道、200MSPS、14位的流水线ADC中,测试结果表明ADC的信号噪声失真比达到了73.01 dB。

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电荷泵 流水线ADC 时钟管理电路 占空比稳定

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本发明公开了一种大容量四电极紫外预电离气体开关，筒体设置在绝缘法兰上，筒体与绝缘法兰之间形成密闭腔体，开关电极设置在密闭腔体内，开关电极包括触发电极，触发电极水平设置在上电极和下电极之间，触发电极距离上电极的距离大于等于触发电极距离下电极的距离，筒体的一侧设置有穿墙端子，另一侧对应设置有预电离针，预电离针与一侧的触发电极连接，预电离针的一端引出至开关外部用于触发电压输入。本发明满足大电流、高转移库伦量的通流要求，同时兼具宽工作系数条件下短时延、低抖动的触发特性，耐烧蚀和触发特性稳定性，在多路气体开关并联放电的紧凑型脉冲功率装置中具有很好的应用前景。

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本发明公开了一种基于低工作系数低抖动触发的气体开关结构，绝缘外壳内部的上下两侧分别设置有主电极，上下两侧的主电极之间设置有触发电极，触发电极内部设置有中间储能电容，中间储能电容连接有微孔毛细管结构，通过施加触发脉冲对中间储能电容进行快速充电，当触发脉冲幅值高于微孔毛细管结构的击穿电压时，中间储能电容通过微孔毛细管结构放电形成微等离子体射流，实现气体开关工作系数0.5以下，抖动小于1.5ns的触发击穿。本发明通过在场畸变气体开关的触发击穿过程中引入微等离子体射流，实现脉冲电压和等离子体射流的协同作用，可将开关的工作系数降低至0.5以下。

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脉冲功率技术广泛应用于国防、工业以及自然科学研究等领域。随着脉冲功率技术的进一步发展，多路并联同步放电成为获得高峰值功率的重要手段，同时系统中的开关数目也大幅度增加。开关作为脉冲功率系统的关键器件，对其通流能力、转移电荷量、击穿时延分散性和工作可靠性均有较高的要求。 本文以大电流平台多路同步放电为需求背景，对满足大电流平台通流和寿命要求的Trigatron型石墨电极气体开关在导通时延方面的能力进行考察并加以研究。本文结合气体放电理论对Trigatron型开关的快导通和慢导通两种机制进行了分析，确定了影响Trigatron型开关导通过程的因素。 利用搭建的Trigatron型石墨电极气体开关导通时延测量平台，对开关在多个不同工作状态下进行测量，较系统的分析了触发回路电压、触发回路电容、气压、工作系数等工作参数对开关导通时延的影响。实验结果说明触发针上所得的电压幅值与开关快导通工作状态的获得关联性很强，为进一步地对此进行验证，在不加载主回路电压的状态下对触发针上的电压在不同气压和触发充电电压下进行了测量，测量结果说明了开关快速导通状态的实现需要触发针上提供的电压脉冲有足够高的幅值，在此基础上改进了开关的触发结构，开关改进以后时延和抖动值均可满足工程需求。 多路同步放电还需要研制满足多路同步触发需求的触发器，为满足气体开关可靠导通的需求，触发器的设计考虑能提供给开关足够高的电压幅值和能量值。所研制触发器由脉冲变压型触发器和短时延低抖动的两级Marx触发器构成。脉冲变压型触发器中使用工作状态稳定的晶闸管和磁开关满足系统低抖动的要求，两级Marx触发器中所使用的点火球开关采用改进后的触发方式可以在较宽工作系数下获得短时延低抖动的工作状态。所研制的触发器满足大电流平台的工程需求。

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Trigatron型开关 触发器 同步放电

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气体开关Marx发生器作为大型脉冲功率装置常用初级源，无论是实现多台并联与快速放电，还是保证其建立过程可控与输出波形可重复，均要求单台发生器具有高可靠与低抖动的特点，而二者相互制约，难以同时实现。发生器的建立与开关特性、外触条件，以及电路连接结构均有关。为实现发生器的稳定可靠运行，需对其建立过程进行充分认识。在开关性能与外触条件均得到较大改善的当前技术水平下，基于电路连接结构及其参数取值的Marx发生器内部开关过压耦合方式是影响其稳定性的关键因素。因此，有必要对其作用机制与影响规律进行深入研究。 本文首先选取对地杂散电容、跨接级间杂散电容与跨接电阻三个关键参量作为研究对象，从整体放电回路入手构建了基于三类关键参数的发生器内部过压分析等效模型，电路求解了特定参数组合与负载取值情况发生器内部各开关上过电压的数学表达式，对不同关键参量作用下Marx发生器内部过压产生机制，以及杂散电容、回路电阻、末端负载等回路参数在其建立过程中的作用进行了系统的分析与总结，有效完善了采用局部电路分析、针对特定Marx结构等传统分析方法的不足以及过压产生机制理论论述碎片化的现状。 结合实际应用中有代表性的发生器线路结构，归纳了七种基于不同参数组合的发生器内部过压耦合模型，分析了多种过压耦合模式下发生器内部过压的产生与分布情况，及其随回路参数、发生器级数、内部开关逐级击穿、开关异常击穿情况的变化规律，对典型结构Marx发生器建立特点进行了系统的归纳与总结。所得结论可直观反映不同结构Marx发生器内部开关过压随回路参数的产生、分布与变化情况，估算发生器可工作电压范围等，并直接用于指导实际工程应用中Marx发生器的结构设计与运行调试等。 建立了可表征导通时延与抖动的开关导通模型，将其与发生器过压耦合分析电路相结合，对不同耦合模式下Marx发生器建立时延与抖动的产生与传递过程进行了系统的对比分析，重点研究了电路结构及其参数对发生器整机建立延时与抖动的影响机制与规律。结果表明：对地杂散电容起作用的模式下，发生器建立抖动多集中在前两级开关，占比在90%以上，且整机建立时延与抖动均较小。级间杂散电容与跨接电阻单独或共同作用的模式下，末端开路时发生器内部开关保持顺序击穿，各开关抖动占比基本呈均匀分布；末端短路时发生器内部开关易发生后面开关先击穿的现象；相同参数取值下，跨接电阻单独作用时发生器整机建立抖动最大，级间杂散电容单独作用且负载短路情况整机建立时延最小。所得结论可直接用于解释PBFA等装置Marx发生器内部开关非顺序击穿、不同结构与负载取值条件下发生器建立时延与抖动不同等实际应用中遇到的实验现象。对于认识发生器建立过程，探索降低其建立抖动的技术措施具有重要意义。 为验证文中所建模型与分析方法的有效性，对两种回路连接结构下“闪光二号”Marx发生器整机建立过程进行了电路建模与仿真分析，模拟所得发生器开关击穿时序、整机建立时延受触发电阻影响，以及时延与抖动的分布等结果，与实测数据符合良好。 研制了一套基于光纤阵列与PIN光电探测器，用于同步在线监测发生器内部开关导通状态的光学诊断系统；开展了不同过压耦合模式与回路参数取值Marx发生器的建立过程实验，实验与模拟分析结果吻合较好，进一步验证了文中所建过压耦合模型与分析方法在实际分析发生器工作电压范围、内部开关导通时序、内部参数对发生器建立过程影响规律等方面的工程实用性。 在此基础上，对现有基于紧凑型Marx发生器的强电磁脉冲模拟装置以及Marx发生器型高压触发器进行了设计优化，改善了输出性能。经优化，高压触发器建立抖动由10ns左右降低至2-4 ns；3.2 MV全气体绝缘主Marx发生器建立抖动由25-45 ns降低至11-25ns。同时，为满足高可靠与低抖动的发展需求，对在研强电磁脉冲模拟装置Marx发生器进行了结构优化。

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Marx发生器 低抖动与高可靠 过电压耦合 建立过程 气体开关

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本发明公布了一种Marx型触发器，包括：放电回路、第一级触发回路和第二级触发回路；放电回路包括串联的：脉冲变压器(Tx)的第一原边、放电回路的可控开关(S)以及第一原边放电电容(C7)；上述各级触发回路包括各自的：脉冲变压器的对应副边、具有相应气体开关的对应触发模块、并联在相应气体开关的主间隙上的对应并联电容(C4或C6)、以及与各级触发模块并联的对应主电容(C1或C2)；相应副边上的脉冲电压使得对应触发回路上的气体开关快速导通，并且所述脉冲电压因并联电容的存在而在原有电压的基础上被抬升。本发明所述的Marx型触发器电压可控范围广，触发时延短，抖动小，性能优异。

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随着科技的飞速发展，对于设备间传输接口的速度和效率的要求也越来越高，高速SERDES串行接口的巨大潜力因此被不断挖掘，而JESD204B串行接口因为数据传输速率高达12.5Gbps得到了广泛关注。锁相环（PLL）作为SERDES发送器电路中的重要模块，为SERDES发送器的并串转换模块提供时钟，保证了数据发送和接收的周期性和有序性。为了满足高速、宽频带以及高质量的数据传输，宽调谐范围、低时钟抖动的高速锁相环设计至关重要。 本文为14位、250MSPS双通道ADC设计单通道最大传输速率为5Gbps的SERDES发送器接口电路，提供符合JESD204B标准的低抖动时钟，其核心电路是输出时钟范围为400M-2.5GHz的锁相环电路。为了降低锁相环输出时钟的抖动，本文采用双环结构，分别采用频率锁定环进行频率锁定、相位锁定环进行相位锁定。由于亚采样锁相环具有优良的噪声性能，采用亚采样锁相环（SSPLL）作为相位锁定环；由于自偏置锁相环具有很宽的频率调谐范围，采用自偏置锁相环作为频率锁定环。最终完成了电路设计、噪声分析、仿真验证、行为建模和版图设计，并且提交流片。 本文采用SMIC180nm工艺完成了亚采样锁相环的设计，在40-250MHz的参考时钟输入下，输出400M-2.5GHz的时钟。仿真结果表明，在锁相环输出时钟为2.5GHz时，时钟均方抖动为4.007ps，VCO在2.5GHz中心频率1MHz频偏处的相位噪声为-93dBc，VCO控制电压上存在幅值为0.4mV的周期性纹波，总的发送器版图面积为1689μm×1909μm。

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低抖动 仿真 高速 设计 亚采样锁相环

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Z箍缩等离子体辐射源和系统级高能γ射线模拟源等装置为获得更高的峰值功率，一般需要数十路同步运行，发展趋势为每路初级脉冲从多级压缩简化为一级压缩。其中低电感低抖动的兆伏(MV)级主开关既决定每路脉冲的输出时刻，又影响脉冲的波形与幅值，是装置最核心的部件之一。论文以MV级电触发气体开关为研究对象，研究了开关在脉冲电压下的工作特性以及对驱动源输出脉冲的影响，能够为建设多路同步运行的大型脉冲功率装置提供试验依据与理论指导。 根据初级脉冲的指标要求及产生技术路线，论文确定了主开关的参数要求，研究了实现低电感、低抖动的技术方法，设计了2.6 MV电触发气体开关。采取的技术措施包括：主间隙采用高气压短间隙，V/n场畸变结构；采用快前沿电脉冲触发，工作在短时延模式，触发盘位于主间隙约1/3处且边缘锐利；预触发间隙采用Trigatron结构；绝缘隔板为盆式结构，材料为MC尼龙。针对驱动源内部空间狭小，此前的触发引入方法无法实现的技术难题，提出一种新的引入方法，既能方便有效地引入200 kV触发脉冲到主开关，又能将MV级主脉冲分压衰减以保护触发系统。结合等效电路模型与开关实验，研究了该引入方法中保护元件的作用及其影响，解决了相关绝缘问题。在此基础上建立了全尺寸开关的实验平台及其测量系统。 基于场致发射理论和电子形成电子崩的概率经验公式，建立了电子崩形成时刻的计算方法，分析了触发时刻影响触发时延的原因。由于脉冲开关的触发时刻难以保证一致，因此提出以开关抖动与触发影响因子ktg共同表征脉冲触发开关的稳定性。研究了ktg的物理意义及其对驱动源同步的影响。ktg表征触发脉冲对开关导通的影响程度，ktg=0时无触发效果，开关成为自击穿开关；ktg=1时触发效果最佳，发生器的抖动全部被触发脉冲消除。研究了开关工作系数kop对击穿特性的影响。kop在60~80%区间触发效果较好，ktg约0.50~0.55；当工作系数过低(kop<30%)或过高(kop>90%)时，开关均处于弱触发或自击穿放电状态，抖动增加，触发影响因子降低。讨论并优化了4级串联IVA装置的同步方案。 实验研究了开关在自击穿、外触发和自触发三种模式下的击穿特性，三种模式下开关抖动分别为5~10 ns、1~2 ns、2~4 ns。获得了SF6间隙在特定条件下气压p、作用时间t和间距d对击穿电压Vbr的影响规律，Vbr近似与 、d0.3~d0.4和 呈正比。研究了外触发模式时开关各间隙的导通过程，获得了开关抖动的主要来源。研究了工作气压、保护电阻、触发电压等对开关触发特性的影响，确定了开关的工作参数。当开关弱触发或自击穿时，带电粒子轰击绝缘隔板容易引起沿面放电，电流损失达5~22%。通过改进峰值电场方向、增加阻挡电极、优化隔板表面电场分布等措施，解决了开关绝缘问题。研究了开关自触发模式的击穿特性，提出一种激光触发低电感MV级开关的设想。 研究了开关电感以及电感变化对驱动源输出脉冲的影响。当开关良好触发时电感稳定，自击穿或弱触发时电感增加且分散增加。开关电感改变引起输出脉冲的前沿改变，会导致下游峰化开关击穿抖动增加，约1/2源于开关电感的分散。研究了驱动源的能量传输效率，完善了驱动源的等效电路模型，基于该电路模型获得了系统中各单元的能量传输效率。改进主开关绝缘与充气电感结构后能量传输效率提高约6%。在两级串联IVA实验平台上实验研究了初级脉冲时序对负载电流的影响，结果表明当两路驱动源时间相差±15 ns时，负载电流降低4~8%，前沿增加约4~10 ns；下游(靠近负载)驱动源提前馈入较延迟馈入时波形畸变更严重。 论文研制成功电压2.6 MV，通流200 kA，开关电感约165 nH的电触发气体开关，开关抖动1~2 ns，触发影响因子0.50~0.55，四只开关的平均触发时延相差小于4 ns。基于该开关建立的驱动源输出的峰值功率达200 GW，前沿约20 ns，能量传输效率约55%，4路驱动源输出时刻极差15 ns，达到了4级串联IVA装置对初级馈入脉冲的要求。

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MV级开关 触发开关 低电感 低抖动 感应电压叠加器 脉冲功率 时延

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空气火花间隙应用于电力系统和高压断路器合成试验回路中作为过电压保护器件或放电开关使用时，需要在较低的工作系数下可靠触发形成导通。然而，常规的气体开关触发技术对于百千伏电压等级以上的长空气火花间隙在低工作系数下的触发，存在明显的不足。相比之下，毛细管等离子体因具有高速、高温、高压、高密度特性，可用于高电压等级、长间隙距离的空气火花间隙在低工作系数下的放电触发。基于此，本文通过实验和仿真对适用于空气火花间隙触发的两间隙毛细管管内放电特性和管外等离子体喷射特性进行研究，为引入毛细管等离子体触发空气火花间隙放电提供理论依据，并最终完成基于毛细管等离子体喷射的空气火花间隙触发击穿特性研究。 两间隙毛细管通过引入中间触发电极将毛细管通道分为触发通道和主通道，由触发通道的弱毛细管放电完成整个毛细管通道主放电的触发，避免了金属起爆丝的使用，实现了其在较低放电电压下的多次重复放电使用。 通过对百焦耳量级放电能量下的两间隙毛细管管内放电特性研究，得到：两间隙毛细管放电时延和抖动主要由主放电时延和抖动所构成，由弱毛细管放电阶段所产生等离子体在管内的加速、喷射发展过程所决定，随弱毛细管放电电流值的增加而减小；主放电电流幅值随C1充电电压、C1电容量、放电电阻R阻值的增加而升高；两间隙毛细管放电电弧通道阻抗随时间呈现“U型”分布，且在放电电流上升阶段的弧道电阻要高于电流下降阶段时；电容器C1储能中约70%以上的能量释放于两间隙毛细管主放电阶段；相比POM和PTFE，UPE两间隙毛细管放电时延和抖动最小，表面碳化程度最轻，放电稳定性和可靠性表现最佳；随放电次数增加，两间隙毛细管放电时延和抖动逐渐增加，电弧通道能量沉积密度逐渐减小，放电烧蚀质量逐渐减小，管内放电烧蚀特性呈现逐渐劣化的趋势。 两间隙毛细管管外等离子体喷射发展过程的仿真和实验研究表明：依据等离子体射流状态参数结构分布和喷射发展趋势的不同，毛细管等离子体射流喷射发展过程可分为欠膨胀喷射阶段和阻滞喷射阶段，等离子体射流喷射长度的快速增长发生在欠膨胀喷射阶段，在阻滞喷射阶段等离子体射流喷射长度增长缓慢，且随空气对等离子体喷射阻滞时间的增加，喷射发展过程的随机性逐渐增强。改变毛细管管内放电能量脉宽可以对欠膨胀阶段毛细管等离子体射流的喷射发展过程进行有效调控，欠膨胀阶段等离子体射流喷射长度随放电能量脉宽升高而逐渐增加。 对两间隙毛细管管外等离子体喷射特性的影响因素开展实验研究，得到：使用扩张式喷管可以有效改善毛细管等离子体的喷射特性；UPE两间隙毛细管等离子体喷射时延和抖动最小，在欠膨胀喷射阶段具有更快的喷射发展速度，PTFE因为具有更大的平均分子质量而使得PTFE毛细管等离子体在阻滞喷射阶段的喷射特性得到了明显改善。随放电次数增加，两间隙毛细管等离子体喷射时延和抖动逐渐增加，毛细管放电等离子体出口密度、温度和压强相应逐渐降低，500次放电后，等离子体射流欠膨胀阶段喷射长度减短了13.1%，总喷射长度减短了10.1%，通过阶段性地升高电容器C1充电电压，可实现两间隙毛细管等离子体喷射特性的一致性调控。 基于以上研究，对基于毛细管等离子体喷射的空气火花间隙触发击穿特性开展实验研究，得到空气火花间隙触发击穿取决于毛细管等离子体喷射发展对间隙内电场分布的强烈畸变，发现空气火花间隙的短时延、低抖动放电是通过毛细管等离子体在欠膨胀阶段的喷射触发形成的。随空气火花间隙距离与等离子体射流欠膨胀喷射长度比值的增加，空气火花间隙放电时延抖动逐渐升高。当空气火花间隙放电发生在毛细管等离子体欠膨胀喷射阶段时，放电时延抖动不大于5μs，当空气火花间隙放电发生在阻滞喷射阶段时，因阻滞喷射阶段等离子体喷射发展过程逐渐增强的随机性，放电时延和抖动开始大幅增加。增加间隙工作系数可以有效减小空气火花间隙的放电时延和抖动，且间隙触发击穿特性受间隙距离变化的影响随间隙工作系数的升高而逐渐减小。双边对喷毛细管等离子体触发空气火花间隙时，相比单边喷射触发方式，等离子体在间隙内的喷射速度和喷射长度等效地提高了一倍，等离子体射流对间隙内电场畸变程度更强，空气火花间隙放电时延和抖动可得到大幅削减。采用双边对喷触发方式，间隙工作系数为30%时测得14cm间距空气火花间隙放电时延为190.3μs，时延抖动为3.6μs，满足应用于高压断路器合成试验的要求，在实际运行中可通过减小间隙工作系数进一步提高断路器试验的安全性和可靠性。

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等离子体喷射 放电触发 空气火花间隙 两间隙毛细管 时延抖动

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