隧道二極管脈沖電路原理及應(yīng)用電路

由于隧道二極管的脈沖電路，結(jié)構(gòu)簡單，變化速度快，功耗小，因此在高速脈沖技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用，可以用隧道二極管構(gòu)成雙穩(wěn)電路，單穩(wěn)電路，多諧振蕩電路，以及用作整形和分頻電路等。

一、隧道二極管的伏安特性及其參數(shù)
隧道二極管的伏安特性[見圖一（a）]是一條S型特性曲線。曲線中最大電流點(diǎn)P，稱為峰點(diǎn)；最小電流點(diǎn)V，稱為谷點(diǎn)，隧道二極管的主要參數(shù)：
（1）峰點(diǎn)電壓Up，約幾十毫伏，谷點(diǎn)電壓Uv，約幾百毫伏
（2）峰點(diǎn)電流Ipi，約幾毫安，谷點(diǎn)電流Iv約幾百微安
（3）峰谷電流比，約為5-6，越大越好
（4）谷點(diǎn)電容Cv，幾微法至幾十微法，越小越好，國產(chǎn)2BS4A：Up=80毫伏，Ip=4毫安，峰谷電流比≥5，Cv=10～15微法，Uv=280毫伏。

圖一、隧道二極管的伏安特性
圖一（b）是常用的隧道二極管脈沖電路，若選取R、E的不同數(shù)值，可作三種具有代表性的直流負(fù)載線：
負(fù)載線Ⅰ圖一（a)與伏安特性交于低壓正阻區(qū)a點(diǎn)，它是穩(wěn)定點(diǎn)，用于構(gòu)成單穩(wěn)電路。
負(fù)載線Ⅱ與伏安特性相交于負(fù)阻區(qū)的b點(diǎn)，它是不穩(wěn)定點(diǎn)，用于構(gòu)成多諧振蕩電路。
負(fù)載線Ⅲ與伏安特性交于C、D、E三點(diǎn)，C、E為穩(wěn)定點(diǎn)，D為不穩(wěn)定點(diǎn)，用于構(gòu)成雙穩(wěn)電路，因此，選取不同的靜態(tài)工作點(diǎn)負(fù)載線，就可獲得不同類型的脈沖電路。

二、隧道二極管單穩(wěn)態(tài)電路

圖2、隧道二極管單穩(wěn)態(tài)電路
圖2（a）是單穩(wěn)態(tài)是路，若調(diào)節(jié)電位器R1，使由R1//R2及R2E/（R1+R2）作出的負(fù)載線I處于低壓正阻區(qū)內(nèi)，其靜態(tài)工作點(diǎn)Q是穩(wěn)定點(diǎn)（圖2（b），這時(shí)若無觸發(fā)脈沖作用，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。但在觸發(fā)脈沖us作用下，負(fù)載線從I移至II，由于隧道不能停留在負(fù)阻區(qū)，及電感不允許電流突變，所以當(dāng)電流I增至峰點(diǎn)電流時(shí)，就發(fā)生如下的恒流躍變：

各點(diǎn)變化的電壓組成的輸出波形如圖2（C）所示，脈沖寬度為：
ts=（L/RΣ）In[(ET-IvRΣ)/(ET-IpRΣ)](適用于工作在特性曲線低壓段）
式中：RΣ=RT+R1//R2，RT=Up/Ip
ET=E[R2/(R1+R2)
L≈UFts/2(Ip-Iv)
脈沖前沿：tr≈Cs[(Uv-UA)/Iv]
Cs為隧道二極管的結(jié)電容和分布電容

三、隧道二極管多諧振蕩電路

圖三、隧道二極管諧振蕩器
圖三（a）為自激多諧振蕩電路。靜態(tài)工作點(diǎn)Q置于負(fù)阻區(qū)（見圖3（b））。當(dāng)接通電源后，電流I從零開始增至峰點(diǎn)電流，Ipo但由于靜態(tài)點(diǎn)不穩(wěn)點(diǎn)，加上電感不允許電流突變，所以電流增至Ip后，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而產(chǎn)生了快速的矩形脈沖[見圖3（C）]。其參數(shù)如下：
脈沖寬度：T1≈（L/RΣ）In[(UF-ET+IpRΣ1)/(Uv-ET+IvRΣ1)]
脈沖間隔：T2≈(L/RΣ2)In[(ET-IvRΣ2)/ET-IpRΣ2)]
式中：RΣ1=R1//R2+（UF-Uv)/(Ip-Iv)
RΣ2=R1//R2+(Up/Ip),ET=E[R2/(R1+R2)]

四、隧道二極管雙穩(wěn)態(tài)電路
圖4（a）為雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個穩(wěn)定的靜態(tài)點(diǎn)Q1及Q3和一個不穩(wěn)定點(diǎn)Q2（見圖4（b））。當(dāng)接通電源后，電流增至IQ1就穩(wěn)定下來。設(shè)觸發(fā)脈沖U2經(jīng)過Rs及C1作用于隧道二極管。若幅度足夠大，就能把負(fù)載線推至P點(diǎn)外[虛線①，又由于電感存在，從P點(diǎn)恒流躍變至F點(diǎn)，再從F→Q3（當(dāng)正尖脈沖消失后，負(fù)載線回至實(shí)線位置）接著，負(fù)尖脈沖又把負(fù)載線推至左邊（虛線②），開始恒流躍變：即從V→M→Q1。隨著正、負(fù)尖脈沖的交替作用，產(chǎn)生了周期的矩形波（見圖4（C）

圖4、隧道二極管雙穩(wěn)態(tài)電路

五、隧道二極管與晶體管的組合使用
國產(chǎn)的隧道二極管全都是鍺材料做成的，其峰值電壓約為0.25伏左右，若這種鍺的遂道二極管要與硅晶體管并聯(lián)使用時(shí)，則遂道二極管BG2要串接反向二極管BG1（同了圖5（a），反向二極管是一種變種的隧道二極管，其峰點(diǎn)電流特別小，正向特性與普通二極管相似，但反向電壓作用時(shí)，電流急劇增加，溫度特性十分穩(wěn)定。

圖5、隧道二極管整形電路
從圖5（b)可見，反向二極管與隧道二極管串接后，其組合特性：在電壓較低時(shí)由反向二極管決定：在電壓較高時(shí)，與硅晶體管的正向特性類似，兩者之間又存在負(fù)阻區(qū)，若按圖5（b）設(shè)置靜態(tài)點(diǎn)Q1，當(dāng)A為低平電平時(shí)，B為高電平（0.8伏），BG3導(dǎo)通，集電極電壓Uc3=3伏。BG4的射極輸出端Uo為零伏低電平，當(dāng)A點(diǎn)為負(fù)電平Um時(shí)，負(fù)載線向左轉(zhuǎn)移，很快地進(jìn)入另一穩(wěn)定點(diǎn)Q3。UQ3低于BG3的載止電壓，故BG3載止，輸出，輸出Uo為高電平，約18伏左右。一旦當(dāng)A點(diǎn)回到零平時(shí)，負(fù)載線回到右邊，工作點(diǎn)從Q3→P→F→Q1點(diǎn)，輸出Uo又迅速回到零電平，由于隧道二極管的變化速度特別快，所以輸出脈沖的前后沿很陡。晶體管示波器常用隧道二極管]作整形電路。