隧道二極體脈衝電路原理及應用電路

隧道二極體脈衝電路原理及應用電路
由於隧道二極體的脈衝電路，結構簡單，變化速度快，功耗小，因此在高速脈衝技術中得到廣泛的應用，可以用隧道二極體構成雙穩電路，單穩電路，多諧振蕩電路，以及用作整形和分頻電路等。一、隧道二極體的伏安特性及其參數 隧道二極體的伏安特性[見圖一（a）]是一條S型特性曲線。曲線中最大電流點P，稱為峰點；最小電流點V，稱為谷點，隧道二極體的主要參數：（1）峰點電壓Up，約幾十毫伏，谷點電壓Uv，約幾百毫伏（2）峰點電流Ipi，約幾毫安，谷點電流Iv約幾百微安（3）峰谷電流比，約為5-6，越大越好（4）谷點電容Cv，幾微法至幾十微法，越小越好，國產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、隧道二極體的伏安特性 圖一（b）是常用的隧道二極體脈衝電路，若選取R、E的不同數值，可作三種具有代表性的直流負載線：負載線Ⅰ圖一（a)與伏安特性交於低壓正阻區a點，它是穩定點，用於構成單穩電路。負載線Ⅱ與伏安特性相交於負阻區的b點，它是不穩定點，用於構成多諧振蕩電路。負載線Ⅲ與伏安特性交於C、D、E三點，C、E為穩定點，D為不穩定點，用於構成雙穩電路，因此，選取不同的靜態工作點負載線，就可獲得不同類型的脈衝電路。
二、隧道二極體單穩態電路
圖2、隧道二極體單穩態電路 圖2（a）是單穩態是路，若調節電位器R1，使由R1//R2及R2E/（R1+R2）作出的負載線I處於低壓正阻區內，其靜態工作點Q是穩定點（圖2（b），這時若無觸發脈衝作用，電路處於穩定狀態。但在觸發脈衝us作用下，負載線從I移至II，由於隧道不能停留在負阻區，及電感不允許電流突變，所以當電流I增至峰點電流時，就發生如下的恆流躍變：
各點變化的電壓組成的輸出波形如圖2（C）所示，脈衝寬度為：ts=（L/RΣ）In[(ET-IvRΣ)/(ET-IpRΣ)](適用於工作在特性曲線低壓段）式中：RΣ=RT+R1//R2，RT=Up/IpET=E[R2/(R1+R2)L≈UFts/2(Ip-Iv)脈衝前沿：tr≈Cs[(Uv-UA)/Iv]Cs為隧道二極體的結電容和分佈電容三、隧道二極體多諧振蕩電路
圖三、隧道二極體諧振蕩器 圖三（a）為自激多諧振蕩電路。靜態工作點Q置於負阻區（見圖3（b））。當接通電源后，電流I從零開始增至峰點電流，Ipo但由於靜態點不穩點，加上電感不允許電流突變，所以電流增至Ip后，周而復始地進行，從而產生了快速的矩形脈衝[見圖3（C）]。其參數如下：脈衝寬度：T1≈（L/RΣ）In[(UF-ET+IpRΣ1)/(Uv-ET+IvRΣ1)]脈衝間隔：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、隧道二極體雙穩態電路 圖4（a）為雙穩態電路，它有兩個穩定的靜態點Q1及Q3和一個不穩定點Q2（見圖4（b））。當接通電源后，電流增至IQ1就穩定下來。設觸發脈衝U2經過Rs及C1作用於隧道二極體。若幅度足夠大，就能把負載線推至P點外[虛線①，又由於電感存在，從P點恆流躍變至F點，再從F→Q3（當正尖脈衝消失后，負載線回至實線位置）接著，負尖脈衝又把負載線推至左邊（虛線②），開始恆流躍變：即從V→M→Q1。隨著正、負尖脈衝的交替作用，產生了周期的矩形波（見圖4（C）
圖4、隧道二極體雙穩態電路五、隧道二極體與晶體管的組合使用 國產的隧道二極體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體要與硅晶體管並聯使用時，則遂道二極體BG2要串接反向二極體BG1（同了圖5（a），反向二極體是一種變種的隧道二極體，其峰點電流特別小，正向特性與普通二極體相似，但反向電壓作用時，電流急劇增加，溫度特性十分穩定。

圖5、隧道二極體整形電路 從圖5（b)可見，反向二極體與隧道二極體串接后，其組合特性：在電壓較低時由反向二極體決定：在電壓較高時，與硅晶體管的正向特性類似，兩者之間又存在負阻區，若按圖5（b）設置靜態點Q1，當A為低平電平時，B為高電平（0.8伏），BG3導通，集電極電壓Uc3=3伏。BG4的射極輸出端Uo為零伏低電平，當A點為負電平Um時，負載線向左轉移，很快地進入另一穩定點Q3。UQ3低於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A點回到零平時，負載線回到右邊，工作點從Q3→P→F→Q1點，輸出Uo又迅速回到零電平，由於隧道二極體的變化速度特別快，所以輸出脈衝的前後沿很陡。晶體管示波器常用隧道二極體]作整形電路。