隧道二極管脈沖電路原理及應用電路

由于隧道二極管的脈沖電路，結構簡單，變化速度快，功耗小，因此在高速脈沖技術中得到廣泛的應用，可以用隧道二極管構成雙穩電路，單穩電路，多諧振蕩電路，以及用作整形和分頻電路等。

一、隧道二極管的伏安特性及其參數
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P，稱為峰點；最小電流點V，稱為谷點，隧道二極管的主要參數：
（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)與伏安特性交于低壓正阻區a點，它是穩定點，用于構成單穩電路。
負載線Ⅱ與伏安特性相交于負阻區的b點，它是不穩定點，用于構成多諧振蕩電路。
負載線Ⅲ與伏安特性交于C、D、E三點，C、E為穩定點，D為不穩定點，用于構成雙穩電路，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沖電路。

二、隧道二極管單穩態電路

??????????????? 圖2、隧道二極管單穩態電路?
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處于低壓正阻區內，其靜態工作點Q是穩定點（圖2（b），這時若無觸發脈沖作用，電路處于穩定狀態。但在觸發脈沖us作用下，負載線從I移至II，由于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，就發生如下的恒流躍變：?

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各點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。靜態工作點Q置于負阻區（見圖3（b））。當接通電源后，電流I從零開始增至峰點電流，Ipo但由于靜態點不穩點，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沖[見圖3（C）]。其參數如下：
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。設觸發脈沖U2經過Rs及C1作用于隧道二極管。若幅度足夠大，就能把負載線推至P點外[虛線①，又由于電感存在，從P點恒流躍變至F點，再從F→Q3（當正尖脈沖消失后，負載線回至實線位置）接著，負尖脈沖又把負載線推至左邊（虛線②），開始恒流躍變：即從V→M→Q1。隨著正、負尖脈沖的交替作用，產生了周期的矩形波（見圖4（C）

????????????????????? 圖4、隧道二極管雙穩態電路?

五、隧道二極管與晶體管的組合使用
國產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使用時，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，電流急劇增加，溫度特性十分穩定。

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?????????????????????? 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：在電壓較低時由反向二極管決定：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。