隧道二极管特性及其脉冲电路原理

 由于隧道二极管的脉冲电路，结构简单，变化速度快，功耗小，因此在高速脉冲技术中得到广泛的应用，可以用隧道二极管构成双稳电路，单稳电路，多谐振荡电路，以及用作整形和分频电路等。

一、隧道二极管的伏安特性及其参数

隧道二极管的伏安特性[见图一（a）]是一条S型特性曲线。曲线中最大电流点P，称为峰点；最小电流点V，称为谷点，隧道二极管的主要参数：

（1）峰点电压Up，约几十毫伏，谷点电压Uv，约几百毫伏
（2）峰点电流Ipi，约几毫安，谷点电流Iv约几百微安
（3）峰谷电流比，约为5-6，越大越好
（4）谷点电容Cv，几微法至几十微法，越小越好，国产2BS4A：Up=80毫伏，Ip=4毫安，峰谷电流比≥5，Cv=10～15微法，Uv=280毫伏。

图一、隧道二极管的伏安特性

图一（b）是常用的隧道二极管脉冲电路，若选取R、E的不同数值，可作三种具有代表性的直流负载线：
负载线Ⅰ图一（a)与伏安特性交于低压正阻区a点，它是稳定点，用于构成单稳电路。
负载线Ⅱ与伏安特性相交于负阻区的b点，它是不稳定点，用于构成多谐振荡电路。
负载线Ⅲ与伏安特性交于C、D、E三点，C、E为稳定点，D为不稳定点，用于构成双稳电路，因此，选取不同的静态工作点负载线，就可获得不同类型的脉冲电路。

二、隧道二极管单稳态电路

图2、隧道二极管单稳态电路

图2（a）是单稳态是路，若调节电位器R1，使由R1//R2及R2E/（R1+R2）作出的负载线I处于低压正阻区内，其静态工作点Q是稳定点（图2（b），这时若无触发脉冲作用，电路处于稳定状态。但在触发脉冲us作用下，负载线从I移至II，由于隧道不能停留在负阻区，及电感不允许电流突变，所以当电流I增至峰点电流时，就发生如下的恒流跃变：

各点变化的电压组成的输出波形如图2（C）所示，脉冲宽度为：
ts=（L/RΣ）In[(ET-IvRΣ)/(ET-IpRΣ)](适用于工作在特性曲线低压段）
式中：RΣ=RT+R1//R2，RT=Up/Ip
ET=E[R2/(R1+R2)
L≈UFts/2(Ip-Iv)
脉冲前沿：tr≈Cs[(Uv-UA)/Iv]
Cs为隧道二极管的结电容和分布电容

三、隧道二极管多谐振荡电路

图三、隧道二极管谐振荡器

图三（a）为自激多谐振荡电路。静态工作点Q置于负阻区（见图3（b））。当接通电源后，电流I从零开始增至峰点电流，Ipo但由于静态点不稳点，加上电感不允许电流突变，所以电流增至Ip后，周而复始地进行，从而产生了快速的矩形脉冲[见图3（C）]。其参数如下：
脉冲宽度：T1≈（L/RΣ）In[(UF-ET+IpRΣ1)/(Uv-ET+IvRΣ1)]
脉冲间隔：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、隧道二极管双稳态电路

图4（a）为双稳态电路，它有两个稳定的静态点Q1及Q3和一个不稳定点Q2（见图4（b））。当接通电源后，电流增至IQ1就稳定下来。设触发脉冲U2经过Rs及C1作用于隧道二极管。若幅度足够大，就能把负载线推至P点外[虚线①，又由于电感存在，从P点恒流跃变至F点，再从F→Q3（当正尖脉冲消失后，负载线回至实线位置）接着，负尖脉冲又把负载线推至左边（虚线②），开始恒流跃变：即从V→M→Q1。随着正、负尖脉冲的交替作用，产生了周期的矩形波（见图4（C）

图4、隧道二极管双稳态电路

五、隧道二极管与晶体管的组合使用

国产的隧道二极管全都是锗材料做成的，其峰值电压约为0.25伏左右，若这种锗的遂道二极管要与硅晶体管并联使用时，则遂道二极管BG2要串接反向二极管BG1（同了图5（a），反向二极管是一种变种的隧道二极管，其峰点电流特别小，正向特性与普通二极管相似，但反向电压作用时，电流急剧增加，温度特性十分稳定。

图5、隧道二极管整形电路

从图5（b)可见，反向二极管与隧道二极管串接后，其组合特性：在电压较低时由反向二极管决定：在电压较高时，与硅晶体管的正向特性类似，两者之间又存在负阻区，若按图5（b）设置静态点Q1，当A为低平电平时，B为高电平（0.8伏），BG3导通，集电极电压Uc3=3伏。BG4的射极输出端Uo为零伏低电平，当A点为负电平Um时，负载线向左转移，很快地进入另一稳定点Q3。UQ3低于BG3的载止电压，故BG3载止，输出，输出Uo为高电平，约18伏左右。一旦当A点回到零平时，负载线回到右边，工作点从Q3→P→F→Q1点，输出Uo又迅速回到零电平，由于隧道二极管的变化速度特别快，所以输出脉冲的前后沿很陡。晶体管示波器常用隧道二极管]作整形电路。