隧道二極管的特點(diǎn)及在高速脈沖發(fā)生技術(shù)中的應(yīng)用

引 言

在高速脈沖中，上升、下降時間直接決定了脈沖的質(zhì)量，隨著快速沿脈沖在示波器的瞬態(tài)響應(yīng)、時域反射技術(shù)、元器件的開關(guān)特性等方面的廣泛應(yīng)用，人們不僅關(guān)注脈沖信號的頻率、幅度、寬度等特性，脈沖的上升、下降時間也得到了越來越大的重視。高速脈沖不僅僅要求脈沖的頻率高，脈寬窄，同樣對脈沖的快速沿提出了很高要求。現(xiàn)在國外的脈沖發(fā)生器已經(jīng)能夠生成上升、下降時間在100 ps以內(nèi)的脈沖。產(chǎn)生一定重復(fù)頻率、一定寬度的脈沖并不困難，但要產(chǎn)生納秒甚至皮秒量級前、后沿的脈沖信號則是一件相當(dāng)困難的事。隧道二極管以其變化速度快，功耗小的特點(diǎn)，在脈沖產(chǎn)生和整形電路中得到了廣泛應(yīng)用。尤其是在高速脈沖整形電路中，隧道二極管更是憑借它反應(yīng)靈敏，瞬態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)大受青睞，本方案利用隧道二極管的隧道效應(yīng)將輸入差分脈沖的前后沿整形至800 ps以內(nèi)，之后通過差分對管搭載恒流源實(shí)現(xiàn)脈沖上升、下降時間在800 ps～1μs之間的可控調(diào)整。

1、 隧道二極管的特點(diǎn)

隧道二極管是一個PN結(jié)二極管，其特性曲線如圖1所示。它與普通二極管特性曲線有很大不同，在電壓U很小時，電流I已經(jīng)相當(dāng)大了，而電壓U增大到一定數(shù)值時，電流I反而下降，呈負(fù)阻性。電壓U為負(fù)值并且不大時，也有相當(dāng)大的反向電流。隧道二極管的特殊性質(zhì)是由于半導(dǎo)體摻雜特別重，導(dǎo)致阻擋層厚度特別薄，約為10-6cm，而普通二極管的阻擋層厚度約為10-4cm，從而導(dǎo)致二極管內(nèi)的載流子除了以擴(kuò)散方式移動以外，還以隧道效應(yīng)移動，在反向狀態(tài)下，流過二極管的電流主要是隧道電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通二極管的反向飽和電流，由于隧道效應(yīng)，隧道二極管內(nèi)沒有少數(shù)載流子存儲效應(yīng)，從而使隧道二極管能工作于超高速狀態(tài)，目前隧道二極管能產(chǎn)生邊沿時間為20ps的高速脈沖。隧道二極管的伏安特性可用5個參數(shù)來表征：（1）峰點(diǎn)電壓VP；（2）谷點(diǎn)電壓VV；（3）峰點(diǎn)電流IP；（4）谷點(diǎn)電流IV；（5）前向電壓VF（投影峰點(diǎn)電壓-與峰點(diǎn)相對應(yīng)的第二個正電阻區(qū)的電壓）。

2、 脈沖整形電路分析

隧道二極管是個電壓多值元件，它可以工作在單穩(wěn)觸發(fā)、雙穩(wěn)觸發(fā)和自由多諧振蕩3種方式下，3種工作方式的負(fù)載線見圖2。在本方案中，通過偏置電路將隧道二極管的工作狀態(tài)設(shè)為單穩(wěn)觸發(fā)模式，在保證脈寬不改變的前提下，對脈沖的上升、下降沿進(jìn)行整形。圖3即為單穩(wěn)觸發(fā)狀態(tài)下的隧道二極管整形電路原理圖。

方案選用國產(chǎn)2bs21d型號的隧道二極管，它的特性參數(shù)如下：IP=60 mA，VP=180 mV，VV=400 mV，VF=500 mV，IV=15 mA，CTM（最大總電容）=2 pF，由此可以計(jì)算出單穩(wěn)狀態(tài)下整形出的脈沖的階躍時間為。電路中直流電源V1、電阻R1構(gòu)成隧道二極管的偏置電路，設(shè)置隧道二極管的工作狀態(tài)為單穩(wěn)觸發(fā)模式。電感L1用來改善輸出波形邊沿，取值計(jì)算公式為L=5TR×（R2+R1），C1為隔直電容。當(dāng)觸發(fā)脈沖Vin的上升沿到來時，隧道二極管上的電流隨之增加，當(dāng)二極管上的電流超過峰點(diǎn)電流IP時，由隧道效應(yīng)，二極管上的電壓躍升至前向電壓VF，從而實(shí)現(xiàn)對脈沖的上升沿進(jìn)行整形；保持二極管上的電流穩(wěn)定不變，即可維持脈沖的幅度不變，也就保證了輸出脈沖Vout的脈寬；當(dāng)Vin的下降沿到來時，二極管上的電流減小，當(dāng)電流降至二極管的谷點(diǎn)電流IV并繼續(xù)下降時，由隧道效應(yīng)，此時二極管上的電壓由UV突降至UB（與谷點(diǎn)對應(yīng)的第一個正阻區(qū)的電壓），從而實(shí)現(xiàn)對脈沖的下降沿的整形。

3、 邊沿調(diào)整電路分析

電容對電壓有記憶性質(zhì)，控制對電容的充放電電流就可以控制電容輸出電壓的波形，利用這個特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出差分脈沖的上下沿調(diào)整電路。

對脈沖邊沿的調(diào)整過程如下：2個場效應(yīng)管（NE321000）構(gòu)成高速開關(guān)，控制差分輸入信號的通斷。電流源I1、I2、I3之間的關(guān)系為I1+I2=I3。當(dāng)輸入信號VIN+的上升沿到來時，可知VIN-幅度下降。此時T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷。電容C1上的電流為IC1=I1-I3=-I2，C1放電，調(diào)整VOUT-的下降沿；電流源I2對電容C2充電，調(diào)整VOUT+的上升沿。當(dāng)C1上的電壓下降到（VCL）-VCR1時，二極管CR1導(dǎo)通，C1不再放電，VOUT-的低電平被鉗在（VCL）-VCR1上；同理，C2上的電壓上升到（VCL）+VCR4時，CR4導(dǎo)通，C2不再充電，OUT+的高電平被固定在（VCL+）+VCR4上。電容電流脈沖的上升、下降時間。電路的仿真結(jié)果如下：與電容電壓之間有關(guān)系式：CU=∫Idt，從這個公式中要計(jì)算出脈沖的邊沿時間比較困難，可以將流過電容的電流近似看作一個三角波，由此可得到脈沖上升、下降時間與脈沖幅度、充放電電流和電容之間的關(guān)系式：T≈2CU／I。可知，改變電流I1、I2、ISUM和電容C的大小即可調(diào)整脈沖的上升下降時間。

4 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測試過程中，采用agilent 33 250脈沖發(fā)生器作為脈沖源，分別輸入頻率為80 MHz和100 kHz，邊沿時間為4 ns的脈沖；采用agilent infiniium 600 MHz示波器分別在隧道二極管整形電路和邊沿調(diào)整電路側(cè)測得輸出結(jié)果如表1、表2所示：

從測試數(shù)據(jù)來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果非常相似，但還是存在一些差異，這主要是由于在分析過程中對電路進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕坪秃喕约霸陔娐分谱髦幸氲募纳娙莸炔淮_定因素造成的?？梢钥闯?，該方案對80MHz以內(nèi)的脈沖信號能起到較好的邊沿整形和調(diào)整的效果。

本文利用隧道二極管的隧道效應(yīng)和場效應(yīng)管的高速開關(guān)功能，成功實(shí)現(xiàn)了將脈沖的上升、下降邊沿整形到皮秒級別，并可在800 ps-1 us之間可控調(diào)整。隨著對脈沖上升、下降時間的重視，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖邊沿整形、控制的電路結(jié)構(gòu)將越來越有實(shí)用價值，本設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能好的特點(diǎn)，在高速脈沖發(fā)生技術(shù)中將有較好的應(yīng)用前景。

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