Импульсные генераторы на туннельных диодах

Туннельный диод — это полупроводниковый диод, изготовленный из полупроводниковых материалов с высокой проводимостью, в следствие чего при обратном напряжении и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект, заключающийся в непосредственном переходе электронов из связанного состояния в свободное, и туннелирование (переброс) их через энергетический барьер/?—л-перехода из/?-области в я-область. При дальнейшем повышении прямого напряжения туннельный эффект постепенно пропадает и диод переходит в обычный диодный режим с прямой проводимостью.

Для тунсльного диода характерна А-образная вольт-амперная характеристика (рис. 5.15). Участок АБ этой характеристики обусловлен туннельным эффектом. На участке БВ туннельный эффект снижается за счет разности потенциалов в р—п-пере ходе, и ток падает с нарастанием напряжения. Этот участок можно представить как участок с отрицательной проводимостью. На участке ВГ ток возрастает за счет прямой диодной проводимости. Туннельный эффект используется в диодах Гана, низковольтных стаби;

Рис. 5.15. ВАХ туннельного диода и положение ее рабочей точки.

Рис. 5.16. Принципиальная схема импульсного генератора на туннельном диоде

литронах и обращенных диодах. Туннельные диоды успешно применяются для усиления и генерирования колебаний электрического напряжения или тока на высоких и сверхвысоких частотах, а также в качестве быстродействующих переключателей и ключей в импульсных и электронных логических устройствах. К достоинствам туннельных диодов относят их высокую устойчивость к радиации и высокое быстродействие (время срабатывания 1 … 10 нс). Недостатком является низкое рабочее напряжение (1 В) и, следовательно, малые амплитуда и мощность сигналов. Для усиления сигналов приходится использовать транзисторы и предусматривать развязку по напряжению.

Основным элементом генераторной схемы является туннельный диод VD, включенный последовательно с катушкой индуктивности L (рис. 5.16). Сопротивление R является эффективным активным сопротивлением катушки индуктивности, состоящей из нескольких витков медного провода. Емкость С_п, отмеченная пунктиром на схеме, является паразитной емкостью туннельного диода, монтажа и отводящей цепи. Цепь C1…R1 является цепью запуска или синхронизации и может отсутствовать в схеме генератора. Цепь питается от источника постоянного напряжения 1 …2 В.

Катушка индуктивности L в триггерной схеме может отсутствовать. В схеме генератора она является фазосдвигающим инерционным элементом, обусловливающим появление генерации с периодом Г, = L/R. Быстрые процессы определяются в основном емкостью С_п и постоянной времени Т₂ = RrC_n, где R_T — сопротивление туннельного диода на падающем участке ВАХ. Режим работы устройства зависит как от параметров упомянутых элементов, так и от положения рабочей точки на ВАХ, определяемого величинами Е и R.

Если рабочая точка оказывается на падающем участке ВАХ (см. рис. 5.15, участок БВ), устройство может работать в следующих режимах в зависимости от соотношения параметров элементов схемы.

• 1. Устройство работает как усилитель, если R < R_T и L/R < RjC_n.
• 2. Устройство работает как генератор синусоидальных напряжений, если R < R_T и L/R > R_TC_n.
• 3. Устройство работает как автоколебательный мультивибратор, если R < R_r и L/R «R_rC_n.

Если рабочая точка оказывается на туннельном восходящем участке ВАХ (см. рис. 5.15, участок АБ при U> 0), то при L/R « Л,-С_п и любом соотношении R и R_r устройство работает как ждущий мультивибратор. При этом полярность выходных импульсов будет отрицательной. Положительный импульс входного напряжения переводит рабочую точку на падающий участок ВАХ, после чего процесс протекает как в автоколебательном мультивибраторе.

Если нагрузочная линия пересекает ВАХ в трех точках или рабочая точка оказывается в начале диодного восходящего участка ВАХ (см. рис. 5.15, участок ВГ при U > 0), то при L/R «R_TC_n и R> R_T устройство работает как триггер. Для перевода триггера из одного состояния в другое необходимы импульсы разной полярности. При достаточной амплитуде импульсов запуска, наличие индуктивности нс обязательно.