在高速脈沖中，上升、下降時間直接決定了脈沖的質量，隨著快速沿脈沖在示波器的瞬態(tài)響應、時域反射技術、元器件的開關特性等方面的廣泛應用，人們不僅關注脈沖信號的頻率、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?，F(xiàn)在國外的脈沖發(fā)生器已經能夠生成上升、下降時間在100 ps以內的脈沖。產生一定重復頻率、一定寬度的脈沖并不困難，但要產生納秒甚至皮秒量級前、后沿的脈沖信號則是一件相當困難的事。隧道二極管以其變化速度快，功耗小的特點，在脈沖產生和整形電路中得到了廣泛應用。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靈敏，瞬態(tài)響應快的特點大受青睞，本方案利用隧道二極管的隧道效應將輸入差分脈沖的前后沿整形至800 ps以內，之后通過差分對管搭載恒流源實現(xiàn)脈沖上升、下降時間在800 ps～1μs之間的可控調整。

　　1 隧道二極管的特點

　　隧道二極管是一個PN結二極管，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已經相當大了，而電壓U增大到一定數值時，電流I反而下降，呈負阻性。電壓U為負值并且不大時，也有相當大的反向電流。隧道二極管的特殊性質是由于半導體摻雜特別重，導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，從而導致二極管內的載流子除了以擴散方式移動以外，還以隧道效應移動，在反向狀態(tài)下，流過二極管的電流主要是隧道電流，遠遠大于普通二極管的反向飽和電流，由于隧道效應，隧道二極管內沒有少數載流子存儲效應，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個參數來表征：(1)峰點電壓VP;(2)谷點電壓VV;(3)峰點電流IP;(4)谷點電流IV;(5)前向電壓VF(投影峰點電壓-與峰點相對應的第二個正電阻區(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2bs21d型號的隧道二極管，它的特性參數如下：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構成隧道二極管的偏置電路，設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，取值計算公式為L=5TR×(R2+R1)，C1為隔直電容。當觸發(fā)脈沖Vin的上升沿到來時，隧道二極管上的電流隨之增加，當二極管上的電流超過峰點電流IP時，由隧道效應，二極管上的電壓躍升至前向電壓VF，從而實現(xiàn)對脈沖的上升沿進行整形;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Vin的下降沿到來時，二極管上的電流減小，當電流降至二極管的谷點電流IV并繼續(xù)下降時，由隧道效應，此時二極管上的電壓由UV突降至UB(與谷點對應的第一個正阻區(qū)的電壓)，從而實現(xiàn)對脈沖的下降沿的整形。