Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Phân tích mạch chứ diode - Võ Kỳ Châu

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Phân tích mạch chứ diode - Võ Kỳ Châu

1. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 2-1 Đồ thị điện áp – dòng điện của điện trở. Điện trở là linh kiện tuyến tính, và giá trị ∆VI∆ là như nhau tại mọi điểm. Thông thường, trong điện tử, khi biểu diễn mối quan hệ của điện áp – dòng điện, người ta thường vẽ dòng điện là trục tung và điện áp là trục hoành, đảo ngược so với hình 2-1. Dĩ nhiên trong trường hợp này đồ thị vẫn là đường thẳng; dạng biểu diễn của nó tương đương với biểu thức ∆I 2-2, với độ dốc có đơn vị là điện dẫn, GR==1/ (siemens) , thay vì điện trở. ∆V Trong chương 1 ta đã biết là mối quan hệ của dòng điện và điện áp trên diode (tức là trên chuyển tiếp PN) có dạng VVη T IIe=−s (1) (2-3) với IS = dòng ngược bão hòa VT = điện thế nhiệt (xem biểu thức 2-11) η = hệ số phát, là hàm của V, có giá trị từ 1 đến 2 Biểu thức 2-3 không có dạng của biểu thức 2-1 hoặc 2-2, vì vậy mối quan hệ dòng – áp của diode không đạt tiêu chuẩn của một linh kiện tuyến tính. Ta kết luận diode là một linh kiện phi tuyến. Hình 2-2 là đặc tuyến I −V của một diode silicon thông thường trong vùng phân cực thuận. Đồ thị rõ ràng không phải là một đường thẳng. 2/14
2. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn có độ dốc không thay đổi nhiều. Lúc này ta mới có thể xem diode tương tự như một linh kiện tuyến tính. Ví dụ như trong hình 2-2, ta không nên tính điện trở ac giữa V = 0.55 V và V = 0.65 V bởi vì độ dốc của đặc tuyến thay đổi rất lớn giữa hai điểm này. Ký hiệu cho điện trở ac là r , với qui ước chữ thường dành cho các đại lượng ac ∆V r =Ω() (2-4) D ∆I Khi một điện áp dc được đặt lên hai đầu của diode, một dòng dc sẽ chảy qua nó. Điện trở dc của một diode được tính bằng cách lấy điện áp dc trên diode chia cho dòng điện dc chảy qua diode. Vì vậy điện trở dc còn được gọi là điện trở tĩnh, và được tính bằng định luật Ohm V R =Ω() (2-5) D I Cũng giống như điện trở ac, giá trị điện trở dc có thể thay đổi khác nhau tùy thuộc vào điểm làm việc trên đặc tuyến I −V mà tại đó ta cần tính điện trở. Ví dụ, trong hình 2-2, điện trở dc tại điểm gần điểm gián đoạn là RD ==Ω (0.58 V) /(2.2 mA) 263.6 trong khi điện trở dc tại điểm trên điểm gián đoạn là RD ==Ω (0.65 V) /(30 mA) 21.6 . Đối với diode có đặc tuyến như hình 2-2, dòng ngược xấp xỉ khoảng −1 µA khi V = − 1 V , vì vậy điện trở dc trong trường hợp này là −6 RD =−( 1 V)/( − 10 A) = 1 M Ω. Diode là một linh kiện phi tuyến trong cả chế độ ac lẫn dc. Khi phân tích hoặc thiết kế một mạch chứa diode, thông thường ta không có sẵn đặc tuyến diode. Trong hầu hết các thiết kế thực tế, điện trở ac của một diode không được tính bằng đồ thị như đã làm ở phần trên mà có thể tính bằng các công thức xấp xỉ. Nếu cần tính điện trở ac của diode trong trường hợp diode được phân cực sao cho dòng dc của diode nằm trên điểm gián đoạn, V ta có thể chứng minh được là điện trở ac có thể được tính xấp xỉ r ≅ T , với V là điện thế nhiệt D I T và I là dòng dc qua diode. Ở nhiệt độ T = 300 K , VT khoảng 26 mV , vì vậy tại nhiệt độ phòng này ta có 0.026 r ≅Ω() (2-6) D I Biểu thức xấp xỉ này đúng cho cả diode silicon và germanium. Để minh họa cho việc sử dụng công thức 2-6, xét điểm nằm trên điểm gián đoạn của đặc tuyến I −V trong hình 2-2. Tại điểm −3 này, dòng dc là 30 mA , vì vậy theo biểu thức 2-6, rD = (0.026 V) /(3×=Ω 10 A) 0.86 . Giá trị này gần bằng với giá trị 0.75 Ω mà ta đã tính ở phần trên bằng cách dùng đồ thị. Diode còn có một thành phần điện trở khác nên được xem xét là điện trở gộp (bulk resistance) bao gồm điện trở của vật liệu bán dẫn và điện trở tiếp xúc mà tại đó các chân linh kiện được gắn với chuyển tiếp PN. Chúng được gọi là điện trở bulk rB . Giá trị của điện trở bulk thường khoảng 1 Ω và cũng thay đổi tùy theo dòng dc trong diode. Điện trở này trở nên khá nhỏ khi dòng điện lớn, giá trị của nó thường khoảng 0.1 Ω . Điện trở ac tổng cộng của diode là rrD + B , tuy nhiên khi dòng cao thì rD lớn hơn nhiều so với rB do đó có thể bỏ qua điện trở bulk. Khi một diode được kết nối trong mạch sao cho nó phân cực thuận, luôn luôn cần phải có một điện trở mắc nối tiếp với diode để xác định dòng cho nó. Ta xem ví dụ sau. Ví dụ 2-1 Cho mạch điện như hình 2-3, mạch được kết nối để tìm mối quan hệ của điện áp và dòng điện trong diode. Biến trở R được điều chỉnh đến các giá trị khác nhau để điều khiển dòng qua diode, đồng thời điện áp trên diode cũng được ghi lại tại các điểm này. Các kết quả được trình bày trong bảng trong hình 2-3. 4/14
3. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 0.62 V Tại V = 0.62 V , R ==Ω57.4 . D 10.8× 10-3 A 0.67 V Tại V = 0.67 V , R ==Ω8.9 . D 75.3× 10-3 A 2. Điện trở ac được tính bằng biểu thức 2-4. ()0.57− 0.55 V 0.02 V r ===Ω23.95 D ()1.54-0.705×× 10−3-3 A 0.835 10 A 0.02 V r ==Ω3.92 D 5.1× 10-3 A 0.02 V r ==Ω0.34 D 59.7× 10-3 A 3. Điện trở ac khi tính gần đúng dùng biểu thức 2-6 là 0.026 V 0.026 V Tại V = 0.56 V , rrDB=+=+ΩΩ-3 0.8 =25.8 I2 1.04× 10 A 0.026 V 0.026 V Tại V = 0.62 V , rrDB=+=+ΩΩ-3 0.5 =2.91 I5 10.8× 10 A 0.026 V 0.026 V Tại V = 0.67 V , rrDB=+=+ΩΩ-3 0.1 =0.445 I8 75.3× 10 A 2-4 Phân tích mạch dc có chứa diode Trong thực tế, để dễ dàng trong quá trình phân tích mạch với một sai số cho phép, đặc tuyến của diode thường được xem như là thẳng đứng nếu điểm làm việc nằm phía trên điểm gián đoạn. Việc sử dụng đặc tuyến gần đúng này cho phép ta xem như điện áp rơi trên diode là không đổi bất chấp dòng điện chảy qua nó. Đối với diode silicon, phụ thuộc vào những thay đổi nhỏ trong quá trình chế tạo cũng như vào dòng điện chảy qua diode, điện áp rơi trên hai đầu của diode xấp xỉ khoảng 0.6 V đến 0.7 V. Trong thực tế, ta thường sử dụng giá trị 0.7 V cho tính toán. Đối với diode germanium, điện áp rơi trên nó thường được chọn là 0.3 V . Do đó, trong các tính toán, ta có thể thay diode bằng một nguồn điện áp 0.7 V hoặc 0.3 V khi diode được phân cực sao cho điểm làm việc nằm trên điểm gián đoạn. Tuy nhiên, cần phải lưu ý là diode không chứa năng lượng như một nguồn điện và cũng không thể tạo ra dòng điện. Hình 2-4 minh họa khái niệm này. Hình 2-4 Để phân tích, diode phân cực thuận trong (a) có thể thay thế bằng một nguồn áp như trong (b) Trong hình 2-4(a), chúng ta giả sử là diode silicon được phân cực thuận sao cho có đủ dòng điện để điểm làm việc nằm trên điểm gián đoạn, do đó, điện áp rơi trên diode là 0.7 V . Khi đó EIR=+0,7 (2-7) 6/14
4. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn tuyến. Ví dụ, một mạch điện trong đó điện áp trên diode thay đổi giữa −5 V và + 0.7 V được xem là chế độ tín hiệu lớn. Trong trường hợp này, diode thay đổi bản chất của nó, từ một linh kiện có điện trở rất lớn khi phân cực ngược sang một linh kiện có điện trở nhỏ khi được phân cực thuận trên điểm gián đoạn. Trong phần này ta chỉ xem xét các mạch tín hiệu nhỏ cho diode, phân tích tín hiệu lớn sẽ được trình bày trong phần kế tiếp. Xét mạch điện trong hình 2-7(b). Lưu ý là mạch chứa một nguồn dc có giá trị E và một nguồn ac tạo ra một tín hiệu hình sin có biên độ A và tần số góc ω . Do đó, điện áp tổng cộng trên của nguồn lúc này là vt()=+ E A sinω t. Điện áp này được gọi là điện áp ac có mức dc là E , volts, được vẽ trong hình 2-7(a). Hình 2-7 Điện áp vt( ) trong (b) là tổng của thành phần ac và dc: vt( ) =+ E Asinω t. Trong (a), v( t) có giá trị tối thiểu là EA− và tối đa là E + A Điện áp vt() có giá trị tối đa là EA+ và điện áp tối thiểu là EA− . Bây giờ ta thử tính điện áp và dòng điện của diode với giả sử là diode làm việc trong chế độ tín hiệu nhỏ. Để phân tích mạch này ta dùng nguyên lý xếp chồng, điện áp và dòng điện tổng cộng do hai nguồn gây ra sẽ bằng tổng của điện áp và dòng điện do từng nguồn gây ra. Lưu ý là nguyên lý này chỉ có thể áp dụng khi tất cả các linh kiện trong mạch là tuyến tính. Đầu tiên ta xác định dòng dc qua diode trong hình 2-7(b) vì dòng này cần để tính điện trở động rD (biểu thức 2-6). Ngắn mạch nguồn áp trong hình 2-7(b), ta có mạch điện như hình 2-4, do đó, 0.026 V I =−(ER 0.7 V) . Dùng công thức 2-6 để tính điện trở ac: r = . Bây giờ bỏ đi nguồn dc D I bằng cách ngắn mạch nó, ta có mạch tương đương như hình 2-8. Lưu ý là trong mạch này, diode được thay bằng điện trở tương đương ac của nó. eA it==sinω . Rr++DD Rr Điện áp ac trên diode có thể được tính bằng công thức vriD = D . Do đó, dòng và áp tổng cộng trên diode là EA− 0.7 it()=+= I i + sinω t (2-8) RRr+ D rAD sinω t v()D =+0.7 (2-9) R + rD Hình 2-8 Mạch tương đương Thevenin của hình 2-7(b). Chú ý là diode được thay bằng điện trở ac, r.D Ví dụ 2-4 8/14
5. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 2-11 Dòng I và áp V của diode được xem như là các biến Ta có: −VE I =+ (2-10) R R Trong biểu thức 2-10, ta xem I và V là các biến trong khi E và R là hằng số. Ví dụ, nếu biểu thức 2-10 được áp dụng cho hình 2-9, ta có −V 6 I =+ 270 270 hay IV=−()3,7 × 10−3 + 0,0222 (2-11) Biểu thức này cho thấy quan hệ của I và V là tuyến tính. Như ta đã biết, dạng tổng quát cho đồ thị của một đường thẳng trong hệ tọa độ x − y là ymxb=+ (2-12) với m là độ dốc và b là tung độ gốc. Chúng ta thấy rằng biến I trong 2-10 là tương ứng đến biến y trong 2-12, biến V là tương ứng đến x . Độ dốc của biểu thức 2-10 là −1 R và tung độ gốc là E R . Ta có thể kết luận rằng biểu thức 2-10 có đồ thị là một đường thẳng trên hệ trục I −V . Đường thẳng này được gọi là đường tải dc. Hình 2-12 vẽ đồ thị của đường tải 2-11. Trong hình 2-12, đường tải giao với trục V tại VE0 ==6 V . Hình 2-12 Đồ thị của đường tải −3 I =−(3.7 × 10) V + 0.0222. Đường t ải là tập hợp tất cả các dòng I và áp V có thể đối với một giá trị ER, cố đị nh. Giá trị thực sự của I,V phụ thu ộc vào diode trong mạch. Đường tải dc là đường tập hợp của tất cả các cặp giá trị I và V có thể có trong mạch hình 2- 11. Với một diode cho trước, đặc tuyến của diode là xác định, công việc của ta là tìm xem tổ hợp nào của điện áp và dòng điện trong số các điểm trên đường tải thỏa mãn cho đặc tuyến diode. Điểm này thực ra chính là giao điểm của đường tải và đặc tuyến, nó cũng có thể được tính bằng cách giải hệ I =−()1 RV + ER 10/14
6. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 2-14 Ảnh hưởng của nguồn ac trong mạch diode có thể được phân tích bằng cách xem nó như một tập hợp các đường tải song song. Trong cách này, dòng và áp tối thiểu có thể xác định được trên đồ thị. Điện áp vt() tổng cộng thay đổi giữa 4 V và 8 V , giao điểm của tất cả các đường tải với đặc tuyến tạo ra tất cả các tổ hợp có thể có của điện áp và dòng điện của diode. Kết quả là ta có thể thấy điểm làm việc di chuyển giữa A và B trong hình 2-14. Khi điểm làm việc di chuyển, dòng điện trong mạch thay đổi giữa 12.5 mA đến 27 mA , điện áp rơi trên diode cũng thay đổi giữa 0.65 V đến 0.67 V . 2-6 Phân tích tín hiệu lớn cho diode Như ta đã biết trong phần 2-5, một diode được xem là hoạt động dưới chế độ tín hiệu lớn khi sự thay đổi của dòng điện và điện áp của diode mở rộng ra trên toàn bộ đặc tuyến, bao gồm cả những phần mà đặc tuyến thay đổi độ dốc một cách đáng kể. Trong mọi ứng dụng tín hiệu lớn thực tế, diode hoạt động trong cả vùng phân cực thuận (trên điểm gián đoạn) lẫn phân cực ngược hoặc điện áp phân cực gần không. Khi điện trở của một diode thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn, nó hoạt động giống như một công tắc (switch). Một công tắc lý tưởng có điện trở bằng không khi đóng và điện trở là vô cùng khi mở. Khi phân tích các mạch dạng này, diode có thể được xem như một công tắc được điều khiển bằng điện áp: đóng khi được phân cực thuận và mở khi phân cực ngược. Tùy theo các điện áp khác trong mạch, giá trị điện áp rơi trên diode ( 0.3 V hoặc 0.7 V ) có thể bỏ qua hoặc có thể không. Hình 2- 15 trình bày đặc tuyến của một diode silicon lý tưởng khi bỏ qua điện áp rơi (a), và khi không bỏ qua điện áp rơi (b). 12/14
7. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 1. Khi et()= 20sinω t, điện áp dương đỉnh là 20 V . Tức thời tại thời điểm et()= 20 V, điện áp rơi trên điện trở sẽ là 19.3 V và dòng điện qua diode là i =Ω=19.3( 1.5 k) 12.87 mA . Hình 2-18 vẽ dạng sóng kết quả. Hình 2-18 Dòng và áp diode trong mạch hình 2-17. Lưu ý là diode không dẫn cho đến khi et( ) đến 0.7 V , do đó, trong bán kỳ dương có một khoảng nhỏ diode không dẫn. Cần lưu ý là vì ta dùng đặc tuyến trong hình 2-15(b), do đó diode sẽ không dẫn cho đến khi et() đạt đến 0.7 V. Khoảng thời gian giữa hai điểm tại đó et()= 0 V và et()= 0.7 V rất ngắn khi so sánh với toàn bộ chu kỳ tín hiệu. Từ đó, ta có thể giả sử là đặc tuyến diode có dạng trong hình 2- 15(a), nghĩa là bỏ qua điện áp rơi 0.7 V. 2. Khi et()= 1.5sinω t, điện áp dương đỉnh là 1.5 V, tại đó vtR ( )=−= 1.5 0.7 0.8 V và it( )=Ω=()() 0.8 V 1.5 k 0.533 mA . Dạng sóng được biểu diễn trong hình 2-19. Ta thấy là diode vẫn không dẫn khi điện áp nhỏ hơn 0.7 V , tuy nhiên, trong trường hợp này khoảng thời gian khi et() thay đổi giữa 0 V và 0.7 V là đáng kể so với chu kỳ tín hiệu nên ta sẽ không thể dùng đặc tuyến gần đúng trong hình 2-15(a). Hình 2-19 Dòng và áp diode trong mạch hình 2-17 khi đỉnh của hình sin giảm xuống còn 1.5 V . Lưu ý là khoảng không dẫn lúc này lớn hơn nhiều so với hình 2-18. 14/14