Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com TĨM TẮT LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP PHẦN DIODE MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Quan hệ dòng điện điện áp với: I = I S (eV / ηVT − 1) IS: dòng điện (ngược) bão hòa VT: điện nhiệt η: hệ số thực tế, có giá trị từ đến Hình 1-1 Đặc tuyến diode phân cực thuận Điện trở AC (điện trở động) ∆V 25mV = ∆I I Ngồi rD, tồn điện trở tiếp xúc (bulk) rB,thường có trị số nhỏ bỏ qua rD = Điện trở DC RD = V I Phân tích mạch DC có diode Ta thay diode mạch nguồn áp 0,7V (nếu diode Si) 0,3V (nếu diode Ge) mà diode có dòng phân cực thuận phía điểm knee Hình 1-2 Diode phân cực thuận (a) thay nguồn áp (b) Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 1/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Vì vậy, để phân tích điện áp dòng diện DC mạch có chứa diode, ta thay đặc tuyến V-A hình 1-3 Hình 1-3 Đặc tuyến lý tưởng hóa Ví dụ 1-1 Giả sử diode Si hình 1-4 đòi hỏi dòng tối thiểu mA để nằm điểm knee Hình 1-4 (Ví dụ 1-1) Trị số R để dòng mạch mA? Với trị số R tính câu (1), giá trị tối thiểu E để trì diode điểm knee? Giải Trị số R E − 0,7V 5V − 0,7V R= = = 860Ω I 5mA Giá trị tối thiểu E E − 0,7V I= ≥ 1mA R E ≥ 860Ω × 1mA + 0,7V = 1,56V Phân tích mạch diode với tín hiệu nhỏ Một cách tổng quát, linh kiện thể xem xét hoạt động hai dạng: tín hiệu nhỏ vá tín hiệu lớn Trong ứng dụng tín hiệu nhỏ, điện áp dòng điện linh kiện tầm giới hạn đặc tuyến V-A Nói cách khác, đại lượng ∆V ∆I nhỏ so với tầm điện áp dòng điện mà linh kiện hoạt động Ví dụ 1-2 Giả sử diode Si hình 1-5 phân cực phía điểm knee có rB 0,1Ω, xác định dòng điện điện áp diode Vẽ đồ thị dòng điện theo thời gian Hình 1-5 (Ví dụ 1-2) Giải Ngắn mạch nguồn AC, xác định dòng DC: (6 − 0,7)V I= = 19,63mA 270Ω Do đó, điện trở AC Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 2/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com rD = 25mV 25mV + rB = + 0,1Ω = 1,42Ω I 19,63mA i= e sin ωt = = 7,37 sin ωt[mA] R + rD 270 + 1,42 Dòng điện AC Điện áp AC rD 1,42 e= sin ωt = 0,01sin ωt[V ] R + rD 270 + 1,42 Như dòng áp tổng cộng i (t ) = 19,63 + 7,37 sin ωt[mA] v(t ) = 0,7 + 0,01sin ωt[V ] Đồ thị dòng điện theo thời gian cho hình 3-8 vD = Hình 1-6 Thành phần AC thay đổi ±7,37 mA xung quanh thành phần DC 19,63mA Đường tải (load line) Ta thực việc phân tích diode với tín hiệu nhỏ cách sử dụng hình vẽ với đặc tuyến V-A diode Xét mạch cho hình 1-7 Đây mạch tương đương DC mạch cho hình 1-5 (ngắn mạch nguồn áp) Ta xem điện áp diode V (chứ không số) Hình 1-7 Dòng điện qua diode I điệp áp diode V Theo định luật áp Kirchhoff, ta có E = IR + V Do đó, quan hệ dòng áp DC diode cho phương trình −V E I= + R R Thay số vào, ta có −V I= + 270 270 I = −(3,7 × 10 −3 )V + 0,0222 Phương trình có dạng y=ax+b đồ thị đường thẳng có độ dốc (slope) -1/R cắt trục I điểm E/R (và cắt trục V điểm Vo=E) Đường thẳng gọi đường tải DC (DC Load Line) Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 3/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Đường tải DC mạch cho hình 1-7 vẽ hình 1-8 Đường tải biểu diễn tất tổ hợp có dòng điện qua diode I điệp áp diode V với trị số E R xác định Giá trị thời I V tùy thuộc vào diode sử dụng mạch Hình 1-8 Đường tải DC Đặc tính đường tải DC tổ hợp có dòng điện I điện áp V mạch hình 1-7 điểm nằm nơi đường thẳng Cho trước diode cụ thể (mà ta biết đặc tuyến V-A nó), mục tiêu ta xác định tổ hợp dòng-áp thời Ta tìm điểm cách vẽ đường tải DC hệ trục tọa độ đặc tuyến Vôn-Ampe, giao điểm đường tải DC đặc tuyến VA cho ta giá trị dòng áp qua diode thời Phương trình hai đường −V E I= + (đường tải DC) R R V / ηVT ( I = I S (e − 1) đặc tuyến V-A diode) Giao điểm chúng gọi điểm tĩnh Q (Quiescent point) hay gọi điểm hoạt động diode Nó đại diện cho dòng áp DC mạch có nguồn áp DC E=6V, hay nói cách khác nguồn áp AC mạch 1-5 Hình 1-9 Giao điểm đường tải với đặc tuyến diode (điểm Q) xác định điện áp diode (0,66 V) dòng điện qua diode (19,8 mA) Lưu ý phân tích ta vừa làm dựa vào điều kiện nguồn AC ngắn mạch Điểm tĩnh Q gọi điểm phân cực (bias point) đại diện cho dòng áp diode phân cực nguồn DC Khi xét đến nguồn AC mạch hình 1-5, điện áp tổng cộng v(t ) = E + e = E + sin ωt Như vậy, điện áp thay đổi theo thời gian với trị tối thiểu E – [V] tối đa E + [V] Điện áp tạo loạt đường tải (được minh họa hình 1-10) Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 4/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-10 Tác động nguồn AC lên mạch diode phân tích theo cách tạo loạt đường tải song song Với cách này, ta giá trị tối đa tối thiểu áp dòng Phân tích mạch diode với tín hiệu lớn Trong ứng dụng thực tế với tín hiệu lớn, ta xem diode hoạt động hai vùng: vùng phân cực thuận vùng phân cực ngược (hoặc phân cực gần 0V) Khi điện trở diode thay đổi từ nhỏ đến lớn, diode hoạt giống với công tắc (switch) Một diode lý tưởng ứng dụng tín hiệu lớn xem cơng tắc có điện trở khơng đóng vơ hở Như vậy, phân tích mạch vậy, ta xem diode công tắc điều khiển điện áp, phân cực thuận đóng, phân cực ngược phân cực với áp gần hở mạch Tùy theo độ lớn điện áp mạch mà điện áp rơi diode (0,3 V đến 0,7 V) bỏ qua hay khơng Ví dụ 1-3 Giả sử diode Si mạch hình 1-11 lý tưởng có Vγ = 0,7 V Hãy xác định dòng điện i(t) điện áp v(t) điện trở e(t) = 20sinωt e(t) = 1,5sinωt Hình 1-11 (Ví dụ 1-3) Giải Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 5/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-12 Dòng áp điện trở e(t) = 20sinωt Hình 1-13 Dòng áp điện trở e(t) = 1,5sinωt Bài tập 1-1 Sử dụng đặc tuyến V-A hình 1-14, xác định (bằng hình vẽ) giá trị điện trở AC gần dòng qua diode 0,1 mA Làm lại với điện áp diode 0,64 V Diode silicon hay germanium? Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 6/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-14 (Bài tập 1-1) ĐS ≈320 Ω; ≈16 Ω; silicon 1-2 Xác định điện trở DC diode điểm tập 1-1 ĐS 5,4 kΩ; 183 Ω 1-3 Xác định (bằng công thức) điện trở AC gần diode điểm tập 1-1 (bỏ qua điện trở bulk) ĐS 260 Ω; 7,43 Ω 1-4 Một diode có dòng điện 440 nA chạy từ cathode sang anode phân cực ngược với điện áp 8V Tìm điện trở DC diode? ĐS 18,18 MΩ 1-5 Cho mạch hình 1-15 Khi chỉnh điện trở có giá trị 230 Ω đo điện áp 0,68 V Khi chỉnh điện trở có giá trị 150 Ω đo điện áp 0,69 V Trong cá hai trường hợp, nguồn áp DC cố định 10 V a Hỏi điện trở DC diode lần đo? b Hỏi điện trở AC diode thay đổi điện áp diode từ 0,68 V lên 0,69 V? Hình 1-15 (Bài tập 1-5) ĐS (a) 36,20 Ω; 24,01 Ω (b) 1,005 Ω 1-6 Cho mạch hình 1-16 Xác định điện áp rơi diode điện trở DC? Biết điện trở R = 220 Ω I = 51,63 mA Hình 1-16 (Bài tập 1-6) ĐS 0,6414 V; 12,42 Ω 1-7 Cho mạch hình 1-17 Cho điện áp rơi diode Si phân cực thuận 0,7 V điện áp rơi diode Ge phân cực thuận 0,3 V Giá trị nguồn áp 9V a Nếu diode D1 D2 diode Si Tìm dòng I? b Làm lại câu (a) D1 Si D2 Ge Hình 1-17 (Bài tập 1-7) ĐS (a) 7,6 mA; (b) mA 1-8 Cho mạch hình 1-18 Cho diode loại germanium (điện áp rơi phân cực thuận 0,3 V) Hãy xác định sai số phần trăm việc bỏ qua điện áp rơi diode tính dòng I mạch Biết áp 3V điện trở 470 Ω Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 7/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-18 (Bài tâp 1-8) ĐS 11,11% 1-9 Cho mạch hình 1-19 Cho Vγ = 0,65 V; E = V; e = 0,25sinωt; R = 1,25 kΩ a Tìm dòng DC qua diode b Tìm điện trở AC diode (giả sử diode nhiệt độ phòng) c Viết biểu thức tốn học (hàm theo thời gian) dòng điện điện áp tổng cộng diode d Giá trị dòng tối thiểu tối đa qua diode bao nhiêu? Hình 1-19 (Bài tập 1-9) ĐS (a) 1,08 mA; (b) 24,07 Ω; (c) i(t)=1,08+0,1962sinωt [mA]; vD(t)=0,65+0,00472sinωt [V]; (d) imax=1,276 mA; imin=0,8838 mA 1-10 Hình 1-20 đặc tuyến V-A diode mạch hình 1-19 a Viết phương trình đường tải vẽ lên hình b Xác định (bằng hình vẽ) điện áp dòng điện diode điểm tĩnh Q c Xác định điện trở DC điểm Q d Xác định (bằng hình vẽ) giá trị dòng qua diode tối thiểu tối đa e Xác định điện trở AC diode Hình 1-20 (Bài tập 1-10) ĐS (a) I = -8.10 V + 1,6.10 ; (b) ID ≈ 1,12 mA; vD ≈ 0,62 V; (c) 554 Ω; (d) Imax ≈ 1,3 mA; Imin ≈ 0,82 mA; (e) 31,25 Ω 1-11 Diode Si mạch hình 1-21 có đặc tuyến giống với hình 1-3b Tìm giá trị đỉnh dòng i(t) áp v(t) điện trở Vẽ dạng sóng cho e(t), i(t) v(t) -4 -3 Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 8/9 Đại Học Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện-Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-20 (Bài tập 1-11) ĐS Ip = -15,3 mA; VRP = -15,3 V 1-12 Diode hình 1-22 phân cực thuận diode phân cực ngược? Hình 1-22 (Bài tập 1-12) ĐS (a) (c) (d) phân cực thuận; (b) phân cực ngược Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 9/9 ... điểm E/R (và c t tr c V điểm Vo=E) Đường thẳng gọi đường tải DC (DC Load Line) Bài tập Kỹ Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 3/9 Đại H c Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện- Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com... Thuật Điện Tử - Phần Diode - Trang 6/9 Đại H c Bách Khoa TP.HCM – Khoa Điện- Điện Tử Lê Chí Thơng – chithong@gmail.com Hình 1-14 (Bài tập 1-1) ĐS ≈320 Ω; ≈16 Ω; silicon 1-2 X c định điện trở DC diode. .. xem c ng t c có điện trở khơng đóng vơ hở Như vậy, phân tích mạch vậy, ta xem diode c ng t c điều khiển điện áp, phân c c thuận đóng, phân c c ngư c phân c c với áp gần hở mạch Tùy theo độ lớn điện