Bài giảng Chương 2: Kỹ thuật điện tử

Chương 2 Diode Diode là gì ? Cấu tạo Diode  Diode được tạo thành từ lớp bán dẫn pha tạp loại p và bán dẫn pha tạp loại n ghép tiếp xúc công nghệ với nhau như hình vẽ:  Các quá trình vật lý xảy ra giữa hai lớp bán dẫn này được sử dụng để tạo thành tính chất cho diode. p n Cấu tạo Diode  Ký hiệu quy ước của diode bán dẫn trong mạch điện được biểu diễn như sau: A K  Diode có hai cực: + Cực A (anốt) là cực nối với lớp bán dẫn p. Cực A còn gọi là cực dương. Điện thế tại anốt được ký hiệu là UA. + Cực K (katốt)là cực nối với lớp bán dẫn n. Cực K còn gọi là cực âm. Điện thế tại katốt được ký hiệu là UK. A Nguyên lý hoạt động  UA≥UK thì diode phân cực thuận(diode thông mạch). Dòng điện qua diode hoàn toàn, trở kháng diode bằng không, đoạn mạch chứa diode coi như ngắn mạch.  UA<UK thì diode phân cực ngược(diode hở mạch). Dòng điện đi qua diode bằng không, trở kháng diode bằng vô cùng, đoạn mạch chứa diode coi như hở mạch. Đặc tuyến Voltage - Ampere  Đặc tuyến vol-ampere là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện qua diode. Đặc tuyến vol-ampere của diode bán dẫn được mô tả như sau: Đặc tuyến Voltage - Ampere  Vùng 1: diode phân cực thuận.  Khi một điện áp dương đặt tới hai đầu diode đủ lớn, diode sẽ cho dòng điện chảy qua hoàn toàn. Diode có thể coi như ngắn mạch.  Vùng 2: diode phân cực ngược.  Khi một điện áp âm đặt tới hai đầu diode, dòng điện chảy qua diode là rất nhỏ. Khi điện áp âm lớn hơn vài phần trăm vol, dòng điện ngược sẽ không đổi và đạt tới dòng bão hòa ngược là ID = -I0  Vùng 3: vùng đánh thủng.  Khi điện áp âm đủ lớn đặt vào hai đầu diode (khoảng -100V), dòng điện ngược qua diode tăng đột ngột khi điện áp không thay đổi, tính chất van của diode bị phá hỏng. Hiện tượng này được gọi là Zener hay đánh thủng. Điện áp mà tại đó xảy ra hiện tượng trên gọi là điện áp đánh thủng, ký hiệu là VBR. Đặc tuyến Voltage - Ampere  Tại vùng 1 và vùng 2, đặc tuyến vol-ampere của diode tuân theo biểu thức Shockley:  trong đó:  q là điện tích electron, 1.6022 x 10-19 C.  k là hằng số Boltzmann, 1.3806 x 10-23 J/K.  I0 là dòng điện bão hòa ngược, giá trị từ 10 -16 đến 1μA.  T là nhiệt độ ở thang Kelvins (K).  n là hằng số hiệu chỉnh, về lý thuyết lấy giá trị 1, trên thực tế lấy giá trị từ 1 đến 2 đối với diode thực tế        1. . 0 nkT Vq D D eII Đặc tuyến Voltage - Ampere  Ở nhiệt độ phòng chuẩn (25oC, 77oF, 298.16K), , ta có:  Để đơn giản, biểu thức Shockley thường được viết dưới dạng sau:  trong đó:  gọi là điện áp nhiệt, là hàm chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.  Khi diode phân cực thuận với điện áp đủ lớn, thành phần -1 trong biểu thức tính ID có thể bỏ qua.  Ví dụ, khi n=1, VD=0.1 ở nhiệt độ phòng, thành phần . So với giá trị 1, nếu chấp nhận sai số 2% thì ta có thể bỏ qua giá trị -1 trong biểu thức tính ID khi vD>0.1V.  (VD>0.1V)  Khi diode phân cực ngược, với VD<-0.1V thì thành phần có thể bỏ qua khi so với 1, vì vậy: (VD<-0.1V) 192.38  V kT q q kTVT  01.49892.3 .92.38  ee n VD        nV V D T D eII . 0 . 02.0892.3 .92.38  ee n VD 0II D         1. .0 nV V D T D eII Sơ đồ tương đương  Việc tính toán toán học các mạch diode gặp rất nhiều khó khăn do tính phi tuyến, đặc biệt là sự xuất hiện của các thành phần hàm mũ trong đó.  Vì vậy, để đơn giản người ta đưa ra một số các sơ đồ tuyến tính tương đương của diode. Mỗi một sơ đồ có độ chính xác khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà người thiết kế quyết định chọn sơ đồ nào cho phù hợp  Sơ đồ tương đương tuyến tính của diode bán dẫn trong chế độ một chiều.  Sơ đồ tương đương diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều  Sơ đồ tương đương 1: Sơ đồ tương đương đơn giản nhất cho diode bán dẫn gọi là diode lý tưởng. - Khi vD>0 thì diode cho dòng điện đi qua hoàn toàn. Diode coi như bị ngắn mạch. - Khi vD<0 thì diode ngăn không cho dòng điện đi qua. Diode coi như bị hở mạch. Hình biểu diễn của diode lý tưởng giống như diode bán dẫn nhưng có thêm chữ Ideal (lý tưởng) ở phía trên Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều  Sơ đồ tương đương 2:  Sơ đồ tương đương chính xác hơn.  Điện trở Rth cho phép điện áp phân cực thuận nhận giá trị khác 0.  Giá trị của Rth nằm trong khoảng 1 đến 50Ω. Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều  Sơ đồ tương đương 3:  Một nguồn điện 1 chiều V0 mắc nối tiếp với điện trở sẽ làm cho đặc tuyến vol-ampere gần với đặc tuyến thực hơn. Giá trị của V0 nằm trong khoảng 0.4 đến 0.7V.  Từ sơ đồ tương đương hình (c) ta có: Khi VD > V0 thDD RIVV .0  Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều  Sơ đồ tương đương 4: Sơ đồ tương đương cho vùng đánh thủng Zener.Giá trị của nguồn 1 chiều đúng bằng điện áp đánh thủng VBR Sơ đồ tương đương chế độ xoay chiều  Sơ đồ tương đương diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp :  Ở đây, ta sẽ xem xét các mạch tín hiệu nhỏ, tức là tín hiệu có biên độ là nhỏ so với điện áp và dòng điện 1 chiều tại điểm làm việc. Khi các thành phần tần số của tín hiệu là thấp, chúng ta có thể bỏ qua tác động điện dung trong diode.  Sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ chỉ là một điện trở động r được xác định như hình vẽ. Một số ứng dụng của Diode và một số loại Diode đặc biệt  Ứng dụng của Diode  Mạch chỉnh lưu  Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ  Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ  Mạch ghim  Một số loại diode đặc biệt  Diode Zenner  Photo diode  Light emitting diode (LED)  Varactor diode  Schotty diode Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Mạch chỉnh lưu : là mạch biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.  Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ:  Các linh kiện trong mạch:  V1 là điện áp lưới 220V, 50Hz.  T1 là biến áp, thực hiện biến đổi dòng xoay chiều thành dòng xoay chiều có biên độ thay đổi.  D1 là diode bán dẫn, nhờ tính chất van dòng điện sẽ chỉnh lưu dòng xoay chiều phía thứ cấp của biến áp thành dòng 1 chiều. Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán trên 1 chu kỳ từ 0 đến T. Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn. 0 < t < T/2: U2>0 => diode phân cực thuận => U0=U2 T/2 < t < T: U2 diode phân cực ngược => U0=0. Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Nhận xét:  Tại đầu ra, điện áp luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Tuy nhiên, điện áp ra chỉ tồn tại trong nửa chu kỳ dương của điện áp vào. Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ.  Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U2 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2) 2 22 0 2 0 2 ___ 0 45.0 .2 2 )2cos( . .2 )sin(..2 1 U U f ft T U dttU T U TT        Mạch chỉnh lưu nủa chu kỳ  Tín hiệu ra U0 là tín hiệu 1 chiều tuy nhiên tín hiệu này không ổn định. Tín hiệu 1 chiều mong muốn là tín hiệu bằng phẳng và ổn định. Để làm cho tín hiệu ra bằng phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch như sau: D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg R1 T1 U2 C1 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Các linh kiện trong mạch:  V1 là điện áp lưới, 220V, 50Hz.  T1 là biến áp có điểm đất chung ở giữa. Hai điện áp ra U21 và U22 sẽ ngược pha nhau.  Hai diode D1 và D2 phối hợp với nhau đảm bảo điện áp ra tồn tại trong cả hai chu kỳ. D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg R1 10k T1 D2 U 21 U 22 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán trên 1 chu kỳ từ 0 đến T. Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn.  0 < t < T/2:  U21>0 => Diode 1 phân cực thuận  U22 Diode 2 phân cực ngược => U0=U21  T/2 < t < T:  U21 Diode 1 phân cực ngược  U22>0 => Diode 2 phân cực thuận => U0=U22 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Nhận xét:  Tại đầu ra, điện áp ra luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Điện áp ra tồn tại trong cả hai nửa chu kỳ. Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ.  Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U21 và U22 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2). Dễ thấy giá trị trung bình của điện áp ra trong mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ gấp đôi trường hợp chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ, vậy  Để đánh giá độ bằng phẳng của điện áp ra, thường sử dụng hệ số gợn sóng được định nghĩa đối với thành phần sóng bậc n:  với Unm là biên độ sóng có tần số n.ω, U0 là thành phần điện áp 1 chiều trên tải. Đối với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có: q1 = 0.67 2 ___ 0 9.0 UU  0U U q nmn  Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Tín hiệu ra U0 là tín hiệu 1 chiều tuy nhiên tín hiệu này không ổn định. Tín hiệu 1 chiều mong muốn là tín hiệu bằng phẳng và ổn định. Để làm cho tín hiệu ra bằng phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch như sau: D1 V1 220 V 50 Hz 0Deg R1 T1 U D2 21 U 22 C1 Mạch chỉnh lưu hai nủa chu kỳ  Khi có thêm tụ điện, giá trị trung bình của điện áp ra sẽ tăng và hệ số gợn sóng giảm q1 ≤ 0.02. Mạch chỉnh lưu cầu  Các linh kiện trong mạch:  4 diode D1, D2, D3, D4 mắc như trên gọi là mắc theo hình cầu.  V1 là nguồn điện áp lưới.  T1 là biến áp. V1 220 V 50 Hz 0Deg R1 T1 D1 D2 D3D4 U2 U0 Mạch chỉnh lưu cầu  0 < t < T/2:  U2 > 0 => D1, D3 phân cực ngược; D2, D4 phân cực thuận => U0 = U2  T/2 < t < T:  U2 D1, D3 phân cực thuận; D2, D4 phân cực ngược => U0 = -U2 Mạch chỉnh lưu cầu  Nhận xét:  Điện áp tại đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu giống như mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. Tuy nhiên, do luôn có hai diode phân cực ngược nên điện áp ngược đặt lên mỗi diode khi phân cực ngược chỉ bằng một nửa so với trường hợp mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ. Điều này rất có ý nghĩa khi chọn linh kiện cho mạch. Mạch ghim Mạch ghim là mạch điện tử có chức năng hạn chế tín hiệu không cho vượt quá một ngưỡng nào đó.  Có hai loại mạch ghim :  mạch ghim trên  mạch ghim dưới.  Mạch ghim trên là mạch điện hạn chế không cho điện áp lớn hơn một ngưỡng nào đó, tức là khi điện áp lớn hơn ngưỡng đó, điện áp sẽ bị cắt.  Mạch ghim dưới là mạch điện hạn chế không cho điện áp nhỏ hơn một giá trị nào đó, tức là khi điện áp nhỏ hơn ngưỡng đó, điện áp sẽ bị cắt. Mạch ghim trên nối tiếp  Các linh kiện trong mạch:  U1 là tín hiệu vào  E là nguồn 1 chiều, cũng là mức hạn chế trên.  D1 là diode.  Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:  Điện áp vào U1 đặt tới đầu Katốt của diode.  Nguồn 1 chiều E đặt tới đầu Anốt của diode. D1 R E U1 U0 Mạch ghim trên nối tiếp  Phân tích hoạt động của mạch:  0 < t < t1:  U1 Diode phân cực thuận => U0 = U1  t1 < t < t2:  U1 > E => Diode phân cực ngược => U0 = E  t2 < t < t3:  U1 Diode phân cực thuận => U0 = U1  . Mạch ghim trên nối tiếp  Nhận xét:  Khi điện áp vào nhỏ hơn E thì điện áp ra bằng điện áp vào. Khi điện áp vào lớn hơn E thì điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E. Như vậy, mạch sẽ ghim không cho điện áp ra lớn hơn E. Đó chính là mạch ghim trên.  . Mạch ghim dưới nối tiếp  Các linh kiện trong mạch:  U1 là tín hiệu vào  E là nguồn 1 chiều, cũng là mức hạn chế dưới. Chú ý nguồn E mắc ngược lại so với trường hợp mạch ghim trên nối tiếp. Khi đó, mức ghim dưới bằng –|E|.  D1 là diode. . D1 R E U1 U0 Mạch ghim dưới nối tiếp  Phân tích hoạt động của mạch:  0 < t < t1:  U1 > -E => Diode phân cực thuận => U0 = U1  t1 < t < t2:  U1 Diode phân cực ngược => U0 = -E  t2 < t < t3:  U1 > -E => Diode phân cực thuận => U0 = U1 . Mạch ghim dưới nối tiếp Nhận xét:  Khi điện áp vào lớn hơn -E thì điện áp ra bằng điện áp vào. Khi điện áp vào nhỏ hơn -E thì điện áp ra sẽ bị cắt và bằng -E. Như vậy, mạch sẽ ghim không cho điện áp ra nhỏ hơn -E. Đó chính là mạch ghim dưới. . Diode Zenner  Diode Zener là diode đặc biệt được chế tạo để hoạt động trong vùng đánh thủng. Trong miền phân cực thuận, diode Zener hoạt động như một diode chỉnh lưu bình thường. Trong miền phân cực ngược, khi điện áp phân cực ngược đạt tới giá trị điện áp đánh thủng VD=VBR thì dòng điện ngược qua diode sẽ tăng mạnh và nhưng điện áp VD=const, nên diode Zener thường được sử dụng để ổn áp 1 chiều.  . . PhotoDiode (Diode thu quang)  PhotoDiode là thiết bị chuyển hóa quang năng thành điện năng. PhotoDiode hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Các photon ánh sáng khi chiếu vào photodiode sẽ tạo ra dòng điện phân cực ngược tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào.  . LED (Light Emitting Diode ) Diode phát quang  LED là diode bán dẫn đặc biệt có khả năng phát quang khi phân cực thuận. Cường độ sáng của diode tỷ lệ với dòng phân cực thuận. LED thường được sử dụng để hiển thị số trong các loại máy tính cầm tay hoặc các thiết bị hiển thị số khác. Ký hiệu của LED giống như diode bán dẫn có thêm hai mũi tên ra, ý nghĩa là ánh sáng phát ra khi có phân cực thuận. Varactor Diode (Diode biến dung)  Diode khi được phân cực ngược có thể được coi tương đương như một tụ điện, giá trị điện dung của tụ điện thay đổi theo giá trị điện áp phân cực ngược. Diode biến dung thường được ứng dụng trong các mạch cộng hưởng chọn tần: Mạch điều chỉnh tần số tự động - AFC (Automatic frequency Controller) hay VCO (Voltage-Controlled Oscillator) . Schottky Diode  Schottky Diode được cấu thành từ lớp tiếp xúc giữa lớp bán dẫn và lớp kim loại. Dạng đặc tuyến của Schottky Diode giống với diode bán dẫn nhưng có 2 điểm khác như sau:  Thời gian chuyển mạch từ phân cực thuận sang phân cực ngược của Schottky Diode là rất ngắn so với diode bán dẫn.  Dòng điện phân cực thuận cho cùng 1 điện áp của Schottky Diode lớn hơn so với diode bán dẫn.  Nhờ những đặc điểm trên, Schottky Diode thường được ứng dụng trong các chuyển mạch có thời gian chuyển đổi nhanh. Bài tập 1  Cho mạch điện như hình vẽ:  Giả thiết diode là lý tưởng. Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ, có biên độ ±6V, chu kỳ T=30ms. Biết E=+2V.  a. Phân tích hoạt động của mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt của mạch U2(U1).  b. Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t).  c. Tính các tham số của điện áp ra U2(t). Bài tập 2  Cho mạch điện như hình vẽ sau:  Giả thiết các diode là lý tưởng. Biết E1=2V, E2=-3V. Cho điện áp vào U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua trục tung, có biên độ ±5V, chu kỳ T=20ms. Cho R=1KΩ.  a. Phân tích hoạt động của mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt của mạch U2(U1).  b. Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t).  c. Tính các tham số của điện áp ra U2(t). Bài tập 3  Mạch điện trong hình vẽ sau được dùng để xấp xỉ tín hiệu hình sin bằng một điện áp tam giác kiểu dùng đường gãy khúc.  Giả thiết các diode là lý tưởng. U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc tọa độ. a. Phân tích hoạt động của mạch. b. Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc có biên độ ±6V, R1=R2=4R3=4R4, E1=±3V. Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) theo thời gian phù hợp với tín hiệu vào. D1 R1U1 U2 D2 R2 R3 R4+E1 -E1