Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
1/
14
2
Phân tích mạch chứa
diode
2-1 Giới thiệu
Trong chương 1 ta đã học về cấu trúc và tính chất của chuyển tiếp PN và đã tìm hiểu qua linh
kiện diode. Diode là một chuyển tiếp PN được đặt vào trong một vỏ linh kiện và kết nối với bên
ngoài thông qua các chân linh kiện. Diode bán dẫn cũng có thể là một phần của một mạch tích hợp
(integrated circuit) lớn hơn, trong trường hợp này, diode có thể có hoặc không có các chân nối với
bên ngoài.
Trong chương này, ta sẽ xây dựng mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trong diode. Dựa vào
đó, chúng ta sẽ học các phân tích mạch chứa diode bằng cách thay diode bằng một mạch tương
đương đơn giản hơn. Ta sẽ thấy rằng việc chọn phần tử mạch tương đương là phụ thuộc vào điện áp
và dòng điện qua diode, tức là phụ thuộc vào điểm làm việc của diode, và phụ thuộc vào độ chính
xác mà ta cần khi phân tích mạch.
2-2 Diode là một linh kiện phi tuyến
Sự tuyến tính là một khái niệm quan trọng trong điện tử. Khái niệm này rất rộng, tuy nhiên,
trong khía cạnh mà ta đang xem xét, ta có thể xem một linh kiện tuyến tính là một linh kiện mà đồ
thị quan hệ của điện áp và dòng điện của linh kiện là một đường thẳng. Quan hệ này có thể được
biểu diễn dưới dạng
12
VKIK=+ (2-1)
''
12
I
KV K=+
(2-2)
Trong mối quan hệ này, tần số được giả sử là không đổi. Hình 2-1 là đồ thị vẽ điện áp trên một
điện trở
200 Ω
và dòng điện qua nó. Đây là một quan hệ tuyến tính với
200VI=
. Cần lưu ý rằng
độ dốc của đặc tuyến là 200
V
rI
∆
==
∆
, và mối quan hệ tuyến tính là đúng cho cả phần âm lẫn phần
dương của đặc tuyến. Việc thay đổi cực tính của điện áp trên điện trở và dòng điện ngang qua nó
không làm thay đổi tính chất tuyến tính. Cũng cần chú ý là độ dốc của đặc tuyến (nghịch đảo của
đạo hàm) tại mọi điểm trên đặc tuyến là không đổi.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
2/
14
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
2-2, với độ dốc có đơn vị là điện dẫn,
1/ (siemens)
I
GR
V
∆
==
∆
, thay vì điện trở.
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
(1)
T
VV
s
IIe
η
=− (2-3)
với
S
I
= dòng ngược bão hòa
T
V= 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.
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.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
3/
14
Hình 2-2 trình bày cách tìm V∆ và
I
tại hai điểm khác nhau của đặc tuyến
I
V−. Dùng các
giá trị này ta có thể tính điện trở của diode tại hai điểm từ V
r
I
∆
=
∆
. Tại điểm 0.65 VV= và
30 mAI=, ta có
3
0.015 V 0.75
20 10 A
V
rI
−
∆
== = Ω
∆×
Tại điểm 0.58 V
V= và 2.2 mAI=, ta có
-3
0.04 V 10
410 A
V
rI
∆
== =Ω
∆×
Ta thấy rằng điện trở của diode thay đổi hơn 10 lần khi điện áp trên diode thay đổi từ 0.65 V
đến 0.58 V . Không giống như một linh kiện tuyến tính, điện trở của một linh kiện phi tuyến phụ
thuộc vào điện áp trên linh kiện hoặc dòng điện qua linh kiện, có nghĩa là điện trở phụ thuộc vào
điểm mà tại đó V∆ và
I
∆
được tính. Trong trường hợp của diode ta cần phải lưu ý hơn nữa là đặc
tuyến
I
V− gần như trở nên nằm ngang ở dòng điện thấp và trong vùng phân cực ngược. Do đó,
trong các vùng này, một sự thay đổi lớn trong điện áp, V
∆
, chỉ tạo ra một thay đổi rất nhỏ trong
dòng điện,
I
∆
, vì vậy giá trị của
V
r
I
∆
=∆
rất lớn.
Điểm nằm trên đặc tuyến
I
V− mà ở đó diode chuyển từ giá trị điện trở cao sang giá trị điện
trở thấp được gọi là điểm gián đoạn (break point hoặc knee) của đặc tuyến. Trong hình 2-2, điểm
gián đoạn của đặc tuyến xuất hiện trong khoảng
1 mA
I
≈
đến 5 mAI
≈
. Khi dòng điện qua diode
là lớn hoặc nhỏ hơn nhiều so với dòng điện tại điểm gián đoạn, ta nói rằng diode được phân cực
trên hoặc dưới điểm gián đoạn (back bias).
2-3 Điện trở ac và dc
Điện trở đã tính trong phần trên bằng cách dùng biểu thức
V
I
∆
∆
được gọi là điện trở ac (hoặc
điện trở động của diode). Nó được gọi là điện trở ac bởi vì ta quan tâm đến những thay đổi nhỏ
trong điện áp, V∆, mà sẽ gây ra sự thay đổi trong dòng điện,
I
. Trong cách sử dụng phương
pháp đồ thị để tính điện trở ac, sự thay đổi của V
∆
và
I
∆
phải đủ nhỏ để đảm bảo đoạn làm việc
Hình 2-2
Đặc tuyến phân cực
thuận của diode. Giá trị
VI
∆
∆ phụ thuộc vào
điểm
đ
ư
ợ
c tính.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
4/
14
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 0.55 V
V
=
và 0.65 VV= 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
()
D
V
rI
∆
=Ω
∆
(2-4)
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
()
D
V
RI
=Ω
(2-5)
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 (0.58 V) /(2.2 mA) 263.6
D
R==Ω trong khi điện trở dc tại điểm trên
điểm gián đoạn là (0.65 V) /(30 mA) 21.6
D
R==Ω. Đối với diode có đặc tuyến như hình 2-2,
dòng ngược xấp xỉ khoảng
1 A
µ
−
khi 1 VV
=
−, vì vậy điện trở dc trong trường hợp này là
6
( 1 V) /( 10 A) 1 M
D
R
−
=− − = 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,
ta có thể chứng minh được là điện trở ac có thể được tính xấp xỉ
T
D
V
r
I
≅
, với
T
V là điện thế nhiệt
và
I
là dòng dc qua diode. Ở nhiệt độ 300 KT
=
,
T
V khoảng 26 mV , vì vậy tại nhiệt độ phòng
này ta có
()
0.026
D
r
I
≅Ω
(2-6)
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
này, dòng dc là 30 mA , vì vậy theo biểu thức 2-6,
3
(0.026 V) /(3 10 A) 0.86
D
r
−
=
×=Ω
. 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
B
r. 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
D
B
rr+, tuy nhiên khi dòng
cao thì
D
r lớn hơn nhiều so với
B
r 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.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
5/
14
1. Tìm điện trở dc của diode khi điện áp trên diode là 0.56 V , 0.62 V và 0.67 V .
2. Tìm điện trở ac của diode khi điện áp trên diode thay đổi giữa 0.55 V và 0.57 V , giữa 0.61 V
và 0.63 V và giữa 0.66 V và 0.68 V .
3. Tìm điện trở ac xấp xỉ khi điện áp trên diode là 0.56 V , 0.62 V và 0.67 V . Giả sử điện trở bulk
tương ứng là 0.8 Ω, 0.5
Ω
và 0.1 Ω.
Hướng dẫn
1. Trước tiên cần phải tính dòng điện qua diode cho mỗi trường hợp. Ta đã biết là điện áp rơi trên
điện trở 5
RD
VV=− , với
D
V là điện áp rơi trên diode. Dòng qua diode bằng dòng qua điện trở và là
()
5
D
I
VR=− .
()
()
()
()
()
1
2
3
4
5
50.55V 0.705 mA
6312
50.56V 1.04 mA
4269
50.57V 1.54 mA
2877
50.61V 7.33 mA
599
50.62V 10.8 mA
405
I
I
I
I
I
−
==
Ω
−
==
Ω
−
==
Ω
−
==
Ω
−
==
Ω
(
)
()
()
()
6
7
8
9
50.63V 15.9 mA
274
50.66V 51.1 mA
85
50.67V 75.3 mA
57.5
50.68V 110.8 mA
39.0
I
I
I
I
−
==
Ω
−
==
Ω
−
==
Ω
−
==
Ω
Điện trở dc tại các điểm điện áp đo được tính bằng biểu thức 2-5.
Tại 0.56 VV=,
-3
0.56 V 538.5
1.04 10 A
D
R
==Ω
×
.
Hình 2-3
Ví dụ 2-1