Mạch điện tử

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

1

Chương 1. Diode bán dẫn

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

2 Nội dung

• Diode bán dẫn thông thường • Chỉnh lưu • Mạch xén (clippers) và mạch ghim điện áp (Clampers) • Diode zener

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

3 Ký hiệu

• Giá trị tại điểm tĩnh Q (quiescent-point): IEQ, VCEQ • Giá trị một chiều: IE, VCE • Giá trị tức thời: iE, vCE • Giá trị tức thời của thành phần thay đổi theo thời gian: ie, vce

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

4 Giới thiệu

• Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất. • Các loại diode:

• Diode chân không, • Diode khí, • Diode chỉnh lưu kim loại, • Diode bán dẫn, vv…

• Các vật liệu bán dẫn thường dùng:

• Silicon (Si)

• Phổ biến nhất • Germanium (Ge) • Gallium Arsenide (GaAs)

• Mạch siêu cao tần, phát quang và ứng dụng tần số cao

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

5 Cấu trúc nguyên tử

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

6 Cấu trúc tinh thể

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

7 Các mức năng lượng

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

8 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn

• Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có sự thay

đổi mật độ electron (hole)

• Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường ngoài

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

9 Phân loại bán dẫn

• “Doping”

• Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết.

• Bán dẫn loại p

• Chất đưa vào: chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau) • Phần tử mạng điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

• Bán dẫn loại n

• Chất đưa vào: chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V). • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau). • Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

10 Bán dẫn loại p

• Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

11 Bán dẫn loại n

• Chất đưa vào: Chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

12 Diode bán dẫn

• Diode bán dẫn thông thường: • mạch chỉnh lưu và tách sóng

• Zenner diode:

• tạo điện áp chuẩn • Schottkky diode:

• tụ điện bán dẫn thay đổi được • dùng trong các mạch cộng hưởng

• LED (light-emitting diode): tạo ánh sáng • Tunnel diode: bộ tạo dao động điện trở âm • Photo diode: cảm biến ánh sáng

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

13 Diode bán dẫn thông thường

• Cấu trúc và ký hiệu

• Lớp tiếp xúc pn (pn junction)

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

14 Phân cực của diode

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

15 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

• Diode lý tưởng

• vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit) • vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open circuit)

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

16 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ, tìm dòng qua diode. a. Giả sử diode ON => VD=0 với ID>0 ID >0 (đúng với giả thiết) b. Giả sử diode OFF => ID=0 với VD<0 10=104.ID - VD =>VD=-10V ID=0 (đúng với giả thiết)

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

17 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

Ví dụ: Cho Diode lý tưởng, tìm V?

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

18 Đặc tuyến Volt Ampere (VA)

• Phân cực thuận (vD>0):

• Phân cực nghịch (vD< 0):

I0 [A]: Dòng phân cực nghịch bảo hoà (reverse saturation current)

• • q = 1,6E-19 C • k = 1,38E-23 J/ 0K: Hằng số Boltzmann • T [0K]: Nhiệt độ tuyệt đối • m: 1 m  2: Hằng số thực nghiệm • VT=kT/q 25 mV, tại nhiệt độ phòng (27 0C)

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

19 Diode thực tế và xấp xỉ

• V: điện áp ngưỡng • Rf: điện trở thuận của diode=điện trở động rd+điện trở tiếp xúc

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

20 Đặc tuyến Volt Ampere (VA)

Ví dụ: I01=10-16 A, I02=10-14 A Tính ID1, ID2, VD1, VD2?

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

21 Diode

• Điện trở tĩnh của diode: RD = VD/ID • Điện trở động



• Ảnh hưởng nhiệt độ • Mạch tương đương

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

22 Phương pháp phân tích mạch diode

• Đối với mạch tín hiệu lớn  Xem như diode lý tưởng  giải tích mạch • Đối với mạch tín hiệu bé  Xem diode như một điện trở động

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

23 Phân tích mạch diode

Ví dụ: Xét mạch dùng diode (Vγ=0.7V): Tìm ngõ ra VL với ngõ vào Vi

• Giả sử diode tắt: VL< Vγ

• Khi Vi≥1.4V: Diode dẫn

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

24 Chỉnh lưu

• Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi tín hiệu xoay

chiều (ac) thành tín hiệu một chiều (dc)

• Có 2 loại chỉnh lưu:

• Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification) • Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification)

• Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến diode lý tưởng.

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

25 Chỉnh lưu bán kỳ

• Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification)

Ideal diode

vi = Vimcos(ot)

vL _

Nguoàn (Source)

Taûi (Load)

• Định luật Kirchhoff về điện áp (KVL): • vi > 0: vD = 0 (Diode ngắn mạch)

• vi < 0: Diode hở mạch: ,

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

26 Chỉnh lưu bán kỳ

• Điện áp trên tải vL: • Giá trị trung bình:

• Mạch lọc

• Để tạo điện áp DC ở ngõ ra thì cần sử dụng mạch lọc thông

thấp (LPF)

• Các bộ lọc LPF thường dùng:

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

27 Chỉnh lưu toàn sóng

+ vL _

Hoạt động và điện áp ra trên tải vL (chỉnh lưu toàn sóng)

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

28 Mạch lọc

C RL

vo _

vi • Hoạt động:

• Tụ C được nạp nhanh đến giá trị Vmax của điện áp v0(t). • Khi v0(t) giảm, tụ C phóng điện qua RL với quy luật:

• Quá trình tuần hoàn với tần số chỉnh lưu fp:

• fp = 2f0 : Chỉnh lưu toàn sóng • fp = f0: Chỉnh lưu bán sóng • f0: tần số của nguồn vi.

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

29 Mạch lọc

C RL

vo _

• Xấp xỉ tín hiệu ngõ ra bằng dạng sóng răng cưa

• Tụ C:

• Điện áp gợn sóng hiệu dụng: • fp = 2f0 : Chỉnh lưu toàn sóng • fp = f0: Chỉnh lưu bán sóng • f0: tần số của nguồn vi.

Chứng minh: xem tài liệu

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

30

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

31 Mạch nhân đôi điện áp

• Mạch nhân đôi điện áp một bán kỳ:

• Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

32 Mạch nhân đôi điện áp

• Mạch nhân đôi điện áp hai bán kỳ:

• Bán kỳ dương của vS:

• C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL

thông qua D1 • Bán kỳ âm của vS:

• C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL

thông qua D2

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

33 Mạch xén

• Dùng để loại bỏ tín hiệu nằm dưới (hay trên) một mức chuẩn

(reference level) • Xén trên:

• Xén dưới:

• Xén 2 biên:

Mạch xén

• Xén 2 biên:

• Giả sử D1, D2 tắt =>Vo=Vi

• uD1<0 =>-Vγ - Vo <0 =>Vi > -Vγ • uD2<0 =>Vo – Vγ <0 =>Vi < Vγ • Vậy –Vγ < Vi < Vγ thì Vo=Vi

• Giả sử D1 dẫn, D2 tắt =>Vo=-Vγ

• iD1>0 =>-(Vi+Vγ )/R>0 =>Vi < -Vγ • uD2<0 =>Vo – Vγ < 0 =>-2Vγ < 0 • Vậy Vi < -Vγ thì Vo=-Vγ

• Giả sử D1 tắt, D2 dẫn =>Vo=Vγ • uD1<0 =>-Vγ - Vo <0 =>-2Vγ<0 • iD2>0 =>(Vi – Vγ)/R >0 =>Vi > Vγ • Vậy Vi > Vγ thì Vo=Vγ

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

35 Mạch ghim đỉnh

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

36 Mạch ghim điện áp

VC = Vm -VB

• Thực hiện việc di chuyển tín hiệu (shifting operation) theo trục Y với độ dịch chuyển phụ thuộc vào dạng sóng ngõ vào sao cho tín hiệu ngõ ra luôn được ghim (clamped) tại một giá trị cố định. • Ví dụ: Giả sử Diode lý tưởng, RC >> T và Vm > VB

MẠCH LOGIC SỐ

• Cổng OR

• Giả sử D1, D2, D3 là các Diode lý

tưởng:

+

 Khi V1 (hoặc V2, hoặc V3) >0  D1 dẫn (hoặc D2, D3 dẫn)  Vout>0 – Ta có mức HIGH  Khi V1 và V2 và V3 <= 0  D1 và D2 và D3 tắt  Vout<= 0 – Ta có mức LOW

-

Cổng OR

Biểu thức dạng logic: Yout=A + B + C

MẠCH LOGIC SỐ

• Cổng AND

• Giả sử D1, D2, D3 là các Diode lý

Cổng AND

tưởng:

+

 Khi V1(hoặc V2, hoặc V3)< Vcc  D1 dẫn (hoặc D2, D3 dẫn)  Vout =Vinput – Ta có mức LOW  Khi V1 và V2 và V3 > Vcc  D1 và D2 và D3 tắt  Vout=Vcc – Ta có mức HIGH

-

Biểu thức dạng logic: Yout=A.B.C

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

39 Diode Zener

• Diode Zener:

• Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch

• Ký hiệu và đặc tuyến VA

• Phân cực thuận: như Diode thông thường • Phân cực nghịch: , vZ = VZ = constant

 VZ: Điện áp Zener  IZmax: Dòng phân cực nghịch tối đa của Diode Zener  IZmin: Dòng phân cực nghịch tối thiểu để vZ = VZ, thường IZmin = 0.1IZmax

 PZmax = VZ IZmax: Công suất tối đa tiêu tán trên Diode Zener

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

40 Diode Zener Ri

vS và iL: không ổn định

+ VZ _

• Mạch ổn áp dùng Diode Zener:

• Thiết kế mạch sao cho Diode Zener hoạt động trong vùng ổn áp: IZmax  iZ  IZmin , vZ = VZ

• Phân tích 

• Để IZmax  iZ  IZmin với mọi giá trị của vS và iL: min(iZ)  IZmin và max(iZ)  IZmax 

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

41 Diode Zener



• Với yêu cầu về nguồn (vS) và tải (iL) cho trước • Thường chọn IZmin = 0.1 IZmax Chọn Diode Zener để:

và:

và: • Thiết kế: Làm theo thứ tự ngược lại để xác định IZmax của Diode Zener và Ri

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

42 Diode Zener

Ví dụ: Thiết kế mạch ổn áp dùng Diode Zener: VZ = 10 V, vS : 14  20 V và iL: 100  200 mA và và Chọn IZmax = 0.533A  Ri = 15.8  Cần xét đến công suất tiêu tán cực đại trên Ri và Diode Zener: •Trên Ri: PRimax = (VSmax – VZ)2 / Ri = 6.33 W •Trên Diode Zener: PDiode = IzmaxVZ = 5.33 W vS : 10.2  14 V và iL: 20  200 mA Không thiết kế được !!!

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

43 Diode Zener

Ví dụ: VZ = 7.2 V; vS = Vdc = 12 V; iL: 12  100 mA; Tìm Ri? VSmax = VSmin = Vdc = 12V

Và và Chọn IZmax = 100 mA  43.5  Ri  40: Chọn Ri = 43.5 Công suất tiêu tán cực đại: •Trên Ri: PRimax = (Vdc – VZ)2/ Ri = 0.53W •Trên Diode Zener: PDiode = IzmaxVZ = 0.72 W

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM