Giáo trình Mạch điện tử - Chương 1: Diode bán dẫn

êng cưa (sawtooth wave) 
Tụ C: 
LpRVf
VC ∆=
max 
Điện áp gợn sóng hiệu dụng: 
32
)( minmax VVv rmsr
−= 
Chứng minh: 
1.4.4 Mạch nhân đôi điện áp (Voltage-doubling circuit) 
• Ví dụ 1: (Nhân đôi điện áp một bán chu kỳ) 
1 5
4 8
C1
C2D1
D2
9 Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax 
9 Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp điện 
cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax 
vS 
+ +
Chương 1 20
• Ví dụ 2: (Nhân đôi điện áp hai bán chu kỳ) 
D1 D2
C1C2
1 5
4 8
9 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 
9 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 
1.4.5 Nhân tần số (Frequency multiplication) 
9 Mạch chỉnh lưu tạo ra tín hiệu (hài – harmonics) tại các tần số: nωo. 
9 Sử dụng mạch lọc thích hợp để tách lấy thành phần hài cần thiết. 
RL 
+ + 
+
_
vS 
Chương 1 21
1.5 PHÂN TÍCH MẠCH DIODE 
Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến Diode thực 
1.5.1 Mạch Diode đơn giản – Đường tải một chiều (DC Load Line) 
• Phương pháp đồ thị 
9 Phần tử phi tuyến được thể hiện bằng đặc tuyến VA: )( DD vfi = 
9 Phần còn lại (tuyến tính) được thay thế bằng mạch tương đương 
Thevenin: TDTD Rivv −= hay: 
T
T
D
T
D R
vv
R
i +−= 1 (DCLL) 
• Tìm điểm hoạt động (tĩnh điểm Q – quiescent point) 
vi 
ri 
vD 
RL vL 
vT 
RT 
vD 
iD iD 
+ + + 
_ _ 
_ 
Diode hoặc 
các phần tử 
phi tuyến 
Mạch tương đương Thevenin 
của phần tuyến tính 
Chương 1 22
• Điện áp tương đương Thevenin vT thay đổi (Ví dụ: vT = VTmsinωt) 
Chương 1 23
1.5.2 Phân tích tín hiệu nhỏ – Điện trở động (Dynamic resistance) 
• Tín hiệu nhỏ 
Thành phần thay đổi (ac) của tín hiệu là rất nhỏ so với thành phần dc. 
tVVvVv imdcidcT ωsin+=+= với Vim << Vdc 
• Phương pháp kết hợp đồ thị – phân tích (graphical-analytical) 
Chương 1 24
Phân tích tín hiệu nhỏ: 
Chuyển trục toạ độ về Q: DQDd Iii −= 
 DQDd Vvv −= 
Tín hiệu nhỏ: Xem ab là đoạn thẳng đi qua Q và có phương trình: 
d
d
d r
vi = 
Điện trở động (dynamic resistance): 
QD
D
d i
vr ∆
∆= 
Chương 1 25
• Tính giá trị điện trở động 
Từ phương trình: T
D
mV
v
oD eIi ≈ , giá trị điện trở động: 
DQDQ
T
QD
D
QD
D
d I
mVm
I
mV
i
v
i
vr )(25×==∂
∂≈∆
∆= 
với: IDQ: Dòng điện tĩnh điểm qua Diode 
• Mạch tương đương 
(a) (b) 
9 Mạch (a): Tìm tĩnh điểm Q (IDQ và VDQ), sử dụng phương pháp đồ thị 
9 Mạch (b): Tìm đáp ứng tín hiệu nhỏ (id và vd), sử dụng điện trở động 
và các định luật Kirchhoff 
9 Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm tổng đáp ứng 
Vdc 
RT RT 
rd 
vi 
VDQ 
IDQ 
+ _ 
id 
Chương 1 26
• Mạch điện có thành phần điện kháng - reactive elements (LC) 
Ví dụ: 
 Giả sử: 1/Cω << RL và Vim << Vdc 
Mạch tương đương: 
(a) (b) 
Vdc 
ri vD 
R1 RL 
C + _
vi = Vimsinωt 
Vdc 
ri + _
R1 
VDQ
IDQ vi
ri rd 
R1 RL 
Chương 1 27
1.5.3 Đường tải xoay chiều (AC Load Line - ACLL) 
Xét ví dụ trên 
 Giả sử: 1/Cω << RL và Vim << Vdc 
• Tín hiệu dc 
Điện trở mạch tương đương Thevenin nhìn từ Diode: RTdc = ri + R1 
Độ dốc của DCLL: slopedc = 
1
11
RrR iTdc +
−=− 
• Tín hiệu nhỏ (ac) 
Điện trở mạch tương đương Thevenin nhìn từ Diode: RTac = ri + R1//RL 
Độ dốc của ACLL: slopeac = 
LiTac RRrR //
11
1+
−=− 
Vdc 
ri vD 
R1 RL 
C + _
vi = Vimsinωt 
Chương 1 28
• Phân tích đồ thị 
1.5.4 Phân tích tín hiệu lớn – Sự méo dạng và dịch chuyển tĩnh điểm 
1.5.5 Phân tích tuyến tính hoá từng đoạn và mạch tương đương 
Chương 1 29
1.6 MẠCH XÉN VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP 
1.6.1 Mạch xén (Clippers) 
Mạch xén dùng để loại bỏ tín hiệu nằm dưới (hay trên) một mức chuẩn 
(reference level) 
• Ví du 1: (Giả sử Diode lý tưởng) 
• Ví dụ 2: (Giả sử Diode lý tưởng) 
R
vi vo 
VB 
R
vi vo 
VB 
Chương 1 30
• Ví dụ 3: (Giả sử Diode lý tưởng) 
1.6.2 Mạch ghim điện áp (Clampers) 
Mạch ghim điện áp 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 
R
vi vo 
VB1 VB2 
R
vi vo 
VB 
C 
VC = Vm -VB
Chương 1 31
1.7 DIODE ZENER 
• Diode Zener: Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch 
• Ký hiệu và Đặc tuyến VA 
9 Phân cực thuận: Như Diode thông thường 
9 Phân cực nghịch: minmax ZZZ IiI ≥≥ , 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 = 0.1 IZmax 
PZmax = VZIZmax: Công suất tối 
đa tiêu tán trên Diode Zener 
• Ứng dụng: Thường dùng để tạo điện áp chuẩn (reference voltage) 
Chương 1 32
1.7.1 Mạch ổn áp dùng Diode Zener (Zener regulator) 
 vS và iL: Không ổn định 
• Mục đích: Thiết kế mạch sao cho Diode Zener hoạt động trong vùng ổn 
áp (vùng gãy – breakdown region): IZmax ≥ iZ ≥ IZmin , vZ = VZ 
• Phân tích: 
LZ
ZS
R
ZS
i ii
Vv
i
VvR +
−=−= ⇒ L
i
ZS
Z iR
Vvi −−= 
Để IZmax ≥ iZ ≥ IZmin với mọi giá trị của vS và iL: min(iZ) ≥ IZmin và max(iZ) ≤ IZmax 
⇒ minmaxmin)min( ZL
i
ZS
Z IIR
VVi ≥−−= 
và maxmin
max)max( ZL
i
ZS
Z IIR
VVi ≤−−= 
vS 
Ri 
RL 
iL 
iZ 
iR 
VZ 
+
_
Chương 1 33
⇒ 
maxmin
max
minmax
min
ZL
ZS
i
ZL
ZS
II
VVR
II
VV
+
−≥≥+
−
Với yêu cầu về nguồn (vS) và tải (iL) cho trước, để chọn được Ri cần phải có 
maxmin
max
minmax
min
ZL
ZS
ZL
ZS
II
VV
II
VV
+
−≥+
−
, thường chọn IZmin = 0.1 IZmax 
⇒ Chọn Diode Zener sao cho: 
maxmin
minminmaxmax
max 1.09.0
)()(
SZS
ZSLZSL
Z VVV
VVIVVII −−
−−−≥ 
 và: maxmax LZ II ≥ 
 và: minmaxminmaxmin 101.0 LZLZZ IIIII ≤⇒≤= 
• Thiết kế: Làm theo thứ tự ngược lại để xác định IZmax của Diode Zener và 
Ri 
• Ví dụ 1: Thiết kế mạch ổn áp dùng Diode Zener: VZ = 10 V 
a) vS : 14 ÷ 20 V và iL: 100 ÷ 200 mA 
A
VVV
VVIVVII
SZS
ZSLZSL
Z 533.01.09.0
)()(
maxmin
minminmaxmax
max =−−
−−−≥ 
và AII LZ 2.0maxmax =≥ 
Chương 1 34
và AII LZ 110 minmax =≤ 
Chọn IZmax = 0.533A ⇒ Ri = 15.8 Ω 
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 
b) vS : 10.2 ÷ 14 V và iL: 20 ÷ 200 mA 
A
VVV
VVIVVII
SZS
ZSLZSL
Z 41.09.0
)()(
maxmin
minminmaxmax
max −=−−
−−−≥ 
Không thiết kế được !!! 
• Ví dụ 2: VZ = 7.2 V; vS = Vdc = 12 V; iL: 12 ÷ 100 mA; Tìm Ri 
VSmax = VSmin = Vdc = 12V 
mA
VVV
VVIVVII
SZS
ZSLZSL
Z 8.971.09.0
)()(
maxmin
minminmaxmax
max =−−
−−−≥ 
và mAII LZ 100maxmax =≥ 
và mAII LZ 12010 minmax =≤ 
Chọn IZmax = 100 mA 
Chương 1 35
⇒ 43.5Ω ≥ Ri ≥ 40Ω: Chọn Ri = 43.5Ω 
Công suất tiêu tán cực đại: 
Trên Ri: PRimax = (Vdc – VZ)2/ Ri = 0.53W 
Trên Diode Zener: PDiode = IZmaxVZ = 0.72 W 
1.7.2 Diode Zener thực tế và Độ thay đổi điện áp (percent regulation) 
• Diode Zener thực tế: 
9 Đặc tuyến VA 
9 Dùng phương pháp đồ thị để phân tích mạch. 
Chương 1 36
• Độ thay đổi điện áp: 
9 Ví dụ: Xét Ví dụ 1a) trong phần trước. Giả sử IZmin = 0.1IZmax = 0.053A 
 Diode Zener thực tế có giá trị điện trở động: rd = 2Ω 
Mạch tương đương: 
 Điện áp ra: Vomax = 10 + 0.53×2 = 11.1V 
 Vomin = 10 + 0.053×2 = 10.1V 
9 Độ thay đổi điện áp: 
 %Reg = (Vomax – Vomin) / Vo danh định (nominal) 
 %Reg = (11.1 – 10.1) / 10 = 10% 
“Never, never, never give up.” 
- Winston Churchill, Sir (1874-1965) 
Ri 
rd 
iL 
vo 
+ 
_ 
VZ 
iZ 
Diode Zener 
lý tưởng 
Chương 1 37
1.8 CÁC LOẠI DIODE KHÁC 
1.9 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 
1.9.1 Aûnh hưởng của nhiệt độ 
• Aûnh hưởng lên đặc tuyến VA 
9 Điện áp ngưỡng Vγ (turn-on voltage) 
)()()( 11 oo TTkTVTVV −−=−=∆ γγγ 
k = 2.5 mV/ oC 
9 Dòng phân cực ngược bão hòa Io 
)(
12
12)()( TTKoo eTITI
−= 
K = 0.07 / oC 
• Quan hệ giữa công suất và nhiệt độ của Diode 
9 Định luật Ohm 
PTT 2112 θ=− 
θ21: Điện trở nhiệt (thermal resistance) giữa 2 và 1 (oC / W) 
P: Công suất tiêu tán (power dissipation) tại 2 (W) 
Chương 1 38
jjccj PTT θ=− 
jcaac PTT θ=− 
Tj ≤ Tjmax: Cho trước bởi nhà sản xuất 
θjc: Hằng số, cho trước bởi nhà sản xuất 
θca: Có thể thay đổi được, sử dụng tản nhiệt 
(heat sink) để giảm θca ⇒ Giảm Tj với cùng 
công suất Pj (Ta = constant) 
9 Đường suy giảm công suất (Derating Curve) 
Pj
Tj 
Tc 
Ta 
θjc 
θc
Chương 1 39
1.9.2 Thông số kỹ thuật 
• Diode thông thường 
1. Điện áp ngược cực đại (PIV – 
Peak Inverse Voltage) 
2. Dòng phân cực nghịch cực đại 
tại PIV 
3. Điện áp phân cực thuận cực đại 
4. Giá trị trung bình của chỉnh lưu 
bán sóng 
5. Nhiệt độ cực đại chỗ tiếp giáp 
pn Tjmax 
6. Đường suy giảm công suất 
• Diode Zener 
1. Điện áp danh định (nominal 
reference voltage) VZT 
2. Độ thay đổi (tolerance) giữa các 
Diode 
3. Công suất tiêu tán cực đại Pmax 
4. Dòng điện thử (test current) IZT 
5. Điện trở động tại dòng thử RZT 
6. Dòng điện tại điểm gối IZk 
7. Điện trở động tại điểm gối RZk 
8. Nhiệt độ cực đại chỗ tiếp giáp 
pn Tjmax 
9. Hệ số nhiệt độ (temperature 
coefficient) TC, thể hiện sự thay 
đổi của VZ theo nhiệt độ