Trong chương này, chúng ta khảo sát một số mạch ứng dụng căn bản của diode bán dẫn (giới hạn ở diode chỉnh lưu và diode zener - Các diode ñặc biệt khác sẽ ñược bàn ñến lúc cần thiết)..[r]
(1)(2)Chương 1: Mạch Diode
Chương 2: Mạch Phân Cực Và Khuếch Đại Tín Hiệu Nhỏ Dùng BJT
Chương 3: Mạch Phân Cực Và Khuếch Đại Tín Hiệu Nhỏ Dùng FET
Chương 4: Ảnh hưởng nội trở nguồn tín hiệu (Rs) tổng trở tải (RL) lên mạch khuếch đại
Chương 5: Đáp ứng tần số BJT FET Chương 6: Các dạng liên kết BJT FET Chương 7: Op-Amp Khuếch đại ứng dụng
Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp (Feedback Amp) Chương 9: Mạch khuếch đại công suất (Power Amp) Chương 10: Mạch dao động (Oscillators)
mercury@Updatesofts.com
(3)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
*****
1 Fleeman
Electronic Devices, Discrete and intergrated
Printice Hall- International 1988
2 Boylestad and Nashelsky
Electronic devices and Circuitstheory
Printice Hall- International 1988
3 J.Millman
Micro Electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems
Mc.Graw Hill Book Company 1979
4 Couglin
Operational Amplifiers and Linear intergrated circuits
Printice Hall- International 1988
Trương Văn Tám
(4)CHƯƠNG I: MẠCH DIODE
Trong chương này, khảo sát số mạch ứng dụng diode bán dẫn (giới hạn diode chỉnh lưu diode zener - Các diode ñặc biệt khác ñược bàn ñến lúc cần thiết) Tùy theo nhu cầu ứng dụng, mơ hình lý tưởng, gần hay thực đưa vào cơng việc tính tốn mạch
Nội dung:
1.1 ðường thẳng lấy ñiện
1.2 Diode mạch ñiện chiều
1.3 Diode mạch ñiện xoay chiều
1.4 Mạch cắt( Clippers)
1.5 Mạch ghim áp( Clampers)
1.6 Mạch dùng diode zener
1.7 Mạch chỉnh lưu bội áp
1.1 ÐƯỜNG THẲNG LẤY ÐIỆN (LOAD LINE):
Xem mạch hình 1.1a
Nguồn điện chiều E mắc mạch làm cho diode phân cực thuận Gọi ID
dịng điện thuận chạy qua diode VD hiệu đầu diode, ta có:
(5)Trong đó: I0 dịng điện rỉ nghịch
η=1 ID lớn (vài mA trở lên)
η=1 Khi ID nhỏ diode cấu tạo Ge
η=2 Khi ID nhỏ diode cấu tạo Si
Ngồi ra, từ mạch điện ta cịn có: E - VD - VR =
Tức E = VD + RID (1.2)
Phương trình xác định điểm làm việc diode tức ñiểm ñiều hành Q, ñược gọi phương trình đường thẳng lấy điện Giao điểm đường thẳng với ñặc
tuyến diode ID = f(VD) ñiểm ñiều hành Q
1.2 DIODE TRONG MẠCH ÐIỆN MỘT CHIỀU
- Ngược lại E < VK, mạch ñược xem hở, nên:
(6)1.3 DIODE TRONG MẠCH ÐIỆN XOAY CHIỀU - MẠCH CHỈNH LƯU
1.3.1 Trị trung bình trị hiệu dụng
1.3.2 Mạch chỉnh lưu sóng
1.3.3 Chỉnh lưu tồn sóng với biến có điểm
1.3.4 Chỉnh lưu tồn sóng dùng cầu Diode
1.3.5 Chỉnh lưu với tụ lọc
Mạch chỉnh lưu ứng dụng thông dụng quan trọng diode bán dẫn, có mục đích đổi từ điện xoay chiều (mà thường dạng Sin vng) thành điện chiều
1.3.1 Khái niệm trị trung bình trị hiệu dụng
1.3.1.1 Trị trung bình: Hay gọi trị chiều
Trị trung bình sóng tuần hồn định nghĩa tổng ñại số chu kỳ diện tích nằm trục (dương) diện tích nằm trục (âm) chia cho chu kỳ
Một cách tổng qt, tổng đại số diện tích chu kỳ T sóng tuần hồn v(t) tính cơng thức:
Một vài ví dụ:
(7)
1.3.1.2 Trị hiệu dụng:
Người ta ñịnh nghĩa trị hiệu dụng sóng tuần hồn( thí dụ dịng điện)
trị số tương đương dịng ñiện chiều IDC mà chạy qua ñiện trở R
một chu kì có lượng tỏa nhiệt
(8)(9)Dạng sóng Trị trung bình hiệu dụng
Hình 1.6 1.3.2 Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)
Trong mạch ta dùng kiểu mẫu lý tưởng gần ñúng diode việc phân tích mạch
(10)Diode dẫn ñiện bán kỳ dương vi(t) ñưa vào mạch
Ta có:
- Biên độ đỉnh vo(t)
Vdcm = Vm - 0.7V (1.6)
- Ðiện trung bình ngõ ra:
- Ðiện ñỉnh phân cực nghịch diode là:
VRM=Vm (1.8)
Ta chỉnh lưu lấy bán kỳ âm cách ñổi đầu diode 1.3.3 Chỉnh lưu tồn sóng với biến có điểm
(11)
- Ở bán kỳ dương, diode D1 phân cực thuận dẫn ñiện lúc diode D2 phân
cực nghịch nên xem hở mạch (hình 1.9)
- Ở bán kỳ âm, diode D2 phân cực thuận dẫn ñiện lúc diode D1 phân cực
nghịch nên xem hở mạch (Hình 1.10)
Ðể ý trường hợp, IL ñều chạy qua RL theo chiều từ xuống dịng
điện ñều có mặt hai bán kỳ Ðiện ñỉnh ñầu RL là:
Vdcm=Vm-0,7V (1.9)
Và ñiện ñỉnh phân cực nghịch diode ngưng dẫn là:
VRM=Vdcm+Vm=2Vm-0,7V (1.10)
(12)Người ta chỉnh lưu ñể tạo ñiện âm ñầu RL cách
ñổi cực diode lại
1.3.4 Chỉnh lưu tồn sóng dùng cầu diode Mạch
- Ở bán kỳ dương nguồn ñiện, D2 D4 phân cực thuận dẫn ñiện lúc
D1 D2 phân cực nghịch xem hở mạch Dùng kiểu mẫu ñiện ngưỡng, mạch
(13)- Ở bán kỳ âm nguồn ñiện, D1 D3 phân cực thuận dẫn ñiện lúc D2,
D4 phân cực nghịch xem hở mạch (Hình 1.14)
Từ mạch tương ñương ta thấy:
- Ðiện ñỉnh Vdcm ngang qua hai ñầu RL là:
Vdcm =Vm-2VD=Vm-1.4V (1.12)
- Ðiện ñỉnh phân cực nghịch VRM diode là:
VRM=Vdcm+VD=Vm-VD
VRM =Vm-0,7V (1.13)
Ðể ý dịng điện trung bình chạy qua cặp diode dẫn điện 1/2 dịng điện trung bình qua tải
1.3.5 Chỉnh lưu với tụ lọc
Ta xem lại mạch chỉnh lưu tồn sóng với biến có điểm Như kết qủa phần trên:
- Ðiện ñỉnh ñầu RL là: Vdcm=Vm-0,7V
(14)Nếu ta thay RL tụ điện có điện dung C Trong thời điểm từ t=0 ñến t=T/4,
tụ C nạp nhanh ñến ñiện ñỉnh Vdcm Nếu dòng rỉ tụ ñiện khơng đáng kể, tụ C
sẽ khơng phóng điện điện đầu tụ giữ khơng đổi Vdcm Ðây trường
hợp lý tưởng Thực tế, điện trung bình thay đổi từ 0,637Vdcm đến Vdcm Thực
nguồn ñiện phải cung cấp cho tải, thí dụ RL mắc song song với tụ C Ở bán ký dương tụ
C nạp ñiện ñến trị Vdcm Khi nguồn ñiện bắt ñầu giảm, tụ C phóng điện qua RL
khi gặp bán kỳ tụ C nạp ñiện lại ñến Vdcm chu kỳ lặp ñi lặp lại
Hình 1.16 mơ tả chi tiết dạng sóng đầu tụ C (tức RL) Hiệu sóng dư ñỉnh ñối
(15)Do ñiện ñỉnh tối đa Vdcm nên điện trung bình tối thiểu
Vdcmin=Vdcm-Vr(p-p)
* Hệ số sóng dư: (ripple factor)
Ta xem lại dạng sóng ñầu RL Bằng nguyên lý chồng chất, ta xem
ñiện ñầu tải tổng thành phần chiều VDC với thành phần sóng dư
xoay chiều có tần số gấp đơi tần số nguồn điện chỉnh lưu
Vì thời gian nạp điện thường nhỏ so với thời gian phóng ñiện nên dạng thành phần sóng dư xem gần ñúng dạng tam giác
(16)
Hệ số sóng dư định chất lượng mạch chỉnh lưu
* Phương trình điện sóng dư
Nếu gọi ic dịng phóng ñiện tụ ñiện có ñiện dung C VC điện đầu
tụ điện thì:
Nếu thay ñổi ñiện đầu tụ tuyến tính dịng điện ic dịng điện
chiều
Nếu coi sóng dư có dạng tam giác dịng phóng tụ số ký hiệu
IDC Ðó dịng điện qua tải
Với f tần số nguồn ñiện chỉnh lưu
(17)
Như sóng dư tỉ lệ thuận với dịng điện trung bình qua tải tỉ lệ nghịch với
điện dung C Sóng dư tăng gấp đơi chỉnh lưu nửa sóng lúc f=fr
1.4 MẠCH CẮT (Clippers)
1.4.1 Mạch cắt nối tiếp
1.4.2 Mạch cắt song song
Mạch dùng để cắt phần tín hiệu xoay chiều Mạch chỉnh lưu nửa sóng thí dụ đơn giản mạch cắt
1.4.1 Mạch cắt nối tiếp
(18)Bây ta mắc thêm nguồn ñiện chiều V nối tiếp với diode
hình 1.22b Nếu tín hiệu vào vi(t) có dạng hình sin với điện đỉnh Vm ngõ
có dạng hình vẽ 1.22c với điện đỉnh Vm-V tức V0=Vi-V (coi diode lý tưởng)
1.4.2 Mạch cắt song song
* Mạch có dạng
Hình 1.24 đáp ứng mạch cắt song song với dạng sóng thơng dụng (diode lý tưởng)
(19)Ta mắc thêm nguồn ñiện chiều V nối tiếp với diode Dạng sóng ngõ tùy thuộc vào cực tính nguồn điện chiều diode
Thí dụ: ta xác định v0 mạch điện hình 1.25 vi có dạng tam giác diode
xem lý tưởng
- Khi diode dẫn ñiện: v0=V=4V
- Khi vi=V=4V, Diode ñổi trạng thái từ ngưng dẫn sang dẫn ñiện ngược lại
- Khi vi<V=4V, diode dẫn ñiện ⇒ vo=V=4V
- Khi vi>V=4V, diode ngưng dẫn ⇒ Vo= vi
Hình 1.26 dạng biên ñộ ngõ v0
1.5 MẠCH GHIM ÁP (Mạch kẹp - clampers)
Ðây mạch đổi mức DC (một chiều) tín hiệu Mạch phải có tụ điện, diode điện trở Nhưng mạch có nguồn ñiện ñộc lập Trị số
của ñiện trở R tụ ñiện C phải ñược lựa chọn cho thời τ=RC ñủ lớn ñể hiệu
thế đầu tụ giảm khơng đáng kể tụ phóng điện (trong suốt thời gian diode khơng dẫn điện) Mạch ghim áp hình 1.27
Dùng kiểu mẫu diode lý tưởng ta thấy:
(20)- Khi t: T/2 → T, diode ngưng, tụ phóng điện qua R Do τ=RC lớn nên C xả ñiện
không ñáng kể, (thường người ta chọn T≤10τ)
Lúc ta có: v0=-2V
Ðiểm cần ý mạch ghim áp biên ñộ ñỉnh ñối ñỉnh vi vo
bằng
Sinh viên thử xác định v0 mạch điện hình 1.29
1.6 MẠCH DÙNG DIODE ZENER:
1.6.1 Diode zener với ñiện ngõ vào vi tải RL cố ñịnh
1.6.2 Nguồn vi cố ñịnh RL thay ñổi
1.6.3 Tải RL cố ñịnh, ñiện ngõ vào vi thay ñổi
Cũng tương tự diode chỉnh lưu, với diode zener ta dùng kiểu mẫu gần ñúng việc phân giải mạch: Khi dẫn ñiện diode zener tương ñương với nguồn
ñiện chiều vz (điện zener) ngưng tương đương với mạch hở
1.6.1 Diode zener với ñiện ngõ vào vi tải RL cố ñịnh
Mạch dùng diode zener có dạng hình 1.30