Κεφάλαιο 3 ο. Γ. Τσιατούχας. VLSI Technology and Computer Architecture Lab. Κυκλώματα ιόδων 2

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Κκλώματα Διόδων Κεφάλαιο 3 ο Τμήμα Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής Γ. Τσιατούχας ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ LSI echnology an Compue Achecue Lab Διάρθρωση. Ιδανική δίοδος 2. Μοντέλα διόδων 3. Ανάλση κκλωμάτων διόδων 4. Λειτοργία με ασθενές σήμα 5. Κκλώματα ανορθωτών 6. Κκλώματα ψαλιδιστών Κκλώματα ιόδων 2

2 Η Ιδανική Δίοδος Άνοδος Κάθοδος Ανάστροφη Πόλωση 0 Ορθή Πόλωση Αν στην ιδανική δίοδο εφαρμοστεί μια αρνητική τάση, δεν ρέει καθόλο ρεύμα και η δίοδος σμπεριφέρεται ως ανοικτό κύκλωμα. Λέμε ότι η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη ήσεαποκοπή. Αν στην ιδανική δίοδο εφαρμοστεί μια θετική τάση, κατά μήκος της διόδο εμφανίζεται μηδενική πτώση τάσης και η δίοδος σμπεριφέρεται ως βραχκύκλωμα. Λέμε ότι η δίοδος είναι ορθά πολωμένη ήότιάγει. Κκλώματα ιόδων 3 Η Ιδανική Δίοδος σε Ανορθωτή Σήμα Εισόδο Κύκλωμα Ανορθωτή και Σήμα Εισόδο Περιοχή Ορθής Πόλωσης Περιοχή Ανάστροφης Πόλωσης Ισοδύναμα Κκλώματα Ορθή & Ανάστροφη Πόλωση Σήμα Εξόδο Ο Σήμα Εξόδο (Το Σήμα Εισόδο Ανορθωμένο) Κκλώματα ιόδων 4 2

3 Ι Χαρακτηριστική Διόδο Πριτίο Τάση Κατάρρεσης Ορθή Πόλωση Στατική Ι Χαρακτηριστική Διόδο Περιοχή Κατάρρεσης Κατάρρεση Σμπιεσμένη Κλίμακα Ανάστροφη Πόλωση ρμένη Κλίμακα Διε 0 Τάση Αποκοπής για Τ=293Κ 0 Δναμικό Επαφής I S (e η ) = το θερμικό δναμικό Τ=293Κ η =2 για S Κκλώματα ιόδων 5 Απλοστεμένα Μοντέλα Διόδων κλίση Ορθή Πόλωση κλίση Ανάστροφη Πόλωση I S 0 Τάση Αποκοπής I S Ανάστροφη Πόλωση >> Ορθή Πόλωση << 0 Κκλώματα ιόδων 6 3

4 Ανάλση Κκλωμάτων Διόδων (Ι) C ανάλση Εθεία Φόρτο: κλίση I I Q KL I Νόμος Επαφής: I I I S (e η ) Η λύση το σστήματος δίνει το σημείο λειτοργίας Q Κκλώματα ιόδων 7 Ανάλση Κκλωμάτων Διόδων (ΙΙ) I I 3 3 < 2 < Q 3 = σταθ. 2 = σταθ. Q 2 Q Q 3 Q 2 Q 2 3 Μεταβολή Τάσης Πόλωσης Μεταβολή Αντίστασης Κκλώματα ιόδων 8 4

5 C ανάλση Ανάλση Κκλωμάτων Διόδων (ΙΙΙ) Ιδανική δίοδος I I Μοντέλο Διόδο 0 0 όταν 0 0 όταν 0 I KL I 0 Q Εφαπτομένη στο Q κλίση 0 Κκλώματα ιόδων 9 Λειτοργία με Ασθενές Σήμα (I) ΑC ανάλση (, I ) κλίση ~ S Δ I Q ()= s sn(ω) Δ 2 s ~ Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς Σήματος S = Κκλώματα ιόδων 0 5

6 Λειτοργία με Ασθενές Σήμα (II) ΑC ανάλση (, I ) κλίση ~ Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς Σήματος g g Η κλίση της εφαπτομένης στο σημείο λειτοργίας Q δίδεται από την παράγωγο το ρεύματος ως προς την τάση: g I Q n ISe n I n Κκλώματα ιόδων Λειτοργία με Ασθενές Σήμα (IΙI) I) ΑC ανάλση ~ g n I () ( ) () s Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς Σήματος n () () () ή () s I N. Ohm Διαιρέτης Τάσης Κκλώματα ιόδων 2 6

7 Σνολική Εικόνα ~ ()= s sn(ω) S 0 () 0 0 () 0 I I () () () KL () S () () s 0 () I () I () 0 I I ()( ) I ()( ) 0 Κκλώματα ιόδων 3 Ισοδύναμο Κύκλωμα Ασθενούς Σήματος ~ ~ Ιδανική δίοδος Ιδανική δίοδος α) Αρχικό κύκλωμα β) Αντικατάσταση με το μοντέλο διόδο C ανάλση AC ανάλση Ιδανική δίοδος Μοντέλο Διόδο Ασθενούς (Μικρού) Σήματος β) Κύκλωμα για C ανάλση β2) Κύκλωμα για AC ανάλση ~ Κκλώματα ιόδων 4 7

8 Χαρακτηριστική Μεταφοράς Στατική Χαρακτηριστική Δναμική Χαρακτηριστική Q S I O S S Χαρακτηριστική Μεταφοράς: σσχετίζει την τάση εξόδο O με την τάση εισόδο S O Χαρακτηριστική Μεταφοράς O S Κκλώματα ιόδων 5 Κκλώματα Ανορθωτών 240 (ms) Γεννήτρια C Ρεύματος / Τάσης Κκλώματα ιόδων 6 8

9 Ανορθωτής Μισού Κύματος (I) Ιδανική AC Γραμμή S Ο S Ο O 0 όταν S 0 Ο 0 Αν << τότε ισχύει ότι: 0 O S κλίση 0 S Μέγιστη Ανάστροφη Τάση PI PI s (S ) όταν S 0 O 0 Διαιρέτης Τάσης 0 S s O 0 Κκλώματα ιόδων 7 Ανορθωτής Μισού Κύματος (IΙ) O Χαρακτηριστική Μεταφοράς ή Εισόδο Εξόδο O S S S ~ L O = s snω Κκλώματα ιόδων 8 9

10 Ανορθωτής Μισού Κύματος (IIΙ) Μετατροπή εναλλασσόμενο σε σνεχές <<. L. C O C L ~ O = s snω Κκλώματα ιόδων 9 Ανορθωτής με Φίλτρο Πκνωτή (Ι) O C Pe C L O P C L I C L O I L O P O O(av) P 2 Κκλώματα ιόδων 20 0

11 Ανορθωτής με Φίλτρο Πκνωτή (ΙΙ) Καθώς ο σνολικός χρόνος αποφόρτισης είναι σχεδόν ίσος με Τ, ισχύει: e P Επιλέγοντας C >> η προηγούμενη σχέση προσεγγίζεται με την ακόλοθη: ( P P C P C ) Το χρονικό διάστημα Δ πο άγει η δίοδος μπορεί να πολογιστεί ως εξής ποθέτοντας ότι η δίοδος σταματά να άγει στην κορφή της I : 2π cos(ωδ) ω P ( ) P όπο: 2 Για ωδ<< cos( ωδ) (ωδ) οπότε: ωδ 2 / P 2 P C P sn( 2) P sn( ) P sn( 2) P sn( ) P P sn( ) P cos( ) P cos( 2 ) P cos( ) 2 Κκλώματα ιόδων 2 Παράδειγμα Θεωρήστε ανορθωτή με φίλτρο πκνωτή και είσοδο ημιτονοειδές σήμα σχνότητας f=60hz και κορφή P =00. Αν το φορτίο =0KΩ, βρείτε την τιμή της χωρητικότητας πο δημιοργεί κματισμό =2. Υπολογίστε το ποσοστό της περιόδο κατά το οποίο η δίοδος άγει. Είδαμε νωρίτερα ότι ο κματισμός το ανορθωτή μπορεί να προσεγγιστεί από τη σχέση πο ακολοθεί: P P P C 83.3μF C f Η γωνία αγωγής δίνεται από τη σχέση: ωδ 2 / P 0.2a 0.2 Άρα το ζητούμενο ποσοστό είναι: % 2π en Κκλώματα ιόδων 22

12 Ανορθωτής Πλήρος Κύματος ο Ανορθωτής Γέφρας 2 0 S S O κλίση κλίση s s 0 S S O Μέγιστη Ανάστροφη Τάση PI 2 s 0 PI s 0 Κκλώματα ιόδων 23 Κκλώματα Ψαλιδισμού (I) o Κλίση= o o (C 0 ) s C 0 Χαρακτηριστική Μεταφοράς ανα C 0 Κλίση= C 0 o s αν s C 0 ~ 0 C o Κκλώματα ιόδων 24 2

13 Κκλώματα Ψαλιδισμού (II) Με δεδομένο ότι: C >> 0 και: >> o C ~ o C Κκλώματα ιόδων 25 Κκλώματα Ψαλιδισμού (IΙI) I) Κκλώματα ιόδων 26 3

14 Παράδειγμα 2(Ι) =KΩ C =6 Δεδομένα: =0Ω, 0 =0.7, I s =0 0 s o Ζητούμενα: 0 α) Να σχεδιαστεί η χαρακτηριστική μεταφοράς o =f( ). β) Να σχεδιαστεί η κματομορφή της εξόδο o για το σήμα εισόδο της εικόνας. 0ms Κκλώματα ιόδων 27 Παράδειγμα 2(ΙI) KL o = C 0. () s 0 C Ορθή Πόλωση o C Ανάστροφη Πόλωση o = o Την στιγμή πο γίνεται =0 = C 0 = 5.3 Άρα ανάστροφη πόλωση όταν: 5.3 Κκλώματα ιόδων 28 4

15 Παράδειγμα 2(ΙII) KL: s 0 0 C 0 C Ορθή Πόλωση C 0 s o o C 0 Από () στην ορθή πόλωση θα ισχύει: C 0 s Σνεπώς: o (C 0 ) s o αν 5.3 s αν <5.3 Κκλώματα ιόδων 29 Παράδειγμα 2(Ι) Κλίση= o Χαρακτηριστική Μεταφοράς o 0 45 o Κλίση= Έξοδος s Είσοδος en Κκλώματα ιόδων 30 5

16 Παράδειγμα 3(Ι) 270Ω 5 4.7KΩ o Δεδομένα: =30Ω, =, 0 =0.6, I s = Ω Ζητούμενα: Ποια η τάση εξόδο o όταν: α) = 2 = 5 β) = 5 και 2 = 0 γ) = 2 = 0 Κκλώματα ιόδων 3 Παράδειγμα 3(ΙΙ) α) 270Ω 270Ω 2 Επειδή = 2 =5οι κάθοδοι των δύο διόδων είναι σε δναμικό 5. Τα 5 είναι η μέγιστη τάση τροφοδοσίας και σνεπώς οι δίοδοι είναι ανάστροφα πολωμένες (I s =0). 4.7KΩ o Ως αποτέλεσμα δεν πάρχει ρεύμα στο κύκλωμα και: o = 5 Ισοδύναμο Κύκλωμα Κκλώματα ιόδων 32 6

17 Παράδειγμα 3(ΙII) β) Με το ίδιο σκεπτικό όπως στην (α) 270Ω περίπτωση η δίοδος είναι και εδώ ανάστροφα πολωμένη. 0.6 Δεν ισχύει το ίδιο και για την Ω 30Ω Αντικαθιστούμε τη δίοδο με πηγή τάσης 0 =0.6 και αντίσταση ορθής πόλωσης =30Ω. 4.7KΩ o Από τον κανόνα το Kchhoff για τάσεις (KL) παίρνομε: I I I 2 270I 2 = 0 I 2 = 0.88mA 2 Ισοδύναμο Κύκλωμα Άρα: o = I 2 = Κκλώματα ιόδων 33 Παράδειγμα 3(I) γ) 270Ω 30Ω Ω 30Ω 0.6 o 4.7KΩ 2I Σεατήτηνπερίπτωσηκαιοιδύοδίοδοι είναι ορθά πολωμένες. Επιπλέον λόγω σμμετρίας των κλάδων ισχύει:i =I 2 =I. Δολεύονταςόπωςκαιστηνπερίπτωση (β) και από τον κανόνα το Kchhoff για τάσεις (KL) σε ένα από τος δύο βρόγχος παίρνομε: x2I 0.6 (30 270)I = 0 I = 0.454mA Ισοδύναμο Κύκλωμα Άρα: o = I = Κκλώματα ιόδων 34 7

18 Παράδειγμα 3() 5 4.7KΩ Λογική Πύλη AN 2 A B 270Ω 270Ω o C A B C Θεωρούμε ότι για τάσεις μικρότερες το έχομε λογικό 0. A/ B/ 2 C/ o 0 /0 0 /0 0 / /0 /5 0 /0.86 /5 0 /0 0 /0.86 /5 /5 /5 en Κκλώματα ιόδων 35 Παράδειγμα 4(Ι) Στον φορτιστή μπαταρίας το σχήματος το ημιτονικό σήμα έχει πλάτος Η δίοδος είναι ιδανική ( 0 =0, =0, =). Αν η τάση B της πηγής τάσης (μπαταρίας) μεταβάλλεται από 2 ως 4 μεταξύ της μη φορτισμένης και της φορτισμένης κατάστασης αντίστοιχα, ποιό είναι το μέγιστο ρεύμα πο αναμένομε να διέλθει από τη δίοδο; Δώστε σχηματικά την κματομορφή το ρεύματος πο διαρρέει τη δίοδο. S S =0Ω C =50Ω B Κκλώματα ιόδων 36 8

19 Παράδειγμα 4(ΙΙ) S S =0Ω C =50Ω B Καθώς η δίοδος είναι ιδανική, το ρεύμα πο τη διαρρέει όταν το κύκλωμα άγει θα δίνεται από τη ακόλοθη σχέση (KL): S ( S C ) B 0 S B S C 6.97sn S C B Κκλώματα ιόδων 37 Παράδειγμα 4(ΙΙΙ) Το ρεύμα θα πάρει τη μέγιστη τιμή το max όταν: S = max ή snω= και B =mn=2.σνεπώς: max mA 60 Κκλώματα ιόδων 38 9

20 Παράδειγμα 4(Ι) Για B =2 η ιδανική δίοδος άγει όταν S > B και δεν άγει όταν S < B. Δηλ. το όριο είναι S = B ήαλλιώς6.97snω=2. Στο όριο ισχύει: sn o ή o S en ω π/4 π/2 3π/4 π 3π/2 2π ω max Κκλώματα ιόδων 39 20