CIRCUITE CU DIODE CU JONCTIUNE PN

1. Modelarea diodelor cu jonctiune pn

1.1. Modele cvasistatice de semnal mare. Sunt utilizate la calculul punctului static de functionare sau la determinarea formelor de unda in care viteza de variatie a semnalelor electrice este suficient de mica (frecventa nu este prea mare, in cazul semnalelor sinusoidale).

Figura 1.

D.1Modelul complet. Este utilizat in analiza circuitelor electronice cu ajutorul calculatorului (completat cu ecuatiile corespunzatoare unor fenomene fizice care nu sunt cuprinse in ecuatia de mai jos: strapungere, efecte la curent mare, zgomot, efecte capacitive, etc). Sensul conventional pentru tensiune si curent este prezentat in figura #.1.  Ecuatia de model este:

(1)

unde: k T/ q - tensiunea termica (aprox. 0.026 V la temperatura camerei)

parametrii de model:            I_O - curent de saturatie (curent rezidual);

n - factor (coeficient) de idealitate.

D.2Modelul simplificat pe regiuni. Este utilizat in analiza circuitelor electronice prin calcule analitice ("de mana"). Planul caracteristicilor statice este impartit in mai multe regiuni de polarizare (figura 2):

regiunea de blocare:         

regiunea de conductie (dioda este "deschisa"):

regiunea tensiunilor mici de polarizare (din jurul originii):

Figura 2.

D.3Modelul liniarizat pe regiuni. Este utilizat in analiza circuitelor electronice prin calcule analitice ("de mana") mai rapide decat in cazul precedent. Pretul platit consta in obtinerea de rezultate cu o precizie mai redusa. Este practic singura metoda de analiza posibila in analiza circuitelor cu diode la semnal mare, in domeniul timp. Caracteristica statica a diodei este aproximata cu doua semidrepte care au ecuatiile:

regiunea de blocare:

regiunea de conductie (dioda deschisa):

Parametrii de model, ale caror valori numerice depind de gama de lucru a tensiunilor si curentilor, sunt:

V_D tensiune de deschidere (0.2 . 0.4 V pentru diodele din germaniu si 0.6 . 0.8 V pentru diodele din siliciu)

r_D panta caracteristicii in regiunea de conductie (in multe aplicatii se poate considera neglijabila, deci r_D = 0).

1.2. Modele de curent alternativ de semnal mic. Sunt utilizate la analiza in curent alternativ, la semnal mic, a circuitelor cu diode. Astfel de modele se obtin prin liniarizarea caracteristicilor statice in jurul punctului static de functionare. La joasa frecventa, dioda se inlocuieste cu rezistenta ei interna de semnal mic R_i, definita de:

(2)

Utilizand aceasta relatie rezulta:

pentru modelul D.2:

- regiunea de blocare:

- regiunea de conductie:         

- din jurul originii:       

pentru modelul D.3:

- regiunea de blocare:

- regiunea de conductie:         

La inalta frecventa circuitul echivalent este completat ca in figura 3. Elementele care apar in acest circuit in plus fata de rezistenta interna sunt:

capacitatea de bariera (importanta pentru polarizare inversa): C_b

capacitatea de difuzie (importanta pentru polarizarea in direct): C_d

rezistenta serie (importanta in aplicatii de semnal foarte mic si la zgomotul dispozitivului): R_s

Figura 3

1.3. Modelarea diodelor Zener (diode stabilizatoare de tensiune). Se face cu ecuatiile precedente, mai putin in regiunea in care jonctiunea pn lucreaza la strapungere. In aceasta regiune, pentru analiza circuitelor cu diode cu ajutorul calculatorului, curentul rezidual se considera multiplicat cu coeficientul:

Z.1

unde: v_R = - v_D

parametrii de model:            V_B - tensiune de strapungere

m - coeficient cu valori 2 . 6.

Aceasta relatie este dificil de utilizat in calculele de mana datorita caracterului ei neliniar. Pentru diodele stabilizatoare de tensiune (la care fenomenul este dorit) se prefera liniarizarea caracteristicii in regiunea de strapungere (stabilizare). Deoarece aceasta regiune este utilizata in functionare se prefera notatiile (figura 4):

Figura 4

Z.2 - regiunea de stabilizare:

- in rest se utilizeaza modelul Z.1.

Parametrii de model sunt

V_Z - tensiunea Zener

r_Z pantea caracteristicii in regiunea de stabilizare

I_Z,min curentul de prag de la care incepe regiunea de stabilizare.

Pentru calcule rapide, nepretentioase din punctul de vedere al preciziei, se utilizeaza r_Z   0 si I_Z,min   0, deci ecuatiile de model devin:

Z.3 - regiunea de stabilizare:

- regiunea de nestabilizare

2. Probleme

P.1. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului din figura 5. Circuitul se afla la temperatura camerei. Dioda are parametrii:

a) I_O = 1 nA    n = 1

b) I_O = 1 nA    n = 1.5

c) I_O = 1 mA   n = 1

Figura 5                                  Figura 6

P.2. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului din figura 6. Circuitul se afla la temperatura camerei. Dioda are parametrii:

a) I_O = 1 nA    n = 1

b) I_O = 1 mA    n = 1

P.3. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului din figura . Circuitul se afla la temperatura camerei. Diodele au parametrii:

D₁ : I_O,1 = 1 nA; n = 1.5

D₂ : I_O,2 = 4 nA; n = 1.5

P. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului. Circuitul se afla la temperatura camerei. Diodele au parametrii:                           D₁ : I_O,1 = 1 nA; n = 1.5

D₂ : I_O,2 = 4 nA; n = 1.5

P.5. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului. Circuitul se afla la temperatura camerei. Diodele au parametrii:                           D₁ : I_O,1 = 1 nA; n = 1.5

D₂ : I_O,2 = 4 nA; n = 1.5

P.6. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului. Circuitul se afla la temperatura camerei. Diodele sunt identice si au parametrii I_O = 1 mA si n = 1.

P.7. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului. Circuitul se afla la temperatura camerei. Diodele sunt identice si au parametrii I_O = 1 mA si n = 1.

P.8. Sa se calculeze punctul static de functionare al circuitului. Diodele sunt identice si au parametrii I_O = 10 nA si n = 1.5. Circuitul se afla la temperatura camerei.