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POLITECNICO DI MILANO www.polimi.it ELETTRONICA per ingegneria BIOMEDICA prof. Alberto TOSI
POLITECNICO DI MILANO
www.polimi.it
ELETTRONICAper ingegneria BIOMEDICA
prof. Alberto TOSI
[email protected] 2ELETTRONICA : 04 - diodo
Sommario
DiodoCaratteristica I-V: non lineare
Studio dei circuiti: metodi grafici, On/Off o linearizzati
Piccolo segnale: resistenza equivalente
PSE “taroccato”: linearizzazione della caratteristica
[email protected] 3ELETTRONICA : 04 - diodo
Diodo, triodo e pentodo termoionico
+
Vfil
griglia
anodo
catodofilamento
+
Va
correntedi segnale
correntedi riscaldamento
filamento incandescente
catodoemittente elettroni
anodo di raccolta degli elettroni
Ecampo
elettrico
[email protected] 5ELETTRONICA : 04 - diodo
Caratteristica I-V tensione-corrente
V
I
diretta
[V]
5
[mA]
1 2 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
10
15
inversa
breakdown
-5
VD
D
D
ID
Dth
VV
D SI I e 1⎛ ⎞= ⋅ −⎜ ⎟
⎝ ⎠
thk TV
q⋅
=
25mV a 300K
[email protected] 6ELETTRONICA : 04 - diodo
Caratteristica I-V tensione-corrente
V
I
Il diodo è il primo componente non lineare
[email protected] 7ELETTRONICA : 04 - diodo
Polarizzazione diretta
V
IRT
[V]
1
[mA]
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
2
-1D
D3
T
corrente costante
tens
ione
cos
tant
e
Il diodo si “accende” a “circa” 0.7V
Dipendenza dalla temperatura: -2mV/°C +100%/10°C
[email protected] 8ELETTRONICA : 04 - diodo
A: modello ON/OFF
Il diodo lascia passare la corrente solo scorre in diretta
(secondo il verso della “freccia di anodo”)
9V
3.3k
correntenon
permessa
VD
9V
3.3k I = 0D
0.7V
OFFV = -9VD
2.5V
2k
correntepermessa VD
I = 900µAD
0.7VV = 2.5VD
2.5V
2k
ON
[email protected] 9ELETTRONICA : 04 - diodo
A: modello ON/OFF
V
I
OFF
[V]1 2 D
D ON
-1-2
diodo reale
V
I D
D
modello
V
I D
D
modello
+
0.7V
V
I
[V]
[mA]
0.2 0.4 0.6 0.8 D
D
OFF
ON
diodo reale
0.7V
Il diodo agisce bruscamente come un interruttore
Eventualmente si conseidera la “soglia” di 0.7V
[email protected] 10ELETTRONICA : 04 - diodo
Concetto di linearizzazione
( )D D
th th
D th thd D V V
D V VD DS S
thD
dV 1 1 V Vr I dIdI I1I e I eVdV
= = = = ≈⋅ ⋅ ⋅
V
I
[V ]
[m A ]
0.6 0 .7 0.8
d iod o rea le
re tta tan g en te
p un to d i lav o ro
VD
I Dd I
d V
D
D
r D
La curva I-V in realtà non è verticale bensì diventa sempre più ripida
E’ possibile definire la “resistenza di piccolo segnale”:
[email protected] 11ELETTRONICA : 04 - diodo
Concetto di polarizzazione
V
I
0 .6 0.7 0 .8
d iod o rea le
p un to d i lav oroID
V D
La “polarizzazione” porta il diodo, NON LINEARE, nel punto di lavoro (ID , VD )
[email protected] 12ELETTRONICA : 04 - diodo
Concetto di piccolo segnale
diod o reale
re tta tan g en te
ID
dI
dV
r D
V D
A questo punto, ogni “piccolo segnale” farà spostare “di poco” il punto di lavoro, nell’intorno di quello imposto dalla polarizzazione (ID , VD ).
Si può considerare il nuovo sistema di riferimento di “piccolo segnale” ed il diodo si comporterà come una resistenza rD LINEARE!
[email protected] 13ELETTRONICA : 04 - diodo
Concetto di piccolo segnale
0 .6 0.7 0 .8
p un to d i lav oroID
i= dI
v= dV D
r D
V D
Studiare il “piccolo segnale” vuol dire DIMETICARSI che il diodo sia non lineare una volta che la “polarizzazione” lo ha portato nel punto di lavoro. Da lì si studia solo la rD lineare
[email protected] 14ELETTRONICA : 04 - diodo
B: modello linearizzato
V
I D
D
modello
+
0.7V
V
I
[V]
[mA]
0.2 0.4 0.6 0.8 D
D
OFF
ONdiodo reale
0.7V
rd
Si include la pendenza finita della caratteristica
Si può studiare ancora con retta di carico o, più semplicemente, applicando prima il modello On/Off e poi aggiungendo la resistenza di piccolo segnale
[email protected] 15ELETTRONICA : 04 - diodo
C: modello completo di effetto Zener
V
I D
D
modello zener
+
rZV
I
[V]
5
[mA]
2 4-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2
10
15
-5
OFF
ONdiretta
zener reale
ONzener
rZ
Se la tensione inversa supera VZ , il diodo conduce bruscamente
Non è come la continua, poiché l’effetto è diverso
Si può ancora includere la resistenza di “piccolo segnale”
[email protected] 16ELETTRONICA : 04 - diodo
Come studiare il diodo nei circuiti?
1k
2.2k
12V
5mA
4.7k
10k
Req
Eeq =16V
=1370
V
I D
DV
I
Il metodo preciso richiede la caratteristica I-V vera,
ovvero l’equazione analitica o il grafico quotato
Ma si possono usare anche metodi approssimati più immediati
[email protected] 17ELETTRONICA : 04 - diodo
1: metodo grafico
V
I
[V]
[mA]
5
1 10
16VEeq
ReqEeq =11.7mA 10
punto di lavoro V , I DDVD =0.68V e ID =11.7mA
VD
ID
V
I
V
Ipunti di lavoro
*stabile
stabileinstabile
[email protected] 18ELETTRONICA : 04 - diodo
2: metodo analitico
VD
ID
V
I
V
Ipunti di lavoro
*stabile
stabileinstabile
Dth
D eq eq D
VV
D S
V E R I
I I e 1
= − ⋅⎧⎪
⎛ ⎞⎨ = ⋅ −⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩
[email protected] 19ELETTRONICA : 04 - diodo
3: metodo “ipotizzo On o Off e poi verifico”
1k
2.2k
5V
5mA
4.7k
10k
ReqEeq= 11.7V
=1370
V
I D
D
corrente diretta
+
0.7V
1k
2.2k
15V
20mA
4.7k
10k
Req
Eeq= 9.7V
=1370 I = 0D
corrente non permessa
VD
+Vz
1k
2.2k
5V
20mA
4.7k
10k
Req
Eeq= 18.3V
=1370
V
I D
Dcorrente di breakdown
+Vz
rZ
Si suppone che il diodo conduca (in diretta o Zener) o meno, si risolve il circuito e poi si verifica se veramente la corrente scorre (nel verso corretto) o meno
Diodo in diretta
Diodo in inversa off
Diodo in zener
[email protected] 20ELETTRONICA : 04 - diodo
Sovrapposizione degli effetti NON è possibile
Id1k
5V
vsVd
V
I
[V]
[mA]
0.6 0.7 0.8
VD
ID
4.5 5 5.5
1k5V =5mA
5V
vs
Essendo il diodo un componente non lineare, NON si può applicare il PSE
Il metodo preciso è quello analitico o grafico
[email protected] 21ELETTRONICA : 04 - diodo
Sovrapposizione degli effetti “taroccata”
Id1k
5V
vsVd =
I1k
5V
VD
D id1k
vsi d+
Id1k
5V
vsVd
I1k
5V
VD
D
+id
1k
vsi d
rd
Però si può fare una cosa furba:
la “polarizzazione” vede il DIODO (con la sua caratteristica non lineare)
il “piccolo segnale” invece vede solo la sua resistenza equivalente (lineare rD )
[email protected] 22ELETTRONICA : 04 - diodo
Sovrapposizione degli effetti “taroccata”
V
I
[V ]
[mA ]
0.6 0.7 0.8 4.5 5 5.5
vsingresso
sinusoidaleuscita REALE
distorta
VD
ID
uscita LINEARIZZATAdi "piccolo segnale"
caratteristica LINEAR IZZATA rD
Approssimazione tanto migliore quanto più il segnale è piccolo!
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Esempio
Id
R
12V
Vd
utilizzatore
Vout
Iout
2.1V
rdid
R
vd
voutiout
rd
rd
Circuito reale Circuito linearizzato
0 1 2Time, s
0
50mA
3 4
i outassenzadi carico
massimocarico
caricovariabile
V out 73mV
0
2.1V
2.0V
risultato dell'analis ilinearizzata
(approssim ata)
esempio di risultato reale(non approssimato),
ottenuto da simulazione
[email protected] 24ELETTRONICA : 04 - diodo
Conclusioni
• Il diodo è un componente NON lineare
• Nuovi metodi di studio dei circuiti
• Linearizzandolo, si semplificano molto i conti
… vediamo ora diversi CIRCUITI CON DIODI
