BÁO CÁO THÍ NGHIỆ NGHIỆM ĐIỆN ĐIỆN TỬ TỬ HỌC HỌC TƯƠNG TỰ VÀ VÀ Ứ NG NG DỤ DỤNG
LAB 1 DIODE CHARACTERISTICS
NHÓM 9
Trần Hồng Giang Đinh Anh Bảo Lâm Ngọc Quý
40900681 60900131 21102833
PART1: DIODE V-I CHARACTERISTICS 1.1. Build the circuit shown in Fig. 1-1 using the 1N4149 diode and a 1kΩ resistor. Vary V1 from 0 to 10V in appropriate intervals to obtain enough data points to plot the Forward Bias V-I Characteristic of the diode.
1.2. Measure and record the voltage across the diode (VD) and the current (ID) for each data point.
V1 (V) V(V) I (mA)
0 0 0
0.5 0.486 0.014
1 0.573 0.423
1.5 0.593 0.901
2 0.604 1.385
2.5 0.612 1.873
3 0.618 2.363
3.5 0.623 2.857
4 0.627 3.348
4.5 0.630 3.840
5 0.633 4.332
V1 (V) V (V) I (mA)
5 0.633 4.332
5.5 0.636 4.826
6 0.639 5.319
6.5 0.641 5.813
7 0.643 6.307
7.5 0.645 6.801
8 0.647 7.295
8.5 0.649 7.789
9 0.650 8.284
9.5 10 0.652 0.653 8.778 9.273
1.3. In order to measure the Reverse Bias V-I Characteristic of the diode, swap the direction or polarity of the diode and replace R1 with a 1MΩ resistor as shown in Fig. 1-2. Sweep the power supply from 0 to 20V in increments of 2V. Record the voltage drops across D1 and the current (ID) for each data point.
V1(V) 0 2 4 V(V) 0 -2 -3.99 I (nA) 0 -2.1 -4.09
6 -5.99 -6.09
8 -7.99 -8.09
10 -9.99 -10.1
12 -12 -12.1
14 -14 -14.1
16 -16 -16.1
18 -18 -18.1
20 -20 -20.1
1.4. Use the measurements in 1.2 and 1.3 to sketch the V-I Characteristic of the diode. V-I 0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
-0.002
1.5. Derive the exponential model parameters IS and n for your diode based on two or more of your data points.
Sử dụng công thức:
VV n I S e 1 D
I D
T
.
(VT
25mV )
Thay số liệu từ bảng 1.2 vào công thức trên, và giải hệ phương trình (Bằ ng Matlab) Ta có: (VD1,ID1) = (645 , 680.1) (mV, mA) (VD2,ID2) = (647 , 729.5) (mV, mA) Ta tìm đượ c n = 1,532 và I = 1,425.10-7A S
1.6. Compare the three diode models including, the constant voltage drop model, the piece-wise linear model, and the exponential model and answer the following questions. (1) Based on your data, what voltage would you use for a constant voltage drop model at a diode current of 5mA?
Mô hình điện áp rơi là hằng số, đường đặc tuyến của diode có dạng:
Dựa vào bảng dữ liệu 1.2 tại id = 5mA , vd < 0.653 V nên ta chọn vd = 0 mV cho mô hình điện áp rơi là hằng số. (2)For a piece-wise linear model, what values would you use for VD0 and rD, at a current of 5mA?
Mô hình piece-wise linear , đường đặc tuyến của diode có dạng: Dựa vào đồ thị ở 1.4 ta có VD0 = 610 mV. Ta có đường thẳng màu xanh có độ dốc là 1/r D
Lấy 2 điểm từ bảng 1.2 (VD1,ID1) = (0,645 , 680.1) (V, mA) (VD2,ID2) = (0,647 , 729.5) (mV, mA)
=
,67−,65 729.5−68.1
= 0,04 (mΩ)
(3) How well do these models predict the diode’s V -I behavior?
Ta thấy các mô hình trên dự đoán gần chính xác hình dáng đồ thị V-I.
(4) Are there any deviations from the model (e.g. at low currents or high currents)? What are the trade-offs involved with each model? Accuracy? Ease of use? Etc.
Những mô hình này có sai lệch so vớ i th ực t ế, mỗi mô hình có những ưu, nhược điểm riêng: - Với mô hình điện áp rơi là hằng số, sự sai lệch r ất lớ n, V càng lớ n thì sai l ệch càng lớn. Nhưng mô hình đơn giản, dễ sử dụng. - Vớ i mô hình tuyến tính, sự sai lệch là tương đối, V càng lớ n thì sai l ệch càng bé. Mô hình dễ sử dụng. - Với mô hình e mũ, sự lệch nhỏ, nhưng khó sử dụng do công thức phức tạ p.
PART II: DIODE V-I CHARACTERISTICS (SWEEP METHOD) The sweep method can be used to easily display the V-I characteristic of a diode using an oscilloscope. Specialized instruments of this type are known as Curve Trac ers. If a curve tracer is available, you most certainly can use one for this part of the experiment. 2.1. Set up the circuit
2.2 Display the V-I characteristic of the diode on the Oscilloscope by selecting the appropriate mode. Set Ch-1 to 200 mV/div and Ch-2 to 5 V/div or 10V/div so you will obtain an appropriate characteristic curve of the 1N4004 diode. Sketch the curve.
2.3 In the circuit of Figure 1-3, remove the diode and replace it with the 1N5231B, Zener diode. Connect the cathode to point “A” and the anode to point “B”. Repeat the above steps in Part 2.2 above, making oscilloscope adjustments if necessary to obtain an appropriate Zener characteristic curve. Sketch the waveform.
2.4 How are the V-I characteristics for the 1N4004 and 1N5231B similar? How do they differ? Explain.
- Giống nhau: Đặc tuyến của Diode và Zener giống nhau khi phân cực thuậ., I = 0 khi 00 khi V V > Vz , I > 0 khi V
PART III: DIODE SIGNAL PROCESSING Clipping Circuit Often, an input signal may contain large voltage spikes that are too large for sensitive circuitry to process (e.g.. during a thunderstorm). In these cases, a signal clipping circuit can be employed to prevent the input signal voltage from exceeding a particular value. 3.1 Build the diode circuit shown in Fig. 1-4. 3.1. Set up the circuit
Input and Output Waveforms 3.2 Set up the oscilloscope to view VIN on Channel 1 (A) and VOUT on Channel 2 (B). Set the vertical scale to 2V/div for each channel. Set up the time base of the scope to show at least one full cycle of the sine wave.
3.3 Sketch the input and output waveforms as shown on the oscilloscope. At what voltage does the output signal clip?
- Điện thế cắt: Vcắt = 2.636 V 3.4 Adjust the 2V DC supply between 1 and 3 Volts while viewing the waveform. Sketch the waveform and explain what you observe. VDC = 1V
VDC = 1.5 V
VDC = 2.5V
VDC = 3V
Nhận xét: Ta thấy điện áp cắt tăng dần khi ta tăng giá trị nguồn DC. Có sự thay đổi đó là do trong mạch này, Vcắt =VDC + 0,7 3.5 Change the display format of the oscilloscope to XY. This will display channel 1 (VIN) on the horizontal axis, and channel 2 (VOUT) on the vertical axis. The result will be a plot of the Voltage Transfer Characteristic. Sketch the characteristic curve.
3.6 Design a circuit to clip the signal at both +0.7Volts and -0.7Volts. Is a DC power supply necessary for this design? Explain.
Ta thự c hiện mạch như sau:
K ết quả mô phỏng:
Vớ i mạch trên ta tổ hợ p 2 mạch Diode mặc thuận và mắc ngượ c mắc song song. Khi đó ta có 2 giá tr ị cắt: Vcắt1 = VDC + 0.7 và Vcắt2 = -VDC - 0.7 Do đó để đượ c mạch cắt tại 0.7 V và -0.7 V ta cho VDC = 0 tức là không cần nguồn DC.
PART IV: DIODE SWITCHING FREQUENCY LIMITATIONS Rectifying Circuit Diodes are often used in circuits to convert Alternating Current (AC) into Direct Current (DC). In these applications, the physical size (cross-sectional area) of the diode is increased to handle the higher current levels. Diodes used for these applications are called re ctifiers. One trade-off for increasing the size of the diode is that maximum switching frequency of the diode is reduced. This part of the lab investigates the switching frequency limitation of a rectifier diode. 4.1 Build the diode circuit shown in Fig. 1-5.
Input and Output Waveforms 4.2 Set up the oscilloscope to view VIN on Channel 1 (A) and VOUT on Channel 2 (B). Set the vertical scale to 2V/div for each channel. Also, set up the time base of the scope to show at least one full cycle of the sine wave. Sketch the resulting waveforms. Is the diode performing the rectifying function? Explain.
Giải thích: Khi V1>0 diode phân cực thuận, cho dòng đi qua R 1, do đó VR1>0. Khi V1<0 diode phân cực ngượ c, không cho dòng đi qua R 1, do đó VR1=0. Vậy Diode có chức năng chỉnh lưu.
4.3 Now increase the frequency of the signal from 100Hz to 1kHz, 10kHz, 100kHz, and 1MHz. Adjust the time base of the scope accordingly to constantly view at least two complete cycles of the wave. Sketch the waveforms at each frequency. What happens to the output voltage as frequency is increased? At what frequency does the 1N4004 diode cease to operate as a rectifier?
f = 100Hz
f = 1kHz
f = 10kHz
f = 100kHz
f = 1MHz
Khi tần số f=2.5kHz thì đồ thị bắt đầu sai lệch, diode ngừng hành động như mộ t chỉnh lưu.
f = 2.5 kHz
4.4 Using the V-I characteristic of the diode 1N4149 obtained in part 1, determine iD and vD in the circuit of Fig. 1-5 graphically.
Theo bài 1.6, ta tính đượ c R D, điện áp rơi V0 Khi đó =>
i D
v D
v D
iD .RD
V 0
v1
v D
v1
=>
v D
0
iD .R1 v D R D
v1
1
Mặt khác: v D
R D
=> v D =>
V
R1 R D
.R1
R D R D
R1
.v1
v1
vR1
R D i D
v D
R D
=> i D
V 0
v1 R D
R1
RD
R1
.v1
RD V 0 RD
V
0
