Вольтамперные характеристики диодных трехполюсников

Полупроводниковые диоды для построения функциональных операционных блоков представляют интерес потому, что их вольтамперная характеристика приближенно может представляться двумя полупрямыми линиями, исходящими из начала координат и совпадающими с осями вольтамперной зависимости. На самом деле ход вольтамперной зависимости в области малых токов с хорошей степенью точности аппроксимируется аналитическим выражением вида:

где q, k, T - заряд электрона, постоянная Больцмана и температура в градусах Кельвина °K;

I0, Id, Ud - ток насыщения, ток и напряжение диода.

У кремниевых диодов , . Для области напряжений на диоде от 0,1 В и выше единицей в скобках практически можно пренебречь. Диапазон рабочих токов через диод простирается от 0,1 мкА до 1 мА. При этом падение напряжения на нем изменяется от 0,4 до 0,6 В . В среднем для указанного диапазона токов падение напряжения 0,5 В.

Рисунок 8

Наиболее популярной электрической схемой с диодом является трехполюсная схема с внутренним узлом, который соединяет вместе два сопротивления и диод. Широкое применение для построения функциональных преобразователей получил такой вариант подключения диодного трехполюсника, при котором к диодной ветви подключается потребитель тока с нулевым входным сопротивлением, а к полюсам с сопротивлениями - источники ЭДС. Один из этих источников служит входом для переменной , а другой - входом установки основного параметра схемы .

На рисунке 8 представлены два варианта включения диода: анодом на выход - для выдачи в приемник отрицательного тока, и катодом на выход - для выдачи положительного тока. При этом в обоих случаях полярность выходного тока определяется полярностью входного напряжения.

При нулевом потенциале на диодном полюсе и идеальной вольтамперной характеристике диода условие появления и величина выходного тока в схемах включения, приведенных на рисунке 8, имеют следующий вид:

Момент перехода диода из проводящего состояния в непроводящее и наоборот (порог срабатывания) определяет положение точки излома вольтамперной характеристики на оси абсцисс. Формула для вычисления величины порога переключения получается приравниванием нулю тока через диод: . Для обеих схем включения диодов положение точки излома одинаковым образом связано со знаком опорного напряжения:

Положительное опорное напряжение располагает точку порога срабатывания в левой полуплоскости, а отрицательное - в правой.

Реально диод начинает проводить ток лишь при достижении на нем падения напряжении 0,4 - 0,6 В . Поэтому в действительности точка порога срабатывания на оси абсцисс будет смещена в сторону изменения входного напряжения, увеличивающего проводимость диода. Смещение порога срабатывания на величину порядка 0,5 В можно получить путем ввода в узловую точку диодного трехполюсника дополнительного тока, вызывающего на сопротивлениях R1, R2 соответствующее эквивалентное падение напряжения. Ток можно получать от источника большого по величине опорного напряжения с полярностью, вызывающей открытие диода в трехполюснике.

На рисунке 9 показаны дополнения к диодному трехполюснику: источник смещения U см и сопротивление R см .Величина сопротивления Rн на условия перехода диода от закрытого состояния к открытому никакого влияния не оказывает, поскольку при отсутствии тока через диодную ветвь и сопротивление нагрузки потенциал на клемме диода все равно удерживается на нулевом уровне.

Рисунок 9

Связь между параметрами узла, определяющая смещение порога срабатывания в тот момент, когда , может быть получена из следующего равенства:

Отсюда, по известным параметрам схемы и заданному напряжению смещения, получаем расчетное выражение для величины подстроечного сопротивления или величины подстроечного тока:

Расчет величин сопротивлений по заданному порогу срабатывания удобно проводить, если в качестве неизменных констант взять величины напряжений В, В и входное сопротивление . В этом случае

; .

После входа диода в область прямой проводимости его дифференциальное сопротивление падает до нескольких десятков ом, что на три порядка меньше базового сопротивления R . Пренебрегая прямым сопротивлением диода и выбрав сопротивление нагрузки равным базовому сопротивлению R , для величины напряжения на сопротивлении нагрузки можем записать следующее соотношение:

Коэффициент передачи входного напряжения на выход диодного трехполюсника после превышения входным напряжением порогового уровня получается дифференцированием напряжения нагрузки по входному напряжению:

При В и В для пороговых уровней срабатывания в диапазоне от нуля до 10 вольт коэффициент передачи диодного трехполюсника изменяется от 0,48 до 0,32. Так как изменения существенны, то желательно, чтобы они определялись лишь одной переменной: Uп. Поэтому будем обеспечивать постоянство сопротивления нагрузки, которое, в свою очередь, равно базовому сопротивлению R.

Рисунок 10

Для указанного соглашения график зависимости коэффициента передачи от величины порога срабатывания изображена на рисунке 10.

Для формирования общего коэффициента передачи диодной пороговой схемы в интервале значений при сохранении неизменными и коэффициента передачи диодного трехполюсника применим схему вычитания двух одинаковых по знаку токов, построенную на основе двух операционных усилителей (Рис.11). Преобразование разностного тока в напряжение заданной величины обеспечивается в схеме сопротивлением в обратной связи выходного усилителя. Точки, в которые вводятся токи , имеют нулевой потенциал, практически независящий от величины токов.

Рисунок 11

Разность токов формирует на выходе напряжение, равное

Знак “+” соответствует случаю, когда оба входных тока являются положительными, а знак минус - когда отрицательными

Если формировать токи от напряжения, получаемого на нагрузочном сопротивлении диодного трехполюсника с помощью двух сопротивлений , то необходимо соблюсти требование постоянства сопротивления нагрузки на трехполюсник, которое ранее полагалось равное базовому сопротивлению. Тогда из соотношения

следует .

Выразим токи и , разделив выходное напряжение диодного трехполюсника соответственно на и . После подстановки токов в выражение выходного напряжения и несложных преобразований получим:

Параметр q полностью определяет общий коэффициент передачи всей схемы, когда диод находится в открытом состоянии и работает на постоянную нагрузку R. При закрытом диоде напряжение на выходе всей схемы равно нулю, так как равно нулю напряжение на выходе диодного трехполюсника. Окончательное соотношение для общего коэффициента передачи в активном режиме имеет следующий вид:

Неопределенным пока в этом соотношении является множитель , определяющий усиление выходного усилителя 2 на рис.11. Оценку этого усиления необходимо производить при минимальном коэффициенте передачи диодного трехполюсника, который имеет место при пороге срабатывания, установленном на границе диапазона изменения входного сигнала, т.е. при В. Для В и В имеем:

Если принять , то из системы уравнений

находим область значений, которые может принимать параметр q:

Предполагая, что максимальный общий коэффициент передачи может быть равен , получаем минимальное значение коэффициента усиления выходного усилителя:

Взяв в качестве базового значения , получим расчетную формулу для вычисления сопротивлений по зависимости q от :

Рисунок 12

График этой зависимости приведен на рис.12. Для отрицательных значений коэффициентов передачи значения q должны быть больше 0,5 и меньше 0,5 - для положительных.

Величины сопротивлений :