3.6 วงจรจำกัดสัญญาณและวงจรตรึงสัญญาณ (limiting and clamping circuits)

1. 3.6 วงจรจำกัดสัญญาณและวงจรตรึงสัญญาณ (limiting and clamping circuits) วงจรจำกัดสัญญาณ (limiting circuit หรือ limiter) • –VIM< vI < +VIM : vO = KvI • vI > VIM : vO =VOM = KVIM • vI < -VIM : vO = -VOM • เราเรียก VIMว่า threshold voltage Transfer Characteristic Curve ของ double limiter

2. ในบางครั้งเราจะเรียกวงจร limiter ว่า clipper

3. เมื่อ vIมีค่าน้อยกว่า ~ 0.5 V D1 off ทำให้ไม่มีกระแสไหลในวงจร vO = vI • vI > 0.5 V D1เริ่ม on และ vO = vD จะสูงขึ้นเล็กน้อย โดยจะมีค่าสูงสุดประมาณ 0.7 V (แรงดันที่เหลือจะตกคร่อม R)

6. รอยต่อ pn ในย่านพังทลาย เมื่อรอยต่อ pn ถูกไบอัสย้อนกลับด้วยแรงดันที่มีค่าสูงพอ จะเกิด การพังทลายย้อนกลับขึ้น ภายในรอยต่อ และเกิดกระแสปริมาณมากไหลจากคาโธดย้อนกลับมาอาโนด เราสามารถอธิบายการพังทลายของรอยต่อ ได้ดังนี้ • เมื่อรอยต่อ pn ถูกไบอัสย้อนกลับด้วยแรงดันที่มีค่าสูงพอสมควร บริเวณปลอดพาหะทั้งทางฝั่ง p และฝั่ง n จะมีขนาดกว้างขึ้นทำให้แรงดันที่ตกคร่อมรอยต่อมีมีค่าสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดสนามไฟฟ้าซึ่งมีความแรงมากพอที่จะทำให้อะตอมซิลิกอนถูกอิออไนซ์และเกิดคู่อิเล็กตรอนอิสระและโฮลขึ้นอย่างมากมาย การเกิดพาหะขึ้นอย่างมากมายนี้ส่งผลให้ความต้านทานมีค่าต่ำมาก ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านรอยต่อจึงมีค่าได้สูงมาก

7. รอยต่อ pn ในย่านพังทลาย • ถ้าแรงดันตกคร่อมรอยต่อมีค่ามากพอที่จะทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอนอิสระและโฮลขึ้นมากมายแล้ว จะส่งผลให้สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในบริเวณรอยต่อรุนแรงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนอิสระที่เกิดขึ้นในฝั่ง p ถูกดึงดูดไปฝั่ง n ด้วยความเร็วสูง อิเล็กตรอนอิสระความเร็วสูงเหล่านี้เมื่อไปปะทะกับอะตอมของซิลิกอนที่อยู่ในฝั่ง n จะไปทำลายพันธะโควาเลนต์ในอะตอมซิลิกอนเกิดอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้นมา อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นมาใหม่เหล่านี้ก็จะมีพลังงานวิ่งไปชนอะตอมอื่น ๆ ทำให้เกิดการอิออไนซ์และเกิดอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้นมาอีก ปรากฏการณ์เช่นนี้จะเกิดขึ้นต่อเนื่องเป็นลูกโซ่ (chain reaction) ในลักษณะเดียวกับเวลาที่เกิดหิมะถล่ม ทำให้กระแสที่ไหลผ่านรอยต่อจึงมีค่าสูงมาก

8. 3.7 ซีเนอร์ไดโอด (Zener diode) • ไดโอดที่ถูกไบอัสย้อนกลับด้วยแรงดันที่สูงพอ จะเข้าสู่สภาวะ ‘การพังทะลายย้อนกลับ’(reverse breakdown) และเกิดกระแสปริมาณมากไหลจากคาโธดมาอาโนด

9. ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)คือไดโอดที่ถูกสร้างมาเพื่อใช้งานในสภาวะไบอัสย้อนกลับ • cathode • anode • VZ= แรงดันย้อนกลับ • IZ = กระแสย้อนกลับ

10. จากรูปจะเห็นว่าถ้ากระแสย้อนกลับที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดมีค่ามากกว่า IZKกราฟความสัมพันธ์ของแรงดัน-กระแสจะเกือบเป็นเส้นตรง • ผู้ผลิตมักจะให้ข้อมูลของซีเนอร์ไดโอดในรูปของ VZTซึ่งเป็นแรงดันย้อนกลับของไดโอดเมื่อกระแสย้อนกลับที่ไหลผ่านไดโอดเท่ากับกระแสทดสอบ IZT • ตัวอย่างเช่นซีเนอร์ไดโอดแบบ 6.8 V คือซีเนอร์ไดโอดที่มีแรงดันย้อนกลับ VZ = 6.8 V เมื่อกระแสย้อนกลับที่ไหลผ่านไดโอดมีค่าตามที่ระบุ (เช่น 10 mA) • จากรูปจะเห็นว่าเมื่อ VZ > VZK ความชันของกราฟจะมีค่าค่อนข้างสูงนั่นคือไดโอดที่ทำงานในย่านนี้จะสามารถรักษาแรงดันที่ตกคร่อมตัวมันได้อย่างค่อนข้างคงที่ แม้ว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวมันจะมีค่าเปลี่ยนแปลงไปก็ตาม

11. แบบจำลองของซีเนอร์ไดโอดแบบจำลองของซีเนอร์ไดโอด

12. ถ้าค่า rZ มีค่าน้อย VZก็จะมีค่าค่อนข้างคงที่ ไม่แปรตามกระแส IZ เท่าไหร่ • ในอุดมคติ rZ = 0 ส่งผลให้ VZก็จะมีค่าคงที่เท่ากับ VZOไม่ขึ้นกับ IZ • แบบจำลองของซีเนอร์ไดโอดในย่านพังทลาย

13. วงจรคงค่าแรงดัน (voltage regulator) ที่ใช้ซีเนอร์ไดโอด

14. วงจรคงค่าแรงดันมีหน้าที่รักษาระดับแรงดันเอาต์พุตให้มีค่าคงที่ ไม่เปลี่ยนแปลงตามกระแสที่จ่ายให้กับโหลดและแรงดันอินพุต • โดยทั่วไปเราจะใช้พารามิเตอร์ที่เรียกว่า line regulation และ load regulationในการพิจารณาความสามารถของวงจรคงค่าแรงดัน • พารามิเตอร์line regulationจะใช้ดูว่าแรงดันเอาต์พุตของวงจรจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อแรงดันอินพุตมีการเปลี่ยนแปลง • พารามิเตอร์ load regulationจะใช้ดูว่าแรงดันเอาต์พุตของวงจรจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อกระแสที่จ่ายให้โหลดมีการเปลี่ยนแปลง (อันเป็นผลเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานของโหลด) • โดยถ้า line regulation และ load regulationยิ่งมีค่าต่ำก็แสดงว่าวงจรมีการรักษาระดับแรงดันได้ดี ในอุดมคติทั้ง line regluation และ load regulationจะมีค่าเท่ากับศูนย์

15. (1) (2) VO = VZ = VZ0 + IZrZ เมื่อแทน (2) ลงในสมการ (1) จะได้ (3) ถ้า IZmaxมากเกินไปอาจทำให้เกิดอันตรายต่ออุปกรณ์ได้ ถ้า IZminน้อยเกินไปอาจทำให้ rZของไดโอดมีค่าสูง

16. VO = VZ = VZ0 + IZrZ (2) (3) เมื่อแทน (3)ลงใน (2) จะได้

17. ตัวอย่างที่ จากรูปถ้ากำหนดให้ • Zener มี VZ = 6.3 V @ IZT = 40 mA และ rZ = 2W • VS กระเพื่อมระหว่าง 12 V และ 18 V • โหลดมีการดึงกระแสระหว่าง 0 ถึง 50 mA • เมื่อกำหนดค่า R = 90W • จงคำนวณว่า vOจะมีการแกว่งอยู่ในช่วงใด • จากข้อมูลของตัวไดโอดเราพบว่า • ดังนั้นจะคำนวณได้ว่า • และ • นอกจากนี้เราจะคำนวณได้ว่า

18. 3.8 ไดโอดชนิดพิเศษ • ชอตต์กีไดโอด (Schottky-Barrier diode) • ชอตต์กีไดโอดเป็นไดโอดที่เกิดจากรอยต่อของโลหะและสารกึ่งตัวนำชนิด n มีคุณสมบัติในการนำกระแสได้ทางเดียวเช่นเดียวกับไดโอดแบบรอยต่อ pn แต่มีข้อแตกต่างคือ • 1. ชอตต์กีไดโอดสามารถสวิทช์ on และ off ได้เร็วกว่าไดโอดแบบรอยต่อ pn มาก • 2. แรงดันตกคร่อมชอตต์กีไดโอดมีค่า ~ 0.3-0.5 V ซึ่งต่ำกว่าของไดโอดแบบรอยต่อ pn วาแรกเตอร์ (varactor) เป็นการใช้งานรอยต่อ pn ในการสร้างตัวเก็บประจุที่ปรับค่าได้ตามแรงดัน (voltage-variable capacitor)

19. ไดโอดพลังแสง (photodiode) เป็นไดโอดที่จะให้กระแสที่เรียกว่า photocurrent ออกมาเมื่อได้รับพลังงานแสง โดยขนาดของกระแสนี้จะขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่ตกกระทบรอยต่อ ใช้ในการแปลงสัญญาณแสงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า การใช้ไดโอดพลังแสงเป็นตัวเซ็นเซอร์ ในระบบรักษาความปลอดภัย

20. ไดโอดเปล่งแสง (Light-Emitting Diode: LED) • LED จะให้แสงออกมาเมื่อได้รับพลังงานไฟฟ้า • ได้รับความนิยมมากโดยเฉพาะในงานด้านดิสเพลย์ต่าง ๆ • ในปัจจุบันเราสามารถสร้างไดโอดเปล่งแสงที่สามารถปล่อยแสงแบบ coherent (คือแสงที่มีมีความความถี่แน่นอนความถี่เดียว) ได้ เรียกว่า LASER diode แผงไดโอดเปล่งแสง สำหรับแสดงตัวเลข สัญญลักษณ์ทางวงจร ไดโอดเปล่งแสง

21. Opto-Isolator • อุปกรณ์ที่รวม photodiode กับ LED เข้าด้วยกันเรียกว่าอุปกรณ์แยกโดดทางแสง (optoisolator) ใช้กันมากในระบบดิจิตอล และเครื่องมือแพทย์ (ช่วยลดความเสี่ยงของ electrical shock ไปยังผู้ป่วย) สัญญลักษณ์ของอุปกรณ์แยกโดดทางแสง

22. photodiode กับ LED ยังถูกใช้งานร่วมกันในการเชื่อมต่อทางแสงระยะไกลเช่นในระบบส่งสัญญาณใยแก้วนำแสง (fiber-optic communication link) ระบบส่งสัญญาณผ่านใยแก้วนำแสง