GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ II

TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Chủ biên: HÀ THANH SƠN GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ II ( Lưu hành nội bộ) HÀ NỘI 2012 LỜI NÓI ĐẦU Trong chương trình đào tạo trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ vị trí quan trọng: rèn luyện tay nghề cho học sinh Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy đủ đồng thời cần giáo trình nội bộ, mang tính khoa học đáp ứng với yêu cầu thực tế Nội dung giáo trình “KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ II ” xây dựng sở kế thừa nội dung giảng dạy trường, kết hợp với nội dung nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục vụ nghiệp công nghiệp hóa, đại hóa đất nước, Giáo trình biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập nội dung bản, cốt yếu để tùy theo tính chất ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều chỉnh cho thích hợp khơng trái với quy định chương trình khung đào tạo cao đẳng nghề Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận tham gia đóng góp ý kiến bạn đồng nghiệp chuyên gia kỹ thuật đầu ngành Xin trân trọng cảm ơn! Tuyên bố quyền Tài liệu loại giáo trình nội dùng nhà trường với mục đích làm tài liệu giảng dạy cho giáo viên học sinh, sinh viên nên nguồn thơng tin tham khảo Tài liệu phải trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội in ấn phát hành Việc sử dụng tài liệu với mục đích thương mại khác với mục đích bị nghiêm cấm bị coi vi phạm quyền Trường Cao đẳng nghề Công nghiệp Hà Nội xin chân thành cảm ơn thông tin giúp cho nhà trường bảo vệ quyền Bài 1: ĐỊNH NGHĨA TÍN HIỆU XUNG VÀ CÁC THAM SỐ, CÁC DẠNG XUNG Mục tiêu bài: Học xong học viên có khả năng: - Trình bày định nghĩa tham số tín hiệu xung - Nhận biết dạng tín hiệu xung dùng lĩnh vực điện tử dân dụng - Đo dạng tín hiệu xung dùng lĩnh vực điện tử dân dụng - Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ cơng việc - Đảm bảo an toàn điện cho người thiết bị Nội dung bài: 1.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI TÍN HIỆU CƠ BẢN 1.1.1 Tín hiệu liên tục Thơng tin tín hiệu hai khái niệm kỹ thuật điện tử, đối tượng mà hệ thống mạch điện tử có chức công cụ vật chất kỹ thuật nhằm tạo ra, gia công xử lý hay chuyển đổi dạng lượng để giải mục tiêu kỹ thuật Tín hiệu khái niệm để mơ tả biểu vật lý thông tin Một dạng điển hình tín hiệu dao động điện từ Tín hiệu biểu diễn theo tần số hay thời gian Tuy nhiên, cách biểu diễn theo thời gian thuận lợi sử dụng phổ biến Tín hiệu S(t) định nghĩa hàm số phụ thuộc thời gian, mang thông tin thông số kỹ thuật, quan tâm hệ thống truyền tải đại lượng vật lý, nói cách khác, tín hiệu hình thức biểu diễn thông tin Nếu biểu thức thời gian tín hiệu S(t) thoả mãn điều kiện: S t   S t  T  (1.1) Với t, T số S(t) gọi tín hiệu tuần hồn theo thời gian Giá trị nhỏ tập (T) thỏa mãn (1-12) gọi chu kỳ S(t) Nếu không tồn giá trị hữu hạn T thỏa mãn (1-12) ta có S(t) tín hiệu khơng tuần hồn Dao động hình sin (hình 2) dạng đặc trưng tín hiệu tuần hồn, có biểu thức dạng: S(t) = Acos(  t -  ) (1.2) Trong đó: A,  ,  số gọi là: biên độ, tần số góc, góc pha ban đầu S(t), có mối liên hệ , T, f sau: = 2 T ; f= T Theo cách biểu diễn thời gian, tín hiệu có hai dạng bản: - Tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian khoảng tồn gọi tín hiệu tương tự (analog) - Tín hiệu biến thiên không liên tục (rời rạc) theo thời gian gọi tín hiệu xung (digital).Theo đó, có dạng mạch điện tử làm việc (gia công, xử lý) với loại Hình 1.1 Tín hiệu hình sin với tham số đặc trưng A,T, ,  1.1.2 Tớn hiu ri rc Hình 1.2 Các dạng tÝn hiƯu th­êng gỈp 1.2 ĐỊNH NGHĨA TÍN HIỆU XUNG Loại tín hiệu biến đổi rời rạc theo thời gian gọi tín hiệu xung Cơng thức (1.3) biểu diễn tín hiệu xung x k  thơng qua hàm dirac d r (t – kT) cầu nối tín hiệu liên tục tín hiệu xung Nó có ý nghĩa đặc biệt quan trọng, giúp cho việc nghiên cứu tín hiệu xung tiến hành hồn tồn giống tín hiệu liên tục mà ta quen Ngược lại, kết từ việc khảo sát tín hiệu liên tục thơng qua hệ thức (1.3) mà chuyển thành tín hiệu xung (1.3) Xung đơn dạng điển hình tín hiệu khơng tuần hoàn Các dạng xung thường gặp thực tế: xung vng, xung cưa, xung dạng hàm số mũ (hình 1.2) Các xung có cực tính dương, âm cực tính thay đổi từ dương sang âm Với tham số: độ rộng, biên độ, chu kỳ xung 1.3 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG 1.3.1 Biên độ xung Um (hoặc Im): Xác định giá trị lớn có thời gian tồn xung Hình 1.3 Dạng xung vng thực 1.3.2 Độ rộng sườn trước sườn sau ( t tr t s ): xác định khoảng thời gian tăng thời gian giảm biên độ xung khoảng giá trị 0,1U m  0,9U m 1.3.3 Độ rộng xung t x : Xác định khoảng thời gian có xung với biên độ  0,1U m  0,5U m 1.3.4 Độ sụt đỉnh xung: Thể mức giảm biên độ xung đoạn đỉnh xung 1.3.5 Chu kỳ lặp lại xung T Tần số xung f (Hz) T Suy ra: T f 1.3.6 Thời gian nghỉ t ngh : Là thời gian trống hai xung liên tiếp Ta có: Suy ra: T  t x  t ngh (1.4) t ngh  T  t x 1.3.7 Hệ số lấp đầy (  ): Là tỷ số độ rộng xung t x chu kỳ xung T Hệ số lấp đầy  tính   tx T 1.4 CÁC DẠNG TÍN HIỆU XUNG Các dạng tín hiệu xung thường gặp dãy xung tuần hồn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T, xung đơn xuất lần, có cực tính dương, âm cực tính thay đổi Dạng xung, tức quy luật biến đổi trị số điện áp dòng điện xung theo thời gian, tham số tín hiệu xung Tuỳ theo mục đích sử dụng mà dãy xung có hình dạng khác xung vng (hình 1.2a); xung hình tam giác (hình 1.2b); xung dạng hàm số mũ (hình 1.2c) Trong kỹ thuật xung – số, thường sử dụng phương pháp số, dạng tín hiệu xung cần có hai trạng thái phân biệt xét đầu vào hay đầu mạch xung Hình 1.4 Các dạng tín hiệu xung a) Trạng thái có xung (khoảng t x ) với biên độ lớn mức ngưỡng UH; gọi mức cao hay mức “1”, mức UH thường chọn ECC b) Trạng thái khơng có xung (khoảng t ngh ) với biên độ nhỏ mức ngưỡng U L – gọi mức thấp hay mức “0” Mức UL chọn tuỳ theo phần tử khoá (transitsor, IC) c) Các mức điện áp dải U L < Ur < UH trạng thái bị cấm 1.5 PHẠM VI ỨNG DỤNG Tín hiệu xung sử dụng kỹ thuật xung – số, lĩnh vực rộng quan trọng ngành kỹ thuật điện tử – tin học Hiện nay, bước phát triển nhảy vọt kỹ thuật tự động hố, tín hiệu xung công cụ thiếu để giải nhiệm vụ kỹ thuật, nâng cao độ tin cậy hiệu kỹ thuật mạch điện tử CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Nêu định nghĩa tín hiệu xung; phân biệt tín hiệu xung tín hiệu tương tự Trình bày tham số tín hiệu xung Nêu vài ví dụ ứng dụng tín hiệu xung Kiểm tra, đánh giá (Thang điểm 10) TT Tiêu chí Kiến thức Nội dung - Nêu định nghĩa tín hiệu xung; phân biệt tín hiệu xung - Trình bày tham số tín hiệu xung Kỹ - Đọc tham số tín hiệu xung Thái độ Thang điểm - An tồn lao động - Vệ sinh cơng nghiệp 4 Bài CHẾ ĐỘ KHOÁ CỦA TRANSISTOR Mục tiêu bài: Học xong này, học viên có khả năng: - Trình bày ưu nhược điểm chế độ khóa điều kiện hoạt động Transistor chế cđộ khóa - Đo Transistor - Rèn luyện tính cẩn thận, tỷ mỉ cơng việc - Đảm bảo an toàn điện cho người thiết bị Nội dung bài: A LÝ THUYẾT 2.1 ĐẶC ĐIỂM VỀ CHẾ ĐỘ KHOÁ CỦA TRANSISTOR 2.1.1.Yêu cầu Transistor làm việc chế độ khoá, hoạt động khố điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (109  106 s); có nhiều đặc điểm, điều kiện khác với transistor làm việc chế độ khuếch đại Các mạch khuếch đại nghiên cứu học trước, tín hiệu mạch cịn nhỏ Để tín hiệu đủ lớn đáp ứng yêu cầu phụ tải, ví dụ: cho loa (radio – cattset); cho cuộn lái tia (tivi) v.v ta phải dùng đến mạch khuếch đại cơng suất Để tín hiệu có cơng suất lớn chất lượng đáp ứng yêu cầu tải độ méo phi tuyến, hiệu suất mạch mạch cơng suất phải nghiên cứu khác với mạch khuếch đại trước Vậy khuếch đại công suất tầng khuếch đại cuối khuếch đại, có tín hiệu vào lớn Nó có nhiệm vụ cho tải cơng suất lớn được, với độ méo cho phép bảo đảm hiệu suất cao Tầng khuếch đại cơng suất làm việc chế độ A, B, AB C, D tùy thuộc vào chế độ công tác transistorr 2.1.2.Đặc tính truyền đạt 10 * Chế độ A chế độ khuếch đại tín hiệu hình sin vào Chế độ có hiệu suất thấp (với điện trở tải 25%) méo phi tuyến nhỏ nhất, nên dùng trường hợp đặc biệt (hình 9.1a) * Chế độ B chế độ khuếch đại nửa hình sin vào, chế độ có hiệu suất lớn ( = 78%), méo xuyên tâm lớn khắc phục cách kết hợp với chế độ AB dùng hồi tiếp âm (hình 9.1b) * Chế độ AB có tính chất chuyển tiếp A B Nó có dịng tĩnh nhỏ để tham gia vào việc giảm méo lúc tín hiệu vào có biên độ nhỏ * Chế độ C khuếch đại tín hiệu bé nửa hình sin, có hiệu suất cao (>78%) méo lớn Nó dùng mạch khuếch đại cao tần có tải khung cộng hưởng để chọn lọc sóng đài mong muốn để có hiệu suất cao * Chế độ D transistorr làm việc khóa điện tử đóng mở Dưới tác dụng tín hiệu vào điều khiển transistor thơng bão hịa khóa đóng, dịng IC đạt cực đại, cịn khóa mở transistor tắt, dịng IC = 2.2 CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA KHOÁ DÙNG TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) Chế độ khố transistor (hình 2.1) xác định chế độ điện áp hay dòng điện chiều cung cấp từ qua mạch phụ trợ (khố thường đóng hay thường mở) Việc chuyển trạng thái khố thường thực nhờ tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào Hình 2.1 Mạch khố (đảo) dùng transistor Cũng có trường hợp khố tự động chuyển đổi trạng thái cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khơng cần xung điều khiển từ ngồi 11 Để transistorr lưỡng cực hoạt động ta phải phân cực cho nó, nghĩa đưa điện áp chiều từ bên vào chuyển tiếp emitơ (E) colectơ (C) với giá trị cực tính phù hợp Điện áp chiều thiết lập chế độ chiều cho transistorr Khi phân cực nếu: - Chuyển tiếp emitơ phân cực thuận, chuyển tiếp colectơ phân cực ngược transistor hoạt động vùng tích cực Khi tính tốn chế độ chiều vùng ta thường sử dụng công thức: UBE = 0,7V (áp dụng với transistor npn Si) IE = (+1)IB  IC (2.1) IC = IB Điều kiện làm việc chế độ khố transistor điện áp đầu có hai trạng thái khác biệt: U r  U H U v  U L (2.2) U r  U L U v  U H (2.3) Hãy xét điều kiện cụ thể transistor làm việc chế độ khoá sau: 2.2.1 Điều kiện để Transistor ngưng dẫn Xét sơ đồ thực điều kiện hình 2.1 Khi lựa chọn mức U H U L giá trị RC , RB thích hợp có giá trị Uv = hay U v  U L transistor trạng thái ngưng dẫn, dịng điện IC = Lúc khơng có tải Rt, điện áp tính: (2.4) U r   ECC Nếu coi điện trở tải nhỏ chọn RC (2.5) RC  Rt (Có thể coi Rt điện trở vào mạch tầng sau nối với đầu sơ đồ) Trong đó: U r  ECC mức nhỏ điện áp trạng thái H (mức điện áp cao) Để phân biệt chắn ta chọn: Ur  ECC (2.6) Ví dụ: chọn U H  1,5V ECC  5V 12 Để phù hợp với điều kiện (2.1), điện áp vào phải nằm mức UL Với U L điện áp vào lớn mức thấp để transistor bị khoá U L  U VL max (với transistor Silic thường chọn UL = 0,4V) Tóm lại, transistor lưỡng cực vùng ngưng dẫn, chuyển tiếp bazơ – emitơ không phân cực phân cực ngược Để đánh giá mức độ tin cậy khoá, người ta định nghĩa tham số độ dự trữ chống nhiễu mức cao SH mức thấp SL đặc tuyến truyền đạt hình 2.2 transistor khố riêng biệt Hình 2.2 Đặc tuyến truyền đạt khoá transistor Từ đặc tuyến ta thấy: – Có thể dễ dàng đạt mức SH lớn cách chọn ECC tham số RC, RB thích hợp SH  U r khãa  U H (2.7) SL  U L  U r më (2.8) Với Ur khoá Ur mở điện áp thực tế lối transistor lúc khoá hay mở tương ứng Cụ thể là: SH  2,5  1,5  1V (khi U v  U L ) SL  0,  0,2  0,2V (khi U v  U H ) – Do SL thường nhỏ, cần phải nâng cao tính chống nhiễu với mức thấp 13 Hình 2.3 Các biện pháp nâng cao SL Vì trị số Urbh = UCEbh thực tế không giảm được, muốn SL tăng, cần tăng mức UL (2.8) Muốn vậy, ta đưa vào cực gốc B vài diode, đưa vào mạch phân áp hình 2.3 a, b, c Những biện pháp nêu cần áp dụng sử dụng transistor Gecmani làm phần tử khố UBE mở transistor phần lớn nhỏ UBE bh – Để nâng cao tính tác động nhanh khố sử dụng transistor làm phần tử khoá cần quan tâm đến tính chất động (q độ) mạch điện Khi cần ngăn ngừa tượng bão hoà sâu transistor giải pháp kỹ thuật: * Tính chất tần số khoá biểu thị tham số trung bình thời gian trễ tín hiệu (hình 2.4) Các giá trị 1, 2 thường nhỏ (khoảng 108  109 s) Trong đó: 1 thời gian trễ sườn trước 2 thời gian trễ sườn sau (được tính mức biên độ 50% giá trị cực đại) Hình 2.4 Xác định thời gian trễ mạch 14 Tuy nhiên, bỏ qua, đặc biệt 2 liên quan đến thời gian phục hồi điện trở ngược chuyển transistor từ mở sang khoá, quan tâm đến tính đồng khối sơ đồ khác nhau, thực nhiệm vụ xử lý tin cụ thể Điều quan trọng hệ thống điều khiển, tính tốn, ghép nối khối mạch, thời gian trễ bị cộng tích luỹ Điều tương tự hệ số SH SL ghép nối cần quan tâm xác định lại cách xác * Ta thấy, mức cao (H) nằm thấp nhiều so với giá trị nguồn cung cấp ECC phụ thuộc vào giá trị điện trở RC Để khắc phục tượng này, thực tế thường mắc nối tiếp sau sơ đồ khoá E chung mạch lặp colectơ chung chế độ khố hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ khố T1 có mạch lặp tầng T2 2.2.2 Điều kiện để Transistor dẫn bão hịa Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới đầu vào U v  U H transistor chuyển sang trạng thái dẫn bão hoà (trạng thái mở) Khi chuyển tiếp emitơ colectơ phân cực thuận, transistor lưỡng cực làm việc vùng bão hồ Điện áp phải thoả mãn điều kiện: U r  U L Điện trở RC chọn thích hợp để: – Thời gian độ đủ nhỏ – Dịng IC khơng q lớn Ví dụ: Cho RC  5k Điều kiện khi: U v  U H  1,5V 15 Thì U r  U L  0,4V Xác định RB Gợi ý: I Cbh  ECC  1mA với:   100 RC Khi dịng Để transistor bão I B  100A (tức có dự trữ 10 hồ vững; lần) chọn Để transistor dẫn bão hoà: 2.3 CÁC ĐIỀU KIỆN CỦA KHOÁ DÙNG TRANSISTOR TRƯỜNG (FET) Transistor trường (Field Effect Transistor – FET) có ưu điểm bật so với transistor lưỡng cực (BJT) dòng điện qua FET loại hạt dẫn đa số (điện tử lỗ trống) tạo nên, FET linh kiện loại hạt dẫn có dịng vào nhỏ FET có trở kháng vào cao, tiếng ồn FET nhỏ nhiều so với BJT Ở FET, liên hệ đầu vào đầu khơng tuyến tính BJT Một khác biệt BJT người ta dùng biến thiên dòng điện đầu vào (IB) làm cơng việc điều khiển, cịn FET, việc điều khiển biến thiên điện đầu vào VGS Với FET phương trình liên hệ dùng để phân giải mạch là: IG = 0A (dòng điện cực cổng) ID = IS (dòng điện cực phát = dịng điện cực nguồn) Hình 2.6 Cấu tạo transistor trường JFET 16 – D D + ID ID G G – S– ­ S + 2.3.1 Điều kiện khoá dùng transistor trường vùng ngưng dẫn a) b) Khi hoạt động vùng ngưng dẫn, transistor trường khơng bù điện áp Hình 2.7 JFET vùng ID = Do đó, phần tử Ký ngắthiệu điện Có nhiều phương pháp phân cực cho FET: - Phân cực kiểu cố định: Hình 2.8 Phân cực kiểu cố định ⇒ IG = ⇒ VGS = -V GG Đường thẳng V GS=-VGG gọi đường phân cực Ta xác định ID từ đặc tuyến truyền Điểm điều hành Q giao điểm đặc tuyến truyền đươc với đường phân cực - Phân cực kiểu phân áp: 17 Hình 2.9 Phân cực kiểu phân áp Do IG = nên: Ta có: VGS = VG - VS VS = RSIS = RSID ⇒ VGS = VG – RSID Phương trình đường phân cực: - Phân cực kiểu hồi tiếp điện áp: Hình 2.10 Phân cực kiểu hồi tiếp điện áp Vì IG = nên VD = VG V GS = VDS VGS = VDS = VDD - RDID 18 Ta thấy đường phân cực trùng với đường thẳng lấy điện Giao điểm đường phân cực đặc tuyến truyền điểm điều hành Q Đặc tuyến transistor trường (JFET kênh N) hình 2.8 thể hoạt động vùng ngưng dẫn vùng bão hồ Hình 2.8 Đặc tuyến JFET kênh N 2.3.2 Transistor trường vùng dẫn bão hoà Khi vùng dẫn bão hoà, quan hệ ID U GS transistor trường (JFET) đặc trưng hàm ID = f(UGS) = không đổi 19  U  I DO   GG   U p   điện áp UDS Khi thay đổi điện áp cực cổng bề dày lớp tiếp xúc P - N thay đổi, làm cho tiết diện kênh thay đổi theo, điện trở kênh thay đổi cường độ dòng điện qua kênh thay đổi Như vậy, điện áp cực cổng UGS điều khiển dòng điện cực máng ID Khi U GS = U P bề rộng kênh giảm xuống dịng điện máng bão hồ IDSS = Nhưng với linh kiện thực tế có dòng điện dò chảy qua kênh điều kiện ngắt UGS>UP Dòng điện ngược cực cổng IGS dòng điện chạy từ cực cổng đến cực nguồn cực máng ngắn mạch với cực nguồn trường hợp U GS>UP 2.4 PHẠM VI ỨNG DỤNG Khoá điện tử dùng transistor lưỡng cực (BJT) transistor trường (FET) ứng dụng mạch tạo xung, mạch số, mạch điều khiển tự động B- THỰC HÀNH: 1- Khảo sát chế độ khóa điều kiện hoạt động Transistor lưỡng cực (BJT) 2- Khảo sát chế độ khóa điều kiện hoạt động Transistor trường (FET) I Tổ chức thực Lý thuyết dạy tập trung Thực hành theo nhóm (3 sinh viên/nhóm) II Lập bảng vật tư thiết bị TT Thiết bị - Vật tư Thơng số kỹ thuật Số lượng Máy sóng 20MHz, hai tia 1máy/nhóm Đồng hồ vạn V-A-OM 1cái/nhóm Bo 2002 1mạch/nhóm Bo 2003 1mạch/nhóm Bo mạch thí nghiệm dùng transistor lưỡng cực (BJT) Bo mạch thí nghiệm dùng transistor trường 20