Giao trinh vo tuyen dien tu

PHAN THANH VÂN 1 LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Vô tuyến điện tử này được biên soạn để phục vụ giảng dạy cho sinh viên khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ chí Minh, dựa trên chương trình môn Vô tuyến điện tử của bộ Giáo dục Đào tạo soạn thảo và dựa trên kinh nghiệm giảng dạy của chúng tôi trong nhiều năm qua Ngoài những phần trọng tâm của chương trình, chúng tôi có đưa ra những phần đọc thêm có tính tham khảo để mở rộng kiến thức về ứng dụng trong thực tế cho sinh viên ĐHSP Chắc chắn giáo t.

LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Vơ tuyến điện tử biên soạn để phục vụ giảng dạy cho sinh viên khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ chí Minh, dựa chương trình mơn Vơ tuyến điện tử Giáo dục - Đào tạo soạn thảo dựa kinh nghiệm giảng dạy chúng tơi nhiều năm qua Ngồi phần trọng tâm chương trình, chúng tơi có đưa phần đọc thêm có tính tham khảo để mở rộng kiến thức ứng dụng thực tế cho sinh viên ĐHSP Chắc chắn giáo trình cịn nhiều thiếu sót, chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc gần xa PHAN THANH VÂN NGUYÊN TẮC LIÊN LẠC BẰNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Hình vẽ minh hoạ cho thấy nguyên tắc liên lạc vô tuyến điện: * Máy phát: Gồm có mạch điện tạo dao động cao tần (1), nguồn tín hiệu cần truyền (tín hiệu âm hay tín hiệu hình ảnh ) (2), mạch điện điều chế gửi tín hiệu vào dao động cao tần (3), mạch khuếch đại cao tần (4) ăng-ten xạ dao động điều chế không gian (5) * Máy thu: Gồm có ăng-ten thu (6) nhận dao động cao tần điều chế vào máy thu, mạch cộng hưởng (7) chọn đài muốn thu, mạch tách sóng (8) tách tín hiệu khỏi dao động cao tần, mạch khuếch đại cơng suất (9) phận lặp lại tín hiệu (10) loa vô tuyến truyền hay đèn hình vơ tuyến truyền hình Ngồi cịn có mạch điện khác tầng khuếch đại, nguồn nuôi cung cấp lượng cho máy hoạt động Hệ thống thu phát sóng vơ tuyến điện Chúng ta đề cập đến phần sau đây: 1.- Cách tạo dao động điện từ 2.- Khuếch đại dao động điện từ 3.- Ang-ten phát thu dao động điện từ 4.- Sự lan truyền sóng điện từ khơng gian 5.- Mạch điều chế tách sóng 6.- Máy thu thanh, máy thu hình CHƯƠNG I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ -0 BÀI 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ I.- Cơ sở vật lý vật liệu linh kiện: 1.- Cấu trúc mạng tinh thể: Khi nghiên cứu tính dẫn điện vật rắn, ta chọn để xem xét vật rắn có nguyên tử xếp tạo nên mạng tuần hồn khơng gian chiều Ta không xét đến chất dẻo, thủy tinh, cao su chúng khơng có cấu trúc mạng Cấ u trúc mạ ng tinh thể Silic Ví dụ: Carbon (dạng kim cương) Silic có cấu trúc tinh thể hồn tồn giống nhau, ngun tử nằm đỉnh tâm khối lập phương (cấu trúc khối tâm) Mỗi nguyên tử liên kết với nguyên tử kế cận (Carbon dạng graphit có cấu trúc khác) Các liên kết nguyên tử Silic 2.- CÁC MỨC NĂNG LƯỢNG CỦA NGUYÊN TỬ: Ta biết electron nguyên tử, chiếm tầng có mức lượng khác theo nguyên lý loại trừ Pauli: Có tối đa 2n2 electron tầng electron phân bố vân đạo s, p, d, f Ví dụ: Tầng 1: n = 1, có số electron tối đa Tầng 2: n = 2, có số electron tối đa [Vân đạo s ( = 0) : chứa tối đa electron Vân đạo p ( = 1) : chứa tối đa electron Vân đạo d ( = 2) : chứa tối đa 10 electron ] Khi có đầy đủ số electron tối đa tầng, nguyên tử có cấu bền Ví du: 2He, 10Ar có cấu bền 11Na có cấu khơng bền Ngoài electron chiếm vân đạo theo nguyên tắc sau đây: 1s Ví dụ: 6C : 14Si : 32Ge : 11Na : n = 1, =0 n = 2, = 0, n = 3, = 0, 1, 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f n = 4, = 0, 1, 2, 5s 5p 5d 5f n = 5, = 0, 1, 2, 3, 1s2 2s2 2p2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 1s2 2s2 2p2 3s1 Các mức lượng chưa bị electron chiếm gọi mức lượng trống Khi electron nhận lượng (do va chạm với electron khác với photon ) nhảy lên mức lượng cao II.- THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG: Ta thấy electron nguyên tử xếp mức lượng cố định: Ví dụ: : 1s2 2s2 2p2 3s1 2 6 29Cu : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 11Na Trong electron nằm sâu bên nguyên tử, bị giữ chặt hạt nhân electron tầng bên nên electron tầng linh động Khi nguyên tử tiến gần lại với cỡ số mạng “a”, mức lượng bị tách hợp thành dải Cuối mức lượng electron sâu bên nguyên tử electron bên hợp thành Vùng Hóa Trị BV (Bande Valence), tập hợp mức lượng trống hợp thành Vùng Dẫn BC (Bande Conduction), khoảng cách lượng dải gọi Vùng Cấm hay Khe Năng Lượng Eg (gap) E EC EV Vùng Dẫ n Vùng Cấ m Eg = EC - EV Vùng Hoá Trị Các vùng lượng nguyên tử  Nếu tất electron nằm Vùng Hóa Trị: khơng có electron dẫn điện  Khi electron Vùng Hóa Trị nhận lượng E > Eg, electron từ Vùng Hóa Trị nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện Ví dụ: Si có Eg = 1,1 eV Ge có Eg = 0,72 eV C (Kim cương) có Eg = 5,4 eV SiO2 có Eg = 8eV III.- PHÂN BIỆT ĐIỆN MÔI-CHẤT BÁN DẪN-KIM LOẠI: Về cấu trúc vùng lượng: Chất bán dẫn điện môi có cấu trúc giống nhau, chất lại khác Hiện nay, Si ( Eg = 1,1 eV) SiO2 (Eg = eV) dùng nhiều công nghệ bán dẫn E E Vùng Dẫ n EC EC Eg = eV Vùng Dẫ n Eg = 1,1 eV EV EV Vùng Hóa Trị Vùng Hóa Trị Các vùng lượng SiO2 Các vùng lượng Si a/ ĐIỆN MƠI: Điện mơi chất có Eg lớn, điều kiện bình thường electron Vùng Hóa Trị khơng thể vượt qua rào lượng Eg, để lên Vùng Dẫn Ta phải cung cấp lượng lớn E > Eg electron từ Vùng Hóa Trị nhận lượng nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện b/ CHẤT BÁN DẪN : Chất bán dẫn có Vùng Cấm Eg tương đối thấp, electron nhận lượng để từ Vùng Hóa Trị lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện Khi tăng nhiệt độ, số electron từ Vùng Hóa Trị nhận đủ lượng nhảy lên Vùng Dẫn nhiều, điện trở chất bán dẫn giảm c/ KIM LOẠI: Kim loai có Vùng Dẫn Vùng Hố Trị sát gối lên nhau, nên điều kiện thường khơng cần cung cấp lượng có sẵn electron tự Vùng Dẫn tham gia dẫn điện Vì ta có Eg = E EV EC Vùng Dẫ n Vùng Hóa Trị Các vùng lượng kim loại Ví dụ: : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 2s2 2p6 3s1 11Na: 1s Khi tăng nhiệt độ, dao động mạng tinh thể tăng, cản trở di chuyển electron nên điện trở kim loại tăng 13Al IV.- CHẤT BÁN DẪN : (Semiconductor) Các nguyên tử hóa trị Germani (Ge); Silic (Si) chất bán dẫn 2s2 2p6 3s2 3p2 14Ge: 1s 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 32Si : 1s Ta thấy tầng nguyên tử có electron, nên cần có thêm electron để đạt cấu bền, nghĩa phải tạo thêm liên kết cộng hóa trị với nguyên tử lân cận (mỗi liên kết cộng hóa trị có electron dùng chung cho nguyên tử) Ví dụ: Mạng tinh thể chất bán dẫn Germani có cấu sau: Ge E EC EV Vùng Dẫ n Eg = 0,72eV Vùng Hóa Trị Các mức lượng chất bán dẫn Ge Mạng tinh thể chất bán dẫn Ge Tùy theo tạp chất pha vào chất bán dẫn mà ta có loại bán dẫn sau đây: A - CHẤT BN DẪN THUẦN: (Intrinsic semiconductor) Trong mạng tinh thể, có ngun tử bán dẫn, ví dụ Germani (Ge), Silic (Si), khơng có ngun tử tạp chất lạ Ta xét dẫn điện loại bán dẫn theo nhiệt độ:  Ở 00K: Không có dao động nhiệt mạng tinh thể, nguyên tử nằm yên nút mạng nên liên kết cộng hóa trị khơng thu lượng để đứt Chúng bền chắc: khơng có electron tự nên chất bán dẫn điện môi  Ở nhiệt độ bình thường : Các nguyên tử bị dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, chúng cung cấp lượng cho liên kết cộng hóa trị Khi thu đủ lượng E  Eg liên kết cộng hoá trị đứt cho electron tự chúng tham gia dẫn điện  Ở nhiệt độ cao: Số liên kết cộng hóa trị bị đứt nhiều, nên số electron tự tạo lớn, độ dẫn điện tăng Cơ chế dẫn điện chất bán dẫn thuần: Khi đặt chất bán dẫn vào điện trường ngoài, liên kết cộng hóa trị thu đủ lượng bị đứt tạo electron tự do, chúng di chuyển phía cực dương điện trường để lại trạng thái lượng bị khuyết, ta gọi lổ trống Như nguyên tử Ge có lổ trống cịn electron tầng ngồi, muốn nhận thêm electron để đạt cấu bền Các electron lân cận dễ dàng di chuyển lại chiếm lổ trống lại để lổ trống khác thế, ta thấy electron di chuyển ngược chiều điện trường, lổ trống di chuyển chiều điện trường Cả hai tham gia dẫn điện electron nhận lượng từ Vùng Hóa Trị nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, lổ trống di chuyển Vùng Hóa Trị di dời electron đến lấp lổ trống Trong chất bán dẫn thuần, ta có: I = Ie + Ip số electron số lổ trống (ne = np) E BC EC Ge EV BV Mạng tinh thể chất bán dẫn Germani Các mức lượng chất bán dẫn Chú ý: Dòng điện chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta gọi dòng điện bảo hòa B.- CHẤT BÁN DẪN PHA TẠP CHẤT: Khi chất bán dẫn pha tạp chất có hóa trị hóa trị với nồng độ thấp vào mạng tinh thể (pha nguyên tử tạp chất 1012 nguyên tử bán dẫn) Các nguyên tử tạp chất chiếm nút mạng, độ dẫn điện chất bán dẫn tăng lên đáng kể 1/ CHẤT BÁN DẪN LOẠI N: (Negative) Pha tạp chất hóa trị Arsenic (As), Phosphor (P) vào chất bán dẫn Germani (Ge) Silic (Si) có hóa trị 4: 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3 33As : 1s Tầng ngồi ngun tử As có electron, tạo liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Ge lân cận Do thừa electron, electron linh động, cần lượng thấp (khoảng 0.01eV) đủ để khỏi nguyên tử As tham gia dẫn điện Nên nhớ electron di chuyển không để lại lổ trống !! Ngồi liên kết cộng hóa trị nguyên tử Ge bứt chúng nhận lượng đủ lớn (E  Eg) chúng tham gia dẫn điện chất bán dẫn (gồm electron lổ trống) Vậy chất bán dẫn loại N, electron lổ trống tham gia dẫn điện, số electron nhiều số lổ trống (do có tên chất bán dẫn N: negative) Ta gọi electron chất bán dẫn loại N hạt mang điện đa số, lổ trống chất bán dẫn loại N hạt mang điện thiểu số Nếu xét giản đồ lượng, electron nguyên tử As nằm mức lượng gần sát đáy Vùng Dẫn, gọi mức ED (Donor) E = EC - ED ( 0,01eV) Chỉ cần lượng nhỏ cỡ 0.01eV, electron từ mức ED nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện Ngoài liên kết cộng hóa trị Vùng Hóa Trị nhận đủ lượng, bị bẻ gãy tạo electron nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, lổ trống dẫn điện Vùng Hóa Trị chất bán dẫn E BC EC ED Ge As EV BV Mạng tinh thể chất bán dẫn loại N Các mức lượng chất bán dẫn loại N 2/ CHẤT BÁN DẪN LOẠI P: (Positive) Pha tạp chất hóa trị Gali (Ga), Indi (In) vào chất bán dẫn Germani (Ge) Silic (Si) có hóa trị 4: 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p1 31Ga : 1s 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p1 49In : 1s Tầng ngồi ngun tử Ga có electron, mà phải liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Ge lân cận, thiếu electron hay xem thừa lổ trống Chỉ cần lượng thấp (khoảng 0.01eV) đủ cho electron kế cận lại chiếm vị trí lổ trống để lại lổ trống khác Ngồi liên kết cộng hóa trị ngun tử Ge bứt chúng nhận lượng đủ lớn chúng tham gia dẫn điện chất bán dẫn (gồm electron lổ trống) Vậy chất bán dẫn loại P, electron lổ trống tham gia dẫn điện, số lổ trống nhiều số electron (do có tên chất bán dẫn loại P: Positive) Ta gọi lổ trống chất bán dẫn P hạt mang điện đa số, electron chất bán dẫn P hạt mang điện thiểu số Nếu xét giản đồ lượng, lổ trống nguyên tử Ga nằm mức lượng gần phía Vùng Hóa Trị, gọi mức EA (mức Acceptor) E = EA - EV ( 0.01eV ) Chỉ cần lượng 0.01eV, electron từ Vùng Hóa Trị nhảy lên mức Acceptor lấp lổ trống nguyên tử Ga, để lại lổ trống Vùng Hóa Trị Các electron Vùng Hóa Trị lại chiếm vị trí lổ trống đó, để lại lổ trống khác .Vậy lổ trống tham gia dẫn điện Vùng Hóa Trị Ngồi liên kết cộng hóa trị Vùng Hóa Trị nhận đủ lượng, bị bẻ gãy tạo electron tự do, nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, lổ trống dẫn điện Vùng Hóa Trị chất bán dẫn E BC EC Ga EA EV Ge BV Mạng tinh thể chất bán dẫn loại P Các mức lượng chất bán dẫn loại P Chất bán dẫn suy biến: Nếu pha tạp chất với nồng độ lớn, 1020 nguyên tử /cm3 mức ED mức EA tạo thành dải Dải ED chồng lên Dải Dẫn, dải EA chồng lên Dải Hóa Trị Chất bán dẫn trường hợp gọi chất bán dẫn suy biến, dẫn điện tốt kim loại Người ta sử dụng tính chất để tạo dây nối vi mạch 10 Điện áp cưa nạch quét ngang quét dọc 3.- SƠ ĐỒ KHỐI: * Khối quét (Sweep): gồm có mạch quét ngang quét dọc - Mạch quét ngang (Hor sweep): Có nhiệm vụ tạo điện áp hình cưa tần số 15.625Hz, mạch dao động ngang (Hor osc.) tạo ra, sửa dạng thành hình cưa, đưa đến khuếch đại công suất ngang (Hor output) tải cuộn lệch ngang (Hor deflection coil) Ngồi người ta cịn lợi dụng thời gian quét ngắn để tạo sức điện động cảm ứng lớn biến “Fly back”, biến có cuộn thứ cấp nhiều vòng dây so với cuộn sớ cấp nên ta điện áp cao (siêu thế), qua điốt chỉnh lưu biến thành điện áp chiều (HV) cung cấp cho A2 đèn hình Biến fly back cịn nguồn ni tạo nhiều điện áp chiều, cung cấp cho mạch điện khác máy thu hình - Mạch qt dọc (Vert sweep): Có nhiệm vụ tạo điện áp hình cưa tần số 50Hz, mạch dao động dọc (Vert Osc), khuếch đại công suất dọc (Vert output) tạo ra, tải cuộn lệch dọc (Vert deflection coil) * Khối cao tần (Tuner): Tín hiệu hình hổn hợp điều chế biên độ sóng cao tần có tần số fH tín hiệu âm điều chế tần số sóng cao tần có tần số fT Ta có: fT - fH = const Hai sóng cao tần fT , fH chọn sóng, khuếch đại cao tần (RF amp.) trộn với sóng sin có tần số f0 mạch dao động nội (Oscillator) tạo tầng trộn sóng (Mixer) để đổi xuống tần số trung tần (IF) * Khối khuếch đại trung tần (Imtermediate Frequency amplifier): Trung tần hình có tần số f0 – fH trung tần tiếng có tần số fo - fT Mạch khuếch đại trung tần mạch khuếch đại cộng hưởng gồm hay nhiều tầng, chỉnh cộng hưởng lệch để có giải thơng đủ rộng cho giải tần từ f0 - fT đến fo- fH qua Mạch khuếch đại trung tần hình mạnh, trung tần tiếng bị làm giảm yếu để khơng gây nhiểu lên hình * Khối tách sóng hình (Video detector): Là mạch tách sóng biên độ dùng điốt cao tần, có hai nhiệm vụ: - Tách tín hiệu hình hổn hợp khỏi sóng mang hình fo- fH - Trộn tần số trung tần (f0 – fH) (fo – fT) lại tần số trung tần âm fH) (fT – * Khối âm (Sound): Gồm có mạch khuếch đại trung tần âm (Sound amp.) dùng để khuếch đại tần số trung tần âm fT - fH, tách sóng FM (FM det.) ta thu tín hiệu âm thanh, khuếch đại điện áp, khuếch đại công suất (Sound amp.) đưa âm loa radio * Khuếch đại hình (Video amp.): Sau tách sóng hình, ta nhận tín hiệu hình hổn hợp, qua khuếch đại hình khuếch đại mạnh để đưa tín hiệu hình đến đèn hình Tín hiệu hình có tần số cao (6MHz) nên mạch khuếch đại cơng suất cao tần, phải có giải thơng đủ rộng, khơng hình ảnh bị bớt nét (mất bớt chi tiết) 131 * Khối tách đồng (Synchro separator): Sau phần tách sóng hình ta thu tín hiệu hình hổn hợp có tín hiệu đồng ngang đồng dọc, xung xoá dấu quét mạch tách đồng mạch khuếch đại hoạt động chế độ C, tách lấy đỉnh xung đồng ngang dọc khỏi tín hiệu hình hổn hợp - Tín hiệu đồng ngang tách mạch vi phân (Differentiel circuit), đưa đến mạch dao động ngang để cưỡng dao động ngang dao động tần số quét ngang đài phát Ngoài cịn có tầng AFC (Automatic Frequency Control) làm nhiệm vụ so pha tín hiệu: tín hiệu đồng ngang từ mạch tách đồng đưa đến tín hiệu dao động ngang mạch dao động ngang đưa lại Khi pha tín hiệu có nghĩa tần số dao động ngang máy tao tần số đồng pha với tín hiệu đồng ngang phát kèm với tín hiệu hình sau hàng (nếu sai pha hình bị chạy qua lại theo chiều ngang, sai dao động hình bị xé ngang) - Tín hiệu đồng dọc tách mạch tích phân (Integrate circuit), đưa đến mạch dao động dọc để cưởng dao động dọc dao động tần số quét dọc đài phát (nếu khơng hình bị trơi lên, trơi xuống) Ang-ten FM det S.IF amp S amp Vidéo det Tuner CRT Vidéo amp IF amp Sync sep Tích phân Vert sweep Vi phân AFC + Hor sweep Transfo Fly back Sơ đồ khối máy thu hình 132 4.- MẠCH TÍCH PHÂN VÀ VI PHÂN: a.- Mạch tích phân (Integrate circuit): Gồm điện trở tụ điện mắc hình bên R q Uvào = Ri  C UVào C Ura Lấy tích phân vế: q  U vao dt   Ri dt   C dt Trường hợp tích số RC lớn, tích phân  qdt bỏ qua trước tích phân RC  idt Vậy: U vao dt  Hay ta :  Ri dt  Rq  RCU U  U vao dt RC  Điện áp khỏi mạch tích phân Ura tỉ lệ thuận với tích phân điện áp vào Uvào * Tác dụng mạch tích phân lên xung chữ nhật : Uvào Bên hình vẽ điện áp xung Uvào có dạng chữ nhật điện áp Ura có dạng xung nhọn, có biên độ lớn Nhờ tích điện phóng điện tụ điện C, điện áp hai đầu tụ điện « tích » dần đến điện áp lớn Ura Tích phân * Tác dụng mạch tích phân lên chuỗi xung đồng bộ: Trong xung đồng dọc, thật có nhiều xung nhỏ có xung đồng ngang thời gian quét dọc dao động ngang hoạt động nên cần có xung đồng ngang để điều khiển nó, ngồi cịn có xung rộng thời gian lặp lại xung nhỏ xung đồng ngang, chúng có tác dụng « tích » điện áp để tạo nên xung nhọn, biên độ lớn kích thích cưỡng mạch dao động dọc dao động tần số với xung đồng dọc từ đài phát đưa tới Các xung đồng ngang khơng « tích » lên chúng có thời gian lặp lại xung lớn 133 Xung đồ ng ngang Xung đồ ng ngang Xung đồ ng dọ c Tác dụng mạch tích phân lên xung đồng dọc đồng ngang a.- Mạch vi phân (Differentiel circuit): Gồm điện trở tụ điện mắc hình bên q Uvào = Ri  C Lấy vi phân vế: dU vao dq di   R dt C dt dt C UVào R Ura di dt dq   dt i  C Trường hợp tích số RC nhỏ: ta thấy RC Vậy: C dU vao dt dU vao dt bỏ qua trước dq dt idt  i dt dU vao U Ri  R   dt C C Hay ta : U  RC dU vao dt Vậy: Điện áp khỏi mạch vi phân Ura tỉ lệ thuận với vi phân điện áp vào Uvào 134 * Tác dụng mạch tích phân lên xung chữ nhật : Uvào Ura Bên hình vẽ điện áp Uvào có dạng xung chử nhật điện áp Ura có dạng hai xung nhọn, có sườn trước thẳng dùng để kích cho mạch dao động ngang chạy tần số xung đồng ngang đài phát * Tác dụng mạch vi phân lên chuỗi xung đồng bộ: Trong xung đồng dọc, có nhiều xung nhỏ nên tất xung đồng dọc lẫn đồng ngang qua mạch vi phân bị biến thành xung nhọn có sườn bên thẳng để kích dao động ngang dao động cưỡng theo xung động ngang 135 CHƯƠNG VIII MÁY ĐO ĐIỆN DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ (Oscilloscope) Trong kỹ thuật đo lường điện, điện tử, tính chất tín hiệu mà cần biết dạng sóng Các tín hiệu điện thường biến thiên nhanh theo thời gian, có thiết bị vẽ trực tiếp đồ thị biến thiên tín hiệu u = f(t) ta quan sát dạng sóng đo lường thơng số tín hiệu cách trực quan Thiết bị để phục vụ cho mục đích “Dao động ký điện tử ”, gọi “Máy sóng” hay “Oscillo.” (Oscilloscope) Dao động ký điện tử thực vẽ “dao động đồ” tín hiệu ống tia điện tử Nó loại máy đo có nhiều tính tốt như: quan sát dạng sóng, trở kháng vào lớn (khơng làm suy yếu tín hiệu cần đo), độ nhạy cao (đo điện áp nhỏ), đo điện áp tín hiệu có dạng đặc biệt (dạng xung), quán tính chùm tia điện tử nhỏ nên quan sát hiệu điện có tần số cao Ta thường dùng dao động ký điện tử phép đo sau : * Quan sát dạng sóng hiệu điện thay đổi theo thời gian * Đo hiệu điện đỉnh-đỉnh Vp-p (peak to peak) xung điện * Đo tần số tín hiệu điện hình sin, cách so sánh tần số với tín hiệu điện hình sin khác tạo từ máy phát sóng có tần số chuẩn (phương pháp Lissajous) * Đo độ lệch pha tín hiệu điện * Xác định điểm làm việc tốt cho tầng khuếch đại * Ngồi ra, máy dao động ký điện tử, cịn dùng để đo lường nhiều dạng đại lượng vật lý biến đổi khác, biến đổi học, sinh vật học, Phép đo thường thực cách dùng chuyển đổi để chuyển dạng lượng cần đo sang dạng lượng điện dùng máy dao động ký điện tử để nghiên cứu I.- NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG: Dao động ký điện tử dựa nguyên tắc chùm tia điện tử bị lệch điện trường Trong bóng thủy tinh rút chân khơng, có phận: Một ống phóng điện tử (Canon), để tạo nên chùm electron đập thẳng vào huỳnh quang tạo thành vệt sáng Vệt sáng điều chỉnh thành điểm sáng thật nhỏ, nhờ hệ thống hội tụ chùm tia điện tử (Focus) Bộ phận lái tia điện tử lái chùm tia electron tạo nên hình vẽ cần thiết huỳnh quang đặt cuối bóng Màn huỳnh quang phát sáng chổ có chùm tia electron đập vào 1.- ỐNG PHĨNG ĐIỆN TỬ (Canon): Có nhiệm vụ tạo chùm tia electron đập vào huỳnh quang, gồm có phận sau đây: a.- Catốt (K): Là nơi phát electron, có dạng ống hình trụ nhỏ, làm Niken Bên có tim đèn để sưởi nóng catốt, bên phủ lớp Oxit kim loại kiềm (có cơng nhỏ) dễ phát xạ electron sưởi nóng BaO, ThO 136 b.- Anốt (A1): Có dạng ống hình trụ trịn, có lổ nhỏ cho electron thoát Anốt cấp điện áp dương so với catốt để gia tốc chùm tia electron c.- Anốt (A2): Có dạng ống hình trụ trịn, có lổ nhỏ cho electron thoát Anốt cấp điện áp dương (so với catốt) lớn để hút mạnh chùm tia electron đập vào huỳnh quang d.- Cực điều khiển (G): Hay ống Wehnelt, có dạng ống hình trụ trịn, có lổ nhỏ để chùm electron thóat ra, đặt Catốt Anốt 1, cấp điện áp âm so với catốt để điều chỉnh cường độ chùm tia electron Một ống phóng điện tử gồm phận trên, cấp điện áp thích hợp tạo chùm tia electron đập vào huỳnh quang e.- Hệ thống hội tụ (Focus): Chùm tia electron phát từ ống phóng điện tử hội tụ lại nhờ điện trường bố trí thích hợp (thấu kính điện tử) 2.- THẤU KÍNH ĐIỆN TỬ: Chuyển động electron bị lệch điện trường từ trường, nên quĩ đạo electron bị khúc xạ phản xạ ánh sáng Xét chùm electron vào điện trường E tụ điện phẳng có cực suốt (mạ ZnO hay lớp bạc mỏng), góc tới i1 hình Ta thấy điện trường E có tác dụng hãm chuyển động electron Trong thành phần Vn bị hãm dần, thành phần Vt không bị thay đổi V  Vn  Vt  Nếu điện trường đủ lớn: Phản xạ Thành phần Vn giảm dần đến lúc bị triệt tiêu chuyển động chùm electron đổi hướng theo chiều ngược với E Điện áp biến thiên từ A đến B từ B đến C nhau, nên electron khỏi cực dương tụ điện góc i2 góc tới i1 Như ta nói chùm tia electron bị phản xạ gặp điện trường i1 = i2 Vt Vn + v + + i1 + A + + i2 + C + + B E - - - - - - - - - - Phả n xạ i1 = i2  Nếu điện trường không đủ lớn : Khúc xạ Thành phần Vn không bị triệt tiêu chùm tia electron khỏi cực với góc khác góc tới Ta có khúc xạ Nếu electron vào điện trường từ nơi có điện áp cao sang điện áp thấp: Điện trường có tác dụng hãm chuyển động electron, nên góc khúc xạ lớn góc tới Tương tự trường hợp ánh sáng từ mơi trường có chiết suất lớn sang mơi trường có chiết suất nhỏ (n1 > n2) Nếu electron vào điện trường từ nơi có điện áp thấp sang điện áp cao: 137 Điện trường có tác dụng hỗ trợ chuyển động electron, nên góc khúc xạ nhỏ góc tới Tương tự trường hợp ánh sáng từ mơi trường có chiết suất nhỏ sang mơi trường có chiết suất lớn (n1 < n2) v v i + + + + + + + + + i + - - B - - - - - - - - - - A A - - - - - - - - E r- + + + + + B + + + E + + + r Khúc xạ i < r Khúc xạ i > r Trên sở khúc xạ chùm electron, ta tạo nên thấu kính điện có tác dụng hội tụ hay làm phân kỳ chùm tia electron Một hệ thống điện cực hình sau thấu kính điện, hội tụ chùm tia electron D1 D2 D3 A2 Màn hình + Focus Thấu kính điện D1 , D2 D3 điện cực kim loại, có dạng hình trụ có lổ nhỏ electron qua, trục đối xứng trùng với trục đối xứng thấu kính điện Trong D , D3 nối chung với nhau, có điện áp dương cao so với catốt (chính Anốt 2) D2 cấp điện áp dương so với catốt thấp điện áp D1, D3 Điện áp thay đổi nhờ biến trở (được gọi núm Focus) Chùm electron xuất phát từ súng phóng điện tử (Canon), qua điện cực D 1, D2 phân kỳ qua D2, D3 hội tụ điểm P Muốn điều chỉnh điểm hội tụ huỳnh quang, người ta điều chỉnh điện dương cấp vào điện cực D2, nên D2 gọi cực hội tụ (Focus) 3.- BỘ PHẬN LÁI TIA: (Quét) 138 Chùm tia electron bị lệch điện trường từ trường, dao động ký điện tử người ta làm lệch chùm tia electron điện trường: Giữa nguồn electron (canon) huỳnh quang, người ta đặt cặp tụ điện C1 C2 có tác dụng làm lệch chùm tia electron theo phương thẳng góc với nhau:  Quét ngang -X: Ở cặp cực tụ điện C1 đặt thẳng đứng cấp điện áp biến thiên theo thời gian, có dạng hình cưa, điểm sáng huỳnh quang chuyển động thẳng theo phương nằm ngang ta đường sáng nằm ngang huỳnh quang Điện áp mạch quét ngang bên dao động ký điện tử tạo V Sư n tiế n Sư n quét t Điện áp quét ngang hình cưa  Quét dọc -Y: Ở cặp cực tụ điện lại C2 đặt nằm ngang cung cấp hiệu điện cần nghiên cứu, để làm lệch chùm tia electron theo bề dọc Dưới tác dụng đồng thời điện trường tụ điện C1 C2, vệt sáng huỳnh quang vẽ nên đường cong (dao động đồ), biểu diễn biến thiên điện áp cần nghiên cứu theo thời gian Nếu tần số tín hiệu cần nghiên cứu gấp đôi tần số điện áp cưa, huỳnh quang ta thấy chu kỳ dạng sóng cần nghiên cứu Tần số dịng điện cần nghiên cứu cao, tần số quét cưa dao động ký điện tử phải cao tương ứng, ta thấy vài chu kỳ tín hiệu Đây tiêu kỹ thuật quan trọng để chọn dao động ký điện tử F K Cat ố t A1 Anố t G Cự c Đ iề u khiể n A2 Anố t F Hộ i tụ C1 Lệ ch ngang Màn huỳ nh quang C2 Lệ ch dọ c Bóng đèn tia âm cực (CRT) 139 Màn huỳ nh quang Sư n tiế n Sư n quét X t Y t Điện áp cưa đưa vào mạch quét ngang X điện áp cần nghiên cứu đưa vào mạch quét dọc Y II.- CẤU TẠO VÀ CÁCH SỬ DỤNG: Tùy theo kết cấu dao động ký điện tử mà ta có loại dao động ký điện tử chùm tia, dùng để quan sát, đo đạt dạng sóng điện dao động ký điện tử chùm tia để quan sát, đo đạt, so sánh đồng thời dạng sóng điện 140 1.- CẤU TẠO: Ta thường thấy dao động ký điện tử chùm tia loại đơn giản, có núm điều chỉnh đây: PILOT LAMP INTENSITY (PULL ON) FOCUS VERT HORIZ POSITION GAIN X1 GAIN X100 X10 1KH z X10 DC X100 FREQ.VERN AC 10HZ X1 00K HZ 500K EXT IN HZ HORIZONTAL EXT 00Hz VERTICAL SYNC INT VERT IN 1VPP EXT GND Núm chọ n đồ ng : (INT):trong hoặ c (EXT):ngòai Mặ t trư c dao độ ng ký điệ n tử Tùy theo hiệu máy tùy theo model khác nhau, núm điều chỉnh bố trí khác Ta nhận thấy núm điều chỉnh bố trí thành khối: khối lệch dọc, khối lệch ngang & khối đồng khối vị trí, khối lệch dọc khối lệch ngang & đồng 141 A.- CHỨC NĂNG CỦA CÁC NÚM ĐIỀU CHỈNH:  Khối vị trí (POSITION):  ON/OFF: Có thể nằm bên núm INTENSITY: Kéo núm mở máy nhấn vào tắt máy  INTENSITY: Vặn theo chiều kim đồng hồ tăng cường độ chùm tia electron: độ sáng đường biểu diễn huỳnh quang sáng Vặn ngược chiều kim đồng hồ làm giảm độ sáng đường biểu diễn làm mờ tắt đường quét  FOCUS: Điều chỉnh để thấy đường biểu diễn nét, rõ  VERT.: Di chuyển tịnh tiến đường biểu diễn theo chiều dọc (Vertical)  HORIZ.: Di chuyển tịnh tiến đường biểu diễn theo chiều ngang (Horizontal)  Khối lệch dọc (VERTICAL):  GAIN: Thay đổi liên tục bề cao đường biểu diễn  VERTICAL: Có vị trí để giảm bớt biên độ tín hiệu đo: X1, X10, X100 Phía DC (Direct Current) dùng cho tín hiệu cần đo hiệu điện chiều Phía AC (Alternating Current) dùng cho tín hiệu cần đo hiệu điện xoay chiều  VERT IN: Ngã vào điện áp cần khảo sát  Khối lệch ngang & đồng (HORIZONTAL & SYNC.):  GAIN: Thay đổi bề rộng đường biểu diễn hình  HORIZONTAL: Thay đổi tần số quét ngang (điện áp cưa) Có thang 10Hz, 100Hz, 1KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz vị trí EXT IN để đưa điện áp bên ngòai vào trục X (dùng để đo tần số theo phương pháp Lissajous)  FREQ VERN.: (Frequency vernier) Thay đổi tần số quét ngang liên tục để bắt đứng hình  1Vpp 0.5Vpp (peak to peak) tùy lọai máy: Nơi cung cấp điện áp chuẩn có dạng tuần hòan, biên độ 1Volt 0.5Volt đỉnh-đỉnh Dùng để lấy chuẩn cho phần quét dọc  GND (Ground): Masse máy, nơi có điện áp 0V  EXT SYNC: Đưa hiệu điện bên vào làm đồng 2.- CÁCH SỬ DỤNG: a.- QUAN SÁT DẠNG SÓNG:  Dùng mạch quét ngang bên máy tạo hiệu điện cưa, có tần chỉnh núm HORIZONTAL FREQUENCY VERNIER (khơng để vị trí EXT IN), chỉnh biên độ núm GAIN Điều chỉnh núm INTENSITY, FOCUS, VERT., HORIZ khối vị trí (POSITION) để hình có độ sáng vừa phải, rõ nét nằm ngang hình  Đưa hiệu điện cần quan sát vào lổ cắm VERT IN Nếu hiệu điện cần quan sát hiệu điện xoay chiều, vặn nút VERTICAL phía AC, hiệu điện cần quan 142 sát chiều, vặn nút VERTICAL phía DC, điều chỉnh thang đo (X1, X10, X100) kết hợp với núm GAIN để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát  Điều chỉnh phần ngang đồng (HORIZONTAL & SYNC.): Chọn đồng vị trí INT để sử dụng mạch đồng bên máy, điều chỉnh thang đo núm HORIZONTAL (10Hz, 100Hz, 1KHz, 10KHz, 100KHz, 500KHz) núm FREQ VERN để thấy hay vài chu kỳ đứng yên hình b.- ĐO HIỆU ĐIỆN THẾ:  Tiến hành bước phần quan sát dạng sóng tín hiệu, trước phải lấy chuẩn cho phần dọc  Lấy chuẩn cho phần dọc (V/cm): Núm VERTICAL để vị trí (thang lấy chuẩn) Đưa hiệu điện chuẩn (Vpp chuẩn) từ ổ cắm 1VPP 0.5Vpp (tùy máy) vào lổ cắm VERT IN Điều chỉnh núm GAIN để dạng sóng chuẩn có bề cao a (cm), nên chọn a số nguyên để dễ chia Như ta lấy chuẩn cho bề dọc Sau lấy chuẩn xong, không đụng đến núm GAIN Điều chỉnh thang đo (X1, X10, X100) để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát Đo bề cao b (cm) đường biểu diễn Ta có cơng thức tính điện áp tín hiệu cần đo sau: Vdo  b Thang Vpp (chuan) a Thang lay chuan Chú ý: Nếu điện áp tín hiệu hình sin, điện áp đỉnh-đỉnh Vpp = 2VM ta có giá trị hiệu dụng sau: V  Vdo Volt 2 c.- ĐO TẦN SỐ DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LISSAJOUS: Phương pháp Lissajous cho phép ta so sánh so sánh tần số tín hiệu hình sin cần đo với tín hiệu hình sin có tần số chuẩn từ máy phát sóng  Tắt mạch quét ngang bên máy, cách vặn núm HORIZONTAL vị trí EXT IN Điều chỉnh núm INTENSITY, FOCUS, VERT., HORIZ khối vị trí (POSITION) để có điểm sáng vừa phải, rõ nét nằm tâm hình (tránh để lâu, khơng cháy lớp huỳnh quang hình)  Đưa tín hiệu từ máy phát sóng hình sin phát tần số chuẩn (Sine Wave Generator) vào lổ EXT IN GND để quét ngang, điều chỉnh biên độ máy phát sóng chuẩn núm GAIN phần quét ngang (HORIZONTAL) để ta có đường sáng nằm ngang có biên độ vừa phải  Đưa hiệu điện cần đo tần số vào lổ cắm VERT IN, vặn nút VERTICAL phía AC Điều chỉnh thang đo (X1, X10, X100) kết hợp với núm GAIN để có bề cao đủ lớn, dễ quan sát Trên hình có đường cong lộn xộn, điều chỉnh tần số máy phát sóng chuẩn để ta thấy dạng sau đây: 143 fđo = fđo = fđo fchuẩn fchuẩn fchuẩn fđo = fchuẩn fđo = fđo = fchuẩn fchuẩn Tổng quát fđo = m fchuẩn n fchuẩn fđo = = m: Số điểm cắt bề ngang n: Số điểm cắt bề dọc Trên dao động ký điện tử chùm tia, ta cị có loại dao động ký điện tử chùm tia dùng ống phóng điện tử dao động ký điện tử chùm tia kết hợp với “Chuyển mạch điện tử” (Electronic Switch) có tần số cao “Chuyển mạch điện tử” mắc thêm bên ngồi dao động ký điện tử chùm tia cấu tạo sẵn bên máy Với lọai dao động ký điện tử này, ta có ngõ vào phần dọc độc lập mạch quét ngang máy, ta quan sát, đo đạt so sánh lúc tín hiệu hình Dao động ký điện tử hai chùm tia 144 MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Basic electronics for scientists – James J Brophy Electronic circuits – E J Angelo Introduction to electronic systems, circuits and devices – Donal O Pederson, McGrawHill Book Company Théorie et pratique des circuits de l’électronique et des amplificateurs J Quinet, Dunod Vô tuyến điện tử – Nguyễn Thúc Huy, NXB Giáo dục, 1985 Giáo trình điện tử thông tin – Phạm hồng Liên, ĐHKT TP HCM, 1996 Bài giảng điện tử – Lê Tiến Thường, Trần văn Sư - ĐHKT TP HCM, 1998 Bài giảng truyền dẫn sợi quang – ĐHBC-VT TP HCM, 1998 145 ... tăng đột ngột, đặc tuyến ngược Volt-Ampe thẳng Ở ta sử dụng nhánh ngược đặc tuyến Volt-Ampe để sử dụng điốt vào mạch điện ổn áp Ithuậ n VZ Ungư Uthuậ n ợ c Ingư ợ c Đặc tuyến Volt-Ampe điốt Zener... hiệu đến Có tín hiệu đến để khuếch đại Volt uvào Volt uvào t IB(mA) IB(mA) IB IB IC(mA) t IC t t VC(Volt) VC(Volt) VC VC t IC(mA) IC t 0 t t ura (Volt) ura (Volt) 0 t t Các dạng sóng mạch khuếch... + Vc = Vo dV dt  VO CVC   RC - ln (V0 – Vc) = Error! + K Với điều kiện biên t = Vc = ta có : K = - ln V0 t = t1 , Vc (t1) = VM ta nhận : Vo T = t1 = RC ln V -V o M Khi xem gần VM = ? ?Vo , 