Giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số cung cấp cho học viên những nội dung về: điện tử tương tự; vật liệu bán dẫn; điốt bán dẫn; bipolar junction tranzitor; phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzitor;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS Nguyễn Thế Vĩnh (Chủ biên) ThS Trần Văn Thương GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ-ĐIỆN TỬ SỐ (DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC) QUẢNG NINH – 2016 LỜI NÓI ĐẦU Hiện lĩnh vực điện tử giới không ngừng phát triển, người ta chế tạo thiết bị bán dẫn lớn điốt, thyristor, tranzistor, tranzitor trường, khuếch đại thuật toán chịu điện áp cao dòng điện lớn thiết bị bán dẫn cực nhỏ vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi mạch số, vi mạch điều khiển, vi xử lý phần tử thiết yếu mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất ứng dụng cơng nghiệp nói Ngày khơng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn xâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt, xí nhiệp nhà máy xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu sử dụng ngày nhiều thành tựu linh kiện điện tử, minh chứng cho phát triển ngành công nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước ngày nhiều cơng ty, xí nghiệp dây truyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử, vi mạch công tác kỹ thuật đại Cuốn giáo trình “Điện tử tương tự - Điện tử số” mong muốn đáp ứng phần nhỏ u cầu nói Nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy học môn sở kỹ thuật ngành Công nghệ kỹ thuật điện, Cơ điện, Điện tử, Tự động hóa đồng thời giúp cho cán kỹ thuật, ngành kỹ thuật Điện - Điện tử - Tự động hóa củng cố nâng cao kiến thức ngành nghề, tiếp cận nhanh với thiết bị điện tử tương tự, điện tử số sử dụng nhiều cơng nghiệp Cuốn giáo trình gồm hai phần chương Phần I: Điện tử tương tự Phần II: Điện tử số Ngoài việc giới thiệu thiết bị bán dẫn, cịn có ứng dụng linh kiện mạch điện Bên cạnh cịn có ví dụ minh họa tính tốn thiết kế số mạch điện, điện tử tương tự - điện tử số thơng dụng Giáo trình tác giả: TS Nguyễn Thế Vĩnh Chủ biên ThS Trần Văn Thương Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn, giáo trình khơng tránh khỏi khiếm khuyết Chúng tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp bạn đọc Mọi góp ý xin gửi địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điên - Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh Quảng Ninh, năm 2016 PHẦN I: ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Chương VẬT LIỆU BÁN DẪN 1.1 Cấu trúc lượng nguyên tử Cấu trúc vùng lượng chất rắn tinh thể Như ta biết cấu trúc lượng ngun tử đứng lập có dạng mức rời rạc Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức bị suy biến thành dải gồm nhiều mức sát gọi vùng lượng Đây dạng cấu trúc lượng điển hình vật rắn tinh thể Tuỳ theo tình trạng mức lượng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay khơng, người ta phân biệt vùng lượng khác nhau: Vùng hoá trị (hay cịn gọi vùng đầy), tất mức lượng bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) lượng tự Vùng dẫn (vùng trống), mức lượng bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần Vùng cấm, khơng tồn mức lượng để điện tử chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt Tùy theo vị trí tương đối loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện mình, chất rắn cấu trúc tinh thể chia thành loại (xét 00K) thể hình 1-1 Chúng ta biết, muốn tạo dòng điện vật rắn cần hai trình đồng thời: trình tạo hạt dẫn tự nhờ kích thích lượng q trình chuyển động có hướng hạt dẫn điện tác dụng trường Dưới ta xét tới cách dẫn điện chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác chủ yếu liên quan tới trình sinh (tạo) hạt tự mạng tinh th Eg Vùng cấm E g Vùng hoá trị a) b) c) Hình 1-1 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng lượng a) Chất cách điện Eg >2eV; b) Chất bán dẫn điện Eg  2eV; c) Chất dẫn điện 1.2 Vật liệu bán dẫn Hầu hết chất bán dẫn có nguyên tử xếp theo cấu tạo tinh thể Hai chất bán dẫn dùng nhiều kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử Silicium Germanium Mỗi nguyên tử hai chất có điện tử ngồi kết hợp với điện tử nguyên tử kế cận tạo thành liên kết hóa trị Vì tinh thể Ge Si nhiệt độ thấp chất cách điện Các nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn Mendeleep Gecmani (Ge), Silic(Si) nguyên tố có điện tử lớp ngồi Ở điều kiện bình thường điện tử tham gia liên kết hố trị mạng tinh thể nên chúng khơng dẫn điện Hình 1-2 trình bày cấu trúc phẳng mạng tinh thể Gecmani, ngun tử đem điện tử ngồi góp với điện tử nguyên tử khác tạo thành cặp điện tử hoá trị (ký hiệu dấu chấm đậm) Khi kích thích lượng từ bên ngoài, số điện tử bứt khỏi liên kết trở thành điện tử tự dẫn điện kim loại Như chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn đơn chất Bán dẫn tạp chất: Hình 1-2 Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ thấp (T00K) Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt làm tăng lượng số điện tử làm gãy số nối hóa trị Các điện tử nối bị gãy rời xa di chuyển dễ dàng mạng tinh thể tác dụng điện trường Tại nối hóa trị bị gãy ta có lỗ trống (hole) Về phương diện lượng, ta nói nhiệt làm tăng lượng điện tử dải hóa trị Hình 1-3 Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ cao (T = 3000K) Khi lượng lớn lượng dải cấm (0,7eV Ge 1,12eV Si), điện tử vượt dải cấm vào dải dẫn điện chừa lại lỗ trống (trạng thái lượng trống) dải hóa trị Ta nhận thấy số điện tử dải dẫn điện số lỗ trống dải hóa trị Nếu ta gọi n mật độ điện tử có lượng dải dẫn điện p mật độ lỗ trống có lượng dải hóa trị Ta có n = p = ni Người ta chứng minh rằng: ni2 = A0.T3 exp( EG/KT) Trong đó: A0 Số Avogadro = 6,203.1023 T: Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin) K: Hằng số Bolzman = 8,62.10-5 eV/0K EG: Chiều cao dải cấm Hình 1-4 Dải cấm Những bán dẫn dẫn điện không tốt Để tăng khả dẫn điện bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn để bán dẫn có nồng độ hạt dẫn cao gọi bán dẫn tạp chất Bán dẫn tạp có loại loại n loại p 1.3 Các tượng vật lý chất bán dẫn Trong bán dẫn tạp bán dẫn diễn số q trình vật lý ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện chúng Ta xét tượng 1.3.1 Hiện tượng ion hóa nguyên tử Khi nguyên tử bị ion hoá phát sinh hạt dẫn tự Kết nghiên cứu cho thấy tích số hai nồng độ hạt dẫn phụ bán dẫn tạp điều kiện cân số: nP.pP = nn.pn = const Ta thấy tăng nồng độ hạt dẫn loại lên lần nồng độ hạt dẫn loại giảm nhiêu lần Như muốn thay đổi nồng độ động tử (hạt dẫn) bán dẫn tạp ta cần thay đổi nồng độ động tử bán dẫn Trong bán dẫn loại n số điện tử tự số ion dương N D+; bán dẫn loại p số “lỗ trống ” luôn số ion âm NA- tạp chất 1.3.2 Hiện tượng tái hợp hạt dẫn Trong bán dẫn ion ln nhận điện tích để trở thành ngun tử trung tính Đó tượng tái hợp Như lần tái hợp bán dẫn lại cặp điện tích bán dẫn lại chuyển sang trạng thái Khi cần quan tâm đến gia tăng nồng độ hạt dẫn phụ chúng có vai trị định chế phát sinh dòng điện dụng cụ bán dẫn mà ta nghiên cứu sau Trong bán dẫn loại n, giảm nồng độ lỗ trống theo thời gian (sự tái hợp lỗ trống với điện tử điều kiện nồng độ điện tử cao) p(t) thì: p(t) = P(0) Trong đó: P(0) - lượng lỗ trống thời điểm t = (là thời điểm sau trình sinh hạt) P - thời gian sống lỗ trống bán dẫn loại n Nó định nghĩa khoảng thời gian mà lượng lỗ trống giảm e lần Tương tự bán dẫn loại P: n(t) = n(0) P, n định tính tác động nhanh (tần số làm việc) dụng cụ bán dẫn 1.3.3 Chuyển động trôi (gia tốc) hạt dẫn điện trường Dưới tác dụng điện trường E hạt dẫn (các điện tích) chuyển động gia tốc theo hướng điện trường tạo nên dịng điện trơi Itr: Itr = qE(n.n + p.P) = Itr n + ItrP Trong : q - Điện tích hạt dẫn E - Cường độ điện trường n,p - Nồng độ điện tử lỗ trống n, P - hệ số gọi độ linh động điện tử lỗ trống 1.3.4 Chuyển động khuếch tán hạt dẫn Do chênh lệch nồng độ mà hạt dẫn khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, tạo thành dòng khuếch tán Ikt Mật độ dòng khuếch tán theo phương giảm nồng độ có dạng: Iktn = q.Dn Iktp = q.DP Dn, DP hệ số khuếch tán điện tử lỗ trống Dn = 32 cm2/s; DP = 12 cm2/s 1.3.5 Các đặc tính chất bán dẫn 1.3.5.1 Điện trở suất Hai nguyên tố thường chế tạo chất bán dẫn Si (silicium) Ge (gecmanium) có điện trở suất là: Si = 1014mm2/m Ge = 8,9.1012mm2/m Trị số điện trở suất lớn so với chất dẫn điện đồng (Cu) có điện trở suất Cu = 0.017mm2/m, lại nhỏ so với chất cách điện thuỷ tinh có:  = 1018mm2/m 1.3.5.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Điện trở suất chất bán dẫn thay đổi lớn theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng lên điện trở suất chất bán dẫn giảm xuống, khoảng nhiệt độ cao mức  giảm lớn Nhờ vào tính đặc tính người ta chế tạo linh kiện phụ thuộc vào nhiệt độ 1.3.5.3 Ảnh hưởng ánh sáng Điện trở suất chất bán dẫn thay đổi lớn theo cường độ ánh sáng, cường độ ánh sáng tăng lên điện trở suất chất bán dẫn giảm xuống, khoảng nhiệt độ cao mức  giảm lớn Nhờ vào tính đặc tính người ta chế tạo linh kiện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng 1.3.5.4 Ảnh hướng độ tinh khiết Một chất bán dẫn tinh khiết có điện trở xuất lớn ta pha tạp chất điện trở suất thay đổi sau: ta tăng tạp chất vào điện trở suất chất bán dẫn giảm ngược lại 1.4 Bán dẫn loại P bán dẫn loại N 1.4.1 Bán dẫn loại n Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hoàn Medeleep vào bán dẫn nguyên tử tạp chất với ngun tử lớp ngồi có điện tử tham gia liên kết với nguyên tử bán dẫn, cịn lại điện tử tự Ví dụ hình 1-4 bán dẫn Gecmani (ký hiệu Ge) trộn với asen (As) Tạp chất cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho”, ký hiệu n Hạt dẫn điện (hay gọi động tử) bán dẫn loại “cho” n điện tử với mật độ nn Giả sử ta pha vào Si nguyên tử thuộc nhóm V bảng phân loại tuần hoàn As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb) Bán kính nguyên tử As gần bán kính ngun tử Si nên thay nguyên tử Si mạng tinh thể Bốn điện tử As kết hợp với điện tử Si lân cận tạo thành nối hóa trị, dư lại điện tử As Ở nhiệt độ thấp, tất điện tử nối hóa trị có lượng dải hóa trị, trừ điện tử thừa As không tạo nối hóa trị có lượng ED nằm dải cấm cách dẫy dẫn điện khoảng lượng nhỏ chng 0,05eV Điện tử thừa As dải cấm Si Si E Dải dẫn điện Si 0,05eV Si As Si Si Si Si 1,12eV Mức fermi tăng Điện tử thừa As Dải hóa trị nhiệt độ T= K Hình 1-5 Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ cao (T = 3000K) Giả sử ta tăng nhiệt độ tinh thể, số nối hóa trị bị gãy, ta có lỗ trống dải hóa trị điện tử dải dẫn điện giống trường hợp chất bán dẫn Ngồi ra, điện tử As có lượng ED nhận nhiệt để trở thành điện tử có lượng dải dẫn điện Vì ta coi hầu hết nguyên tử As bị Ion hóa (vì khoảng lượng ED dải dẫn điện nhỏ), nghĩa tất điện tử lúc đầu có lượng ED tăng lượng để trở thành điện t t E Dải dẫn điện Dải hãa trÞ Hình 1-6 Dải dẫn điện Nếu ta gọi ND mật độ nguyên tử As pha vào (còn gọi nguyên tử cho donor atom) Ta có: n = p + ND Với n: mật độ điện tử dải dẫn điện P: mật độ lỗ trống dải hóa trị Người ta chứng minh được: n.p = ni2 (npn Nèi hóa trị không đ-ợc thành lập Si Si Si Is Si Lỗ trống Hỡnh 1-7 Bỏn dn loi P o Ở nhiệt độ thấp (T = K), tất điện tử có lượng dải hóa trị Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể có số điện tử dải hóa trị nhận lượng vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời có điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ lỗ trống có lượng EA Nếu ta gọi NA mật độ nguyên tử In pha vào (còn gọi nguyên tử nhận), ta có: p = n + NA p: mật độ lỗ trống dải hóa trị n: mật độ điện tử dải dẫn điện Người ta chứng minh được: n.p = ni2 (p>n) ni mật độ điện tử lỗ trống chất bán dẫn trước pha Chất bán dẫn có số lỗ trống dải hóa trị nhiều số điện tử dải dẫn điện gọi chất bán dẫn loại p Như vậy, chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số lỗ trống hạt tải điện thiểu số điện tử 1.4.3 Chất bán dẫn hỗn hợp Ta pha vào Si nguyên tử cho nguyên tử nhận để có chất bán dẫn hỗn hợp Hình 1-8 sơ đồ lượng chất bán dẫn hỗn hợp Hình 1-8 Sơ đồ lượng chất bán dẫn hỗn hợp Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có: n+NA = p+ND n.p = ni2 Nếu ND > NA => n>p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N Nếu ND < NA => n IC + ICm UCE cho phép > UCE0 + UCm  2UCC PC cho phép > PC = UC IC Theo hình (3-53) thì: P~  (3.54) (3.55) (3.56) U Cm I Cm diện tích tam giác OQH Theo IC0 tìm IB0 tính R1, R2 Hiệu suất tầng khuếch đại  = c.ba; c - hiệu suất mạch colectơ Ở chế độ A khơng có tín hiệu P~ = PC = P0 nên cần chọn chế độ nhiệt tranzistor theo P0 để bảo đảm tranzistor không bị hư 73 3.7.2 Khuếch đại công suất đẩy kéo 3.7.2.1 Khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp Để tăng hiệu suất tầng khơng thể để tranzistor làm việc chế độ A mà làm việc chế độ B chế độ AB Khi làm việc chế độ B tín hiệu đầu vào khơng dịng colectơ không, nên lúc công suất PO tiêu hao nguồn không, hiệu suất tăng Tuy nhiên làm việc chế độ B AB tín hiệu tồn phần chu kỳ nên méo phi tuyến lớn Để giảm méo dùng hai tranzistor mắc đẩy kéo Xét sơ đồ nguyên lý hình 3-54a Ở biến áp BA1 biến áp đảo pha ,tạo hài điện áp có biên độ ngược pha để kích vào bazơ hai tranzistor BA2 biến áp Hai tranzistor T1 T2 mắc đẩy kéo Mạch colectơ mạch tranzistor mắc với nửa cuộn sơ cấp biến áp Tỷ số biến áp n2 = w1/w2 = w1'/ w2 ( w1 = w1') Nếu tầng làm việc chế độ AB Rb1, Rb2 đảm bảo thiên áp cho chế độ Nếu tầng làm việc chế độ B không cần định thiên; R b1, Rb2 lúc có tác dụng để bảo đảm cơng tác cho mạch vào tranzistor chế độ gần với chế độ nguồn dòng Xét sơ đồ làm việc chế độ B Khi khơng có tín hiệu vào điện áp bazơ hai tranzistor so với emitơ khơng Nếu ta bỏ qua dịng ngược colectơ coi dịng điện tầng không, điện áp tải không Trên colectơ tranzistor có điện áp xấp xỉ E0 Khi có tín hiệu vào, giả sử nửa chu kỳ đầu dương T1 thơng khuếch đại, T2 tiếp tục đóng Trên cuộn w1 tạo nên điện áp Uw1 = iC1 Rt~ = iC1.n22.Rt = .iB1.n22.Rt Trên tải Rt có điện áp Ur = Uw1/n2 Khi tín hiệu chuyển sang nửa chu kỳ âm T1 đóng lại, T2 thơng khuếch đại, iC2 = iB2 Điện áp w1' trị số với Uw1 hai tranzistor hệt nhau, ngược pha nên tạo nên tải điện áp bán chu kỳ âm Hình 3-54b mơ tả nửa chu kỳ tranzistor Đường tải xoay chiều với Rt~ = n22.Rt dựng điểm UCE0 = E0 IC = I0  Từ ta có: P~ = 1/2UCm.ICm  U I Pt  ba  P~  ba  mc mc (3.57)  Trị số trung bình dòng tiêu thụ nguồn IO xác định theo thành phần chiều chuỗi Furie nửa chu kỳ:  I (3.58) IC TB  I   I sin  d     Công suất nguồn tiêu thụ P0 là: I E Po  I  E   mc  (3.59)  Cm  Cm Hiệu suất mạch colectơ là:  c  P~ U cm I cm I E  U  / cm o  cm Po  E0 Hiệu suất tầng khuếch đại là:  U    c  ba   ba cm (3.61) Eo Nếu chọn điện áp dư UCE nhỏ hiệu suất lớn  Nếu coi ba2  1, UC  EO  =  0,785 74 (3.60) IC Rb1 + Ec w1 R , w T2 w2 BA2 T3 Uv BA1 T1 Ura Rt UCE du UC UC=UE uC Rb2 a) t b) Hình 3-54 a) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo biến áp b) Đồ thị ½ chu kỳ điện áp Thực tế  đạt 0,6 – 0,7, lớn gấp 1,5 lần so với tầng khuếch đại đơn Công suất tiêu tán colectơ tranzistor 2I E 1 2E Pc  Po  P~  Cm o  I Cm U Cm  [ U cm  U 2cm ] (3.62)  R t~  Theo (2.67) cơng suất tiêu tán phụ thuộc vào UCm Lấy đạo hàm theo UCm tìm cực ta có PCmax đạt UCm= UCm* = 2EO/ = 0,64EO và: Pc max a) Ib E o      R t  T1 (3.63) ib(t) UBE T2 b) Ib T1 ib(t) UBE T2 Hình 3-55 Đặc tuyến khuếch đại đẩy kéo a) Chế độ B b) chế độ AB Cần ý chọn tranzistor theo công suất mà phải chọn theo điện áp Biên độ điện áp cuộn sơ cấp UCm  EO nên điện áp ngược đặt lên tranzistor khoá EO + UCm  2EO Ở chế độ B, theo lý thuyết, không cần đặt thiên áp cực B, tức UBE = Tuy nhiên đoạn đầu đặc tuyến vào tranzistor đoạn khơng tuyến tính (khi dịng bazơ nhỏ) nên méo phi tuyến tăng, gọi méo gốc (hình 3-55a) Ở đặc tuyến vào hai tranzistor vẽ chung đồ thị Từ hình 355a ta thấy uV hình sin iB khơng phải hình sin iB gần gốc toạ độ, dịng iC khác dạng hình sin Ở chế độ A tượng khơng có dịng iB tĩnh đủ lớn để loại bỏ đoạn gốc toạ độ 75 Muốn giảm méo gốc phải chuyển sang làm việc chế độ AB cặp điện trở định thiên R1R2 Đặc tuyến vào hai tranzistor có định thiên UBO vẽ chung đồ thị hình 3-55b Ở chọn UBO, IBO ICO nhỏ nên công thức chế độ B cho chế chế độ AB 3.7.2.2 Khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp Trong sơ đồ khuếch đại công suất xét dùng biến áp để phối hợp trở kháng tải với tranzistor để có cơng suất lớn, hiệu xuất cao Nếu tranzistor có hỗ dẫn S lớn mắc tải trực tiếp vào colector tranzistor (trở kháng tải nhỏ tới mức vài ôm), nghĩa không cần biến áp Mạch khuếch đại không biến áp đơn thường mắc theo sơ đồ lặp emitơ để dễ phối hợp trở kháng Trở kháng mạch lặp emitơ cỡ 1/S; S đủ lớn mắc tải nhỏ Tuy nhiên công suất cỡ vài chục đến vài trăm mW trở lên khơng nên mắc lặp emitơ mạch có hiệu xuất nhỏ Các mạch khuếch đại không biến áp thường mắc theo sơ đồ đẩy kéo, làm việc chế độ B AB Mạch dùng tranzistor khác loại loại Để tránh phiền phức lựa chọn thay Tranzitor khác loại lại đồng tham số, sử dụng hai Tranzitor loại hình 3-56a Ở có tầng khuếch đại đảo pha T3 tạo điện áp biên độ ngược pha để kích thích cho T1 T2 mắc đẩy kéo Ở khuếch đại đẩy kéo, Tranzitor T1 mắc colectơ chung, tranzitor T2 mắc Emitơ chung Từ ta thấy dòng Emitơ T1 coi xấp xỉ dịng Colectơ T2 dịng chiều qua điện trở tải Rt coi không, tức qua tải có dịng xoay chiều tần số tín hiệu Vì mắc nối tiếp với tải tụ Ct ,và lúc dùng nguồn mắc sơ đồ hình 3-56b Trong hai sơ đồ phải có tầng khuếch đại đảo pha T3 T1 Rb1 BA T3 Rt T2 Rb2 .- + Ec T1 Rb1 BA + Ec + Ec T3 T2 Ct Rb2 a) - Rt b) Rc Rb1 , Rb1 C1n T1 T3 C2n Rb2 RE , Rb2 - + T2 Ec Ct Rt Rc Rb1 T3 T2 Rb2 RE c) d) 76 .- + Ec T1 Rt + Ec Rc T1 RE + - E0 T2 Ct T3 Uv Rb1 Rt Rb2 e) Hình 3-56 Các sơ đồ khuếch đại cơng suất đẩy kéo a,b) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo biến áp mắc nguồn riêng mắc nguồn chung c) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo không biến dùng khuếch đại đảo pha phân tải c,e) Sơ đồ nguyên lý khuếch đại đẩy kéo không biến dùng bóng ngược tính Mạch điện hình 3-56c tương tự mạch hình 3-56b tầng khuếch đại đảo pha không dùng biến áp mà dùng khuếch đại điện trở lấy hai điện áp cực C cực E ta gọi tương ứng UC UE (so với điểm mass) Với cách lấy tầng T3 gọi tầng đảo pha phân tải Thật ta chọn RC  RE điện áp tín hiệu RC có biên độ UCm = ICm RC, điện áp RE có biên độ UEm = IEmRE.Vì IEm  Icm nên UCm UEm; mặt khác điện áp ngược pha (vì điện áp cực C ngược pha với điện áp vào, điện áp cực E đồng pha với điện áp dòng điện) Như tầng đảo pha phân tải tạo điện áp biên độ ngược pha tầng đảo pha có biến áp Tuy nhiên tầng không khuếch đại điện áp U Em  UVm= UBm Hai điện áp từ cực C E đưa tới cực B tranzistor tương ứng qua hai tụ nối tầng Cn1 Cn2 Hai tranzistor T1 T2 định thiên riêng tương ứng Rb1 - Rb2 R’b1 - R’b2 Mạch T1 T2 mắc mạch hình 3-56b Mạch điện hình 3-56d mạch đẩy kéo dùng hai loại bóng khác tính với T1 tranzistor ngược, T2 thuận,dùng nguồn đối xứng (hai nguồn riêng biệt) Do hai tranzistor khác loại nên chúng kích thích điện áp lấy từ cực C tầng T3 (bazơ T1 T2 với nối với đầu tầng T3) Mạch sơ đồ dùng hai nguồn hình 3-56a, nhiên dùng nguồn hình 3-56e Cần lưu ý mắc hai tranzistor phải có tham số đặc tuyến giống Khi làm việc chế độ B khơng có tín hiệu vào, hai tranzistor đóng, điện áp colectơ E0/2 (so với mass), dịng qua tải khơng, sụt áp tải khơng Khi đưa vào tín hiệu hình sin hai tranzistor xen kẽ đóng mở, dịng colectơ dịng hình sin với độ rộng nửa chu kỳ (góc cắt  = 900); dịng điện tranzistor có chiều ngược nhau, dịng qua tải tổng nên có dạng hình sin 77 T1 E 01 Rt D1 D2 T2 E 02 Hình 3-57 Khuếch đại đẩy kéo Trong mạch khuếch đại cơng suất khơng biến áp ổn định nhiệt mạch bù mạch hồi tiếp âm mạch khuếch đại xét Người ta dùng điot, tranzitor điện trở nhiệt để bù nhiệt Ví dụ hình 3-57 khuếch đại đẩy kéo với đầu vào T1 T2 đấu với hai điốt D1 D2 vừa định thiên tạo chế độ AB, vừa bù nhiệt Hai điốt phân cực thuận, sụt áp chúng đặt điểm công tác cho hai tranzistor Điện áp phân cực cho T1 T2 để tạo UB0 điện áp thuận sụt D1 D2, UB1,B2 = (1,1  1,2)V có hệ số nhiệt âm (-1mA/ 0C) để bù lại tăng dòng IC theo nhiệt độ Ngồi cịn tạo hồi tiếp âm ổn định nhiệt cho T T2 Sự làm việc sơ đồ tương tự hình 3-56d Cuối cần nhấn mạnh rằng, mạch khuếch đại công suất lớn, để tăng khả chịu dịng tranzistor, tranzistor cơng suất mắc song song Ngồi cịn lắp cánh toả nhiệt để tăng độ bền tranzistor 3.8 Một số cách mắc tranzitor đặc biệt khuếch đại 3.8.1 Mắc Darlington Khi yêu cầu hệ số khuếch đại dòng điện lớn tăng trở kháng đầu vào mạch lặp emitơ người ta mắc tổ hợp tranzistor thành gọi mắc Darlington hình 3-58 C Ic Ic1 B IB C C Ic1 T1 B B T2 IE1=IB2 E IE a) E E b) c) Hình 3-58: Các dạng mắc Darlington Xột cỏch mc th hình 3-58a.Ta có: Ic = Ic1 + Ic2 mà Ic1  1IB1 + Ic10 ; Ic2  2 IB2 + Ic20 ; IE1 = IB2  IC1 nên: IC2  2.1IB1 + 2IC10 + IC20 Ic = 1IB1 + IC10 + 1.2.IB1 + 2Ic10 + Ic20 Với 12 lớn Ic  1.2 IB1 78 Như hai tranzistor mắc Darlington hình 3-59a tương đương với tranzistor có hệ số khuếch đại dịng tĩnh  = 12 Hình 3-58b,c dùng hai tranzistor khác tính để bù nhiệt Các tranzistor mắc Darlington có đặc điểm sau đây: - Dòng dư tranzistor mắc Darlington lớn (dòng ngược ICE0) dịng dư T1 T2 khuếch đại nên lớn, khơng mắc thêm tầng thứ ba - Vì mặt ghép emitơ - bazơ hai tranzistor, tức hai điốt, ghép nối tiếp nên điện áp chiều mức trôi điện áp lớn gấp đôi so với trường hợp dùng tranzistor 3.8.2 Mạch Kackot Mạch kackot dùng hai tranzistor lưỡng cực T1 mắc emitơ chung T2 mắc bazơ chung hình 3-59 để kết hợp ưu điểm hai cách mắc Tầng T2 làm nhiệm vụ ngăn cách ảnh hưởng mạch vào mạch Mạch Emitơ chung có trở kháng vào lớn, tải tầng bazơ chung có trở kháng vào nhỏ nên tần số làm việc tăng cao Mặt khác điện dung vào tầng bazơ chung nhỏ nên tầng emitơ chung làm việc tần số cao tầng bazơ chung Muốn người ta thiết kế tầng T1 có hệ số khuếch đại điện áp K1 = - 1, Tầng T2 có hệ số khuếch đại điện áp K2 = SRC2 Như K = K1.K2 = - SRC Ucc R1 R2 Uv + Rc T2 , Ur C Ur T1 Hình 3-59 Sơ đồ kackot 3.9 Khuch i dải rộng khuếch đại xung Tín hiệu xung có có phổ rộng nên khuếch đại xung khuếch đại dải rộng Để khuếch đại tín hiệu xung người ta dùng khuếch đại điện trở xét với cách chọn tham số mạch thích hợp mắc thêm mạch sửa dạng xung 3.9.1 Phân tích méo dạng xung Để phân tích méo dạng xung dùng khuếch đại điện trở xét người ta thường khơng dùng đặc tính tần số K() mà dùng đặc tính độ h(t) Muốn tiện lợi dùng hệ số khuếch đại toán tử K(s), hàm K(j) mà thay biến j biến s, gọi toán tử Laplas xét toán cao cấp Lúc điện áp vào tức thời uv(t), ur(t) có ảnh Uv(s) Ur(s), Ur(s) = K(s).Uv(s) Nếu uv(t) tác động bậc thang đơn vị ảnh Uv(s) = 1/s nên U ra(s) =  s  s Nếu ta chuẩn hố Ur(s) theo K0 gọi ảnh đặc tính độ h(s): Ur s   s  ms    h(s) = (3.64)   s s Hàm h(s) tìm là: 79 h( s )  s (1   t )(1  s c ) s Từ ta có đặc tính q độ mạch khuếch đại điện trở emitơ chung là: h(t)   t  t e  e c  t (3.65) U U 0,9U0 U UK t t1 t2 Hình 3-60 Méo dạng xung Theo đặc tính q độ h(t) đánh giá méo dạng xung đầu mạch khuếch đại Một xung vng có độ rộng tX (thời gian tồn xung) sau khuếch đại có dạng hình 3-60 Xung đầu có biên độ U0 = K0.Uv, Uv biên độ xung điện áp đầu vào Méo xung đánh giá định lượng thời gian sườn trước t S, lượng vón đỉnh xung U, độ sụt đỉnh xung U Thời gian sườn trước ts khoảng thời gian xung đạt 0,1 đến 0,9 trị số biên độ tS = t2 – t1 Độ sụt đỉnh xung U = Uo - UK , UK - Giá trị xung xung đầu vào kết thúc Lượng vón đỉnh xung U = UM U0 UM - trị số cực đại xung đạt vào thời điểm sau lúc xung vào xuất Sử dụng định lý tốn học tìm hàm gốc biết hàm ảnh để tìm hàm độ h(t): lim h ( t )  lim h (p).p (3.66) t  p t  p lim h (p)  lim m(p) Hay t  p t  p Từ (3.66) ta thấy dạng đặc tính biên độ tần số vùng tần số cao định dạng đặc tính độ đoạn biến thiên nhanh xung (sườn xung), dạng đặc tính tần số miền tần số thấp định dạng đặc tính độ miền biến thiên chậm xung (đỉnh xung) Xét miền riêng biệt để đánh giá méo dạng xung Miền biến thiên nhanh ( t >C) ứng với thời gian đỉnh xung: 80 t t h(t )  e  t   (3.69) t 3.9.2 Sửa méo khuếch đại điện trở Qua phân tích ta thấy méo dạng xung gắn liền với đặc tính biên độ tần số mạch khuếch đại Trong khuếch đại dải rộng phải khuếch đại tín hiệu có dải tần số từ vài chục Hz tới hàng chục MHz Nêú không áp dụng biện pháp sửa đặc tuyến tần số khơng thể đảm bảo có độ khuếch đại đồng dải rộng Vì để mở rộng dải thơng cần áp dụng biện pháp sau: Chọn phần tử khuếch đại có diện tích khuếch đại lớn (hỗ dẫn lớn điện dung ký sinh nhỏ) Mắc thêm phần tử vào mạch tải mạch hồi tiếp để sửa đặc tuyến tần số Sửa đặc tính tần số vùng tần số cao Mạch sửa đơn giản mạch có mắc thêm điện cảm L nối tiếp với tải colectơ tải cực máng Hình 3-61a,b sơ đồ nguyên lý sơ đồ tương đương (mạch ra) mạch khuếch đại dùng tranzistor trường có điện cảm L mắc nối tiếp với tải RD để sửa đặc tính tần số vùng tần số cao.Điện cảm L làm tăng trở kháng cực máng vùng tần số cao nên tăng hệ số khuếch đaị tầng tần số cao, khử tác hại Ctđ Điện cảm L chọn cho với Ctđ Rt lập thành khung cộng hưởng song song có hệ số phẩm chất Q thoả mãn Q2 = Lopt/Ctđ.Rt = 0,414 độ vón đỉnh xung  = (U/U).100% đạt 3% Khi tăng Q2 độ vón đỉnh xung tăng lên Hình 3-62 đặc tính tần số mạch khuếch đại có mắc điện cảm sửa khơng có sửa L RD Cn1 RL CL Cn2 SUV gra RD Ctd Rt Ur L UV a) R G RS C S Rt Ct Ur b) Hình 3-61 a) Khuếch đại có sửa tần số cao điện cảm b) Sơ đồ tương đương mạch Mở rộng rải thông vùng tần số cao cách mắc mạch sửa đồng thời làm giảm thời gian thiết lập xung Mắc điện cảm L để sửa tần số cao có hiệu tốt khuếch đại dùng FET, khuếch đại dùng tranzistor lưỡng cực hiệu sửa phụ thuộc vào tham số tranzistor Trong mạch khuếch đại IC không sửa điện cảm Trong mạch khuếch đại dùng tranzistor lưỡng cực để sửa đặc tính tần số vùng tần số cao người ta thường sử dụng mạch hồi tiếp âm theo tần số Ở vùng tần số thấp tần số trung bình hồi tiếp âm hoạt động, hệ số khuếch đại giảm Ở vùng tần số cao hồi tiếp âm giảm nên độ khuếch đaị tăng Sửa đặc tính tần số vùng tần số thấp: 81 K L>L Opt 0,7 L=0 L> Rt coi CE =  (tụ CE ngắn mạch hoàn toàn điện trở RE) Lúc gr đó: K t ()  K (1  1 b  j ω τ b L )  K 1 j ω τ 1 j ω τ L L (3.70) (  b)   (ωτ L ) K t (ω)  K  (ω)   (ωτ L )  I K t (ω)I m t (ω)   K (ω) IK (ω)I b = a) SU Cn RD gr Rt RL CL (1  b)  (ωτ  (ωτ L L )2 )2 (3.71) RL RC m ( ) 1+b Ur b) C L= Các đuờng cong ứng với CL tăng dần Hỡnh 3-63: a) S tng ng mạch khuếch đại xét khả sửa đặc tính tần mạch lọc nguồn b) Đặc tính biên độ tần số khuếch đại có sửa tần số thấp 82 Đồ thị hàm đặc tính biên độ tần số vùng tần số thấp quan hệ mt() trình bày hình 3-63b Như trị số CL hữu hạn (CL < ) hệ số khuếch đại tăng cao vùng tần số thấp, đặc biệt rõ RL  RC Đặc tính độ mạch tính đến ảnh hưởng mạch RL CL có dạng: t  L ) (3.72) t   L ) (3.73)  h(t) = + b ( 1- e h(t) = + b ( 1- e Lượng sụt đỉnh xung L: L   tX CLRL (3.74) Như mạch RLCL làm tăng hệ số khuếch đại vùng tần số thấp, bù lại lượng giảm hệ số khuếch đại tụ nối tầng Cn gây nên Nếu tính đến tụ nối tầng mạch lọc RL CL hệ số khuếch đại vùng tần số thấp là: j t b (3.75) K t ()  K  (  )   j L   j t K t ()  K  (  j t b )   j L   j t Chọn giá trị tối ưu CL = C Lopt = t (3.76) lượng sụt đỉnh nhỏ Nếu RE chọn CL > C Lopt lượng tăng điện áp mạch RLCL (do tăng trị số tải) không đủ bù lượng sụt đỉnh tụ nối tầng gây nên, cịn chọn CL < C Lopt lại bù mức làm tăng độ vón đỉnh xung Câu hỏi ôn tập tập chương Câu 1: Nêu cấu tạo, nguyên lý làm việc Tranzitor lưỡng cực? Câu 2: Nêu tham số vật lý họ đặc tuyến tĩnh Tranzitor lưỡng cực? Câu 3: Vẽ sơ đồ nêu cách xác định họ đặc tuyến vào, Tranzitor cách mắc EC? Câu 4: Vẽ sơ đồ nêu cách xác định họ đặc tuyến vào, Tranzitor cách mắc BC? Câu 5: Vẽ sơ đồ nêu cách xác định họ đặc tuyến vào, Tranzitor cách mắc CC? Câu 6: Chọn điểm công tác Tranzistor? Câu 7: Ổn định điểm công tác tranzistor? Câu 8: Cách cấp nguồn định dòng bazơ cho tranzistor? Câu 9: Cách cấp nguồn định áp bazơ cho tranzistor? Câu 10: Cách cấp nguồn cho tranzistor trường? Câu 11: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại EC? Câu 12: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại BC? Câu 13: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại CC? Câu 14: Định nghĩa, phân loại, tham số đặc tuyến khuếch đại? Câu 15: Tổng trở vào, trở kháng mạch khuếch đại? 83 Câu 16: Các chế độ làm việc khuếch đại? Câu 17: Bộ khuếch đại nhiều tầng dùng tranzitor? Câu 18: Các tham số đặc trưng khuếch đại công suất? Câu 19: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại cơng suất chế độ A có biến áp ra? Câu 20: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại cơng suất chế độ A khơng có biến áp ra? Câu 21: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B có biến áp ? Câu 22: Nêu nguyên lý làm việc tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B khơng có biến áp ? Câu 23: Cách mắc tranzitor đặc biệt khuếch đại, mạch mắc Darlington? Câu 24: Cách mắc tranzitor đặc biệt khuếch đại, mạch mắc Kackot? Câu 25: Phân tích méo dạng xung dùng khuếch đại điện trở? Câu 26: Sửa méo khuếch đại điện trở? Câu 27: Khuếch đại có sửa tần số cao điện cảm sơ đồ tương đương mạch ra? Câu 28: Đặc tính biên độ tần số khuếch đại có sửa? Câu 29: Sơ đồ tương đương mạch khuếch đại xét khả sửa đặc tính tần? Câu 30: Đặc tính biên độ tần số khuếch đại có sửa tần số thấp? Bài tập Bài tập 1: Cho tầng khuếch đại điện áp tần số thấp mắc theo sơ đồ EC hình vẽ: Biết Ec = +12V; R1 = 20kΩ; R2 = R3 = 4kΩ; R4 = 1kΩ; β = 99; Rt = 8kΩ, UBE = 0,6V - Xác định giá trị dòng điện điện áp chiều cực tranzitor? - Vẽ đường tải chiều điểm làm việc tĩnh Q?  Ec  R3 R1 C2 C1 Rt uv R2 R4 ura Ce Bài tập 2: Cho mạch khuếch đại EC tần số thấp (như hình vẽ 1) tham số sau: Ec = +16V; R1 = 39k; R2 = 4,7k; R3 = 3,9k ; R4 = 680;  = 99; UBE= 0,7V - Tính tham số chế độ chiều? - Vẽ đường tải tĩnh xác định Q? - Biết RT = 680 xác định giá trị tải chiều, tải xoay chiều tầng? Bài tập 3: Cho mạch khuếch đại EC tần số thấp (như hình vẽ 1) tham số sau: Biết Ec = +18V; R1 = 33kΩ; R2 = 5,6kΩ; RC = 1,5kΩ; RE = 390Ω; β = 200; Rt = 6kΩ, UBE = 0,7V 84 - Xác định giá trị dòng điện điện áp chiều cực tranzitor? - Vẽ đường tải chiều điểm làm việc tĩnh Q? Bài tập 4: Cho tầng khuếch đại điện áp tần số thấp mắc theo sơ đồ CC hình vẽ: Biết Ec = +12V; R1 = 300kΩ; R2 = 2,7kΩ; β = 99; Rt = 2,7kΩ, UBE = 0,6V - Xác định giá trị dòng điện điện áp chiều cực tranzitor? - Vẽ đường tải chiều điểm làm việc tĩnh Q?  Ec  R1 C1 uv ura Rt R2 Bài tập 5: Cho mạch khuếch đại (như hình vẽ 4) tham số sau: EC  18V ; UBE  0,7V ; R1  220k; R2  3,3k; Rt  6,8k   99 - Tính tham số chế độ chiều? - Vẽ đường tải tĩnh xác định Q? - Biết RT = 6,8k xác định giá trị tải chiều, tải xoay chiều tầng? Bài tập 6: Cho tầng khuếch đại dùng tranzistor hình vẽ Hãy xác định: a) RV b) Rra c) KU d) Ki Ir Iv C1 T C2 Rc Rb Ecc Rr Uv Rv Bài tập 7: Cho tầng khuếch đại dùng tranzistor hình vẽ, (tầng lặp emitơ) Hãy xác định: a) re b) RV c) Rra d) KU e) Ki 85 Ecc Rb T RE C2 Ur C1 Uv Bài tập 8: Cho mạch khuyếch đại dùng JFET hình vẽ Hãy xác định điện trở RD Và RS với Ku = UGS0 = 1/4UP = - 1V Biết thêm : IDSS = 10mA; UP = -4V; gd = 20Μs EDD = 20V RD 10M RG RS Ur Uv C1 = 0,1F C2 = 0,1F 10M Rt CS = 40F Bài tập 9: Cho mạch khuyếch đại dùng JFET hình vẽ tập (các số liệu tập 6) Hãy xác định điện trở RD Và RS khơng có tụ Cs Bài tập 10: Cho mạch khuyếch đại hình vẽ biết: EC  22V ; R1  56k; R  8,2k; RE  1,5k; RC  6,8k; Rt  5,6k   99 - Tính tham số chế độ chiều? - Vẽ đường tải tĩnh xác định Q?  Ec  R1 C1 RC T c e C2 b uv RE R2 Rt C3 86 ura ... đổi theo nhiệt độ ID(mA) -4 -3 250C -2 -1 ID(mA) VD(Volt) -5 -1 0 -1 5 -2 0 -2 5 -3 0 -3 5 -4 0 -4 5 60 0C -4 0 -3 0 60 0C a) §ièt cã Vz 5V Hình 2-2 0 Ảnh hưởng nhiệt độ 2.2.2... là: - Điện áp ổn định Uz; 25 -5 -1 0 -1 5 -2 0 -2 5 -3 0 -3 5 -4 0 -4 5 VD(Volt) - Điện trở tĩnh Rt  Uz ; Iz - Điện trở động rd  dU z ; dI z - Dịng điện Iơmin Iơmax 2.2.3 Các ứng dụng Cũng tương tự. .. I E 1mA mA Đặc tuyến Đặc tuyến truyền đạt D U cB 6VI c U cB Đánh thủng I E 4mA I E  3mA I E  2mA I c  I E I E  1mA +1V -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 U cB mA -1 -2 -3 -4 -5 -6 U U Hình 3 -1 4 Đặc