giao trinh cau kien dien tu 6109

Phương pháp chỉnh định, Chỉnh định bộ điều khiển PID, Điều khiển PID theo miền, Chỉ số dao động mềm, Dao động mềm cho trướcFEE1 PTIT Lecture 1 1 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PTIT 72008 1116 FEE1 PTIT Lecture 1 1 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES KH.

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 1/116 Nôi dung môn học CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 1- Giới thiệu chung ELECTRONIC DEVICES Lecture 2- Cấu kiện thụ động Lecture 3- Vật lý bán dẫn Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N) Lecture 5- Diode (Điốt) Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT Lecture 8- Other Semiconductor Devices: Thyristor – Triac- Diac-UJT Lecture 9- OptoElectronic Devices 7/2008 FEE1-PTIT Lecture (Cấu kiện quang điện tử) FEE1-PTIT Tài liệu học tập Lecture Yêu cầu môn học - Sinh viên phải nắm kiến thức vật lý bán dẫn, tiếp giáp PN, cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ tương đương, tham số, phân cực, chế độ xoay chiều, phân loại, số ứng dụng loại cấu kiện điện tử học - Sinh viên phải đọc trước Lecture Notes trước lên lớp - Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email: caukien@gmail.com - Làm tập thường xuyên, nộp tập Giảng viên yêu cầu, qua email: caukien@gmail.com - Tự thực hành theo yêu cầu với phần mềm EDA - Điểm mơn học: - Tài liệu chính: + Lecture Notes + Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 - Tài liệu tham khảo: Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006 Linh kiện bán dẫn vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 + Chuyên cần + Bài tập + Kiểm tra kỳ + Thí nghiệm + Thi kết thúc : 10 % : 10 % : 10 % : 10 % : 60 % Kiểm tra : - Câu hỏi ngắn - Bài tập Thi kết thúc: - Lý thuyết: + Trắc nghiệm + Câu hỏi ngắn - Bài tập 2/116 FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Lecture Lecture – Giới thiệu chung Giới thiệu chung Cấu kiện điện tử - Giới thiệu chung cấu kiện điện tử - Cấu kiện điện tử phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử - Cấu kiện điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật ứng dụng lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT - Cấu kiện điện tử phong phú, nhiều chủng loại đa dạng - Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo vi mạch có mật độ lớn (Vi xử lý Pentium - khoảng 40 triệu Transistor…) - Xu cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày cao, có tính mạnh, tốc độ lớn… - Phân loại cấu kiện điện tử - Giới thiệu vật liệu điện tử - Nhắc lại kiến thức lý thuyết mạch cần biết - Giới thiệu phần mềm EDA hỗ trợ môn học FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Vi mạch ứng dụng Lecture Ứng dụng linh kiện điện tử Processors –CPU, DSP, Controllers Memory chips –RAM, ROM, EEPROM Analog –Thông tin di động, xử lý audio/video Programmable –PLA, FPGA Embedded systems –Thiết bị ô tô, nhà máy –Network cards System-on-chip (SoC) Chips… Sand… Images: amazon.com FEE1-PTIT Lecture Chips on Silicon wafers 3/116 FEE1-PTIT Lecture Lịch sử phát triển công nghệ Lịch sử phát triển công nghệ • Các thiết bị bán dẫn diodes, transistors mạch tích hợp (ICs) tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…) Chúng ta ngày phụ thuộc vào chúng thiết bị có chất lượng ngày cao với giá thành rẻ • PCs minh hoạ rõ xu hướng • Nhân tố đem lại phát triển thành cơng cơng nghiệp máy tính việc thơng qua kỹ thuật kỹ công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo transistor với kích thước ngày nhỏ → giảm giá thành cơng suất • Bài học khám phá đặc tính bên thiết bị bán dẫn, từ SV hiểu mối quan hệ cấu tạo hình học tham số vật liệu, hiểu đặc tính điện chúng FEE1-PTIT Lecture 1906 1947 First point contact transistor (germanium) 1947, John Bardeen and Walter Brattain Bell Laboratories FEE1-PTIT Lịch sử phát triển công nghệ (cont.) 1958 First integrated circuit (germanium), 1958 Jack S Kilby, Texas Instruments Contained five components, three types: transistors resistors and capacitors FEE1-PTIT 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”) 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming Diode”) 1906 Lee de Forest (“Triode”) Vacuum tube devices continued to evolve 1940 Russel Ohl (PN junction) 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) 1952 Geoffrey W A Dummer (IC concept) 1954 First commercial silicon transistor 1955 First field effect transistor - FET Lecture 10 Đặc điểm phát triển mạch tích hợp (IC) 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) 1959 Planar technology invented 1960 First MOSFET fabricated –At Bell Labs by Kahng 1961 First commercial ICs –Fairchild and Texas Instruments 1962 TTL invented 1963 First PMOS IC produced by RCA 1963 CMOS invented –Frank Wanlass at Fairchild Semiconductor –U S patent # 3,356,858 –Standby power reduced by six orders of magnitude Lecture Audion (Triode) 1906, Lee De Forest 11 Tỷ lệ giá thành/tính IC giảm 25% –30% năm Số chức năng, tốc độ, hiệu suất cho IC tăng: Kích thước wafer hợp tăng Mật độ tích hợp tăng nhanh 4/116 FEE1-PTIT Lecture 12 Ví dụ: Intel Processor Định luật MOORE Silicon Process 1.5μ Technology Intel386TM DX Processor 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ 45nm Intel486TM DX Processor Nowadays! Pentium® Processor Pentium® Pro & Pentium® II Processors FEE1-PTIT Lecture 13 FEE1-PTIT Phân loại cấu kiện điện tử Lecture 14 2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý - Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI - Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh kiện chuyển hoá lượng quang điện pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử - Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor - Linh kiện hoạt động dựa hiệu ứng lượng tử hiệu ứng mới: linh kiện chế tạo công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ : Bộ nhớ điện tử, Transistor điện tử, giếng dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm điện tử, … 2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý 2.2 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu 2.3 Phân loại theo ứng dụng 5/116 FEE1-PTIT Lecture 15 FEE1-PTIT Lecture 16 2.2 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu 2.3 Phân loại theo ứng dụng Linh kiện thụ động: R,L,C… Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET… Vi mạch tích hợp IC: IC tượng tự, IC số, Vi xử lý… Linh kiện chỉnh lưu có điều khiển Linh kiện quang điện tử: Linh kiện thu quang, phát quang FEE1-PTIT Lecture 17 FEE1-PTIT Giới thiệu vật liệu điện tử Lecture 18 Cơ sở vật lý vật liệu điện tử 3.1 Chất cách điện 3.2 Chất dẫn điện 3.3 Vật liệu từ 3.4 Chất bán dẫn (Lecture 3) - Lý thuyết vật lý chất rắn Lý thuyết vật lý học lượng tử Lý thuyết dải lượng chất rắn Lý thuyết vật lý bán dẫn 6/116 FEE1-PTIT Lecture 19 FEE1-PTIT Lecture 20 Lý thuyết vật lý chất rắn Lý thuyết vật lý học lượng tử - Vật liệu để chế tạo phần lớn linh kiện điện từ loại vật liệu tinh thể rắn - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử xếp theo trật tự định, cần biết vị trí vài đặc tính số ngun tử đốn vị trí chất hóa học tất nguyên tử mẫu - Tuy nhiên số vật liệu nhấn thấy xếp xác nguyên tử tồn xác cỡ vài nghìn ngun tử Những miền có trật tự ngăn cách bờ biên dọc theo bờ biên trật tự - cấu trúc đa tinh thể - Tính chất tuần hồn tinh thể có ảnh hưởng định đến tính chất điện vật liệu - Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử nằm mức lượng gián đoạn định gọi mức lượng nguyên tử - Nguyên lý Pauli: điện tử phải nằm mức lượng khác - Một mức lượng đặc trưng số lượng tử: + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4… + l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…} + ml– số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3… ±l + ms– số lượng tử spin: ±1/2 - n, l tăng mức lượng nguyên tử tăng, e- xếp lớp, phân lớp có lượng nhỏ trước FEE1-PTIT Lecture 21 FEE1-PTIT Lecture Sự hình thành vùng lượng 22 Sự hình thành vùng lượng - Giả sử để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau: + Nếu NT cách xa đến mức coi chúng hồn tồn độc lập với vị trí mức lượng chúng hoàn toàn trùng (tức mức trùng chập) + Khi NT tiến lại gần đến khoảng cách cỡ Ao, chúng bắt đầu tương tác với khơng thể coi chúng độc lập Kết mức lượng ngun tử khơng cịn trùng chập mà tách thành mức lượng rời rạc khác Ví dụ mức 1s tạo thành 2.N mức lượng khác - Nếu số lượng NT lớn gần mức lượng rời rạc gần tạo thành vùng lượng liên tục - Sự tách mức lượng NT thành vùng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào tương tác điện tử thuộc NT khác với C 1s22s22p2 Si 14 1s22s22p63s23p2 Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 (Si) 7/116 FEE1-PTIT Lecture 23 FEE1-PTIT Lecture 24 Minh họa hình thành vùng lượng Cấu trúc dải lượng vật chất EV EV EV EG = Dải hoá trị a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; Dải hoá trị c- Chất dẫn điện + Độ dẫn điện của vật chất tăng theo nhiệt độ + Chất bán dẫn: Sự điện tử dải hóa trị hình thành lỗ trống (Mức lượng bỏ trống dải hóa trị điền đầy, lỗ trống dẫn điện điện tử tự do) + Cấu trúc dải lượng kim loại khơng có vùng cấm, Dưới tác dụng điện trường ngồi e- tự nhận lượng di chuyển lên trạng thái cao , di chuyển tạo lên dòng điện 25 FEE1-PTIT Lecture 26 3.1 CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử thường phân chia thành loại: -Chất cách điện (chất điện môi) -Chất dẫn điện -Vật liệu từ -Chất bán dẫn (Lecture 3) 8/116 Lecture EC Lỗ trống Các loại vật liệu điện tử FEE1-PTIT EC Dải dẫn EG < eV EG > eV - Tùy theo phân bố vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn Lecture E E Điện tử EC + Vùng lượng điền đầy điện tử hóa gọi là“Vùng hóa trị” + Vùng lượng trống chưa điền đầy vùng hóa trị gọi “Vùng dẫn” + Vùng khơng cho phép Vùng hóa trị Vùng dẫn “Vùng cấm” FEE1-PTIT Dải dẫn E - Các vùng lượng cho phép xen kẽ nhau, chúng vùng cấm - Các điện tử chất rắn điền đầy vào mức lượng vùng cho phép từ thấp đến cao - Có thể có : vùng điền đầy hồn tồn (thường có lượng thấp), vùng trống hồn tồn (thường có lượng cao), vùng điền đầy phần - Xét lớp cùng: 27 a Định nghĩa Là chất dẫn điện kém, vật chất có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu Đặc tính ảnh hưởng lớn đến chất lượng linh kiện Các đặc tính trị số giới hạn độ bền điện, nhiệt, học, độ cách điện, tổn hao điện mơi… Các tính chất chất điện môi lại phụ thuộc vào nhiệt độ độ ẩm mơi trường b Các tính chất chất điện môi b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hay cịn gọi số điện mơi) b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) b.3 Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng b.5 Dịng điện chất điện mơi (I) b.6 Điện trở cách điện chất điện môi FEE1-PTIT Lecture 28 b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) b.1 Hằng số điện môi C ε= d C0 Độ tổn hao điện môi công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện mơi đặt điện trường , xác định thơng qua dịng điện rị (không thứ nguyên) Pa = U 2Ctg Trong ú: U điện áp đặt lên tụ điện (V) C điện dung tụ điện dùng chất điện môi (F) ω tần số góc đo rad/s tgδ góc tổn hao điện mơi Nếu tổn hao điện mơi tụ điện điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp (ví dụ lớp bạc mỏng tụ mi ca tụ gốm) tổn hao điện mơi tăng tỉ lệ với bình phương tần số: Pa = U2ω2C2R Do đó, thực tế tụ điện làm việc tần số cao cần phải có điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp nhỏ tiết thường tráng bạc để giảm điện trở chúng - Cd điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi; - C0 điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi chân khơng khơng khí Do ε biểu thị khả phân cực chất điện môi Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có số điện mơi ε lớn, cịn chất điện mơi dùng làm chất cách điện có ε nhỏ FEE1-PTIT Lecture 29 FEE1-PTIT b3 Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t) Lecture 30 b5 Dịng điện chất điện mơi (I) - Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện mơi xảy đạt trạng thái cân tạo nên dòng điện phân cực hay gọi dịng điện chuyển dịch chất điện mơi IC.M - Dòng điện rò Irò : tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường Nếu dịng rị lớn làm tính chất cách điện chất điện mơi Dịng điện tổng qua chất điện mơi là: I = IC.M + Irị Sau trình phân cực kết thúc qua chất điện mơi cịn dịng điện rị - Đặt chất điện môi vào điện trường, tăng cường độ điện trường lên giá trị giới hạn chất điện mơi khả cách điện → tượng đánh thủng chất điện môi - Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi độ bền điện chất điện mơi (Eđ.t.) U E ®.t = ®.t [KV / mm; KV / cm] d Uđ.t - điện áp đánh thủng chất điện môi d - độ dày chất điện mơi - Hiện tượng đánh thủng chất điện mơi nhiệt, điện trình điện hóa 9/116 FEE1-PTIT Lecture 31 FEE1-PTIT Lecture 32 Phân loại ứng dụng chất điện môi 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN a Định nghĩa - Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất nhỏ so với loại vật liệu khác Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm - Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn – kim loại, chất lỏng – kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân chất khí điện trường cao b Các tính chất chất dẫn điện Phân loại: Chất điện mơi thụ động tích cực - Chất điện mơi thụ động cịn gọi vật liệu cách điện vật liệu tụ điện Đây vật chất dùng làm chất cách điện làm chất điện môi tụ điện mi ca, gốm, thuỷ tinh, pơlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính, - Chất điện mơi tích cực vật liệu có ε điều khiển bằng: + Điện trường (VD: gốm, thuỷ tinh, ) + Cơ học (chất áp điện thạch anh) + Ánh sáng (chất huỳnh quang) … FEE1-PTIT Lecture b.1 Điện trở suất b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (α) b.3 Hệ số dẫn nhiệt : λ b.4 Cơng điện tử kim loại b.5 Điện tiếp xúc 33 FEE1-PTIT 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN 34 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điện trở suất - Điện trở vật liệu đơn vị thiết diện chiều dài: ρ=R Lecture b.4 Công điện tử kim loại: - Cơng kim loại biểu thị lượng tối thiểu cần cung cấp cho điện tử chuyển động nhanh 00K để điện tử khỏi bề mặt kim loại EW = EB - EF S [ Ω m ] , [ Ω m m ] , [ μΩ m ] l - Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (hợp kim sắt - crôm - nhôm) b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (α) - Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 100C - Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng lên theo quy luật: b.5 Điện tiếp xúc - Sự chênh lệch EAB điểm A B tính theo cơng thức: A B VAB= EAB = EW2 - EW1 ρ t = ρ0 (1 + αt) b.3 Hệ số dẫn nhiệt : λ [w/ (m.K)] - Hệ số dẫn nhiệt lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian gradien nhiệt độ đơn vị ΔT Q=λ St Δl FEE1-PTIT Lecture 35 C 10/116 FEE1-PTIT Lecture 36 Phân loại ứng dụng chất dẫn điện 3.3 VẬT LIỆU TỪ a Định nghĩa Vật liệu từ vật liệu đặt vào từ trường bị nhiễm từ b Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ b.1 Từ trở từ thẩm b.2 Độ từ thẩm tương đối (μr) b.3 Đường cong từ hóa Phân loại: loại - Chất dẫn điện có điện trở suất thấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb… số hợp kim – Thường dùng làm vật liệu dẫn điện - Chất dẫn điện có điện trở suất cao Hợp kim Manganin, Constantan, Niken-Crôm, Cacbon – thường dùng để chế tạo dụng cụ đo điện, điện trở, biến trở, dây may so, thiết bị nung nóng điện FEE1-PTIT Lecture 37 FEE1-PTIT - Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ μ lớn) để làm lõi biến áp, nam châm điện, lõi cuộn cảm… - Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ lực kháng từ cao (Hc lớn μ nhỏ) + Theo ứng dụng vật liệu từ cứng có loại: Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v + Theo cơng nghệ chế tạo chia vật liệu từ cứng thành: - Hợp kim thép thành Martenxit (là vật liệu đơn giản rẻ để chế tạo nam châm vĩnh cửu) - Hợp kim từ cứng - Nam châm từ bột - Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng tần số cao - Băng, sợi kim loại không kim loại dùng để ghi âm Lecture 38 Nhắc lại kiến thức lý thuyết mạch cần biết Phân loại ứng dụng vật liệu từ FEE1-PTIT Lecture 39 - Các phần tử mạch điện bản: R, L, C; Nguồn dịng, nguồn áp khơng đổi; Nguồn dịng, nguồn áp có điều khiển… - Phương pháp phân tích mạch điện: + M1 (Method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + M2: Xếp chồng (Superposition) + M3: Biến đổi tương đương Thevenin, Norton - Mạng bốn cực: tham số hỗn hợp H 11/116 FEE1-PTIT Lecture 40 Giới thiệu phần mềm EDA hỗ trợ môn học - OrCAD (R 9.2): Phân tích, mơ cấu kiện mạch điện tử dùng Pspice Cài đặt tool sau: + OrCAD Capture CIS + OrCAD Capture CIS Option + PSpice A/D + PSpice Optimizer + PSpice Advanced Analysis + SPECCTRA 6U for OrCAD (Hướng dẫn sử dụng Pspice: Tutorial on Pspice (McGill), Pspice Tutorial (UIUC), CircuitMaker User Manual …) - Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Circuit Maker, Proteus … - Mathcad (R 11): Tính tốn biểu thức, giải phương trình tốn học phức tạp (Sinh viên nên sử dụng Circuit Maker/OrCAD (R 9.2) để thực hành, làm tập, phân tích, mơ cấu kiện mạch điện tử nhà) FEE1-PTIT Lecture 41 12/116 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 2- Passive Components (Cấu kiện thụ động) ELECTRONIC DEVICES Lecture 2- Passive Components (Cấu kiện thụ động) Điện trở (Resistor) Tụ điện (Capacitor) Cuộn cảm (Inductor) Biến áp (Transformer ) KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Lecture Điện trở (Resistors) 1.1 Định nghĩa 1.1 Định nghĩa 1.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở 1.3 Ký hiệu điện trở 1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở 1.5 Điện trở cao tần mạch tương đương 1.6 Phân loại - Điện trở phần tử có chức ngăn cản dịng điện mạch - Mức độ ngăn cản dòng điện đặc trưng trị số điện trở R= U I - Đơn vị đo: μΩ, mΩ, Ω, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ - Điện trở có nhiều ứng dụng như: định thiên cho cấu kiện bán dẫn, điều khiển hệ số khuyếch đại, cố định số thời gian, phối hợp trở kháng, phân áp, tạo nhiệt … Tùy theo ứng dụng, yêu cầu cụ thể dựa vào đặc tính loại điện trở để lựa chọn thích hợp - Kết cấu đơn giản điện trở thường: Mũ chụp chân điện trở Vỏ bọc Lõi Vật liệu cản điện 13/116 FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Lecture 1.2 Các tham số kỹ thuật đặc tính điện trở a b c d a Trị số điện trở dung sai - Trị số điện trở: (Resistance [Ohm]-Ω) tính theo cơng thức: l R = ρ S ρ - điện trở suất vật liệu dây dẫn cản điện l - chiều dài dây dẫn S- tiết diện dây dẫn - Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế điện trở so với trị số danh định tính theo % Trị số điện trở dung sai Hệ số nhiệt điện trở Công suất tiêu tán danh định Tạp âm điện trở R t t − R d d 100 % R d d + Tùy theo dung sai phân chia điện trở thành cấp xác (tolerance levels ): Cấp 005: có sai số ± 0,5 % Cấp 01: có sai số ± % Cấp I: có sai số ± % Cấp II: có sai số ± 10 % Cấp III: có sai số ± 20 % FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Lecture b Hệ số nhiệt điện trở - TCR c Công suất tiêu tán danh định điện trở (Pt.t.max ) - TCR (temperature coefficient of resistance): biểu thị thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ - Pt.t.max: công suất điện cao mà điện trở chịu đựng điều kiện bình thường, làm việc thời gian dài không bị hỏng TCR = ΔR 10 R ΔT [ppm/ C] ΔR = R TCR.ΔT 10 Pt.t.max = R.I2max = - Hệ số nhiệt điện trở âm dương tùy loại vật liệu: + Kim loại thường có hệ số nhiệt dương + Một số hợp kim (constantin, manganin) có hệ số nhiệt + Carbon, than chì có hệ số nhiệt âm U max R [W ] - Pt.t.max tiêu chuẩn cho điện trở dây quấn nằm khoảng từ 1W đến 10W cao nhiều Để tỏa nhiệt cần yêu cầu diện tích bề mặt điện trở phải lớn → điện trở cơng suất cao có kích thước lớn - Các điện trở than linh kiện có cơng suất tiêu tán danh định thấp, khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W 2W 14/116 FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT Lecture d Tạp âm điện trở d Tạp âm điện trở - Tạp âm điện trở gồm: + Tạp âm nhiệt (Thermal noise): sinh chuyển động hạt mang điện bên điện trở nhiệt độ + Tạp âm dòng điện (Current Noise) : sinh thay đổi bên điện trở có dịng điện chạy qua ⎛f ⎞ ERMS = U DC 10 NI / 20 log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ f1 ⎠ ERMS = 4.k R.T Δf - Trong đó: + NI: Noise Index (Hệ số nhiễu) + UDC: điện áp không đổi đặt đầu điện trở + Unoise: điện áp tạp âm dòng điện + f1 –> f2: khoảng tần số làm việc điện trở Mức tạp âm phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cản điện Bột than nén có mức tạp âm cao Màng kim loại dây quấn có mức tạp âm thấp ERMS = the Root-Mean-Square or RMS voltage level k = Boltzmans constant (1,38.10-23) T = temperature in Kelvin (Room temp = 27°C = 300°K) R = resistance Δf = Circuit bandwidth in Hz (Δf = f2-f1) FEE1-PTIT Lecture FEE1-PTIT 1.3 Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch 1W 10 W 10 - Cách ghi trực tiếp: ghi đầy đủ tham số đơn vị đo thân điện trở, ví dụ: 220KΩ 10%, 2W - Cách ghi theo quy ước: có nhiều quy ước khác Xét số cách quy ước thông dụng: + Quy ước đơn giản: Không ghi đơn vị Ôm, R (hoặc E) = Ω, M = MΩ, K = KΩ Ví dụ: 2M=2MΩ, 0K47 =0,47KΩ = 470Ω, 100K = 100 KΩ, 220E = 220Ω, R47 = 0,47Ω + Quy ước theo mã: Mã gồm chữ số chữ để % dung sai Trong chữ số chữ số cuối số số cần thêm vào Các chữ % dung sai qui ước gồm: F = %, G = %, J = %, K = 10 %, M = 20 % Ví dụ: 103F = 10000 Ω ± 1% = 10K ± 1% 153G = 15000 Ω ± 2% = 15 KΩ ± 2% 4703J = 470000 Ω ± 5% = 470KΩ ± 5% Điện trở công suất 0,5W Lecture 1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở Điện trở thường 0,25W ⎛U ⎞ NI = 20 log10 ⎜⎜ noise ⎟⎟ ⎝ U DC ⎠ Biến trở Sườn nhôm 15/116 FEE1-PTIT Lecture 11 FEE1-PTIT Lecture 12 1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở Màu + Quy ước mầu: - Loại vòng màu: (Nâu-đen-đỏ-Không mầu) = - Loại vạch màu: (Nâu-cam-vàng-đỏ-Bạch kim) = Giá trị Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Lục Lam Tím Xám Trắng - Khi làm việc tần số cao điện cảm điện dung ký sinh đáng kể, Sơ đồ tương đương điện trở tần số cao sau: Vàng kim 0,1 / 5% Bạch kim 0,001 / 10% Không màu FEE1-PTIT 1.5 Điện trở cao tần mạch tương đương Lecture - Tần số làm việc hiệu dụng điện trở xác định cho sai khác trở kháng tương đương so với giá trị điện trở danh định không vượt dung sai - Đặc tính tần số điện trở phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu chế tạo Kích thước điện trở nhỏ đặc tính tần số tốt, điện trở cao tần thường có tỷ lệ kích thước từ 4:1 đến 10:1 - / 20% 13 FEE1-PTIT 1.6 Phân loại điện trở - Các đặc tính điện trở cố định Loại điện trở Chính xác Dây quấn Màng hợp kim Bán xác Oxit kim loại Cermet Than màng Đa dụng Than tổng hợp Cơng suất Dây quấn Hình ống Bắt sườn máy Chính xác - Ngồi cịn phân loại theo kết cấu đầu nối để phục vụ lắp ráp; phân loại theo loại vỏ bọc để dùng môi trường khác nhau; phân loại theo loại ứng dụng… 15 Trị số R Pt.t.max [w] t0làmviệc 0C TCR ppm/0C 0,1Ω ÷ 1,2M 10Ω ÷ 5M 1/8 ÷3/4 ở1250C 1/20÷ 1/2 ở1250C -55÷+145 -55÷+125 ± 10 ± 25 10Ω ÷ 1,5M 10Ω ÷ 1,5M 10Ω ÷ 5M 1/4 ÷ 700C 1/20÷1/2 ở1250C 1/8 ÷ 700C -55÷+150 -55÷+175 -55÷+165 2,7Ω ÷ 100M 1/8 ÷ 700C -55÷+130 ± 200 ± 200 ± 200; ± 510 ±1500 0,1Ω ÷ 180K 1,0Ω ÷ 3,8K 0,1Ω ÷ 40K 20Ω ÷ 2M ÷ 21 250C ÷ 30 250C ÷ 10 250C ÷1000 250C -55÷+275 -55÷+275 -55÷+275 -55÷+225 ± 200 ± 50 ± 20 ±500 -55÷+125 ±25đến ± 200 Màng kim loại 16/116 Lecture 14 1.6 Phân loại điện trở + Điện trở có trị số cố định + Điện trở có trị số thay đổi a Điện trở cố định - Thường phân loại theo vật liệu cản điện + Điện trở than tổng hợp (than nén): cấu trúc từ hỗn hợp bột cacbon (bột than chì) đóng thành khn, kích thước nhỏ giá thành rẻ + Điện trở than nhiệt giải than màng (màng than tinh thể) + Điện trở dây quấn + Điện trở màng hợp kim, màng oxit kim loại điện trở miếng + Điện trở cermet (gốm kim loại) FEE1-PTIT Lecture Điện trở miếng (màng vi điện tử) FEE1-PTIT 1Ω ÷ 22M Lecture 16 1.6 Phân loại điện trở Một số điện trở đặc biệt b Biến trở - Dạng kiểm sốt dịng cơng suất lớn dùng dây quấn (ít gặp mạch điện trở) - Chiết áp: so với điện trở cố định n có thêm kết cấu chạy gắn với trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) theo kiểu trượt (chiết áp trượt) Chiết áp có đầu ra, đầu ứng với trượt hai đầu ứng với hai đầu điện trở a loại kiểm sốt dịng FEE1-PTIT - Điện trở nhiệt: Tecmixto - Điện trở Varixto: VDR - Điện trở Mêgơm : có trị số điện trở từ 108 ÷ 1015 Ω - Điện trở cao áp: Là điện trở chịu điện áp cao KV ÷ 20 KV - Điện trở chuẩn: Là điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn định cao - Mạng điện trở: Mạng điện trở loại vi mạch tích hợp có hàng chân Một phương pháp chế tạo dùng công nghệ màng mỏng, dung dịch chất dẫn điện lắng đọng hình dạng theo yêu cầu b loại chiết áp Lecture 17 FEE1-PTIT Lecture 2 Tụ điện (Capacitors) -Tụ điện linh kiện dùng để chứa điện tích Một tụ điện lý tưởng có điện tích cực tỉ lệ thuận với hiệu điện đặt theo cơng thức: Q = C U [culông] Bản cực -Dung lượng tụ điện C [F] Q ε ε S C= = r U d Chất điện môi εr - số điện môi chất điện môi ε0 - số điện mơi khơng khí hay chân khơng ε0 = 17/116 Lecture 18 2.1 Định nghĩa 2.1 Định nghĩa 2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng tụ điện 2.3 Ký hiệu tụ điện 2.4 Cách ghi đọc tham số tụ điện 2.5 Sơ đồ tương đương 2.6 Phân loại FEE1-PTIT Tecmixto t0 19 Chân tụ Vỏ bọc = 8,84.10 −12 36π 10 S - diện tích hữu dụng cực [m2] d - khoảng cách cực [m] - Đơn vị đo C: F, μF, nF, pF … FEE1-PTIT Lecture 20 2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng tụ điện - 2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng tụ điện Trị số dung lượng dung sai Điện áp làm việc Hệ số nhiệt Dòng điện rò Sự phân cực a Trị số dung lượng (C) Dung sai tụ điện: Đây tham số độ xác trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định Dung sai tụ điện tính theo cơng thức : C t t − C d d 100% C d d b Điện áp làm việc: Điện áp cực đại cung cấp cho tụ điện hay gọi "điện áp làm việc chiều“, điện áp lớp cách điện bị đánh thủng làm hỏng tụ FEE1-PTIT Lecture 21 FEE1-PTIT c Hệ số nhiệt - Do chất cách điện đặt cực nên có dịng điện rò bé chạy qua cực tụ điện Trị số Irò phụ thuộc vào điện trở cách điện chất điện môi - Đặc trưng cho Irị dùng tham số điện trở cách điện tụ (có trị số khoảng vài MΩ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) tụ có dịng điện rị nhỏ - Tụ điện màng Plastic có điện trở cách điện cao 100000 MΩ, tụ điện điện giải dịng điện rị lên tới vài μA điện áp đặt vào cực tụ 10 Vôn - Đối với điện áp xoay chiều, tổn hao công suất tụ thể qua hệ số tổn hao D: P D = = th Q Ppk - Để đánh giá thay đổi trị số điện dung nhiệt độ thay đổi người ta dùng hệ số nhiệt TCC tính theo công thức sau: ΔC 10 C ΔT [ppm/ C] 18/116 FEE1-PTIT Lecture 22 d Dòng điện rò - Mỗi loại tụ điện chịu ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ nhà sản xuất xác định Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩn thường từ: -200C đến +650C -400C đến +650C -550C đến +1250C TCC = Lecture 23 - Tụ tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp : … - Tụ tổn hao lớn dùng sơ đồ tương đương song song: … FEE1-PTIT Lecture 24 e Sự phân cực 2.3 Ký hiệu tụ - Các tụ điện điện giải chân tụ thường có đánh dấu cực tính dương (dấu +) âm (dấu -) gọi phân cực tụ điện Khi sử dụng phải đấu tụ vào mạch cho cực tính tụ Như sử dụng loại tụ vào vị trí có điện áp làm việc khơng thay đổi cực tính + Tụ thường + Tụ điện giải Tụ có điện dung thay đổi Tụ điện lớn thường có tham số điện dung ghi trực tiếp, tụ điện nhỏ thường dùng mã: XYZ = XY * 10Z pF FEE1-PTIT Lecture 25 FEE1-PTIT Lecture 2.4 Cách đọc ghi trị số tụ 26 2.4 Cách đọc ghi trị số tụ - Hai tham số quan trọng thường ghi thân tụ điện trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) điện áp làm việc (điện áp lớn nhất) Có cách ghi bản: - Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ tham số đơn vị đo chúng Cách dùng cho loại tụ điện có kích thước lớn Ví dụ: Trên thân tụ mi ca có ghi: 5.000PF ± 20% 600V - Cách ghi gián qui ước : + Ghi theo qui ước số: Cách ghi thường gặp tụ Pơlystylen Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung 47 pF, điện áp làm việc chiều 630 Vdc Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức giá trị điện dung 0,01 μF điện áp làm việc chiều 100 Vdc + Quy ước theo mã: Giống điện trở: 123K/50V =12000 pF ± 10% điện áp làm việc lớn 50 Vdc + Ghi theo quy ước màu: - Loại có vạch màu: Hai vạch đầu số có nghĩa thực Vạch thứ ba số nhân (đơn vị pF) số số cần thêm vào Vạch thứ tư điện áp làm việc - Loại có vạch màu: Ba vạch màu đầu giống loai vạch màu Vạch màu thứ tư % dung sai Vạch màu thứ điện áp làm việc TCC 4 + Tụ hình ống Tụ hình kẹo Tụ Tantan 19/116 FEE1-PTIT Lecture 27 FEE1-PTIT Lecture 28 2.4 Cách đọc ghi trị số tụ 2.5 Sơ đồ tương đương tụ L RS RP RL C C a Sơ đồ tương đương tổng quát b Sơ đồ tương đương song song RS C c sơ đồ tương đương nối tiếp L - điện cảm đầu nối, dây dẫn (ở tần số thấp L ≈ 0) RS - điện trở đầu nối, dây dẫn cực (RS thường nhỏ) RP - điện trở rò chất cách điện vỏ bọc RL, RS - điện trở rò chất cách điện C - tụ điện lý tưởng FEE1-PTIT Lecture 29 FEE1-PTIT Lecture 30 2.6 Phân loại tụ điện 2.6 Phân loại tụ điện - Tụ điện có trị số điện dung cố định - Tụ điện có trị số điện dung thay đổi a Tụ điện có trị số điện dung cố định: + Tụ giấy: chất điện mơi giấy, thường có trị số điện dung khoảng từ 500 pF đến 50 μF điện áp làm việc đến 600 Vdc Tụ giấy có giá thành rẻ so với loại tụ có trị số điện dung Ưu điểm: kích thước nhỏ, điện dung lớn Nhược điểm: Tổn hao điện môi lớn, TCC lớn + Tụ màng chất dẻo: chất điện mơi chất dẻo, có điện trở cách điện lớn 100000 MΩ Điện áp làm việc cao khoảng 600V Dung sai tiêu chuẩn tụ ± 2,5%; hệ số nhiệt từ 60 đến 150 ppm/0C Tụ màng chất dẻo nhỏ tụ giấy đắt Giá trị điện dung tụ tiêu chuẩn nằm khoảng từ pF đến 0,47 μF + Tụ mi ca: chất điện môi mi ca, tụ mi ca tiêu chuẩn có giá trị điện dung khoảng từ pF đến 0,1 μF điện áp làm việc cao đến 3500V tuỳ Nhược điểm: giá thành tụ cao Ưu điểm:Tổn hao điện môi nhỏ, Điện trở cách điện cao, chịu nhiệt độ cao + Tụ gốm: chất điện môi gốm Màng kim loại lắng đọng mặt đĩa gốm mỏng dây dẫn nối tới màng kim loại Tất bọc vỏ chất dẻo Giá trị điện dung tụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ pF đến 0,1 μF, với điện áp làm việc chiều đến 1000 Vdc Đặc điểm tụ gốm kích thước nhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định tốt, làm việc lâu dài mà khơng lão hố + Tụ dầu: chất điện mơi dầu Tụ dầu có điện dung lớn, chịu điện áp cao Có tính cách điện tốt, chế tạo thành tụ cao áp Kết cấu đơn giản, dễ sản xuất 20/116 FEE1-PTIT Lecture 31 FEE1-PTIT Lecture 32 ... KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 1- Giới thiệu chung ELECTRONIC DEVICES Lecture 2- Cấu kiện thụ động Lecture 3- Vật lý bán dẫn Lecture 4- P-N Junctions (Tiếp giáp P-N) Lecture 5- Diode (Điốt) Lecture 6- BJT... phải đọc trước Lecture Notes trước lên lớp - Tích cực trả lời đặt câu hỏi lớp qua email: caukien@gmail.com - Làm tập thường xuyên, nộp tập Giảng viên yêu cầu, qua email: caukien@gmail.com - Tự... THUẬT ĐIỆN TỬ Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PTIT Lecture 8- Other Semiconductor Devices: Thyristor – Triac- Diac-UJT Lecture 9- OptoElectronic