Bài tập Kỷ thuật điện tử (phần bài giải của sinh viên)

Bài tập Kỷ thuật điện tử (phần bài giải của sinh viên)

Bài tập Kỷ thuật điện tử (phần giải sinh viên) Họ & tên sinh viên: Nhóm hp: Lớp: -1- Lưu ý:  Mổi sinh viên tự làm tập trực tiếp vào tài liệu (trên khổ giấy A4) Không chép giải người khác  Tài liệu tham khảo: - [Dư Quang Bình] - Bài giảng Kỷ thuật điện tử, (2000) - [Rizzoni G] - Principles and Applications of Electrical Engineering, (2004)  Địa liên hệ cần: Thầy Dư Quang Bình, 0905894666, hoặc: Email: binhduquang@.gmail.com  Thời hạn hoàn thành nộp tập: bm: K ỹ t h u ậ t Điện tử, Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng – 54 Nguyễn Lương Bằng, Quận Liên Chiểu, Tp Đà Nẵng (không chấp nhận chậm trể) -2- -3- Các chất bán dẫn diode Tóm tắt nội dung phần diode     Vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện thuộc khoảng độ dẫn điện chất dẫn điện chất cách điện Đ c tính độ dẫn điện vật liệu bán dẫn hữu dụng việc chế tạo nhiều cấu kiện điện tử để có biểu đ c tuyến i-v phi tuyến Trong số cấu kiện bán dẫn diode cấu kiện thông dụng Diode bán dẫn hoạt động giống van dẫn điện theo chiều, cho phép dòng điện chảy phân cực thuận M c dù hoạt động diode mơ tả theo phương trình hàm mủ ta xét gần hoạt động diode mơ hình mạch đơn giản Mơ hình mạch đơn giản xem diode ngắn mạch ho c h mạch (mơ hình đóng-m hay mơ hình lý tư ng) Mơ hình lý tư ng m rộng để bao gồm nguồn điện áp ngưỡng (thư ng từ 0,2 V đến 0,7 V), tương ứng với hiệu tiếp giáp tiếp giáp diode Mơ hình thực tế chi tiết mơ hình diode chi tiết tính ảnh hư ng điện tr thuận diode Bằng mô hình mạch diode ta phân tích mạch diode sử dụng kỹ thuật phân tích mạch DC AC khảo sát chương Một đ c tính quan trọng diode bán dẫn chỉnh lưu, tức cho phép chuyển đổi mức điện áp dòng điện AC thành mức điện áp dòng điện DC Các mạch chỉnh lưu diode kiểu bán kỳ kiểu tồn kỳ Các chỉnh lưu tồn kỳ cấu trúc theo dạng mạch hai diode thông dụng ho c mạch cầu Các mạch chỉnh lưu diode phận chỉnh nguồn cung cấp DC thư ng sử dụng kết hợp với tụ lọc để nhận dạng sóng điện áp DC tương đối phẳng Ngoài việc chỉnh lưu lọc cần phải ổn định mức điện áp nguồn cung cấp DC; diode Zener thực nhiệm vụ ổn định điện áp cách giữ mức điện áp không đổi mức điện áp phân cực ngược vượt mức điện áp Zener Ngoài ứng dụng làm nguồn cung cấp, diode sử dụng nhiều mạch xử lý tín hiệu điều hịa tín hiệu Trong có mạch xén diode, mạch tách sóng diode, mạch ghim khảo sát chương Hơn nửa, đ c tính vật liệu bán dẫn bị tác dụng b i cư ng độ sáng nên số loại diode gọi photodiode, có ứng dụng làm mạch tách quang [light detector], pin m t tr i [solar cell], hay diode phát-quang [LED] -4- Các chất bán dẫn 1.1 Trong vật liệu bán dẫn, điện tích thực 0, điều cần phải có mật độ điện tích dương cần với mật độ điện tích âm Cả hai loại hạt tải điện (điện tử lỗ trống tự do) nguyên tử tạp chất bị ion hóa có điện tích độ lớn điện tích điện tử Do vậy, phương trình trung hịa điện tích (CNE – charge neutrality equation) là: po  Nd  no  Na  đó: no = nồng độ hạt tải điện tích âm trạng thái cân po = nồng độ hạt tải điện tích dương trạng thái cân Na = nồng độ chất nhận [acceptor] bị ion hóa Nd = nồng độ chất cho [donor] bị ion hóa Phương trình tích hạt tải điện (CPE – carrier product equation) phát biểu rằng, chất bán dẫn pha tạp tích nồng độ hạt tải điện không đổi: nopo = số silicon T = 300 K:  2 16  Constant = niopio = nio  pio  1,5 10  2, 25 1032 3  m  m  Vật liệu bán dẫn dạng-n hay –p tùy thuộc vào nồng độ tạp chất donor hay acceptor lớn hay không Phần lớn nguyên tử tạp chất bị ion hóa nhiệt độ phòng Nếu silicon pha tạp: ND = NA  Na  1017 ; m Hãy xác định: a Đây bán dẫn tạp dạng-p hay –n b Hạt tải điện đa số thiểu số loại ? c Nồng độ hạt tải điện đa số thiểu số -5- 1.2 Nếu silicon pha tạp: NA  Na  1017 ; m3 Hãy xác định: d Đây bán dẫn tạp dạng-p hay –n e Hạt tải điện đa số thiểu số loại ? f Nồng độ hạt tải điện đa số thiểu số ND  Nd  1018 m3 1.3 Hãy mô tả vi cấu trúc loại vật liệu bán dẫn Ba loại thông dụng sử dụng loại vật liệu bán dẫn ? 1.4 Hãy mô tả phát nhiệt hạt tải điện chất bán dẫn trình phát nhiệt hạn chế đến hoạt động cấu kiện bán dẫn 1.5 Hãy mô tả đ c tính nguyên tử tạp chất donor acceptor ảnh hư ng chúng đến nồng độ hạt tải điện vật liệu bán dẫn 1.6 Mô tả sơ lược hoạt động hạt tải điện nguyên tử tạp chất ion hóa lân cận tiếp giáp pn cấu kiện bán dẫn để tạo nên rào có khuynh hướng ch n hạt tải điện di chuyển ngang qua tiếp giáp -6- Các mơ hình mạch diode 1.7 Tính điện áp vL mạch hình P1.7, D diode lý tư ng Sử dụng trị số vS < > 1.8 Trong mạch hình P1.7, vS = V; R1 = RS = RL = 500 Hãy xác định iD vD theo phương pháp đồ thị, cách dụng đ c tuyến diode 1N461A 1.9 Cho diode mạch hình P1.9 yêu cầu mức dòng nhỏ mA mức dòng khuỷu đ c tuyến i-v diode a Trị số điện tr R để thiết lập mức dòng mA mạch cần phải ? b Với trị số R xác định phần (a), trị số nhỏ để điện áp E bị giảm xuống trì mức dịng diode mức dòng khuỷu ? Sử dụng diode có V = 0,7 V 1.10 Mạch hình P1.10 có nguồn cung cấp sóng sin 50 Vrms Sử dụng mơ hình diode thực tế cho diode a Mức dòng thuận lớn ? b Hãy tính mức điện áp ngược đỉnh (PIV) diode ? -7- 1.11 Hãy xác định diode phân cực thuận diode phân cực ngược mạch hình P1.11 1.12 Hãy xác định khoảng trị số điện áp Vin để diode mạch hình P1.12, phân cực thuận Giả thiết diode lý tư ng 1.13 Hãy xác định diode mạch hình P1.13, diode phân cực thuận diode phân cực ngược Giả sử sụt áp diode phân cực thuận 0,7 V, tính mức điện áp đầu -8- 1.14 Hãy vẽ dạng sóng đ c tính truyền đạt điện áp cho mạch hình P1.14 Giả sử đ c tính diode lý tư ng, vS(t) = 10 sin (2000t) 1.15 Diode mạch hình P1.15, chế tạo từ silicon có: iD  I S (evD /VT  1) , T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV ; q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = k Sử dụng chồng chập xác định thơng số DC hay mức dịng điểm-Q diode: a Sử dụng mơ hình diode thực tế b Sử dụng cách giải theo đ c tuyến mạch (tức phương trình đư ng tải DC) đ c tuyến diode (phương trình diode) 1.16 Nếu diode mạch hình P1.15, chế tạo từ silicon có: iD  I S (evD /VT  1) ; T = 300 K; IS = 2,030 x 10-15 A; VT  kT  26mV ; q vS = 5,3 V + cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 4,6 k Sử dụng chồng chập mơ hình thực tế diode, xác định thơng số DC hay mức dịng điểm-Q diode -9- 1.17 Nếu diode mạch hình P1.15, chế tạo từ silicon có: iD  I S (evD /VT  1) ; T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = k; điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 0,5458 mA; VDQ = 379,5 mV Hãy xác định trị số điện tr tương đương AC tín hiệu nhỏ diode nhiệt độ phịng điểm-Q cho 1.18 Nếu diode mạch hình P1.15, chế tạo từ silicon có: iD  I S (evD /VT  1) ; đó: T = 300 K; IS = 2,030 x 10-15 A; VT  kT  26mV ; q vS = 5,3 V + 70 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = 4,6 k; điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 1,000 mA; VDQ = 0,700 V Hãy xác định trị số điện tr tương đương AC tín hiệu nhỏ diode điểm-Q cho 1.19 Nếu diode mạch nhiệt độ phịng hình P1.15, chế tạo từ silicon có: iD  I S (evD /VT  1) ; đó: T = 300 K; IS = 250 x 10-12 A; VT  kT  26mV q vS = 4,2 V + 110 cos(t) mV;  = 377 rad/s; R = k; điểm làm việc DC hay điểm tĩnh (điểm-Q) là: IDQ = 0,548 mA; VDQ = 0,365 V; r d = 47,45  Hãy xác định điện áp AC diode dòng AC chảy qua diode phương pháp chồng chập -10- 5.27 Hai nguồn điện áp mạch hình P5.21, cảm biến áp suất P áp suất tính theo kPa: vS1,2 = A + BP 1,2; A = 0,3 V; B = 0,7 V/psi; R1 = R2 = k; R3 = R4 = 10 k; RL = 1,8 k Nếu P = kPa P = kPa, xác định, cách sử dụng chồng chập, phần điện áp do: a Điện áp vào kiểu chung b Điện áp vào kiểu vi sai 5.28 Một biến tr tuyến tính (điện tr thay đổi trị số) Rp dùng để làm cảm biến cho điện áp tín hiệu vy tỷ lệ với vị trí y dòng điện máy vẽ đồ thị x-y Tín hiệu chuẩn vR cung cấp b i việc điều khiển mềm máy vẽ đồ thị Độ chênh lệch điện áp cần phải khuyếch đại cung cấp cho động Động chạy làm thay đổi vị trí bút vẽ vị trí “điểm” điện áp tín hiệu với điện áp chuẩn (chỉ thị bút vẽ vị trí yêu cầu) điện áp động = Để hoạt động xác điện áp động cần phải 10 lần điện áp chênh lệch tín hiệu điện áp chuẩn Để quay chiều, điện áp động cần phải âm so với điện áp tín hiệu cực tính hình vẽ Một yêu cầu bổ sung iP = để tránh tải vẽ gây sai lệch điện áp tín hiệu a Hãy thiết kế mạch op-amp để đạt thơng số cho Vẽ lại mạch thể hình P5.28, cách thay khối hộp (vẽ đư ng đứt nét) mạch thiết kế Cần phải đảm bảo điện áp tín hiệu điện áp kết nối mạch thiết kế b Hãy xác định giá trị cấu kiện mạch thiết kế Op-amp 741 -82- 5.29 Trong mạch hình P5.21, vS1 = 13 mV, vS2 = 19 mV, R1 = k; R2 = 13 k; R3 = 80 k; R4 = 68 k Hãy xác định điện áp 5.30 Mạch hình P5.30, chuyển đổi điện áp thành dòng điện đơn giản Hãy chứng tỏ dòng điện Iout chảy qua diode phát quang [LED] độ sáng LED tỷ lệ với điện áp nguồn VS với điều kiện VS > 5.31 Mạch hình P5.31, chuyển đổi dòng điện thành điện áp đơn giản Hãy chứng tỏ dòng điện Vout tỷ lệ với dòng tạo b i tế bào quang điện [cadmium sulfide cell] Cds Thêm nửa, chứng tỏ transimpedance mạch Vout / IS - R -83- 5.32 Trong số ứng dụng xử lý tín hiệu, mạch ghim sử dụng để trì tín hiệu mức tín hiệu vào liên tục tăng Một mạch thể hình P5.32 Hãy xác định quan hệ vo vi vẽ dạng sóng 5.33 Mạch hình P5.33, dùng để ổn định điện áp, mà điện áp mạch điều chỉnh Giả thiết op-amp diode zener lý tư ng diode Zener trì điện áp đầu cực diode có iZ  0,1IZ a Tìm biểu thức cho vo theo VZ b Nếu RS, R1, VZ, IZ biết, xác định khoảng VS mà mạch ổn định 5.34 Mạch Voltmeter op-amp hình P5.34, cần để điện áp vào lớn E = 20 mV Dòng vào op-amp IB = 0,2 µA, mạch đồng hồ có độ lệch đầy thang Im = 100 µA r m = 10 k Hãy xác định giá trị thích hợp cho R3 R4 -84- Các mạch lọc, mạch tích phân, mạch vi phân 5.35 Mạch hình P5.35, mạch lọc tích cực có: C = µF; R = 10 k; RL = k Hãy xác định: a Hệ số khuyếch đại (theo dB) dãi thông b Tần số cắt c Bộ lọc lọc thông thấp hay thông cao ? 5.36 Mạch op-amp hình P5.36, sử dụng mạch lọc có: C = 0,82 µF; RL = 16 ; R1 = 9,1 k; R2 = 7,5 k Hãy xác định: a Bộ lọc lọc thông thấp hay thông cao ? b Hệ số khuyếch đại Vo / VS, theo dB dãi thông, tức dãi tần thông qua b i lọc c Tần số cắt 5.37 Mạch op-amp hình P5.36, sử dụng mạch lọc có: C = 82 pF; RL = 16 ; R1 = 10 k; R2 = 130 k Hãy xác định: a Bộ lọc lọc thông thấp hay thông cao ? b Hệ số khuyếch đại Vo / VS, theo dB dãi thông, tức tần số kh i đầu thông qua b i lọc c Tần số cắt -85- 5.38 Mạch hình P5.38, mạch lọc tích cực có: R1 = k; R2 = 68 k; C = pF; RL = 22 k Hãy xác định dãi tần số cắt biên độ hàm truyền điện áp tần số thấp cao 5.39 Mạch hình P5.39, mạch lọc tích cực có: R1 = k; R2 = k; R3 = 80 k; C = nF Hãy xác định: a Biểu thức hàm truyền điện áp dạng chuẩn: V ( j ) H v ( j )  o Vi ( j ) b Dãi tần số cắt c Hệ số khuyếch đại dãi thông d Giản đồ Bode 5.40 Mạch op-amp hình P5.40, sử dụng làm mạch lọc có: R1 = 9,1 k; R2 = 7,5 k; C = 0,82 µF; RL = 16  Hãy xác định: a Mạch lọc thông thấp hay thông cao b Biểu thức dạng chuẩn cho hàm truyền điện áp c Hệ số khuyếch đại theo dB dãi thông, tức dãi tần truyền qua b i lọc, tần số cắt -86- 5.41 Mạch op-amp hình P5.40, mạch lọc thơng thấp có: R1 = 220 ; R2 = 68 k; C = 0,47 nF; RL = 16  Hãy xác định: a Biểu thức dạng chuẩn cho hàm truyền điện áp b Hệ số khuyếch đại theo dB dãi thông, tức dãi tần truyền qua b i lọc, tần số cắt 5.42 Mạch hình P5.42, mạch lọc thơng dãi có: R1 = R2 = k; C1 = C2 = µF Hãy xác định: a Hệ số khuyếch đại dãi thông b Tần số cộng hư ng c Tần số cắt c Hệ số phẩm chất Q mạch d Giản đồ Bode 5.43 Mạch op-amp hình P5.43, mạch lọc thơng thấp có: R1 = 220 ; R2 = 68 k; C = 0,47 nF; RL = 16  Hãy xác định: a Biểu thức dạng chuẩn cho hàm truyền điện áp b Hệ số khuyếch đại theo dB dãi thông, tức dãi tần truyền qua b i lọc, tần số cắt -87- 5.44 Mạch hình P5.44, mạch lọc thông dãi Nếu: R1 = 220 ; R2 = 10 k; C1 = 2,2 µF; C2 = nF Hãy xác định hệ số khuyếch đại dãi thông 5.45 Hãy tính đáp ứng tần số mạch hình P5.45 5.46 Mạch khuyếch đại đảo hình P5.46, sử dụng mạch lọc thơng thấp a Tìm đáp ứng tần số mạch b Nếu: R1 = R2 = 100 k; C = 0,1 µF; tính độ suy giảm theo dB  = 1000 rad/s c Tính hệ số khuyếch đại pha  = 2500 rad/s d Xác định khoảng tần số mà độ suy giảm thấp dB 5.47 Tìm biểu thức cho hệ số khuyếch đại mạch -88- hình P5.47 5.48 Cho mạch hình P5.48, vẽ đáp ứng biên độ V2 / V1, thị dãi tần công suất Giả sử op-amp lý tư ng 5.49 Hãy sử dụng khái niệm tr kháng để tìm nghiệm cho tr kháng vào ZS = VS / IS mạch hình P5.49 Chứng tỏ rằng, tr kháng vào có dạng tương đương điện cảm ZL = jL Hãy xác định độ tự cảm giả định dạng R1, R2, R3, R4, C 5.50 Mạch hình P5.50a, cho điện áp ho c tích phân ho c vi phân điện áp nguồn tín hiệu thể hình P5.50b nhân với hệ số khuyếch đại Nếu: C = µF; R = 10 k; RL = k, xác định biểu thức cho vẽ dạng điện áp hàm số th i gian -89- 5.51 Mạch hình P5.51a, cho điện áp ho c tích phân ho c vi phân điện áp nguồn tín hiệu thể hình P5.51b nhân với hệ số khuyếch đại Hãy xác định: a Biểu thức cho điện áp b Giá trị điện áp t = 5; 7,5; 12,5; 15; 20 ms vẽ điện áp hàm th i gian nếu: C = µF; R = 10 k; RL = k 5.52 Mạch hình P5.52, mạch tích phân Tụ điện ban đầu chưa nạp, điện áp nguồn tín hiệu là: vin(t) = 10 x 10-3 + sin (2000t) V a Tại th i điểm t = 0, chuyển mạch, S1 đóng Chuyển mạch lấy khoảng th i gian trước xuất tín hiệu đầu RS = 10 k CF = 0,008 µF ? b Tại th i điểm tích phân tín hiệu vào DC làm cho opamp bảo hịa hồn tồn ? -90- 5.53 Một mạch tích phân thực tế hình 5.21 Lưu ý rằng, điện tr mắc song song với tụ hồi tiếp tạo đư ng xã điện DC cho tụ Thông thư ng, số th i gian RF CF chọn đủ lớn đẻ khơng gây tr ngại cho tích phân a Nếu RS = 10 k; RF = M; CF = 0,008 µF, vS(t) = 10 V + sin (2000t) V, xác định vout cách sử dụng phân tích pha b L p lại câu (a) RF = 200 k, RF = 20 k c Hãy so sánh số th i gian RF CF với chu kỳ dạng sóng cho câu (a) (b) Có thể phát biểu số th i gian khả mạch việc tích phân ? 5.54 Mạch hình 5.26, mạch vi phân thực tế Giả thiết op-amp lý tư ng với vin(t) = 10 x 10-3 + sin (2000t) V; CS = 100 µF; CF = 0,008 µF; RF = M, RS = 10 k, a Hãy xác định đáp ứng tần số, Vo / VS() b Sử dụng chồng chập để tính điện áp thực tế (nhớ DC = Hz) -91- 5.55 Hãy suy luận phương trình vi phân tương ứng với mạch mơ máy tính tương tự P5.55 hình 5.56 Hãy xây dựng máy tính tương tự mơ tương ứng với phương trình vi phân sau đây: d 2x dx  100  10x  5 f (t ) dt dt Các giới hạn op-amp 5.58 Xét mạch khuyếch đại vi phân Yêu cầu tín hiệu kiểu chung thấp 1% tín hiệu kiểu vi sai Hãy tính tỷ số loại bỏ nhiễu kiểu chung theo dB nhỏ (CMRR) để đáp ứng yêu cầu hệ số khuyếch đại kiểu vi sai Adm = 1000 Cho: v1  sin(2000 t )  0,1sin(120 t ) V v2  sin(2000 t  180 )  0,1sin(120 t ) V  v v  vo  Adm (v1  v2 )  Acm     -92- 5.60 Xét mạch khuyếch đại đảo có hệ số khuyếch đại vịng h 105 Với việc tham khảo phương trình  1  vS  vout     R /R A AV (OL)  V (OL) RF / RS  F S a Nếu RS = 10 k RF = M, tính hệ số khuyếch đại vịng kín AV(CL) b L p lại câu (a) RS = 10 k RF = 10 M c L p lại câu (a) RS = 10 k RF = 100 M d Sử dụng trị số điện tr cấu (c), tính AV(CL) AV(OL)   5.61 a Nếu op-amp mạch hình P5.61, có hệ số khuyếch đại vịng h 45 x 105, tính hệ số khuyếch đại vịng kín với RF = RS = 7,5 k b L p lại câu (a) RF =5 (RS) = 37,5  5.62 Cho độ rộng băng tần hệ số khuyếch đại đơn vị op-amp lý tư ng 5,0 MHz, tính hệ số khuyếch đại điện áp tần số f = 500 kHz -93- 5.65 Nếu mạch hình P5.65: vS1  2,8  0,01cos(t ) V vS  3,5  0,007cos(t ) V Av1= -1,3; Av2 = 10;  = krad/s Hãy xác định: a Các tín hiệu vào kiểu chung vi sai b Các hệ số khuyếch đại kiểu chung vi sai c Các thành phần kiểu chung kiểu vi sai điện áp d Tỷ số loại bỏ nhiểu kiểu chung 5.66 Nếu mạch hình P5.65: vS1  3,5  0,01cos(t ) V vS  3,5  0,01cos(t ) V Avc= 10 dB; Avd = 20 dB;  = x 103 rad/s Hãy xác định: a Các điện áp vào kiểu chung vi sai b Các hệ số khuyếch đại điện áp cho vS1 vS2 c Các thành phần kiểu chung kiểu vi sai điện áp d Tỷ số loại bỏ nhiểu kiểu chung (CMRR) theo dB -94- 5.67 Nếu mạch hình P5.67, hai nguồn điện áp cảm biến nhiệt độ với T = nhiệt độ (Kelvin) và: vS1 = kT1 ; vS2 = kT2, đó: k = 120 µV/K; R1 = R3 = R4 = k; R2 = k; RL = 600  Nếu: T1 = 310 K; T2 = 335 K Hãy xác định: a Các hệ số khuyếch đại điện áp theo hai điện áp vào b Điện áp vào kiểu chung kiểu vi sai c Các hệ số khuyếch đại kiểu chung kiểu vi sai d Thành phần kiểu chung thành phần kiểu vi sai điện áp e Tỷ số loại nhiễu đồng pha (CMRR) theo dB 5.68 Trong mạch khuyếch đại chênh lệch hình P5.67: vS1 = 13 mV ; vS2 = mV; vo = voc + vod; voc = 33 mV (điện áp kiểu chung); vod = 18 V (điện áp kiểu vi sai) Hãy xác định: a Hệ số khuyếch đại kiểu chung b Hệ số khuyếch đại kiểu vi sai c Tỷ số loại nhiễu đồng pha theo dB -95- -96- ... hạt tải điện nguyên tử tạp chất ion hóa lân cận tiếp giáp pn cấu kiện bán dẫn để tạo nên rào có khuynh hướng ch n hạt tải điện di chuyển ngang qua tiếp giáp -6- Các mơ hình mạch diode 1.7 Tính