Kỹ thuật điện tử

Bài này trình bày nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn, và các ứng dụng điển hình của diode như: mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp dùng diode zener, và sử dụng vi mạch IC LM78xx, 79xx, mạch ng

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Biên Soạn:

ThS Nguyễn Thị Ngọc Anh

ThS Võ Thị Bích Ngọc

www.hutech.edu.vn

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

*1.2015.ELE116*

Các ý kiến đóng góp về tài liệu học tập này, xin gửi về e-mail của ban biên tập: tailieuhoctap@hutech.edu.vn

MỤC LỤC

MỤC LỤC I HƯỚNG DẪN VII

BÀI 1: DIODE BÁN DẪN 1

1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 1

1.1.1 Chất bán dẫn thuần 1

1.1.2 Chất bán dẫn tạp 2

1.1.3 Chuyển động trôi và khuyếch tán của hạt dẫn 4

1.2 DIODE CHỈNH LƯU 4

1.2.1 Cấu tạo 4

1.2.2 Phân cực diode 5

1.2.3 Đặc tuyến Volt-Ampere của diode 6

1.2.4 Các thông số kỹ thuật của diode 8

1.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên diode 8

1.3 ỨNG DỤNG CỦA DIODE 9

1.3.1 Mạch chỉnh lưu điện áp 9

1.3.2 Chỉnh lưu bán kỳ (Half wave rectifier) 9

1.3.3 Chỉnh lưu toàn kỳ (Full wave rectifier) 10

1.3.4 Mạch lọc 12

1.4 MẠCH NGUỒN ỔN ÁP 16

1.4.1 Sơ đồ khối của mạch nguồn ổn áp 16

1.4.2 IC ổn áp 78xx, 79xx 16

1.4.3 IC ổn áp điều chỉnh được LM 317 18

1.5 MẠCH NHÂN ĐIỆN ÁP 19

1.5.1 Mạch nhân đôi điện áp (Voltage doubler) 19

1.5.2 Mạch nhân ba điện áp (Voltage Tripler) 19

1.5.3 Mạch nhân bốn điện áp (Voltage Quardrupler) 20

1.6 DIODE ZENER (DIODE ỔN ÁP) 20

1.6.1 Nguyên lý hoạt động 20

1.6.2 Đặc tuyến Volt- Ampere 21

1.6.3 Mạch ổn áp dùng diode Zener 22

1.7 DIODE PHÁT QUANG (LED)- LCD 28

1.7.1 Diode phát quang LED (Light emitting diode) 28

1.7.2 LED 7 đoạn 29

1.7.3 Ma Trận Led 29

1.7.4 Bộ hiển thị tinh thể lỏng (Liquid-Crystal Displays-LCD) 30

1.8 CÁC LINH KIỆN HAI CHÂN KHÁC 33

1.8.1 Photodiodes (Diode thu quang) 33

1.8.2 Tế bào quang điện (Photo cell) 34

TÓM TẮT 36

BÀI TẬP 37

BÀI 2: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC- BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR) 43

2.1 CẤU TẠO BJT 43

2.2 DÒNG CHẢY TRONG BJT 44

2.3 KHUẾCH ĐẠI DÒNG TRONG BJT 45

2.4 ĐẶC TUYẾN VOLT-AMPERE CỦA BJT 46

2.4.1 Đặc tuyến ngõ vào I B = f(V BE ) 47

2.4.2 Đặc tuyến ngõ ra I C = f(V CE ) 47

2.4.3 Đặc tuyến truyền dẫn I C = f(V BE ) 48

2.5 YÊU CẦU ỔN ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC 48

2.6 PHÂN CỰC BJT 50

2.6.1 Phân cực định dòng I B 50

2.6.2 Phân cực định dòng I b , có thêm Re 51

2.6.3 Phân cực nhờ hồi tiếp từ collector 52

2.6.4 Phân cực kiểu phân áp (độc lập ) 52

2.7 BJT HOẠT ĐỘNG NHƯ CÔNG TẮC 55

TÓM TẮT 57

BÀI TẬP 58

BÀI 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG FET (FIELD EFFECT TRANSISTOR) 61

3.1 ĐẠI CƯƠNG 61

3.2 FET 62

3.2.1 Cấu tạo 62

3.2.2 Đặc tuyến kỹ thuật của FET 63

3.2.3 Đặc tuyến truyền đạt: I D = f (V GS ) 65

3.2.4 Đặc tuyến ngõ ra của Fet: I D = f (V DS ) 66

3.2.5 Các tham số của FET 66

3.3 MOSFET: (TRANSISTOR TRƯỜNG CÓ CỰC CỬA CÁCH LY) 67

3.3.1 MOSFET kênh liên tục 67

3.3.2 MOSFET kênh gián đoạn 70

3.3.3 Các thông số cần quan tâm khi sử dụng MOSFET 71

3.4 PHÂN CỰC BẰNG ĐỒ THỊ 71

3.4.1 Phân cực cố định 72

3.4.2 Phân cực kiểu tự phân cực 74

3.4.3 Phân cực kiểu cầu phân áp 75

3.4.4 Phân cực kiểu hồi tiếp 77

TÓM TẮT 79

BÀI TẬP 81

BÀI 4: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP) 82

4.1 TỔNG QUÁT 82

4.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA OP-AMP 83

4.3 KÝ HIỆU 83

4.4 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA OP-AMP 85

4.5 ỨNG DỤNG CỦA OP- AMP 86

4.5.1 Mạch so sánh 86

4.5.2 Mạch khuếch đại dùng Opamp 87

4.5.3 Mạch thực hiện các phép toán dùng Opamp 88

TÓM TẮT 90

BÀI TẬP 93

BÀI 5: LINH KIỆN NHIỀU MỐI NỐI … (PNPN OTHER DEVICES AND APPLICATIONS) 95 5.1 KHÁI NIỆM VÙNG ĐIỆN TRỞ ÂM 95

5.2 SILICON-CONTROLLED RECTIFIER (SCR) 96

5.2.1 Cấu tạo 96

5.2.2 Nguyên lý hoạt động 97

5.2.3 Các thông số kỹ thuật của SCR: 99

5.2.4 SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều 101

5.2.5 Vài ứng dụng đơn giản 102

5.3 SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH) 103

5.4 DIODE AC SEMICONDUCTOR SWITCH (DIAC) 104

5.4.1 Cấu tạo 104

5.4.2 Nguyên lý hoạt động 105

5.4.3 Mạch ứng dụng 106

5.5 TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH (TRIAC) 106

5.5.1 Cấu tạo 106

5.5.2 Nguyên lý hoạt động: 107

5.5.3 Đặc tính 108

5.5.4 Các cách kích Triac 109

5.5.5 Mạch ứng dụng Triac 110

5.6 GTO (GATE TURN-OFF SWITCH) 110

5.7 TRANSISTOR QUANG (PHOTOTRANSISTORS) 111

5.8 BỘ NGẪU HỢP QUANG ĐIỆN (OPTO-ISOLATORS) HAY OPTRON, OPTOCOUPLE 113 TÓM TẮT 116

BÀI TẬP 117

BÀI 6: MẠCH SỐ 118

6.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SỐ ĐẾM 118

6.1.1 Cơ số - chuyển đổi cơ số 118

6.1.2 Các bộ mã hóa thông dụng 132

6.2 ĐẠI SỐ BOOLEAN 136

6.2.1 Khái niệm về logic hai trạng thái 136

6.2.2 Bảng sự thật 137

6.2.3 CÁC PHÉP TOÁN CƠ BẢN 138

6.2.4 CÁC CỔNG LOGIC: 141

6.2.5 Các định lý cơ bản của đại số Boolean 143

6.2.6 CÁC PHÉP BIẾN ĐỔI TRÊN CỔNG NAND VÀ NOR 144

6.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN HÀM BOOLE 146

6.3.1 Phương pháp biểu diễn thành bảng: 146

6.3.2 Phương pháp biểu thức đại số: 147

6.3.3 Phương pháp biểu diễn bằng bìa Karnaugh 148

6.4 CÁC HỌ VI MẠCH SỐ: TTL VÀ CMOS 152

6.4.1 Tổng quan 152

6.4.2 Các đặc trưng của các vi mạch số 152

6.4.3 Họ TTL (TRANSISTOR-TRANSISTOR LOGIC) 155

6.4.4 MẠCH LOGIC MOS 160

6.4.5 Một số cổng 164

TÓM TẮT 165

BA I TẬP 167

BÀI 7: HỆ TỔ HỢP 171

7.1 GIỚI THIỆU 172

7.2 CÁCH THIẾT KẾ MẠCH LOGIC TỔ HỢP 172

7.3 TRƯỜNG HỢP KHÔNG XÁC ĐỊNH (DON’T CARE) 174

7.4 RÚT GỌN HÀM BOOLE BẰNG BÌA KARNAUGH 175

7.4.1 Các bước thực hiện: 175

7.4.2 Tích cực tiểu 2 ô kế cận: 175

7.4.3 Tích cực tiểu 4 ô kế cận: 176

7.4.4 Tích cực tiểu 8 ô kế cận: 177

7.5 BỘ GIẢI MÃ 178

7.6 BỘ MÃ HÓA 185

7.7 BỘ SO SÁNH 190

7.7.1 Mạch so sánh hai số 1 bit 190

7.7.2 Mạch so sánh hai số 1 bit có ngõ vào điều khiển 191

7.7.3 Mạch so sánh hai số n bit 192

7.8 BỘ CHỌN KÊNH – PHÂN KÊNH 193

7.8.1 Bộ chọn kênh 193

7.8.2 MẠCH PHÂN KÊNH (DEMULTIPLEXERS) 198

TÓM TẮT 201

BÀI TẬP 203

BÀI 8: HỆ TUẦN TỰ 206

8.1 TỔNG QUAN 206

8.2 MẠCH DAO ĐỘNG 208

8.2.1 Khái niệm 208

8.2.2 Dao động đa hài bất ổn 208

8.2.3 Dao động đơn ổn (một trạng thái bền) 208

8.2.4 Dao động dùng IC555: 209

8.3 CÁC PHẦN TỬ HAI TRẠNG THÁI BỀN 216

8.3.1 Mạch đảo 216

8.3.2 Mạch Hai Trạng Thái Bền 217

8.4 FLIPFLOP 218

8.4.1 LATCH (chốt) dùng Cổng NOR 218

8.4.2 LATCH (chốt) dùng Cổng NAND 220

8.5 XUNG CK VÀ FLIPFLOP DÙNG XUNG CK 221

8.5.1 Xung đồng hồ (CK) 221

8.5.2 Clock RS – FlipFlop 222

8.5.3 Clock JK – FlipFlop 223

8.5.4 D– FlipFlop 224

8.5.5 T– FlipFlop 224

8.5.6 Các ngõ vào không đồng bộ 225

8.6 CÁC ỨNG DỤNG CỦA FLIPFLOP 226

8.6.1 Đồng bộ hóa dùng FF 226

8.6.2 Mạch phát hiện một chuỗi ngõ vào tuần tự 226

8.6.3 Thanh ghi dịch 227

8.6.4 Bộ chia tần số 229

8.7 MẠCH ĐẾM 231

8.7.1 Mạch đếm không đồng bộ 232

8.7.2 Mạch đếm đồng bộ 247

8.7.3 Ứng dụng bộ đếm 252

TÓM TẮT 255

BÀI TẬP 257

BÀI 9: BỘ NHỚ BÁN DẪN 258

9.1 KHÁI NIỆM CHUNG 258

9.2 CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN ĐẾN BỘ NHỚ 260

9.3 ĐẠI CƯƠNG VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ NHỚ 262

9.4 ROM (READ-ONLY MEMORY) 265

9.4.1 Sơ đồ khối của ROM: 265

9.4.2 Hoạt động đọc: 266

9.5 CẤU TRÚC CỦA ROM 267

9.5.1 Mảng các thanh ghi 268

9.5.2 Bộ giải mã địa chỉ 268

9.5.3 Bộ đệm ngõ ra 269

9.6 ĐẶC TÍNH THỜI GIAN CỦA ROM 269

9.7 CÁC LOẠI ROM 270

9.7.1 ROM mặt nạ (Mask Programmed ROM, MROM) 270

9.7.2 Programmable ROM (PROM): 272

9.7.3 Erasable Programmable ROM (EPROM) 272

9.7.4 Electrically Erasable PROM (EEPROM): 274

9.7.5 FLASH ROM 275

9.8 ỨNG DỤNG CỦA ROM 275

9.9 RAM BÁN DẪN 276

9.9.1 Hoạt động đọc (Read Operation) 277

9.9.2 Hoạt động ghi (Write Operation) 277

9.9.3 Chip select (chọn vi mạch) 278

9.9.4 Ngõ vào và ra chung (Common Input/Output) 278

9.10 RAM TĨNH (SRAM) 279

9.11 RAM ĐỘNG (DRAM) 281

9.11.1 Cấu trúc và hoạt động của DRAM: 281

9.11.2 Làm tươi DRAM 284

TÓM TẮT 286

BÀI TẬP 287

TÀI LIỆU THAM KHẢO 288

HƯỚNG DẪN

MÔ TẢ MÔN HỌC

Hiện nay tất cả các ngành đều có liên quan đến điện, và các thiết bị điện Không chỉ vậy điện – điện tử còn là phương tiện kỹ thuật sắc bén để thúc đẩy sự phát triển của các ngành nghề khác Chính vì vậy môn Kỹ Thuật Điện Tử được coi là môn không thể thiếu trong quá trình đào tạo sinh viên ngoài ngành điện tử như ngành: Điện Công Nghiệp, Cơ Khí, Tự động hóa, Công nghệ thông tin…

Các tác giả biên soạn giáo trình Kỹ Thuật Điện Tử với mong muốn được góp một phần nhỏ đến các bạn sinh viên ngành kỹ thuật trong quá trình học tập rèn luyện cho

sự nghiệp tương lai của mình, nên giáo trình được trình bày khá chi tiết, giúp sinh viên chủ động sáng tạo trong học tập, phù hợp với phương pháp giảng dạy theo chương trình tín chỉ

Môn Kỹ Thuật Điện tử gồm 2 phần chính là mạch tương tự và mạch số Môn học cung cấp cho sinh viên các kiến thức về nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của: Diode bán dẫn, mạch nguồn ổn áp, transistor lưỡng cực (BJT), transistor hiệu ứng trường (FET), vi mạch khuếch đại thuật toán Opamp, các linh kiện nhiều mối nối pnpn Hệ thống số đếm, các bộ mã hóa thông dụng, các cổng logic, hệ

tổ hợp, hệ tuần tự, bộ nhớ bán dẫn…

NỘI DUNG MÔN HỌC

Nội dung môn học gồm các bài sau:

- BÀI 1: DIODE BÁN DẪN (SEMICONDUCTOR DIODES) Bài này trình bày

nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn, và các ứng dụng điển hình của diode như: mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp dùng diode zener, và sử dụng vi mạch (IC LM78xx, 79xx), mạch nguồn điểu chỉnh được dùng IC LM317 và 723, mạch nhân áp Ngoài

ra còn giới thiệu các linh kiện 2 chân khác như: diode phát quang, ma trận Led, Liquid-Crystal Displays (LCD), photodiodes, IR Emitters, Solar Cells …

- BÀI 2: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS) Trong bài trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của transistor

lưỡng cực loại NPN, PNP Đặc tuyến Volt- ampre và các thông số kỹ thuật của BJT Các mạch phân cực và điều khiển dùng BJT: sử dụng BJT như công tắc điện tử, sử

- BÀI 5: LINH KIỆN NHIỀU MỐI NỐI PNPN VÀ ỨNG DỤNG (Pnpn OTHER DEVICES AND APPLICATIONS) Bài này trình bày cấu tạo, hoạt động của các linh kiện như: SCR, SCS, DIAC, TRIAC, GTO, Transistor quang, Bộ ngẫu hợp quang điện (Opto-Isolators)

- BÀI 6: MẠCH SỐ Bài này trình bày tổng quan về hệ thống số đếm, các bộ mã

hóa hệ mười thông dụng, đại số Boolean và các phương pháp biểu diễn hàm logic Các cổng logic và cách thực hiện hàm Boolean dùng cổng logic; Các họ vi mạch số: TTL, MOS, CMOS,…

- BÀI 7: HỆ TỔ HỢP (COMBINATIONAL CIRCUITS) Bài này trình bày tổng quan về mạch tổ hợp, phương pháp thiết kế hệ tổ hợp Ngoài ra, bài này còn trình bày về khái niệm và ứng dụng của các mạch giải mã, mạch mã hóa, mạch so sánh độ lớn, mạch chọn kênh và mạch phân kênh thông qua các ứng dụng

- BÀI 8: HỆ TUẦN TỰ (SEQUENCIAL CIRCUITS) Bài này trình bày khái niệm về dao động, các mạch tạo dao động đa hài dùng vi mạch chuyên dụng; Các loại Flipflop: RS FF, JK FF, D FF, T FF và ứng dụng Bộ đếm và thanh ghi dịch; Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch chia tần số và đồng hồ số

- BÀI 9: BỘ NHỚ (MEMORIES) Bài này trình bày về khái niệm và cấu trúc bộ nhớ bán dẫn gồm: cấu trúc bus địa chỉ, dữ liệu; và các loại bộ nhớ bán dẫn như: ROM, PROM, EPROM, flash ROM, bộ nhớ bay hơi (Volatiles Memories) và RAM, SRAM, DRAM…

KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ

Để học môn này sinh viên phải có nền tảng về Vật lý điện- từ, họ các linh kiện thụ động R, L, C

YÊU CẦU MÔN HỌC

Sinh viên phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài tập đầy đủ ở nhà

CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC

Để học tốt môn này, sinh viên cần đọc trước bài giảng trước khi đến lớp và tra cứu thông tin liên quan đến nội dung bài học Sau khi học xong, sinh viên cần tóm tắt bài học, ôn tập các nội dung đã học, trả lời các câu hỏi và làm đầy đủ bài tập

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

Môn học được đánh giá gồm:

- Điểm quá trình: 30% Hình thức và nội dung do Giảng viên quyết định, phù hợp

với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập

- Điểm thi: 70% Hình thức bài thi tự luận trong 90 phút Nội dung gồm các bài tập

BÀI 1: DIODE BÁN DẪN

Sau khi học xong bài này, sinh viên có thể:

- Nắm vững nguyên lý hoạt động của diode bán dẫn

- Xác định được vai trò và trạng thái phân cực của diode trong các mạch điện tử

- Hiểu và tính toán thiết kế cho các mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp dùng diode zener,

mạch nguồn ổn áp dùng vi mạch LM78XX, LM 79XX, …

- Ngoài ra còn nắm vững nguyên lý hoạt động của các các linh kiện 2 chân khác

như: diode phát quang, ma trận Led, Liquid-Crystal Displays (LCD), photodiodes,

IR Emitters, Solar Cells …

1.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN

1.1.1 Chất bán dẫn thuần

Chất bán dẫn tiêu biểu là Ge và Si, các chất này thuộc nhóm IVa trong bảng tuần hoàn Mendeleev Si và Ge có 4 điện tử

ngoài cùng, nên các điện tử này sẽ liên

kết với 4 điện tử ngoài cùng của 4

nguyên tử kế cận theo kiểu liên kết đồng

hóa trị bền vững Do đó các điện tử khó

tách khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự

do

Tuy nhiên cũng có khả năng khi các

electron nhận được một năng lượng lớn,

một số liên kết bị phá vỡ, một vài điện tử

thoát ly khỏi nguyên tử thành điện tử tự

do (Free electron)

Hình 1.1: Chất bán dẫn thuần

Theo hình vẽ 1.1, nguyên tử mất điện tử (electron) sẽ mang điện tích dương hay gọi là lỗ trống (Hole), điện tử thứ hai chạy đến chiếm chỗ trống này và để lại lỗ trống

2, lỗ trống 2 này sẽ được điện tử 3 chạy đến chiếm chỗ, Hiện tượng xảy ra trong toàn mạng tinh thể, ta thấy kết qủa mật độ electron bằng mật độ lỗ trống

Vậy: Chất bán dẫn có mật độ

electron bằng mật độ lỗ trống,

được gọi là chất bán dẫn thuần

Nếu đưa điện thế Vcc vào chất

1.1.2.1 Chất bán dẫn tạp loại N (Negative)

Nếu pha vào chất bán dẫn Si (Ge) tinh

khiết một lượng rất ít tạp chất thuộc nhóm

V trong bảng tuần hoàn (Ví dụ: Altimony

(Sb), Asen (As), Photpho (P) ) với cấu

tạo nguyên tử có 5 điện tử ngoài cùng, thì

các nguyên tử này sẽ liên kết hoá trị với 4

nguyên tử của Si (Ge) bằng 4 đôi electron

góp chung Còn một điện tử thừa ra không

liên kết nên nó dễ dàng trở thành điện tử

tự do Như vậy khi pha thêm một nguyên

Vcc

Hình 1.2: Sự dẫn điện của chất bán dẫn thuần

Hình 1.3: Chất bán dẫn tạp loại N

tử P sẽ có một điện tử tự do, pha càng nhiều nguyên tử P thì sẽ có càng nhiều điện tử

tự do

Do đó ngoài mật độ electron và lỗ trống có sẵn trong chất bán dẫn thuần còn có electron do tạp chất gây ra, nên mật độ của electron lớn hơn mật độ của lỗ trống Nếu đặt điện thế Vcc vào thì các electron này sẽ di chuyển theo luồng tạo nên dòng điện Electron tham gia chủ yếu vào việc tạo thành dòng điện nên electron được gọi là hạt tải đa số (hay còn gọi là hạt cơ bản), lỗ trống được gọi là hạt tải thiểu số (hạt không cơ bản)

Vậy chất bán dẫn có sự dẫn điện bằng electron được gọi là chất bán dẫn loại N (Negative)

1.1.2.2 Chất bán dẫn loại P (Positive)

Bây giờ nếu ta pha vào chất bán dẫn

thuần Ge (Si) 1 lượng rất ít tạp chất thuộc

nhóm III trong bảng tuẩn hoàn (VD: Bore

(B), Indi (In), Gali (Ga) hoặc nhôm (Al) với

cấu tạo nguyên tử có 3 điện tử ngoài cùng,

thì 3 electron sẽ liên kết với 3 nguyên tử Ge

(Si) kế cận bằng đôi 1 electron ghép chung,

còn thiếu 1 electron trong mối nối thứ tư Do

đó nguyên tử In dễ dàng nhận 1 electron của

nguyên tử Ge gần đó, nguyên tử Ge mất e

tạo thành lỗ trống Như vậy khi pha thêm 1

nguyên tử In sẽ có 1 lỗ trống, pha càng nhiều nguyên tử In sẽ có càng nhiều lỗ trống

Do đó ngoài mật độ electron và lỗ trống có sẵn trong chất bán dẫn thuần còn có lỗ

do tạp chất gây ra, nên mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ của electron

Nếu đặt điện thế Vcc vào thì các lỗ trống này sẽ di chuyển theo luồng tạo thành dòng điện Lỗ trống tham gia chủ yếu vào việc tạo thành dòng điện, nên lỗ trống được gọi là hạt tải đa số, còn electron gọi là hạt tải thiểu số

Vậy chất bán dẫn có sự dẫn điện bằng lỗ được gọi là chất bán dẫn loại P (Positive)

Hình 1.4: Chất bán dẫn tạp loại P

1.1.3 Chuyển động trôi và khuyếch tán của hạt dẫn

1.1.3.1 Chuyển Động Trôi (Drif)

Trong mạng tinh thể chất rắn chứa nhiều nguyên tử luôn ở trạng thái dao động vì nhiệt độ Khi có tác dụng của điện trường các hạt dẫn trên đường chuyển động sẽ gia tốc va chạm với nguyên tử của mạng tinh thể chất rắn, dưới tác dụng của điện trường được gọi là chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn)

Dòng điện do chuyển động trôi của hạt gây nên được gọi dòng điện trôi (Itr)

1.1.3.2 Chuyển Động Khuyếch Tán (Diffusion)

Đối với chất bán dẫn khi nồng độ điện tử hay lỗ trống phân bố không đều chúng sẽ khuyếch tán từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp Dòng điện do chuyển động

có hướng này gây ra được gọi là dòng khuyếch tán (Ikt)

Hình 1.7: Diode phân cực thuận

dẫn P: bị hút bởi cực (-) cuả nguồn Nên vùng

nghèo mở rộng khiến dòng điện tử đa số ở N

khó tái hợp lỗ ở P

Kết quả: dòng khuếch tán Ikt của hạt tải đa số giảm rất nhỏ

Tuy nhiên, trong chất bán dẫn loại P có ít hạt điện tử (hạt thiểu số) và N có một ít

lỗ trống, chúng tái hợp với nhau tạo thành dòng điện có trị số rất bé khoảng vài A (do nồng độ hạt thiểu số bé) và nó nhanh chóng đạt đến trị số không đổi được gọi là dòng bão hoà ngược Iosat (Sutrate: bão hoà)

Vậy khi phân cực ngược dòng qua diode bé, nên ta xem như diode không dẫn điện khi phân cực ngược

Hiện tượng đánh thủng lớp tiếp xúc P-N: Khi phân cực ngược, nếu điện thế V ngược tăng đến một trị số khá lớn nào đó, nên dòng bão hoà ngược Iosat tăng vọt,

do đó diode dẫn mạch theo cả chiều nghịch, phá hỏng đặc tính vốn có của nó Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đánh thủng thác lũ của diode khi phân cực ngược

1.2.2.2 Phân cực thuận diode

Nối 2 cực của diode với một hiệu điện thế

Vcc mắc thuận như hình 1.7:

Electron ở chất bán dẫn N: Bị nguồn (-) đẩy

Lỗ trống ở chất bán dẫn P: bị nguồn (+) đẩy

Nên vùng nghèo hẹp lại, nên hạt tải đa số dễ

dàng vượt qua hàng rào điện thế

Hình 1.6: Diode phân cực nghịch

Vcc

Kết qủa: Dòng khuếch tán Ikt tăng nhanh theo hàm mũ, dòng trôi Itr giảm, nhưng hạt thiểu số bé nên xem như dòng trôi không đổi  Iosat: gọi là dòng bảo hòa (saturated)

Đồng thời vùng N mất electron, tạo thành các ion dương, kéo điện tích (-) của nguồn Vcc Vùng P nhận electron, tạo thành các ion âm, bị nguồn (+) kéo về Nên có dòng điện chạy từ cực (-) của nguồn Vcc sang cực (+) của nguồn, nghĩa là có dòng chạy từ P-N

Vậy khi phân cực thuận dòng qua diode tăng, nên ta xem như diode dẫn điện khi phân cực thuận

1.2.3 Đặc tuyến Volt-Ampere của diode

Để biểu diễn khả năng dẫn điện của diode người ta có đặc tuyến Volt-Ampere được

biểu diễn dưới dạng phương trình sau:

1

D

q V KT

D osat

ID: dòng qua diode (V)

VD: điện áp giữa hai đầu diode (V)

Iosat: dòng điện rò ngược bão hòa (A)

q: điện tích electron = 1,6 10-19 C

K: hằng số Boltztmann = 1,38.10-23J/0K

T: nhiệt độ tuyệt đối = t0C+ 2730

Ở nhiệt độ phòng 250C hay 2980K, người ta định nghĩa hệ số nhiệt VT:

-23

1,38.10 298

261,6 10-19

D osat

- Khi diode phân cực nghịch : VD < 0

- Khi Diode phân cực thuận VD  V: Diode dẫn điện, với diode loại Si : V = 0.5 - 0.7V ; Ge : V = 0.2 - 0.3V

Hình 1.8: Đặc tuyến Volt-Ampere của diode chỉnh lưu

Bảng 1.1: So sánh giữa hai loại diode Si và Ge

Phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Ít phụ thuộc vào nhiệt độ

1.2.4 Các thông số kỹ thuật của diode

Khi sử dụng ta cần tra cứu sách để biết các thông số kỹ thuật của diode, lúc đó việc sử dụng mới hiệu quả và chính xác Sau đây là ý nghĩa của các thông số tra cứu:

- Chất bán dẫn chế tạo để có điện áp ngưỡng V

- IDmax : dòng điện thuận tối đa (Khi diode dẫn, nó sẽ bị đốt nóng bởi PD = VD.ID, nếu

ID > IDmax dẫn đến hiện tượng quá dòng, dẫn đến diode bị hỏng)

- VBRmax (Volt Breakdown) hay VPIV (peak reverse voltge) : điện áp ngược tối đa để không bị đánh thủng khi phân cực ngược

- Iosat (IRmax) : dòng điện bảo hòa ngược tối đa

1.2.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên diode

- Khi nhiệt độ tăng , thì V giảm:

Kv T

V

O 



 

với : Kv = -2,5mV/0C (đối với chất bán dẫn Ge),

Kv = -2mV/0C (đối với chất bán dẫn Si)

- Khi nhiệt độ tăng, thì dòng bảo hòa ngược Iosat tăng:

Iosat = Iosat (R).eK

I (T –25)

với Iosat (R):dòng điện rỉ ở nhiệt độ phòng 250C

KI : hệ số nhiệt, với KI = 0,07/0C (đối với Ge);KI = 0,12/0C (đối với Si)

T : nhiệt độ môi trường

Iosat : dòng rò bảo hòa ngược ở nhiệt độ T

1.3 ỨNG DỤNG CỦA DIODE

1.3.1 Mạch chỉnh lưu điện áp

Diode được cấu tạo từ lớp tiếp xúc P-N, nên đều có tính chất chỉnh lưu (Chỉ cho dòng điện đi một chiều từ P-N), do đó diode chỉnh lưu thường dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều

1.3.2 Chỉnh lưu bán kỳ (Half wave rectifier)

Từ tín hiệu xoay chiều AC dùng diode với tính chất chỉ dẫn điện theo một chiều (Từ

P sang N) để đổi điện thành một chiều DC

Hình 1.9: Mạch chỉnh lưu bán kỳ

Gọi: Vs là điện áp xoay chiều ở ngõ vào, với: Vs= Vsmax.sinωt (V)

Vi là điện áp ngõ ra qua biến áp đã được hạ áp, với: Vi= Vimax.sinωt (V)

Vo là điện áp ngõ ra sau mạch chỉnh lưu

V : điện áp ngưỡng để diode Si dẫn điện (V =0,7V)

RL : Điện trở tải

Ở bán kỳ dương: Diode phân cực thuận dẫn điện, nên: Vo= Vi - V

Ở bán kỳ âm: Diode phân cực nghịch không dẫn điện, nên: Vo= 0Vậy: dòng chạy qua tải io và điện thế trên tải V0 chỉ còn lại bán kỳ dương, nên được gọi là mạch chỉnh lưu bán kỳ

Hình 1.10: Dạng sóng vào/ra của mạch chỉnh lưu bán kỳ

Điện áp trung bình trên tải:

max max

- Điện áp ngược đánh thủng của diode VBRMAX thõa: VBRMAX Vimax

1.3.3 Chỉnh lưu toàn kỳ (Full wave rectifier)

1.3.3.1 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode

Biến thế ở đây là biến thế có chấu giữa làm điểm chung, điện áp ở 2 đầu ngược pha nhau so với điểm giữa Xét mạch qua 2 bán kỳ:

Vi Vimax

2

Hình 1.11: Mạch chỉnh lưu toàn kỳ 2 diode

Bán kỳ dương tại A, thì tại B là bán kỳ âm: D1 dẫn, D2 ngưng => Vomax = VimaxA- VBán kỳ âm tại A, thì tại B là bán kỳ dương: D2 dẫn, D1 ngưng => Vomax = VimaxB- V

Hình 1.12: Dạng sóng vào/ra của mạch chỉnh toàn kỳ

Tính tương tự trên ta được điện áp trung bình trên tải: max

Dòng trung bình trên tải: max

2

 o ODC

I I



Nhận xét: Độ gợn sóng của mạch chỉnh lưu toàn kỳ giảm so với chỉnh lưu bán kỳ Lưu ý: Chọn diode cho chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode phải thoã:

- Dòng đỉnh thuận ID Iimax

- Điện áp ngược đỉnh diode: VBRMAX  2Vimax

1.3.3.2 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 Diode (Cầu diode)

Thay vì phải sử dụng biến áp có điểm giữa, ta không cần mà chỉ cần dùng 4 diode, sắp xếp các diode này để nó có thể dẫn điện ở cả 2 bán kỳ

(a)

Hình 1.13: (a) Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng 4 diode và (b) hình dạng cầu diode

Thực tế người ta thường tích hợp 4 diode thành một cầu diode có dạng như hình 1.13b

Dạng sóng ra và công thức tính VODC tương tự cho mạch dùng 2 diode, ngoại trừ thông số điện áp ngược: VBRMAX  Vimax

thêm các mạch lọc Các mạch lọc là những mạch RLC được chọn có thời hằng thích hợp theo yêu cầu dòng tải và độ gợn sóng cho phép ở ngõ ra

Sau đây ta khảo sát mạch lọc dùng tụ C cho các mạch chỉnh lưu có dòng tải bé, ít thay đổi

Hình 1.14: Mạch chỉnh lưu dùng tụ lọc C

Ở ngõ ra, khi D1 dẫn, dòng qua tải RL và nạp cho tụ C Ở đỉnh A, điện thế giảm, tụ lập tức xả điện qua tải với thời gian T = RC Khi tụ xả đến B, D2 dẫn và lại nạp cho tụ lên đỉnh A cứ thế tiếp tục Kết quả là dạng sóng ra như hình vẽ có VODC tăng và độ gợn sóng giảm so với lúc chưa có tụ lọc

- Độ gợn sóng Vr,pp (Ripple peak-peak Voltage):

Gọi Vr,pp là độ gợn sóng đỉnh đỉnh ở ngõ ra sau khi qua bộ lọc Dòng hữu hạn I làm cho điện áp trên tụ sụt mất điện áp Vr,pp trong chu kỳ AC

Xem xấp xỉ là dạng sóng răng cưa, IODC là dòng trung bình trên tải

Vom

A

B

VDC T1 T2

T/2

Vr,pp

ωt

Vo

Hình 1.15: Độ gợn sóng khi chỉnh lưu dùng tụ lọc C

Ta có : Qnạp = Vr,pp x C

Qxả = IDC x T2 Theo định luật bảo toàn điện tích : Qnạp = Qxả

2

12

Điện áp trung bình ở ngõ ra: VODC = Vomax - Vr,pp/2 (1.2)

4

  ODC ODC o

AC

V

V V

V

T1 T2 T/2

Vr,pp

ωt

Vo Vom

T2

Vr,pp

ωt

Vo Vom

với: r,PP ODC ODC

r

L

34

1

Từ công thức (1.3) và (1.4) cho thấy khi RL hay C tăng thì điện áp một chiều ngõ

ra tăng và hệ số gợn sóng giảm Các công thức này cho phép chọn được trị số C để đạt được điện áp DC ở ngõ ra và dòng tải theo yêu cầu với hệ số gợn sóng cho phép

Ví dụ 1.1: Cho mạch chỉnh lưu toàn sóng như hình 1.16:

Trên thực tế khi sử dụng các loại tải khác nhau thì điện áp ra không ổn định, do đó người ta cải tiến bằng cách sử dụng các IC ổn áp chuyên dùng.

1.4 MẠCH NGUỒN ỔN ÁP

1.4.1 Sơ đồ khối của mạch nguồn ổn áp

Sơ đồ khối của một mạch nguồn ổn áp như hình 1.17:

Ngày nay, với các phần tử ổn áp có thể các vi mạch ổn áp DC tuyến tính được sử dụng rất rộng rãi do những ưu điểm của chúng như: tích hợp toàn bộ linh kiện trong một vỏ kích thước bé, không cần sử dụng hoặc chỉ sử dụng thêm một vài linh kiện ngoài để tạo mạch hoàn chỉnh, mạch bảo vệ quá dòng và quá nhiệt có sẵn bên trong

vi mạch như IC 78xx, 79xx …

1.4.2 IC ổn áp 78xx, 79xx

Vi mạch ổn áp DC tuyến tính thông dụng là họ vi mạch 78xx (ổn áp dương) và 79xx (ổn áp âm) có 3 chân Tùy theo hình dạng vỏ ngoài, các vi mạch ổn áp 3 chân

có thể cung cấp dòng lên đến 1A và cho điện áp ra cố định

Hình 1.17: Sơ đồ khối của một mạch nguồn ổn áp

Hình 1.18: Hình dạng và mạch ứng dụng dùng IC 78xx, 79xx Bảng 1.2: Bảng số liệu các họ 78xx & 79xx

Với sơ đồ mạch nguồn ổn áp ±5V như hình vẽ 1.19

Hình1.21: Mạch nhân đôi điện áp kỳ

C1 2200/16V

AC1

0

C6 0.1MF

C2 2200/25V

-5V

-D2 C1

1.5.1 Mạch nhân đôi điện áp (Voltage doubler)

1.5.2 Mạch nhân ba điện áp (Voltage Tripler)

+

2Vp +

-+ -

C2

+

Hình1.21: Mạch nhân đôi điện áp kỳ

4Vp

+ -

2Vp

D4 D2

C2

Hình 1.24: Mạch nhân bốn điện áp

Hình 1.25: Ký hiệu diode Zener

1.5.3 Mạch nhân bốn điện áp (Voltage Quardrupler)

Theo lý thuyết ta có thể nối thêm đọan mạch mới, tuy nhiên lúc đó gợn sóng sẽ tăng khi nối thêm đoạn mạch Đây là lý do tại sao các bộ nhân áp không được dùng trong nguồn có điện áp thấp, tức các nguồn thông dụng Nên công dụng chủ yếu của các bộ nhân áp là tạo điện thế cao

1.6 DIODE ZENER (DIODE ỔN ÁP)

Nếu V  VZ : IZ tăng, và VD = VZ = const

Đặc tính này khiến diode Zener rất thông dụng trong các mạch ổn định điện áp

1.6.2 Đặc tuyến Volt- Ampere

- Điều kiện để Zener hoạt động ổn áp:

IZmin  IZ  IZMax

với : IZmin (hay Izk: dòng khuỷu) là dòng tối

thiểu hay dòng bắt đầu cho hiệu ứng

Zener

IZMax: Dòng tối đa mà diode chịu được

- Các thông số quan tâm khi sử dụng

Diode Zener: Công suất tiêu tán cực đại

PZMax: PZMax = Vz IZmax và điện áp ổn áp

Vz

Ví dụ: Zener (1W; 5.6V)

Vậy: Khi dẫn điện diode zener tương đương với một nguồn điện thế một chiều Vz

(điện thế zener) và khi ngưng nó tương đương với một mạch hở

Bảng 1.3: Bảng đặc tính kỹ thuật của một vài diode Zener

Hình 1.26: Đặc tuyến Volt-Ampere của

diode Zener

1.6.3 Mạch ổn áp dùng diode Zener

Xét các trường hợp sau:

1.6.3.1 Diode zener với điện thế ngõ vào Vi và tải RL cố định

Mạch căn bản dùng diode zener có dạng như hình 1.27

Khi Vi và RL cố định, sự phân tích mạch có thể theo 2 bước:

- Xác định trạng thái của diode zener bằng cách tháo rời diode zener ra khỏi mạch

và tính hiệu thế V ở hai đầu của mạch khi diode hở mạch:

L i

- Tính toán các thông số của mạch:

 Nếu V < Vz: Diode Zener không hoạt động, dòng qua diode Iz= 0;

ZM=V

ZI

ZM của diode zener (I

ZM: dòng điện tối đa qua zener mà không làm hỏng)

Diode zener thường được dùng trong các mạch điều hòa điện thế để tạo điện thế chuẩn Mạch hình 1.27 là một mạch điều hòa điện thế đơn giản để tạo ra điện thế không đổi ở hai đầu R

L Khi dùng tạo điện thế chuẩn, điện thế zener như là một mức chuẩn để so sánh với một mức điện thế khác Ngoài ra diode zener còn được sử dụng rộng rãi trong các mạch điều khiển, bảo vệ

Ví dụ 1.2: Cho mạch ổn áp như hình dưới, với Vi = 12V, Ri= 2K, Vz = 5,6V

a Nếu RL= 100Ω, hỏi mạch có hoạt động ổn áp không? Tính điện áp ra VO

b Nếu RL= 500Ω Tính điện áp ra Vo, dòng qua Ri (IRi), dòng qua tải RL (IL), dòng qua diode Zener (Iz)

Nên mạch hoạt động ổn áp, nên V0= Vz= 5,6V

Dòng qua diode zener được xác định bởi: Iz= IRi – IL

1.6.3.2 Diode zener với điện thế ngõ vào Vi và tải RL thay đổi

Mục đích: Điện áp cung cấp cho tải phải ổn định (VL = VZ = hằng số) dù tải RL và điện áp nguồn Vi thay đổi

Yêu cầu xác định Ri, PRi, Izmax ( hay Pzmax) để điện áp trên tải là không đổi

a V i thay đổi nhƣng R L không đổi

R





- Khi Vi min => IRi min => Để IL = const thì IZ min, nên : IRi min = Iz min + IL

=> Vi min = IRi min Ri + Vz = (Iz min + IL) Ri + Vz

=> Ri = ?

- Khi Vi max => IRi max => Để IL = const thì IZ max, nên : IRi max = Iz max + IL

=> Vi max = IRi max Ri + Vz = (Iz max + IL) Ri + Vz

Vi

Và Vi max = IRi max Ri + Vz = (Iz max + IL) Ri + Vz

=> Iz max = 0,03A => Pzmax = 0,3W

b Vi không đổi nhƣng R L thay đổi

Hình 1.29: Vi không đổi nhưng RL thay đổi

Ta có: I Ri I Z I L

với

L

Z L

- Khi RLmin, để VL = const thì ILmax => IZmin

nên: IRi = Izmin + ILmax

Với:

min max

L

Z L

nên: IRi = Izmax + ILmin

Với:

max min

L

Z L

R

V

I  => I zmax = ?

Ví dụ 1.4: Cho mạch ổn áp như hình vẽ 1.29 Với Vi = 12V, Vz = 9V, IZmin= 50mA;

IL=100mA– 1A Hãy xác định Ri, PRi, Izmax để điện áp trên tải luôn không đổi?

max min

i

z i L i

z i z L i

z i

R

V V I R

V V I I R

V V

I           

max min

i

z i

R

V V

min max

i

z i

R

V V

IRi

R Vz

Ri

L

Vi

max min

min

L z

z i

I I

V V

max

L z

z i

I I

V V

min min

max

max

L z

z i L

z

z i

I I

V V Ri I

I

V V

Lưu ý: Đối với cả 3 trường hợp trên, thường đề bài cho Izmin Nếu không cho, thì thường người ta chọn Izmin sao cho: min max

Từ biểu thức trên cho phép ta có bất đẳng thức: a ≤ Ri ≤ b

Giải bất đẳng thức a ≤ b, ta xác định giá trị Izmax ≥ ? Thế lại vào (*) ta xác định

Ri, và công suất cực đại Pzmax của diode Zener

Ví dụ 1.5: Thiết kế mạch ổn áp dùng Diode Zener như hình vẽ dưới Với Vi= 14V

20V, Zener có Vz= 10V, dòng qua tải thay đổi IL= 100mA- 200mA

Giải:

Ta có:

max min

min min

max max

L z

z i

L z

z i

I I

V V Ri I

I

V V

,0

10141

V

IRi

1.7 DIODE PHÁT QUANG (LED)- LCD

1.7.1 Diode phát quang LED (Light emitting diode)

Diode phát quang được làm từ GaAs phát ra ánh sáng hồng ngoại Để mắt thường

có thể nhìn thấy được, người ta phải cho ánh sáng hồng ngoại do diode phát ra đập vào chất phát quang Nếu thêm vào GaAs photpho (P) để tạo ra chất bán dẫn, ba thành phần GaAsP thì có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy

Nguyên lý hoạt động: Khi led được phân cực thuận sẽ có dòng đi qua làm led phát

sáng với:

V (led đỏ) = 1,4 đến 1,8V

V (led vàng) = 2 đến 2,5V

V (led xanh lá) = 2 đến 2,8V

Iled = 5mA đến 20mA (Thiết kế thường chọn Vled = 2V; Iled = 10mA)

Ví dụ 1.6: Với VCC = 5V Tính giá trị điện trở hạn dòng cho led 7 đoạn, nếu dòng hoạt động là 10mA (5-20mA), tại điện áp 2V (1,4 - 2,8V) led hoạt động bình thường

10

CC Led Led

LED

0