ĐIODE BAÙN DAÃN VÀ MAÏCH DIODE - Full 10 điểm

Trao đ ổ i tr ự c tuy ế n t ạ i : www mientayvn com/chat_box_li htm l TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT KHOA COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN Giaùo trình ÑIEÄN TÖÛ CAÊN BAÛN Thaùng 1 - 2005 LÔØI NOÙI ÑAÀU Giaùo trình ÑIEÄN TÖÛ CAÊN BAÛN laø taøi lieäu hoïc taäp daønh cho sinh vieân Khoa Coâng ngheä Thoâng tin Ñieän töû caên baûn trình baøy caáu taïo vaø hoaït ñoäng cuûa caùc linh kieän ñieän töû vaø maïch cuûa chuùng Ñaây laø nhöõng kieán thöùc cô sôû ñeå hieåu bieát caáu truùc maùy tính vaø caùc thieát bò phaàn cöùng cuûa kyõ thuaät coâng ngheä thoâng tin Noäi dung chuû yeáu cuûa giaùo trình laø moâ taû caáu taïo, ñaëc tröng cuûa caùc linh kieän ñieän töû baùn daãn nhö diode, transistor, IC vaø caùc maïch öùng duïng caên baûn cuûa chuùng Giaùo trình goàm 11 chöông Chöông 1: Moät soá khaùi nieäm Chöông 2: Diode baùn daãn vaø maïch diode Chöông 3: Transistor Chöông 4: Phaân cöïc transistor Chöông 5: Khuyeách ñaïi transistor Chöông 6: Khuyeách ñaïi coâng suaát Chöông 7: Caùc hieäu öùng taàn soá cuûa maïch khuyeách ñaïi Chöông 8: Caùc linh kieän baùn daãn ñaëc bieät Chöông 9: Khuyeách ñaïi thuaät toaùn Chöông 10: Caùc maïch dao ñoäng Chöông 11: Nguoàn nuoâi Noäi dung cuûa giaùo trình raát roäng maø thôøi gian laïi haïn cheá trong 60 tieát do ñoù moät soá vaán ñeà bò boû qua Sinh vieân coù theå tham khaûo theâm textbook baèng tieáng Anh sau ñaây taïi thö vieän Khoa Coâng ngheä Thoâng tin Electronic Principles Malvino, Mc Graw-Hill, 1999 Sinh vieân cuõng coù theå vaøo Website: www alldatasheet com ñeå coù theâm caùc thoâng tin chi tieát veà soá lieäu kyõ thuaät cuûa caùc linh kieän Do trình ñoä ngöôøi vieát coù haïn, chaéc chaén giaùo trình coøn coù nhieàu thieáu soùt Raát mong ñöôïc söï goùp yù cuûa baïn ñoïc Ñaø Laït, thaùng 1 naêm 2005 Phan Vaên Nghóa Trang 1 Chöông I MOÄT SOÁ KHAÙI NIEÄM I 1 SÖÏ GAÀN ÑUÙNG Trong cuoäc soáng chuùng ta thöôøng xuyeân duøng söï gaàn ñuùng hay xaáp xæ Trong kyõ thuaät cuõng vaäy Chuùng ta thöôøng duøng caùc möùc gaàn ñuùng sau: ♦ Gaàn ñuùng lyù töôûng (ñoâi khi goïi laø gaàn ñuùng baäc 1) ♦ Gaàn ñuùng baäc 2 ♦ Gaàn ñuùng baäc 3 ♦ Moâ taû chính xaùc 1) Gaàn ñuùng lyù töôûng Moät ñoaïn daây AWG22 daøi 1 inch (2 54cm) coù ñieän trôû thuaàn R=0 016 Ω , cuoän caûm L=0 24 μ H vaø tuï C=3 3pF Neáu chuùng ta tính tôùi taát caû caùc aûnh höôûng cuûa RLC thì tính toaùn lieân quan ñeán doøng vaø theá seõ maát nhieàu thôøi gian vaø coù theå phöùc taïp Vì vaäy trong nhieàu tröôøng hôïp, ñeå ñôn giaûn, coù theå boû qua RLC cuûa ñoaïn daây daãn Söï gaàn ñuùng lyù töôûng, laø maïch töông ñöông ñôn giaûn nhaát cuûa thieát bò Ví duï, gaàn ñuùng lyù töôûng cuûa moät ñoaïn daây noái laø moät vaät daãn coù trôû khaùng Z=0 Söï gaàn ñuùng naøy laø ñuû cho caùc thieát bò ñieän töû thoâng thöôøng Tröôøng hôïp ngoaïi leä seõ xaûy ra taïi taàn soá cao Khi ñoù phaûi xeùt ñeán caûm khaùng vaø dung khaùng Giaû söû raèng 1 inch daây noái coù L=0 24 μ H vaø C=3 3pF thì taïi taàn soá f=10MHz caûm khaùng vaø dung khaùng töông ñöông cuûa chuùng laø 15 1 Ω vaø 4 82K Ω Chuùng ta thöôøng duøng gaàn ñuùng lyù töôûng ñoái vôùi daây noái khi taàn soá f < 1MHz Tuy nhieân khoâng coù nghóa laø chuùng ta khoâng caàn ñeå yù ñeán chieàu daøi cuûa daây noái Treân thöïc teá, caàn laøm cho daây noái ngaén ñeán möùc coù theå Trong khi tìm hoûng cho maïch hay thieát bò, moät gaàn ñuùng lyù töôûng laø ñuû duøng Trong giaùo trình naøy chuùng ta duøng gaàn ñuùng lyù töôûng cho caùc thieát bò baùn daãn baèng caùch giaûn löôïc chuùng nhö caùc maïch töông ñöông ñôn giaûn Baèng caùch duøng gaàn ñuùng lyù töôûng, chuùng ta deã daøng phaân tích vaø hieåu hoaït ñoäng cuûa caùc maïch baùn daãn 2) Gaàn ñuùng baäc 2 Gaàn ñuùng baäc 2 theâm moät hoaëc nhieàu thaønh phaàn vaøo gaàn ñuùng lyù töôûng Neáu gaàn ñuùng lyù töôûng cuûa 1 vieân pin laø 1 5V thì gaàn ñuùng baäc 2 cuûa 1 vieân pin laø moät nguoàn theá 1 5V noái tieáp vôùi 1 ñieän trôû 1O Ω Ñieän trôû naøy goïi laø ñieän trôû trong hay ñieän trôû nguoàn cuûa vieân pin Neáu ñieän trôû taûi beù hôn 10O Ω , theá treân taûi coù theå beù hôn 1 5V do suït theá qua ñieän trôû nguoàn Luùc naøy caùc tính toaùn caàn phaûi keøm theo caû ñieän trôû nguoàn cuûa pin Trang 2 3) Gaàn ñuùng baäc 3 vaø caùc gaàn ñuùng cao hôn Gaàn ñuùng baäc 3 keøm theo moät soá phaàn töû nöõa vaøo maïch töông ñöông cuûa thieát bò Thaäm chí caùc gaàn ñuùng cao hôn nöõa caàn phaûi laøm khi phaân tích maïch Tính toaùn baèng tay ñoái vôùi caùc maïch töông ñöông gaàn ñuùng cao hôn baäc 2 trôû neân raát khoù khaên Trong tröôøng hôïp naøy chuùng ta seõ duøng chöông trình maùy tính Ví duï EWB (Electronics Work Bench) hoaëc Pspice laø caùc phaàn meàm maùy tính trong ñoù duøng caùc gaàn ñuùng baäc cao ñeå phaân tích maïch Toùm laïi, vieäc söû duïng gaàn ñuùng loaïi naøo laø phuï thuoäc vaøo yeâu caàu coâng vieäc maø chuùng ta phaûi laøm Neáu chuùng ta ñang tìm loãi hay söûa chöõa thieát bò, gaàn ñuùng baäc 1 laø ñuû Trong nhieàu tröôøng hôïp gaàn ñuùng baäc 2 laø löïa choïn toát vì deã duøng vaø khoâng yeâu caàu maùy tính Ñoái vôùi caùc gaàn ñuùng cao hôn caàn phaûi duøng maùy tính vaø moät chöông trình I 2 NGUOÀN THEÁ Moät nguoàn theá lyù töôûng taïo ra moät hieäu ñieän theá laø haèng soá treân taûi Ví duï ñôn giaûn nhaát cuûa moät nguoàn theá lyù töôûng laø moät acqui hoaøn haûo, moät acqui maø ñieän trôû trong cuûa noù baèng 0 Hình 1-1a laø hình veõ moät maïch, trong ñoù nguoàn theá V 1 =10V noái vôùi ñieän trôû taûi R L =1 Ω Voân keá chæ 10V, ñuùng baèng giaù trò cuûa nguoàn theá Hình 1-1a: Nguoàn theá vaø taûi Hình 1-1b cho thaáy giaûn ñoà cuûa hieäu ñieän theá treân taûi vaø ñieän trôû taûi Theo giaûn ñoà, hieäu ñieän theá treân taûi vaãn 10V khi ñieän trôû taûi thay ñoåi töø 1 Ω ñeán 1M Ω Noùi moät caùch khaùc, moät nguoàn theá lyù töôûng taïo ra moät theá treân taûi laø haèng soá baát chaáp ñieän trôû taûi laø lôùn hay beù Vôùi moät nguoàn theá lyù töôûng, chæ coù doøng taûi thay ñoåi khi ñieän trôû taûi thay ñoåi Trang 3 Hình 1-1b: Quan heä giöõa theá taûi vaø trôû taûi Gaàn ñuùng baäc 2 cuûa nguoàn theá Nguoàn theá lyù töôûng laø thieát bò chæ coù veà maët lyù thuyeát, noù khoâng toàn taïi trong thöïc teá Vì khi ñieän trôû taûi gaàn baèng 0, doøng taûi seõ gaàn baèng voâ cuøng Khoâng coù moät nguoàn theá thöïc naøo coù theå taïo ra moät doøng taûi voâ haïn vì nguoàn theá thöïc luoân luoân coù ñieän trôû trong (ñieän trôû nguoàn) Gaàn ñuùng baäc 2 cuûa moät nguoàn theá phaûi keøm theo ñieän trôû trong naøy Hình 1-2a moâ taû yù töôûng naøy Ñieän trôû trong 1 Ω noái tieáp vôùi boä acqui lyù töôûng Khi ñoù giaù trò chæ treân Voân keá laø 5V thay vì 10V Hình 1-2a: Nguoàn theá vôùi ñieän trôû trong Hình 1-2b laø giaûn ñoà cuûa theá treân taûi vaø ñieän trôû taûi cuûa moät nguoàn theá thöïc Theá treân taûi chæ ñaït ñöôïc giaù trò 10V khi ñieän trôû taûi lôùn hôn ñieän trôû nguoàn nhieàu laàn, lôùn hôn ñeán möùc coù theå boû qua ñieän trôû nguoàn Nguoàn theá maïnh (Stiff Voltage Source) Chuùng ta coù theå boû qua ñieän trôû nguoàn khi noù nhoû hôn ñieän trôû taûi ít nhaát laø 100 laàn Taát caû caùc nguoàn theá thoûa maõn ñieàu kieän naøy goïi laø nguoàn theá maïnh Trang 4 Hình 1-2b: Theá treân taûi vaø trôû taûi ñoái vôùi nguoàn theá thöïc Moät nguoàn theá maïnh neáu thoûa ñieàu kieän: R S < 0 01R L (1-1) Ñieän trôû taûi beù nhaát maø nguoàn theá vaãn maïnh laø: R L(min) =100R S (1-2) Theo (1-2) ñieän trôû taûi beù nhaát phaûi baèng 100 laàn ñieän trôû nguoàn Trong tröôøng hôïp naøy, sai soá tính toaùn do boû qua ñieän trôû nguoàn laø 1% Giaù trò sai soá naøy laø ñuû nhoû ñeå boû qua trong gaàn ñuùng baäc 2 Löu yù: • Ñònh nghóa veà nguoàn theá maïnh aùp duïng cho caû nguoàn DC laãn nguoàn AC • Gaàn ñuùng baäc 2 chæ coù yù nghóa taïi taàn soá thaáp Taïi taàn soá cao, caùc heä soá caàn phaûi xem xeùt theâm laø caûm khaùng vaø dung khaùng I 3 NGUOÀN DOØNG Hình 1-3: Nguoàn doøng Trang 5 Moät nguoàn theá DC cung caáp moät theá treân taûi khoâng ñoåi ñoái vôùi caùc ñieän trôû taûi khaùc nhau Nguoàn doøng DC taïo ra moät doøng taûi laø haèng soá ñoái vôùi caùc ñieän trôû khaùc nhau Ví duï moät nguoàn doøng lyù töôûng laø moät acqui coù ñieän trôû trong raát lôùn nhö hình 1-3 Trong maïch hình 1-3, doøng taûi tính bôûi: I L =V1/(Rs+R L ) vôùi R L =1 Ω , Rs =1M Ω , doøng taûi baèng: I L =10V/(1M+1)=10 μ A Trong tính toaùn treân ñaây, ñieän trôû taûi aûnh höôûng khoâng ñaùng keå leân doøng taûi Hình 1-4: aûnh höôûng cuûa ñieän trôû taûi ñoái vôùi doøng taûi Hình 1-4 chæ ra aûnh höôûng cuûa ñieän trôû taûi ñoái vôùi doøng taûi Doøng taûi vaãn laø 10 μ A trong moät vuøng roäng cuûa ñieän trôû taûi Khi ñieän trôû taûi lôùn hôn 10K Ω (R L >1% R S ) thì doøng taûi baét ñaàu thay ñoåi Nguoàn doøng maïnh Chuùng ta coù theå boû qua aûnh höôûng cuûa ñieän trôû nguoàn cuûa moät nguoàn doøng neáu noù lôùn hôn ñieän trôû taûi ít nhaát laø 100 laàn Moïi nguoàn doøng thoûa ñieàu kieän naøy goïi laø nguoàn doøng maïnh Nguoàn doøng maïnh neáu thoûa ñieàu kieän: Rs >100R L (1-3) Trong tröôøng hôïp giôùi haïn, ñieän trôû taûi lôùn nhaát maø nguoàn vaãn ñöôïc xem laø nguoàn doøng maïnh khi R L (max)=0 01Rs (1-4) Theo (1-4) ñieän trôû taûi lôùn nhaát baèng 1/100 ñieän trôû nguoàn Hình 1-5a kyù hieäu moät nguoàn doøng lyù töôûng, trong ñoù thieát bò taïo ra moät doøng haèng Is vôùi ñieän trôû noäi cuûa nguoàn Rs laø voâ cuøng Hình 1-5b chæ ra gaàn ñuùng baäc 2 cuûa nguoàn doøng ÔÛ ñoù ñieän trôû trong R S maéc song song vôùi nguoàn doøng lyù töôûng I S Phaàn cuoái cuûa chöông naøy seõ Trang 6 xem xeùt ñònh lyù Norton, khi ñoù chuùng ta seõ bieát taïi sao Rs laïi maéc song song vôùi nguoàn doøng I S Hình 1-5: Nguoàn doøng Baûng sau cho thaáy söï khaùc nhau giöõa nguoàn doøng vaø nguoàn theá Ñaïi löôïng Nguoàn theá Nguoàn doøng Rs Raát beù Raát lôùn R L > 100 Rs < 0 01Rs V L Haèng Phuï thuoäc R L I L Phuï thuoäc R L Haèng I 4 ÑÒNH LYÙ THEVENIN Hình 1-6: Theá Thevenin Trang 7 Ñònh lyù laø moät meänh ñeà coù theå chöùng minh baèng toaùn hoïc Sau ñaây chuùng ta xem xeùt moät soá khaùi nieäm lieân quan ñeán ñònh lyù Thevenin, teân moät kyõ sö ngöôøi Phaùp Theá Thevenin (V TH ): Treân hình 1-6, theá Thevenin laø theá ño ñöôïc giöõa 2 ñaàu ñieän trôû taûi (hai ñaàu AB) khi khoâng coù ñieän trôû taûi (ñieän trôû taûi hôû maïch) Vì vaäy ñoâi khi theá Thevenin coøn goïi laø theá hôû maïch Theá Thevenin: V TH =V OC (1-5) Trôû Thevenin (R TH ): laø ñieän trôû ño ñöôïc giöõa 2 ñaàu ñieän trôû taûi khi ñieän trôû taûi hôû maïch vaø khi taát caû caùc nguoàn giaûm tôùi 0 Giaûm nguoàn tôùi 0 coù yù nghóa khaùc nhau ñoái vôùi nguoàn doøng vaø nguoàn theá Cuï theå nhö sau: ♦ Ñoái vôùi nguoàn theá: ngaén maïch ♦ Ñoái vôùi nguoàn doøng: hôû maïch Vaäy ñònh lyù Thevenin ñeà caäp ñeán caùi gì? Theo ñònh lyù Thevenin, moïi hoäp ñen chöùa maïch goàm nguoàn DC vaø caùc ñieän trôû tuyeán tính (laø ñieän trôû khoâng thay ñoåi giaù trò khi thay ñoåi theá treân noù) nhö hình 1-6a coù theå thay theá baèng moät nguoàn theá Thevenin vaø moät ñieän trôû Thevenin töông ñöông nhö hình 1-6b Khi ñoù doøng qua taûi baèng I L =V TH /(R TH +R L ) (1-6) Ñònh lyù Thevenin laø moät coâng cuï maïnh Noù khoâng chæ giuùp ñôn giaûn caùc tính toaùn maø coøn giuùp giaûi thích hoaït ñoäng cuûa caùc maïch maø neáu chæ duøng caùc phöông trình Kirchhoff thì khoâng theå laøm ñöôïc Ví duï: Tính theá vaø trôû Thevenin cho maïch hình 1-7 Hình 1-7 Ñeå tính theá Thevenin chuùng ta hôû maïch ñieän trôû taûi R L Deã daøng thaáy raèng V TH = 24V Ñeå tính trôû Thevenin caàn hôû maïch taûi vaø ngaén maïch nguoàn 72V Khi ñoù: Trang 8 R TH = 4 + (3//6) = 6K Ω Coù theå duøng Voân keá vaø Ohm keá ñeå ño theá Thevenin vaø trôû Thevenin Ñoä chính xaùc cuûa caùc pheùp ño phuï thuoäc vaøo loaïi maùy ño ñöôïc söû duïng Ví duï neáu söû duïng maùy ño theá loaïi chæ thò kim coù ñoä nhaïy 20K Ω /V taïi thang ño 30V thì trôû khaùng vaøo cuûa maùy ño laø 600K Ω Khi ñoù theá ño ñöôïc seõ beù hôn theá Thevenin moät chuùt Thöôøng ngöôøi ta duøng voân keá coù trôû khaùng vaøo vaøo lôùn hôn trôû Thevenin ít nhaát laø 100 laàn Khi ñoù sai soá seõ beù hôn 1% Ñeå coù trôû khaùng vaøo cao, ngaøy nay ngöôøi ta duøng voân keá soá (Digital Multimeter) vôùi trôû khaùng vaøo côõ 10M Ω I 5 ÑÒNH LYÙ NORTON Treân hình 1-8a, doøng Norton I N ñöôïc ñònh nghóa laø doøng taûi khi ñieän trôû taûi ngaén maïch Vì vaäy doøng Norton coøn goïi laø doøng ngaén maïch I N = I SC (1-7) Ñieän trôû Norton laø ñieän trôû ño giöõa hai ñaàu ñieän trôû taûi khi hôû maïch ñieän trôû taûi vaø taát caû caùc nguoàn giaûm tôùi 0 R N = R OC (1-8) Do ñieän trôû Thevenin cuõng baèng R OC , neân theå vieát: R TH =R N (1-9) nghóa laø ñieän trôû Thevenin vaø ñieän trôû Norton laø baèng nhau Hình 1-8: Maïch Norton Trang 9 Trong hình 1-8a, hoäp ñen chöùa maïch baát kyø goàm nguoàn DC vaø caùc ñieän trôû tuyeán tính Ñònh lyù Norton phaùt bieåu raèng, coù theå thay theá maïch hình 1-8a baèng maïch hình 1-8b Döôùi daïng bieåu thöùc: V L =I N (R N //R L ) (1-10) Theo (1-10) theá treân taûi baèng doøng Norton nhaân vôùi ñieän trôû taûi maéc song song vôùi ñieän trôû Norton Ñònh lyù Norton vaø Thevenin laø töông ñöông Treân thöïc teá, coù theå bieán ñoåi nguoàn theá Thevenin thaønh nguoàn doøng Norton vaø ngöôïc laïi Hình 1-9 cho thaáy caùc caùch bieán ñoåi Hình 1-9: Bieán ñoåi Thevenin - Norton Coù theå thaáy raèng trôû Norton vaø trôû Thevenin laø gioáng nhau Quan heä giöõa doøng Norton vaø theá Thevenin laø I N = V TH / R TH (1-11) Ví duï: Giaû söû raèng chuùng ta ñaõ ruùt goïn moät maïch thaønh maïch Thevenin nhö hình 1-10 Haõy bieán ñoåi maïch naøy thaønh maïch Norton Lôøi giaûi: Duøng phöông trình (1-11) ta coù: Trang 10 I N = 10V/2K = 5mA Hình 1-10b veõ maïch Norton töông ñöông cuûa maïch Thevenin treân hình 1-10a Hình 1-10 Trang 11 Chöông II DIODE BAÙN DAÃN VAØ MAÏCH DIODE II 1 CAÙC LOAÏI CHAÁT BAÙN DAÃN Theo tính chaát daãn ñieän, coù 3 loaïi vaät chaát: ♦ Chaát daãn ñieän ♦ Chaát khoâng daãn ñieän (ñieän moâi) ♦ Chaát baùn daãn Trong chaát daãn ñieän thöôøng chæ coù 1 electron ôû vuøng hoaù trò, trong khi ñoù caùc chaát ñieän moâi coù 8 electron ôû vuøng hoaù trò Baùn daãn coù tính chaát trung gian giöõa ñieän moâi vaø chaát daãn ñieän, chuùng coù 4 electron ôû vuøng hoaù trò Germanium (Ge) vaø silicon (Si) laø caùc chaát baùn daãn ñieån hình ÔÛ traïng thaùi tinh theå tinh khieát (khoâng bò pha taïp), moãi nguyeân töû Ge vaø Si duøng 4 electron hoaù trò cuûa chuùng ñeå lieân keát vôùi 4 electron hoaù trò cuûa 4 nguyeân töû khaùc taïo ra caáu truùc tinh theå beàn vöõng veà maët hoaù hoïc Khaùi nieäm loã troáng trong chaát baùn daãn ÔÛ nhieät ñoä treân 0 ñoä tuyeät ñoái (>-273 0 C) caùc electron trong maïng tinh theå seõ chuyeån ñoäng nhieät Nhieät ñoä caøng cao thì chuyeån ñoäng nhieät cuûa caùc electron caøng lôùn Chuyeån ñoäng nhieät naøy coù theå laøm cho 1 electron trong vuøng hoaù trò chuyeån leân caùc quyõ ñaïo coù naêng löôïng cao hôn Luùc naøy electron laø töï do Noù di chuyeån trong vuøng daãn Cuøng vôùi söï taïo thaønh moät electron töï do, seõ xuaát hieän moät loã troáng (mang ñieän tích döông) trong vuøng hoaù trò Soá electron töï do ñuùng baèng soá loã troáng Loã troáng laø ñieåm khaùc bieät quan troïng nhaát giöõa baùn daãn vaø vaät daãn Neáu toàn taïi 1 ñieän tröôøng ngoaøi, thì trong chaát baùn daãn seõ coù doøng chaïy qua Doøng naøy laø doøng cuûa caùc electron töï do vaø loã troáng ngöôïc chieàu nhau Ñoä daãn ñieän cuûa baùn daãn tinh khieát taêng theo nhieät ñoä vaø coù giaù trò beù Ñeå taêng ñoä daãn ñieän cuûa baùn daãn tinh khieát caàn phaûi pha taïp (doping) Coù 2 caùch thöôøng duøng: Pha taïp loaïi N (negative) Ñeå taêng soá electron töï do trong baùn daãn, ngöôøi ta pha taïp nguyeân töû hoaù trò 5 (coøn goïi laø chaát cho, Photpho chaúng haïn) vôùi baùn daãn tinh khieát, taïo thaønh baùn daãn loaïi N Trong baùn daãn loaïi N, deã daøng thaáy raèng nguyeân töû chaát cho seõ thöøa 1 electron vaø laøm cho soá electron trong baùn daãn loaïi N chieám ña soá Loã troáng laø phaàn töû thieåu soá trong baùn daãn loaïi N Pha taïp loaïi P (positive) Ngöôøi ta pha taïp nguyeân töû hoaù trò 3 (coøn goïi laø chaát nhaän, Nhoâm chaúng haïn) vaøo baùn daãn tinh khieát ñeå taïo ra chaát baùn daãn Trang 12 loaïi P Trong baùn daãn loaïi P, phaàn töû taûi ñieän ña soá laø loã troáng, phaàn töû taûi ñieän thieåu soá laø electron töï do Baùn daãn loaïi N vaø loaïi P coù theå cheá taïo töø tinh theå Ge hoaëc Si Coâng ngheä Ge laø coâng ngheä cuûa nhöõng naêm 60 (theá kyû 20) Ngaøy nay, haàu heát caùc chaát baùn daãn laø Si II 2 TIEÁP XUÙC PN Giaû söû coù moät maãu baùn daãn Si tinh khieát Ngöôøi ta pha taïp maãu baùn daãn sao cho phiaù beân traùi laø baùn daãn loaïi P, coøn phiaù beân phaûi laø baùn daãn loaïi N Bieân giôùi giöõa baùn daãn loaïi P vaø baùn daãn loaïi N goïi laø tieáp xuùc PN Tieáp xuùc PN ñaõ daãn ñeán caùc phaùt minh veà diode, transistor, IC (Integrated Circuits) Vieäc hieåu bieát tính chaát cuûa tieáp xuùc PN laø cô sôû ñeå hieåu bieát hoaït ñoäng cuûa caùc linh kieän vaø thieát bò baùn daãn Tieáp xuùc PN coøn goïi laø moät diode baùn daãn (töø nay trôû ñi goïi laø diode) Chuùng ta haõy xem xeùt caùc tính chaát cuûa moät diode khi khoâng phaân cöïc Hình 2-1: Tieáp xuùc PN khoâng phaân cöïc Taïi lôùp tieáp xuùc, seõ hình thaønh moät vuøng ngheøo ñieän tích (depletion layer) do söï khuyeách taùn cuûa electron töø N vaøo P sau ñoù caùc electron naøy taùi hôïp vôùi loã troáng laøm cho soá phaàn töû taûi ñieän taïi vuøng naøy giaûm Söï khuyeách taùn cuõng taïo ra moät haøng raøo theá naêng höôùng töø N sang P ÔÛ nhieät ñoä 25 0 C, haøng raøo theá naêng coù giaù trò côõ 0 3V ñoái vôùi Ge vaø 0 7V ñoái vôùi Si Söï hieän dieän cuûa raøo theá ngaên caûn quaù trình khuyeách taùn tieáp tuïc vaø heä ôû traïng thaùi döøng Trang 13 II 3 DIODE BAÙN DAÃN COÙ PHAÂN CÖÏC Hình 2-2a cho thaáy kyù hieäu cuûa moät diode Beân baùn daãn P goïi laø Anode (kyù hieäu laø A), beân baùn daãn N goïi laø Cathode (kyù hieäu laø K) Treân sô ñoà ngöôøi ta kyù hieäu diode nhö moät muõi teân chæ töø P sang N hay töø Anode sang Cathode Hình 2-2b trình baøy moät maïch diode Trong maïch naøy diode ñöôïc phaân cöïc thuaän (Va>Vk) Söï phaân cöïc thuaän laøm cho caùc electron töï do beân baùn daãn N vaø loã troáng beân baùn daãn P vöôït qua moái noái taïo thaønh doøng ñieän trong diode (doøng Iak) Hình 2-2: Diode vaø phaân cöïc thuaän diode Trong phoøng thí nghieäm coù theå setup moät maïch nhö hình 2-2b Baèng caùch ño doøng vaø theá treân diode öùng vôùi phaân cöïc thuaän vaø phaân cöïc nghòch (Va haøng raøo theá naêng (barrier potential) Ngöôïc laïi, khi phaân cöïc ngöôïc, coù 1 doøng ñieän raát beù qua diode cho ñeán ñieän aùp ñaët leân diode vöôït qua ñieän theá ñaùnh thuûng (Breakdown Voltage =BV) Trong vuøng phaân cöïc thuaän, ñieän theá taïi ñoù doøng Iak baét ñaàu taêng nhanh goïi laø ñieän theá moái noái (knee voltage) cuûa diode Ñieän theá moái noái coù giaù trò baèng haøng raøo theá naêng Khi phaân tích maïch diode phaân cöïc thuaän chuùng ta thöôøng xeùt xem ñieän theá treân diode laø beù hôn hay lôùn hôn ñieän theá moái noái Neáu lôùn hôn, diode deã daøng daãn ñieän Neáu beù hôn, diode khoâng daãn ñieän (daãn ñieän keùm) Chuùng ta ñònh nghóa ñieän theá moái noái cuûa diode silicon laø: Vk ≈ 0 7V (2-1) Ñieän theá moái noái cuûa diode germanium laø 0 3V Hieän nay diode germanium ít ñöôïc duøng, nhöng ñieän theá moái noái cuûa noù thaáp laø moät öu ñieåm vaø vì vaäy moät soá öùng duïng vaãn duøng diode germanium Khi ñieän theá treân diode vöôït qua ñieän theá moái noái thì doøng qua diode taêng nhanh vaø theo quy luaät tuyeán tính Luùc naøy diode ñoùng vai troø nhö ñieän trôû Chuùng ta goïi ñieän trôû naøy laø ñieän trôû Bulk (R B ) cuûa diode R B = R P +R N (2-2) Trong ñoù R P vaø R N laø ñieän trôû töông öùng cuûa vuøng P vaø vuøng N Chuùng phuï thuoäc vaøo maät ñoä pha taïp vaø kích thöôùc cuûa caùc vuøng naøy Thoâng thöôøng R B < 1 Ω Chuùng ta chæ quan taâm ñeán R B cuûa diode trong gaàn ñuùng baäc 3 Trong giaùo trình naøy chuùng ta khoâng xem xeùt ñeán gaàn ñuùng baäc 3 Neáu doøng ñieän qua diode quaù lôùn, söï quaù nhieät seõ phaù huyû diode Vì vaäy trong baûng soá lieäu kyõ thuaät (data sheet) cuûa nhaø maùy saûn xuaát coù ghi doøng cöïc ñaïi cuûa moät diode Ñoù laø doøng ñieän toái ña maø diode coù theå hoaït ñoäng bình thöôøng vaø khoâng laøm giaûm tuoåi thoï cuõng nhö caùc ñaëc tröng cuûa noù Doøng thuaän toái ña cuûa 1 diode thöôøng ñöôïc ghi baèng I max , I F(max) , Io Ví duï diode 1N456 coù I max =135mA Coù theå tính coâng suaát tieâu taùn (power dissipation) cuûa moät diode gioáng nhö tính coâng suaát tieâu taùn cuûa moät ñieän trôû Noù baèng tích giöõa doøng vaø theá treân diode P D = V D I D (2-3) Giôùi haïn coâng suaát (power rating) cuûa moät diode laø coâng suaát toái ña maø diode coù theå tieâu taùn vaø khoâng laøm giaûm tuoåi thoï cuõng nhö caùc ñaëc tính khaùc Neáu kyù hieäu giôùi haïn coâng suaát laø Pmax thì P max = V max I max (2-4) Trang 15 II 4 DIODE LYÙ TÖÔÛNG Hình 2-4 cho thaáy giaûn ñoà doøng theá cuûa moät diode trong vuøng phaân cöïc thuaän Löu yù raèng doøng qua diode xaáp xæ baèng 0 cho ñeán khi theá treân diode ñaït tôùi giaù trò haøng raøo theá Trong vuøng laân caän 0 6V ñeán 0 7V doøng qua diode taêng Khi theá treân diode lôùn hôn 0 8V doøng qua diode taêng raát maïnh vaø ñoà thò laø ñöôøng thaúng Hình 2-4: Giaûn ñoà doøng theá cuûa diode phaân cöïc thuaän Tuyø thuoäc vaøo kích thöôùc vaät lyù vaø maät ñoä pha taïp, caùc ñaëc tröng cuûa diode nhö doøng thuaän toái ña, giôùi haïn coâng suaát coù theå coù giaù trò raát khaùc nhau Maëc duø giaù trò doøng vaø theá cuûa caùc diode thì khaùc nhau nhöng daïng cuûa giaûn ñoà quan heä giöõa doøng vaø theá treân moïi diode töông töï nhau nhö hình 2-4 Taát caû caùc diode silicon ñeàu coù ñieän theá moái noái xaáp xæ 0 7V Trong khi phaân tích maïch, haàu nhö chuùng ta khoâng caàn söï chính xaùc tuyeät ñoái Do ñoù coù theå duøng gaàn ñuùng cho diode Chuùng ta haõy baét ñaàu baèng gaàn ñuùng lyù töôûng Theo ñoù, diode nhö moät thieát bò coù tính chaát sau: noùù daãn ñieän toát (ñieän trôû baèng 0) khi phaân cöïc thuaän, vaø hoaøn toaøn khoâng daãn ñieän (ñieän trôû voâ cuøng) khi phaân cöïc ngöôïc Hình 2-5a chæ ra giaûn ñoà doøng theá cuûa 1 diode lyù töôûng Theo ñoù diode lyù töôûng coù ñieän trôû baèng 0 khi phaân cöïc thuaän vaø coù ñieän trôû baèng voâ cuøng khi phaân cöïc ngöôïc Noùi caùch khaùc, diode lyù töôûng gioáng nhö moät coâng taéc Trang 16 (switch) nhö hình 2-5b Noù ñoùng (close) khi phaân cöïc thuaän vaø hôû (open) khi phaân cöïc ngöôïc Hình 2-5: Ñöôøng cong doøng theá cuûa diode lyù töôûng vaø moâ hình Ví du ï: Duøng moâ hình diode lyù töôûng tính theá treân taûi vaø doøng taûi treân sô ñoà hình 2-6 Hình 2-6: Maïch diode lyù töôûng Do diode phaân cöïc thuaän, noù nhö coâng taéc ñang ñoùng Do ñoù toaøn boä nguoàn theá 10V ñaët leân trôû taûi Vaäy V L =10V Theo ñònh luaät Ohm, doøng taûi baèng: I L =10V/1K = 10mA Trang 17 II 5 GAÀN ÑUÙNG BAÄC 2 CUÛA DIODE Chuùng ta seõ duøng gaàn ñuùng baäc 2 khi muoán tính chính xaùc hôn caùc giaù trò doøng vaø theá treân diode Hình 2-7a chæ ra giaûn ñoà doøng theá cuûa 1 diode trong gaàn ñuùng baäc 2 Theo ñoù, seõ khoâng coù doøng qua diode chöøng naøo theá treân diode chöa vöôït qua giaù trò 0 7V Hình 2-7b cho thaáy maïch töông ñöông cuûa diode silicon trong gaàn ñuùng baäc 2 Noù goàm moät coâng taéc noái tieáp vôùi moät haøng raøo theá 0 7V Neáu theá Thevenin aùp leân diode lôùn hôn 0 7V, diode seõ ñoùng (daãn ñieän thuaän) Khi diode ñang daãn, theá rôi treân diode laø 0 7V ñoái vôùi moïi giaù trò cuûa doøng thuaän Noùi caùch khaùc, neáu theá Thevenin beù hôn 0 7V, coâng taéc laø hôû vaø khoâng coù doøng qua diode Hình 2-7: Gaàn ñuùng baäc 2 cuûa diode Ví du ï Duøng gaàn ñuùng baäc 2 cuûa diode ñeå tính doøng, theá vaø coâng suaát tieâu taùn treân diode cho ôû maïch hình 2-8 Trang 18 Hình 2-8: Maïch diode gaàn ñuùng baäc 2 Do diode phaân cöïc thuaän, noù töông ñöông moät pin 0 7V Ñieàu naøy coù nghóa laø theá treân taûi baèng V L =10V-0 7V =9 3V Theo ñònh luaät Ohm, doøng taûi baèng I L =9 3V/1K=9 3mA Coâng suaát tieâu taùn treân diode baèng P D =(0 7V) (9 3mA)= 6 51mW II 6 NAÉN ÑIEÄN NÖÛA CHU KYØ Hình 2-9: Maïch naén ñieän duøng diode Hình 2-9a chæ ra maïch naén ñieän nöûa chu kyø Nguoàn ac taïo ra moät ñieän aùp xoay chieàu Giaû söû raèng diode laø lyù töôûng ÔÛ nöûa chu kyø döông cuûa nguoàn theá, diode phaân cöïc thuaän Diode seõ nhö moät coâng taéc ñang ñoùng nhö hình 2- 9b Tín hieäu nöûa chu kyø döông cuûa nguoàn theá seõ xuaát hieän treân ñieän trôû taûi Trang 19 Vaøo nöûa chu kyø aâm cuûa nguoàn theá, diode nhö coâng taéc hôû maïch, treân taûi seõ khoâng coù 1 ñieän theá naøo (hình 2-9c) Daïng soùng lyù töôûng Maïch naén ñieän nöûa soùng nhö hình 2-10a seõ chæ laøm cho diode daãn trong nöûa chu kyø döông vaø khoâng daãn trong nöûa chu kyø aâm cuûa nguoàn ac Hình 2-10b laø giaûn ñoà daïng soùng loái vaøo Noù laø moät soùng sin coù giaù trò töùc thôøi laø v in vaø giaù trò ñænh laø Vp(in) Do ñoù treân taûi seõ thu ñöôïc tín hieäu daïng nöûa soùng Ñieàu naøy cuõng coù nghóa laø doøng qua ñieän trôû taûi laø doøng moät chieàu Hình 2-10: Daïng soùng cuûa maïch naén ½ chu kyø Tín hieäu loái ra nöûa soùng nhö hình 2-10c laø ñieän theá dc kieåu xung Noù taêng töø 0 ñeán cöïc ñaïi, roài laïi giaûm veà 0, sau ñoù tieáp tuïc baèng 0 trong nöûa chu kyø aâm Ñeå coù ñöôïc nguoàn dc duøng cho caùc thieát bò ñieän töû, caàn phaûi loïc daïng tín hieäu nöûa soùng naøy Trang 20 Giaù trò cuûa theá loái ra lyù töôûng laø: Vp(out)=Vp(in) (2-5) Giaù trò dc cuûa tín hieäu nöûa soùng Giaù trò dc cuûa 1 tín hieäu laø giaù trò trung bình cuûa tín hieäu ñoù Neáu ño tín hieäu baèng voân keá dc thì soá chæ chính laø giaù trò trung bình cuûa tín hieäu Giaù trò dc cuûa moät tín hieäu nöûa soùng baèng: Vdc=Vp/ π =0 318Vp (2-6) Theo (2-6) neáu giaù trò ñænh cuûa 1 tín hieäu nöûa soùng laø 100V thì giaù trò dc hay trung bình cuûa noù laø 31 8V Taàn soá tín hieäu loái ra cuûa maïch naén nöûa chu kyø baèng taàn soá cuûa nguoàn ac loái vaøo f out = f in (2-7) Coù theå thaáy raèng doøng qua diode baèng doøng qua taûi Idiode =Idc Gaàn ñuùng baäc 2 Trong gaàn ñuùng baäc 2, theá treân taûi nhoû hôn theá cuûa nguoàn vaøo moät löôïng 0 7V nhö coâng thöùc sau: Vp(out)=Vp(in) - 0 7V (2-84) II 7 BIEÁN THEÁ Taïi Vieät nam, nhaø ñieän cung caáp ñieän aùp löôùi (Line Voltage) danh ñònh 220V, taàn soá 50Hz Ñieän aùp thöïc maø chuùng ta nhaän ñöôïc coù theå thay ñoåi töø 200V ñeán 240V phuï thuoäc vaøo thôøi ñieåm trong ngaøy, vò trí vaø nhieàu yeáu toá khaùc Ñieän aùp 220V laø quaù cao ñoái vôùi caùc maïch ñieän trong caùc thieát bò ñieän töû Ñoù laø lyù do taïi sao phaûi duøng moät bieán theá haï theá trong haàu heát caùc thieát bò ñieän töû Bieán theá giaûm ñieän aùp löôùi töø 220V xuoáng caùc giaù trò beù hôn vaø an toaøn hôn ñeå duøng vôùi diode, transistor vaø caùc thieát bò baùn daãn khaùc Hình 2-11 cho thaáy moät bieán theá Ñieän aùp löôùi ñaët tröïc tieáp vaøo cuoän sô caáp cuûa bieán theá Goïi N1/N2 laø tyû soá giöõa cuoän sô caáp vaø cuoän thöù caáp Ñeå bieán theá laø haï theá thì N1>N2 Hình 2-11: Bieán theá Trang 21 Daáu chaám pha Ñeå bieåu thò quan heä veà pha treân caùc cuoän daây cuûa bieán theá ngöôøi ta duøng daáu chaám pha Caùc ñaàu daây coù daáu chaám seõ coù cuøng pha Quan heä giöõa theá vaø soá voøng treân 2 cuoän cuûa bieán theá laø: V 2 /V 1 =N 2 /N 1 (2-9) Coù theå duøng coâng thöùc (2-9) cho giaù trò ñænh, giaù trò hieäu duïng vaø giaù trò töùc thôøi Ví duï: Tính theá taûi cöïc ñaïi vaø theá taûi dc cho maïch hình 2-12 Hình 2-12: Bieán theá vaø maïch naén 1/2 chu kyø Giaûi: Tyû soá bieán theá laø 5:1 Do ñoù theá treân cuoän thöù caáp laø: V2=120/5=24V Ñieän theá ñænh treân cuoän thöù caáp baèng: Vp= 24/0 707 = 34V Vôùi diode lyù töôûng, theá ñænh treân taûi baèng 34V Theá dc treân taûi baèng: Vdc=Vp/ π = 34/ π = 10 8V Neáu duøng xaáp xæ baäc 2 cho diode, theá ñænh treân taûi vaø theá dc treân taûi töông öùng baèng 33 3V vaø 10 6V II 8 NAÉN CAÛ CHU KYØ Hình 2-13: Maïch naén caû chu kyø Trang 22 Hình 2-13 laø moät maïch naén ñieän toaøn soùng (caû chu kyø) Cuoän thöù caáp cuûa bieán theá coù ñieåm giöõa ñöôïc noái ñaát Maïch naén toaøn soùng töông ñöông 2 maïch naén nöûa soùng gheùp laïi Vì bieán theá coù ñieåm giöõa, moãi maïch naén coù ñieän theá vaøo chæ baèng ½ ñieän theá cuoän thöù caáp Diode D1 daãn trong nöûa chu kyø döông trong khi ñoù D2 daãn trong nöûa chu kyø aâm Trong caû 2 nöûa chu kyø, ñieän theá treân taûi coù cuøng cöïc tính, doøng taûi vì vaäy laø doøng coù höôùng Chuùng ta seõ phaân tích moät soá ñaëc ñieåm cuûa tín hieäu loái ra toaøn soùng naøy sau ñaây Giaù trò dc hay trung bình Do tín hieäu loái ra toaøn soùng goàm 2 laàn tín hieäu nöûa soùng neân giaù trò dc cho bôûi: Vdc=2Vp/ π = 0 63Vp (2-10) Theo (2-6) giaù trò trung bình baèng 63% giaù trò ñænh Ví duï, neáu ñieän theá ñænh laø 10V thì giaù trò trung bình loái ra laø 6 3V Taàn soá cuûa tín hieäu loái ra toaøn soùng laø gaáp ñoâi taàn soá nguoàn ac loái vaøo f(out)=2f(in) (2-11) Doøng qua moãi diode baèng moät nöûa doøng taûi: Idiode= I dc / 2 II 9 NAÉN CAÀU Hình 2-14: Maïch naén caàu Hình 2-14 cho thaáy moät maïch naén caàu Maïch naén caàu töông töï maïch naén toaøn soùng vì noù taïo ra ñieän theá loái ra toaøn soùng Maïch duøng 4 diode D1 vaø D2 daãn trong nöûa chu kyø döông D3 vaø D4 daãn trong nöûa chu kyø aâm Maïch naén caàu töông ñöông vôùi hai maïch nöûa soùng noái laïi vôùi nhau Trong caû hai nöûa chu kyø, theá treân taûi coù cuøng cöïc tính vaø doøng taûi laø doøng moät Trang 23 höôùng Maïch naøy bieán ñoåi theá ac ôû ñaàu vaøo thaønh theá dc daïng xung (nhaáp nhoâ) ôû loái ra Giaù trò trung bình vaø taàn soá tín hieäu loái ra Bôûi vì maïch naén caàu taïo ra tín hieäu toaøn soùng neân phöông trình tính giaù trò dc hay trung bình cho theá ra laø: Vdc=2Vp/ π = 0 63Vp vaø taàn soá tín hieäu loái ra baèng f(out)=2 f(in) Doøng qua diode trong maïch naén caàu baèng moät nöûa doøng taûi I diode =1/2 I dc Gaàn ñuùng baäc 2 cho thaáy raèng theá ra ñænh baèng theá vaøo ñænh tröø ñi 2 laàn theá rôi treân diode: Vp(out)=Vp(in)-1 4V (2-12) II 10 CAÙC BOÄ LOÏC Loái ra cuûa caùc maïch naén laø theá dc daïng xung (nhaáp nhoâ) Noùi caùch khaùc, theá treân taûi goàm thaønh phaàn dc vaø ac Coù theå loïc boû thaønh phaàn ac baèng caùc maïch loïc (filter) Coù 2 loaïi maïch loïc ñöôïc duøng phoå bieán laø: ¾ Maïch loïc LC ¾ Maïch loïc RC a) Maïch loïc LC Hình 2-15a cho thaáy maïch loïc duøng cuoän L vaø tuï C Hình 2-15 Trang 24 Nguoàn ac taïo ra doøng treân cuoän daây, tuï ñieän vaø ñieän trôû Doøng ac treân caùc linh kieän naøy phuï thuoäc vaøo caûm khaùng cuûa L, dung khaùng cuûa C vaø R Cuoän L coù trôû khaùng X L = 2 π fL Tuï C coù dung khaùng baèng X C =1/2 π fC Maïch loïc LC ñöôïc goïi laø thieát keá toát neáu taïi taàn soá tín hieäu vaøo, giaù trò cuûa Xc nhoû hôn R L nhieàu Khi ñieàu kieän naøy ñöôïc thoûa maõn coù theå boû qua R L nhö maïch hình 2-15b Maët khaùc ngöôøi ta cuõng thieát keá sao cho taïi taàn soá tín hieäu X L lôùn hôn X C nhieàu Roõ raøng raèng khi ñoù theá xoay chieàu treân taûi seõ raát beù vaø coù theå xem baèng 0 Vout=(X C /X L )Vin (2-13) Ví duï: taïi taàn soá tín hieäu Xc=100 Ω vaø X L =10K Ω thì theá ra chæ baèng 1/100 theá vaøo Hay maïch loïc ñaõ giaûm theá xoay chieàu 100 laàn Loïc loái ra cuûa caùc maïch naén Hình 2-16 Hình 2-16 chæ ra maïch loïc naèm giöõa maïch naén vaø taûi Maïch naén coù theå laø nöûa soùng, toaøn soùng hay naén caàu Ñeå phaân tích taùc duïng cuûa maïch loïc, chuùng ta duøng nguyeân lyù choàng chaát Theo ñoù coù theå xem raèng loái ra cuûa maïch naén coù 2 thaønh phaàn: thaønh phaàn dc vaø thaønh phaàn ac nhö hình 2-17 Rectifier Output time Hình 2-17 Trang 25 Nhö vaäy, do taùc duïng cuûa boä loïc thaønh phaàn ac treân taûi raát beù coù theå boû qua Chæ coøn laïi thaønh phaàn dc ÔÛ taàn soá dc, trôû khaùng cuûa L raát beù, chæ coøn laïi ñieän trôû Rs cuûa L maéc noái tieáp vôùi taûi R L Neáu nhö Rs raát beù so vôùi R L thì toaøn boä theá DC ñöôïc ñaët leân taûi Nhöôïc ñieåm cuûa maïch loïc LC laø do L coù ñieän trôû noäi vaø laøm giaûm ñaùng keå thaønh phaàn dc neáu maïch yeâu caàu doøng taûi lôùn Tuy nhieân trong caùc boä nguoàn oån aùp kieåu xung duøng cho maùy tính vaø caùc thieát bò ñieän töû khaùc, boä loïc LC vaãn ñöôïc duøng vì ôû taàn soá cao (f=20Khz) coù theå thieát keá caùc cuoän caûm nhoû maø vaån ñaûm baûo heä soá loïc thaønh phaàn ac raát cao Trong caùc maïch coù doøng taûi beù, ngöôøi ta coù theå thay theá maïch loïc LC baèng maïch loïc RC b) Maïch loïc RC Hình 2-18 cho thaáy maïch goàm tuï C, diode vaø nguoàn ac Hình 2-18 Ban ñaàu tuï C khoâng tích ñieän Taïi ¼ chu kyø ñaàu tieân, diode ñöôïc phaân cöïc thuaän vaø daãn, tuï C ñöôïc naïp qua D Theá cöïc ñaïi treân tuï C baèng vôùi theá nguoàn vaøo thôøi ñieåm cuoái ¼ chu kyø ñaàu tieân Sau khi ñaït ñeán giaù trò ñænh Vp, theá vaøo baét ñaàu giaûm, nhöng theá treân C vaãn giöõ nguyeân haèng soá vaø baèng Vp Löu yù raèng maïch naøy khoâng coù taûi AÛnh höôûng cuûa ñieän trôû taûi Hình 2-19: Maïch loïc coù taûi Trang 26 Chuùng ta noái song song vôùi maïch loïc moät trôû taûi R L nhö hình 2-19 Khi ñoù diode D vaãn naïp ñieän cho tuï ôû ¼ chu kyø ñaàu tieân Trong thôøi gian coøn laïi cuûa chu kyø, tuï C phoùng qua R vôùi haèng soá thôøi gian R L C Neáu thoûa maõn ñieàu kieän R L C > T (chu kyø tín hieäu ac) thì theá treân taûi döôøng nhö vaãn laø haèng soá, maëc duø coù moät chuùt xoay chieàu treân taûi maø chuùng ta goïi laø theá gôïn soùng (ripple voltage) Coâng thöùc tính giaù trò ñænh-ñænh cuûa theá gôïn soùng laø: V R = I / fC (2-14) Trong ñoù I laø doøng taûi, f laø taàn soá gôïn soùng Neáu doøng taûi baèng 0 thì theá gôïn soùng V R =0 Ví duï, neáu doøng taûi I=10mA, tuï C=20 μ F vaø maïch naén caàu (f=100Hz) thì V R = 10mA/(100 20 μ F)= 0 5Vpp II 11 DIODE ZENER Caùc diode tín hieäu beù vaø naén ñieän chæ hoaït ñoäng ôû vuøng phaân cöïc thuaän maø khoâng hoaït ñoäïng ôû vuøng ñaùnh thuûng vì ñieàu naøy seõ laøm hoûng chuùng Trong phaàn naøy chuùng ta seõ xem xeùt diode Zener, moät diode silicon ñöôïc cheá taïo ñeå hoaït ñoäng ôû vuøng ñaùnh thuûng Diode zener laø thaønh phaàn chính cuûa maïch oån aùp Ñoù laø maïch giöõ ñieän aùp ra gaàn nhö laø haèng soá baát chaáp söï thay ñoåi cuûa theá vaøo vaø trôû taûi Hình 2-20: Diode Zener Giaûn ñoà IV cuûa diode Zener Hình 2-20 cho thaáy hình veõ cuûa moät diode Zener, kyù hieäu laø Vz Baèng caùch thay ñoåi maät ñoä pha taïp, nhaø maùy coù theå taïo ra caùc Zener coù ñieän aùp ñaùnh thuûng töø 2V ñeán 1000V Caùc diode naøy coù theå hoaït ñoäng ôû 3 vuøng: phaân cöïc thuaän, ñaùnh thuûng vaø doøng roø Trang 27 Hình 2-21: Giaûn ñoà IV cuûa diode Zener Hình 2-21 laø giaûn ñoà IV cuûa 1 diode Zener Trong vuøng phaân cöïc thuaän, khi theá treân diode lôùn hôn 0 7V noù daãn ñieän nhö moät diode silicon loaïi thöôøng Trong vuøng roø, chæ coù moät doøng roø raát nhoû qua diode Ñaëc tuyeán cuûa vuøng ñaùnh thuûng gaàn nhö thaúng ñöùng Khi diode Zener bò ñaùnh thuûng, Vz gaàn nhö haèng soá Trong baûng soá lieäu cuûa nhaø saûn xuaát ngöôøi ta thöôøng ghi Vz taïi doøng test I ZT naøo ñoù Hình 2-21 cuõng cho bieát doøng Zener toái ña I ZM Trong thieát keá maïch diode Zener phaûi ñaûm baûo diode Zener hoaït ñoäng ôû doøng ñaùnh thuûng nhoû hôn I ZM Ñieän trôû Zener Ñieän trôû noäi cuûa diode goïi laø ñieän trôû Zener Ñieän trôû Zener coù giaù trò raát beù Ñieän trôû naøy phaûn aùnh söï kieän doøng Zener taêng thì theá Zener taêng Tuy nhieân söï taêng naøy raát ít, côõ vaøi phaàn cuûa Voân Ñaëc tuyeán vuøng ñaùnh thuûng caøng doác thì ñieän trôû Zener caøng beù Trong caùc phaân tích cuûa chuùng ta, ñieän trôû Zener bò boû qua OÅn aùp Zener Diode Zener ñoâi khi ñöôïc goïi laø diode oån aùp vì noù coù ñaëc tính giöõ ñieän aùp giöõa anode vaø cathode (Vz) laø haèng soá baát chaáp söï thay ñoåi cuûa doøng qua diode Ñeå söû duïng tính chaát naøy cuûa Zener caàn phaûi phaân cöïc ngöôïc noù nhö hình 2-22a Maët khaùc Vs phaûi lôùn hôn ñieän aùo ñaùnh thuûng Vz Moät ñieän trôû noái tieáp Rs ñöôïc söû duïng ñeå haïn cheá doøng qua Zener, khoâng cho pheùp noù vöôït quaù giaù trò giôùi haïn toái ña Trang 28 Hình 2-22: oån aùp duøng Zener Hình 2-22b cho thaáy moät caùch veõ khaùc cuûa hình 2-22a, trong ñoù maïch coù ñieåm noái ñaát (Ground) Khi ñoù ñeå ño hieäu ñieän theá giöõa caùc ñieåm, coù theå ño theá cuûa chuùng so vôùi ñaát roài tính ra hieäu ñieän theá giöõa caùc ñieåm caàn ño Hình 2-22c cho thaáy hình veõ loái ra cuûa moät boä nguoàn noái tôùi ñieän trôû Rs vaø Zener Maïch naøy goïi laø maïch oån aùp Zener hay maïch Zener Doøng chaûy qua Rs baèng: Is = (Vs-Vz)/Rs (2-15) Is cuõng chính laø doøng chaûy qua Zener Phaûi choïn Rs sao cho Is < I ZM Gaàn ñuùng lyù töôûng cuûa Zener laø moät pin, hay moät nguoàn theá coù giaù trò baèng Vz II 12 OÅN AÙP ZENER COÙ TAÛI Hình 2-23: oån aùp Zener coù taûi Trang 29 Hình 2-23a chæ ra moät maïch oån aùp Zener coù taûi Hình 2-23b chæ ra moät maïch nhö theá vaø coù ñieåm noái ñaát Vì Zener hoaït ñoäng ôû vuøng ñaùnh thuûng, do ñoù noù giöõ ñieän aùp treân taûi laø haèng soá baát chaáp söï thay ñoåi cuûa theá vaøo vaø doøng taûi Giaû söû diode Zener khoâng noái vaøo maïch hình 2-23b Khi ñoù theá Thevenin treân taûi R L laø: V TH = Vs (R L /R S +R L ) (2-16) Theá Thevenin phaûi lôùn hôn Vz, neáu khoâng söï ñaùnh thuûng seõ khoâng xaûy ra Treân maïch hình 2-23, doøng qua Rs baèng: I S = (Vs-Vz)/Rs (2-17) Theá treân taûi baèng theá Zener V L =V Z (2-18) Doøng taûi baèng: I L = V L /R L (2-19) Doøng Zener Theo ñònh luaät Kirchhoff, ta coù: I S =I L +I Z (2-20) hay doøng qua Zener baèng: I Z =I S – I L (2-21) II 13 GAÀN ÑUÙNG BAÄC 2 CUÛA DIODE ZENER Trang 30 Hình 2-24 Hình 2-24a cho thaáy gaàn ñuùng baäc 2 cuûa diode Zener Khi ñoù Zener nhö moät nguoàn theá lyù töôûng Vz noái tieáp vôùi trôû Zener R Z Toång ñieän theá treân Zener baèng theá ñaùnh thuûng Vz coäng vôùi suït theá qua ñieän trôû Zener Vaäy aûnh höôûng cuûa trôû Zener leân theá loái ra nhö theá naøo? Chuùng ta haõy xeùt sô ñoà hình 2-24b vaø 2-24c Theo hình 2-24c, theá taûi baèng: V L = V Z + I Z R Z Söï thay ñoåi cuûa theá treân taûi so vôùi tröôøng hôïp lyù töôûng laø: ∆ V= I Z R Z (2-22) Thöôøng ∆ V nhoû, côû vaøi phaàn cuûa 1 Voân Ñieän trôû Zener cuõng aûnh höôûng ñeán theá nhaáp nhoâ treân taûi Maïch töông ñöông khi xeùt ñeán R Z cho treân hình 2-24c Thaønh phaàn xoay chieàu cuûa theá ra baèng: V R(out) =V R(in) R Z /(R Z +R S ) Trang 31 = R Z V R(in) /R S (2-23) II 14 CAÙC THIEÁT BÒ OPTOELECTRONICS Optoelectronics laø coâng ngheä keát hôïp ñieän töû vaø quang hoïc Lónh vöïc naøy bao goàm caùc thieát bò hoaït ñoäng döïa treân tính chaát cuûa moät tieáp xuùc PN Ví duï caùc LED, photodiodes vaø optocouplers a) LED (Light Emitting Diode) Hình 2-25 Hình 2-25a veõ moät LED noái vôùi nguoàn theá qua ñieän trôû R S Caùc muõi teân höôùng ra ngoaøi kyù hieäu cho aùnh saùng phaùt ra töø LED Khi phaân cöïc thuaän, caùc electron töï do khi qua moái noái PN bò baét bôûi loã troáng Nhöõng electron naøy chuyeån töø möùc coù naêng löôïng cao veà möùc naêng löôïng thaáp hôn vaø vì vaäy giaûi phoùng naêng löôïng Ñoái vôùi diode thöôøng naêng löôïng naøy phaùt ra döôùi daïng nhieät Nhöng ñoái vôùi LED, naêng löôïng giaûi phoùng döôùi daïng caùc böùc xaï aùnh saùng Trong nhieàu öùng duïng, LED ñöôïc duøng thay cho caùc ñeøn neâon vì hoaït ñoäng ôû ñieän theá thaáp, tuoåi thoï cao vaø taét môû nhanh Baèng caùch duøng caùc vaät lieäu khaùc nhau, nhaø maùy coù theå taïo ra caùc LED maøu ñoû, luïc , lô, vaøng, cam hoaëc hoàng ngoaïi (khoâng nhìn thaáy) Caùc LED phaùt ra maøu thaáy ñöôïc thöôøng duøng trong caùc boä chæ thò nhö maøn hình cuûa maùy tính tay, ñoàng hoà Caùc LED hoàng ngoaïi duøng trong caùc thieát bò baùo ñoäng, caùc oå ñóa CD Doøng vaø theá cuûa LED Ñieän trôû R S treân hình 2-25b nhaèm haïn cheá doøng qua LED khoâng vöôït qua giôùi haïn cho pheùp Theo ñònh luaät Ohm: I S =(V S -V D )/R S (2-24) Trang 32 Haàu heát caùc diode thöông maïi coù V D töø 1 5V ñeán 2 5V vôùi doøng töø 10mA ñeán 50mA Giaù trò chính xaùc cuûa theá rôi treân LED phuï thuoäc vaøo doøng qua LED, maøu LED vaø moät soá yeáu toá khaùc Tröø khi ñöôïc chuù thích, chuùng ta seõ duøng V D =2V ñeå phaân tích caùc maïch coù lieân quan ñeán LED trong giaùo trình naøy Theá ñaùnh thuûng cuûa LED raát beù, chæ côõ 3-5V LED thöôøng duøng ñeå chæ thò tình traïng coù hay khoâng coù nguoàn cuûa thieát bò vaø goïi laø power LED Khi ñoù moät diode chænh löu ñöôïc maéc song song ngöôïc vôùi LED ñeå baûo veä LED khoûi bò ñaùnh thuûng khi phaân cöïc ngöôïc b) Seven - Segment Display Hình 2-26a trình baøy moät boä chæ thò duøng ñeøn 7 ñoaïn Noù chöùa 7 ñoaïn LED, ñaùnh soá töø A ñeán G Moãi LED laø 1 ñoaïn vì noù laø 1 thaønh phaàn cuûa kyù töï maø noù chæ thò Hình 2-26b laø sô ñoà cuûa moät boä chæ thò 7 ñoaïn Caùc ñieän trôû duøng ñeå haïn cheá doøng qua LED Caùc LED ñöôïc noái theo kieåu anode chung (cuõng coù ñeøn 7 ñoaïn noái cathode chung) Baèng caùch noái ñaát moät hoaëc nhieàu ñieän trôû, chuùng ta seõ nhaän ñöôïc caùc soá töø 0 ñeán 9 vaø caùc kyù töï nhö A,b,C,d, E vaø F Hình 2-26: Chæ thò 7 ñoaïn c) Photodiode Trong caùc phaàn tröôùc chuùng ta bieát raèng, moät thaønh phaàn trong doøng ngöôïc cuûa diode laø doøng caùc haït mang thieåu soá Caùc haït mang naøy toàn taïi vì naêng löôïng nhieät coù theå laøm baät (dislodging) moät electron hoaù trò khoûi quõy ñaïo cuûa noù taïo ra moät electron töï do vaø moät loã troáng Thôøi Trang 33 gian soáng cuûa caùc haït maïng thieåu soá naøy ngaén, nhöng trong khi toàn taïi, chuùng taïo ra doøng ngöôïc cuûa diode Khi chieáu saùng moái noái PN, naêng löôïng cuaû aùnh saùng (naêng löôïng nhieät) coù theå laøm baät electron hoaù trò ra khoûi quyõ ñaïo vaø taïo ra moät caëp electron - loã troáng Photodiode laø moät diode ñöôïc cheá taïo sao cho noù nhaïy vôùi aùnh saùng Trong photodiode, moät cöûa soå daãn aùnh saùng ñeán moái noái PN AÙnh saùng caøng maïnh, soá caëp electron -loã troáng caøng nhieàu vaø do ñoù, doøng ngöôïc trong photodiode caøng lôùn Hình 2-27: Photodiode Hình 2-27 trình baøy kyù hieäu cuûa moät photodiode Caùc muõi teân duøng ñeå bieåu thò cho aùnh saùng tôùi Photodiode thöôøng ñöôïc öùng duïng khi gheùp noù vôùi LED nhö phaàn sau ñaây d) Optocoupler Optocoupler coøn goïi laø optoisolator goàm moät LED vaø moät photodiode ñaët trong moät voû nhöïa vôùi 4 chaân ra, nhö hình 2-28 Hình 2-28 Nguoàn theá beân traùi taïo ra moät doøng qua LED AÙnh saùng cuûa LED taïo ra doøng ngöôïc trong photodiode Neáu nhö theá loái vaøo thay ñoåi thì doøng qua photodiode thay ñoåi Nghóa laø chuùng ta ñaõ duøng moät theá (ôû beân traùi hình veõ - ñaàu vaøo) ñeå ñieàu khieån moät doøng (ôû beân phaûi hình veõ - ñaàu ra) Trang 34 Öu ñieåm chuû yeáu cuûa optocoupler laø söï caùch ñieän giöõa ñaàu vaøo vaø ñaàu ra cuûa heä Ñieän trôû giöõa ñaàu vaøo vaø ra cuûa optocoupler coù theå ñeán haøng ngaøn M Ω Optocoupler coù theå duøng trong caùc öùng duïng cao theá, ôû ñoù theá giöõa ñaàu vaøo vaø ra coù theå khaùc nhau ñeán haøng ngaøn voân e) Laser diode (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Söï chuyeån ngaãu nhieân töø möùc naêng löôïng cao veà möùc naêng löôïng thaáp cuûa caùc electron töï do trong LED laøm cho aùnh saùng phaùt ra töø moät LED coù pha thay ñoåi trong moät vuøng roäng töø 0 ñeán 360 0 Nguoàn saùng coù pha thay ñoåi goïi laø nguoàn saùng khoâng keát hôïp (Incoherent) Trong diode laser thì khaùc Noù coù theå taïo ra moät nguoàn saùng keát hôïp (Coherent), nghóa laø nguoàn saùng maø taát caû caùc soùng aùnh saùng ñeàu cuøng pha vôùi nhau Trong diode laser ngöôøi ta duøng buoàng coäng höôûng ñeå kích thích caùc aùnh saùng böùc xaï taïi moät taàn soá vôùi pha duy nhaát Ñaëc ñieåm cuûa nguoàn saùng do diode laser phaùt ra laø ñôn saéc, cuøng pha vaø vì vaäy coù theå hoäi tuï toát vaø coù cöôøng ñoä lôùn Caùc diode laser cuõng ñöôïc goïi laø caùc laser baùn daãn Chuùng coù theå taïo ra aùnh saùng nhìn thaáy cuõng nhö khoâng nhìn thaáy (hoàng ngoaïi) Diode laser ñöôïc duøng nhieàu trong caùc öùng duïng coâng ngheä thoâng tin vaø truyeàn thoâng Trang 35 Chöông III TRANSISTOR Naêm 1951 William Schockley ñaõ phaùt minh ra transistor, coøn goïi laø transistor löôõng cöïc Transistor laø moät thieát bò baùn daãn maø noù coù theå khuyeách ñaïi caùc tín hieäu ñieän töû (doøng hoaëc theá) Söï khaùm phaù ra transistor ñaõ daãn ñeán vieäc taïo ra haøng loaït caùc thieát bò ñieän töû vaø caùc maïch tích hôïp maø chuùng ta thöôøng goïi laø caùc IC (Integrated Circuits) Nhôø coù IC maø ngaøy nay chuùng ta coù maùy tính, truyeàn hình, ñieän thoaïi di ñoäng, ngöôøi maùy vaø v v… III 1 CAÁU TAÏO VAØ CAÙC DOØNG ÑIEÄN TRONG TRANSISTOR Hình 3-1: Caáu taïo cuûa transistor Moät transistor coù 3 vuøng baùn daãn NPN nhö hình 3-1 Vuøng döôùi cuøng laø vuøng Emitter (phaùt), vuøng giöõa goïi laø vuøng Base (goác), vuøng treân cuøng goïi laø vuøng Collector (goùp) Transistor nhö hình 3-1 goïi laø transistor NPN Transistor cuõng ñöôïc cheá taïo döôùi daïng PNP Hoaït ñoäng cuûa transistor NPN vaø transistor PNP veà cô baûn gioáng nhau Trong chöông naøy chuùng ta seõ chæ phaân tích transistor NPN Trong transistor vuøng emitter ñöôïc pha taïp nhieàu Vuøng base pha taïp raát ít Vuøng collector pha taïp trung bình Transistor trong hình 3-1 goàm 2 moái noái PN: moái noái base-emitter vaø moái noái base-collector Vì vaäy coù theå xem nhö transistor goàm 2 diode noái ngöôïc nhau Caáu hình naøy chæ ñuùng khi transistor khoâng phaân cöïc Ngöôøi ta thöôøng duøng caáu hình naøy khi ño thöû transistor Neáu 2 diode trong transistor coøn toát thì nhieàu khaû naêng transistor cuõng coøn toát Trang 36 Transistor khoâng phaân cöïc gioáng nhö 2 diode noái ngöôïc Moãi diode coù moät haøng raøo theá côõ 0 7V (ñoái vôùi transistor Si) Khi noái transistor vôùi nguoàn ngoaøi, seõ coù caùc doøng ñieän qua caùc vuøng khaùc nhau trong transistor Hình 3-2: phaân cöïc transistor Trong hình 3-2 daáu tröø bieåu thò caùc electron töï do trong vuøng emitter Nguoàn V BB phaân cöïc thuaän diode base - emitter Trong khi nguoàn Vcc phaân cöïc ngöôïc diode base - collector Do emitter ñöôïc pha taïp maïnh, noù phaùt caùc electron vaøo base Söï pha taïp ít cuûa base coù yù nghóa laø laøm cho haàu heát caùc electron töø emitter khoâng bò taùi hôïp maø seõ ñeán collector Collector coù nghóa laø thu goùp Cöïc collector coù nhieäm vuï thu caùc electron töø emitter Khi ñöôïc phaân cöïc, neáu theá V BB lôùn hôn haøng raøo theá, caùc electron töø emitter seõ vaøo vuøng base Veà maët lyù thuyeát caùc electron naøy seõ ñi theo 2 höôùng Thöù nhaát laø vaøo vuøng base qua R B ñeå ñeán cöïc döông cuûa nguoàn V BB Thöù hai laø vaøo collector Do söï pha taïp cuûa vuøng base raát ít, neân haàu heát caùc electron di chuyeån leân vuøng collector Taïi ñaây noù bò huùt veà cöïc döông cuûa nguoàn Vcc qua ñieän trôû Rc Hình 3-3: Kyù hieäu vaø caùc doøng ñieän trong transistor Trang 37 Hình 3-3 chæ ra kyù hieäu treân sô ñoà cuûa moät transistor Theo ñònh luaät Kirchhoff, ta coù: I E = I B + I C (3-1) Ñieàu naøy chöùng toû raèng: Doøng cöïc e baèng toång cuûa doøng cöïc c vaø doøng cöïc b Vì doøng cöïc b raát beù neân coù theå xem raèng I E ≈ I C (3-2) Ngöôøi ta ñònh nghóa Heä soá α dc cuûa transistor nhö sau: α dc = I C / I E (3-3) α lôùn hôn 0 99 ñoái vôùi caùc transistor coâng suaát beù, coøn ñoái vôùi caùc transistor coâng suaát α lôùn hôn 0 95 Ngöôøi ta cuõng ñònh nghóa Heä soá khuyeách ñaïi doøng moät chieàu β dc = I C / I B (3-4) Ví duï: moät transistor coù doøng Ic =10mA, doøng Ib = 40 μ A thì β dc = 10mA/ 40 μ A = 250 III 2 NOÁI EMITTER CHUNG Coù 3 caùch noái transistor thöôøng duøng laø: • Noái E chung (Common Emitter - CE) • Noái C chung (Common Collector - CC) • Noái B chung (Common Base - CB) Hình 3-4: Noái CE Trang 38 Trong hình 3-4, phaàn chung laø emitter vì noù ñöôïc noái vôùi phaàn ñaát (Ground - GND) cuûa 2 nguoàn V BB vaø V CC Vì vaäy maïch naøy goïi laø maïch chung emitter Maïch coù 2 voøng kín: voøng base vaø voøng collector Trong maïch voøng base, diode base - emitter ñöôïc phaân cöïc bôûi nguoànV BB Ñieän trôû R B ñeå haïn cheá doøng base Baèng caùch thay ñoåi V BB hoaëc R B chuùng ta coù theå thay ñoåi doøng base vaø vì vaäy coù theå thay ñoåi doøng collector Noùi caùch khaùc chuùng ta coù theå ñieàu khieån doøng collector baèng caùch ñieàu khieån doøng base Ñieàu naøy raát quan troïng vì chuùng ta coù theå duøng moät doøng beù (doøng base) ñeå ñieàu khieån moät doøng lôùn (doøng collector) Löu yù: Caùc chæ soá döôùi duøng trong maïch transistor coù yù nghóa nhö sau: • Chuùng ta duøng cuøng chæ soá döôùi ñeå bieåu thò nguoàn nuoâi Ví duï V BB hoaëc V CC • Ngöôïc laïi chuùng ta duøng chæ soá döôùi khaùc nhau ñeå bieåu thò hieäu ñieän theá giöõa caùc ñieåm Ví duï V CE laø hieäu ñieän theá giöõa cöïc C vaø cöïc E Ta coù: V CE = V C - V E V CB = V C -V B V BE = V B -V E Trong caùch noái CE, do V E = 0 neân V CE = V C V BE = V B III 3 ÑAËC TUYEÁN BASE Ñaëc tuyeán base cuûa moät transistor gioáng nhö cuûa moät diode thöôøng nhö hình veõ 3-5 Vì vaäy coù theå duøng caùc gaàn ñuùng cuûa diode khi phaân tích maïch base cuûa transistor Hình 3-5: Ñaëc tuyeán base cuûa transistor Trang 39 AÙp duïng ñònh luaät Ohm cho maïch voøng base, chuùng ta thu ñöôïc: I B = (V BB -V BE )/ R B (3-5) Xem diode lyù töôûng thì V BE =0 Trong gaàn ñuùng baäc 2,V BE =0 7V Hình 3-6 Ví duï: Duøng gaàn ñuùng baäc 2 ñeå tính doøng base trong hình 3-6 Suït theá qua R B baèng bao nhieâu? Tính doøng collector bieát β dc =200 Giaûi: Theá suït qua R B laø V B = V BB -V BE = 2V – 0 7V = 1 3V Doøng base baèng I B = (V BB -V BE )/ R B = (2V – 0 7V)/ 100K Ω = 13 μ A Vôùi heä soá khueách ñaïi β dc =200, doøng collector baèng I C = β dc I B = 200x13 μ A = 2 6mA III 4 ÑAËC TUYEÁN COLLECTOR Ñaëc tuyeán collector laø ñöôøng cong moâ taû quan heä giöõa doøng I C vaø ñieän aùp rôi treân transistor V CE Treân hình 3-7a, baèng caùch thay ñoåi V BB hoaëc V CC coù theå taïo ra caùc theá vaø doøng khaùc nhau treân transistor Chaúng haïn, coá ñònh V BB ñeå I B =10 μ A, thay ñoåi V CC , ño I C vaø V CE töông öùng, chuùng ta coù theå veõ ñaëc tuyeán collector nhö hình 3-7b Soá lieäu ñöôïc laáy öùng vôùi transistor 2N3904 Caùc transistor khaùc coù theå coù soá lieäu khaùc nhöng daïng cuûa ñöôøng cong laø töông töï Khi V CE baèng 0 diode collector khoâng phaân cöïc neân doøng collector baèng 0 Khi taêng V CE taêng thì doøng I C cuõng taêng Doøng I C ñaït giaù trò baõo hoaø 1mA khi V CE lôùn hôn côû vaøi phaàn cuûa moät voân Trang 40 Hình 3-7 Vuøng doøng haèng cuûa transistor treân hình 3-7b lieân quan ñeán caáu taïo cuûa transistor Sau khi diode collector phaân cöïc ngöôïc, caùc electron töï do phaùt xaï töø emitter ñeàu bò collector thu goùp Giaù trò cuûa doøng naøy chæ phuï thuoäc soá electron phaùt xaï töø emitter hay chæ phuï thuoäc maïch base Khi taêng V CE leân quaù 40V, diode CB bò ñaùnh thuûng Khi ñoù doøng collector taêng voït Hoaït ñoäng bình thöôøng cuûa transistor ñaõ bò phaù huûy Caùc transistor khoâng ñöôïc pheùp hoaït ñoäng ôû cheá ñoä naøy vì noù seõ bò hoûng Caùc baûng soá lieäu cuûa nhaø saûn xuaát ghi giaù trò theá ñaùnh thuûng collector-emitter laøV CE(max) hoaëc BV CE Ñieän aùp collector vaø coâng suaát AÙp duïng ñònh luaät Kirchhoff cho maïch voøng collector, ta coù V CE = V CC - I C R C (3-6) Coâng suaát tieâu taùn treân transistor baèng P D = V CE I C (3-7) Coâng suaát tieâu taùn P D laøm cho nhieät ñoä moái noái CB taêng nhanh Coâng suaát tieâu taùn caøng cao, nhieät ñoä moái noái CB caøng cao Transistor seõ hoûng neáu nhieät ñoä moái noái vöôït quaù 150 O C Trong baûng soá lieäu cuûa nhaø saûn xuaát coù ghi P D(max) laø coâng suaát tieâu taùn toái ña Ñeå transistor hoaït ñoäng bình thöôøng thì P D tính theo (3-7) phaûi beù hôn P D(max) Trang 41 Theo ñöôøng ñaëc tuyeán collector, transistor coù 3 vuøng hoaït ñoäng: ♦ Vuøng taùc ñoäng (active region) coøn goïi laø vuøng hoaït ♦ Vuøng ñaùnh thuûng (breakdown region) ♦ Vuøng baõo hoaø (saturation region) Vuøng taùc ñoäng cuûa transistor laø vuøng coù I C laø haèng soá Vuøng ñaùnh thuûng öùng vôùi V CE > 40V Vuøng baõo hoaø cuûa transistor laø vuøng coù theá V CE beù hôn 1V Ngöôøi ta söû duïng transistor ôû vuøng taùc ñoäng ñeå khuyeách ñaïi tín hieäu Neáu veõ nhieàu ñöôøng ñaëc tuyeán collector treân cuøng moät ñoà thò chuùng ta coù hình veõ 3-8 Hình 3-8 Treân hình 3-8 coù moät ñöôøng cong ñaëc bieät Ñoù laø ñöôøng ôû döôùi cuøng, ôû ñoù I B =0 nhöng vaãn coù doøng I C beù chaûy qua transistor Ñoù laø doøng ræ cuûa transistor do caùc haït mang thieåu soá taïo ra Mieàn giôùi haïn bôûi ñöôøng cong coù I B =0 vaø truïc hoaønh goïi laø vuøng ngöng daãn cuûa transistor Toùm laïi, transistor coù 4 vuøng hoaït ñoäng: taùc ñoäng, ngöng daãn, baõo hoaø vaø ñaùnh thuûng Vuøng taùc ñoäng thöôøng öùng duïng ñeå khuyeách ñaïi tín hieäu beù Vuøng taùc ñoäng coøn goïi laø vuøng tuyeán tính vì söï thay ñoåi cuûa doøng I C (tín hieäu ra) tyû leä tuyeán tính vôùi söï thay ñoåi cuûa doøng I B (tín hieäu vaøo) Trong caùc thieát bò kyõ thuaät soá vaø maùy tính, transistor thöôøng hoaït ñoäng ôû vuøng ngöng daãn hoaëc baõo hoaø hay coøn goïi laø cheá ñoä khoaù (switching mode) Ví duï: Transistor treân hình 3-9 coù β dc =300 Tính I B , I C ,V CE vaø P D Giaûi: I B = (V BB -V BE )/ R B = (10V – 0 7V)/ 1M Ω = 9 3 μ A Doøng collector baèng I C = β dc I B = 300 (9 3 μ A)= 2 79mA Theá collector baèng V CE = V CC - I C R C =10V-(2 79mA)(2K Ω )=4 42V Trang 42 Hình 3-9 Coâng suaát tieâu taùn P D = V CE I C = (4 42V) (2 79mA)= 12 3mW III 5 CAÙC GAÀN ÑUÙNG CHO TRANSISTOR Hình 3-10 Trang 43 Hình 3-10a veõ sô ñoà transistor V BE laø theá treân diode emitter V CE laø theá giöõa caùc cöïc collector vaø emitter Chuùng ta haõy xem xeùt caùc maïch töông ñöông cuûa transistor naøy a) Gaàn ñuùng lyù töôûng Hình 3-10b laø maïch töông ñöông cuûa moät transistor trong gaàn ñuùng lyù töôûng Moâ hình naøy thöôøng duøng khi phaân tích maïch vôùi nguoàn V BB lôùn Luùc naøy chuùng ta duøng gaàn ñuùng lyù töôûng cho diode emitter khi tính doøng base b) Gaàn ñuùng baäc 2 Hình 3-10c laø maïch töông ñöông cuûa moät transistor trong gaàn ñuùng baäc 2 Moâ hình naøy thöôøng duøng khi phaân tích maïch vôùi nguoàn V BB beù Luùc naøy chuùng ta duøng xaáp xæ baäc 2 cho diode emitter khi tính doøng base Ñoái vôùi transistor Si, V BE =0 7V Transistor Ge coù V BE =0 3V Trong gaàn ñuùng baäc 2, doøng base vaø vì vaäy doøng collector khaùc moät chuùt so vôùi gaàn ñuùng lyù töôûng c) Xaáp xæ cao hôn Ñieän trôû noäi cuûa diode emitter trôû neân quan troïng chæ trong caùc öùng duïng coâng suaát cao maø ôû ñoù doøng raát lôùn AÛnh höôûng cuûa ñieän trôû noäi emitter laø ôû choã theá V BE coù theå ñeán côõ 1V khi doøng base lôùn Cuõng nhö diode base, ñieän trôû noäi cuûa diode collector coù aûnh höôûng ñaùng keå trong moät soá öùng duïng Cuøng vôùi ñieän trôû noäi emitter vaø collector, transistor coù moät soá caùc hieäu öùng baäc cao khaùc laøm cho vieäc tính toaùn baèng tay trôû neân khoù khaên Vì lyù do naøy, caùc tính toaùn sau gaàn ñuùng baäc 2 caàn phaûi söû duïng maùy tính Hình 3-11 Ví duï 1: Duøng gaàn ñuùng lyù töôûng tính theá

Trao đổi trực tuyến tại:

www.mientayvn.com/chat_box_li.htm l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Giáo trình

ĐIỆN TỬ CĂN BẢN

Tháng 1 - 2005

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo trình ĐIỆN TỬ CĂN BẢN là tài liệu học tập dành cho sinh viên

Khoa Công nghệ Thông tin

Điện tử căn bản trình bày cấu tạo và hoạt động của các linh kiện điện

tử và mạch của chúng Đây là những kiến thức cơ sở để hiểu biết cấu trúc máy tính và các thiết bị phần cứng của kỹ thuật công nghệ thông tin Nội dung chủ yếu của giáo trình là mô tả cấu tạo, đặc trưng của các linh kiện điện tử bán dẫn như diode, transistor, IC và các mạch ứng dụng căn bản của chúng

Giáo trình gồm 11 chương

Chương 1: Một số khái niệm

Chương 2: Diode bán dẫn và mạch diode

Chương 3: Transistor

Chương 4: Phân cực transistor

Chương 5: Khuyếch đại transistor

Chương 6: Khuyếch đại công suất

Chương 7: Các hiệu ứng tần số của mạch khuyếch đại

Chương 8: Các linh kiện bán dẫn đặc biệt

Chương 9: Khuyếch đại thuật toán

Chương 10: Các mạch dao động

Chương 11: Nguồn nuôi

Nội dung của giáo trình rất rộng mà thời gian lại hạn chế trong 60 tiết

do đó một số vấn đề bị bỏ qua Sinh viên có thể tham khảo thêm textbook bằng tiếng Anh sau đây tại thư viện Khoa Công nghệ Thông tin

Electronic Principles Malvino, Mc Graw-Hill, 1999

Sinh viên cũng có thể vào Website: www.alldatasheet.com để có thêm các thông tin chi tiết về số liệu kỹ thuật của các linh kiện

Do trình độ người viết có hạn, chắc chắn giáo trình còn có nhiều thiếu sót Rất mong được sự góp ý của bạn đọc

Đà Lạt, tháng 1 năm 2005 Phan Văn Nghĩa

Chương I MỘT SỐ KHÁI NIỆM

I.1 SỰ GẦN ĐÚNG

Trong cuộc sống chúng ta thường xuyên dùng sự gần đúng hay xấp xỉ Trong kỹ thuật cũng vậy Chúng ta thường dùng các mức gần đúng sau:

♦ Gần đúng lý tưởng (đôi khi gọi là gần đúng bậc 1)

♦ Gần đúng bậc 2

♦ Gần đúng bậc 3

♦ Mô tả chính xác

1) Gần đúng lý tưởng Một đoạn dây AWG22 dài 1 inch (2.54cm) có

điện trở thuần R=0.016Ω, cuộn cảm L=0.24µH và tụ C=3.3pF Nếu chúng ta tính tới tất cả các ảnh hưởng của RLC thì tính toán liên quan đến dòng và thế sẽ mất nhiều thời gian và có thể phức tạp Vì vậy trong nhiều trường hợp, để đơn giản, có thể bỏ qua RLC của đoạn dây dẫn

Sự gần đúng lý tưởng, là mạch tương đương đơn giản nhất của thiết bị

Ví dụ, gần đúng lý tưởng của một đoạn dây nối là một vật dẫn có trở kháng Z=0 Sự gần đúng này là đủ cho các thiết bị điện tử thông thường Trường hợp ngoại lệ sẽ xảy ra tại tần số cao Khi đó phải xét đến cảm kháng và dung kháng Giả sử rằng 1 inch dây nối có L=0.24µH và C=3.3pF thì tại tần số f=10MHz cảm kháng và dung kháng tương đương của chúng là 15.1Ω và 4.82KΩ Chúng ta thường dùng gần đúng lý tưởng đối với dây nối khi tần số f<1MHz Tuy nhiên không có nghĩa là chúng ta không cần để ý đến chiều dài của dây nối Trên thực tế, cần làm cho dây nối ngắn đến mức có thể

Trong khi tìm hỏng cho mạch hay thiết bị, một gần đúng lý tưởng là đủ dùng Trong giáo trình này chúng ta dùng gần đúng lý tưởng cho các thiết bị bán dẫn bằng cách giản lược chúng như các mạch tương đương đơn giản Bằng cách dùng gần đúng lý tưởng, chúng ta dễ dàng phân tích và hiểu hoạt động của các mạch bán dẫn

2) Gần đúng bậc 2 Gần đúng bậc 2 thêm một hoặc nhiều thành phần

vào gần đúng lý tưởng Nếu gần đúng lý tưởng của 1 viên pin là 1.5V thì gần đúng bậc 2 của 1 viên pin là một nguồn thế 1.5V nối tiếp với 1 điện trở 1OΩ Điện trở này gọi là điện trở trong hay điện trở nguồn của viên pin Nếu điện trở tải bé hơn 10OΩ, thế trên tải có thể bé hơn 1.5V do sụt thế qua điện trở nguồn Lúc này các tính toán cần phải kèm theo cả điện trở nguồn của pin

3) Gần đúng bậc 3 và các gần đúng cao hơn Gần đúng bậc 3 kèm

theo một số phần tử nữa vào mạch tương đương của thiết bị Thậm chí các gần đúng cao hơn nữa cần phải làm khi phân tích mạch Tính toán bằng tay đối với các mạch tương đương gần đúng cao hơn bậc 2 trở nên rất khó khăn Trong trường hợp này chúng ta sẽ dùng chương trình máy tính Ví dụ EWB (Electronics Work Bench) hoặc Pspice là các phần mềm máy tính trong đó dùng các gần đúng bậc cao để phân tích mạch

Tóm lại, việc sử dụng gần đúng loại nào là phụ thuộc vào yêu cầu công việc mà chúng ta phải làm Nếu chúng ta đang tìm lỗi hay sửa chữa thiết bị, gần đúng bậc 1 là đủ Trong nhiều trường hợp gần đúng bậc 2 là lựa chọn tốt

vì dễ dùng và không yêu cầu máy tính Đối với các gần đúng cao hơn cần phải dùng máy tính và một chương trình

I.2 NGUỒN THẾ

Một nguồn thế lý tưởng tạo ra một hiệu điện thế là hằng số trên tải Ví dụ đơn giản nhất của một nguồn thế lý tưởng là một acqui hoàn hảo, một acqui mà điện trở trong của nó bằng 0

Hình 1-1a là hình vẽ một mạch, trong đó nguồn thế V1=10V nối với điện trở tải RL=1Ω Vôn kế chỉ 10V, đúng bằng giá trị của nguồn thế

Hình 1-1a: Nguồn thế và tải

Hình 1-1b cho thấy giản đồ của hiệu điện thế trên tải và điện trở tải Theo giản đồ, hiệu điện thế trên tải vẫn 10V khi điện trở tải thay đổi từ 1Ω đến 1MΩ Nói một cách khác, một nguồn thế lý tưởng tạo ra một thế trên tải là hằng số bất chấp điện trở tải là lớn hay bé Với một nguồn thế lý tưởng, chỉ có dòng tải thay đổi khi điện trở tải thay đổi

Hình 1-1b: Quan hệ giữa thế tải và trở tải

Gần đúng bậc 2 của nguồn thế

Nguồn thế lý tưởng là thiết bị chỉ có về mặt lý thuyết, nó không tồn tại trong thực tế Vì khi điện trở tải gần bằng 0, dòng tải sẽ gần bằng vô cùng Không có một nguồn thế thực nào có thể tạo ra một dòng tải vô hạn vì nguồn thế thực luôn luôn có điện trở trong (điện trở nguồn) Gần đúng bậc 2 của một nguồn thế phải kèm theo điện trở trong này

Hình 1-2a mô tả ý tưởng này Điện trở trong 1Ω nối tiếp với bộ acqui lý tưởng Khi đó giá trị chỉ trên Vôn kế là 5V thay vì 10V

Hình 1-2a: Nguồn thế với điện trở trong

Hình 1-2b là giản đồ của thế trên tải và điện trở tải của một nguồn thế thực Thế trên tải chỉ đạt được giá trị 10V khi điện trở tải lớn hơn điện trở nguồn nhiều lần, lớn hơn đến mức có thể bỏ qua điện trở nguồn

Nguồn thế mạnh (Stiff Voltage Source)

Chúng ta có thể bỏ qua điện trở nguồn khi nó nhỏ hơn điện trở tải ít nhất là 100 lần Tất cả các nguồn thế thỏa mãn điều kiện này gọi là nguồn thế mạnh

Hình 1-2b: Thế trên tải và trở tải đối với nguồn thế thực

Một nguồn thế mạnh nếu thỏa điều kiện:

RS < 0.01RL (1-1) Điện trở tải bé nhất mà nguồn thế vẫn mạnh là:

RL(min)=100RS (1-2)

Theo (1-2) điện trở tải bé nhất phải bằng 100 lần điện trở nguồn Trong trường hợp này, sai số tính toán do bỏ qua điện trở nguồn là 1% Giá trị sai số này là đủ nhỏ để bỏ qua trong gần đúng bậc 2

Lưu ý:

• Định nghĩa về nguồn thế mạnh áp dụng cho cả nguồn DC lẫn nguồn AC

• Gần đúng bậc 2 chỉ có ý nghĩa tại tần số thấp Tại tần số cao, các hệ số cần phải xem xét thêm là cảm kháng và dung kháng

I.3 NGUỒN DÒNG

Hình 1-3: Nguồn dòng

Một nguồn thế DC cung cấp một thế trên tải không đổi đối với các điện trở tải khác nhau Nguồn dòng DC tạo ra một dòng tải là hằng số đối với các điện trở khác nhau Ví dụ một nguồn dòng lý tưởng là một acqui có điện trở trong rất lớn như hình 1-3

Trong mạch hình 1-3, dòng tải tính bởi:

IL=V1/(Rs+RL) với RL=1Ω, Rs =1MΩ , dòng tải bằng:

IL=10V/(1M+1)=10µA Trong tính toán trên đây, điện trở tải ảnh hưởng không đáng kể lên dòng tải

Hình 1-4: ảnh hưởng của điện trở tải đối với dòng tải

Hình 1-4 chỉ ra ảnh hưởng của điện trở tải đối với dòng tải Dòng tải vẫn là 10µA trong một vùng rộng của điện trở tải Khi điện trở tải lớn hơn 10KΩ (RL>1% RS) thì dòng tải bắt đầu thay đổi

Nguồn dòng mạnh

Chúng ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện trở nguồn của một nguồn dòng nếu nó lớn hơn điện trở tải ít nhất là 100 lần Mọi nguồn dòng thỏa điều kiện này gọi là nguồn dòng mạnh

Nguồn dòng mạnh nếu thỏa điều kiện:

Rs >100RL (1-3) Trong trường hợp giới hạn, điện trở tải lớn nhất mà nguồn vẫn được xem là nguồn dòng mạnh khi

RL(max)=0.01Rs (1-4) Theo (1-4) điện trở tải lớn nhất bằng 1/100 điện trở nguồn

Hình 1-5a ký hiệu một nguồn dòng lý tưởng, trong đó thiết bị tạo ra một dòng hằng Is với điện trở nội của nguồn Rs là vô cùng

Hình 1-5b chỉ ra gần đúng bậc 2 của nguồn dòng Ở đó điện trở trong

RS mắc song song với nguồn dòng lý tưởng IS Phần cuối của chương này sẽ

xem xét định lý Norton, khi đó chúng ta sẽ biết tại sao Rs lại mắc song song với nguồn dòng IS

Hình 1-5: Nguồn dòng Bảng sau cho thấy sự khác nhau giữa nguồn dòng và nguồn thế

Đại lượng Nguồn thế Nguồn dòng

Rs Rất bé Rất lớn

RL > 100 Rs < 0.01Rs

VL Hằng Phụ thuộc RL

IL Phụ thuộc RL Hằng

I.4 ĐỊNH LÝ THEVENIN

Hình 1-6: Thế Thevenin

Định lý là một mệnh đề có thể chứng minh bằng toán học Sau đây chúng ta xem xét một số khái niệm liên quan đến định lý Thevenin, tên một kỹ sư người Pháp

Thế Thevenin (V TH ): Trên hình 1-6, thế Thevenin là thế đo được giữa

2 đầu điện trở tải (hai đầu AB) khi không có điện trở tải (điện trở tải hở mạch) Vì vậy đôi khi thế Thevenin còn gọi là thế hở mạch

Thế Thevenin:

VTH =VOC (1-5)

Trở Thevenin (R TH ): là điện trở đo được giữa 2 đầu điện trở tải khi

điện trở tải hở mạch và khi tất cả các nguồn giảm tới 0

Giảm nguồn tới 0 có ý nghĩa khác nhau đối với nguồn dòng và nguồn thế Cụ thể như sau:

♦ Đối với nguồn thế: ngắn mạch

♦ Đối với nguồn dòng: hở mạch

Vậy định lý Thevenin đề cập đến cái gì? Theo định lý Thevenin, mọi hộp đen chứa mạch gồm nguồn DC và các điện trở tuyến tính (là điện trở không thay đổi giá trị khi thay đổi thế trên nó) như hình 1-6a có thể thay thế bằng một nguồn thế Thevenin và một điện trở Thevenin tương đương như hình 1-6b Khi đó dòng qua tải bằng

IL=VTH/(RTH+RL) (1-6) Định lý Thevenin là một công cụ mạnh Nó không chỉ giúp đơn giản các tính toán mà còn giúp giải thích hoạt động của các mạch mà nếu chỉ dùng các phương trình Kirchhoff thì không thể làm được

Ví dụ: Tính thế và trở Thevenin cho mạch hình 1-7

RTH = 4 + (3//6) = 6KΩ Có thể dùng Vôn kế và Ohm kế để đo thế Thevenin và trở Thevenin Độ chính xác của các phép đo phụ thuộc vào loại máy đo được sử dụng Ví dụ nếu sử dụng máy đo thế loại chỉ thị kim có độ nhạy 20KΩ/V tại thang đo 30V thì trở kháng vào của máy đo là 600KΩ Khi đó thế đo được sẽ bé hơn thế Thevenin một chút Thường người ta dùng vôn kế có trở kháng vào vào lớn hơn trở Thevenin ít nhất là 100 lần Khi đó sai số sẽ bé hơn 1% Để có trở kháng vào cao, ngày nay người ta dùng vôn kế số (Digital Multimeter) với trở kháng vào cỡ 10MΩ

I.5 ĐỊNH LÝ NORTON

Trên hình 1-8a, dòng Norton IN được định nghĩa là dòng tải khi điện trở tải ngắn mạch Vì vậy dòng Norton còn gọi là dòng ngắn mạch

IN = ISC (1-7) Điện trở Norton là điện trở đo giữa hai đầu điện trở tải khi hở mạch điện trở tải và tất cả các nguồn giảm tới 0

RN = ROC (1-8)

Do điện trở Thevenin cũng bằng ROC, nên thể viết:

RTH=RN (1-9) nghĩa là điện trở Thevenin và điện trở Norton là bằng nhau

Hình 1-8: Mạch Norton

Trong hình 1-8a, hộp đen chứa mạch bất kỳ gồm nguồn DC và các điện trở tuyến tính Định lý Norton phát biểu rằng, có thể thay thế mạch hình 1-8a bằng mạch hình 1-8b

Dưới dạng biểu thức:

Hình 1-9: Biến đổi Thevenin - Norton

Có thể thấy rằng trở Norton và trở Thevenin là giống nhau Quan hệ giữa dòng Norton và thế Thevenin là

IN = 10V/2K = 5mA

Hình 1-10b vẽ mạch Norton tương đương của mạch Thevenin trên hình 1-10a

Hình 1-10

Chương II DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH DIODE

II.1 CÁC LOẠI CHẤT BÁN DẪN

Theo tính chất dẫn điện, có 3 loại vật chất:

♦ Chất dẫn điện

♦ Chất không dẫn điện (điện môi)

♦ Chất bán dẫn

Trong chất dẫn điện thường chỉ có 1 electron ở vùng hoá trị, trong khi đó các chất điện môi có 8 electron ở vùng hoá trị Bán dẫn có tính chất trung gian giữa điện môi và chất dẫn điện, chúng có 4 electron ở vùng hoá trị

Germanium (Ge) và silicon (Si) là các chất bán dẫn điển hình Ở trạng thái tinh thể tinh khiết (không bị pha tạp), mỗi nguyên tử Ge và Si dùng

4 electron hoá trị của chúng để liên kết với 4 electron hoá trị của 4 nguyên tử khác tạo ra cấu trúc tinh thể bền vững về mặt hoá học

Khái niệm lỗ trống trong chất bán dẫn Ở nhiệt độ trên 0 độ tuyệt

đối (>-2730C) các electron trong mạng tinh thể sẽ chuyển động nhiệt Nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt của các electron càng lớn Chuyển động nhiệt này có thể làm cho 1 electron trong vùng hoá trị chuyển lên các quỹ đạo có năng lượng cao hơn Lúc này electron là tự do Nó di chuyển trong vùng dẫn Cùng với sự tạo thành một electron tự do, sẽ xuất hiện một lỗ trống (mang điện tích dương) trong vùng hoá trị Số electron tự do đúng bằng số lỗ trống Lỗ trống là điểm khác biệt quan trọng nhất giữa bán dẫn và vật dẫn

Nếu tồn tại 1 điện trường ngoài, thì trong chất bán dẫn sẽ có dòng chạy qua Dòng này là dòng của các electron tự do và lỗ trống ngược chiều nhau Độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết tăng theo nhiệt độ và có giá trị bé

Để tăng độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết cần phải pha tạp (doping) Có 2 cách thường dùng:

Pha tạp loại N (negative) Để tăng số electron tự do trong bán dẫn,

người ta pha tạp nguyên tử hoá trị 5 (còn gọi là chất cho, Photpho chẳng hạn) với bán dẫn tinh khiết, tạo thành bán dẫn loại N Trong bán dẫn loại N, dễ dàng thấy rằng nguyên tử chất cho sẽ thừa 1 electron và làm cho số electron trong bán dẫn loại N chiếm đa số Lỗ trống là phần tử thiểu số trong bán dẫn loại N

Pha tạp loại P (positive) Người ta pha tạp nguyên tử hoá trị 3 (còn gọi

là chất nhận, Nhôm chẳng hạn) vào bán dẫn tinh khiết để tạo ra chất bán dẫn

loại P Trong bán dẫn loại P, phần tử tải điện đa số là lỗ trống, phần tử tải điện thiểu số là electron tự do

Bán dẫn loại N và loại P có thể chế tạo từ tinh thể Ge hoặc Si Công nghệ Ge là công nghệ của những năm 60 (thế kỷ 20) Ngày nay, hầu hết các chất bán dẫn là Si

II.2 TIẾP XÚC PN

Giả sử có một mẫu bán dẫn Si tinh khiết Người ta pha tạp mẫu bán dẫn sao cho phiá bên trái là bán dẫn loại P, còn phiá bên phải là bán dẫn loại N

Biên giới giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N gọi là tiếp xúc PN Tiếp xúc

PN đã dẫn đến các phát minh về diode, transistor, IC (Integrated Circuits) Việc hiểu biết tính chất của tiếp xúc PN là cơ sở để hiểu biết hoạt động của các linh kiện và thiết bị bán dẫn

Tiếp xúc PN còn gọi là một diode bán dẫn (từ nay trở đi gọi là diode) Chúng ta hãy xem xét các tính chất của một diode khi không phân cực

Hình 2-1: Tiếp xúc PN không phân cực

Tại lớp tiếp xúc, sẽ hình thành một vùng nghèo điện tích (depletion layer) do sự khuyếch tán của electron từ N vào P sau đó các electron này tái hợp với lỗ trống làm cho số phần tử tải điện tại vùng này giảm Sự khuyếch tán cũng tạo ra một hàng rào thế năng hướng từ N sang P Ở nhiệt độ 250C, hàng rào thế năng có giá trị cỡ 0.3V đối với Ge và 0.7V đối với Si Sự hiện diện của rào thế ngăn cản quá trình khuyếch tán tiếp tục và hệ ở trạng thái dừng

II.3 DIODE BÁN DẪN CÓ PHÂN CỰC

Hình 2-2a cho thấy ký hiệu của một diode Bên bán dẫn P gọi là Anode (ký hiệu là A), bên bán dẫn N gọi là Cathode (ký hiệu là K) Trên sơ đồ người

ta ký hiệu diode như một mũi tên chỉ từ P sang N hay từ Anode sang Cathode

Hình 2-2b trình bày một mạch diode Trong mạch này diode được phân cực thuận (Va>Vk) Sự phân cực thuận làm cho các electron tự do bên bán dẫn

N và lỗ trống bên bán dẫn P vượt qua mối nối tạo thành dòng điện trong diode (dòng Iak)

Hình 2-2: Diode và phân cực thuận diode

Trong phòng thí nghiệm có thể setup một mạch như hình 2-2b Bằng cách đo dòng và thế trên diode ứng với phân cực thuận và phân cực nghịch (Va<Vk) có thể vẽ giản đồ quan hệ giữa dòng và thế trên diode như hình 2-3

Hình 2-3: Giản đồ IV của diode

Theo hình 2-3, khi phân cực thuận, dòng qua diode sẽ không đáng kể cho đến khi Vak > hàng rào thế năng (barrier potential) Ngược lại, khi phân cực ngược, có 1 dòng điện rất bé qua diode cho đến điện áp đặt lên diode vượt qua điện thế đánh thủng (Breakdown Voltage =BV)

Trong vùng phân cực thuận, điện thế tại đó dòng Iak bắt đầu tăng nhanh gọi là điện thế mối nối (knee voltage) của diode Điện thế mối nối có giá trị bằng hàng rào thế năng Khi phân tích mạch diode phân cực thuận chúng ta thường xét xem điện thế trên diode là bé hơn hay lớn hơn điện thế mối nối Nếu lớn hơn, diode dễ dàng dẫn điện Nếu bé hơn, diode không dẫn điện (dẫn điện kém) Chúng ta định nghĩa điện thế mối nối của diode silicon là:

Vk≈0.7V (2-1) Điện thế mối nối của diode germanium là 0.3V Hiện nay diode germanium ít được dùng, nhưng điện thế mối nối của nó thấp là một ưu điểm và vì vậy một số ứng dụng vẫn dùng diode germanium

Khi điện thế trên diode vượt qua điện thế mối nối thì dòng qua diode tăng nhanh và theo quy luật tuyến tính Lúc này diode đóng vai trò như điện trở Chúng ta gọi điện trở này là điện trở Bulk (RB) của diode

RB= RP+RN (2-2) Trong đó RP và RN là điện trở tương ứng của vùng P và vùng N Chúng phụ thuộc vào mật độ pha tạp và kích thước của các vùng này Thông thường

RB < 1Ω Chúng ta chỉ quan tâm đến RB của diode trong gần đúng bậc 3 Trong giáo trình này chúng ta không xem xét đến gần đúng bậc 3

Nếu dòng điện qua diode quá lớn, sự quá nhiệt sẽ phá huỷ diode Vì vậy trong bảng số liệu kỹ thuật (data sheet) của nhà máy sản xuất có ghi dòng cực đại của một diode Đó là dòng điện tối đa mà diode có thể hoạt động bình thường và không làm giảm tuổi thọ cũng như các đặc trưng của nó Dòng thuận tối đa của 1 diode thường được ghi bằng Imax , IF(max), Io Ví dụ diode 1N456 có Imax =135mA

Có thể tính công suất tiêu tán (power dissipation) của một diode giống như tính công suất tiêu tán của một điện trở Nó bằng tích giữa dòng và thế trên diode

PD = VD.ID (2-3) Giới hạn công suất (power rating) của một diode là công suất tối đa mà diode có thể tiêu tán và không làm giảm tuổi thọ cũng như các đặc tính khác Nếu ký hiệu giới hạn công suất là Pmax thì

Pmax= Vmax.Imax (2-4)

II.4 DIODE LÝ TƯỞNG

Hình 2-4 cho thấy giản đồ dòng thế của một diode trong vùng phân cực thuận Lưu ý rằng dòng qua diode xấp xỉ bằng 0 cho đến khi thế trên diode đạt tới giá trị hàng rào thế Trong vùng lân cận 0.6V đến 0.7V dòng qua diode tăng Khi thế trên diode lớn hơn 0.8V dòng qua diode tăng rất mạnh và đồ thị là đường thẳng

Hình 2-4: Giản đồ dòng thế của diode phân cực thuận

Tuỳ thuộc vào kích thước vật lý và mật độ pha tạp, các đặc trưng của diode như dòng thuận tối đa, giới hạn công suất có thể có giá trị rất khác nhau Mặc dù giá trị dòng và thế của các diode thì khác nhau nhưng dạng của giản đồ quan hệ giữa dòng và thế trên mọi diode tương tự nhau như hình 2-4 Tất cả các diode silicon đều có điện thế mối nối xấp xỉ 0.7V

Trong khi phân tích mạch, hầu như chúng ta không cần sự chính xác tuyệt đối Do đó có thể dùng gần đúng cho diode Chúng ta hãy bắt đầu bằng gần đúng lý tưởng Theo đó, diode như một thiết bị có tính chất sau: nóù dẫn điện tốt (điện trở bằng 0) khi phân cực thuận, và hoàn toàn không dẫn điện (điện trở vô cùng) khi phân cực ngược

Hình 2-5a chỉ ra giản đồ dòng thế của 1 diode lý tưởng Theo đó diode lý tưởng có điện trở bằng 0 khi phân cực thuận và có điện trở bằng vô cùng khi phân cực ngược Nói cách khác, diode lý tưởng giống như một công tắc

(switch) như hình 2-5b Nó đóng (close) khi phân cực thuận và hở (open) khi phân cực ngược

Hình 2-5: Đường cong dòng thế của diode lý tưởng và mô hình

Ví dụ: Dùng mô hình diode lý tưởng tính thế trên tải và dòng tải trên sơ

đồ hình 2-6

Hình 2-6: Mạch diode lý tưởng

Do diode phân cực thuận, nó như công tắc đang đóng Do đó toàn bộ nguồn thế 10V đặt lên trở tải Vậy

VL=10V

Theo định luật Ohm, dòng tải bằng:

IL=10V/1K = 10mA

II.5 GẦN ĐÚNG BẬC 2 CỦA DIODE

Chúng ta sẽ dùng gần đúng bậc 2 khi muốn tính chính xác hơn các giá trị dòng và thế trên diode

Hình 2-7a chỉ ra giản đồ dòng thế của 1 diode trong gần đúng bậc 2 Theo đó, sẽ không có dòng qua diode chừng nào thế trên diode chưa vượt qua giá trị 0.7V Hình 2-7b cho thấy mạch tương đương của diode silicon trong gần đúng bậc 2 Nó gồm một công tắc nối tiếp với một hàng rào thế 0.7V Nếu thế Thevenin áp lên diode lớn hơn 0.7V, diode sẽ đóng (dẫn điện thuận) Khi diode đang dẫn, thế rơi trên diode là 0.7V đối với mọi giá trị của dòng thuận Nói cách khác, nếu thế Thevenin bé hơn 0.7V, công tắc là hở và không có dòng qua diode

Hình 2-7: Gần đúng bậc 2 của diode

Ví dụ Dùng gần đúng bậc 2 của diode để tính dòng, thế và công suất tiêu tán trên diode cho ở mạch hình 2-8

Hình 2-8: Mạch diode gần đúng bậc 2

Do diode phân cực thuận, nó tương đương một pin 0.7V Điều này có nghĩa là thế trên tải bằng

II.6 NẮN ĐIỆN NỬA CHU KỲ

Hình 2-9: Mạch nắn điện dùng diode

Hình 2-9a chỉ ra mạch nắn điện nửa chu kỳ Nguồn ac tạo ra một điện áp xoay chiều Giả sử rằng diode là lý tưởng Ở nửa chu kỳ dương của nguồn thế, diode phân cực thuận Diode sẽ như một công tắc đang đóng như hình 2-9b Tín hiệu nửa chu kỳ dương của nguồn thế sẽ xuất hiện trên điện trở tải

Vào nửa chu kỳ âm của nguồn thế, diode như công tắc hở mạch, trên tải sẽ không có 1 điện thế nào (hình 2-9c)

Dạng sóng lý tưởng

Mạch nắn điện nửa sóng như hình 2-10a sẽ chỉ làm cho diode dẫn trong nửa chu kỳ dương và không dẫn trong nửa chu kỳ âm của nguồn ac

Hình 2-10b là giản đồ dạng sóng lối vào Nó là một sóng sin có giá trị tức thời là vin và giá trị đỉnh là Vp(in) Do đó trên tải sẽ thu được tín hiệu dạng nửa sóng Điều này cũng có nghĩa là dòng qua điện trở tải là dòng một chiều

Hình 2-10: Dạng sóng của mạch nắn ½ chu kỳ

Tín hiệu lối ra nửa sóng như hình 2-10c là điện thế dc kiểu xung Nó tăng từ 0 đến cực đại, rồi lại giảm về 0, sau đó tiếp tục bằng 0 trong nửa chu kỳ âm Để có được nguồn dc dùng cho các thiết bị điện tử, cần phải lọc dạng tín hiệu nửa sóng này

Giá trị của thế lối ra lý tưởng là:

Vp(out)=Vp(in) (2-5)

Giá trị dc của tín hiệu nửa sóng

Giá trị dc của 1 tín hiệu là giá trị trung bình của tín hiệu đó Nếu đo tín hiệu bằng vôn kế dc thì số chỉ chính là giá trị trung bình của tín hiệu

Giá trị dc của một tín hiệu nửa sóng bằng:

Vdc=Vp/π=0.318Vp (2-6) Theo (2-6) nếu giá trị đỉnh của 1 tín hiệu nửa sóng là 100V thì giá trị dc hay trung bình của nó là 31.8V

Tần số tín hiệu lối ra của mạch nắn nửa chu kỳ bằng tần số của nguồn

ac lối vào

fout = fin (2-7) Có thể thấy rằng dòng qua diode bằng dòng qua tải

Idiode =Idc

Gần đúng bậc 2

Trong gần đúng bậc 2, thế trên tải nhỏ hơn thế của nguồn vào một lượng 0.7V như công thức sau:

Vp(out)=Vp(in) - 0.7V (2-84)

II.7 BIẾN THẾ

Tại Việt nam, nhà điện cung cấp điện áp lưới (Line Voltage) danh định 220V, tần số 50Hz Điện áp thực mà chúng ta nhận được có thể thay đổi từ 200V đến 240V phụ thuộc vào thời điểm trong ngày, vị trí và nhiều yếu tố khác Điện áp 220V là quá cao đối với các mạch điện trong các thiết bị điện tử Đó là lý do tại sao phải dùng một biến thế hạ thế trong hầu hết các thiết bị điện tử Biến thế giảm điện áp lưới từ 220V xuống các giá trị bé hơn và an toàn hơn để dùng với diode, transistor và các thiết bị bán dẫn khác

Hình 2-11 cho thấy một biến thế Điện áp lưới đặt trực tiếp vào cuộn sơ cấp của biến thế Gọi N1/N2 là tỷ số giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Để biến thế là hạ thế thì N1>N2

Hình 2-11: Biến thế

Dấu chấm pha Để biểu thị quan hệ về pha trên các cuộn dây của biến

thế người ta dùng dấu chấm pha Các đầu dây có dấu chấm sẽ có cùng pha

Quan hệ giữa thế và số vòng trên 2 cuộn của biến thế là:

V2/V1=N2/N1 (2-9) Có thể dùng công thức (2-9) cho giá trị đỉnh, giá trị hiệu dụng và giá trị tức thời

Ví dụ: Tính thế tải cực đại và thế tải dc cho mạch hình 2-12

Hình 2-12: Biến thế và mạch nắn 1/2 chu kỳ

Giải: Tỷ số biến thế là 5:1 Do đó thế trên cuộn thứ cấp là:

V2=120/5=24V Điện thế đỉnh trên cuộn thứ cấp bằng:

Vp= 24/0.707 = 34V Với diode lý tưởng, thế đỉnh trên tải bằng 34V

Thế dc trên tải bằng:

Vdc=Vp/π = 34/ π= 10.8V Nếu dùng xấp xỉ bậc 2 cho diode, thế đỉnh trên tải và thế dc trên tải tương ứng bằng 33.3V và 10.6V

II.8 NẮN CẢ CHU KỲ

Hình 2-13: Mạch nắn cả chu kỳ

Hình 2-13 là một mạch nắn điện toàn sóng (cả chu kỳ) Cuộn thứ cấp của biến thế có điểm giữa được nối đất Mạch nắn toàn sóng tương đương 2 mạch nắn nửa sóng ghép lại Vì biến thế có điểm giữa, mỗi mạch nắn có điện thế vào chỉ bằng ½ điện thế cuộn thứ cấp Diode D1 dẫn trong nửa chu kỳ dương trong khi đó D2 dẫn trong nửa chu kỳ âm Trong cả 2 nửa chu kỳ, điện thế trên tải có cùng cực tính, dòng tải vì vậy là dòng có hướng Chúng ta sẽ phân tích một số đặc điểm của tín hiệu lối ra toàn sóng này sau đây

Giá trị dc hay trung bình

Do tín hiệu lối ra toàn sóng gồm 2 lần tín hiệu nửa sóng nên giá trị dc cho bởi:

Vdc=2Vp/ π= 0.63Vp (2-10) Theo (2-6) giá trị trung bình bằng 63% giá trị đỉnh Ví dụ, nếu điện thế đỉnh là 10V thì giá trị trung bình lối ra là 6.3V

Tần số của tín hiệu lối ra toàn sóng là gấp đôi tần số nguồn ac lối vào

f(out)=2f(in) (2-11) Dòng qua mỗi diode bằng một nửa dòng tải:

Idiode= Idc / 2

II.9 NẮN CẦU

Hình 2-14: Mạch nắn cầu

Hình 2-14 cho thấy một mạch nắn cầu Mạch nắn cầu tương tự mạch nắn toàn sóng vì nó tạo ra điện thế lối ra toàn sóng Mạch dùng 4 diode D1 và D2 dẫn trong nửa chu kỳ dương D3 và D4 dẫn trong nửa chu kỳ âm

Mạch nắn cầu tương đương với hai mạch nửa sóng nối lại với nhau Trong cả hai nửa chu kỳ, thế trên tải có cùng cực tính và dòng tải là dòng một

hướng Mạch này biến đổi thế ac ở đầu vào thành thế dc dạng xung (nhấp nhô) ở lối ra

Giá trị trung bình và tần số tín hiệu lối ra

Bởi vì mạch nắn cầu tạo ra tín hiệu toàn sóng nên phương trình tính giá trị dc hay trung bình cho thế ra là:

Vdc=2Vp/ π= 0.63Vp và tần số tín hiệu lối ra bằng

f(out)=2 f(in) Dòng qua diode trong mạch nắn cầu bằng một nửa dòng tải

II.10 CÁC BỘ LỌC

Lối ra của các mạch nắn là thế dc dạng xung (nhấp nhô) Nói cách khác, thế trên tải gồm thành phần dc và ac Có thể lọc bỏ thành phần ac bằng các mạch lọc (filter)

Có 2 loại mạch lọc được dùng phổ biến là:

Nguồn ac tạo ra dòng trên cuộn dây, tụ điện và điện trở Dòng ac trên các linh kiện này phụ thuộc vào cảm kháng của L, dung kháng của C và R

Cuộn L có trở kháng

Rectifier Output

time Hình 2-17

Như vậy, do tác dụng của bộ lọc thành phần ac trên tải rất bé có thể bỏ qua Chỉ còn lại thành phần dc Ở tần số dc, trở kháng của L rất bé, chỉ còn lại điện trở Rs của L mắc nối tiếp với tải RL Nếu như Rs rất bé so với RL thì toàn bộ thế DC được đặt lên tải

Nhược điểm của mạch lọc LC là do L có điện trở nội và làm giảm đáng kể thành phần dc nếu mạch yêu cầu dòng tải lớn Tuy nhiên trong các bộ nguồn ổn áp kiểu xung dùng cho máy tính và các thiết bị điện tử khác, bộ lọc

LC vẫn được dùng vì ở tần số cao (f=20Khz) có thể thiết kế các cuộn cảm nhỏ mà vẩn đảm bảo hệ số lọc thành phần ac rất cao Trong các mạch có dòng tải bé, người ta có thể thay thế mạch lọc LC bằng mạch lọc RC

Ảnh hưởng của điện trở tải

Hình 2-19: Mạch lọc có tải

Chúng ta nối song song với mạch lọc một trở tải RL như hình 2-19 Khi đó diode D vẫn nạp điện cho tụ ở ¼ chu kỳ đầu tiên Trong thời gian còn lại của chu kỳ, tụ C phóng qua R với hằng số thời gian RLC Nếu thỏa mãn điều kiện RLC > T (chu kỳ tín hiệu ac) thì thế trên tải dường như vẫn là hằng số, mặc dù có một chút xoay chiều trên tải mà chúng ta gọi là thế gợn sóng (ripple voltage)

Công thức tính giá trị đỉnh-đỉnh của thế gợn sóng là:

VR = I / fC (2-14) Trong đó I là dòng tải, f là tần số gợn sóng Nếu dòng tải bằng 0 thì thế gợn sóng VR=0

Ví dụ, nếu dòng tải I=10mA, tụ C=20µF và mạch nắn cầu (f=100Hz) thì

VR = 10mA/(100.20µF)= 0.5Vpp

II.11 DIODE ZENER

Các diode tín hiệu bé và nắn điện chỉ hoạt động ở vùng phân cực thuận mà không hoạt độïng ở vùng đánh thủng vì điều này sẽ làm hỏng chúng Trong phần này chúng ta sẽ xem xét diode Zener, một diode silicon được chế tạo để hoạt động ở vùng đánh thủng Diode zener là thành phần chính của mạch ổn áp Đó là mạch giữ điện áp ra gần như là hằng số bất chấp sự thay đổi của thế vào và trở tải

Hình 2-20: Diode Zener

Giản đồ IV của diode Zener

Hình 2-20 cho thấy hình vẽ của một diode Zener, ký hiệu là Vz Bằng cách thay đổi mật độ pha tạp, nhà máy có thể tạo ra các Zener có điện áp đánh thủng từ 2V đến 1000V Các diode này có thể hoạt động ở 3 vùng: phân cực thuận, đánh thủng và dòng rò

Hình 2-21: Giản đồ IV của diode Zener

Hình 2-21 là giản đồ IV của 1 diode Zener Trong vùng phân cực thuận, khi thế trên diode lớn hơn 0.7V nó dẫn điện như một diode silicon loại thường Trong vùng rò, chỉ có một dòng rò rất nhỏ qua diode Đặc tuyến của vùng đánh thủng gần như thẳng đứng Khi diode Zener bị đánh thủng, Vz gần như hằng số Trong bảng số liệu của nhà sản xuất người ta thường ghi Vz tại dòng test IZT nào đó Hình 2-21 cũng cho biết dòng Zener tối đa IZM Trong thiết kế mạch diode Zener phải đảm bảo diode Zener hoạt động ở dòng đánh thủng nhỏ hơn IZM

Điện trở Zener

Điện trở nội của diode gọi là điện trở Zener Điện trở Zener có giá trị rất bé Điện trở này phản ánh sự kiện dòng Zener tăng thì thế Zener tăng Tuy nhiên sự tăng này rất ít, cỡ vài phần của Vôn Đặc tuyến vùng đánh thủng càng dốc thì điện trở Zener càng bé Trong các phân tích của chúng ta, điện trở Zener bị bỏ qua

Ổn áp Zener

Diode Zener đôi khi được gọi là diode ổn áp vì nó có đặc tính giữ điện áp giữa anode và cathode (Vz) là hằng số bất chấp sự thay đổi của dòng qua diode Để sử dụng tính chất này của Zener cần phải phân cực ngược nó như hình 2-22a Mặt khác Vs phải lớn hơn điện áo đánh thủng Vz Một điện trở nối tiếp Rs được sử dụng để hạn chế dòng qua Zener, không cho phép nó vượt quá giá trị giới hạn tối đa

Hình 2-22: ổn áp dùng Zener

Hình 2-22b cho thấy một cách vẽ khác của hình 2-22a, trong đó mạch có điểm nối đất (Ground) Khi đó để đo hiệu điện thế giữa các điểm, có thể

đo thế của chúng so với đất rồi tính ra hiệu điện thế giữa các điểm cần đo

Hình 2-22c cho thấy hình vẽ lối ra của một bộ nguồn nối tới điện trở Rs và Zener Mạch này gọi là mạch ổn áp Zener hay mạch Zener

Dòng chảy qua Rs bằng:

Is = (Vs-Vz)/Rs (2-15)

Is cũng chính là dòng chảy qua Zener Phải chọn Rs sao cho Is < IZM

Gần đúng lý tưởng của Zener là một pin, hay một nguồn thế có giá trị bằng Vz

II.12 ỔN ÁP ZENER CÓ TẢI

Hình 2-23: ổn áp Zener có tải

Hình 2-23a chỉ ra một mạch ổn áp Zener có tải Hình 2-23b chỉ ra một mạch như thế và có điểm nối đất Vì Zener hoạt động ở vùng đánh thủng, do đó nó giữ điện áp trên tải là hằng số bất chấp sự thay đổi của thế vào và dòng tải

Giả sử diode Zener không nối vào mạch hình 2-23b Khi đó thế Thevenin trên tải RL là:

VL=VZ (2-18) Dòng tải bằng:

IL= VL/RL (2-19)

Dòng Zener Theo định luật Kirchhoff, ta có:

IS=IL+IZ (2-20) hay dòng qua Zener bằng:

IZ=IS – IL (2-21)

II.13 GẦN ĐÚNG BẬC 2 CỦA DIODE ZENER

Hình 2-24

Hình 2-24a cho thấy gần đúng bậc 2 của diode Zener Khi đó Zener như một nguồn thế lý tưởng Vz nối tiếp với trở Zener RZ Tổng điện thế trên Zener bằng thế đánh thủng Vz cộng với sụt thế qua điện trở Zener Vậy ảnh hưởng của trở Zener lên thế lối ra như thế nào? Chúng ta hãy xét sơ đồ hình 2-24b và 2-24c

Theo hình 2-24c, thế tải bằng:

VL= VZ + IZRZ

Sự thay đổi của thế trên tải so với trường hợp lý tưởng là:

∆V= IZRZ (2-22)

Thường ∆V nhỏ, cở vài phần của 1 Vôn

Điện trở Zener cũng ảnh hưởng đến thế nhấp nhô trên tải Mạch tương đương khi xét đến RZ cho trên hình 2-24c

Thành phần xoay chiều của thế ra bằng:

VR(out)=VR(in)RZ/(RZ+RS)

= RZVR(in)/RS (2-23)

II.14 CÁC THIẾT BỊ OPTOELECTRONICS

Optoelectronics là công nghệ kết hợp điện tử và quang học Lĩnh vực này bao gồm các thiết bị hoạt động dựa trên tính chất của một tiếp xúc PN Ví dụ các LED, photodiodes và optocouplers

a) LED (Light Emitting Diode)

Hình 2-25

Hình 2-25a vẽ một LED nối với nguồn thế qua điện trở RS Các mũi tên hướng ra ngoài ký hiệu cho ánh sáng phát ra từ LED Khi phân cực thuận, các electron tự do khi qua mối nối PN bị bắt bởi lỗ trống Những electron này chuyển từ mức có năng lượng cao về mức năng lượng thấp hơn và vì vậy giải phóng năng lượng Đối với diode thường năng lượng này phát ra dưới dạng nhiệt Nhưng đối với LED, năng lượng giải phóng dưới dạng các bức xạ ánh sáng Trong nhiều ứng dụng, LED được dùng thay cho các đèn nêon vì hoạt động ở điện thế thấp, tuổi thọ cao và tắt mở nhanh Bằng cách dùng các vật liệu khác nhau, nhà máy có thể tạo ra các LED màu đỏ, lục , lơ, vàng, cam hoặc hồng ngoại (không nhìn thấy) Các LED phát ra màu thấy được thường dùng trong các bộ chỉ thị như màn hình của máy tính tay, đồng hồ Các LED hồng ngoại dùng trong các thiết bị báo động, các ổ đĩa CD

Dòng và thế của LED

Điện trở RS trên hình 2-25b nhằm hạn chế dòng qua LED không vượt qua giới hạn cho phép Theo định luật Ohm:

IS =(VS -VD)/RS (2-24)

Hầu hết các diode thương mại có VD từ 1.5V đến 2.5V với dòng từ 10mA đến 50mA Giá trị chính xác của thế rơi trên LED phụ thuộc vào dòng qua LED, màu LED và một số yếu tố khác Trừ khi được chú thích, chúng ta sẽ dùng VD =2V để phân tích các mạch có liên quan đến LED trong giáo trình này

Thế đánh thủng của LED rất bé, chỉ cỡ 3-5V LED thường dùng để chỉ thị tình trạng có hay không có nguồn của thiết bị và gọi là power LED Khi đó một diode chỉnh lưu được mắc song song ngược với LED để bảo vệ LED khỏi bị đánh thủng khi phân cực ngược

b) Seven - Segment Display

Hình 2-26a trình bày một bộ chỉ thị dùng đèn 7 đoạn Nó chứa 7 đoạn LED, đánh số từ A đến G Mỗi LED là 1 đoạn vì nó là 1 thành phần của ký tự mà nó chỉ thị Hình 2-26b là sơ đồ của một bộ chỉ thị 7 đoạn Các điện trở dùng để hạn chế dòng qua LED Các LED được nối theo kiểu anode chung (cũng có đèn 7 đoạn nối cathode chung) Bằng cách nối đất một hoặc nhiều điện trở, chúng ta sẽ nhận được các số từ 0 đến 9 và các ký tự như A,b,C,d, E và F

Hình 2-26: Chỉ thị 7 đoạn

c) Photodiode

Trong các phần trước chúng ta biết rằng, một thành phần trong dòng ngược của diode là dòng các hạt mang thiểu số Các hạt mang này tồn tại vì năng lượng nhiệt có thể làm bật (dislodging) một electron hoá trị khỏi qũy đạo của nó tạo ra một electron tự do và một lỗ trống Thời

gian sống của các hạt mạng thiểu số này ngắn, nhưng trong khi tồn tại, chúng tạo ra dòng ngược của diode

Khi chiếu sáng mối nối PN, năng lượng cuả ánh sáng (năng lượng nhiệt) có thể làm bật electron hoá trị ra khỏi quỹ đạo và tạo ra một cặp electron - lỗ trống Photodiode là một diode được chế tạo sao cho nó nhạy với ánh sáng Trong photodiode, một cửa sổ dẫn ánh sáng đến mối nối PN Ánh sáng càng mạnh, số cặp electron -lỗ trống càng nhiều và do đó, dòng ngược trong photodiode càng lớn

Hình 2-27: Photodiode

Hình 2-27 trình bày ký hiệu của một photodiode Các mũi tên dùng để biểu thị cho ánh sáng tới Photodiode thường được ứng dụng khi ghép nó với LED như phần sau đây

- đầu ra)

Ưu điểm chủ yếu của optocoupler là sự cách điện giữa đầu vào và đầu ra của hệ Điện trở giữa đầu vào và ra của optocoupler có thể đến hàng ngàn MΩ Optocoupler có thể dùng trong các ứng dụng cao thế, ở đó thế giữa đầu vào và ra có thể khác nhau đến hàng ngàn vôn

e) Laser diode (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Sự chuyển ngẫu nhiên từ mức năng lượng cao về mức năng lượng thấp của các electron tự do trong LED làm cho ánh sáng phát ra từ một LED có pha thay đổi trong một vùng rộng từ 0 đến 3600 Nguồn sáng có pha thay đổi gọi là nguồn sáng không kết hợp (Incoherent)

Trong diode laser thì khác Nó có thể tạo ra một nguồn sáng kết hợp (Coherent), nghĩa là nguồn sáng mà tất cả các sóng ánh sáng đều cùng pha với nhau Trong diode laser người ta dùng buồng cộng hưởng để kích thích các ánh sáng bức xạ tại một tần số với pha duy nhất Đặc điểm của nguồn sáng do diode laser phát ra là đơn sắc, cùng pha và vì vậy có thể hội tụ tốt và có cường độ lớn Các diode laser cũng được gọi là các laser bán dẫn Chúng có thể tạo ra ánh sáng nhìn thấy cũng như không nhìn thấy (hồng ngoại) Diode laser được dùng nhiều trong các ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông

Chương III TRANSISTOR

Năm 1951 William Schockley đã phát minh ra transistor, còn gọi là transistor lưỡng cực Transistor là một thiết bị bán dẫn mà nó có thể khuyếch đại các tín hiệu điện tử (dòng hoặc thế) Sự khám phá ra transistor đã dẫn đến việc tạo ra hàng loạt các thiết bị điện tử và các mạch tích hợp mà chúng ta thường gọi là các IC (Integrated Circuits) Nhờ có IC mà ngày nay chúng ta có máy tính, truyền hình, điện thoại di động, người máy và v.v…

III.1 CẤU TẠO VÀ CÁC DÒNG ĐIỆN TRONG TRANSISTOR

Hình 3-1: Cấu tạo của transistor

Một transistor có 3 vùng bán dẫn NPN như hình 3-1 Vùng dưới cùng là vùng Emitter (phát), vùng giữa gọi là vùng Base (gốc), vùng trên cùng gọi là vùng Collector (góp) Transistor như hình 3-1 gọi là transistor NPN

Transistor cũng được chế tạo dưới dạng PNP Hoạt động của transistor NPN và transistor PNP về cơ bản giống nhau Trong chương này chúng ta sẽ chỉ phân tích transistor NPN

Trong transistor vùng emitter được pha tạp nhiều Vùng base pha tạp rất ít Vùng collector pha tạp trung bình

Transistor trong hình 3-1 gồm 2 mối nối PN: mối nối base-emitter và mối nối base-collector Vì vậy có thể xem như transistor gồm 2 diode nối ngược nhau Cấu hình này chỉ đúng khi transistor không phân cực Người ta thường dùng cấu hình này khi đo thử transistor Nếu 2 diode trong transistor còn tốt thì nhiều khả năng transistor cũng còn tốt

Transistor không phân cực giống như 2 diode nối ngược Mỗi diode có một hàng rào thế cỡ 0.7V (đối với transistor Si) Khi nối transistor với nguồn ngoài, sẽ có các dòng điện qua các vùng khác nhau trong transistor

Hình 3-2: phân cực transistor

Trong hình 3-2 dấu trừ biểu thị các electron tự do trong vùng emitter Nguồn VBB phân cực thuận diode base - emitter Trong khi nguồn Vcc phân cực ngược diode base - collector Do emitter được pha tạp mạnh, nó phát các electron vào base Sự pha tạp ít của base có ý nghĩa là làm cho hầu hết các electron từ emitter không bị tái hợp mà sẽ đến collector Collector có nghĩa là thu góp Cực collector có nhiệm vụ thu các electron từ emitter

Khi được phân cực, nếu thế VBB lớn hơn hàng rào thế, các electron từ emitter sẽ vào vùng base Về mặt lý thuyết các electron này sẽ đi theo 2 hướng Thứ nhất là vào vùng base qua RB để đến cực dương của nguồn VBB Thứ hai là vào collector Do sự pha tạp của vùng base rất ít, nên hầu hết các electron di chuyển lên vùng collector Tại đây nó bị hút về cực dương của nguồn Vcc qua điện trở Rc

Hình 3-3: Ký hiệu và các dòng điện trong transistor

Hình 3-3 chỉ ra ký hiệu trên sơ đồ của một transistor

Theo định luật Kirchhoff, ta có:

IE = I B + IC (3-1) Điều này chứng tỏ rằng: Dòng cực e bằng tổng của dòng cực c và dòng cực b

Vì dòng cực b rất bé nên có thể xem rằng

IE ≈ IC (3-2) Người ta định nghĩa Hệ số αdc của transistor như sau:

III.2 NỐI EMITTER CHUNG

Có 3 cách nối transistor thường dùng là:

• Nối E chung (Common Emitter - CE)

• Nối C chung (Common Collector - CC)

• Nối B chung (Common Base - CB)

Hình 3-4: Nối CE