Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Công nghệ thông tin TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢNG NAM KHOA: LÝ – HÓA – SINH ---------- ĐẶNG THỊ LOAN LOAN ỨNG DỤNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ĐỂ CHẾ TẠO MẠCH ĐÈN LED NHÁY THEO NHẠC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Quảng Nam, tháng 4 năm 2015 i Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong khóa luận này là trung thực, được các tác giả cho phép sử dụng và chưa được công bố trong bất kì một công trình nào khác. Quảng Nam, tháng 04 năm 2016 Tác giả khóa luận Đặng Thị Loan Loan ii Lời cảm ơn Khóa luận của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô giáo ThS. Ngô Thị Hồng Nga. Trước hết cho tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với cô, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường Đại Học Quảng Nam, các Thầy Cô giáo trong khoa Lý – Hóa – Sinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong khi thực hiện khóa luận này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến các thành viên trong gia đình, người thân đã luôn động viên, đưa ra những lời khuyên trong những lúc tôi gặp khó khăn và cảm ơn các bạn học cùng lớp ĐH Vật Lý K12 đã có những ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện đề tài. Quảng Nam, tháng 04 năm 2016 Tác giả khóa luận Đặng Thị Loan Loan iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH VẼ Hình Tên gọi Trang Hình 1.1 Ký hiệu của tụ điện 4 Hình1.2(a) Tụ gốm 4 Hình1.2(b) Tụ hoá 4 Hình 1.3 Mắc nối tiếp 2 tụ điện 4 Hình 1.4 Mắc song song các tụ điện 5 Hình1.5(a) Mắc hai tụ không phân cực 5 Hình1.5(b) Mắc hai tụ phân cực 5 Hình 1.6 Ký hiệu điện trở 6 Hình 1.7 Hình dạng thực của một điện trở công suất 6 Hình 1.8 Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu 6 Hình 1.9 Một cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD 6 Hình 1.10 Mắc điện trở thành cầu chia áp 7 Hình 1.11 Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở 8 Hình 1.12 Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở 8 Hình 1.13 Cấu tạo của điốt led 9 Hình 1.14 Chất bán dẫn loại N 10 Hình 1.15 Chất bán dẫn loại P 10 Hình 1.16 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 11 Hình 1.17 Tiếp xúc P – N 11 Hình 1.18 Kí hiệu Điốt 12 Hình 1.19 Phân cực thuận cho Điôt 13 Hình 1.20 Phân cực ngược cho Điôt 14 Hình 2.1 Các thành phần của dòng điện ra và điện áp ra 16 Hình 2.2 Điểm làm việc ở chế độ A 17 Hình 2.3 Điểm làm việc ở chế độ B (a) cùng dạng sóng tương ứng của dòng điện (b) và điện áp (c) 17 Hình 2.4 Sơ đồ khuếch đại với mạch phản hồi 18 iv Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của một bộ KDTT 21 Hình 2.6 Sơ đồ chân thực tế của OPAMP 22 Hình 2.7 Kí hiệu Opamp 22 Hình 2.8 Đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở cảu KĐTT 24 Hình 2.9 Bộ KĐTT với mạch hồi tiếp 25 Hình 2.10 Mạch khuếch đại đảo 25 Hình 2.11 Mạch khuếch đại không đảo 26 Hình 2.12 Mạch đệm 27 Hình 2.13 Mạch cộng đảo 28 Hình 2.14 Mạch cộng không đảo 28 Hình 2.15 Mạch trừ 29 Hình 2.16 Mạch khuếch đại tích phân 30 Hình 2.17 Mạch khuếch đại vi phân 30 Hình 2.18 Sơ đồ mạch khuếch đại Lôgarit 31 Hình2.19(a) Sơ đồ mạch khuếch đại chọn lọc tần số thấp 31 Hình2.19(b) Đặc trưng tần số của bộ khuếch đại 32 Hình 2.20 Đặc trưng truyền của cầu T 32 Hình 2.21 Sơ đồ mạch khuếch đại OA có mạch phản hồi âm là khung cộng hưởng mắc nối tiếp 33 Hình 2.22 Đặc trưng tần số của bộ khuếch đại khung cộng hưởng L,C 33 Hình 3.1 Phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 34 Hình 3.2 Giao diện phần mềm Proteus khi mở chương trình ISIS 36 Hình 3.3 Sơ đồ cơ bản nhất của LM3915 37 Hình 3.4 Đặc điểm các chân IC 38 Hình 3.5 Cấu tạo bên ngoài của LM3915 39 Hình 3.6 Sơ đồ khối của LM3915 40 Hình 3.7 Mạch điện áp chuẩn bên trong IC 41 Hình 3.8 Sơ đồ minh họa dòng ra 42 v Hình 3.9 Sơ đồ mô tả chức năng chân mode 43 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lí của mạch 46 Hình 3.11 Mô phỏng mạch trên Proteus 48 Hình 3.12 Kết quả mô phỏng mạch trên Proteus 48 Hình 3.13 Mô hình lắp ráp mạch thực tế 49 Hình 3.14 Mô hình chạy mạch thực tế 49 vi MỤC LỤC Lời cam đoan ......................................................................................................... i Lời cảm ơn ............................................................................................................ ii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH VẼ ....................................................... iii MỤC LỤC………………………………………………………………………….vi I. MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 1.1. Lí do chọn đề tài ......................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu của đề tài ..................................................................................... 2 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 2 1.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 2 1.5. Lịch sử nghiên cứu ..................................................................................... 2 1.6. Đóng góp của đề tài .................................................................................... 2 1.7. Cấu trúc đề tài ............................................................................................ 3 II. NỘI DUNG ...................................................................................................... 3 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ............................. 4 1.1. Một số linh kiện điện tử thụ động ............................................................ 4 1.1.1. Tụ điện .................................................................................................. 4 1.1.2. Điện trở................................................................................................. 5 1.1.3. Biến trở ................................................................................................. 7 1.1.4. Đèn led .................................................................................................. 8 1.2. Chất bán dẫn ............................................................................................... 9 1.2.1. Bán dẫn loại N ..................................................................................... 9 1.2.2. Bán dẫn loại P .................................................................................... 10 1.2.3. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn ............................................................. 11 1.2.4. Tiếp xúc P-N ...................................................................................... 11 1.2.5. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn .................................. 12 1.3. Điode bán dẫn ........................................................................................... 12 1.3.1. Cấu tạo, ký hiệu, công dụng ............................................................. 12 1.3.2. Nguyên lí làm việc ............................................................................. 12 1.3.3. Phân loại cho Điode ........................................................................... 13 vii Chương 2: TÌM HIỂU VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN ............ 14 2.1. Mạch khuếch đại ..................................................................................... 14 2.2. Nguyên lí xây dựng một tầng khuếch đại ............................................. 15 2.3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại ............................................. 16 2.3.1. Khuếch đại ở chế độ A ...................................................................... 16 2.3.2. Khuếch đại ở chế độ B ...................................................................... 17 2.3.3. Khuếch đại ở chế độ khóa hay còn gọi là chế độ đóng mở (chế độ D) .............................................................................................................................. 18 2.4. Mạch hồi tiếp ........................................................................................... 18 2.4.1. Định nghĩa .......................................................................................... 18 2.4.2. Phân loại ............................................................................................. 18 2.5. Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) ............................................... 19 2.5.1. Giới thiệu chung – Lịch sử ............................................................... 19 2.5.2. Chức năng, cấu tạo và ký hiệu ......................................................... 21 2.5.3. Nguyên lí hoạt động .......................................................................... 23 2.5.4. Phản hồi âm và các sơ đồ mắc mạch KĐTT ................................... 25 2.5.5. Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán ........................................... 27 2.6. Khuếch đại chọn lọc ở tần số thấp và tần số cao .................................. 31 Chương 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ ..................................................................................... 34 3.1. Sơ lược về phần mềm mô phỏng Proteus.............................................. 34 3.2. Tổng quan về IC LM 3915 ..................................................................... 36 3.2.1. Tìm hiểu IC LM 3915 ....................................................................... 36 3.2.2. Đặc thù và ứng dụng ......................................................................... 37 3.2.3. Cấu tạo và chức năng các chân IC .................................................. 38 3.2.4. Điện áp chuẩn bên trong IC ............................................................. 41 3.2.5. Điều khiển dòng ................................................................................. 41 3.2.6. Chức năng của chân Mode ............................................................... 42 3.3. Sơ đồ khối, chức năng và linh kiện sử dụng trong mạch .................... 43 3.3.1. Sơ đồ khối........................................................................................... 43 viii 3.3.2. Chức năng các khối ........................................................................... 44 3.3.3. Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch ............................................ 44 3.4. Sơ đồ nguyên lí và nguyên lí hoạt động của mạch ............................... 45 3.4.1. Sơ đồ nguyên lí của mạch ................................................................. 46 3.4.2. Nguyên lí hoạt động .......................................................................... 46 3.5. Mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus ............................................. 48 3.5.1. Mô hình mô phỏng trên Proteus ...................................................... 48 3.5.2. Kết quả mô hình mô phỏng .............................................................. 48 3.5.3. Lắp ráp mạch thực tế ........................................................................ 49 III. KẾT LUẬN .................................................................................................. 50 1. Kết luận ........................................................................................................... 50 2. Kiến nghị ......................................................................................................... 50 IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 50 1 I. MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Kĩ thuật điện tử hiện nay rất phát triển, nó được áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực như tự động hoá, sản xuất công nghiệp và trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng và nó thay thế các công việc của con người từ đồ chơi trẻ em, đồng hồ báo thức, điện thoại… cho đến phức tạp hơn như điều khiển đèn giao thông, điều khiển động cơ, các đồng hồ hiển thị số, hay bộ điều khiển từ xa…và nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp tiên tiến. Không những thế, kỹ thuật điện tử là ngành áp dụng công nghệ thông tin một cách mạnh mẽ, sử dụng nhiều phần mềm để trợ giúp con người thiết kế mô phỏng mạch điện tử trên máy tính một cách đơn giản hơn. Trong đó, một phần mềm được sử dụng rộng rãi là phần mềm Proteus. Proteus là một phần mềm chuyên dụng rất mạnh với giao diện thân thiện, cách sử dụng đơn giản. Nhờ vậy, mà chúng ta có thể vẽ mạch nguyên lí rất dễ dàng. Từ những ưu điểm và tầm quan trọng của ngành điện tử, vô tuyến điện trong cuộc sống hiện nay, đối với một sinh viên nói chung - là thế hệ tương lai của đất nước, chúng ta cần có những kiến thức căn bản về điện tử để có thể tiếp cận và sử dụng các thiết bị máy móc hiện đại trong công việc cũng như trong cuộc sống, biết được nguyên lí hoạt động của các linh kiện điện tử có thể giúp chúng ta khai thác hết chức năng hoạt động và bảo trì các thiết bị máy móc một cách tốt nhất. Là một sinh viên ngành sư phạm Vật Lý được học môn vô tuyến điện tử và được tìm hiểu về phần khuếch đại thuật toán, đó là một kiến thức mới đối với lĩnh vực sư phạm. Học phần này được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống nên càng làm tôi muốn nghiên cứu và đi sâu tìm hiểu vào cấu trúc bên trong cùng với các ứng dụng thực tế của nó…Ngoài ra, việc nắm được lý thuyết về môn học là rất quan trọng, tuy nhiên hiểu và chế tạo ra được một sản phẩm thí nghiệm từ lý thuyết lại 2 rất khó, cần phải đi sâu nghiên cứu và liên hệ với thực tiển. Vì vậy, tôi chọn đề tài “Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán để chế tạo mạch đèn led nháy theo nhạc” trong môn vô tuyến điện tử, một môn học được áp dụng rộng rãi trong cuộc sống, nhằm đi sâu nghiên cứu một phần nhỏ nguyên tắc cũng như ứng dụng của môn học này trên thực tế. Mạch điện tử này có ứng dụng nhiều trong cuộc sống, có thể nói hầu hết các chiếc amply bán ngoài thị trường đều có hỗ trợ mạch đèn led này, mạch còn sử dụng để trang trí chiếu sáng trên các bảng quảng cáo hay hiệu ứng phát sáng trên điện thoại di động và trong đồ chơi trẻ em..... 1.2. Mục tiêu của đề tài - Khảo sát một số linh kiện điện tử, tìm hiểu công dụng và chức năng của chúng. - Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch trên máy tính. - Lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc và nắm được nguyên lí hoạt động. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Bộ khuếch đại thuật toán và phần mềm điện tử Proteus để vẽ mạch điện. - Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán và cách lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc. 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu trên giáo trình, các trang wed điện tử về mô hình và cách lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: vẽ mô hình mạch trên phân mềm Proteus và lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc. 1.5. Lịch sử nghiên cứu - Đọc giáo trình vô tuyến điện tử của Ngạc Văn An, tham khảo sách và các trang wed điện tử tìm hiểu về các linh kiện, chất bán dẫn, mạch khuếch đại và bộ khuếch đại thuật toán từ đó nắm được lý thuyết để đi lắp rắp mạch đèn led nháy theo nhạc. 1.6. Đóng góp của đề tài 3 - Nghiên cứu đặc tính bộ khuếch đại thuật toán áp dụng lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc để kiểm tra sự khuếch đại ở tần số cao và tần số thấp, sự thu âm thanh và phát tín hiệu ra ở đèn. Đề tài được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống, trong thiết kế và trang trí, sử dụng trên bảng quảng cáo.... 1.7. Cấu trúc đề tài I. MỞ ĐẦU II. NỘI DUNG Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Chương 2: TÌM HIỂU MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Chương 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ III. KẾT LUẬN IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO II. NỘI DUNG 4 Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1. Một số linh kiện điện tử thụ động 1.1.1. Tụ điện Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv... ➢ Ký hiệu Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor). Thông thường nếu là tụ có cực tính thì trên ký hiệu sẽ có sự khác nhau giữa hai bản tụ, tụ không có cực tính thì trên ký hiệu hai bản tụ giống nhau. Hình 1.1: Ký hiệu của tụ điện ➢ Cấu tạo của tụ điện - Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. - Hình dáng thực tế của tụ điện: Hình 1.2(a): Tụ gốm Hình1.2(b): Tụ hoá ➢ Mắc tụ điện - Hai tụ điện mắc nối tiếp có điện dung tương đương Ctd được tính bởi công thức: hay Hình 1.3: Mắc nối tiếp 2 tụ điện Khi mắc nối tiếp thì điện áp cho phép (chịu đựng) của tụ tương đương bằng tổng điện áp chịu cho phép của các tụ cộng lại.++ Ctd C2C1 5 Utd = U1 + U2 Khi mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá ta cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ sau. Hình 1.4: Mắc song song các tụ điện - Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại: Ctd = C1 + C2 Hình 1.5(a): Mắc hai tụ không phân cực Hình 1.5(b): Mắc hai tụ phân cực 1.1.2. Điện trở Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. ➢ Điện trở của dây dẫn Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau: S L R Trong đó:ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu (Ωm) L là chiều dài dây dẫn (m) S là tiết diện dây dẫn (m2) R là điện trở đơn vị là (Ω-Ohm) ➢ Điện trở trong thiết bị điện tử Điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại, tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau. + Ký hiệu: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lí như sau: + C6 1uF + C5 1uF + C2 1uF Ctd C2 C1+ Ctd + C2 + C1 6 Hình 1.6: Ký hiệu điện trở Đơn vị điện trở: Ω, KΩ, MΩ, trong đó 1KΩ = 1000Ω 1MΩ = 1000000Ω + Phân loại: Các loại điện trở trong các mạch điện tử có thể phân loại theo công suất, theo độ chính xác, theo vật liệu chế tạo, theo hình dáng... Nếu phân loại theo công suất thì có các loại như sau: ❖ Loại 1: Các điện trở công suất lớn hơn 2W trở lên. Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ... Hình 1.7: Hình dạng thực của một điện trở công suất ❖ Loại 2: Điện trở thường là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W. Hình 1.8: Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu ❖ Loại 3: Các điện trở có công suất và kích thước rất nhỏ (loại điện trở dán SMD). Hình 1.9: Một cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD ➢ Cách mắc điện trở + Mắc kiểu nối tiếp 2 điện trở R1 và R2 được một điện trở tương đương R: R = R1+R2 + Mắc kiểu song song 2 điện trở được một điện trở tương đương R:R 1 = 1 1 R + 2 1 R ➢ Ứng dụng của điện trở R1 1k R2 1k 7 Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau: - Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp. Ví dụ: Có một bóng đèn 9V, nhưng ta chỉ có nguồn 12V, ta có thể đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V trên điện trở. - Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước. Hình 1.10: Mắc điện trở thành cầu chia áp Từ nguồn 12V ở trên thông qua cầu phân áp R1 và R2 ta lấy ra điện áp U1, áp U1 phụ thuộc vào giá trị hai điện trở R1 và R2.2 1 1 1 R R R UU Thay đổi giá trị R1 hoặc R2 ta sẽ thu được điện áp U1 theo ý muốn. 1.1.3. Biến trở Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần, giá trị có thể biến đổi được theo ý muốn. Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện. Có ký hiệu là VR chúng có hình dạng như sau: Hình 1.11: Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở 8 Chiết áp cũng tương tự biến trở nhưng có thêm cầu chỉnh và thường bố trí phía trước mặt máy cho người sử dụng điều chỉnh, như chiết áp Volume, chiết áp Bass... Chiết áp nghĩa là chiết ra một phần điện áp từ đầu vào tùy theo mức độ chỉnh. Hình 1.12: Ký hiệu và hình ảnh thực của chiết áp 1.1.4. Đèn led LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. ➢ Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn: + Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). + Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó). Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí. Do đó công nghệ trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu và phát triển. 9 Hình 1.13: Cấu tạo của điốt led ➢ Lớp tráng phủ: Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục đích: 1. Hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn. 2. Dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn. 3. Lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian. Chiết suất của vỏ nhựa sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí. Lý do thứ ba sẽ gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không khí. ➢ Tính chất: Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. Loại LED Điện thế phân cực thuận Đỏ 1,4 - 1,8V Vàng 2 - 2,5V Xanh lá cây 2 - 2,8V LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra. 1.2. Chất bán dẫn 1.2.1. Bán dẫn loại N 10 Hình 1.14: Chất bán dẫn loại N Giả sử trong mạng tinh thể của Si (hay Ge) có mật độ Nd nguyên tử của một nguyên tố nhóm V, ví dụ As có 5 electron hóa trị, trong tinh thể sẽ xuất hiện Nd trạng thái năng lượng ∆
Trang 1ỨNG DỤNG MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
ĐỂ CHẾ TẠO MẠCH ĐÈN LED NHÁY THEO NHẠC
Quảng Nam, tháng 4 năm 2015
Trang 2Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong khóa luận này là trung thực, được các tác giả cho phép sử dụng và chưa được công bố trong bất kì một công trình nào khác
Quảng Nam, tháng 04 năm 2016
Tác giả khóa luận
Đặng Thị Loan Loan
Trang 3Lời cảm ơn
Khóa luận của tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô giáo ThS Ngô Thị Hồng Nga Trước hết cho tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến với cô, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện khóa luận này
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường Đại Học Quảng Nam, các Thầy Cô giáo trong khoa Lý – Hóa – Sinh đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong khi thực hiện khóa luận này
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến các thành viên trong gia đình, người thân đã luôn động viên, đưa ra những lời khuyên trong những lúc tôi gặp khó khăn và cảm ơn các bạn học cùng lớp ĐH Vật Lý K12 đã có những ý kiến đóng góp trong quá trình thực hiện đề tài
Quảng Nam, tháng 04 năm 2016
Tác giả khóa luận
Đặng Thị Loan Loan
Trang 4DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH VẼ
Hình 1.7 Hình dạng thực của một điện trở công suất 6 Hình 1.8 Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu 6 Hình 1.9 Một cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD 6
Hình 1.11 Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở 8 Hình 1.12 Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở 8
Hình 2.1 Các thành phần của dòng điện ra và điện áp ra 16
Hình 2.3 Điểm làm việc ở chế độ B (a) cùng dạng sóng tương
ứng của dòng điện (b) và điện áp (c)
17
Hình 2.4 Sơ đồ khuếch đại với mạch phản hồi 18
Trang 5Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của một bộ KDTT 21
Hình 2.8 Đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở cảu KĐTT 24
Hình2.19(a) Sơ đồ mạch khuếch đại chọn lọc tần số thấp 31 Hình2.19(b) Đặc trưng tần số của bộ khuếch đại 32
Hình 2.21 Sơ đồ mạch khuếch đại OA có mạch phản hồi âm là
khung cộng hưởng mắc nối tiếp
Trang 6Hình 3.9 Sơ đồ mô tả chức năng chân mode 43
Hình 3.12 Kết quả mô phỏng mạch trên Proteus 48
Trang 7MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Lời cảm ơn ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH HÌNH VẼ iii
MỤC LỤC……….vi
I MỞ ĐẦU 1
1.1 Lí do chọn đề tài 1
1.2 Mục tiêu của đề tài 2
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
1.4 Phương pháp nghiên cứu 2
1.5 Lịch sử nghiên cứu 2
1.6 Đóng góp của đề tài 2
1.7 Cấu trúc đề tài 3
II NỘI DUNG 3
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 4
1.1 Một số linh kiện điện tử thụ động 4
1.1.1 Tụ điện 4
1.1.2 Điện trở 5
1.1.3 Biến trở 7
1.1.4 Đèn led 8
1.2 Chất bán dẫn 9
1.2.1 Bán dẫn loại N 9
1.2.2 Bán dẫn loại P 10
1.2.3 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 11
1.2.4 Tiếp xúc P-N 11
1.2.5 Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn 12
1.3 Điode bán dẫn 12
1.3.1 Cấu tạo, ký hiệu, công dụng 12
1.3.2 Nguyên lí làm việc 12
1.3.3 Phân loại cho Điode 13
Trang 8Chương 2: TÌM HIỂU VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 14
2.1 Mạch khuếch đại 14
2.2 Nguyên lí xây dựng một tầng khuếch đại 15
2.3 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại 16
2.3.1 Khuếch đại ở chế độ A 16
2.3.2 Khuếch đại ở chế độ B 17
2.3.3 Khuếch đại ở chế độ khóa hay còn gọi là chế độ đóng mở (chế độ D) 18
2.4 Mạch hồi tiếp 18
2.4.1 Định nghĩa 18
2.4.2 Phân loại 18
2.5 Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) 19
2.5.1 Giới thiệu chung – Lịch sử 19
2.5.2 Chức năng, cấu tạo và ký hiệu 21
2.5.3 Nguyên lí hoạt động 23
2.5.4 Phản hồi âm và các sơ đồ mắc mạch KĐTT 25
2.5.5 Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán 27
2.6 Khuếch đại chọn lọc ở tần số thấp và tần số cao 31
Chương 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ 34
3.1 Sơ lược về phần mềm mô phỏng Proteus 34
3.2 Tổng quan về IC LM 3915 36
3.2.1 Tìm hiểu IC LM 3915 36
3.2.2 Đặc thù và ứng dụng 37
3.2.3 Cấu tạo và chức năng các chân IC 38
3.2.4 Điện áp chuẩn bên trong IC 41
3.2.5 Điều khiển dòng 41
3.2.6 Chức năng của chân Mode 42
3.3 Sơ đồ khối, chức năng và linh kiện sử dụng trong mạch 43
3.3.1 Sơ đồ khối 43
Trang 93.3.2 Chức năng các khối 44
3.3.3 Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch 44
3.4 Sơ đồ nguyên lí và nguyên lí hoạt động của mạch 45
3.4.1 Sơ đồ nguyên lí của mạch 46
3.4.2 Nguyên lí hoạt động 46
3.5 Mô phỏng mạch trên phần mềm Proteus 48
3.5.1 Mô hình mô phỏng trên Proteus 48
3.5.2 Kết quả mô hình mô phỏng 48
3.5.3 Lắp ráp mạch thực tế 49
III KẾT LUẬN 50
1 Kết luận 50
2 Kiến nghị 50
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
Trang 10I MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài
Kĩ thuật điện tử hiện nay rất phát triển, nó được áp dụng rất nhiều vào các lĩnh vực như tự động hoá, sản xuất công nghiệp và trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Các hệ thống điện tử ngày nay rất đa dạng và nó thay thế các công việc của con người từ đồ chơi trẻ em, đồng hồ báo thức, điện thoại… cho đến phức tạp hơn như điều khiển đèn giao thông, điều khiển động cơ, các đồng hồ hiển thị số, hay bộ điều khiển từ xa…và nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp tiên tiến
Không những thế, kỹ thuật điện tử là ngành áp dụng công nghệ thông tin một cách mạnh mẽ, sử dụng nhiều phần mềm để trợ giúp con người thiết kế mô phỏng mạch điện tử trên máy tính một cách đơn giản hơn Trong đó, một phần mềm được sử dụng rộng rãi là phần mềm Proteus Proteus là một phần mềm chuyên dụng rất mạnh với giao diện thân thiện, cách sử dụng đơn giản Nhờ vậy, mà chúng
ta có thể vẽ mạch nguyên lí rất dễ dàng
Từ những ưu điểm và tầm quan trọng của ngành điện tử, vô tuyến điện trong cuộc sống hiện nay, đối với một sinh viên nói chung - là thế hệ tương lai của đất nước, chúng ta cần có những kiến thức căn bản về điện tử để có thể tiếp cận và sử dụng các thiết bị máy móc hiện đại trong công việc cũng như trong cuộc sống, biết được nguyên lí hoạt động của các linh kiện điện tử có thể giúp chúng ta khai thác hết chức năng hoạt động và bảo trì các thiết bị máy móc một cách tốt nhất
Là một sinh viên ngành sư phạm Vật Lý được học môn vô tuyến điện tử và được tìm hiểu về phần khuếch đại thuật toán, đó là một kiến thức mới đối với lĩnh vực sư phạm Học phần này được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống nên càng làm tôi muốn nghiên cứu và đi sâu tìm hiểu vào cấu trúc bên trong cùng với các ứng dụng thực tế của nó…Ngoài ra, việc nắm được lý thuyết về môn học là rất quan trọng, tuy nhiên hiểu và chế tạo ra được một sản phẩm thí nghiệm từ lý thuyết lại
Trang 11rất khó, cần phải đi sâu nghiên cứu và liên hệ với thực tiển Vì vậy, tôi chọn đề tài
“Ứng dụng mạch khuếch đại thuật toán để chế tạo mạch đèn led nháy theo
nhạc” trong môn vô tuyến điện tử, một môn học được áp dụng rộng rãi trong cuộc
sống, nhằm đi sâu nghiên cứu một phần nhỏ nguyên tắc cũng như ứng dụng của môn học này trên thực tế Mạch điện tử này có ứng dụng nhiều trong cuộc sống,
có thể nói hầu hết các chiếc amply bán ngoài thị trường đều có hỗ trợ mạch đèn led này, mạch còn sử dụng để trang trí chiếu sáng trên các bảng quảng cáo hay hiệu ứng phát sáng trên điện thoại di động và trong đồ chơi trẻ em
1.2 Mục tiêu của đề tài
- Khảo sát một số linh kiện điện tử, tìm hiểu công dụng và chức năng của chúng
- Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng mạch trên máy tính
- Lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc và nắm được nguyên lí hoạt động
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bộ khuếch đại thuật toán và phần mềm điện tử Proteus để vẽ mạch điện
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán và cách lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: nghiên cứu trên giáo trình, các trang wed điện tử
về mô hình và cách lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: vẽ mô hình mạch trên phân mềm Proteus và lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc
1.5 Lịch sử nghiên cứu
- Đọc giáo trình vô tuyến điện tử của Ngạc Văn An, tham khảo sách và các trang wed điện tử tìm hiểu về các linh kiện, chất bán dẫn, mạch khuếch đại và bộ khuếch đại thuật toán từ đó nắm được lý thuyết để đi lắp rắp mạch đèn led nháy theo nhạc
1.6 Đóng góp của đề tài
Trang 12- Nghiên cứu đặc tính bộ khuếch đại thuật toán áp dụng lắp ráp mạch đèn led nháy theo nhạc để kiểm tra sự khuếch đại ở tần số cao và tần số thấp, sự thu
âm thanh và phát tín hiệu ra ở đèn Đề tài được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống, trong thiết kế và trang trí, sử dụng trên bảng quảng cáo
1.7 Cấu trúc đề tài
I MỞ ĐẦU
II NỘI DUNG
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
Chương 2: TÌM HIỂU MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
Chương 3: SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTEUS ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ LẮP RÁP MẠCH THỰC TẾ
III KẾT LUẬN
IV TÀI LIỆU THAM KHẢO
II NỘI DUNG
Trang 13Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1 Một số linh kiện điện tử thụ động
1.1.1 Tụ điện
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động vv
➢ Ký hiệu
Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor) Thông thường nếu là tụ có cực tính thì trên
ký hiệu sẽ có sự khác nhau giữa hai bản tụ, tụ không có cực tính thì trên ký hiệu hai bản tụ giống nhau
Hình 1.1: Ký hiệu của tụ điện
➢ Cấu tạo của tụ điện
- Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi
Hình 1.3: Mắc nối tiếp 2 tụ điện
• Khi mắc nối tiếp thì điện áp cho phép (chịu đựng) của tụ tương đương bằng tổng điện áp chịu cho phép của các tụ cộng lại
Ctd C2 C1
Trang 14Utd = U1 + U2
• Khi mắc nối tiếp các tụ điện, nếu là các tụ hoá ta cần chú ý chiều của tụ điện, cực âm tụ trước phải nối với cực dương tụ sau
Hình 1.4: Mắc song song các tụ điện
- Các tụ điện mắc song song thì có điện dung tương đương bằng tổng điện dung của các tụ cộng lại: Ctd = C1 + C2
Hình 1.5(a): Mắc hai tụ không phân cực Hình 1.5(b): Mắc hai tụ phân cực
1.1.2 Điện trở
Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là
vô cùng lớn
➢ Điện trở của dây dẫn
Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, độ dài và tiết diện của dây, được tính theo công thức sau:
S
L
R
• Trong đó:ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu (Ωm)
• L là chiều dài dây dẫn (m)
• S là tiết diện dây dẫn (m2)
• R là điện trở đơn vị là (Ω-Ohm)
➢ Điện trở trong thiết bị điện tử
Điện trở được làm từ hợp chất cacbon và kim loại, tuỳ theo tỷ lệ pha trộn
mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau
+ Ký hiệu: Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lí như sau:
+
C6 1uF +
C5 1uF +
C2 1uF
Ctd
C2
C1
+Ctd+C2+C1
Trang 15❖ Loại 1: Các điện trở công suất lớn hơn 2W trở lên Ví dụ như các điện trở công suất, điện trở sứ
Hình 1.7: Hình dạng thực của một điện trở công suất
❖ Loại 2: Điện trở thường là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W
Hình 1.8: Hình dạng thực của loại điện trở 4 vạch màu
❖ Loại 3: Các điện trở có công suất và kích thước rất nhỏ (loại điện trở dán SMD)
Hình 1.9: Một cách ghi ký hiệu giá trị trên điện trở SMD
➢ Cách mắc điện trở
+ Mắc kiểu nối tiếp 2 điện trở R1 và R2 được một điện trở tương đương R:
R = R1+R2 + Mắc kiểu song song 2 điện trở được một điện trở tương đương R:
R
1 =
Trang 16Điện trở có mặt ở mọi nơi trong thiết bị điện tử và như vậy điện trở là linh kiện quan trọng không thể thiếu được, trong mạch điện, điện trở có những tác dụng sau:
- Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp Ví dụ: Có một bóng đèn 9V, nhưng
ta chỉ có nguồn 12V, ta có thể đấu nối tiếp bóng đèn với điện trở để sụt áp bớt 3V trên điện trở
- Mắc điện trở thành cầu phân áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước
Hình 1.10: Mắc điện trở thành cầu chia áp
• Từ nguồn 12V ở trên thông qua cầu phân áp R1 và R2 ta lấy ra điện
áp U1, áp U1 phụ thuộc vào giá trị hai điện trở R1 và R2
2 1
1 1
R R
R U U
Có ký hiệu là VR chúng có hình dạng như sau:
Hình 1.11: Ký hiệu và hình ảnh thực của biến trở
Trang 17Chiết áp cũng tương tự biến trở nhưng có thêm cầu chỉnh và thường bố trí phía trước mặt máy cho người sử dụng điều chỉnh, như chiết áp Volume, chiết áp Bass Chiết áp nghĩa là chiết ra một phần điện áp từ đầu vào tùy theo mức độ chỉnh
Hình 1.12: Ký hiệu và hình ảnh thực của chiết áp
1.1.4 Đèn led
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n
➢ Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn:
+ Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)
+ Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên
tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)
Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí Do đó công nghệ trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu
và phát triển
Trang 18Hình 1.13: Cấu tạo của điốt led
➢ Lớp tráng phủ:
Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục đích:
1 Hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn
2 Dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn
3 Lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian Chiết suất của vỏ nhựa sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí
Lý do thứ ba sẽ gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài không khí
➢ Tính chất:
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn
Trang 19Hình 1.14: Chất bán dẫn loại N
Giả sử trong mạng tinh thể của Si (hay Ge) có mật độ Nd nguyên tử của một nguyên tố nhóm V, ví dụ As có 5 electron hóa trị, trong tinh thể sẽ xuất hiện Ndtrạng thái năng lượng ∆𝐸𝑑 định xứ trong miền cấm gần đáy miền dẫn
Mỗi nguyên tử Si có 4 electron hóa trị góp vào mối liên kết đồng hóa trị với
4 nguyên tử Ge khác trong mạng tinh thể Nếu nguyên tử As thay thế nguyên tử Si trong mạng thì 4 electron hóa trị của As sẽ tham gia vào 4 mối liên kết với các nguyên tử Si Electron hóa trị thứ 5 của As liên kết lỏng lẻo với hạt nhân của nó, nhưng vì nằm trong môi trường có Si hằng số điện môi cao nên mối liên kết giữa electron và hạt nhân rất yếu Electron e- này sẽ bức ra khỏi mạng tinh thể và trở thành electron tự do và là phần tử tải điện Khi này, chất bán dẫn có số điện tử nhiều hơn so với lỗ trống Độ chênh lệch chính là nồng độ tạp chất thêm vào Chất bán dẫn như vậy gọi là chất bán dẫn loại N
1.2.2 Bán dẫn loại P
Hình 1.15: Chất bán dẫn loại P
Từ chất bán dẫn tinh khiết ban đầu ta pha tạp vào chất nhóm có 3 điện tử hóa trị, chẳng hạn như Bo, Al, Ga…vào mạng tinh thể Si Cũng như trên, các
Trang 20nguyên tử tạp chất nhóm 3 này sẽ thay thế tại vị trí các nút mạng của các nguyên
tử Ge hóa trị 4 Để thực hiện đủ 4 liên kết của vai trò một nguyên tử nhóm 4 thì
Bo phải mượn 1 điện tử của một liên kết Si-Si trong mạng tinh thể này Khi đó sẽ
để lại hậu quả là một lỗ trống tại liên kết Si-Si này Lỗ trống này là lỗ trống tự do
và tham gia làm phần tử tải điện chính Mật độ lỗ trống được tạo thành chính là nồng độ tạp chất pha vào Chất bán dẫn như vậy gọi là chất bán dẫn loại P
1.2.3 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn
Công thoát của electron trong chất bán dẫn nhỏ hơn trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại sẽ dễ hơn electron từ kim loại sang bán dẫn
N, tạo nên điện trường tiếp xúc Etx, không cho electron từ bán dẫn N tiếp tục sang kim loại Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N
Khi đặt một điện trường ngoài vào tiếp xúc kim loại – bán dẫn sẽ cho dòng điện từ kim loại qua bán dẫn N Lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao
Hình 1.16: Tiếp xúc kim loại – bán dẫn
N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số,vùng này có điện trở lớn
Trang 21Khi đặt tiếp xúc P – N vào điện trường ngoài:
+ Engoài ngược chiều với Etx: Làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại, cho dòng điện I qua từ P sang N
+ Engoài cùng chiều Etx: Không có dòng điện I qua tiếp xúc P – N từ N sang P
1.2.5 Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn
Xét lớp điện môi SiO2, khi chưa đặt điện áp ngoài vào hai cực AB thì không xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: Electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong khi gần kim loại có điện tích âm
Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: Hai bên lớp điện môi SiO2hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua
Điốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao
Ở đây, ta xét điốt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N
Trang 22Điốt có hai chế độ làm việc: Chế độ thuận và chế độ ngược, gọi UAK là điện
áp đặt vào hai đầu điốt, UD là điện áp ngưỡng của điốt (điện áp rơi)
➢ Chế độ thuận: Là chế độ có UAK > UD
Điốt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): rd = dU/dI ( cỡ vài Ohm), trong chế độ thuận:
UAK = UD + rdi Tức là điốt tương đương với điện trở rd mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động UD.
➢ Chế độ ngược: Đối với UAK ≤ UD.
Dòng cực nhỏ cỡ vài nano Ampe chạy qua điốt Điện trở điốt lúc này cỡ vài chục mêga Ohm Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua Trong chế độ ngược, điốt tương đương công tắc hở mạch
1.3.3 Phân loại cho Điode
Người ta có thể phân loại điốt tùy theo quan điểm khác nhau:
- Theo đặc điểm cấu tạo: Điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt
- Theo vật liệu sử dụng: Điốt Ge, điốt Si
- Theo tần số sử dụng: Điốt cao tần, điốt tần số thấp
- Theo công suất: Điốt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ
- Theo nguyên lí hoạt động: Điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (Zener), điốt biến dung (Varicap), điốt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel)
1.3.3.1 Phân cực thuận
Hình 1.19: Phân cực thuận cho Điôt
Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào Katôt (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện
Trang 23thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữa hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)
Diode (Si) phân cực thuận, khi Diode dẫn điện áp thuận được ghim ở mức 0,6V
=>Kết luận: Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, nếu áp phân cực thuận đạt 0,6V thì
có dòng đi qua Diode, sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V
1.3.3.2 Phân cực ngược
Hình 1.20: Phân cực ngược cho Điôt
Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫnN),nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng
Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngược tăng ≥1000V
CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
2.1 Mạch khuếch đại
Trang 24Bộ khuếch đại là một thiết bị biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà dạng của tín hiệu không thay đổi
Khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng của nguồn cung cấp một chiều được biến đổi thành năng lượng xoay chiều
có quy luật giống như quy luật của tín hiệu điều khiển
Một mạch khuếch đại thường nhiều tầng, mỗi tầng gồm một số linh kiện, có thể phân theo nhiệm vụ của nó:
- Khuếch đại điện áp
- Khuếch đại công suất
- Khuếch đại dòng một chiều (các tín hiệu một chiều)
Hoặc phân loại theo dải tầng hoạt động:
- Khuếch đại tần số thấp (vài Hz đến vài chục Hz)
- Khuếch đại tần số cao (vài chục KHz đến vài ngàn MHz)
Hoặc phân theo chế độ hoạt động:
- Khuếch đại hạng A:
+ Ưu điểm: Điểm làm việc nằm trên phần thẳng của đặc tuyến, khuếch đại trung trực, dùng trong mạch khuếch đại điện áp
+ Khuyết điểm: Hiệu suất thấp do dòng I tiêu thụ lớn
- Khuếch đại hạng B: Điểm làm việc nằm ở gốc của đặc tuyến nên có một phầnnhỏ đặc tuyến nằm trên đoạn cong ở gốc Dùng trong các mạch khuếch đại công suất, hiệu suất lớn hơn nhiều ở chế độ A, có tín hiệu đến mạch thì dòng I mới đáng kể
- Khuếch đại hạng C: Điểm hoạt động nằm xa gốc của đặc tuyến, biên độ phải lớn hơn mạch mới khuếch đại được, hiệu suất lớn hơn ở chế độ B, độ méo dạng đáng kể
2.2 Nguyên lí xây dựng một tầng khuếch đại
Phần tử điều khiển (transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực gốc của nó, qua đó điều khiển quy luật biến đổi dòng điện của mạch ra Tại lối ra người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần
Trang 25Giả thiết, điện áp đặt vào cực B có dạng hình sin Ta thấy điện áp, dòng ra
ở mạch tỉ lệ với điện áp, dòng điện của tín hiệu vào Cụ thể là:
- Dòng điện ra coi như là tổng đại số của hai thành phần: thành phần một chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành phần xoay chiều do tín hiệu xoay chiều 𝑉𝑠 gây ra
- Điện áp ra 𝑈𝐶𝐸(𝑡)coi như là tổng của hai thành phần: thành phần một chiều 𝑈𝐶𝐸𝑄và thành phần xoay chiều 𝑈𝐶𝐸
Một điểm cần lưu ý là: Phải đảm bảo sao cho biên độ thành phần xoay chiều không vượt quá thành phần một chiều, nghĩa là 𝐼𝑂 > 𝐼𝑚, 𝑈𝑂 ≥ 𝑈𝑚 Nếu điều kiện này không được thỏa mãn thì dòng điện ở mạch ra trong từng khoảng thời gian nhất định sẽ bằng không và sẽ làm méo dạng tín hiệu ra
Minh họa như hình vẽ:
Hình 2.1: Các thành phần của dòng điện ra và điện áp ra
2.3 Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại
2.3.1 Khuếch đại ở chế độ A
Chọn điện áp phân cực sao cho điểm tĩnh Q nằm ở khoảng giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều (M, N lần lượt là giao điểm của đường thẳng tải với đặc tuyến ra ứng với dòng cực đại Imax và dòng cực tiểu Imin)
Hình vẽ:
Trang 26Hình 2.2: Điểm làm việc ở chế độ A
Đặc điểm của chế độ này là:
+ Khuếch đại trung thực, vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất
+ Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác 0, nghĩa là ngay ở trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kể Biên độ dòng điện xoay chiều lấy
ra (ICm, UCem) tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh Vì vậy, chế độ A có hiệu suất thấp
Chế độ A thường dùng trong tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ
Trang 27Đặc điểm của chế độ này:
+ Khi dòng điện vào hoặc điện áp vào có dạng hình sin thì dòng điện ra hoặc điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến trầm trọng
+ Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ gần bằng 0, do đó năng lượng tiêu thụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ Chỉ ở trạng thái động, dòng điện mới tăng dần theo biên độ tín hiệu vào Do đó, năng lượng tiêu thụ cũng tỉ lệ với biên độ tín hiệu xoay chiều lấy
ra Như vậy, chế độ B có hiệu suất cao
Chế độ B thường dùng trong tầng khuếch đại công suất (các tầng cuối của thiết bị khuếch đại) Để khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có hai vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kì (mạch push-pull)
Trên thực tế người ta còn dùng chế độ AB: điểm Q chọn trên điểm N và gần điểm này Lúc đó, phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm méo phi tuyến nhưng hiệu suất kém hơn ở chế độ AB
2.3.3 Khuếch đại ở chế độ khóa hay còn gọi là chế độ đóng mở (chế độ D)
Tầng khuếch đại làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập: Trạng thái khóa (hoặc trạng thái tắt) khi Q nằm dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hòa (hoặc trạng thái mở) khi Q trên điểm M (gần điểm C) Chế độ thường gặp ở các mạch xung
2.4 Mạch hồi tiếp
2.4.1 Định nghĩa
Hồi tiếp (phản hồi) là việc thực hiện truyền một phần hay toàn bộ tín hiệu đầu ra về đầu vào bộ khuếch đại Hồi tiếp sẽ cải thiện hầu hết các chỉ tiêu chất lượng của bộ khuếch đại và làm cho nó có một số tính chất đặc biệt
𝐾̇ = |𝐾|exp (𝑗𝜑𝑘) 𝐹̇ = |𝐹|exp (𝑗𝜑𝛽)
K = 𝑈𝑟/𝑈𝑣 ; F = 𝑈ℎ𝑡/𝑈𝑟
Hình 2.4:Sơ đồ khuếch đại với mạch phản hồi
Vì rằng K và F đều là phần tử phức phụ thuộc tần số nên cần chú ý độ phản hồi ở các vùng tần số khác nhau
Trang 28Hồi tiếp âm (negative feedback) Hồi tiếp dương (positive feedback) Hồi tiếp dương: Tín hiệu hồi tiếp đồng pha với tín hiệu vào, do đó sẽ làm tín hiệu vào mạnh lên Hồi tiếp dương làm bộ khuếch đại mất ổn định, thường được dùng trong các bộ tạo dao động
Hồi tiếp âm: Tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, nên làm yếu tín hiệu vào Được sử dụng để cải thiện chất lượng bộ khuếch đại nên được dùng rộng rãi
➢ Phân loại theo dạng tín hiệu:
Hồi tiếp một chiều Hồi tiếp xoay chiều Hồi tiếp âm một chiều dùng để ổn định chế độ công tác, còn hồi tiếp âm xoay chiều dùng để ổn định các tham số của bộ khuếch đại
➢ Phân loại theo mạch điện:
Phản hồi nối tiếp – điện áp
Phản hồi song song – điện áp
Phản hồi nối tiếp – dòng điện
Phản hồi song song – dòng điện
2.5 Mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp)
2.5.1 Giới thiệu chung – Lịch sử
Mạch khuếch đại thuật toán (gọi tắt là op-amp) là một mạch khuếch đại
"DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra
Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng
Trang 29Từ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại lượng khác Do đó, nó mới được đặt tên là "Mạch khuếch đại thuật toán" Đây
là thành phần cơ bản trong các máy tính tương tự, trong đó mạch khuếch đại thuật toán sẽ thực hiện các thuật toán như Cộng, Trừ, Tích phân và Vi phân vv Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng dụng khác ngoài các ứng dụng thuật toán Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được trình bày dưới dạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp với những linh kiện thực sự
Trong khi các mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên phát triển trên các đèn điện tử chân không, giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp (ICs), mặc dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử dụng nếu cần những tiện ích vượt quá tầm của các IC
Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi
từ cuối thập niên 1960, là các mạch sử dụng transistor lưỡng cực μA709 của hãng Fairchild, do BobWidlar thiết kế năm 1965; nó nhanh chóng bị thay thế bằng mạch
741, mạch này có những tiện ích tốt hơn, độ ổn định cao hơn và dễ sử dụng hơn Mạch μA741 đến nay vẫn còn được sản xuất, và có mặt khắp nơi trong lĩnh vực điện
tử - rất nhiều nhà chế tạo đã sản xuất ra các phiên bản khác của mạch này, nhưng vẫn tiếp tục thừa nhận con số ban đầu là "741" Những thiết kế tốt hơn đã được giới thiệu, một số dựa trên transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) và transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET(đầu thập niên 1980) Rất nhiều những linh kiện hiện đại này có thể thay thế được cho các mạch sử dụng 741,
mà không cần thay đổi gì, nhưng lại cho những hiệu năng tốt hơn
Các mạch khuếch đại thuật toán thường có những thông số nằm trong những giới hạn nhất định, và có những vỏ ngoài tiêu chuẩn, cùng với nguồn điện cung cấp tiêu chuẩn Chúng có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử; chỉ cần một
số ít linh kiện bên ngoài nó có thể thực hiện cả một dải rộng các tác vụ xử lý tín hiệu tương tự Rất nhiều mạch khuếch đại thuật toán tính hợp có giá chỉ chừng vài
Trang 30cent nếu mua với số lượng vừa phải, trong khi những mạch khuếch đại tích hợp hoặc rời rạc với những thông số kỹ thuật không tiêu chuẩn có thể có giá đến cả 100
dollar nếu đặt hàng số lượng ít
2.5.2 Chức năng, cấu tạo và ký hiệu
2.5.2.1 Chức năng
Khuếch đại thuật toán (KĐTT), còn gọi là OPAMP (viết tắc từ Operational Amplifier) là một bộ khuếch đại DC, có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp (IC)
Khuếch đại thuật toán thường được sử dụng để thực hiện các thuật toán trong máy tính tương tự cho nên gọi như vậy Ngày nay, KĐTT được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng từ DC đến hàng GHz như: tạo dao động, hạn chế, so sánh,…
2.5.2.2 Cấu tạo
Các mạch khuếch đại mạch toán thực nghiệm, được lắp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được trình bày dưới dạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp với những linh kiện thực sự
Hình 2.5: Cấu trúc cơ bản của một bộ KDTT
Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là các tầng khuếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hoặc khuếch đại vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra, cuối cùng là tầng đệm để khuếch đại dòng và có trở kháng
ra thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau