Bài Giảng Vi sai xử lý potx

Bài Giảng Vi sai xử lý Phần lớn các linh kiện điện tử đều được cấu tạo từ các chất bán dẫn gọi là linh kiện điện tử bán dẫn. Như vậy để xét cấu tạo nguyên lý hoat động của các linh kiện khác nhau thì ta phải xét các loại bán dẫn. * Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện: *.1> Chất bán dẫn thuần: Chất bán dẫ thuần được chế tạo từ Ge, Si (nhóm 4 trong bảng phân loại tuần hoàn). Mạng liên kết đồng hóa trị Si: - Ở -2730 C (00K) − e nằm trong mối liên kết bền vững. Độ linh động j=0. - Khi nhiệt độ tăng − e thu năng lượng đủ bứt ra trở thành điện tử tự do để lại lỗ trống. Điện tử hóa trị bên cạnh dễ dàng nhảy vào lấp lỗ trống và để lại lỗ trống chuyển động ngược chiều nhau. Tổng các dòng trong bán dẫn bằng không. - Nếu bắt microampe kế ta thấy có dòng rất nhỏ chạy qua chất bán dẫn. Nguyên nhân: các điện tử có sẵn trong chất bán dẫn chuyển động đến dương nguồn thì có bấy nhiêu điện tử đi khỏi âm nguồn để bù vào lỗ khuyết của mạng tinh thể. Chiều của dòng điện từ dương nguồn đến microampe kế qua bán dẫn đến âm nguồn. Với quá trình này làm tiêu hao năng lượng của nguồn. *.2> Chất bán dẫn tạp: Chất bán dẫn tạp là chất bán dẫn được tạo thành nhờ pha các nguyên tố nhóm III hoặc nhóm V vào. Bán dẫn tạp gồm có hai loại đó là: bán dẫn loại p và loại n. Bán dẫn loại n được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố nhóm V trong bảng phân loại tuần hoàn vào mạng liên kết của mạng tinh thể nguyên chất Silic. Do có 5 điện tích hóa trị nên khi liên kết trong mạng tinh thể Si thì có 4 điện tử liên kết còn một điện tử không liên kết trong mạng liên kết rất yếu với hạt nhân. Như vậy sau khi pha tạp nguyên tố nhóm V vào thì bán dẫn giàu điện tử. Chất pha tạp cho điện tử nên nguyên tử pha tạp gọi là Donor( chất cho). Tương tự như bán dẫn n bán dẫn p được tạo thành nhờ pha tạp nguyên tố nhóm III vào. Do có ba điện tử hóa trị nên khi pha tạp sẽ thiếu một điện tử tạo thành lỗ trống . Lỗ trống này sẽ hút các điện tử ở mạng liên kết tạo thành lỗ trống mới. Cứ như vậy các lỗ trong liên tục được hình thành. Bán dẫn sau khi pha tạp ta được một bán dẫn thiếu điện tử. Chất pha tạp nhận điện tử nên gọi là Acceptor (chất nhận). **> Tiếp giáp p-n: Bán dẫn p: lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số. Bán dẫn n: điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Khi cho hai bán dẫn p và n tiếp xúc nhau do chênh lệch về nồng độ pha tạp giữa hai bán dẫn nên co hiện tượng khuyếch tán hạt dẫn điện đa số về hai phía. Kết quả là để lại một lớp ion + và ion – trên bề mặt tiếp giáp gọi là lớp chuyển tiếp. Khi lớp chuyển tiếp được hình thành thì sự khuyếch tán của các hạt mang điện đa số bị cản trở nhưng điện trường trong có tác dụng hút các hạt thiểu số chuyển động trôi qua lớp chuyển tiếp và tạo thành dòng ng I còn chuyển động khuyếch tán của các hạt đa số tạo thành dòng thuận th I )( kt I . Tại tiếp giáp có sự cân bằng động như sơ đồ dưới đây: ⇒ cân bằng động. .0= ∑ i Muốn có dòng qua bán dẫn thì phải phá vỡ trạng thái cân bằng động. Muốn phá vỡ trạng thái cân bằng động bằng cách phân cực. **.1> Phân cực thuận, phân cực nghịch: **.1.1> Phân cực thuận: Nếu Ec>0.5V ngược chiều tr E làm cho bề dày lớp chuyển tiếp co lại, chiều cao hàng rào điện thế giảm đối với hạt dẫn đa số, chúng chuyển động sang phía đối diện tạo thành dòng th I gọi là )( ktE II . )1( 0 −= KT qV SE eII Trong đó: S I 0 : Dòng điện ngược bão hòa. **.1.2> Phân cực ngược: C E cùng chiều với tr E làm cho tr E tăng lên. Khi tr E tăng lên thì bề dày lớp chuyển tiếp tăng lên ngăn cản sự chuyển động của các hạt dẫn điện đa số. Dòng 0= kt I . Chỉ có các hạt thiểu số chuyển động về hai phía tạo thành dòng ng I . Chiều của Ing từ dương nguồn đến bán dẫn p qua bán dẫn n đến âm nguồn. Chỉ số của dòng ng I rất nhỏ vì các hạt thiểu số vốn có ở điều kiện thường rất ít. **.2> Đặc tuyến V-A của tiếp giáp p-n: **.3> Hiện tượng đánh thủng của tiếp giáp p-n: Nếu C E đủ lớn thì tr E tăng đủ mức làm cho vận tốc của các hạt dẫn qua lớp chuyển tiếp làm ion hóa các nguyên tử trong lớp chuyển tiếp tạo thành các cặp điện tử và điện tử trái dấu thứ cấp. Các điện tử, lỗ trống thứ cấp tiếp tục chuyển động làm ion hóa các nguyên tử khác. Hiện tượng này tạo ra số lượng hạt dẫn tăng vọt gọi là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ. Khi xảy hiện tượng đánh thủng do phân cực ngược hoặc dòng điện lớn khi phân cực thuận thì nhiệt lượng bề mặt lớp tiếp xúc tăng lên làm cho nhiệt độ tại tiếp xúc tăng lên. Nếu không cân bằng nhiệt( tỏa nhiệt ra môi trường) thi sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng về nhiệt do hiệu ứng nhiệt độ ( khi nhiệt độ tăng quá cao thì các điện tử thứ cấp sẽ bức ra tạo thành điện tử tự do. Chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện). Khi xảy ra hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ khi phân cực ngược thì khi cắt điện thì bề mặt tiếp xúc p-n trở lại bình thường. Nếu đánh thủng về nhiệt thì tiếp xúc p-n vẫn bị hủy hoại. Chính vì vậy những điôt, trasistor, dụng cụ bán dẫn nói chung làm việc với dòng điện lớn luôn luôn có kích thước bè mặt lớn để tăng cường diện tích bề mặt tỏa nhiệt, có thể gắn thêm phiến tản nhiệt nhất là những linh kiện công suất. **.4> Diode: Diode là linh kiện bán dẫn gồm một tiếp giáp p-n. Vì vậy, tính chất của một diode thường có đầy đủ tính chất của một tiếp giáp p-n. Ở đây ta chỉ xét diode chỉnh lưu. Trong mạch ta sử dụng diode chỉnh lưu nhưng giữ vai trò ghim áp như một diode Zenner. Muốn như vậy ta phải chọn điểm làm việc của diode sao cho khi dòng thay đổi lớn nhưng áp gần như không đổi. Như vậy, ta chọn điểm làm việc của diode nằm trong đoạn tuyến tính nhất của đặc tuyến truyền đạt (đoạn nằm trong gạch chéo ở đặc tuyến trên). Chương 1: Transistor lưỡng cực: (Bipolar Juntion Transistor) 1> Cấu tạo: BJT là một loại linh kiện bán dẫn gồm các lớp bán dẫn loại p và n đặt xen kẽ nhau trong cùng một đơn tinh thể bán dẫn. Các miền này được phân cách bởi hai lớp chuyển tiếp p-n. Tùy theo thứ tự bố trí các lớp bán dẫn p và n mà ta có BJT loại npn hay pnp. B C E E C B Tương ứng với mỗi miền là một cực của BJT. Miền bán dẫn ở giữa hai lớp chuyển tiếp p-n gọi là miền gốc (Base – B). Hai miền còn lại bất đối xứng sao cho một miền có khả năng kích hoạt các hạt tải điện vào miền Base, miền này là miền phát (Emitter-E), miền kia là miền thu (Collector-C) có khả năng nhận được tất cả các hạt điện kích từ miền Emitter sang Base. Nồng độ pha tạp của các miền khác nhau, trong đó: - Miền Emitter có nồng độ pha tạp lớn nhất, 19 10 ÷ 21 10 nguyên tử. - Miền Base có nồng độ pha tạp thấp nhất . Nồng độ pha tạp miền Base càng thấp càng lợi về hệ số truyền đạt. - Miền Collector có nồng độ pha tạp trung bình 13 10 ÷ 15 10 nguyên tử. Do có sự phân bố như vậy nên sẽ hình thành hai lớp chuyển tiếp pn gần nhau: - Chuyển tiếp Emitter( e J ) giữa miền E-B. - Chuyển tiếp Collector ( c J ) giữa miền C-B. 2> Nguyên lý làm việc và khả năng khuyếch đại: Tùy theo thứ tự sắp sếp các miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại là PNP hoặc NPN. Nguyên lý làm việc của 2 loại BJT này là giống nhau. Ta xét nguyên lý làm việc của NPN. 2.1> Nguyên lý làm việc: Xét BJT loại NPN: Khi chưa cấp áp nguồn tại các tiếp giáp p-n do có độ chênh lệch về nồng độ pha tạp giữa các miền mà sinh ra hiện tượng khuyếch tán ( sự khuyếch tán của các hạt điện tích (điện tử và lỗ trống)) nên bên trong nó hình thành hai lớp tiếp giáp e J và c J cân bằng động. Phân cực thuận cho tiếp giáp e J , tr E giảm chiều cao hàng rào thế đối với các hạt đa số giảm, − e vọt từ E sang B. Nếu C để hở mạch thì − e di chuyển từ E sang B như dòng phạt xạ bình thường của một điôt tạo thành dòng từ B sang E như một tiếp giáp p-n thông thường. Để − e được kéo sang miền C ta tăng ng E của tiếp giáp c J khi đó − e được ng E kéo sang C tạo thành dòng C I . Khi điện tử từ E sang B đại đa số đi thẳng về C tạo thành dòng C I một số ít được tái hợp tại B tạo thành dòng B I CBE III += 2.2> Chế độ làm việc của BJT: BJT có 3 chế độ àm việc đó là: ngưng dẫn, khuyếch đại, dẫn bão hòa. 2.2.1> Chế độ ngưng dẫn: Tiếp giáp C J và tiếp giáp E J phân cực ngược như hình vẽ. Ở chế độ này BJT được dùng như khóa điện tử. Ở chế độ này do tiếp giáp C J và tiếp giáp E J phân cực ngược nên chỉ có dòng phân cực ngược( dòng rò) rất nhỏ. Xem như không dòng chạy qua các tiếp giáp. Ở chế độ này BJT tắt tương ứng với khóa đóng. Điều kiện để BJT tắt là E J phân cực ngược. Vbe<=0 2.2.2> Chế độ dẫn khuyếch đại: Ở chế độ này tiếp giáp C J phân cực ngược và tiếp giáp E J được phân cực thuận như hình vẽ. Tiếp giáp E J được phân cực thuận nên hàng rào thế đối với các hạt dẫn đa số giảm. − e từ E vọt sang B và lỗ trông chuyển dời từ B sang E. Do bề dày miền B rất nhỏ nên phần lớn điện tử từ miền E sang đều tập trung tại tiếp giáp C J tạo ra dòng E I rất lớn. Một phần điện tử từ miền E sang miền B được tái hợp tạo thành dòng B I . Tiếp giáp C J phân cực ngược nên kéo các hạt dẫn thiểu số ở vùng B là điện tử (do vùng B là bán dẫnloại p) sang vùng C tạo nên dòng C I . Như vậy dòng E I gồm hai thành phần đó là dòng B I và dòng C I . Do nồng độ pha tạp của miền B rất nhỏ so với miền E nên dòng E I rất lớn so với dòng B I vì thế có thể xem EC II = . Chế độ này được sử dụng rộng rải trong kỹ thuật mạch tương tự. Như vậy để BJT làm việc ở chế độ khuyếch đại thì tiếp giáp E J phân cực thuận, C J phân cực ngược. Hệ thức liên hệ giữa các dòng điện: CBE III += Hệ thức truyền đạt dòng điện: E C I I = α Hệ số khuyếch đại dòng điện: B C I I = β Mối quan hệ giữa α và β: 1+ = α α β 2.2.3> Chế độ dẫn bão hòa: Ở chế độ này E J và C J đều phân cực thuận. Điều kiện để BJT dẫn bão hòa là: min β c b i i ≥ 3> Các sơ đồ ghép của BJT và đặc tuyến của BJT: Có ba dạng mạch dựa theo cách mắc Emitter chung, Base chung, Collector chung. 3.1> Cách mắc EC: Transistor dược mắc theo kiểu Emitter chung (EC) nghĩa là cực E dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu vào được đưa vào cực B và E còn tín hiệu ra lấy trên cực C và E. Sơ đồ này cho ta hệ số khuyếch đại điện áp lớn, hệ số khuyếch đại dòng lớn , trở kháng vào có giá trị trung bình. Tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào. Trong ba sơ đồ thì sơ đồ EC là sơ đồ có hế số khuyếch đại dòng, khuyếch đại áp lớn nhất, hệ số khuyếch đại công suất lớn. Trở kháng vào ra có giá tri trung bình thuận tiện cho việc ghép tải và nguồn tín hiệu. Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm đó là dễ bị tác động của nhiễu. Cần phải có mạch ổn định. Sơ đồ mạch: Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa dòng vào b i và điện áp vào )( constVV CEBE = . constVVfi CEBEb == )( Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra c i và điện áp ra )( constiV bCE = . constiVfi bCEc == )( Đặc tuyến truyền đạt: Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng ra và dòng vào )( bc ifi = . bc ii . β = 3.2> Cách mắc BC: Transistor mắc kiểu Base chung (BC) là cực B được dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Tín hiệu ra lấy trên cực B và cực C. Tín hiệu được đưa vào cực B và cực E. Hệ số khuyếch đại điện áp lớn, không có khuyếch đại về dòng điện (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất trung bình. Trở kháng ra lớn, trở kháng vào nhỏ, điện áp vào cùng pha với tín hiệu vào. Sơ đồ này được dùng trong khuyếch đại điện áp cao tần. Sơ đồ mạch: Đặc tuyến ngõ vào: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng vào b i và điện áp vào BE V khi constV CB = . constVVfi CBEBb == )( Đặc tuyến ngõ ra: Biễu diễn mối quan hệ giữa dòng ra c i và áp ra CE V khi consti E = . constiVfi ECBc == )( 3.3> Cách mắc CC: Transistor mắc kiểu C chung là cực C dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. Dòng và điện áp vào được đưa vào cực B và cực C. Dòng và điện áp ra được lấy ra ở cực E và cực C. Hệ số khuyếch đại dòng lớn không có khuyếch đại về điện áp (hệ số khuyếch đại <1), hệ số khuyếch đại công suất trung bình. Trở kháng ra nhỏ, trở kháng vào lớn, tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào. Sơ đồ này thường được dùng phối hợp trở kháng tải thấp với nguồn tín hiệu có trở kháng cao. Thường dùng làm bộ khuyếch đại đệm. Sơ đồ mạch: [...]... VCE 0 (co sai khong, vi sao vce>vce0…) 4.3> Công suất tiêu tán cực đại tại cực C ( PC max ): Khi dòng chạy qua tiếp xúc J C thì sẽ làm nóng cực C với công suất PC = VCE I C Khi BJT làm vi c với PC > PC max thị BJT bị quá nhiệt và dễ bị hỏng vĩnh vi n Tóm lại, không được để BJT làm vi c quá lâu nên để BJT làm vi c với PC < PC max 4.4> Thông số cơ bản của BJT: Xét mô hình BJT tham số vật lý Vì miền... vật lý là: 5> Phân cực và ổn định điểm làm vi c: 5.1> Phân cực: Về nguyên tắc, vi c phân cực cho BJT làm vi c trong chế độ khuyếch đại phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Tiếp giáp J E phân cực thuận và tiếp giáp J C phân cực nghịch - Dòng iC phải lớn hơn rất nhiều so với dòng ngược iC 0 - Phải đảm bảo các yêu cầu về công suất, nhiệt độ Mạch phân cực là mạch chia điện áp ở các cực E, B, C để BJT làm vi c... transistor làm vi c ở điều kiện I C > I C max thì hệ số β bị giảm mạnh Do đó, để có hệ số ß đủ lớn khi chọn dòng làm vi c I C nên lấy I C < I C max 4.2> Điện áp đánh thủng VCE 0 : Khi điện áp VCE > VCE 0 thì transistor bị đánh thủng, dòng I E ( hay I C ) tăng cao, đây là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ Trasistor bị đánh thủng thường bị hỏng vĩnh vi n hoặc tính năng yếu Do đó, lúc làm vi c transistor... điểm làm vi c tĩnh Q Để biên độ VCE lớn nhất thì chọn VCE nằm giữa đoạn (0, VCEQ ) Do đó điểm tĩnh Q nằm giữa đường tải động Sau khi đã chọn được điểm tĩnh ta sẽ thiết lập vị trí của nó trên thực tế bằng cách: Đặt lên các cực BJT những điện áp một chiều vấn đề còn lại là ổn định điểm làm vi c tĩnh để đảm bảo yêu cầu chất lượng của mạch 5.3> Hiện tượng trôi điểm làm vi c: Đặc tính của BJT làm vi c trong... điểm làm vi c tĩnh Do đó, ổn định điểm làm vi c chỉ có độ ổn định dòng I C 0 là có lợi hơn vì khi β hay nhiệt độ thay đổi thì điểm làm vi c không đổi, chỉ có dòng I C 0 thay đổi Nếu biết được quan hệ I C = f (V BE , I C 0 , β ) của mạch thì ta có thể tính toán được lượng thay đổi của I C theo các tham số của nó như biểu thức sau: ∂I C ∂I ∂I ∆I C 0 + C ∆β + C ∆V BE ∂I C 0 ∂β ∂V BE Các thành phần vi phân... tác 5.2> Đường tải tĩnh và điểm làm vi c: Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của BJT để nghiên cứu dòng điện và điện áp ra tĩnh khi nó mắc trong mạch cụ thể nào đó (Khi có tải) ⇒ Khi tín hiệu vào vi = 0 thì các dòng I B , I C , I E là các dòng tải tĩnh, điện áp tại các cực B, C, E là điện áp cố định Trạng thái tĩnh này gọi là trạng thái tĩnh một chiều Khi vi ≠ 0 thì các giá trị dòng điện và... gọi là trạng thái tĩnh một chiều Khi vi ≠ 0 thì các giá trị dòng điện và điện áp đầu vào và đầu ra biến thiên trong phạm vi nhỏ quanh giá trị tĩnh ban đầu Để khảo sát mạch ta phải sử dụng chế độ xoay chiều khi đó đường tải tĩnh sẽ dốc hơn và đi qua điểm làm vi c tĩnh Q Điểm làm vi c tĩnh là điểm nằm trên đường tải xác định dòng điện và điện áp trên transistor khi không có tín hiệu đặt vào, nghĩa là... S: ∆I C 1+ β ST = = ∆I ∆I CB0 1− β B ∆I C S càng nhỏ thì BJT càng ổn định nhiệt Để điểm làm vi c tĩnh ổn định thì khi phân cực phải làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ 6> Sơ đồ cung cấp và ổn định nhiệt cho BJT: 6.1> Cung cấp và ổn định điểm làm vi c bằng hồi tiếp âm dòng điện một chiều: Xét sơ đồ EC: Dùng định lý Thyvenin ta có sơ đồ tương đương như hình trên Phương trình mạch chân B: V B − V BE − I b... ht (1 + K K ht ) (1 + K K ht ) 2 = ∆K n K K ht ∆K ht 1 ∆K − + K n 1 + K K ht K ht 1 + K K ht K Biểu thức trêncho thấy: Sai số tương đối của hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm nhỏ hơn (1+K.Kht) lần so với sai số tương đối của hệ số khuyếch đại khi không có hồi tiếp âm Trong khi đó, sai số của Kn và Kht của bộ khuyếch đại có hồi tiếp và không hồi tiếp là như nhau Vì vậy, để có bộ khuyếch đại chính xác,... (1 + β ).R E = 0 VCC − V BE ⇒ IB = R B + (1 + β ) RE I C = β I B Phương trình điện áp cực C: VCC − I C RC − VCE − I E R E = 0 VCE = VCC − I C ( RC + RE ) coi I C ≈ I E Để BJT làm vi c được thì V BE = 0,6 ÷ 0,7V Điểm làm vi c tĩnh Q (VCE , I C ) Từ (1) ⇒ V BE = VCC − I C ( RC + R E ) Khi các dòng I B , I C , I E tăng do nhiệt độ thì V BE giảm Khi V BE giảm (áp phân cực giảm) dòng I B giảm kéo theo . Bài Giảng Vi sai xử lý Phần lớn các linh kiện điện tử đều được cấu tạo từ các chất bán dẫn gọi là linh kiện điện tử bán dẫn. Như vậy để xét cấu tạo nguyên lý hoat động của các. giữa miền C-B. 2> Nguyên lý làm vi c và khả năng khuyếch đại: Tùy theo thứ tự sắp sếp các miền bán dẫn mà ta chia BJT thành hai loại là PNP hoặc NPN. Nguyên lý làm vi c của 2 loại BJT này là. hoặc NPN. Nguyên lý làm vi c của 2 loại BJT này là giống nhau. Ta xét nguyên lý làm vi c của NPN. 2.1> Nguyên lý làm vi c: Xét BJT loại NPN: Khi chưa cấp áp nguồn tại các tiếp giáp p-n do có