Cơ Sở Điện Tử - Kỹ Thuật Ngành Điện Tử part 1 potx

Chương MỞ ĐẦU Kỹ thuật điện tử tin học ngành mũi nhọn phát triển Trong khoảng thời gian tương đối ngắn (so với ngành khoa học khác), từ đời tranzito (1948), có tiến nhảy vọt, mang lại nhiều thay đối lớn sâu sắc hầu hết lĩnh vực đời sống, dần trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm tự động hóa phần hồn tồn, tin học hố, phương pháp cơng nghệ vật liệu mới) Để bước đầu làm quen với vấn đề ngành mang ý nghĩa đại cương, chương mở đầu đề cập tới khái niệm sở nhập môn giới thiệu cấu trúc hệ thống điện tử điển hình 1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.1.1 Điện áp dịng điện Có hai khái niệm định lượng mạch điện Chúng cho phép xác định trạng thái điện điểm, phận khác vào thời điểm khác mạch điện chúng gọi thông số trạng thái mạch điện Khái niệm điện áp rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu số điện hai điểm khác mạch điện Thường điểm mạch chọn làm điểm gốc có điện (điểm nối đất) Khi đó, điện điểm khác mạch có giá trị âm hay dương mang so sánh với điểm gốc hiểu điện áp điểm tương ứng Tổng quát hơn, điện áp hai điểm A B mạch (ký hiệu UAB)xác định bởi: UAB = VA - VB = -UBA Với VA VB điện A B so với gốc (điểm nói đất hay cịn gọi nối mát) Khái niệm dòng điện biểu trạng thái chuyển động hạt mang điện vật chất tác động trường hay tồn gradien nồng độ hạt theo khơng gian Dịng điện mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương thấp ngược với chiều chuyển động điện tử Từ khái niệm nêu trên, cần rút nhận xét quan trọng sau: a) Điện áp đo hai điểm khác mạch dòng điện xác định điểm mạch b) Để bảo tồn điện tích, tổng giá trị dòng điện vào điểm mạch ln tổng giá trị dịng điện khỏi điểm (quy tắc nút với dịng điện) Từ suy ra, đoạn mạch gồm phần tử nối tiếp dịng điện điểm c) Điện áp hai điểm A B khác mạch đo theo nhánh có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh 1.1.4) nối A B giống UAB Nghĩa điện áp đầu nhiều phần tử hay nhiều nhánh nối song song với nhau (Quy tắc vịng điện áp) 1.1.2 Tính chất điện phần tử (Ghi chú: khái niệm phần tử tổng quát, đại diện cho yếu tố cấu thành mạch điện hay tập hợp nhiều yếu tố tạo nên phận mạch điện Thông thường, phần tử linh kiện mạch) Định nghĩa: Tính chất điện phần tử mạch điện thể qua mối quan hệ tương hỗ điện áp U hai đầu dịng điện I chạy qua định nghĩa điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) phần tử Nghĩa khái niệm điện trở gắn liền với trình biến đổi điện áp thành dòng điện ngược lại từ dòng điện thành điện áp a) Nếu mối quan hệ tỉ lệ thuận, ta có định luật ôm: U = R.I (1-1) Ở đây, R số tỷ lệ gọi điện trở phần tử phần tử tương ứng gọi điện trở Hình 1.1 Các dạng điện trở, biến trở b) Nếu điện áp phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian dịng điện nó, tức : U=L dI dt (ở L số tỉ lệ) (1-2) ta có phần tử cuộn dây có giá trị điện cảm L Hình 1.3 Cuộn cảm, biến áp mạch điện tử c) Nếu dòng điện phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian điện áp nó, tức là: I=C dU (ở C số tỷ lệ) dt (1-3) ta có phần tử tụ điện có giá trị điện dung C d) Ngoài quan hệ nêu trên, thực tế tồn nhiều quan hệ tương hỗ đa dạng phức tạp điện áp dòng điện phần tử Các phần tử gọi chung phần tử khơng tuyến tính có nhiều tính chất đặc biệt Điện trở chúng gọi chung điện trở phi tuyến, điển hình đốt, tranzito, thiristo đề cập tới phần tiếp sau Các tính chất quan trọng phần tử tuyến tính là: a) Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể qua quan hệ U(I)) đường thẳng b) Tuân theo nguyên lý chồng chất Tác động tổng cộng tổng tác động riêng lẻ lên Đáp ứng tổng cộng (kết chung) tổng kết thành phần tác động thành phần gây c) Không phát sinh thành phần tần số lạ làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) Đối lập với phần tử tuyến tính phần tử phi tuyến có tính chất sau: Hình 1.2 Tụ điện thực tế a) Đặc tuyến VA đường cong (điện trở thay đổi theo điểm làm việc) b) Không áp dụng nguyên lý chồng chất c) Luôn phát sinh thêm tần số lạ đầu có tín hiệu xoay chiều tác động đầu vào Ứng dụng - Các phần tử tuyến tính (R, L, C), có số ứng dụng quan trọng sau: a) Điện trở thông số đặc trưng cho tượng tiêu hao lượng (chủ yếu dạng nhiệt) thơng số khơng qn tính Mức tiêu hao lượng điện trở đánh giá công suất nó, xác định bởi: P = U.I = I2R = U2/R ( 1-4) Trong đó, cuộn dây tụ điện phần tử khơng tiêu hao lượng (xét lý tưởng) có quán tính Chúng đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường hay điện trường mạch có dịng điện hay điện áp biến thiên qua chúng Ở đây, tốc độ biến đổi thông số trạng thái (điện áp, dịng điện) có vai trị định giá trị trở kháng chúng, nghĩa chúng có điện trở phụ thuộc vào tần số (vào tốc độ biến đổi điện áp hay dòng điện tính đơn vị thời gian) Với tụ điện, từ hệ thức (1-3), dung kháng giảm tăng tần số ngược lại với cuộn dây, từ (1-2) cảm kháng tăng theo tần số b) Giá trị điện trở tổng cộng nhiều điện trở nối tiếp lớn có tính chất cộng tuyến tính Điện dẫn (là giá trị nghịch đảo điện trở) nhiều điện trở nối song song lớn điện dẫn riêng rẽ có tính chất cộng tuyến tính Hệ là: - Có thể thực việc chia nhỏ điện áp (hay dòng điện) hay gọi thực việc dịch mức điện (hay mức đòng điện) điểm khác mạch cách nối nối tiếp (hay song song) điện trở - Trong cách nối nối tiếp, điện trở lớn định giá trị chung dãy Ngược lại, cách nối song song, điện trở nhỏ có vai trị định Việc nối nối tiếp {hay song song) cuộn dây dẫn tới kết tương tự điện trở: làm tăng (hay giảm) trị số điện cảm chung Đối với tụ điện, nối song song chúng, điện dung tổng cộng tăng: Css = C1 + C2 + … Cn (1-5) nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm: 1/Cnt = 1/C1+ 1/C2 +…+ 1/Cn (1-6) c) Nếu nối nối tiếp hay song song R với L C nhận kết cấu mạch có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tần số gọi mạch lọc tần số) d) Nếu nối nối tiếp hay song song L với C dẫn tới kết cấu mạch vừa có tính chất chọn lọc tần số, vừa có khả thực q trình trao đổi qua lại hai dạng lượng điện - từ trường, tức kết cấu có khả phát sinh dao động điện áp hay dòng điện ban đầu nguồn lượng ngồi kích thích, (vấn đề gặp mục 2.4) 1.1.3 Nguồn điện áp nguồn dòng điện a) Nếu phần tử tự hay chịu tác động khơng có chất điện từ,có khả tạo điện áp hay dịng điện điểm mạch điện gọi nguồn sức điện động (s.đ.đ) Hai thông số đặc trưng cho nguồn s.đ.đ : - Giá trị điện áp hai đầu lúc hở mạch (khi khơng nối với phần tử khác từ đến hai đầu nó) gọi điện áp lúc hở mạch nguồn kí hiệu Uhm - Giá trị dịng điện nguồn đưa mạch lúc mạch dẫn điện hồn tồn: gọi giá trị dịng điện ngắn mạch nguồn kí hiệu Ingm Một nguồn s.đ.đ coi lý tưởng điện áp hay dòng điện cung cấp cho mạch ngồi khơng phụ thuộc vào tính chất mạch ngồi (mạch tải) b) Trên thực tế, với tải có giá trị khác nhau, điện áp hai đầu nguồn hay dòng điện cung cấp có giá trị khác phụ thuộc vào tải Điều chứng tỏ bên nguồn có xảy q trình biến đổi dịng điện cung cấp thành giảm áp nó, nghĩa tồn giá trị điện trở bên gọi điện trở trongcủa nguồn kí hiệu Rng Rng = Uhm Ingm (1-7) Nếu gọi U I giá trị điện áp dòng điện nguồn cung cấp có tải hữu hạn < Rt< ∞ thì: R ng = Uhm - U I (1-8) Ingm = U +I R ng (1-9) Từ (l-7) (l-8) suy ra: Từ hệ thức trên, ta có nhận xét sau: Nếu Rng→ từ hệ thức (1-8) ta có U → Uhm nguồn s.đ.đ nguồn điện áp lý tưởng Nói cách khác nguồn điện áp gần lí tưởng điện trở Rng có giá trị nhỏ Nếu Rng → ∞, từ hệ thức (1-9) ta có I → Ingm nguồn sđđ có dạng nguồn dịng điện lí tưởng hay nguồn dịng điện gần lí tưởng Rng lớn Một nguồn s.đ.đ thực tế coi nguồn điện áp hay nguồn dịng điện tùy theo chất cấu tạo để giá trị Rng nhỏ hay lớn Việc đánh giá Rng tùy thuộc tương quan với giá trị điện trở toàn phần mạch tải nối tới hai đầu nguồn xuất phát từ hệ thức (1-8) (l-9) có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn (sđđ) thực tế hình 1.1 a b Một phận mạch có chứa nguồn, khơng có liên hệ hỗ cảm với phần lại mạch mà nối với phần lại hai điểm, ln thay nguồn tương đương với điện trở điện trở tương đương phận mạch xét Trường hợp riêng, phận mạch bao gồm nhiều nguồn điện áp nối với nhiều điện trở theo cách bất kì, có đầu thay nguồn điện áp tương đương với điện trở tương đương (định lí nguồn tương đương Tevơnin) Hình 1.4 a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện 1.1.4 Biểu diễn mạch điện kí hiệu hình vẽ (sơ đồ) Có nhiều cách biểu diễn mạch điện tử, đơn giản thuận lợi cách biểu diễn sơ đồ gồm tập hợp kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương đương phần tử nối với theo cách (nối tiếp, song song, hỗn hợp nối tiếp song song hay phối ghép thích hợp) nhờ đường nối có điện trở Khi biểu diễn vậy, xuất vài yếu tố hình học cần làm rõ khái niệm là: · Nhánh (của sơ đồ mạch) phận sơ đồ, bao gồm phần tử nối nối tiếp nhau, qua có dịng điện · Nút điểm mạch chung cho từ ba nhánh trở lên · Vòng phần mạch bao gồm số nút nhánh lập thành đường kín mà dọc theo nhánh nút phải gặp lần (trừ nút chọn làm điểm xuất phát) · Cây phần mạch bao gồm toàn số nút nhánh nối nút khơng tạo nên vịng kín Các nhánh gọi nhánh cây, nhánh lại mạch không thuộc gọi bù Các yếu tố nêu sử dụng đặc biệt thuận lợi cần phân tích tính tốn mạch sơ đồ Người ta biểu diễn mạch gọn sơ đồ gồm nhiều khối có đường liên hệ với Mỗi khối bao gồm nhóm phần tử liên kết với để thực nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể rõ (nhưng không cụ thể cách thức liên kết bên khối) Đó cách biểu diễn mạch sơ đồ khối rút gọn, qua dễ dàng hình dung tổng quát hoạt động toàn hệ thống mạch điện tử 1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU Tin tức tín hiệu hai khái niệm kĩ thuật điện tử tin học, đối tượng mà hệ thống mạch điện tử có chức công cụ vật chất kĩ thuật nhằm tạo ra, gia cơng xử lí hay nói chung nhằm chuyển đổi dạng lượng để giải mục tiêu kĩ thuật định 1.2.2 Tin tức hiểu nội dung chứa đựng bên kiện, biến cố hay trình (gọi nguồn tin) Trong hoạt động đa dạng người, từ lâu hình thành nhu cấu trao đồi tin tức theo hai chiêu: không gian biến cố xảy nơi A cần nhanh chóng biết nơi ngồi A thời gian: biến cố xảy vào lúc to cần lưu giữ lại để biết vào lúc to + T với khả T "∞, nhu cầu thỏa mãn phát triển nhiều hình thức phương tiện vật phù hợp với trình độ phát triển xã hội (kí hiệu, tiếng nói, chữ viết hay phương tiện tải tin khác nhau) Gần đây, phát triển tiến nhanh chóng kĩ thuật điện tử, nhu cầu ngày thỏa mãn sâu sắc điều kiện bùng nổ thông tin xã hội đại Tính chất quan trọng tin tức mang ý nghĩa xác suất thống kê, thể mặt sau: a) Nội dung chứa kiện có ý nghĩa lớn (ta nói kiện có lượng tin tức cao) xảy bầt ngờ, chờ đợi Nghĩa lượng tin có độ lớn tỉ lệ với độ bất ngờ hay tỉ lệ ngược với xác suất xuất kiện dùng xác suất mức đo lượng tin tức b) Mặc đù nhận "nội dung" kiện đó, hầu hết trường hợp, người ta khẳng đinh tính chắn, xác thực với độ tin cậy Mức độ chắn cao nội dung lặp lại (về bản) nhiều lần, nghĩa tin tức cịn có tính chất trung bình thống kê phụ thuộc vào mức độ hỗn loạn nguồn tin, môi trường (kênh) truyền tin vào nơi nhận tin, vào tất khả gây sai lầm hệ thống thơng tin Người ta dùng Entropy để đánh giá lượng tin thông qua giá trị entropy riêng rẽ nguồn tin, kênh truyền tin nơi nhận tin c) Tin tức không tự nhiên sinh mà biểu trình chuyền hóa lượng hay q trình trao đổi lượng hai dạng vật chất trường Phần lớn q trình mang tính ngẫu nhiên tn theo quy luật phân bố lí thuyết xác suất thống kê Tuy nhiên thấy rằng, hệ thống có lượng ổn định, mức độ trật tự cao khó thu thập tin tức từ ngược lại Cơ sở tốn học để đánh giá định lượng nhận xét trình bày giáo trình chun ngành lí thuyết thơng tin 1.2.3 Tín hiệu khái niệm để mơ tả biểu vật lý tin tức Các biểu đa dạng thường phân chia thành hai nhóm: có chất điện từ khơng có chất điện từ Tuy nhiên, dạng cuối thường gặp hệ thống điện tử, thể qua thơng số trạng thái điện áp hay địng điện, có chất điện từ · Có thể coi tín hiệu nói chung (dù dạng nào) đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian biểu diễn dạng hàm số hay đồ thị theo thời gian thích hợp · Nếu biểu thức theo thời gian tín hiệu s(t) thỏa mãn điều kiện: s(t) = s(t + T) (1- 10) Với t T số s(t) gọi tín hiệu tuần hồn theo thời gian Giá trị nhỏ tập {T} thỏa mãn (1-10) gọi chu kỳ s(t) Nếu không tồn giá trị hữu hạn T thỏa mãn (1-10) ta có s(t) tín hiệu khơng tuần hồn Dao động hình sin (h.1.2) dạng đặc trưng tín hiệu tuần hồn, có biểu thức dạng s(t) = Acos(ωt-φ) (1-11) Hình 1.5 Tín hiệu hình sin tham số (1-11) A, ω, φ số gọi biên độ, tần số góc góc pha ban đầu s(t), có mối liên hệ ω , T f sau : ω= 2π ;f = T T (1-12) · Cũng chia tín hiệu theo cách khác thành hai dạng biến thiên liên tục theo thời gian (tín hiệu tương tự - analog) hay biến thiên không liên tục theo thời gian (tín hiệu xung số - digital) Theo đó, có hai dạng mạch điện tử làm việc (gia cơng xử lí) với loại Các dạng tín hiệu vừa nêu trên, có biếu thức s(t) hay đồ thị biểu diễn xác định, gọi loại tín hiệu xác định rõ ràng Ngồi ra, cịn lớp tín hiệu mang tính ngẫu nhiên xác định chúng qua phép lấy mẫu nhiều lần nhờ quy luật phân bố xác suất thống kê, gọi tín hiệu ngẫu nhiên Hình 1.6 Các dạng xung thường gặp 1.2.4 Các tính chất tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian τ a) Độ dài trị trung bình tín hiệu Độ dài tín hiệu khoảng thời gian tồn (từ lúc bắt đầu xuất đến lúc đi) Độ dài mang ý nghĩa khoảng thời gian mắc bận với tín hiệu mạch hay hệ thống điện tử Nếu thiệu s(t) xuất lúc to có độ dài t giá trị trung bình s(t), ký hiệu s(t) xác định bởi: s(t) = to+τ s(t)dt to τ∫ (1-13) b) Năng lượng, công suất trị hiệu dụng: Năng lượng Es tín hiệu s(t) xác định Es= ò to +t S2(t)dt = to ị ¥ -¥ S2(t)dt (1-14) Cơng suất trung bình s(t) thời gian tồn định nghĩa bởi: s(t) = tò to +t to s(t)dt = Es τ (1-15) Giá trị hiệu dụng s(t) định nghĩa là: 10 Shd= τ t o +τ ∫s (t)dt = S (t) = to Es τ (1-16) c) Dải động tín hiệu tỷ số giá trị lớn nhỏ cơng suất tức thời tín hiệu Nếu tính theo đơn vị logarit (dexibel), dải động định nghĩa : DdB = 10lg max{s (t)} maxs(t) = 20lg min{s (t)} mins(t) (1-17) thông số đặc trưng cho khoảng cường độ hay khoảng độ lớn tín hiệu tác động lên mạch hệ thống điện tử d) Thành phần chiều xoay chiều tín hiiệu: Một tín hiệu s(t) ln phân tích thành hai thành phần chiều xoay chiều cho: s(t) = s~+ s= (1-18) với s~ thành phần biến thiên theo thời gian s(t) có giá trị trung bình theo thời gian s= thành phần cố định theo thời gian (thành phần chiều) Theo hệ thức(1-13) van (1-18) có : s(t) = s= = τ t o +t ị s(t)dt (1-19) to lúc : s- = s(t) - s(t) s~ = s(t) s(t) = (1-20) e) Các thành phần chẵn lẻ tín hiệu Một tín hiệu s(t) ln phân tích cách khác thành hai thành phần chẵn lẻ xác định sau [ s(t) + s(-t) sch(t) = Sch(-t) = slẻ(t) = -slẻ(-t) = (1-21) [ s(t) - s(-t)] từ suy ra: sch(t) + slẽ(t) = s(t) 11 s ch (t) = s(t); sle = (1-22) f) Thành phần thực ảo tín hiệu hay biểu diễn phức tín hiệu Một tín hiệu s(t) biểu diễn tổng quát dạng số phức : s(t) = Res(t) - jIms(t) (1-23) Ở Re s(t ) phần thực Im s (t ) phần ảo s(t ) là: Theo định nghĩa, lượng liên hợp phức s (t ) là: s * (t) = Res(t) - jIms(t) (1-24) Khi thành phần thực ảo s(t ) theo (l-23) (l-24) xác định bởi: Re s(t) = [s(t) + s * (t) Im s(t) = [s(t) - s * (t)] 1.3 (1-25) CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH Hệ thống điện tử tập hợp thiết bị điện tử nhằm thực nhiệm vụ kỹ thuật định gia công xử lý tin tức, truyền thông tin liệu, đo lường thông số điều khiển tự chỉnh Về cấu trúc hệ thống điện tử có hai dạng bản: dang hệ kín, thơng tin gia công xử lý theo hai chiều nhằm đạt tới điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở thơng tin truyền theo hướng từ nguồn tin tới nơi nhận tin 1.3.2 Hệ thống thơng tin thu - phát Có nhiệm vụ truyền tin tức liệu theo không gian (trên khoảng cách định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin 1.Cấu trúc sơ đồ khối: Các đặc điểm chủ yếu a) Là dạng hệ thống hở b) Bao gồm trình 12 ... (l-23) (l-24) xác định bởi: Re s(t) = [s(t) + s * (t) Im s(t) = [s(t) - s * (t)] 1. 3 ( 1- 2 5) CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH Hệ thống điện tử tập hợp thiết bị điện tử nhằm thực nhiệm vụ kỹ thuật định... xác định sau [ s(t) + s(-t) sch(t) = Sch(-t) = slẻ(t) = -slẻ(-t) = ( 1- 2 1) [ s(t) - s(-t)] từ suy ra: sch(t) + slẽ(t) = s(t) 11 s ch (t) = s(t); sle = ( 1- 2 2) f) Thành phần thực ảo tín hiệu hay... song song chúng, điện dung tổng cộng tăng: Css = C1 + C2 + … Cn ( 1- 5 ) nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm: 1/ Cnt = 1/ C1+ 1/ C2 +…+ 1/ Cn ( 1- 6 ) c) Nếu nối nối tiếp hay song song R với L C nhận