1 Chương 1 MỞ ĐẦU Kỹ thuật điện tử và tin học là một ngành mũi nhọn mới phát triển. Trong một khoảng thời gian tương đối ngắn (so với các ngành khoa học khác), từ khi ra đời tranzito (1948), nó đã có những tiến bộ nhảy vọt, mang lại nhiều thay đối lớn và sâu sắc trong hầu hết mọi lĩnh vực của đời sống, dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm là tự động hóa từng phần hoặc hoàn toàn, tin học hoá, phương pháp công nghệ và vật liệu mới). Để bước đầu làm quen với những vấn đề cơ bản nhất của ngành mang ý nghĩa đại cương, chương mở đầu sẽ đề cập tới các khái niệm cơ sở nhập môn và giới thiệu cấu trúc các hệ thống điện tử điển hình. 1.1. CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.1.1 Điện áp và dòng điện Có hai khái niệm định lượng cơ bản của một mạch điện. Chúng cho phép xác định trạng thái về điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau của mạch điện và do vậy chúng còn được gọi là các thông số trạng thái cơ bản của một mạch điện. Khái niệm đin áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lý, là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau của mạch điện. Thường một điểm nào đó của mạch được chọn làm điểm gốc có điện thế bằng 0 (điểm nối đất). Khi đó, điện thế của mọi điểm khác trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp tại điểm tương ứng. Tổng quát hơn, điện áp giữa hai điểm A và B của mạch (ký hiệu là U AB )xác định bởi: U AB = V A - V B = -U BA Với V A và V B là điện thế của A và B so với gốc (điểm nói đất hay còn gọi là nối mát). Khái niệm dòng đin là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất do tác động của trường hay do tồn tại một gradien nồng độ hạt theo không gian. Dòng điện trong mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương thấp và do vậy ngược với chiều chuyển động của điện tử. Từ các khái niệm đã nêu trên, cần rút ra mấy nhận xét quan trọng sau: a) Điện áp luôn được đo giữa hai điểm khác nhau của mạch trong khi dòng điện được xác định chỉ tại một điểm của mạch. b) Để bảo toàn điện tích, tổng các giá trị các dòng điện đi vào một điểm của mạch luôn bằng tổng các giá trị dòng điện đi ra khỏi điểm đó (quy tắc nút với dòng điện). Từ đó suy ra, trên một đoạn mạch chỉ gồm các phần tử nối tiếp nhau thì dòng điện tại mọi điểm là như nhau. 2 c) Điện áp giữa hai điểm A và B khác nhau của mạch nếu đo theo mọi nhánh bất kỳ có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh ở 1.1.4) nối giữa A và B là giống nhau và bằng U AB . Nghĩa là điện áp giữa 2 đầu của nhiều phần tử hay nhiều nhánh nối song song với nhau luôn bằng nhau. (Quy tắc vòng đối với điện áp). 1.1.2. Tính chất điện của một phần tử (Ghi chú: khái niệm phần tử ở đây là tổng quát, đại diện cho một yếu tố cấu thành mạch điện hay một tập hợp nhiều yếu tố tạo nên một bộ phận của mạch điện. Thông thường, phần tử là một linh kiện trong mạch) 1. Định nghĩa: Tính chất điện của một phần tử bất kì trong một mạch điện được thể hiện qua mối quan hệ tương hỗ giữa điện áp U trên hai đầu của nó và dòng điện I chạy qua nó và được định nghĩa là điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) của phần tử. Nghĩa là khái niệm điện trở gắn liền với quá trình biến đổi điện áp thành dòng điện hoặc ngược lại từ dòng điện thành điện áp. a) Nếu mối quan hệ này là tỉ lệ thuận, ta có định luật ôm: U = R.I (1-1) Ở đây, R là một hằng số tỷ lệ được gọi là điện trở của phần tử và phần tử tương ứng được gọi là một điện trở thuần. . Hình 1.1. Các dạng điện trở, biến trở b) Nếu điện áp trên phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của dòng điện trên nó, tức là : dt dI LU = (ở đây L là một hằng số tỉ lệ) (1-2) ta có phần tử là một cuộn dây có giá trị điện cảm là L. 3 Hình 1.3. Cuộn cảm, biến áp trong mạch điện tử c) Nếu dòng điện trên phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của điện áp trên nó, tức là: dt dU CI = ( ở đ ây C là m ộ t h ằ ng s ố t ỷ l ệ ) (1-3) ta có ph ầ n t ử là m ộ t tụ điện có giá tr ị đ i ệ n dung là C. d) Ngoài các quan h ệ đ ã nêu trên, trong th ự c t ế còn t ồ n t ạ i nhi ề u quan h ệ t ươ ng h ỗ đ a d ạ ng và ph ứ c t ạ p gi ữ a đ i ệ n áp và dòng đ i ệ n trên m ộ t ph ầ n t ử . Các ph ầ n t ử này g ọ i chung là các ph ầ n t ử không tuy ế n tính và có nhi ề u tính ch ấ t đặ c bi ệ t. Đ i ệ n tr ở c ủ a chúng đượ c g ọ i chung là các đ i ệ n tr ở phi tuy ế n, đ i ể n hình nh ấ t là đố t, tranzito, thiristo và s ẽ đượ c đề c ậ p t ớ i ở các ph ầ n ti ế p sau. 2. Các tính chất quan trọng của phần tử tuyến tính là: a) Đặ c tuy ế n Vôn - Ampe (th ể hi ệ n qua quan h ệ U(I)) là m ộ t đườ ng th ẳ ng. b) Tuân theo nguyên lý ch ồ ng ch ấ t. Tác độ ng t ổ ng c ộ ng b ằ ng t ổ ng các tác độ ng riêng l ẻ lên nó. Đ áp ứ ng t ổ ng c ộ ng (k ế t qu ả chung) b ằ ng t ổ ng các k ế t qu ả thành ph ầ n do tác độ ng thành ph ầ n gây ra. c) Không phát sinh thành ph ầ n t ầ n s ố l ạ khi làm vi ệ c v ớ i tín hi ệ u xoay chi ề u (không gây méo phi tuy ế n). Đố i l ậ p v ớ i ph ầ n t ử tuy ế n tính là phần tử phi tuyến có các tính chất sau : 4 Hình 1.2. Tụ điện trong thực tế a) Đặ c tuy ế n VA là m ộ t đườ ng cong ( đ i ệ n tr ở thay đổ i theo đ i ể m làm vi ệ c). b) Không áp d ụ ng đượ c nguyên lý ch ồ ng ch ấ t. c) Luôn phát sinh thêm t ầ n s ố l ạ ở đầ u ra khi có tín hi ệ u xoay chi ề u tác độ ng ở đầ u vào. 3. Ứng dụng - Các ph ầ n t ử tuy ế n tính (R, L, C), có m ộ t s ố ứng dụng quan trọng sau: a) Điện trở luôn là thông s ố đặ c tr ư ng cho hi ệ n t ượ ng tiêu hao năng lượng (ch ủ y ế u d ướ i d ạ ng nhi ệ t) và là m ộ t thông s ố không quán tính. M ứ c tiêu hao n ă ng l ượ ng c ủ a đ i ệ n tr ở đượ c đ ánh giá b ằ ng công su ấ t trên nó, xác đị nh b ở i: P = U.I = I 2 R = U 2 /R ( 1-4) Trong khi đ ó, cu ộ n dây và t ụ đ i ệ n là các ph ầ n t ử v ề c ơ b ả n không tiêu hao n ă ng l ượ ng (xét lý t ưở ng) và có quán tính. Chúng đặ c tr ư ng cho hi ệ n t ượ ng tích l ũ y n ă ng l ượ ng t ừ tr ườ ng hay đ i ệ n tr ườ ng c ủ a m ạ ch khi có dòng đ i ệ n hay đ i ệ n áp bi ế n thiên qua chúng. Ở đ ây, t ố c độ bi ế n đổ i c ủ a các thông s ố tr ạ ng thái ( đ i ệ n áp, dòng đ i ệ n) có vai trò quy ế t đị nh giá tr ị tr ở kháng c ủ a chúng, ngh ĩ a là chúng có điện trở phụ thuộc 5 vào tần số (vào t ố c độ bi ế n đổ i c ủ a đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n tính trong m ộ t đơ n v ị th ờ i gian). V ớ i t ụ đ i ệ n, t ừ h ệ th ứ c (1-3), dung kháng c ủ a nó gi ả m khi t ă ng t ầ n s ố và ng ượ c l ạ i v ớ i cu ộ n dây, t ừ (1-2) c ả m kháng c ủ a nó t ă ng theo t ầ n s ố . b) Giá tr ị đ i ệ n tr ở t ổ ng c ộ ng c ủ a nhi ề u đ i ệ n tr ở n ố i ti ế p nhau luôn l ớ n h ơ n c ủ a t ừ ng cái và có tính ch ấ t c ộ ng tuy ế n tính. Đ i ệ n d ẫ n (là giá tr ị ngh ị ch đả o c ủ a đ i ệ n tr ở ) c ủ a nhi ề u đ i ệ n tr ở n ố i song song nhau luôn l ớ n h ơ n đ i ệ n d ẫ n riêng r ẽ c ủ a t ừ ng cái và c ũ ng có tính ch ấ t c ộ ng tuy ế n tính. H ệ qu ả là: - Có th ể th ự c hi ệ n vi ệ c chia nh ỏ m ộ t đ i ệ n áp (hay dòng đ i ệ n) hay còn g ọ i là th ự c hi ệ n vi ệ c d ị ch m ứ c đ i ệ n th ế (hay m ứ c đ òng đ i ệ n) gi ữ a các đ i ể m khác nhau c ủ a m ạ ch b ằ ng cách n ố i n ố i ti ế p (hay song song) các đ i ệ n tr ở . - Trong cách n ố i n ố i ti ế p, đ i ệ n tr ở nào l ớ n h ơ n s ẽ quy ế t đị nh giá tr ị chung c ủ a dãy. Ng ượ c l ạ i, trong cách n ố i song song, đ i ệ n tr ở nào nh ỏ h ơ n s ẽ có vai trò quy ế t đị nh. Vi ệ c n ố i n ố i ti ế p {hay song song) các cu ộ n dây s ẽ d ẫ n t ớ i k ế t qu ả t ươ ng t ự nh ư đố i v ớ i các đ i ệ n tr ở : s ẽ làm t ă ng (hay gi ả m) tr ị s ố đ i ệ n c ả m chung. Đố i v ớ i t ụ đ i ệ n, khi n ố i song song chúng, đ i ệ n dung t ổ ng c ộ ng t ă ng: C ss = C 1 + C 2 + … C n (1-5) còn khi n ố i n ố i ti ế p, đ i ệ n dung t ổ ng c ộ ng gi ả m: 1/C nt = 1/C 1 + 1/C 2 +…+ 1/C n (1-6) c) N ế u n ố i n ố i ti ế p hay song song R v ớ i L ho ặ c C s ẽ nh ậ n đượ c m ộ t k ế t c ấ u m ạ ch có tính chất chọn lọc tần số (tr ở kháng chung ph ụ thu ộ c vào t ầ n s ố g ọ i là các m ạ ch l ọ c t ầ n s ố ). d) N ế u n ố i n ố i ti ế p hay song song L v ớ i C s ẽ d ẫ n t ớ i m ộ t k ế t c ấ u m ạ ch v ừ a có tính ch ấ t ch ọ n l ọ c t ầ n s ố , v ừ a có kh ả n ă ng th ự c hi ệ n quá trình trao đổ i qua l ạ i gi ữ a hai d ạ ng n ă ng l ượ ng đ i ệ n - t ừ tr ườ ng, t ứ c là k ế t c ấ u có kh ả n ă ng phát sinh dao độ ng đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n n ế u ban đầ u đượ c m ộ t ngu ồ n n ă ng l ượ ng ngoài kích thích, (v ấ n đề này s ẽ g ặ p ở m ụ c 2.4). 1.1.3. Nguồn điện áp và nguồn dòng điện a) N ế u m ộ t ph ầ n t ử t ự nó hay khi ch ị u các tác độ ng không có b ả n ch ấ t đ i ệ n t ừ , có kh ả n ă ng t ạ o ra đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n ở m ộ t đ i ể m nào đ ó c ủ a m ạ ch đ i ệ n thì nó đượ c g ọ i là m ộ t nguồn sức điện động (s. đ . đ .). Hai thông s ố đặ c tr ư ng cho m ộ t ngu ồ n s. đ . đ . là : - Giá tr ị đ i ệ n áp gi ữ a hai đầ u lúc h ở m ạ ch (khi không n ố i v ớ i b ấ t kì m ộ t ph ầ n t ử nào khác t ừ ngoài đế n hai đầ u c ủ a nó) g ọ i là đ i ệ n áp lúc h ở m ạ ch c ủ a ngu ồ n kí hi ệ u là U hm - Giá tr ị dòng đ i ệ n c ủ a ngu ồ n đư a ra m ạ ch ngoài lúc m ạ ch ngoài d ẫ n đ i ệ n hoàn toàn: g ọ i là giá tr ị dòng đ i ệ n ng ắ n m ạ ch c ủ a ngu ồ n kí hi ệ u là I ngm . M ộ t ngu ồ n s. đ . đ . đượ c coi là lý t ưở ng n ế u đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n do nó cung c ấ p cho m ạ ch ngoài không ph ụ thu ộ c vào tính ch ấ t c ủ a m ạ ch ngoài (m ạ ch t ả i). 6 b) Trên th ự c t ế , v ớ i nh ữ ng t ả i có giá tr ị khác nhau, đ i ệ n áp trên hai đầ u ngu ồ n hay dòng đ i ệ n do nó cung c ấ p có giá tr ị khác nhau và ph ụ thu ộ c vào t ả i. Đ i ề u đ ó ch ứ ng t ỏ bên trong ngu ồ n có x ả y ra quá trình bi ế n đổ i dòng đ i ệ n cung c ấ p thành gi ả m áp trên chính nó, ngh ĩ a là t ồ n t ạ i giá tr ị đ i ệ n tr ở bên trong g ọ i là điện trở trong của nguồn kí hi ệ u là R ng ngm hm ng I U =R (1-7) N ế u g ọ i U và I là các giá tr ị đ i ệ n áp và dòng đ i ệ n do ngu ồ n cung c ấ p khi có t ả i h ữ u h ạ n 0 < R t < ∞ thì: I UU R hm ng − = (1-8) T ừ (l-7) và (l-8) suy ra: I R U I ng ngm += (1-9) T ừ các h ệ th ứ c trên, ta có các nh ậ n xét sau: 1. N ế u R ng → 0. thì t ừ bi ể u th ứ c (1-8) ta có U → U hm khi đ ó ngu ồ n s. đ . đ . là m ộ t ngu ồ n đ i ệ n áp lý t ưở ng. Nói cách khác m ộ t ngu ồ n đ i ệ n áp càng g ầ n lí t ưở ng khi đ i ệ n tr ở trong R ng c ủ a nó có giá tr ị càng nh ỏ . 2. N ế u R ng → ∞ , t ừ h ệ th ứ c (1-9) ta có I → I ngm ngu ồ n s. đ . đ . khi đ ó có d ạ ng là m ộ t ngu ồ n dòng đ i ệ n lí t ưở ng hay m ộ t ngu ồ n dòng đ i ệ n càng g ầ n lí t ưở ng khi R ng c ủ a nó càng l ớ n. 3. M ộ t ngu ồ n s. đ . đ . trên th ự c t ế đượ c coi là m ộ t ngu ồ n đ i ệ n áp hay ngu ồ n dòng đ i ệ n tùy theo b ả n ch ấ t c ấ u t ạ o c ủ a nó để giá tr ị R ng là nh ỏ hay l ớ n. Vi ệ c đ ánh giá R ng tùy thu ộ c t ươ ng quan gi ữ a nó v ớ i giá tr ị đ i ệ n tr ở toàn ph ầ n c ủ a m ạ ch t ả i n ố i t ớ i hai đầ u c ủ a ngu ồ n xu ấ t phát t ừ các bi ể u th ứ c (1-8) và (l-9) có hai cách bi ể u di ễ n kí hi ệ u ngu ồ n (s. đ . đ .) th ự c t ế nh ư trên hình 1.1 a) và b). 4. M ộ t b ộ ph ậ n b ấ t kì c ủ a m ạ ch có ch ứ a ngu ồ n, không có liên h ệ h ỗ c ả m v ớ i ph ầ n còn l ạ i c ủ a m ạ ch mà ch ỉ n ố i v ớ i ph ầ n còn l ạ i này ở hai đ i ể m, luôn có th ể thay th ế b ằ ng m ộ t nguồn tương đương v ớ i m ộ t đ i ệ n tr ở trong là đ i ệ n tr ở t ươ ng đươ ng c ủ a b ộ ph ậ n m ạ ch đ ang xét. Tr ườ ng h ợ p riêng, n ế u b ộ ph ậ n m ạ ch bao g ồ m nhi ề u ngu ồ n đ i ệ n áp n ố i v ớ i nhi ề u đ i ệ n tr ở theo m ộ t cách b ấ t kì, có 2 đầ u ra s ẽ đượ c thay th ế b ằ ng m ộ t ngu ồ n đ i ệ n áp t ươ ng đươ ng v ớ i m ộ t đ i ệ n tr ở trong t ươ ng đươ ng ( đị nh lí v ề ngu ồ n t ươ ng đươ ng c ủ a Tev ơ nin) 7 Hình 1.4. a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện 1.1.4. Biểu diễn mạch điện bằng các kí hiệu và hình vẽ (sơ đồ) Có nhi ề u cách bi ể u di ễ n m ộ t m ạ ch đ i ệ n t ử , trong đ ó đơ n gi ả n và thu ậ n l ợ i h ơ n c ả là cách bi ể u di ễ n b ằ ng s ơ đồ g ồ m t ậ p h ợ p các kí hi ệ u quy ướ c hay kí hi ệ u t ươ ng đươ ng c ủ a các ph ầ n t ử đượ c n ố i v ớ i nhau theo m ộ t cách nào đ ó (n ố i ti ế p, song song, h ỗ n h ợ p n ố i ti ế p song song hay ph ố i ghép thích h ợ p) nh ờ các đườ ng n ố i có đ i ệ n tr ở b ằ ng 0. Khi bi ể u di ễ n nh ư v ậ y, xu ấ t hi ệ n m ộ t vài y ế u t ố hình h ọ c c ầ n làm rõ khái ni ệ m là: • Nhánh (c ủ a s ơ đồ m ạ ch) là m ộ t b ộ ph ậ n c ủ a s ơ đồ , trong đ ó ch ỉ bao g ồ m các ph ầ n t ử n ố i n ố i ti ế p nhau, qua nó ch ỉ có m ộ t dòng đ i ệ n duy nh ấ t. • Nút là m ộ t đ i ể m c ủ a m ạ ch chung cho t ừ ba nhánh tr ở lên. • Vòng là m ộ t ph ầ n c ủ a m ạ ch bao g ồ m m ộ t s ố nút và nhánh l ậ p thành m ộ t đườ ng kín mà d ọ c theo nó m ỗ i nhánh và nút ch ỉ g ặ p m ộ t l ầ n (tr ừ nút đượ c ch ọ n làm đ i ể m xu ấ t phát). • Cây là m ộ t ph ầ n c ủ a m ạ ch bao g ồ m toàn b ộ s ố nút và nhánh n ố i gi ữ a các nút đ ó nh ư ng không t ạ o nên m ộ t vòng kín nào. Các nhánh c ủ a cây đượ c g ọ i là nhánh cây, các nhánh còn l ạ i c ủ a m ạ ch không thu ộ c cây đượ c g ọ i là bù cây. Các y ế u t ố nêu trên đượ c s ử d ụ ng đặ c bi ệ t thu ậ n l ợ i khi c ầ n phân tích tính toán m ạ ch b ằ ng s ơ đồ . Ng ườ i ta còn bi ể u di ễ n m ạ ch g ọ n h ơ n b ằ ng m ộ t s ơ đồ g ồ m nhi ề u khối có nh ữ ng đườ ng liên h ệ v ớ i nhau. M ỗ i kh ố i bao g ồ m m ộ t nhóm các ph ầ n t ử liên k ế t v ớ i nhau để cùng th ự c hi ệ n m ộ t nhi ệ m v ụ k ĩ thu ậ t c ụ th ể đượ c ch ỉ rõ (nh ư ng không ch ỉ ra c ụ th ể cách th ứ c liên k ế t bên trong kh ố i). Đ ó là cách bi ể u di ễ n m ạ ch b ằ ng sơ đồ khối rút g ọ n, qua đ ó d ễ dàng hình dung t ổ ng quát ho ạ t độ ng c ủ a toàn b ộ h ệ th ố ng m ạ ch đ i ệ n t ử . . t ổ ng c ộ ng t ă ng: C ss = C 1 + C 2 + … C n ( 1- 5 ) còn khi n ố i n ố i ti ế p, đ i ệ n dung t ổ ng c ộ ng gi ả m: 1/ C nt = 1/ C 1 + 1/ C 2 +…+ 1/ C n ( 1- 6 ) c) N ế u n ố i n ố i ti ế p. ( 1- 7 ) N ế u g ọ i U và I là các giá tr ị đ i ệ n áp và dòng đ i ệ n do ngu ồ n cung c ấ p khi có t ả i h ữ u h ạ n 0 < R t < ∞ thì: I UU R hm ng − = ( 1- 8 ) T ừ (l-7) và (l-8). khái niệm cơ sở nhập môn và giới thiệu cấu trúc các hệ thống điện tử điển hình. 1. 1. CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1. 1 .1 Điện áp và dòng điện Có hai khái niệm định lượng cơ bản của một mạch điện. Chúng