Bài tập kỹ thuật điện tử

1 2 Lưu ý:  Mổi sinh viên hãy tự làm bài tập trực tiếp vào phần trắng trong tập này (khổ giấy A4). Không sao chép bài giải của người khác.  Tài liệu tham khảo: - [Dư Quang Bình] - Bài giảng Kỷ thuật điện tử, (2000). - [Rizzoni G] - Principles and Applications of Electrical Engineering, (2004).  Khi cần liên hệ: Thầy Dư Quang Bình, 0905894666, hoặc: Email: binhduquang@.gmail.com  Thời hạn hoàn thành và nộp bài tập: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tại bm: Kỹ th uậ t Điện tử, Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng – 54 Nguyễn Lương Bằng, Quận Liên Chiểu, Tp Đà Nẵng. (không chấp nhận sự chậm trể). 3 Chương 1: Vật liệu bán dẫn và diode  Vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện thuộc trong khoảng giữa độ dẫn điện của các chất dẫn điện và các chất cách điện. Đặc tính độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn làm cho các vật liệu bán dẫn rất hữu ích trong việc chế tạo nhiều cấu kiện điện tử để có biểu hiện đặc tuyến i-v phi tuyến. Trong số các cấu kiện bán dẫn thì diode là một trong các cấu kiện thông dụng nhất.  Diode bán dẫn hoạt động giống như một van dẫn điện theo một chiều, cho phép dòng điện chảy chỉ khi được phân cực thuận. Mặc dù hoạt động của diode được mô tả theo phương trình hàm mủ nhưng ta có thể xét gần đúng hoạt động của diode bằng các mô hình mạch đơn giản. Mô hình mạch đơn giản nhất là xem diode như một ngắn mạch hoặc hở mạch (mô hình đóng-mở hay mô hình lý tưởng). Mô hình lý tưởng có thể được mở rộng để bao gồm cả nguồn điện áp ngưỡng (thường từ 0,2 V đến 0,7 V), đó là tương ứng với thế hiệu tiếp giáp tại tiếp giáp của diode. Mô hình thực tế chi tiết hơn là mô hình diode chi tiết sẽ tính cả các ảnh hưởng của điện trở thuận của diode. Bằng các mô hình mạch của diode ta có thể phân tích các mạch diode sử dụng trong kỹ thuật phân tích mạch DC và AC đã được khảo sát trong chương.  Một trong những đặc tính quan trọng nhất của diode bán dẫn là sự chỉnh lưu, tức là cho phép chuyển đổi các mức điện áp và dòng điện AC thành các mức điện áp và dòng điện DC. Các mạch chỉnh lưu bằng diode có thể là kiểu bán kỳ hay có thể là kiểu toàn kỳ. Các bộ chỉnh lưu toàn kỳ có thể cấu trúc theo dạng mạch hai diode thông dụng hoặc mạch cầu. Các mạch chỉnh lưu bằng diode là bộ phận chỉnh của các bộ nguồn cung cấp DC và thường được sử dụng kết hợp với các tụ lọc để nhận được dạng sóng điện áp DC tương đối bằng phẳng. Ngoài việc chỉnh lưu và lọc cũng cần phải ổn định mức điện áp ra của nguồn cung cấp DC; các diode Zener sẽ thực hiện nhiệm vụ ổn định điện áp bằng cách giữ mức điện áp không đổi khi mức điện áp phân cực ngược vượt trên mức điện áp Zener.  Ngoài các ứng dụng làm nguồn cung cấp, các diode còn được sử dụng trong nhiều mạch xử lý tín hiệu và điều hòa tín hiệu. Trong đó có mạch xén bằng diode, mạch tách sóng bằng diode, và mạch ghim đã được khảo sát trong chương. Hơn nửa, do các đặc tính của vật liệu bán dẫn cũng bị tác dụng bởi cường độ sáng nên một số loại diode được gọi là photodiode, có ứng dụng làm các mạch tách quang [light detector], pin mặt trời [solar cell], hay các diode phát-quang [LED]. 4 1.1 Trong vật liệu bán dẫn, điện tích thực bằng 0, điều này cần phải có mật độ điện tích dương cần bằng với mật độ điện tích âm. Cả hai loại hạt tải điện (điện tử và lỗ trống tự do) và các nguyên tử tạp chất bị ion hóa có điện tích bằng về độ lớn điện tích của một điện tử. Do vậy, phương trình trung hòa về điện tích (CNE – charge neutrality equation) là: 0 o d o a p N n N      trong đó: n 0 = nồng độ hạt tải điện tích âm ở trạng thái cân bằng p 0 = nồng độ hạt tải điện tích dương ở trạng thái cân bằng a N  = nồng độ chất nhận [acceptor] bị ion hóa d N  = nồng độ chất cho [donor] bị ion hóa Phương trình tích hạt tải điện (CPE – carrier product equation) phát biểu rằng, khi một chất bán dẫn được pha tạp thì tích của nồng độ hạt tải điện vẫn không đổi: n o p o = hằng số đối với silicon thuần tại T = 300 K: Constant = n io p io = 2 2 2 9 20 33 11 6,35 10 10 cm cm io io np        Vật liệu bán dẫn dạng-n hay –p là tùy thuộc vào nồng độ tạp chất donor hay acceptor lớn hay không. Phần lớn các nguyên tử tạp chất bị ion hóa tại nhiệt độ phòng. Nếu silicon thuần được pha tạp: 17 3 1 10 cm Aa NN   ; N D = 0 Hãy xác định: a. Đây là bán dẫn tạp dạng-p hay –n? b. Hạt tải điện đa số và thiểu số là loại nào? c. Nồng độ hạt tải điện đa số và thiểu số. 1.2 Nếu silicon thuần được pha tạp: 17 3 1 10 cm Aa NN   ; 18 3 1 5 10 cm Dd NN     Hãy xác định: a. Đây là bán dẫn tạp dạng-p hay –n? b. Hạt tải điện đa số và thiểu số là loại nào? c. Nồng độ hạt tải điện đa số và thiểu số. 5 1.3 Hãy mô tả vi cấu trúc của các loại vật liệu bán dẫn. Ba loại thông dụng nhất được sử dụng là loại vật liệu bán dẫn nào? 1.4 Hãy giải thích nhiệt năng làm phát sinh các hạt tải điện trong chất bán dẫn và nhiệt độ sẽ hạn chế hoạt động của cấu kiện bán dẫn như thế nào. 1.5 Hãy mô tả các đặc tính của các tạp chất cho [donor], chất nhận [acceptor] và ảnh hưởng của chúng đến nồng độ của các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn. 1.6 Mô tả sơ lược hoạt động của các hạt tải điện và các nguyên tử tạp chất được ion hóa ở lân cận tiếp giáp pn của cấu kiện bán dẫn để tạo nên rào thế có khuynh hướng chặn các hạt tải điện di chuyển ngang qua tiếp giáp. 1.7 Hình 5.41 thể hiện đặc tuyến của một diode. Loại vật liệu bán dẫn nào được dùng trong chế tạo diode? Giải thích. 1.8 Sử dụng đặc tuyến ở hình 5.41 để xác định điện trở của diode khi (a) F = 0,65 VV và (b) F = 4 mAI . 6 1.9 Số liệu sau được cho là đo trên một diode tín hiệu: Hãy vẽ đặc tuyến và sử dụng đặc tuyến để xác định: (a) Dòng thuận khi F = 350 mVV ; (b) Điện áp thuận khi F =15 mAI . 1.10 Một diode có số hiệu là ‘BZY88C9V1’. Đây là loại diode gì ? Điện áp định mức của diode? Cho biết một ứng dụng của diode. 1.11 Một LED được sử dụng làm chỉ thị mức nguồn cung cấp 5 V. Nếu LED có điện áp thuận định mức là 2 V, và dòng định mức là 12 mA, hãy xác định trị số cần thiết của điện trở mắc nối tiếp. 1.12 Tính điện áp v L ở mạch hình P1.7, trong đó D là diode lý tưởng. Sử dụng các trị số của v S < ; và > 0. F (V)V F (mA)I 0,0 0,0 0,1 0,05 0,2 0,02 0,3 1,2 0,4 3,6 0,5 6,5 0,6 10,1 0,7 13,8 7 1.13 Cho diode ở mạch hình P1.9 yêu cầu mức dòng nhỏ nhất là 1 mA trên mức dòng khuỷu ở đặc tuyến i-v của diode. a. Trị số điện trở của R để thiết lập mức dòng 5 mA trong mạch cần phải bằng bao nhiêu ? b. Với trị số của R đã xác định được ở phần (a), trị số nhỏ nhất để điện áp E có thể bị giảm xuống và vẫn duy trì mức dòng của diode trên mức dòng khuỷu là bao nhiêu ? Sử dụng diode có: V  = 0,7 V. 1.14 Mạch ở hình P1.10 có nguồn cung cấp sóng sin 50 Vrms. Sử dụng mô hình diode thực tế cho diode. a. Mức dòng thuận lớn nhất là bao nhiêu ? b. Hãy tính mức điện áp ngược đỉnh (PIV) trên diode ? 1.15 Hãy xác định diode nào được phân cực thuận và diode nào được phân cực ngược trong từng mạch ở hình P8.11. 1.16 Hãy xác định khoảng trị số điện áp V in để diode D 1 trong mạch hình P1.12, phân cực thuận. Giả thiết các diode lý tưởng. 8 1.17 Hãy xác định các diode trong mạch ở hình P1.13, diode nào được phân cực thuận và phân cực ngược. Giả sử sụt áp trên mỗi diode được phân cực thuận là 0,7 V, hãy tính mức điện áp đầu ra. 1.18 Diode trong mạch ở hình P1.15, được chế tạo từ silicon và có: / ( 1) DT vV DS i I e , trong đó tại T = 300 K; I S = 250 x 10 -12 A; 26mV T kT V q  ; v S = 4,2 V + 110 cos(  t) mV;  = 377 rad/s; R = 7 k. Sử dụng sự chồng chập hãy xác định thông số DC hay mức dòng tại điểm-Q của diode: a. Sử dụng mô hình diode thực tế b. Sử dụng cách giải theo đặc tuyến của mạch (tức phương trình đường tải DC) và đặc tuyến của diode (phương trình diode). 9 1.19 Nếu diode trong mạch hình P1.15, là được chế tạo từ silicon và có: / ( 1) DT vV DS i I e ; trong đó tại T = 300 K; I S = 2,030 x 10 -15 A; 26mV T kT V q  ; v S = 5,3 V + 7 cos(  t) mV;  = 377 rad/s; R = 4,6 k. Sử dụng sự chồng chập và mô hình thực tế của diode, hãy xác định thông số DC hay mức dòng tại điểm-Q của diode. 1.20 Diode trong mạch ở hình P1.20, được chế tạo từ silicon và mạch có: R = 2,2 k; V S2 = 3 V. Hãy xác định trị số nhỏ nhất của V S1 để diode dẫn có mức dòng đáng kể. 1.21 Hãy thiết kế mạch chỉnh lưu cầu toàn kỳ cho một bộ nguồn cung cấp. Biến giảm áp đã được chọn sẵn. Biến áp cung cấp mức điện áp 12 V rms đến mạch chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu toàn kỳ thể hiện ở mạch hình P1.24. a. Nếu các diode có mức điện áp ngưỡng là 0,6 V, vẽ dạng sóng điện áp nguồn đầu vào, v S (t); và dạng sóng điện áp ra, v L (t); và cho biết diode nào dẫn và diode nào ngưng dẫn trong các chu kỳ phù hợp của v S (t). Tần số của nguồn là 50 Hz. b. Nếu R L = 1 000  và tụ điện được mắc song song với R L để lọc có trị số là 8 µF, vẽ dạng sóng điện áp đầu ra, v L (t). c. Lặp lại câu (b), với tụ có điện dung là 100 µF. 10 1.22 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.25, các diode có số hiệu là 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 25 V. Các diode được chế tạo từ silicon. n = 0,05883; C = 80 µF; R L = 1 k V line = 170 cos (377t) V a. Hãy xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. 1.23 Các diode trong bộ nguồn DC toàn kỳ như mạch ở hình P1.25, đều là silicon. Nếu: I L = 5 mA; V L = 10 V; V r = 20% = 2 V; V line = 170 cos (  t) V  = 377 rad/s Hãy xác định các giá trị của: a. Tỷ số các cuộn dây, n. b. Trị số của tụ điện, C. 1.24 Trong mạch ở hình P1.25: I L = 600 mA; V L = 50 V; V r = 4 V; C = 1000 µF; v S1 (t) = v S2 (t) = V S0 cos (  t) V  = 377 rad/s. Các diode đều là silicon. Nếu thông số công suất của một trong các diode bị vượt quá và diode bị nổ hay hở mạch, hãy xác định các giá trị mới của điện áp ra DC hay điện áp trên tải và điện áp gợn: 1.25 Trong bộ nguồn chỉnh lưu toàn kỳ như thể hiện ở hình P1.31, các diode là 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 50 V. Các diode được chế tạo từ silicon. V line = 170 cos (377t) V; n = 0,2941; C = 700 µF; R L = 2,5 k a. Xác định điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode. b. Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho. [...]... dưới dạng các điện áp theo cấu kiện và các điện áp ngưỡng hay điện áp thắt kênh đã cho ở trên là bao nhiêu? 2.32 Các transistor thể hiện ở hình P2.23, có VT  3V Hãy xác định vùng làm việc của mỗi loại tương ứng 2.33 Đo điện áp tại ba điện cực của một MOSFET kiểu tăng cường kênh-n có các mức điện áp là 4 V; 5 V; và 10 V so với đất Hãy vẽ ký hiệu mạch, với các mức điện áp thích hợp tại mỗi điện cực nếu... được điều khiển bằng điện áp Họ đặc tuyến i-v của FET về bản chất đều là phi tuyến, được đặc trưng bằng sự phụ thuộc bậc hai của dòng máng vào điện áp cổng Các phương trình phi tuyến để giải thích các họ đặc tuyến máng của FET có thể được tóm tắt dưới dạng tập hợp các đặc tuyến chung cho mỗi loại Các công thức quan trọng Hệ số khuyếch đại điện áp: v Av  out vin Hệ số khuyếch đại dòng điện: i Ai  out... với tất cả các giá trị của điện áp nguồn, dòng tải, và điện áp của diode Zener Nếu: VZ = 12 V ± 10%; rZ = 9 ; iZ min = 3,25 mA; iZ max = 80 mA; VS = 25 V ± 1,5 V; IL = 31,5 ± 21,5 mA Hãy xác định trị số nhỏ nhất và lớn nhất của R có thể sử dụng 12 13 14 15 Chương 2: Transistor và mạch khuyếch đại    Các transistor đều là các cấu kiện điện tử ba điện cực được chế tạo từ các chất bán dẫn, đó là các... 5,6 V 1.28 Hãy xác định trị số nhỏ nhất và trị số lớn nhất để điện trở mắc nối tiếp có thể có trong mạch ổn định mà điện áp đầu ra của mạch là 25 V, điện áp vào của mạch thay đổi từ 35 V đến 40 V, và mức dòng tải lớn nhất của mạch ổn định là 75 mA Diode Zener sử dụng trong mạch có thông số dòng lớn nhất là 250 mA 11 1.29 Trong mạch ổn định điện áp đơn giản như ở hình P1.40, R cần phải duy trì mức dòng... làm việc của transistor Transistor có V = 0,6 V; và  = 150 Transistor làm việc ở vùng nào ? 2.15 Cho mạch như ở hình P2.7, hãy xác định dòng emitter và điện áp collector-base Cho BJT có V = - 0,6 V trên tiếp giáp BE 2.16 Nếu điện trở emitter ở bài tập 2.7 (hình P2.7) bị thay đổi trị số thành 22 k, thì điểm làm việc của BJT sẽ thay đổi như thế nào ? 21 2.17 Họ đặc tuyến collector của một transistor... giá trị của điện áp nguồn, dòng tải, và điện áp của diode Zener Hãy tìm trị số nhỏ nhất và lớn nhất của R có thể sử dụng VZ = 5 V ± 10%; rZ = 15 ; iZ min = 3,5 mA; iZ max = 65 mA; VS = 12 V ± 3 V; IL = 70 ± 20 mA 1.30 Trong mạch ổn định điện áp đơn giản như ở hình P1.40, R cần phải duy trì mức dòng của diode Zener trong phạm vi các giới hạn quy định của diode đối với tất cả các giá trị của điện áp nguồn,... mV; Iin = 2,5 mA;Vout = 10 V; I out = 400 mA Hãy xác định: (a) Hệ số khuyếch đại điện áp; (b) Hệ số khuyếch đại dòng điện; (c) Hệ số khuyếch đại công suất; (d) Trở kháng vào 2.45 Một bộ khuyếch đại có hệ số khuyếch đại công suất là 25 và trở kháng vào và ra đều bằng 600  Hãy xác định mức điện áp vào yêu cầu để tạo ra mức điện áp tại đầu ra là 10 V 2.46 Hãy xác định hệ số giữa-băng và các tần số cắt-thấp... RS = 50 ; RC = RE = 100 ; RL = 150 ;  = 100 a Xác định điểm làm việc của transistor b Vẽ mạch tương đương AC của bộ khuyếch đại c Nếu điện dẫn ra = 10-5 S, hãy xác định hệ số khuyếch đại điện áp như được định nghĩa bằng vout / vin d Tính điện trở vào, ri e Tính điện trở ra rO 36 ... bảng số liệu của transistor 2N3819 cho ở hình 5.32 để xác định: (a) Kiểu và loại cấu kiện (b) Giá trị lớn nhất của điện áp máng-cổng (c) Giá trị lớn nhất của dòng máng (d) Giá trị lớn nhất của dòng cổng ngược (e) Giá trị nhỏ nhất của độ điện dẫn truyền đạt thuận (f) Giá trị lớn nhất của điện dung đầu vào (g) Kiểu vỏ Đáp số: JFET kênh-N; 25 V; 50 mA; 2 nA; 2 mS; 8 pF; 350 mW; TO-92 2.30 Đặc tuyến ra... 1N4001 có thông số điện áp ngược đỉnh (PIV) là 10 V Các diode được chế tạo từ silicon Vline = 156 cos (377t) V; n = 0,04231; Vr = 0,2 V; IL = 2,5 mA; VL = 5,1 V; a Xác định mức điện áp ngược đỉnh thực tế trên mỗi diode b Hãy giải thích tại sao các diode đó phù hợp hoặc không phù hợp với các thông số đã cho 1.27 Hãy xác định trị số nhỏ nhất của RL trong mạch ở hình P1.37, để cho mức điện áp ra duy trì