Vo tuyen 2004 .pdf

Chia sẻ kiến thức về vô tuyến.

Mở đầu Định nghĩa Vô tuyến điện khoa học thu phát sóng điện từ xa khơng dùng đường dây Hiện nay, vô tuyến điện dùng rộng rãi lĩnh vực khoa học đời sống truyền thanh, truyền hình, thơng tin vệ tinh, thơng tin vũ trụ , quốc phịng (radar), điều khiển q trình cơng nghệ sản xuất, đo lường xử lý số liệu, viễn thám, dự báo khí tượng Yêu cầu - Tín hiệu truyền thu nhận phải trung thực (không méo) Trong ngành lượng khác điện kỹ thuật yêu cầu hiệu suất vấn đề cần thiết Cịn vơ tuyến điện trái lại, chất lượng hình ảnh, âm yêu cầu hàng đầu - Nâng cao độ nhạy máy thu xử lý tín hiệu chìm phông nhiễu Hiện nay, việc chuyển dần từ truyền tin tương tự sang dạng số (điện thoại số, truyền hình số ) đảm bảo chất lượng hình ảnh âm thanh, ghép nối máy tính mạng quốc tế Lịch sử phát triển Để có thành tựu ngày nay, vô tuyến điện phải trải qua giai đoạn phát triển lâu dài Có thể kể vài cột mốc phát triển: - 1820, Osted phát minh tương tác dòng điện nam châm - 1826, định luật Ohm đời - 1831, phát minh định luật Faraday (tương tác điện từ, cảm ứng điện từ trường) cho sóng điện từ truyền với vận tốc hữu hạn cho cần có môi trường truyền dẫn lực điện từ - Tiếp đến Maxwell tính tốn phương trình truyền sóng tính vận tốc truyền sóng v= c εµ c tốc độ ánh sáng ε số điện mơi µ số từ mơi Ơng cho cần có mơi trường truyền dẫn (ete) Nhưng thí nghiệm khơng chứng minh tồn chất ete - 1888, Hez chứng minh tồn sóng điện từ - 1896, Popov truyền thu tín hiệu phát cự ly ngắn (250m) - 1901, Lebedev chứng minh tồn lượng ánh sáng, tức chứng minh ánh sáng dạng tồn vật chất) - 1904, phát minh đèn hai cực (diode chân không) - 1906, phát minh đèn ba cực - 1922, chế tạo chất bán dẫn - 1948, transistor đời - Tiếp theo mạch tổ hợp IC, máy tính điện tử, thông tin vũ trụ Phải khẳng định điều nghiên cứu khoa học vật liệu ngành khoa học khác (truyền sóng, trang thiết bị đo lường ) giúp cho vơ tuyến điện có điều kiện phát triển ngày Về ngành vô tuyến điện thân cần nghiên cứu phát triển như: xây dựng thiết kế lý thuyết mạch, lý thuyết điều khiển, lý thuyết ổn định, nghiên cứu xác suất lĩnh vực xử lý tín hiệu điều chế, số hóa, mã hóa giải phóng thơng tin Nghiên cứu ứng dụng băng tần số khác Các băng sóng vơ tuyến Bước sóng λ (m) Tần số f (MHz) > 3000 < 0,1 Sóng trung 3000 ÷ 200 0,1 ÷ 1,5 Sóng ngắn 200 ÷ 10 1,5 ÷ 30 Sóng mét (cực ngắn) 10 ÷ 30 ÷ 300 Sóng dm ÷ 0,1 300 ÷ 3000 Băng C, Ku, liên lạc tàu vũ trụ trái đất Sóng cm 0,1 ÷ 0,01 3000 ÷ 30000 Liên lạc tàu vũ trụ Sóng mm 0,01 ÷ 0,001 30000 ÷ 300000 Loại sóng Liên lạc bầu khí quyển, mặt đất Trái đất, vệ tinh Sóng dài Hiện thu tín hiệu từ vệ tinh có hai dải băng tần: băng C (3,35 ÷ 4,15 GHz), băng Ku (10,95 ÷ 11,75 GHz) Liên lạc vệ tinh - trái đất phải tránh hai đỉnh hấp thụ nước (22,2 GHz) oxy (60 GHz) Sơ đồ khối trạm thu phát vơ tuyến Bản thân âm tiếng nói khơng truyền xa Dải âm tần 20Hz ÷ 3,2KHz Muốn truyền âm xa cần phải gửi sóng âm vào sóng cao tần thuộc băng sóng vơ tuyến mang lượng cao Q trình gọi q trình điều chế Cịn giải điều chế q trình tách sóng Phát cao tần ω âm từ micro Điều chế KĐCS cao tần Khuếch đại cao tần Tách sóng Khuếch đại âm tần Khuếch đại âm tần Ω Khối máy phát Khối máy thu Ăng ten parabol Phối hợp đầu vào Tiền khuếch đại Bộ lọc dải Trộn tần Khuếch đại trung tần Máy thu vệ tinh MT 900 Băng Ku (10,95 ÷ 11,75) GHz Băng C (3,35 ÷ 4,15) GHz Trong máy thu vệ tinh cịn hai lần chuyển đổi tần số xuống 612MHz rổi xuống70MHz đưa vào tivi cab 75Ω Bộ lọc dải Máy phát Heteroin Chương Các mạch tuyến tính 1.1 Tín hiệu Tín hiệu biểu vật lý tin tức Ví dụ: - Tín hiệu âm tần dịng điện biến đổi theo quy luật âm Tiếng nói → micro → dịng điện I → khuếch đại loa - Tia sáng → tế bào quang điện → dòng iΦ→ biết chất tia sáng chiếu tới - Tia phóng xạ → ống đếm → xung điện → chất tia phóng xạ Như vậy, tín hiệu vào khơng phải tín hiệu điện để đo lường, xử lý điều khiển cần chuyển sang tín hiệu điện 1.1.1 Tín hiệu tuần hồn Là tín hiệu mà sau khoảng thời gian xác định, giá trị lặp lại f(t) = f(t +T) T chu kỳ (s) f = 1/T tần số (Hz) Tín hiệu tuần hồn đơn giản tín hiệu sine đơn sắc điều hòa A(t) = Amsin(ωt+ϕ) A(t) = Amcos(ωt+ϕ) ω tần số góc, ω=2πf=2π/T ϕ pha ban đầu ωt+ϕ pha tức thời Mọi tín hiệu tuần hồn phức tạp phân tích thành chuỗi Fourie tín hiệu điều hịa 1.1.2 Tín hiệu khơng tuần hồn Là tín hiệu không lặp lại sau khoảng thời gian định Tín hiệu khơng tuần hồn đơn giản xung đơn (hay gọi hàm đơn vị) 0 t < η( t ) = 1t =  1 t ≥ t Hàm đơn vị chậm τ kí hiệu là: 0 t < τ η( t − τ) = 1t − τ =  1 t ≥ τ 1(t) 1(t) τ t 1.2 Các phần tử mạch điện 1.2.1 Phần tử tuyến tính phi tuyến 1.2.1.1 Phần tử tuyến tính Là phần tử không phụ thuộc vào I U R= UR = const IR UL φ dIL L= = dt I C= = const ∫ IC dt q = = const UC UC 1.2.1.2 Phần tử phi tuyến Ngược với tuyến tính, phần tử phụ thuộc vào I U Nhiều khi, linh kiện điện tử phần tử tuyến tính hay khong cịn tùy thuộc vào điều kiện tác động bên Chẳng hạn dụng cụ bán dẫn, chịu tác động tín hiệu nhỏ phần tử phi tuyến Nhưng tín hiệu lớn phần tử phi tuyến 1.2.2 Mạch tuyến tính mạch phi tuyến 1.2.2.1 Mạch tuyến tính Là mạch bao gồm phần tử tuyến tính Q trình tương tác điện biểu diễn phương trình vi phân tuyến tính: & & a&x& + b&& + cx + dx + e = x Các hệ số a, b, …d, e không phụ thuộc vào x, nghĩa không phụ thuộc vào I, U 1.2.2.2 Mạch phi tuyến Là mạch chứa phần tử phi tuyến, hệ số phương trình vi phân phụ thuộc vào I U Ví dụ: Từ thơng φ cuộn dây khơng tuyến tính theo I → L = f(I) Diode, I khơng tuyến tính theo U → RDiode phi tuyến φ I I U Đặc tính mạch tuyến tính tuân theo nguyên lý chồng chất, tác động đồng thời suất điện động εi lên mạch I = ΣIi U = ΣUi Khi tác động vào mạch tuyến tính phổ phức tạp không sinh phổ 1.2.3 Các mạch tập trung, phân bố điều kiện chuẩn dừng Các phần tử RLC mắc tập trung mạch điện tổ hợp mạch với kích cỡ mạch l Nguồn ε I tác động lên mạch có bước sóng λ Nếu λ >> l mạch tổ hợp mạch gọi mạch tập trung điều kiện gọi điều kiện chuẩn dừng Các mạch điện ta khảo sát thỏa mãn điều kiện chuẩn dừng Các mạch không thỏa mãn điều kiện gọi mạch phân bố (đường dây, cab truyền, ống dẫn sóng…) Để giải toán cho mạch phân bố ta phải sử dụng phương trình tốn lý với điều kiện biên cụ thể Các mạch tập trung biểu diễn phương trình vi phân xây dựng dựa hai định luật Kirchhoff hiệu dòng điện Xét phần tử tập trung R, L, C riêng rẽ (khi cho I = I0sinωt U = U0sinωt) Các phần tử phần tử tuyến tính giá trị chúng khơng phụ thuộc vào điện dòng điện Nhưng thực tế, chúng phần tử phi tuyến mức độ phi tuyến bé, thông số trở kháng chúng phụ thuộc vào tần số 1.2.3.1 Điện trở R R IR U R = R = const IR Dòng pha Nếu cho I = I0sinωt U = U0sinωt, U0 = RI0 1.2.3.2 Tụ điện C C IC q 1 π = Idt = I0 sin(ωt − ) C C ωC ZC = ωC U0 = I0 Z C = I0 / ωC ∫ UC = IC UC Nhưng thực tế hai má cực tụ C có tồn lớp cách điện (giấy, khơng khí, gốm, sứ, bán dẫn) nên tồn điện trở Có thể xem tụ với sơ đồ tương đương tụ nối tiếp hay song song với điện trở Cn C// Rn A B B A R// Cn mắc nối tiếp Rn - Ở Rn nhỏ → URn sinδ ≈ δ I AB ϕ tgδ ≈ δ δ tgδ = Rn / ZCn = ωRnCn U AB U Cn - Dòng sớm pha góc ϕ ≤ π/2 - δ góc lệnh pha hai má tụ (thực tế) tụ lý tưởng (R=0) IC // Cn mắc song song Rn - Tương tự R// lớn → δ nhỏ tgδ = (1/R//) / (ωC//) = 1/ ωR//C// - δ góc lệnh pha dịng I thực tế I qua tụ lý tưởng I AB δ ϕ I R // U AB Độ phẩm chất Q QC = W W P = Uhd I hd công suất kháng P = Uhd I hd (sinδ ≈ δ) công suất tiêu thụ, phụ thuộc vào tính chất cách điện lớp điện mơi QC = → 1 = ωR // C // = δ ωR n C n Đối với tụ xoay C = aϕ + C0 (C0 tụ ϕ = 0, ϕ góc quay) Vậy khung tần số riêng khung phụ thuộc vào góc quay ϕ: ω= LC = 1 L C L aϕ + C Đối với tụ varicab, gốm áp điện hay điện dung lớp tiếp xúc p-n C C = C0eaU U phụ thuộc phi tuyến vào U Điện dung Varicab hay dùng để điều khiển tần số 1.2.3.3 Cuộn cảm L - L UL = L π di = ωLI0 sin( ωt + ) dt i = I0sinωt UL IL dòng điện cuộn cảm chậm pha π/2 so với L RL - Thực tế cuộn cảm L cịn tồn điện trở RL Vì vậy, đặc trưng cuộn cảm cịn có thêm thông số: + Điện trở cuộn dây RL công suất tiêu tán P + Giá trị RL tăng theo tần số ωL , RL QL = δ= d , δ πµfσ đường kính dây δ độ xun sâu hiệu ứng skin µ từ thẩm tần số σ RL = R d f + Độ phẩm chất: độ dẫn điện Để cách điện thường phủ lớp email cách điện 1.3 Phương pháp phổ - Nguyên lý chồng chất 1.3.1 Phổ hàm tuần hồn Xét tín hiệu tuần hoàn f(t) f(t) = f(t+T1) T1 chu kỳ f1 = 1/T1 tần số ω1 = 2πf1 tần số góc Có thể phân tích hàm tuần hồn phức tạp thành chuỗi Fourie f (t) = ∞ ao + (a n cos ω1nt + b n sin ω1nt ) n=1 ∑ n: số tự nhiên T/2 co = ao = f ( t )dt T −T / an = Với f ( t ) cos nω1tdt T −T / ∫ T/2 Nếu đặt ∫ T/2 bn = f ( t ) sin nω1tdt T −T / ∫ cn2 = an2 + bn2 , tgϕn = bn/an an = cncosϕn bn = cnsinϕn Ta f (t) = c o + ∞ ∑c cos(nω1t − ϕ n ) n n =1 Hoặc dạng phức f (t) = c o + ∞ ∑c ne j( nω1t − ϕn ) n=1 Như vậy, từ hàm tuần hoàn phức tạp f(t) ta khai triển tổng thành phần điều hòa đơn giản với tần số ω1, 2ω1, …nω1, biên độ cn Mỗi thành phần điều hòa gọi vạch phổ tín hiệu - Tập hợp thành phần biên độ cho phổ biên độ - Tập hợp thành phần tần số cho phổ tần số - Tập hợp thành phần pha cho phổ pha Xét phổ biên độ, biểu diễn thành phần biên độ cn f(t) sang dạng phức: c n =| c n | e Đặt Sn ( ω) = T/2 = f ( t )e − jnω1t dt T −T / ∫ jϕn & c n ( ω).T T/2 → Sn ( ω) = ∫ f (t )e − jnω1t dt −T / f (t) = ∞ ∑S e n jnω1t n =0 Mỗi thành phần điều hòa phổ biên độ biểu diễn vạch, độ cao Sn ( ω) độ lớn biên độ Sn (ω) hàm mật độ phổ lượng, biểu diễn phân bố lượng tín hiệu dọc theo trục tần số ω | Sn | ω ω1 ω2 ω3 ω4 Như vậy, phổ hàm tuần hoàn f(t) phổ vạch không liên tục Các vạch phổ cách nên gọi phổ tuyến tính hay phổ điều hịa Đường bao hình vạch phổ cho dạng xung tuần hoàn f(t) 1.3.2 Phổ hàm khơng tuần hồn Giả thiết f(t) hàm khơng tuần hồn, phân tích theo chuỗi Fourie có dạng: ω ∞ f (t) = S(ω)e jωt dω 2π − ∞ ∫ Trong đó, S(ω) phổ liên tục hàm khơng tuần hồn ∞ S(ω) = ∫ f (t )e − jωt dt −∞ 1.3.3 Nguyên lý chồng chất Nguyên lý chồng chất sở cho việc khảo sát mạch tuyến tính (khơng sử dụng với mạch phi tuyến) Nguyên lý phát biểu sau: Tín hiệu nhiều nguồn ngoại lực gây không phụ thuộc vào Giả sử ngoại lực f1(t) gây nghiệm x1(t), ngoại lực f2(t) gây nghiệm x2(t) ngoại lực tổng cộng f1(t) + f2(t) gây nghiệm x1(t) + x2(t) Nguyên lý chồng chất cho phép cần xét tác động ngoại lực điều hòa đơn giản, ngoại lực phức tạp coi tổng tác động ngoại lực đơn giản (sine, cosine), sử dụng phương pháp phân tích phổ Fourie 1.4 Nguồn - Nguồn dịng - Phương pháp sơ đồ tương đương 1.4.1 Nguồn thế: Là nguồn có trở nội Ri RT Khi đó, dịng điện khơng thay đổi thay đổi trở tải I= ε(t) Ri + R T Ri >> RT → I≈ ε(t) Ri = const Ví dụ tế bào quang điện có Ri ≈ 100MΩ nguồn dòng Tuy nhiên, việc phân biệt nguồn dịng hay nguồn có tính chất tương đối, tùy theo tỉ số Ri RT Nguồn thường sử dụng mạch khuếch đại, máy phát Còn nguồn dòng cung cấp cho mạch emittor mạch khuếch đại vi sai 1.4.3 Phương pháp sơ đồ tương đương Là phương pháp để giản lược, bật phần tử mà ta cần tính đại lượng điện đơn giản hóa tính tốn Nghĩa là, thay tập hợp phần tử mạch phần tử tương đương, yêu cầu cho dòng qua phần tử lại khơng đổi Ví dụ: Sơ đồ gồm nguồn U(t), trở nội Ri, mắc nối tiếp với R1 R2 song song Ta cần khảo sát đại lượng U2 I2 R2 Ta chuyển sơ đồ tương đương i i1 Ri U(t) ~ R1 i2 Rtđ ~ R2 R2 Utđ = U(t)  U( t ) = iR i + i1R  U( t ) = iR i + i 2R  i = i1 + i  → i1 = i2 R2/R1 → U(t) = (i1 + i2)Ri + i2R2 = (i2 R2/R1 + i2)Ri + i2R2 = (R2/R1 +1) i2Ri + i2R2 = i2 Rtđ + i2R2 Trong đó, Rtđ = (R2/R1 +1)Ri 1.5 Phương pháp biên độ phức Phương pháp biên độ phức phương pháp biểu diễn đại lượng điện thông qua số phức Xét khung RLC mắc nối tiếp L Ta có phương trình: L ↔ di + Ri + Idt = ε sin pt dt C ∫ ε0sinpt d i R di + + i = pε sin pt L dt LC dt R C Các đại lượng thực Để giải toán phương pháp biên độ phức, thay: i = X, → 2δ = R/L, ω02 = 1/LC, && & X + 2δX + ω X = P cos pt pε0 = P0 Ngoại lực dạng phức p e jpt tìm nghiệm dạng hàm phức X = Xe jpt → && &  X + 2δX + ω X = P0 e jpt  jpt  X = Xe Trong đó, X =| X | e jϕ biên độ phức gồm giá trị tuyệt đối pha & X = jpXe jpt && X = −p Xe jpt Thay vào ta được: − p X + 2δjpX + ω X = P0 → X= P0 (ω0 − p ) + j2δp So sánh với X =| X | e jϕ với ejϕ = cosϕ +jsinϕ, so phần thực với phần thực, phần ảo r với phần ảo tìm |X| ϕ, tức tìm nghiệm X( t ) =| X | e j(pt + ϕ ) gồm phần r thực phần ảo, giữ lại Re X( t ) tìm nghiệm thực ban đầu 10 n2 ) n1 ω2 (1 − ) − =0 ω n2 2 d + (1 − ) ω2 χ (1 − Xét trường hợp mạch lọc dải, hai khung hoàn toàn giống (L1 = L2 = L, C1 = C2 = C), liên kết yếu (n1 = n2 = n), đặt độ lệch tần (ω, n) ξ = 1− ξ(1 − → Có nghiệm n1 n2 n2 = 1− = 1− ω2 ω ω2 χ2 )=0 d + ξ2 +ξ=0 → + ξ1,2 = ±√(χ - ω3 = n → d22) có hai nghiệm thực ω1, χ2 > d22 Khi χ < d2 (liên kết yếu), hai khung hồn tồn giống ξ1,2 ảo nghiệm thực ξ = Như vậy, liên kết yếu ta có tần số cộng hưởng ω3 = n Còn liên kết mạnh, có hai tần số cộng hưởng ω1, ω2 cách xa tần số n (ứng với ξ1, ξ2) χ=d2 liên kết lớn tới hạn (liên kết mạnh) χ>d2 liên kết nhỏ tới hạn χ> R1 nên bỏ qua R1 Tìm ε I1 = =| I1 | e jϕ ω L 1L ω 2L 1L ωL R T + j(ωL − ) R + ( ωL ) R T + ( ωL ) T → ε | I1 |=    ω 2L 1L ω L L ωL  R T  +  ωL − 2 22    R + ( ωL ) R T + ( ωL )    T ωL − tgϕ =     ω 2L 1L ωL R + ( ωL ) T ω 2L 1L R + (ωL ) T RT Công suất: Công suất vào biến thế: P1 = Pra + Pkhuếch tán ≈ Pra (khi Pkhuếch tán = công suất lớn) P1 = ε.I1 cos ϕ đạt cực đại ϕ ≈ 0, điều xảy ωL2 >> RT Khi ωL − Và I1 = ω 2L 1L ωL R + ( ωL ) T =0 ε ε = L1 R td RT L2 với R td = L1 RT L2 Thường L1, L2 tỉ lệ với số vòng dây n12, n22 nên L1 n ≈ ( )2 L2 n2 Dòng lối I2 = − I1 = → ε n R T ( )2 n2 ω L 1L ωM I1 n ε n2 =− = −n I1 I1 = − I1 = − ωL Z2 n2 R T n1 n = n1/n2 gọi hệ số biến Dấu (-) dịng I2 ngược chiều I2 Vì vậy, I1 U2 U1 Còn = R TI2 U1 =− R T ε n2 ε R T n1 → =− n1 n2 U2 n =− ε n1 Rtd = RT n2 Đây cơng thức tính tốn cho điện trở, dòng cuộn thứ cấp biến phụ thuộc vào hệ số biến n, I2 ngược pha I1, U2 ngược pha U1 (ε) 27 Ứng dụng: - Biến đổi dòng lối theo mục đích yêu cầu - Thay đổi cực tính tín hiệu lối (đảo pha lối vào) - Loại bỏ thành phần chiều lối - Phối hợp trở kháng (Rtd = RT.n2) hai tầng khuếch đại Lưu ý: - Quan hệ suất điện động cảm ứng tạo với Φ U=n dφ( t ) , dt Φ(t)= Φ0ejωt U = jωnφ0ejωt = U0ej(ωt+π/2), U0 = ωnφ0 φ0 = B0S biên độ B0 thơng lượng bão hịa n số vịng S tiết diện ngang lõi biến - Khi ω cao tổn hao dòng Fucoult tiêu tán lớn Khi tốn phải tính tốn đến Cks Lks Để giảm dòng Foucoult, chế tạo biến sắt non mỏng, mạ silic cách điện ép lại Để tránh bão hịa khơng gây méo tín hiệu qua biến thế, người ta chọn lõi sắt có đường cong từ trễ hẹp (vật liệu pecmaloy) Để tránh ảnh hưởng can nhiễu đến biến ảnh hưởng ngược lại biến đến phận khác mạch người ta phải bọc kim biến 28 Chương Dụng cụ bán dẫn 2.1 Diode bán dẫn thường Điện trở, tụ điện, cuộn cảm đơn vị tuyến tính (linear), hay cịn gọi linh kiện thụ động (passive), điều có nghĩa chúng khơng có khả tạo nguồn lượng thân chúng (built-in source of power) Mạch vi điện tử (mạch tích hợp IC - Integrated Circuit) cấu tạo diode, transistor, điện trở Cịn yếu tố L, C kích thước lớn nên người ta không chế tạo nằm vi mạch tích hợp Các yếu tố mắc mạch để đặc trưng vi mạch, dùng chúng để nối vi mạch với Diode, transistor thông thường xuất dạng đơn linh kiện Một vài yếu tố này, kết hợp R, L, C tạo nên mạch điện tử thực nhiều chức đa dạng Diode dụng cụ bán dẫn phi tuyến có hai cực (non-linear two-terminal device) Hoạt động diode dựa tính dẫn điện chiều lớp tiếp xúc p-n hai loại bán dẫn p n 2.1.1 Khái niệm chất bán dẫn ròng (intrinsic semiconductor) Chất bán dẫn ròng chất nguyên tố nhóm IV (Si, Ge) Giá trị điện trở suất nằm chất dẫn điện chất cách điện: ρ chất dẫn điện < ρ bán dẫn < ρ chất cách điện Ở nhiệt độ cao, bán dẫn có xu hướng tiến đến thành chất dẫn điện Ở nhiệt độ thấp nghiên tính chất chất cách điện Trong chất bán dẫn ròng, mật độ hạt tải điện điện tử - electron (-) tự lỗ trống - hole (+) nhau: Si n = n = ni ∈ nhiệt độ Si Si Si Si nhiệt độ tăng Ni tăng Ở nhiệt độ phòng, n.p = 2,1.1019 cm-6 (Si) 26 Si Si cm (Ge) 12 Si cm-6 (GaAs) = 2,89.10 = 6.55.10 -6 Tích n.p nhiệt độ xác định số Khái niệm lỗ trống có nghĩa nguyên tử khuyết điện tử trở thành điện tích dương tự 2.1.2 Khái niệm chất bán dẫn pha tạp (extrinsic semiconductor - doping of semiconductor) Nếu đơn dừng lại chất bán dẫn tinh khiết khơng thể tạo linh kiện điện tử bán dẫn đa dạng được, nồng độ điện tử lỗ trống nhiệt độ quy định Do đó, nảy sinh vấn đề thay đổi nồng độ điện tử nhiều lên, đi, tương tự, nồng độ lỗ trống tăng lên, Điều dẫn đến việc phân chia thành hai loại bán dẫn khác loại n loại p Ý tưởng hai loại có nồng độ khác nhau, loại tiếp xúc với theo cấu trúc, độ dày mỏng lớp, kênh khác hình thành nên 29 phong phú đa dạng linh kiện điện tử Các linh kiện tùy theo cấu thành trên, có chức năng, tần số hoạt động, khả chịu dòng, chịu thế, chịu nhiệt độ, độ nhạy… khác hồn tồn đặc trưng cho nhóm linh kiện Để thay đổi nồng độ điện tử lỗ trống, người ta pha lẫn tạp chất thuộc nhóm III V - Loại N: pha lẫn tạp chất nhóm V, chẳng hạn As (Asen) As có electron hóa trị, Si có Mỗi nguyên tử As thay nguyên tử Si (Ge) nằm vị trí nút mạng tinh thể Si thực liên kết đồng hóa trị với nguyên tử Si kề cận xung quanh e- Cịn lại e- cịn lại bứt khỏi mạng tinh thể trở thành electron tự phần tử tải điện Khi này, chất bán dẫn có số điện tử nhiều so với lỗ trống Độ chênh lệch nồng độ tạp chất thêm vào Như vậy, loại bán dẫn gọi bán dẫn loại n với: + Electron phần tử tải điện (majority carrier) + Lỗ trống phần tử tải không (minority carrier) Nguyên tử arsenic gọi donor ion hóa “cho” electron thành electron dẫn n-type silicon Si Si Si - Si Excess + charge + As Si Si Si Excess electron from arsenic atom - Loại P: pha tạp chất nhóm III, chẳng hạn Bo (Boron), có điện tử hóa trị Cũng trên, nguyên tử tạp chất nhóm III thay vị trí nút mạng nguyên tử nhóm IV Để thực đủ liên kết vai trị ngun tử nhóm IV Bo phải mượn điện tử liên kết Si-Si mạng tinh thể Khi để lại hậu lỗ trống liên kết Si-Si Lỗ trống lỗ trống tự tham gia làm phần tử tải điện Mật độ lỗ trống tạo thành nồng độ tạp chất pha vào Như vậy, loại bán dẫn gọi bán dẫn loại p với: + Lỗ trống phần tử tải điện (majority carrier) + Electron phần tử tải không (minority carrier) Nguyên tử Boron gọi acceptor ion hóa “nhận” điện tử p-type silicon Si Si Si Si Si + Bo Si Excess - charge Si Positive hole, as one electron was removed from a bond to complete the tetrahedral bonds of the boron atom 2.1.3 Lớp tiếp xúc p-n - Khi cho bán dẫn P tiếp xúc với bán dẫn N, có chênh lệnh lớn nồng độ hạt tải điện (electrons and holes) tồn gần miền tiếp giáp, lỗ trống khuếch tán từ P sang N điện tử khuếch tán từ N sang P qua lớp tiếp xúc (diffusion current) 30 - Kết việc di chuyển hai loại hạt tải việc electron, xuất ion donor tích điện dương (+, positive) bán dẫn N lỗ trống, xuất ion acceptor tích điện âm (-, negative) bán dẫn P Toàn vùng chứa ion gọi miền khơng gian tích điện (space charge region) Miền gọi miền nghèo (depletion region) nghèo nàn thiếu vắng hạt tải khuếch tán - Miền khơng gian bán dẫn nằm ngồi miền nghèo khơng bị ảnh hưởng, xem miền trung hòa điện (neutral region) Neutral Neutral P-region N-region xpo xno Vbi - Diode chế tạo với miền bán dẫn có nồng độ pha tạp lớn so với miền Miền nồng độ lớn ký hiệu thêm với dấu (+), P+N N+P Nồng độ lớn cỡ khoảng lần Toàn diode gồm P-N thể thống trung hòa điện, tổng điện tích miền ion (+) ngược dấu với tổng điện tích miền ion (-): -qNA-xpo = qND+xno Vì mức độ pha tạp chất hai miền khác nên xpo ≠ xno - Việc tồn miền điện tích dương bên điện tích âm bên làm hình thành điện trường hướng từ N → P Điện trường ngược chiều với khuếch tán hạt tải bản, lơi electron từ P sang N hole từ N sang P (drift current) - Điện trường tương ứng với hình thành hiệu điện nội nơi miền tiếp xúc Hàng rào ngăn trở việc khuếch tán phần tử tải Ký hiệu hàng rào Vbi Vbi = KT N A ND ln q n i2 Với tiếp giáp bán dẫn Si, Vbi = 0.7 ÷ 1V Của bán dẫn Ge, Vbi = 1.0 ÷ 1.4V Driff and diffusion currents: Tại trạng thái cân nhiệt, khơng có nguồn điện bên ngồi tác động, dòng electron và dòng lỗ trống không Ielectron - diffusion N → P = - Ielectron - driff P → N Ihole - diffusion P → N = - Ihole - driff N → P - Trên thực tế, diode chế tạo có cấu trúc hình dạng sau: 31 Metal top contact P-semiconductor N-semiconductor µm + N -semiconductor P 100 µm N Metal back contact 2.1.4 Phân cực cho diode Phân cực cho diode (biasing a diode) trình đặt nguồn (hoặc nguồn dịng) vào hai tiếp xúc kim loại bán dẫn N P Hiệu phân cực này, tùy theo chiều, làm cho diode bị phân cực thuận (forward direction) hay phân cực ngược (reverse direction) Đối với phân cực thuận, hiệu điện nhỏ tạo dòng điện lớn qua diode Trong phân cực ngược, dịng nhỏ, xem bỏ qua Chỉ trừ hiệu ngược cao, tượng đánh thủng (breakdown) xảy Hiện tượng biểu dòng điện lớn hiệu ổn định I(mA) I(mA) Ge Si GaAs 10 -40 -20 forward reverse Va(V) Va(V) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 breakdown I 2.1.4.1 Phân cực thuận + r E bi diode) giảm V V Va > Vbi -Va forward case - r Va Ea - Hiệu điện đặt vào làm cho P có điện dương N, + r r → E a ↑↓ E bi làm cho điện trường giảm, hàng rào V giảm, miền nghèo hẹp lại → điện trở lớp tiếp xúc (trở nội R r E Va < Vbi -Va Vbi x Vbi x reverse case - Khi phân cực thuận, hàng rào giảm xuống, điện tử N khuếch tán sang P lượng lớn (diffusion current) Dòng khuếch tán lớn nhiều so với dòng dịch electron (driff current) electron di chuyển theo lực điện trường từ P sang N Tương tự, lỗ trống khuếch tánt từ P sang N, dòng khuếch tán lớn nhiều so với dòng dịch lỗ trống di chuyển từ N sang P - Kết mật độ điện tử P miền nghèo tăng lên, hình thành electron 32 gradient miền P Tương tự, lỗ trống có phân bố hole gradient miền N Hai gradient hình thành dịng khuếch tán (diffusion current), hạt mà phần tử tải không Điều có nghĩa là, hole bên P majority carrier, sang bên N lại minority carrier Ngược lại, electron bên N majority carrier, sang P minority carrier Và dòng điện đặc trưng V-I thu dịng khuếch tán hạt tải khơng Dịng biến đổi theo quy luật hàm exponent Biểu thức dịng có dạng: I = A[ qD p p on Lp + qD n n op Ln pop qV ][exp a − 1] kT Va = P A số khuếch tán depletion region tiết diện lớp tiếp xúc Dp, Dn N pon nop Trong đó, non Va > pop non (diffusion constant) pon P mật độ hole không N nop pon nop mật độ electron không pop Va < P Lp, Ln N chiều dài khuếch tán (diffusion length) non P N pon nop 2.1.4.2 Phân cực ngược Is - Hiệu điện làm cho N dương so với P, r hiệu điện tiếp xúc miền nghèo tăng lên, điện trường E - tăng lên Năng lượng cần thiết cho hạt tải vượt qua hàng rào lớn, làm cho hạt tải chạy qua lớp tiếp xúc, mà thuận lợi cho hạt tải không chạy qua V + r Va Ea r E bi - Vì vậy, dòng điện diode lúc dòng nhỏ + R r E hạt tải khơng Trong biểu thức tính dịng trên, Va < I = -Is, Is dòng điện ngược bão hòa (reverse saturation current) I s = qA[ D p p on Lp + D n n op Ln ] - Chú ý trường hợp phân cực thuận, miền nghèo thu hẹp lại, điện trở nội diode nhỏ Còn phân cực ngược, miền nghèo mở rộng ra, trở nội diode tăng lên lớn Vì vậy, diode xem linh kiện cho phép dòng điện theo chiều định 2.1.4.3 Hiện tượng đánh thủng Khi tiếp tục tăng Vngược đến giá trị đủ lớn định, dòng điện ngược đột ngột tăng nhanh với tăng nhỏ Vngược Phân loại thành hai thượng đánh thủng: Zener breakdown (đánh thủng hiệu ứng xuyên hầm) Avalanche breakdown (đánh thủng ứng thác lũ) Avalanche breakdown 33 Trong tượng đánh thủng thác lũ, electron miền nghèo gia tốc điện trường cao có động lớn Chúng va chạm vào nút mạng mạng tinh thể phá vỡ liên kết hóa trị Mỗi va chạm ion hóa nút mạng, hình thành cặp điện tử - lỗ trống tham gia làm hạt tải Các cặp gọi phần tử tải điện thứ cấp Chúng lại nhận động lớn lại làm ion hóa nút mạng khác Kết việc hình thành lượng cực lớn hạt tải tự nhiên hình thành dịng điện đánh thủng lớn Zener breakdown Cơ chế vật lý tượng đánh thủng Zener hoàn toàn khác chế đánh thủng thác lũ Điểm giống hình dáng phần đặc tuyến ngược diode - Hai điểm khác là: + Hiệu điện ngược đánh thủng Zener Silicon diode cỡ khoảng 5V nhỏ Trong đánh thủng thác lũ vài chục volt + Đặc tuyến đánh thủng Zener đột ngột tăng đánh thủng thác lũ I - Đánh thủng Zener dựa hiệu ứng xuyên hầm (tunnelling) Khả xuyên hầm lớn độ rộng miền nghèo hẹp -Vbr -Vz V Điều thực hai loại bán dẫn pha tạp với nồng độ cao (1018cm-3) Zener Miền nghèo bị thu hẹp tạo điện trường cao Lúc đó, electron nhanh chóng thu avalance động lớn tượng đánh thủng xảy dễ dàng Và thế, Vz < Vbr - Đặc điểm bật diode Zener hiệu điện ngược Vz gần khơng đổi, dịng điện thay đổi lớn Vì thế, diode Zener thường dùng để tạo nguồn ổn áp chuẩn 2.1.5 Dòng điện mạch kín có diode 34 2.3Transistor lưỡng cực 2.4 Các sơ đồ mắc transistor 2.5 Transistor trường 35 Chương Nguồn cung cấp lượng 3.1 Chỉnh lưu khơng điều khiển 3.2 Chỉnh lưu có điều khiển 3.3 Chỉnh lưu nhân áp 3.4 Ổn định điện áp chiều 3.5 Mạch hạn chế biên độ điện áp 36 Chương Mạch phi tuyến 4.1 Điều chế 4.2 Tách sóng 4.3 Trộn sóng 37 Chương Các mạch khuếch đại 5.1 Khái niệm khuếch đại 5.2 Khuếch đại điện trở 5.3 Khuếch đại điện trở 5.4 Khuếch đại cao tần 5.5 Khuếch đại trung tần 5.6 Khuếch đại công suất 38 Chương Khuếch đại vi sai Khuếch đại thuật toán 6.1 Khuếch đại vi sai 6.2 Khuếch đại thuật toán 39 Chương Máy tạo dao động 7.1 Khái niệm mạch tạo dao động hình sin 7.2 Điều kiện dao động 7.3 Máy phát cao tần LC 7.4 Máy phát sơ đồ điểm 7.5 Máy phát thạch anh 7.6 Máy phát dao động tích dùng đèn Neon 7.7 Máy phát âm tần RC 7.8 Máy phát Blocking 7.9 Mạch Trigơ 7.10 Mạch ghim 40 ... Hiệu điện ngược đánh thủng Zener Silicon diode cỡ khoảng 5V nhỏ Trong đánh thủng thác lũ vài chục volt + Đặc tuyến đánh thủng Zener đột ngột tăng đánh thủng thác lũ I - Đánh thủng Zener dựa hiệu