Giáo trình mạch điện tử 1 ths nguyễn vũ thắng

Đề cương mạch điện tử I LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đòi hỏi công nghệ luôn luôn phải vận động để phù hợp với qúa trình phát triển đó Tuy nhiên những kiến thức cơ bản để tính toán và phân tích cấu trúc của các mạch điện tử là hết sức cần thiết Để phục vụ cho quá trình học tập của sinh viên và làm tài liệu tham khảo, chúng tôi đã biên soạn cuốn giáo trình Mạch điện tử 1, bao gồm tích hợp các nội dung kiến thức về lý thuyết và thực hành về mạch điện tử tương tự để các bạn đọc tiện tham khảo Bên cạnh đó hầu hết sau mỗi chương có các bài tập ứng dụng (được đề cập ở cuối giáo trình) để các bạn thuận tiện hơn trong quá trình học tập Do thời gian biên soạn có hạn cũng như trình độ còn nhiều hạn chế rất mong được sự đóng góp của các bạn đọc để những lần tái bản sau được hoàn chỉnh hơn ThS-Nguyễn Vũ Thắng 1 Đề cương mạch điện tử I Chương I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm mạch điện tử và nhiệm vụ của nó Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia công tín hiệu theo những thuật toán khác nhau và được phân loại theo dạng tín hiệu cần được xử lý Trong thực tế tín hiệu thường tồn tại dưới hai dạng cơ bản: tín hiệu tương tự (anolog) và tín hiệu số (digital) Tín hiệu tương tự là loại tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, còn tín hiệu số là loại tín hiệu đã được rời rạc hoá theo thời gian và lượng tử hoá về biên độ Các tín hiệu (kể cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số) đều có thể được: khuếch đại; điều chế; ghi nhớ; điều khiển; tách sóng; biến dạng và các mạch điện tử có nhiệm vụ thực hiện các thuật toán trên Trong nội dung của cuốn giáo trình này chúng ta chỉ đề cập tới các mạch điện tử tương tự Đối với tín hiệu tương tự người ta đặc biệt quan tâm tới tỷ số S/N (Signal/NoiseTín hiệu/Tạp âm) sao cho tỷ số này luôn lớn hơn 1 Để giải quyết vấn đề này người ta thường quan tâm tới hai thông số chủ yếu là biên độ tín hiệu và độ khuếch đại tín hiệu Biên độ tín hiệu thể hiện độ chính xác của quá trình gia công tín hiệu, xác định độ ảnh hưởng của nhiễu tới hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ thì nhiễu có thể sẽ lấn át tín hiệu Vì vậy khi thiết kế hệ thống điện tử cần nâng biên độ ngay ở tầng đầu Khuếch đại tín hiệu là chức năng quan trọng nhất của mạch tương tự, nó có thể thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các phần tử của hệ thống Trong vài thập kỷ gần đây với sự ra đời của bộ khuếch đại thuật toán, các mạch tổ hợp đã mở ra cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công mới Chúng không những đảm bảo thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mà còn có độ tin cậy rất cao và giá thành hạ Trong tương lai các nhà thiết kế sẽ càng tạo ra các mạch điện tử tổ hợp trên chíp có các chức năng ngày một hoàn hảo hơn Su hướng phát triển là giảm nhỏ kích thước bên trong của mạch trong chế tạo bằng cách giảm số chủng loại, nhưng tăng tính phổ biến của mạch trong ứng dụng hay tăng tính sử dụng của từng chủng loại 1.2 Đặc tính cơ bản và các tham số của diode (Tính dẫn điện, chỉnh lưu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe) Diode bán dẫn là phần tử một mặt ghép pn Về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của diode đã được đề cập trong các giáo trình Linh kiện điện tử và Điện tử cơ bản Trong phần này chỉ đề cập tới các ứng dụng của diode thông qua đặc tuyến Vol-Ampe của chúng ThS-Nguyễn Vũ Thắng 2 Đề cương mạch điện tử I Đặc tuyến Vol-Ampe của diode được thể hiện trên hình 1.1 Đường lý tưởng IAK Đường thực tế (1) -UAK ng 0 UAK0 UAK (2) (3) Hình 1.1 Đường đặc tuyến Vol-Ampe của diode được chia làm ba vùng rõ rệt: - Vùng 1 gọi là vùng phân cực thuận, dòng điện IAK phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận UAK Giá trị của dòng IAK rất lớn đó chính là sự khuếch tán có hướng của các hạt đa số qua chuyển tiếp pn Ứng dụng của vùng 1 để làm các diode chỉnh lưu điện áp, dòng điện - Vùng 2 gọi là vùng phân cực ngược Giá trị của dòng IAK tăng rất nhỏ cho dù điện áp UAK tăng một lượng khá lớn Sở dĩ dòng IAK tăng chậm như vậy là do sự chuyển động của các hạt thiểu số qua chuyển tiếp pn Ứng dụng của vùng 2 để làm các mạch chỉnh lưu điện áp, các mạch ghim điện áp - Vùng 3 gọi là vùng đánh thủng tương ứng khi tăng điện áp phân cực ngược cho diode tới một giá trị ngưỡng nào đó (UAKng) mà ở đó diện tích không gian của tiếp ráp pn có thể chiếm toàn bộ cả hai vùng bán dẫn p và n Nếu tăng điện áp phân cực ngược vượt quá giá trị điện áp ngưỡng thì tiếp ráp pn bị đánh thủng hoàn toàn theo hiệu ứng thác lũ, cấu trúc một tiếp ráp pn của điốt không còn tồn tại Ứng dụng của vùng 3 để làm các phần tử ổn áp (diode zener) ThS-Nguyễn Vũ Thắng 3 Đề cương mạch điện tử I 1.3 Đặc tính và các tham số cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT) 1.3.1 Đặc tính tĩnh và các phương trình cơ bản Có hai loại transistor là npn và pnp mà cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng đã được nghiên cứu trong chương trình môn điện tử căn bản hoặc linh kiện điện tử Phần này chỉ nhắc lại một số vấn đề cơ bản của chúng Từ quá trình hoạt động của BJT người ta đưa ra các họ đặc tuyến quan trọng của chúng - Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) khi giữ các tham số đầu ra cố định - Họ đặc tuyến đầu ra: IC = f(UCE) khi giữ các tham số đầu vào cố định - Họ đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IB) khi giữ các tham số đầu ra cố định Các BJT này có thể mắc theo emitter chung (EC), base chung (BC), collector chung (CC) Trong ba cách mắc trên thì cách mắc EC được ứng dụng rộng rãi nhất, vì vậy trong quá trình khảo sát đặc biệt quan tâm đến cách mắc này Để điều khiển BJT có thể dùng dòng emitter IE hoặc dòng base IB Nếu dùng dòng IE để điều khiển thì hệ số khuếch đại của BJT được tính theo biểu thức AN = IC IE (1.1) Trong đó AN là hệ số khuếch đại (KĐ) dòng một chiều trong cách mắc BC và AN >1 Vì IE = IB + IC, nên giữa BN và AN có các mối qua hệ sau: BN = ThS-Nguyễn Vũ Thắng AN 1 − AN ; AN = BN 1 + BN ; 1 − AN = 1 1 + BN 4 Đề cương mạch điện tử I 1.3.2 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ Đối với tín hiệu nhỏ thì BJT được coi là mạng bốn cực tuyến tính, nên có thể dùng hệ phương trình của mạng bốn cực (M4C) tuyến tính để biểu diễn giữa các dòng điện, điện áp vào và ra của BJT Trong các hệ phương trình của M4C, để mô tả cho BJT thường hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y Hệ phương trình tham số h và hệ phương trình dẫn nạp tham số Y của một M4C có dạng sau U 1 = h11 I1 + h12U 2 (1.3)  I 2 = h21 I1 + h22U 2   I1 = Y11U 1 + Y12U 2   I 2 = Y21U 1 + Y22U 2 (1.4) Các tham số h ij và Yij của các hệ phương trình 1.3 và 1.4 được xác định theo bảng sau Bảng 1.1 hij U1 I1 U = 0 2 h12 = U1 U 2 I =0 1 h21 = I2 I1 U = 0 2 h22 = I2 U 2 I =0 1 Yij 1.4 h11 = Y11 = I1 U1 U =0 2 Y12 = I1 U 2 U =0 1 Y21 = I2 U1 U =0 2 Y22 = I2 U 2 U =0 1 Đặc tính cơ bản và các tham số của transistor hiệu ứng trường (FET) 1.4.1 Phân loại và các đặc tính cơ bản Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và ghi nhớ chúng ta có thể phân loại FET (Field Effect Transistor) theo đồ hình 1.3 ThS-Nguyễn Vũ Thắng 5 Đề cương mạch điện tử I Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có 6 loại transistor hiệu ứng trường (FET) Ký hiệu và đặc tuyến của chúng được chỉ ra trong bảng 1.2 Nếu đặt vào cực cửa G (Gate) và cực nguồn S (Source) một tín hiệu, làm điện áp UGS thay đổi làm cho điện trở giữa cực máng D (Drain) và cực nguồn S thay đổi làm dòng điện cực máng ID thay đổi theo Vậy FET là một dụng cụ khống chế điện áp Trong thực tế, có nhiều FET đối xứng, nghĩa là có thể đổi lẫn cực máng và cực nguồn mà tính chất của FET không đổi - Trong JFET, cực cửa G nối với kênh máng-nguồn qua mặt ghép pn hoặc np Khi đặt điện áp phân cực UGS đúng chiều quy ước (bảng 1.2) thì diode mặt ghép ngắt, ngược lại nếu đổi chiều UGS thì diode mặt ghép thông, do đó dòng cực cửa IG khác không - Với MOSFET thì cực cửa G và kênh máng-nguồn được cách ly bởi một lớp SiO2, do đó dòng cực cửa IG luôn luôn bằng không ThS-Nguyễn Vũ Thắng 6 Đề cương mạch điện tử I Bảng 1.2: Ký hiệu và các họ đặc tuyến của FET ThS-Nguyễn Vũ Thắng 7 Đề cương mạch điện tử I Kên h UDS Cực tính ID UGS UP >0 >0 0 0 >0 >0