Kỹ thuật xung Nguyễn Trọng Hải Chương III

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương CHƯƠNG 3. CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Các linh kiện điện tử diode, transistor, đèn chân không gọi linh kiện chuyển mạch chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt vùng dẫn. Ở vùng tắt, linh kiện chuyển mạch xem không dẫn điện/dẫn điện vùng phân cực nghòch/bão hòa. Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững cấu trúc chất lý thuyết linh kiện trên. Khảo sát phần tử chế độ: chế độ xác lập chế độ độ I. CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 1. Diode Đường Đặc Tính Của Diode mạch tương đương Quan hệ Volts – Amperes Diode mô tả sau: ⎡ qvD ⎤ i D = I ⎢e nkT − 1⎥ ⎣ ⎦ (1) Các số hạng phương trình đònh nghóa sau : iD : Dòng qua diode (A) vd : Hiệu điện rơi Diode (V) Io : Dòng bão hòa ngược q : Điện tích electron, k : Hằng số Boltzmann , 1,38.10 T n : Nhiệt độ tuyệt đối ( K) : Hằng số kinh nghiệm , ≤ n ≤ 1,6.10 -19 J/V ( C ) -23 o o Ở nhiệt độ phòng (300 K) VT = k.T/q = 25 (mV) Do phương trình (1) viết lại GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 43 o J/ k ⎡ vD ⎤ i D = I ⎢e nVT − 1⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ (2) Phương trình (2) cho ta thấy: Nếu vD ≤ VT dòng iD dòng bão hòa nghòch -Io , I0 không phụ thuộc điện áp phân cực nghòch Tùy theo cách chế tạo I0 ≈ nA Si I0 ≈ μ A Ge I0 nhạy với nhiệt độ: tăng lần T tăng C Si, va T tăng 10 C Ge Mạch tương đương diode phân cực nghòch Io A A Hoặc K K R o vD > VT hoạt động nhiệt độ 25 C dòng điện thuận Diode giản lược sau: ⎡ nVvD i D = I ⎢e T ⎣⎢ ⎤ ⎥ ⎥⎦ Những phương trình minh họa hình sau cho hai vật liệu Sillicon Germanium. Hình 3.1: Đặc tuyến Volts- Amperes Đặc tuyến thực Diode có dạng hàm mũ. Khi phân cực thuận mối nối p-n, bên phải đặc tuyến V-A, điện trở tiếp xúc chất liệu bán dẫn tỉ lệ thuận với điện trở thuận. Khi phân cực nghòch mối nối p-n, bên trái đặc tuyến V-A, dòng điện rỉ Io tỉ lệ nghòch với điện trở nghòch. Khi Diode chòu điện áp ngược lớn làm phá hủy tiếp giáp p-n. Điện áp rơi Diode phân cực thuận v v v Vγ = 0,1 đến 0,3 (chọn 0,2 ) , Đối với Diode loại Ge. v v v Vγ = 0,6 đến 0,8 (chọn 0,7 ) , Đối với Diode loại Si. Mạch tương Diode phân cực thuận là: A A K rd K Vγ Diode lý tưởng rd : Điện trở động rd = nVT / (iD + Io) ≈ nVT / iD Diode lý tưởng có rd = Vγ = 0. Trong sử dụng diode P-N làm chuyển mạch chế độ xác lập phân cực thuận, tùy trường hợp ta xem A K Vγ Vγ A rd K IDz 2. Diode ổn áp bán dẫn (diode zener) a. Đại cương K K I0 Vγ N Si Vz Izmin + pha tạp chất đặc biệt P A A Hình 3.2 Mối nối P-N chế tạo đặc biệt để có đặc tuyến V-A hình vẽ GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 45 IZMax Khi phân cực thuận Diode Zener hoạt động diode nắn điện Si bình thường Vγ = 0.6V Khi phân cực nghòch Khi V < VZ Izener = I0 dòng bão hòa Khi V > VZ VD = VZ Các giá trò giới hạn Sử dụng diode Zener ta phải quan tâm đến • VZ • PZmax hay IZmax (dòng tối đa qua zener) Nhà sản xuất thường cho PZmax Thông thường VZ = ÷ 200V PZmax = 0.5W ÷ 100W Chú ý Khi sử dụng diode zener luôn phải có điện trở hạn chế dòng (điện trở xác đònh dòng) R IL 0.2.IL V Hình 3.3 R= V − VZ I L + 0.2I L Từ tính công suất zener ⎛ V − VZ ⎞ − I L ⎟.VZ PDZ = ⎜ R ⎝ ⎠ RL Bài giảng Kỹ thuật Xung b. Chương Mạch tương đương Từ ta có mạch tương đương sau: I Vz Vγ Vγ Vz V Rz ΔI Mô hình PCN ΔV Mô hình PCT Hình 3.4 RZ = ΔV ΔI 3. Transistor Transistor thuộc họ linh kiện ba cực, bao gồm hai bán dẫn loại p bán dẫn loại n loại PNP, hai bán dẫn loại n bán dẫn loại p loại NPN. Sơ đồ ký hiệu Transistor mô tả hình 1.8. Chiều dòng điện qui ước theo chiều mũi tên. B Ký hiệu C B NPN E Ký hiệu Hình 3.5 C PNP E Đường cong đặc tính Transistor biểu diễn sau Hình 3.6 Đường đặc tính đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số ngõ vào dòng iB vBE theo quan hệ sau iB = f(vBE) thông số ngõ iC vCE theo quan hệ sau iC = f(vCE). Nhìn đường đặc tính Transistor sau : ta phân thành ba vùng làm việc Vùng tắt Transistor rơi vào vùng hoạt động thõa mãn điều kiện sau: Mối nối BE phải phân cực nghòch . Khi đó, thông số ngõ dòng iC gần điện áp vCE gần VCC . C B ` E IE = Vcc ICO Vcc Rc Rc Rb Vout = Vcc neu RL >> Rc C RL E Hình 3.7 Transistor xem tắt hoàn toàn IE = RL Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương Xét trường hợp IB = transistor có tắt không? Đối với transistor, có quan hệ IC = -αIE + ICo IB + IC = IE Khi IB = → I C = I CO 1− α • Nếu BJT thuộc họ Ge: α ≈1 → IC lớn: không tắt Để BJT tắt ta phải cưỡng cách phân cực nghòch mối nối BE • Nếu BJT thuộc họ Si: α ≈ → IC = ICO :tắt Vùng khuếch đại Transistor hoạt động vùng khuếch đại mối nối BE phân cực thuận (VB > VE ) mối nối BC phân cực nghòch (VC >VB). Ở chế độ I B = β IC Với β hệ số độ lợi dòng DC, giá trò điển hình β biến thiên phạm vi từ 20 đến 800 tùy theo loại Transistor. Vùng khyếch đại khảo sát tài liệu điện tử 1, 2. Trong phần chuyển mạch khảo sát chế độ tắt bão hòa Vùng bão hòa Transistor làm việc vùng bão hòa cần thõa mãn điều kiện sau: • Mối nối BC mối nối BE phân cực thuận. C B E Vcc Vcc Rc Rc Rb Vout = C RL E Hình 3.8 Rt Transistor rơi vào vùng bão hòa ngõ vào phải cung cấp tín hiệu đủ lớn cho điện áp cực (VB) lớn mức ngưỡng để Transistor phân cực bão hòa. Mức điện áp ngưỡng VBEsat , có trò số tùy thuộc vào loại chất bán dẫn . • VBEsat = 0,7 V • VBEsat = 0.3 V đến 0,8 V , Transistor loại Si , Transistor loại Ge Khi sử dụng chế độ chuyển mạch, Transistor thông thường mắc theo dạng E chung ( mắc CE ). Khảo sát dạng mạch mắc CE làm việc chế độ bão hòa. Vcc Rc Rb Vbb Hình 3.9 Ở trạng thái bão hòa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V ICsat tính theo công thức sau : I Csat = VCC −VCEsat Rc . Khi có dòng điện tải IC , ta phải tính dòng điện cần thiết cấp cho cực B, nhằm chọn trò số RB thích hợp. Ta xác đònh IBsat theo biểu thức : IBsat = β .ICsat Trường hợp cần cho Transistor làm việc chế độ bão hòa sâu, tính IB theo công thức: IBsat = I Csat β .k ,Trong đó, k hệ số bão hòa sâu (k = ÷ 5). Khi Transistor bão hòa, giá trò IBsat ICsat , mạch đònh Ta xác đònh RB theo công thức sau RB = V − V BEsat I Bsat 4. OpAmp (Operational-Amplifier) Op-amp loại linh kiện ứng dụng phổ biến lónh vực điện tử. Gần chức lónh vực dùng Op-amp để thực hiện. Chẳng hạn, thực phép tính: Cộng, trừ , tích phân máy tính tương tự, làm thành phần nồng cốt mạch khuếch đại, mạch đo, dao động, mạch tạo âm, mạch cảm biến. Op-amp loại linh kiện tích hợp, gồm hai ngõ vào: Đảo không đảo, ngõ ra. Op-amp hoạt động phải cần cung cấp cặp nguồn điện áp đối xứng dương âm, điểm cặp nguồn xem mass (0V). Do vậy, tín hiệu ngõ khuếch đại thuật toán biến đổi phía dương hay phía âm so với mass. Ký hiệu sơ đồ tương đương OpAmp sau: +Vcc Ro V+ V+ + V- - Vout Rin Vout V-Vcc Hình 3.10 Mô hình gồm nguồn áp phụ thuộc (phụ thuộc vào điện áp ngõ vào), trở kháng ngõ vào (Rin) trở kháng ngõ (Ro). Điện áp vào vi sai vd = v+ - vTrở kháng ngõ vào Op-amp tương đương điện trở. Điện áp ngõ tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào, ta biểu thò hệ số tỉ lệ độ lợi vòng hở (G). Vì vậy, điện áp ngõ khuếch đại G lần điện áp vào vi sai xác đònh theo công thức sau: vo = G (v+ - v-) = G .vd Op-amp lý tưởng có đặc điểm sau: Trở kháng ngõ vào, Rin = ∞ Trở kháng ngõ ra, Ro = Độ lợ vòng hở, G → ∞ Băng thông BW → ∞ vo = 0, v+ = vTa có v+ - v- = vo /G (*) Vì G → ∞, phương trình (*) viết lại sau: v+ - v- = → v+ = vBởi điện trở ngõ vào Rin → ∞, nên dòng điện chạy vào hai ngõ vào đảo không đảo zero i+ = i- = Tùy thuộc điện áp hai ngõ vào so sánh với mà Op-amp làm việc hai trạng thái sau: • Nếu v+ > v- vo = +V, gọi trạng thái bão hòa dương . • Nếu v+ < v- vo = -V, gọi trạng thái bão hòa âm. Hai trạng thái bão hòa tương đương với ngõ Op-amp hai mức điện áp cao điện áp thấp, để tạo xung điện. Đặc tuyến truyền thể sau Hình 3.11 II. CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ Trong phần chủ yếu nghiên cứu tượng xảy trình chuyển mạch (lúc độ). Sẽ không sâu chất vật lý mà chủ yếu nêu tượng đề biện pháp cải thiện dạng sóng 1. Diode bán dẫn PN Vv a. Đại cương VV +V ID t RL -V ID Hình 3.12 + VR RT T1 I0 − VR RT T2 nh hưởng hat tải điện thiểu số t nh hưởng điện dung CD Do ảnh hưởng hạt tải điện thiểu số thời gian T1 nên diode chưa tắt hoàn toàn, dạng dòng điện hình bên Thời gian T1 khoảng 0.1 μs T2 gấp vài lần T1 V tăng R lớn t b. Cải thiện • Tốt nên dùng diode chuyển mạch (switching diode) • Nếu không, thêm tụ C (thường nhà chế tạo cung cấp thông số) để giảm ảnh hưởng tụ Cd sau Cd Vr RL I0 C t Hình 3.13 2. Transistor mối nối Quá trình độ xảy BJT phức tạp. Ở khảo sát yếu tố gây nên méo dạng xung Vv a. Thời gian chuyển mạch V1 t -V2 Vcc IB V1 VV Rc Rb V1 t -V2 -V2 IC Hình 3.14 ICbh 0.9ICbh 0.1ICbh 12 t Thời gian mở (3) bao gồm • Thời gian trễ td (1) thời gian cần thiết để Vv tăng từ đến Vγ • Thời gian lên tr (2) chủ yếu phụ thuộc điện dung ngõ vào CV BJT Thời gian tắt (6) bao gồm • Thời gian tồn trữ tS (4), thời gian cần thiết để xả điện tích thừa bão hòa. Bão hòa sâu tS lớn • Thời gian xuống tf (5) chủ yếu ảnh hưởng điện dung CV ngõ vào BJT b. Cải thiện sóng • Sử dụng BJT chuyển mạch, hay BJT cao tần có fT cao • Có thể cải thiện thời gian trễ td VV dạng sóng vuông sắc cạnh • Cải thiện tr tf. Ngoài việc VV sóng vuông có cạnh lên cạnh xuống sắc cạnh ta dùng tụ tăng tốc (speed up capacitor) mắc song song với RB (giống ý niệm cầu phân áp) Vcc Cb Rc Rb Cv Hình 3.15 Giá trò Cb cỡ vài pF thường nhà sản xuất cung cấp • Cải thiện thời gian tồn trữ tS cách không cho BJT bão hòa sâu, nội dung PP Khi BJT bão hòa, mối nối BC BE phân cực thuận, VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ Mắc thêm mạch ghim điện áp (sẽ học chương 4) sau 0.3V Hình 3.16 Mạch ghim có tác dụng ngăn không cho VBC tăng làm cho BJT bão hòa sâu Ngoài sử dụng diode Schottky hay transistor Schottky để tăng tốc độ chuyển mạch GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 55 Bài tập chương 1. Cho mạch sau Vcc=10V Rb Rc=1K IB = 0.2mA a. Xác đònh β để BJT bão hòa β =60 IC = 50mA. Mạch b. Nếu thay RC = 220 sử dụng transistor có có bão hòa không 2. Nếu BJT có β =60, ICo = 50nA, RC = 1K Tìm công suất nhiệt BJT a. BJT tắt b. BJT bão hòa c. VCE =2V 3. Tìm quan hệ Y theo A, B. Biết diode có Vγ = 0,6; rD = A +5V B Y (a) A R B GV: Nguyễn Trọng Hải R Trang 56 (b) Y Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4. Tìm quan hệ Y theo A, B biết BJT loại Si, V γ = 0.6, β = 100 Vcc=+5V Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K 10K Y A 10K Y A 10K (b) B (a) Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K Y 10K A 10K (c) B [...]... =60, ICo = 50nA, RC = 1K Tìm công suất nhiệt của BJT khi a BJT tắt b BJT bão hòa c VCE =2V 3 Tìm quan hệ Y theo A, B Biết diode có Vγ = 0,6; rD = 0 A +5V B Y (a) A R B 0 GV: Nguyễn Trọng Hải R Trang 56 (b) Y Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 4 Tìm quan hệ Y theo A, B biết BJT là loại Si, V γ = 0.6, β = 100 Vcc=+5V Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K 10K Y A 10K Y A 10K (b) B (a) 0 0 Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K Y 10K A 10K (c)... phân cực thuận, như vậy VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ Mắc thêm 1 mạch ghim điện áp (sẽ học ở chương 4) như sau 0.3V Hình 3.16 Mạch ghim có tác dụng ngăn không cho VBC tăng quá làm cho BJT bão hòa sâu Ngoài ra còn sử dụng diode Schottky hay transistor Schottky để tăng tốc độ chuyển mạch GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 55 Bài tập chương 3 1 Cho mạch như sau Vcc=10V Rb Rc=1K 0 IB = 0.2mA a Xác đònh β min để BJT bão... cấp thông số) để giảm ảnh hưởng của tụ Cd như sau Cd Vr RL I0 0 C t Hình 3.13 2 Transistor 2 mối nối Quá trình quá độ xảy ra trong BJT là phức tạp Ở đây chỉ khảo sát các yếu tố gây nên sự méo dạng của xung ra Vv a Thời gian chuyển mạch V1 t 0 -V2 Vcc IB V1 VV Rc Rb V1 t 0 -V2 -V2 IC 0 Hình 3.14 ICbh 0.9ICbh 0.1ICbh 12 3 4 5 6 t Thời gian mở (3) bao gồm • Thời gian trễ td (1) là thời gian cần thiết để . BW → ∞ v o = 0, khi v + = v - Ta co ù v + - v - = v o /G (*) Vì G → ∞ , do đó phương trình (*) được viết lại như sau: v + - v - = 0 → v + = v - Bơ û i điện t r ở ngõ vào. va ø o hai ng õ va øo đa û o va ø không đảo la ø zero i + = i - = 0 R Tùy thuộc điện áp ở hai ngõ vào này so sánh vớ i nhau mà Op-amp sẽ l a øm vi ệ c m o ä t trong hai. o na l - A mplifier) Op-amp là loa ï i linh k i e ä n đư ợ c ứ ng dụng ph ổ bi ế n trong l ó nh vư ïc đi ệ n tử . Ga à n như m o ï i chức na ê ng trong lónh