Bài giảng điện tử tương tự và số

o Hệ số nhiệt của tụ điện: Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo o/oo: / C T do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử tr

Bài giảng ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ VÀ SỐ

Người soạn: Lê Xuân Thành

Bộ môn Kỹ thuật máy tính Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà nội, 8/2007

THÔNG TIN CHI TIẾT VỀ HỌC PHẦN ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ VÀ SỐ

1 Tên học phần: Điện tử Tương tự và Số

6 Nhiệm vụ của sinh viên:

- Tham dự đầy đủ các giờ lên lớp gồm lý thuyết và bài tập

- Thực hiện đầy đủ các phần việc được giao như bài tập, bài thực hành…

MỤC LỤC

PHẦN 1 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG I CÁC LINH KIỆN THU ĐỘNG

CHƯƠNG I MẠCH KHUẾCH ĐẠI

I.1 Khái niệm và phân loại

I.2 Các thong số kỹ thuật cơ bản của bộ khuếch đại tần thấp

I.3 Các mạch khuếch đại một tầng dung transistor

I.4 Các mạch khuếch đại nhiều tầng và khuếch đại dung vi mạch

CHƯƠNG II MẠCH TÍNH TOÁN TƯƠNG TỰ

II.1 Vi mạch khuếch đại tính toán (Op-Amp)

II.2 Mạch tính toán tương tự dung Op-Amp

CHƯƠNG III MẠCH NGUỒN

III.1 Khái niệm - phân loại và các thông số kỹ thuật cơ bản

III.2 Nguồn chỉnh lưu

III.3 Nguồn ổn áp một chiều kiểu bù

III.4 Nguồn ổn áp kiểu xung

PHẦN 3 MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ

CHƯƠNG I CÁC HÀM LÔGIC

I.1 Đại số Boole

I.2 Dạng biểu diễn chính quy các hàm lôgic

I.3 Phương pháp tối thiểu hóa các hàm lôgic

CHƯƠNG II CÁC PHẦN TỬ LÔGIC CƠ BẢN VÀ MẠCH THỰC HIỆN

II.1.Mạch hoặc, mạch và dùng điôt

II.2 Mạch đảo dùng tranzixto

II.3 Các mạch tích hợp số

CHƯƠNG III HỆ TỔ HỢP

III.1 Khái niệm

III.2 Một số hệ tổ hợp cơ bản

CHƯƠNG IV HỆ DÃY

IV 1 Khái niệm

IV 2 Các mô hình hệ dãy

IV.3 Các trigơ

IV 4 Một số ứng dụng hệ dãy

PHẦN 1 CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 1 CÁC LINH KIỆN THỤ ĐỘNG

Trong đó: ρ: điện trở suất [Ωm]

l: chiều dài dây dẫn [m]

S: tiết diện dây dẫn [m2]

Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ

Giá trị điện trở R đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của linh kiện

Giá trị điện trở R càng lớn thì linh kiện cản trở dòng điện càng nhiều, tức là

dòng điện qua linh kiện càng nhỏ Giá trị điện trở R càng nhỏ thì linh kiện càng

cho dòng điện đi qua dễ dàng, tức là dòng điện qua linh kiện càng lớn

o Sai số

Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị

danh định, được tính theo %

% 100

R

R R

Trong đó: Rtt: Giá trị thực tế của điện trở

R : Giá trị danh định của điện trở

Bài giảng số 1

 Thời lượng: 4 tiết

 Tóm tắt nội dung

 Một số khái niệm

 Các đại lượng điện cơ bản: dòng điện và điện áp

 Các phần tử điện tuyến tính thụ động: điện trở, tụ điện

 Nguồn điện

 Một số định luật điện quan trọng

o Hệ số nhiệt điện trở:

Điện trở là một linh kiện rất nhạy với nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị

điện trở cũng bị thay đổi theo Hệ số nhiệt điện trở là sự thay đổi tương đối

của giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo phần triệu

) / ( 10

C ppm R

T





o Định luật Jule-Lenx tính công suất tiêu tán trên điện trở:

2

( ) ( ) ( )

( ) 1

o Công suất tối đa cho phép:

Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy

Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt

R I R

U

2 max

bằng lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn

o Điện trở dây quấn:

Được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải là chất dẫn điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ Trở kháng phụ thuộc vào

vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn

o Điện trở màng mỏng:

Được sản xuất bằng cách lắng đọng Cacbon, kim loại hoặc oxide kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ

+ Điện trở có giá trị thay đổi (biến trở)

Biến trở (Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc

dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt Con trượt tiếp

xúc động với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyển

điện trở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi Có thể có loại biến

trở tuyến tính (giá trị điện trở thay đổi tuyến tính theo góc xoay) hoặc biến trở phi

tuyến (giá trị điện trở thay đổi theo hàm logarit theo góc xoay)

 Cách ghi và đọc các tham số điện trở

+ Biểu diễn trực tiếp

Chữ cái đầu tiên và các chữ số biểu diễn giá trị của điện trở: R(E) – Ω; K - K Ω; M - M Ω;…

Chữ cái thứ hai biểu diễn dung sai:

Ví dụ: 8K2J: R=8,2KΩ; δ=5%

R=8,2KΩ ± 0.41 KΩ= 7,79KΩ  8,61KΩ

Hoặc có thể các chữ số để biểu diễn giá trị của điện trở và chữ cái để biểu

diễn dung sai Khi đó chữ số cuối cùng biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy

thừa 10)

Ví dụ: 4703G: R=470K Ω; δ=2%

+ Biểu diễn bằng các vạch màu

Đối với các điện trở có kích thước nhỏ không thể ghi trực tiếp các thông số khi đó người ta thường vẽ các vòng màu lên thân điện trở

4 vòng màu:

- 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực

- Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10)

- Vòng thứ 4 biểu diễn sai số

1.2 Tụ điện:

Khái niệm: tụ điện gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song

song với nhau, ở giữa là lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica,

hay gốm, không khí) Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện (tụ giấy, tụ

dầu, tụ gốm hay tụ không khí)

ε0=8,85.10-12(F/m): hằng số điện môi của chân không S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực

d: Khoảng cách giữa 2 bản cực Đơn vị: F, mF, uF

Điện dung đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của tụ điện

Cdd: điện dung danh định

o Trở kháng của tụ điện:

c

fC j

o Gọi E(t) là năng lượng do dòng điện tích tụ trên tụ tại thời điểm t

o Hệ số nhiệt của tụ điện:

Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi

1oC, được tính theo o/oo:

) / (

C T

do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron

tự do, gây nên dòng rò Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm

mất tính chất cách điện của chất điện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ

bị đánh thủng Điện áp một chiều đặt vào tụ khi đó gọi là điện áp đánh

thủng

 Một số loại tụ điện thông dụng:

+ Tụ điện có điện dung xác định:

o Tụ giấy:

Là tụ không phân cực gồm các lá kim loại xen kẽ với các lớp giấy tẩm dầu được cuộn lại theo dạng hình trụ

o Tụ gốm:

Là tụ không phân cực được sản xuất bằng cách lắng đọng màng kim loại mỏng trên 2 mặt của đĩa gốm hoặc cũng có thể ở mặt trong và mặt

ngoài của ống hình trụ, hai điện cực được gắn với màng kim loại và

được bọc trong vỏ chất dẻo

o Tụ mica:

Là tụ không phân cực được chế tạo bằng cách đặt xen kẽ các lá kim loại với các lớp Mica (hoặc cũng có thể lắng đọng màng kim loại lên

các lớp Mica để tăng hệ số phẩm chất)

o Tụ điện phân (tụ hóa):

Là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch điện phân và được cuộn lại thành dạng hình trụ

+ Tụ xoay:

Gồm các lá động và lá tĩnh được đặt xen kẽ với nhau, hình thành nên bản cực động và bản cực tĩnh Khi các lá động xoay làm thay đổi diện tích

hiệu dụng giữa 2 bản cực do đó thay đổi giá trị điện dung của tụ Giá trị

điện dung của tụ xoay phụ thuộc vào số lượng các lá kim loại và khoảng

không gian giữa các lá kim loại

 Cách ghi và đọc tham số của tụ điện

+ Ghi trực tiếp: Đồi với các tụ có kích thước lớn (Tụ hóa, Tụ tantal) có thể

ghi trực tiếp các thông số trên thân của tụ

 Giá trị điện dung

 Chữ số thứ 3 biểu diễn bậc của lũy thừa 10

 Chữ cái biểu diễn sai số

Ví dụ:

0.047/200V: C=0,047μF; UBR=200V 2.2/35: C=2,2μF; UBR=35V

- Là phần tử có quán tính, dòng điện và điện áp không có quan hệ tuyến tính

- Thí nghiệm: cho dòng điện i chạy qua cuộn cảm L thấy xuất hiện điện áp u

cùng chiều với i

L

u i

- Gọi năng lượng do dòng điện tích tụ trên cuộn cảm là E(t)

- Nếu tại thời điểm ban đầu dòng điện qua cuộn cảm bằng 0 thì năng lượng

trên cuộn cảm tại thời điểm bất kỳ là

o Dòng điện qua cuộn cảm là hàm liên tục theo thời gian

o Để giải phương trình vi phân cho cuộn cảm cần biết điều kiện đầu

iL(0)

1.3.2 Hỗ cảm

- Hỗ cảm là hiện tượng tương tác từ giữa các dòng điện đặt đủ gần nhau

- Ta chỉ xét hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn cảm

- Xét 2 cuộn cảm có các dòng điện i1, i2 như hình vẽ:

* * M

L1 L2

- Do hiện tượng hỗ cảm:

o Dòng điện i1 gây ra điện áp hỗ cảm uH2 trên cuộn L2

o Dòng điện i2 gây ra điện áp hỗ cảm uH1 trên cuộn L1

 Cần tìm chiều và độ lớn của các điện áp hỗ cảm

- Quy tắc xác định chiều điện áp hỗ cảm:

o Mỗi cuộn cảm có một đầu cùng tên được đánh dấu * (Xem hình vẽ)

o Nếu dòng điện đi vào cuộn cảm ở đầu có dấu * sẽ được gọi là dòng

điện vào Nếu dòng điện đi vào ở đầu không có dấu * sẽ được gọi là dòng điện ra

o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là cùng tên thì điện áp hỗ cảm

trên mỗi cuộn sẽ cùng chiều với dòng điện đi qua nó

o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là khác tên thì điện áp hỗ cảm

trên mỗi cuộn sẽ ngược chiều với dòng điện đi qua nó

- Công thức tính độ lớn điện áp hỗ cảm:

o Giữa các cuộn cảm có hiện tượng hỗ cảm sẽ xác định một thông số

đặc trưng, gọi là thông số hỗ cảm, ký hiệu là M

o Độ lớn điện áp hỗ cảm:

2 1

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN

Diode là một trong những linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi nhất và

đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện tử như mạch chỉnh lưu, mạch ghim

2.1 Diode:

Diode được tạo thành từ lớp bán dẫn pha tạp loại p và bán dẫn pha tạp loại n ghép

tiếp xúc công nghệ với nhau như hình vẽ:

Các quá trình vật lý xảy ra giữa hai lớp bán dẫn này được sử dụng để tạo thành

tính chất cho diode

Ký hiệu quy ước của diode bán dẫn trong mạch điện được biểu diễn như sau:

Diode có hai cực:

+ Cực A (anốt) là cực nối với lớp bán dẫn p

+ Cực K (katốt) là cực nối với lớp bán dẫn n

Nguyên lý hoạt động: Sự tác động qua lại giữa hai lớp bán dẫn p và bán dẫn n tạo

nên tính chất đặc biệt của diode

Với diode lý tưởng:

Khi UA≥UK thì diode phân cực thuận, hay còn gọi là diode thông mạch Khi

đó, dòng điện qua diode hoàn toàn, trở kháng diode bằng không, đoạn mạch chứa

diode coi như ngắn mạch

Bài giảng số 2

 Thời lượng: 4 tiết

 Tóm tắt nội dung

 C ấu tạo diode

 Đặc tuyến của diode

 Sơ đồ tương đương

Khi UA<UK thì diode phân cực ngược, hay còn gọi là diode hở mạch Khi

đó, dòng điện đi qua diode là bằng không, trở kháng diode bằng vô cùng, đoạn

mạch chứa diode coi như hở mạch

Do tính chất đóng mở mạch theo điện áp đặt trên diode nên diode được gọi

là có tính chất “van dòng điện” Tức là dòng điện sẽ được cho qua hay không là do

trạng thái đóng hay mở của van, tức là do điện áp điều khiển

2.1.1 Đặc tuyến Vol-Ampere của diode:

Đặc tuyến vol-ampere là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện

qua diode Đặc tuyến vol-ampere của diode bán dẫn được mô tả như sau:

Đặc tuyến của diode chia thành 3 vùng:

 Vùng 1: diode phân cực thuận

Khi một điện áp dương đặt tới hai đầu diode đủ lớn, diode sẽ cho dòng điện

 Vùng 2: diode phân cực ngược

Khi một điện áp âm đặt tới hai đầu diode, dòng điện chảy qua diode là rất

nhỏ Khi điện áp âm lớn hơn vài phần trăm vol, dòng điện ngược sẽ không đổi

và đạt tới dòng bão hòa ngược là ID=-I0

Tại vùng 1 và vùng 2, đặc tuyến vol-ampere của diode tuân theo biểu thức

nkT V q D

D e I I

trong đó:

+ q là điện tích electron, 1.6022 x 10-19 C

+ k là hằng số Boltzmann, 1.3806 x 10-23 J/K

+ I0 là dòng điện bão hòa ngược, giá trị từ 10-16 đến 1μA

+ T là nhiệt độ ở thang Kelvins (K)

+ n là hằng số hiệu chỉnh, về lý thuyết lấy giá trị 1, trên thực

tế lấy giá trị từ 1 đến 2 đối với diode thực

Ở nhiệt độ phòng chuẩn (25oC, 77oF, 298.16K), 1

92

92 38

V D

D e I I

Để đơn giản, biểu thức Shockley thường được viết dưới dạng sau:

T D e I I

trong đó:

q kT

V T  gọi là điện áp nhiệt, là hàm chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Khi diode phân cực thuận với điện áp đủ lớn, thành phần -1 trong biểu thức

tính I D có thể bỏ qua Ví dụ, khi n=1, V D=0.1 ở nhiệt độ phòng, thành phần

01 49

892 3

So với giá trị 1, nếu chấp nhận sai số 2% thì ta có thể

bỏ qua giá trị -1 trong biểu thức tính I D khi v D>0.1V

T D e I

I 0. . (V D>0.1V)

Khi diode phân cực ngược, với V D<-0.1V thì thành phần 3.892 0 02

92 38

Khi điện áp âm đủ lớn đặt vào hai đầu diode (khoảng -100V), dòng điện

ngược qua diode tăng đột ngột khi điện áp không thay đổi, tính chất van của

diode bị phá hỏng Hiện tượng này được gọi là Zener hay đánh thủng Điện áp

mà tại đó xảy ra hiện tượng trên gọi là điện áp đánh thủng, ký hiệu là V BR

Các tham số giới hạn của diode:

 Điện áp ngược cực đại Ungcmax là điện áp ngược lớn nhất để diode còn thể

hiện tính chất van (chưa bị đánh thủng) Ungcmax thường chọn bằng 80%

điện áp đánh thủng VBR

 Dòng điện cực đại qua diode khi phân cực thuận IAcf

 Công suất tiêu hao cực đại trên cho phép trên diode để chưa bị hỏng vì

nhiệt PAcf

 Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) đặt lên diode để nó còn có tính chất

van fmax

2.1.2 Sơ đồ tương đương diode:

Việc tính toán toán học các mạch diode gặp rất nhiều khó khăn do tính phi

tuyến, đặc biệt là sự xuất hiện của các thành phần hàm mũ trong đó Vì vậy, để

đơn giản người ta đưa ra một số các sơ đồ tuyến tính tương đương của diode Mỗi

một sơ đồ có độ chính xác khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà người thiết kế

quyết định chọn sơ đồ nào cho phù hợp

a Sơ đồ tương đương ở chế độ 1 chiều:

Các sơ đồ tương đương tuyến tính của diode bán dẫn trong chế độ một

chiều được gọi là các mô hình tuyến tính thông minh piecewise-linear models Đặc

tuyến vol-ampere của diode được xấp xỉ bằng một chuỗi các đoạn thẳng Bốn sơ

đồ tương đương của diode ở chế độ 1 chiều được chỉ ra như hình vẽ:

Với mỗi hình vẽ, hình phía trên là sơ đồ tương đương, đồ thị phía dưới là đặc

tuyến vol-ampere tương ứng Trong mỗi đồ thị, đường nét đứt là đường của diode

thực, đường nét đậm là đặc tuyến tạo ra được của các sơ đồ tương đương

Hình (a) là sơ đồ tương đương đơn giản nhất cho diode bán dẫn gọi là

diode lý tưởng Khi v D>0 thì diode cho dòng điện đi qua hoàn toàn Diode coi như

bị ngắn mạch Khi v D<0 thì diode ngăn không cho dòng điện đi qua Diode coi như

bị hở mạch Hình biểu diễn của diode lý tưởng giống như diode bán dẫn nhưng có

Hình (b) là một sơ đồ tương đương chính xác hơn Điện trở Rth cho phép

điện áp phân cực thuận nhận giá trị khác 0.Giá trị của Rth nằm trong khoảng 1 đến

50Ω

Hình (c) một nguồn điện 1 chiều V0 mắc nối tiếp với điện trở sẽ làm cho

đặc tuyến vol-ampere gần với đặc tuyến thực hơn Giá trị của V0 nằm trong

khoảng 0.4 đến 0.7V

Từ sơ đồ tương đương hình (c) ta có:

th D

V  0  (khi V D V0)

Hình (d) là sơ đồ tương đương cho vùng đánh thủng Zener.Giá trị của

nguồn 1 chiều đúng bằng điện áp đánh thủng VBR

b Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều:

Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều xây dựng ở phần trước thường được

dùng để tính toán điểm làm việc DC của diode bán dẫn

 Sơ đồ tương đương diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp

Ở đây, ta sẽ xem xét các mạch tín hiệu nhỏ, tức là tín hiệu có biên độ là nhỏ

so với điện áp và dòng điện 1 chiều tại điểm làm việc Khi tín hiệu nhỏ, chỉ cần

mô hình tương đương tuyến tính là phù hợp Khi các thành phần tần số của tín

hiệu là thấp, chúng ta có thể bỏ qua tác động điện dung trong diode

Sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ chỉ là một

điện trở động r được xác định như hình vẽ

Chú ý giá trị điện trở động chỉ phụ thuộc vào điểm làm việc 1 chiều (I D) và

nhiệt độ (V T)

 Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số cao

Khi ở tần số cao, diode sẽ tạo ra giá trị điện dung tác động lên tín hiệu Vì

vậy, mô hình cuối cùng mà ta tìm hiểu sẽ cho thấy tác động của diode lên các tín

hiệu tần số cao

Hình (a) là sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ,

tần số cao khi phân cực ngược

Hình (b) là sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ,

tần số cao khi phân cực thuận

Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán

trên 1 chu kỳ từ 0 đến T Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn

+ Tại đầu ra, điện áp luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều Tuy nhiên, điện áp ra chỉ tồn tại

trong nửa chu kỳ dương của điện áp vào Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh

lưu 1 nửa chu kỳ

+ Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U2 là

điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U 2)

0 2

0 2 _

2

) 2 cos(

2 )

sin(

2

1

U U

f

ft T

U dt

t U

T U

T T

220 V

50 Hz 0Deg

R1 T1

Do quá trình phóng và nạp của tụ điện làm cho điện áp ra bằng phẳng hơn

 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ:

D1 V1

220 V

50 Hz 0Deg

R1 10k T1

+ V1 là điện áp lưới, 220V, 50Hz

+ T1 là biến áp có điểm đất chung ở giữa Hai điện áp ra U21 và U22

sẽ ngược pha nhau

+ Hai diode D1 và D2 phối hợp với nhau đảm bảo điện áp ra tồn tại trong cả hai chu kỳ

Mạch điện thực hiện biến đổi điện áp lưới thành điện áp một chiều

Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán

trên 1 chu kỳ từ 0 đến T Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn

 0 < t < T/2:

U21>0 => Diode 1 phân cực thuận

U22<0 => Diode 2 phân cực ngược

 T/2 < t < T:

U21<0 => Diode 1 phân cực ngược

U22>0 => Diode 2 phân cực thuận

Nhận xét:

+ Tại đầu ra, điện áp ra luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều Điện áp ra tồn tại trong cả hai

nửa chu kỳ Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ

+ Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U21 và

U22 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U 2) Dễ thấy giá trị trung bình

của điện áp ra trong mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ gấp đôi trường hợp chỉnh lưu

1 nửa chu kỳ, vậy U _0 0 U 9 2

+ Để đánh giá độ bằng phẳng của điện áp ra, thường sử dụng hệ số

=> U0=U21

=> U0=U22

U

U

q n  nm với Unm là biên độ sóng có tần số n.ω, U0 là thành phần điện áp 1

chiều trên tải Đối với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có: q 1 = 0.67

+ Tín hiệu ra U0 là tín hiệu 1 chiều tuy nhiên tín hiệu này không ổn định Tín hiệu 1 chiều mong muốn là tín hiệu bằng phẳng và ổn định Để làm

cho tín hiệu ra bằng phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch như sau:

D1 V1

220 V

50 Hz 0Deg

R1

D3 D4

+ 4 diode D1, D2, D3, D4 mắc như trên gọi là mắc theo hình cầu + V1 là nguồn điện áp lưới

+ T1 là biến áp

Mạch thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp lưới thành dòng

điện một chiều như hình vẽ sau:

 Mạch ghim trên nối tiếp:

Mạch ghim trên là mạch giữ cho điện áp ra không vượt quá một giá trị

ngưỡng E Khi điện áp vào nhỏ hơn E, điện áp ra bằng điện áp vào Khi điện áp

vào lớn hơn E, điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E

Sơ đồ mạch ghim trên nối tiếp được biểu diễn trên hình vẽ:

+ D1 là diode

Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:

+ Điện áp vào U1 đặt tới đầu Katốt của diode

Phân tích hoạt động của mạch:

không cho điện áp ra lớn hơn E Đó chính là mạch ghim trên

 Mạch ghim dưới nối tiếp:

Mạch ghim dưới là mạch giữ cho điện áp ra không nhỏ hơn một giá trị

ngưỡng E Khi điện áp vào lớn hơn E, điện áp ra bằng điện áp vào Khi điện áp

vào nhỏ hơn E, điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E

Sơ đồ mạch ghim trên nối tiếp được biểu diễn trên hình vẽ:

E mắc ngược lại so với trường hợp mạch ghim trên nối tiếp Khi đó, mức ghim

dưới bằng –|E|

+ D1 là diode

Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:

+ Điện áp vào U1 đặt tới đầu của Anốt diode

+ Nguồn 1 chiều E đặt tới đầu Katốt của diode

Phân tích hoạt động của mạch:

Bài 2.1: Cho mạch điện như hình vẽ:

Giả thiết diode là lý tưởng Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc

tọa độ, có biên độ ±6V, chu kỳ T=30ms Biết E=+2V

a Phân tích hoạt động của mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt của

mạch U2(U1)

b Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t)

c Tính các tham số của điện áp ra U2(t)

Bài 2.2: Cho mạch điện như hình vẽ sau:

Giả thiết các diode là lý tưởng Biết E1=2V, E2=-3V Cho điện áp vào U1(t)

là điện áp tam giác đối xứng qua trục tung, có biên độ ±5V, chu kỳ T=20ms Cho

R=1KΩ

a Phân tích hoạt động của mạch và xác định dạng đặc tuyến truyền đạt của

mạch U2(U1)

b Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) phù hợp với dạng tín hiệu vào U1(t)

c Tính các tham số của điện áp ra U2(t)

Bài 2.3: Mạch điện trong hình vẽ sau được dùng để xấp xỉ tín hiệu hình sin

bằng một điện áp tam giác kiểu dùng đường gãy khúc

a Phân tích hoạt động của mạch

b Cho U1(t) là điện áp tam giác đối xứng qua gốc có biên độ ±6V,

R1=R2=4R3=4R4, E1=±3V Vẽ dạng tín hiệu ra U2(t) theo thời gian phù hợp với tín

hiệu vào

Bài 2.4: Sử dụng điện trở, diode, nguồn 1 chiều để thực hiện mạch có đặc

tuyến vol-ampere như sau:

2.2 Transistor:

Transistor lưỡng cực cấu tạo gồm các miền bán dẫn pha tạp p và n xen kẽ

nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc điển hình

Mũi tên bao giờ cũng được đặt giữa hai cực B và E Chiều mũi tên cho biết

transistor là loại npn hay pnp Chiều mũi tên hướng từ p sang n

Trong thực tế, transistor loại npn được dùng rộng rãi vì vậy ta sẽ nghiên

cứu chủ yếu dựa trên transistor loại npn Các tính toán cho transistor loại npn hoàn

toàn có thể áp dụng cho transistor loại pnp chỉ cần đảo dấu các cực

Transistor có 3 điện cực:

- E – Emitter

- B – Base

- C – Collector

và hai tiếp giáp:

+ tiếp giáp pn giữa Emitter và Base gọi là JE

Bài giảng số 3

 Thời lượng: 4 tiết

 Tóm tắt nội dung

 Cấu tạo của transistor

 Nguyên lý hoạt động của transistor

 Phần tử bốn cực transistor: các ma trận trở kháng, ma trận dẫn nạp, ma trận hỗn hợp; các đặc tuyến tĩnh theo phần tử bốn cực



Về mặt cấu trúc, có thể coi transistor như hai diode mắc đối nhau như hình

vẽ Nhưng điều này không có nghĩa là cứ mắc hai diode như hình là có thể thực

hiện chức năng của transistor

Dòng điện và điện áp trên các cực của transistor:

2.2.1 Nguyên lý hoạt động:

Transistor có 2 tiếp giáp pn, mỗi tiếp giáp pn có 2 khả năng hoặc phân cực

thuận hoặc phân cực ngược Kết hợp lại, ta có thể có 4 trường hợp hoạt động của

transistor như sau:

Phân cực ngược Phân cực ngược Miền cắt Khóa

Phân cực thuận Phân cực ngược Miền tích cực Khuếch đại

Phân cực thuận Phân cực thuận Miền bão hòa Khóa

Phân cực ngược Phân cực thuận Tích cực ngược

Để transistor hoạt động ở chế độ khuếch đại, JE phân cực thuận và JC phân

cực ngược Sự tác động qua lại của 3 lớp bán dẫn trong transistor tạo ra những liên

hệ cơ bản trong transistor như sau:

B C

Chia hai vế của (1) cho IC, ta có:

1

1 1 1 1

E

I

I I

I

2.2.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của transistor:

Khi sử dụng, về nguyên tắc có thể dùng 2 trong 3 cực của transistor làm

đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với 1 cực đầu vào làm đầu ra Như vậy, có tất cả

6 cách mắc khác nhau Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có 1 cực chung cho cả đầu

ra và đầu vào Trong 6 cách mắc đó, chỉ có 3 cách mắc là transistor có thể khuếch

đại công suất đó là cách mắc chung Emitter (EC), chung Base (BC) và chung

Collector (CC) Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế Sau đây ta

sẽ xem xét từng cách mắc, đặc tuyến vào ra tương ứng

a Mạch chung Emitter (EC):

Trong cách mắc E chung, cực E được lấy làm cực chung cho đầu vào và

đầu ra Điện áp vào là UBE, điện áp ra là UCE Dòng điện vào là dòng IB, dòng điện

ra là dòng IC

 Đặc tuyến vào: I B  f(U BE)U CEconst

Từ hình vẽ, ta thấy đặc tuyến vào của transistor mắc EC giống như đặc

tuyến của diode phân cực thuận, vì dòng IB trong trường hợp này chính là 1 phần

của dòng I chảy qua chuyển tiếp J phân cực thuận

 Đặc tuyến ra: I C  f(U CE) I Bconst

Từ họ đặc tuyến ra, ta có nhận xét:

+ Khi điện áp UCE nhỏ, độ dốc của đặc tuyến là khá lớn Quan hệ giữa IC và UCE gần như là đường thẳng

+ Khi UCE lớn hơn 2V, dòng điện IC gần như không phụ thuộc vào

UCE Trong vùng này, giá trị của IC bằng khoảng 100 lần IB

Đối với transistor mắc EC, miền tích cực là miền có JE phân cực thuận, JC

phân cực ngược JE phân cực thuận tương ứng với UBE>0, từ đặc tuyến vào ta thấy

khi UBE>0 thì IB>0 JC phân cực ngược ứng với UBC<0 Miền tích cực được giới

hạn bởi đường IB=0 và UBC=0

Khi IB<0, JE phân cực ngược Như vậy, vùng nằm dưới đường IB=0 có cả

hai tiếp giáp phân cực ngược, vùng này được gọi là miền cắt

Khi UBC>0, JC phân cực thuận Như vậy, vùng nằm bên trái đường UBC=0

có cả hai tiếp giáp phân cực thuận, vùng này được gọi là miền bão hòa

b Mạch chung Base:

Trong cách mắc B chung, cực B được lấy làm cực chung cho đầu vào và

đầu ra Điện áp vào là UEB, điện áp ra là UCB Dòng điện vào là dòng IE, dòng điện

ra là dòng IC

 Đặc tuyến vào: I E  f(U EB)U CBconst

Vì tiếp giáp JE luôn phân cực thuận nên đặc tuyến vào của transistor mắc B

chung cơ bản giống với đặc tuyến của diode phân cực thuận IE chính là dòng điện

qua diode, UEB chính là điện áp trên diode

So với cách mắc EC, ta thấy dòng điện vào IE ở đây lớn hơn rất nhiều (đơn

vị là mA)

Từ hình vẽ, ta thấy với UEB=const, dòng điện IE sẽ càng lớn khi UCB càng

lớn và ngược lại

 Đặc tuyến ra: I C  f(U CB)I Econst

Từ đặc tuyến ra ta thấy, với IE cố định, IC gần bằng IE và gần như không

phụ thuộc vào điện áp ra UCB Điều này có thể dễ thấy từ công thức: I C .I E

với   1

c Mạch chung Collector:

Trong cách mắc C chung, cực C được lấy làm cực chung cho đầu vào và

đầu ra Điện áp vào là UBC, điện áp ra là UEC Dòng điện vào là dòng IB, dòng điện

ra là dòng IE

 Đặc tuyến vào: I B  f(U BC)U ECconst

Ta có:

BC EB

Với tiếp giáp JE phân cực thuận, UEB luôn giữ cố định (UEB=-0.7V cho

Silic, UEB=-0.3V cho Gecmani) Vì vậy, UBC phụ thuộc hoàn toàn vào UEC, các họ

đặc tuyến có dạng đường thẳng song song với trục tung

 Đặc tuyến ra: I E  f(U EC) I Bconst

2.2.3 Sơ đồ tương đương transistor:

a Sơ đồ tương đương chế độ một chiều tuyến tính:

 Sơ đồ tương đương miền tích cực (khuếch đại)

Sơ đồ tương đương bao gồm nguồn 1 chiều V0, điện trở RBB, điện trở R0,

nguồn dòng điện độc lập ICE0 và nguồn dòng điện phụ thuộc có giá trị gấp dc

lần dòng IB

 Sơ đồ tương đương miền bão hòa

 Sơ đồ tương đương miền cắt

b Sơ đồ tương đương chế độ xoay chiều:

 Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ tần số thấp

trong đó:

+ rb: điện trở liên kết Ohmic giữa điện cực B và miền Base trung hòa

+ re: điện trở vi phân của tiếp giáp Emitter

hoặc có thể đơn giản hóa sơ đồ tương đương như sau:

E

C ib

B

ic rbe

với r be r b 1 or e

2.2.4 Bài tập:

Bài 2.5: Cho mạch khuếch đại dùng transistor mắc EC như hình vẽ:

Biết: E=+12V, R1=20KΩ, R2=4KΩ, R3=4KΩ, R4=1KΩ,   99

a Xác định dòng điện và điện áp trên các cực của transistor ở chế độ DC

b Vẽ đường tải tĩnh, xác định điểm làm việc tĩnh Q

Bài 2.6: Cho mạch điện như hình vẽ:

PHẦN 2: ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

CHƯƠNG 1 MẠCH KHUẾCH ĐẠI

1.1 Khái niệm và phân loại

Một ứng dụng quan trọng nhất của transistor là sử dụng trong các mạch làm

tăng cường độ dòng điện hoặc điện áp của tín hiệu (thường gọi là mạch khuếch

đại) Thực chất khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó

năng lượng của nguồn cung cấp 1 chiều (không chứa đựng thông tin được biến đổi

thành dạng năng lượng xoay chiều có mang thông tin

Có nhiều cách để phân loại mạch khuếch đại nhưng một trong những cách

thông dụng nhất là dựa vào tần số khuếch đại, ta có:

- Khuếch đại tín hiệu tần số cực thấp (khuếch đại tín hiệu 1 chiều)

Tần số trong khoảng 0-20Hz Ví dụ tín hiệu điện tim

- Khuếch đại tín hiệu tần số thấp

Tần số trong khoảng 20Hz-200KHz Ví dụ tín hiệu âm thanh, siêu âm

- Khuếch đại tín hiệu tần số cao

Tần số trong khoảng 200KHz-2GHz Ví dụ sóng mang kênh thông tin radio trong phát thanh, truyền hình

 Khái niệm và phân loại mạch khuếch đại

 Khuếch đại tần số thấp: khái niệm, các thông số kỹ thuật của mạch khuếch đại tần số thấp

 Phản hồi âm

 Các cách mắc transistor

v

ra u

U U

K* 

ku v

u j

v ra v

ra

E

U E

1 

f

K u  là đặc tuyến biên độ – tần số của tầng khuếch đại

) (

2 

ku  f là đặc tuyến pha – tần số của tầng khuếch đại

Ví dụ về đặc tuyến biên độ - tần số của tầng khuếch đại được biểu diễn như

hình vẽ sau:

Thường người ta tính biên độ hệ số khuếch đại K u theo đơn vị decibel:

) lg(



không ổn định Độ bất ổn định của K u



được định nghĩa như sau:

u u u

u K

K

dK K

i

i

ki v

i j

v ra v

ra

I

I i

 Trở kháng vào ra:

Trở kháng vào của mạch khuếch đại được định nghĩa như sau:

v

v v

i

U

v i

i u v v v r v

r u

Z Z

Z K E

U U

U E

U K

Trở kháng ra của mạch khuếch đại được định nghĩa là trở kháng trong của

nguồn tương đương nếu ta nhìn từ phía tải:

r

r r

i

U

r t

t r r

Z Z

Z E U

Z Z K

Bộ khuếch đại dòng điện lý tưởng Ki rất lớn không phụ thuộc vào nguồn và

Méo không đường thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử như transistor gây ra thể hiện ở việc xuất hiện những thành phần tần số lạ ở đầu

ra mà không có ở đầu vào Khi Uv chỉ có thành phần tần số  nhưng đầu ra

không chỉ xuất hiện thành phần tần số  mà còn xuất hiện các thành phần

tần số (n.), với n=2,3 Các thành phần tần số (n.), với n=2,3 gọi là

các hài, giả thiết các hài có biên độ tương ứng là Unm ta định nghĩa hệ số

méo không đường thẳng như sau:

m

nm m

m U

U U

U

1

2 2

0

max 0

f K

K f

Dải động được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ tín hiệu vào lớn nhất để

méo không đường thẳng chưa vượt quá mức danh định và biên độ tín hiệu vào nhỏ

nhất để chưa bị ảnh hưởng bởi tạp âm:

min

max

v

v d

Khối mạch khuếch đại K thực hiện khuếch đại tín hiệu vào Khối mạch B

thực hiện đưa tín hiệu ra quay lại đầu vào

+ Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B cùng pha với tín hiệu vào thì sẽ làm

tăng đầu vào, đầu ra sẽ tăng Đầu ra tăng sẽ làm đầu ra của khối phản hồi B tăng,

từ đó đầu vào khối phản hồi K tăng, lại làm cho đầu ra tăng Quá trình cứ diễn ra

như vậy, làm cho mạch không ổn định Trường hợp này gọi là phản hồi dương

Ứng dụng chính của phản hồi dương là các mạch tạo dao động

+ Khi tín hiệu ra của khối phản hồi B ngược pha với tín hiệu vào thì sẽ làm

giảm đầu vào, từ đó làm giảm đầu ra Trường hợp này được gọi là phản hồi âm

hay còn gọi là hồi tiếp âm Hồi tiếp âm cho phép cải thiện chất lượng một số thông

số của mạch khuếch đại vì thế nó được ứng dụng rất rộng rãi

b Phân loại:

Khi đưa điện áp ra của bộ khuếch đại K là tham số thực hiện hồi tiếp thì ta

có hồi tiếp điện áp, nếu là dòng điện của bộ khuếch đại K là tham số thực hiện hồi

tiếp thì ta có hồi tiếp dòng điện

Khi điện áp đưa về hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp

nối tiếp, nếu là song song với tín hiệu vào thì ta có hồi tiếp song song

Kết hợp lại, ta có 4 loại phản hồi như sau:

 Phản hồi điện áp nối tiếp:

r vb rk

U U U

U U U

 Phản hồi điện áp song song:

 Phản hồi dòng điện nối tiếp:

 Phản hồi dòng điện song song: