Bài giảng kỹ thuật điện tử

Chương MỞ ĐẦU Kỹ thuật điện tử tin học ngành mũi nhọn phát triển Trong khoảng thời gian tương đối ngắn (so với ngành khoa học khác), từ đời tranzito (1948), có tiến nhảy vọt, mang lại nhiều thay đối lớn sâu sắc hầu hết lĩnh vực đời sống, dần trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm tự động hóa phần hoàn toàn, tin học hoá, phương pháp công nghệ vật liệu mới) Để bước đầu làm quen với vấn đề ngành mang ý nghĩa đại cương, chương mở đầu đề cập tới khái niệm sở nhập môn giới thiệu cấu trúc hệ thống điện tử điển hình 1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.1.1 Điện áp dòng điện Có hai khái niệm định lượng mạch điện Chúng cho phép xác định trạng thái điện điểm, phận khác vào thời điểm khác mạch điện chúng gọi thông số trạng thái mạch điện Khái niệm n áp rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu số điện hai điểm khác mạch điện Thường điểm mạch chọn làm điểm gốc có điện (điểm nối đất) Khi đó, điện điểm khác mạch có giá trị âm hay dương mang so sánh với điểm gốc hiểu điện áp điểm tương ứng Tổng quát hơn, điện áp hai điểm A B mạch (ký hiệu UAB)xác định bởi: UAB = VA - VB = -UBA Với VA VB điện A B so với gốc (điểm nói đất hay gọi nối mát) Khái niệm dòng n biểu trạng thái chuyển động hạt mang điện vật chất tác động trường hay tồn gradien nồng độ hạt theo không gian Dòng điện mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương thấp ngược với chiều chuyển động điện tử Từ khái niệm nêu trên, cần rút nhận xét quan trọng sau: a) Điện áp đo hai điểm khác mạch dòng điện xác định điểm mạch b) Để bảo toàn điện tích, tổng giá trị dòng điện vào điểm mạch tổng giá trị dòng điện khỏi điểm (quy tắc nút với dòng điện) Từ suy ra, đoạn mạch gồm phần tử nối tiếp dòng điện điểm c) Điện áp hai điểm A B khác mạch đo theo nhánh có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh 1.1.4) nối A B giống UAB Nghĩa điện áp đầu nhiều phần tử hay nhiều nhánh nối song song với nhau (Quy tắc vòng điện áp) 1.1.2 Tính chất điện phần tử (Ghi chú: khái niệm phần tử tổng quát, đại diện cho yếu tố cấu thành mạch điện hay tập hợp nhiều yếu tố tạo nên phận mạch điện Thông thường, phần tử linh kiện mạch) Định nghĩa: Tính chất điện phần tử mạch điện thể qua mối quan hệ tương hỗ điện áp U hai đầu dòng điện I chạy qua định nghĩa điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) phần tử Nghĩa khái niệm điện trở gắn liền với trình biến đổi điện áp thành dòng điện ngược lại từ dòng điện thành điện áp a) Nếu mối quan hệ tỉ lệ thuận, ta có định luật ôm: U = R.I (1-1) Ở đây, R số tỷ lệ gọi điện trở phần tử phần tử tương ứng gọi điện trở Hình 1.1 Các dạng điện trở, biến trở b) Nếu điện áp phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian dòng điện nó, tức : U=L dI dt (ở L số tỉ lệ) (1-2) ta có phần tử cuộn dây có giá trị điện cảm L Hình 1.3 Cuộn cảm, biến áp mạch điện tử c) Nếu dòng điện phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian điện áp nó, tức là: I=C dU (ở C số tỷ lệ) dt (1-3) ta có phần tử tụ điện có giá trị điện dung C d) Ngoài quan hệ nêu trên, thực tế tồn nhiều quan hệ tương hỗ đa dạng phức tạp điện áp dòng điện phần tử Các phần tử gọi chung phần tử không tuyến tính có nhiều tính chất đặc biệt Điện trở chúng gọi chung điện trở phi tuyến, điển hình đốt, tranzito, thiristo đề cập tới phần tiếp sau Các tính chất quan trọng phần tử tuyến tính là: a) Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể qua quan hệ U(I)) đường thẳng b) Tuân theo nguyên lý chồng chất Tác động tổng cộng tổng tác động riêng lẻ lên Đáp ứng tổng cộng (kết chung) tổng kết thành phần tác động thành phần gây c) Không phát sinh thành phần tần số lạ làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) Đối lập với phần tử tuyến tính phần tử phi tuyến có tính chất sau: Hình 1.2 Tụ điện thực tế a) Đặc tuyến VA đường cong (điện trở thay đổi theo điểm làm việc) b) Không áp dụng nguyên lý chồng chất c) Luôn phát sinh thêm tần số lạ đầu có tín hiệu xoay chiều tác động đầu vào Ứng dụng - Các phần tử tuyến tính (R, L, C), có số ứng dụng quan trọng sau: a) Điện trở thông số đặc trưng cho tượng tiêu hao lượng (chủ yếu dạng nhiệt) thông số không quán tính Mức tiêu hao lượng điện trở đánh giá công suất nó, xác định bởi: P = U.I = I2R = U2/R ( 1-4) Trong đó, cuộn dây tụ điện phần tử không tiêu hao lượng (xét lý tưởng) có quán tính Chúng đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường hay điện trường mạch có dòng điện hay điện áp biến thiên qua chúng Ở đây, tốc độ biến đổi thông số trạng thái (điện áp, dòng điện) có vai trò định giá trị trở kháng chúng, nghĩa chúng có điện trở phụ thuộc vào tần số (vào tốc độ biến đổi điện áp hay dòng điện tính đơn vị thời gian) Với tụ điện, từ hệ thức (1-3), dung kháng giảm tăng tần số ngược lại với cuộn dây, từ (1-2) cảm kháng tăng theo tần số b) Giá trị điện trở tổng cộng nhiều điện trở nối tiếp lớn có tính chất cộng tuyến tính Điện dẫn (là giá trị nghịch đảo điện trở) nhiều điện trở nối song song lớn điện dẫn riêng rẽ có tính chất cộng tuyến tính Hệ là: - Có thể thực việc chia nhỏ điện áp (hay dòng điện) hay gọi thực việc dịch mức điện (hay mức đòng điện) điểm khác mạch cách nối nối tiếp (hay song song) điện trở - Trong cách nối nối tiếp, điện trở lớn định giá trị chung dãy Ngược lại, cách nối song song, điện trở nhỏ có vai trò định Việc nối nối tiếp {hay song song) cuộn dây dẫn tới kết tương tự điện trở: làm tăng (hay giảm) trị số điện cảm chung Đối với tụ điện, nối song song chúng, điện dung tổng cộng tăng: Css = C1 + C2 + … Cn (1-5) nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm: 1/Cnt = 1/C1+ 1/C2 +…+ 1/Cn (1-6) c) Nếu nối nối tiếp hay song song R với L C nhận kết cấu mạch có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tần số gọi mạch lọc tần số) d) Nếu nối nối tiếp hay song song L với C dẫn tới kết cấu mạch vừa có tính chất chọn lọc tần số, vừa có khả thực trình trao đổi qua lại hai dạng lượng điện - từ trường, tức kết cấu có khả phát sinh dao động điện áp hay dòng điện ban đầu nguồn lượng kích thích, (vấn đề gặp mục 2.4) 1.1.3 Nguồn điện áp nguồn dòng điện a) Nếu phần tử tự hay chịu tác động chất điện từ, có khả tạo điện áp hay dòng điện điểm mạch điện gọi nguồn sức điện động (s.đ.đ.) Hai thông số đặc trưng cho nguồn s.đ.đ : - Giá trị điện áp hai đầu lúc hở mạch (khi không nối với phần tử khác từ đến hai đầu nó) gọi điện áp lúc hở mạch nguồn kí hiệu Uhm - Giá trị dòng điện nguồn đưa mạch lúc mạch dẫn điện hoàn toàn: gọi giá trị dòng điện ngắn mạch nguồn kí hiệu Ingm Một nguồn s.đ.đ coi lý tưởng điện áp hay dòng điện cung cấp cho mạch không phụ thuộc vào tính chất mạch (mạch tải) b) Trên thực tế, với tải có giá trị khác nhau, điện áp hai đầu nguồn hay dòng điện cung cấp có giá trị khác phụ thuộc vào tải Điều chứng tỏ bên nguồn có xảy trình biến đổi dòng điện cung cấp thành giảm áp nó, nghĩa tồn giá trị điện trở bên gọi điện trở nguồn kí hiệu Rng Rng = Uhm Ingm (1-7) Nếu gọi U I giá trị điện áp dòng điện nguồn cung cấp có tải hữu hạn < Rt< ∞ thì: Rng = Uhm − U I (1-8) Ingm = U +I R ng (1-9) Từ (l-7) (l-8) suy ra: Từ hệ thức trên, ta có nhận xét sau: Nếu Rng→ từ biểu thức (1-8) ta có U → Uhm nguồn s.đ.đ nguồn điện áp lý tưởng Nói cách khác nguồn điện áp gần lí tưởng điện trở Rng có giá trị nhỏ Nếu Rng → ∞, từ hệ thức (1-9) ta có I → Ingm nguồn s.đ.đ có dạng nguồn dòng điện lí tưởng hay nguồn dòng điện gần lí tưởng Rng lớn Một nguồn s.đ.đ thực tế coi nguồn điện áp hay nguồn dòng điện tùy theo chất cấu tạo để giá trị Rng nhỏ hay lớn Việc đánh giá Rng tùy thuộc tương quan với giá trị điện trở toàn phần mạch tải nối tới hai đầu nguồn xuất phát từ biểu thức (1-8) (l-9) có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn (s.đ.đ.) thực tế hình 1.1 a) b) Một phận mạch có chứa nguồn, liên hệ hỗ cảm với phần lại mạch mà nối với phần lại hai điểm, thay nguồn tương đương với điện trở điện trở tương đương phận mạch xét Trường hợp riêng, phận mạch bao gồm nhiều nguồn điện áp nối với nhiều điện trở theo cách bất kì, có đầu thay nguồn điện áp tương đương với điện trở tương đương (định lí nguồn tương đương Tevơnin) Hình 1.4 a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện 1.1.4 Biểu diễn mạch điện kí hiệu hình vẽ (sơ đồ) Có nhiều cách biểu diễn mạch điện tử, đơn giản thuận lợi cách biểu diễn sơ đồ gồm tập hợp kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương đương phần tử nối với theo cách (nối tiếp, song song, hỗn hợp nối tiếp song song hay phối ghép thích hợp) nhờ đường nối có điện trở Khi biểu diễn vậy, xuất vài yếu tố hình học cần làm rõ khái niệm là: • Nhánh (của sơ đồ mạch) phận sơ đồ, bao gồm phần tử nối nối tiếp nhau, qua có dòng điện • Nút điểm mạch chung cho từ ba nhánh trở lên • Vòng phần mạch bao gồm số nút nhánh lập thành đường kín mà dọc theo nhánh nút gặp lần (trừ nút chọn làm điểm xuất phát) • Cây phần mạch bao gồm toàn số nút nhánh nối nút không tạo nên vòng kín Các nhánh gọi nhánh cây, nhánh lại mạch không thuộc gọi bù Các yếu tố nêu sử dụng đặc biệt thuận lợi cần phân tích tính toán mạch sơ đồ Người ta biểu diễn mạch gọn sơ đồ gồm nhiều khối có đường liên hệ với Mỗi khối bao gồm nhóm phần tử liên kết với để thực nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể rõ (nhưng không cụ thể cách thức liên kết bên khối) Đó cách biểu diễn mạch sơ đồ khối rút gọn, qua dễ dàng hình dung tổng quát hoạt động toàn hệ thống mạch điện tử 1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU Tin tức tín hiệu hai khái niệm kĩ thuật điện tử tin học, đối tượng mà hệ thống mạch điện tử có chức công cụ vật chất kĩ thuật nhằm tạo ra, gia công xử lí hay nói chung nhằm chuyển đổi dạng lượng để giải mục tiêu kĩ thuật định 1.2.2 Tin tức hiểu nội dung chứa đựng bên kiện, biến cố hay trình (gọi nguồn tin) Trong hoạt động đa dạng người, từ lâu hình thành nhu cấu trao đồi tin tức theo hai chiêu: không gian biến cố xảy nơi A cần nhanh chóng biết nơi A thời gian: biến cố xảy vào lúc to cần lưu giữ lại để biết vào lúc to + T với khả T ∞, nhu cầu thỏa mãn phát triển nhiều hình thức phương tiện vật chất phù hợp với trình độ phát triển xã hội (kí hiệu, tiếng nói, chữ viết hay phương tiện tải tin khác nhau) Gần đây, phát triển tiến nhanh chóng kĩ thuật điện tử, nhu cầu ngày thỏa mãn sâu sắc điều kiện bùng nổ thông tin xã hội đại Tính chất quan trọng tin tức mang ý nghĩa xác suất thống kê, thể mặt sau: a) Nội dung chứa kiện có ý nghĩa lớn (ta nói kiện có lượng tin tức cao) xảy bầt ngờ, chờ đợi Nghĩa lượng tin có độ lớn tỉ lệ với độ bất ngờ hay tỉ lệ nghịch với xác suất xuất kiện dùng xác suất mức đo lượng tin tức b) Mặc đù nhận "nội dung" kiện đó, hầu hết trường hợp, người ta khẳng đinh tính chắn, xác thực với độ tin cậy Mức độ chắn cao nội dung lặp lại (về bản) nhiều lần, nghĩa tin tức có tính chất trung bình thống kê phụ thuộc vào mức độ hỗn loạn nguồn tin, môi trường (kênh) truyền tin vào nơi nhận tin, vào tất khả gây sai lầm hệ thống thông tin Người ta dùng Entropy để đánh giá lượng tin thông qua giá trị entropy riêng rẽ nguồn tin, kênh truyền tin nơi nhận tin c) Tin tức không tự nhiên sinh mà biểu trình chuyển hóa lượng hay trình trao đổi lượng hai dạng vật chất trường Phần lớn trình mang tính ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố lí thuyết xác suất thống kê Tuy nhiên thấy rằng, hệ thống có lượng ổn định, mức độ trật tự cao khó thu thập tin tức từ ngược lại Cơ sở toán học để đánh giá định lượng nhận xét trình bày giáo trình chuyên ngành lí thuyết thông tin 1.2.3 Tín hiệu khái niệm để mô tả biểu vật lý tin tức Các biểu đa dạng thường phân chia thành hai nhóm: có chất điện từ chất điện từ Tuy nhiên, dạng cuối thường gặp hệ thống điện tử, thể qua thông số trạng thái điện áp hay đòng điện, có chất điện từ • Có thể coi tín hiệu nói chung (dù dạng nào) đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian biểu diễn dạng hàm số hay đồ thị theo thời gian thích hợp • Nếu biểu thức theo thời gian tín hiệu s(t) thỏa mãn điều kiện: s(t) = s(t + T) (1- 10) Với t T số s(t) gọi tín hiệu tuần hoàn theo thời gian Giá trị nhỏ tập {T} thỏa mãn (1-10) gọi chu kỳ s(t) Nếu không tồn giá trị hữu hạn T thỏa mãn (1-10) ta có s(t) tín hiệu không tuần hoàn Dao động hình sin (h.1.5) dạng đặc trưng tín hiệu tuần hoàn, có biểu thức dạng s(t) = Acos(ωt-φ) (1-11) Hình 1.5 Tín hiệu hình sin tham số (1-11) A, ω, φ số gọi biên độ, tần số góc góc pha ban đầu s(t), có mối liên hệ ω , T f sau : ω= 2π ; f= T T (1-12) • Cũng chia tín hiệu theo cách khác: thành hai dạng biến thiên liên tục theo thời gian (tín hiệu tương tự - analog) hay biến thiên không liên tục theo thời gian (tín hiệu xung số - digital) Theo đó, có hai dạng mạch điện tử làm việc (gia công xử lí) với loại Các dạng tín hiệu vừa nêu trên, có biếu thức s(t) hay đồ thị biểu diễn xác định, gọi loại tín hiệu xác định rõ ràng Ngoài ra, lớp tín hiệu mang tính ngẫu nhiên xác định chúng qua phép lấy mẫu nhiều lần nhờ quy luật phân bố xác suất thống kê, gọi tín hiệu ngẫu nhiên Hình 1.6 Các dạng xung thường gặp 1.2.4 Các tính chất tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian t a) Độ dài trị trung bình tín hiệu Độ dài tín hiệu khoảng thời gian tồn (từ lúc bắt đầu xuất đến lúc đi) Độ dài mang ý nghĩa khoảng thời gian mắc bận với tín hiệu mạch hay hệ thống điện tử Nếu thiệu s(t) xuất lúc to có độ dài τ giá trị trung bình s(t), ký hiệu s(t) xác định bởi: s(t) = τ to +τ ∫ s(t)dt (1-13) to b) Năng lượng, công suất trị hiệu dụng Năng lượng Es tín hiệu s(t) xác định to +τ Es= ∞ ∫ ∫ S2(t)dt = S2(t)dt (1-14) −∞ to Công suất trung bình s(t) thời gian tồn định nghĩa bởi: S (t) = τ tο +τ Εs ∫ S (t )dt τ (1-15) tο Giá trị hiệu dụng s(t) định nghĩa là: 10 Nếu E > Eo có Ura điện áp tăng đường thằng Nếu E < Eo có Ura giảm đường thẳng Nếu chọn Eo = ta nhận xung tam giác cực tính dương, chọn Eo nguồn điều chỉnh Ura có dạng có hai cực tính với biên độ gần 2Ec Trên thục tế, thường chọn E = Ec Eo lấy từ Ec qua chia áp Biên độ cực đại tụ C xác định bởi: Ucmax = (E - Eo)tq/ R3C (3-52) Người ta tạo đồng thời xung vuông xung tam giác nhờ ghép nối tiếp tích phân sau trigơ Smit (h 3.30) Bộ tích phân IC2 lấy tích phân điện áp ổn định lối (Ura1) trigơ Smit Khi Ura2 đạt ngưỡng tắt trigơ điện áp đổi dấu đột biến Ura2 đổi hướng quét ngược lại Quá trình lại tiếp diễn đạt tới ngưỡng lật thứ hai trigơ Smit sơ đồ quay trạng thái đầu Tần số dao động thay đổi nhờ R C Biên độ Ura2 phụ thuộc ngưỡng lật trigơ Smit, xác định bởi: Ura2 = Umax R1/R2 (3-53) (với Umax giá trị điện áp bão hòa IC1) Chu kì dao động xác định T= 4RCR1/R2 (3-54) Hình 3.30: Sơ đồ tạo đồng thời xung vuông (Ura1) xung tam giác (Ura2) 224 3.7 3.7.1 CƠ SỞ ĐẠI SỐ LOGIC VÀ CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN Cơ số đại số logic a - Hệ tiên đề định lí Đại số logic phương tiện toán học để phân tích tổng hợp hệ thống thiết bị mạch số Nó nghiên cứu mối liên hệ, (các phép tính bản) biến số trạng thái (biến logic) nhận hai giá trị "1" (có) ''0" (không có) Kết nghiên cứu thể hàm trạng thái nhận trị số "0" "1” Người ta xây dựng phép tính biến logic là: Phép phủ định logic (đảo), kí hiệu dấu "-" phía kí hiệu biến Phép cộng logic (tuyển), kí hiệu dấu "+" Phép' nhân logic (hội), kí hiệu dấu "." Kết hợp với hai số "O" "1" có nhóm quy tắc sau: Nhóm quy tắc phép cộng logic: x + = x, x+x=x x + = 1, x+ x =1 (3-55) Nhóm quy tắc phép nhân logic x = 0, x.x =x x = x, x x =0 (3-56) Nhóm hai quy tắc phép phủ định logic ( x) = x (x ) = x (3-57) Có thể minh họa tính hiển nhiên quy tắc qua ví dụ khóa mạch điện nối song song (với phép cộng) nối tiếp (với phép nhân) số 1ứng với khóa thường đóng nối mạch, "0" khóa thường mở ngắt mạch - Tồn đinh luật hoán vị, kết hợp phân bố đại số logic với phép cộng nhân Luật hoán vị: x + y = y + x; xy = yx (3-58) Luật kết hợp: x + y + z = (x + y) + z = x + (y + z) xyz = (xy)z = x(yz) (3-59) Luật phân bố: x(y + z) = xy + xz (3-60) - xuất phát từ quy tắc luật đưa số đinh lí thông dụng sau: x y + x y = x; x( x + y) = xy x + xy = x; (x + y)(x + z) = x + yz 225 x(x + y) = x; xy + y = x + y (3-61) Định lí Đemorgan: F(x, y, z, +,.) = F(x, y, z, ,.,+ ) Ví dụ: (x + y + z) = x.y.z (x.y.z ) = x + y + z (3-62) b - Hàm logic cách biểu diễn chúng Có cách biểu diễn hàm logic tương đương - Biểu diễn giải tích với kí hiệu hàm, biến phép tính chúng Có hai dạng giải tích sử dụng dạng tuyển: hàm cho dạng tổng tích biến dạng hội - dạng tích tổng biến Nếu số hạng dạng tuyển chứa đủ mặt biến ta gọi mintec kí hiệu m có dạng tuyển đầy đủ, tương tự với dạng hội đầy đủ tích maxtec (M) Mỗi hàm logic có vô số cách biểu diễn giải tích tương đương hai dạng Tuy nhiên, tồn cách biểu diễn gọn nhất, tối ưu số biến số số hạng hay thừa số gọi dạng tối thiểu Việc tối thiểu hóa hàm logic, đưa chúng từ dạng dạng tối thiểu, mang ý nghĩa kinh tế kĩ thuật đặc biệt tổng hợp mạch logic phức tạp ' Ví dụ: Dạng tuyển đầy đủ F = x.y z + x yz + x y z : m1 + m2 + m3 Dạng hội đầy đủ F = (x + y + z)( x + y + z )(x + y + z) = M1 M2 M3 - Biểu diễn hàm logic bảng trạng thái liệt kê toàn số tổ hợp biến có giá trị hàm tương ứng với tổ hợp kể Ví dụ: Với F(x, y, z) = x y z + xy z + x.y.z = m1 + m6 + m7 3.7.2 (3-63) Các phần tử logic Các phép toán đại số logic thực mạch khóa điện tử (tranzito IC) nêu phần 3.1 Nét đặc trưng hai mức điện cao thấp mạch khóa hoàn toàn cho tương ứng đơn trị với hai trạng thái biến hay hàm logic Nếu tương ứng quy ước điện thấp - trị ''0'' điện cao - trị ''1" ta gọi logic dương Trong trường hợp ngược lại, với quy ước mức thấp trị ''1" mức cao - trị ''0'', ta có logic âm Để đơn giản, chương này, xét với logic dương a - Phần tử phủ định logic (phần tử đảo - NO) - Phần tử phủ định có đầu vào biết đầu thực hàm phủ định logic: FNO = x (3-70) tức FNO = x = ngược lại FNO = x = Bảng trạng thái, kí hiệu quy ước giản đồ thời gian minh họa cho hình 3.31a, b c tương ứng 226 a) X FNO 1 x FNO b) c) t t Hình 3.31: Bảng trạng thái (a), ký hiệu (b), giản đồ phần tử NO (c) Để thực hàm FNO, dùng sơ đồ mạch khóa (tranzito hay IC) nêu 3.1.2 dựa tính chất đảo pha tầng Ec tranzito hay đầu vào N IC thuật toán Mạch điện thực tế có phức tạp để nâng cao khả làm việc tin cậy khả xác Hình 3.32 đưa sơ đồ đảo kiểu TTL (Tranzito-Tranzito-Logic) hoàn thiện vỏ IC số Mạch sơ đồ gồm tranzito T3 T4 làm việc ngược pha (ở chế độ khóa) nhờ tín hiệu lấy lối phân tải T2 Mạch vào sơ đồ dừng tranzito T1 mắc kiểu BC tín hiệu vào (x) đưa tới cực emitơ T1 thể xung điện áp cực tính dương (lúc x = 1) có biên độ lớn mức UH xung (lúc x = 0) điều khiển x1 khóa (lúc x = 1) hay mở (lúc x = 0) Nghĩa x = T1 mở, điện Uc1 = UB2 mức thấp T2 khóa, điều làm T3 khóa (vì UE2 mức thấp) T4 mở (vì Uc2 mức cao), kết đầu ra, điện điểm A mức cao hay FNO = l Nhờ T4 mở mức A nâng lên xấp xỉ nguồn +E (ưu điểm so với việc dùng điện trở Rc3) nên T4 gọi tranzito ''kéo lên", điều làm tăng khả chịu tải nhỏ hay dòng lớn cho tầng Khi x = 1, tình hình ngược lại T1 khóa, T2 mở làm T4 khóa T3 mở dẫn tới FNO = Nhận xét: - Kết cấu mạch hình 3.32 không cho phép đấu chung lối hai phần tử đảo kiểu song song (3.32b) FNO1 = FN02 = xảy ngắn mạch T4mạch1 với T3mạch2 ngược lại Lúc cần sử dụng phần tử NO kiểu để hở colectơ T3 (không có T4) dùng điện trở Rc3 mạch - Có thể kết cấu phần tử NO từ cặp MOSFET kênh n kênh p (một loại thường mở loại thường khóa) hình 3.33 Khi x = (Uvào= 0) T2 mở T1 khóa Ua = UDD hay FNO = Khi x = (Uvào =UDD) T2 khóa T1 mở Ura≈0 hay FNO = FAND = x1x2x3 xn (3-71) 227 Hình 3.32: Bộ đảo TTL có đầu hai trạng thái kết cấu dạng vi mạch số (a) Kiểu mắc chung hai đầu cho hai phần tử NO b) Hình 3.33: Sơ đồ NO kiểu CMOS 228 Sơ đồ hình 3.33 chế tạo theo công nghệ CMOS có ưu điểm dòng tĩnh lối vào lối gần b - Phần tử (AND) phần tử có nhiều đầu vào biến đẩu thực hàm nhân logic, tức hàm FAND FAND = tất biến xi nhận tri FAND = biến xi có trị Bảng trạng thái, kí hiệu quy ước giản đồ thời gian, minh họa FAND cho hình 3.34 (với n = 2) Mạch điện thực FAND loại đơn giản dựa khóa điôt cho hình 3.35, bình thường x1 = x2 = nhờ E qua phân áp R1 R2 có UA > điôt D1 D2 mở, điện áp mức thấp (cỡ sụt áp thuận điôt) FAND = Tình hình không thay đổi x1 = x2 = X1 a) X1 X2 FAND 0 0 1 0 1 t X2 t FAND t Hình 3.34: Bảng trạng thái (a), ký hiệu (b), giản đồ phần tử AND (c) Khi x1 = x2 = (ứng với trạng thái đầu vào có xung vuông biên độ lớn UA) điôt khóa nhánh đầu vào, lúc UA=ER2/(R1+R2) cao FAND =1 (khi R2 > > R1) Lưu ý số lượng đầu vào nhiều số biến, đầu vào không dùng cần nối với +E để nhánh tương ứng tách khỏi mạch (điôt khóa) tránh nhiễu với đầu khác làm việc 229 Hình 3.35: Sơ đồ nguyên lý mạch AND dựa điôt c - Phần tứ (OR) phần tử có nhiều đầu vào biến, đầu thực hàm cộng logic: FOR = x1 +x2+x3+ +xn (3-72) FOR = biến xi nhận trị FOR = tất biến nhận trị 0: x1 = xn = X1 t X1 X2 FOR 0 0 1 a)0 1 1 X2 b) FOR c) t t Hình 3.36: Bảng trạng thái (a) ký hiệu quy ước b) giản đồ thời gian (c) phần tử OR Bảng trạng thái kí hiệu quy ước đồ thị thời gian minh họa FOR cho hình 3.36 (cho với n = 1) Có thể dùng khóa điôt thực hàm FOR (3-37) Bình 230 thường x1 = x2 = điôt khóa R dòng điện Ur = FOR = đầu vào có xung dương điôt tương ứng mở tạo dòng R UA mức cao hay FOR=1 Khi số đầu vào nhiều số biến, đầu vào không dùng nối đất để chống nhiễu Hình 3.37: Sơ đồ nguyên lý mạch OR dùng điôt d - Phần tử phủ định (NAND) phần tử nhiều đầu vào biến đầu thực hàm logic - phủ định: FNAND= x1.x x x n FNAND = tất đầu vào biến có trị FNAND = trường hợp lại (3-73) Hình 3.38 đưa bảng trạng thái, kí hiệu quy ước đồ thị thời gian minh họa trường hợp n = X1 X1 X2 FNAND 0 1 1 a)0 1 t X2 b) FNAND c) t t Hình 3.38: Bảng trạng thái (a) ký hiệu quy ước b) giản đồ thời gian (c) phần tử NAND 231 - Cũng phần tử NO, OR, AND, thực phần tử NAND nhiều cách khác dựa công nghệ chế tạo bán dẫn: loại điện trở tranzito - logic (RTL) loại điôt tranzito - logic (DTL), loại tranzito - tranzito - logic (TTL) hay công nghệ CMOS Để minh họa, hình 3.39 đưa phần tử NAND dựa công nghệ TTL, sử dụng loại tranzito nhiều cực emitơ, có ưu điểm bảo đảm mức logic, tác động nhanh khả tải lớn Hình 3.39 : Nguyên lý xây dựng phần tử NAND loại TTL Hình 3.40: Phần từ logic NAND TTL thực tế có đầu vào điều khiển (loại trạng thái ổn định) 232 Với mạch 3.39 tất lối vào có điện áp cao (x1 = x2 = x3 = 1) T1 khóa UCM = UB2 mức cao làm T2 mở FNAND = Nếu lối vào có mức điện áp thấp tiếp giáp emitơ - bazơ tương ứng T1 mở làm dòng IB2 nên T2 khóa: FNAND = Thực tế T2 thay mạch (h.3.40) dạng đẩy kéo tương tự hình 3.32 cho dòng lớn tăng khả tải chống nhiễu Khi T2 khóa T3 khóa (do UE2 = 0) FNAND = nhờ lặp lại cực emitơ T4 trở kháng thấp tăng khả chịu tải cho toàn mạch Khi T2 mở T3 mở T4 khóa, D tách nhánh T4 khỏi mạch FNAND = (mức cỡ + 0,1V) - Để điều khiển tầng ra, dùng lối vào đặc biệt Uđk = (mức thấp) T3 T4 bị khóa (trạng thái ổn định thứ sơ đồ gọi trạng thái trở kháng cao) Khi Uđk mức cao điôt D1 khóa, sơ đồ làm việc bình thường phân tích với hai trạng thái ổn định lại Tín hiệu Uđk gọi tín hiệu chọn vỏ (CS) tạo khả cho phép (lúc CS = 1) hay không cho phép (lúc CS = 0) mạch NAND làm việc, điều đặc biệt thuận lợi phải điều khiển nhiều NAND làm việc chung với lối e - Phần tử - phủ định (NOR) gồm nhiều đầu vào biến, đầu thực hàm logic - phủ định FNOR = x1 + x + x + + x n (3-74) FNOR = biến vào có trị số "0" FNOR = trường hợp lại Bảng trạng thái, kí hiệu quy ước giản đồ thời gian minh họa FNOR (với n = 2) cho hình 3.41 X1 X1 X2 FNOR 0 1 a)0 1 t X2 b) FNOR c) t t Hình 3.41: Bảng trạng thái (a) ký hiệu quy ước b) giản đồ thời gian (c) phần tử NOR Hình 3.42 cho kết cấu thực FNOR công nghệ RTL Khi cửa vào có xung dương mở, điện áp mức thấp FNOR = 0, x1 = x2 = = xn = 0, tranzito thiết kế chế độ thường khóa Tất tranzito khóa FNOR = (lưu ý: thiết kế tranzito thường mở mạch hoạt động phần tử NAND với xung vào cực tính âm điều khiển khóa tranzito) 233 - Có thể thực phần tử NOR dựa công nghệ MOS CMOS (từng cặp MOSN MOSP với đầu vào) với nhiều ưu điểm bật: thời gian chuyển biến nhanh, dòng rò tiêu thụ công suất cực bé Hình 3.42 : Phần tử NOR với cực colectơ hở 3.7.3 Các thông số đặc trưng phần tử IC logic Để đánh giá đặc tính kĩ thuật khả sử dụng IC logic, người ta thường sử dụng tham số sau: Tính tác động nhanh (phản ứng thời gian phần tử với biến đổi đột biến tín hiệu vào) thể qua thời gian trễ trung bình xung qua nó: τ trê = t+ + t− (3-75) t+ thồ gian trễ sườn trước chuyển mức logic “0” lên “1” t- thời gian trễ sườn sau chuyển "1" "0” Nếu τtrễ < 10-8s ta có loại phần tử cực nhanh Nếu τtrễ < 3.10-8s loại nhanh Nếu τtrễ < 10-7s loại trung bình Nếu τtrễ ≥ 0,3 s loại chậm 234 - Khả sử dụng thể qua số lượng đầu vào m hệ số phân tải n đầu (số đầu vào phần tử logic khác ghép với đầu nó) Thường n = đến 10, có mạch khuếch đại đệm đầu tăng n = 20 đến 50; m = đến - Người ta quy định với phần tử logic loại TTL, mức điện áp (với logic dương - mức logic cao thấp) sau: Dải đảm bảo mức “1” đầu +E ≥ Ura ≥ 2,4V Dải đảm bảo mức “0” đầu 0,4V ≥ Ura.0 ≥ 0V Dải cho phép mức “1” đầu vào +E ≥ Uv1 ≥ 2V Dải cho phép mức “0” đầu vào 0,8V ≥ Uvo ≥ 0V Như vậy, dự trữ chống nhiễu mức “1” đến 2,4 V dự trữ chống nhiễu mức “0” 0,4 đến 0,8 V Các quy định thay đổi phù hợp với hệ linh kiện dùng với nguồn nuôi V thấp - Tính tương hỗ phần tử logic chuyển logic dương thành logic âm: NO -> NO OR -> AND NOR -> NAND 235 Mục lục Chương 1: MỞ ĐẦU 1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 1.1.1 Điện áp dòng điện .1 1.1.2 Tính chất điện phần tử .2 1.1.3 Nguồn điện áp nguồn dòng điện 1.1.4 Biểu diễn mạch điện kí hiệu hình vẽ (sơ đồ) .7 1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU 1.2.2 Tin tức 1.2.3 Tín hiệu 1.2.4 Các tính chất tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian τ .10 1.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH 12 1.3.2 Hệ thống thông tin thu - phát 12 1.3.3 Hệ đo lường điện tử .13 1.3.4 Hệ tự điều chỉnh 14 Chương 2: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ 16 2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N 16 2.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất chất bán dẫn tạp chất 16 2.1.2 Mặt ghép p-n tính chỉnh lưu đốt bán dẫn 21 2.1.3 Vài ứng dụng điển hình điôt bán dẫn 28 2.2 PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N 38 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến tham số tranzito bipolar.38 2.2.2 Các dạng mắc mạch tranzito 43 2.2.3 Phân cực ổn định nhiệt điểm công tác tranzito 48 2.2.4 Tranzito trường (FET) 63 2.3 KHUẾCH ĐẠI 74 2.3.1 Những vấn đề chung .74 2.3.2 Khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực 84 2.4 KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN 135 2.4.1 Khái niệm chung 135 2.4.2 Bộ khuếch đại đảo .138 2.4.3 Bộ khuếch đại không đảo 140 2.4.4 Mạch cộng 140 2.4.5 Mạch trừ 142 2.4.6 Bộ tích phân .144 2.4.7 Bộ vi phân 145 2.4.8 Các biến đổi hàm số .146 2.4.9 Các mạch lọc .147 2.5 TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA 150 2.5.1 Nguyên lý chung tạo dao động điều hoà 150 2.5.2 Máy phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính .152 2.5.3 Tạo tín hiệu hình sin phương pháp biến dổi từ dạng tín hiệu hoàn toàn khác 158 236 2.6 NGUỒN MỘT CHIỀU 162 2.6.1 Khái niệm chung 162 2.6.2 Lọc thành phần xoay chiều dòng điện tải 163 2.6.3 Đặc tuyến chỉnh lưu 166 2.6.4 Ổn định điện áp dòng điện 167 2.6.5 Bộ ổn áp tuyến tính IC 182 2.7 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N 187 2.7.1 Nguyên lí làm việc, đặc tuyến tham số tiristo 187 2.7.2 Các mạch khống chế điển hình dùng tiristo 189 2.7.3 Vài dụng cụ chỉnh lưu có cấu trúc lớp .194 Chương 3: KĨ THUẬT XUNG - SỐ 198 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG 198 3.1.1 Tín hiệu xung tham số .198 3.1.2 Chế độ khóa tranzito .200 3.1.3 Chế độ khóa khuếch đại thuật toán .202 3.2 MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ HAI TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 204 3.2.1 Tri gơ đối xứng (RS-trigơ) dùng tranzito 204 3.2.2 Tri gơ Smit dang Tranzito 205 3.2.3 Trigơ Smit dùng IC tuyến tính 207 3.3 MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 209 3.3.1 Đa hài đợi dùng tranzito .209 3.3.2 Mạch đa hài đợi dùng IC thuật toán 210 3.4 MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ HAI TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH (ĐA HÀI TỰ DAO ĐỘNG) 212 3.4.1 Đa hài dùng tranzito 212 3.4.2 Mạch đa hài dàng IC tuyến tính 214 3.5 BỘ DAO ĐỘNG BLOCKING .215 3.6 MẠCH TẠO XUNG TAM GIÁC (XUNG RĂNG CƯA) 217 3.6.1 Các vấn đề chung 217 3.6.2 Mạch tạo xung tam giác dùng tranzito 220 3.6.3 Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch thuật toán 221 3.7 CƠ SỞ ĐẠI SỐ LOGIC VÀ CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN 225 3.7.1 Cơ số đại số logic 225 3.7.2 Các phần tứ togic 226 3.7.3 Các thông số đặc trưng phần tử IC logic 234 237 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội [2] Đỗ Xuân Thụ (chủ biên) (2005), Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất Giáo dục, Hà nội [3] Work Bench 5.12 [4] www.nano.physik.uni-muenchen.de 238