MH18 GIÁO TRÌNH kỹ THUẬT điện tử HOÀN THIỆN 16 7 2013

1 BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Tên môn học: Kỹ thuật điện tử NGHỀ: KỸ THUẬT MÁY LẠNH VÀ ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số:120 /QĐ – TCDN Ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục dạy nghề Hà Nội, Năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thông tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Việc tổ chức biên soạn giáo trình giảng dạy phục vụ cho công tác đào tạo nghề trường Cao đẳng Trung cấp nghề cố gắng lớn TCDN nhằm bước chuẩn hóa, thống nội dung dạy học trường nghề phạm vi toàn quốc Nội dung giáo trình xây dựng sở kế thừa nhũng nội dung được giảng dạy nhiều năm trường Đại học, cao đẳng trường dạy nghề nước Nội dung giáo trình tuân thủ theo nội dung chương trình đào tạo cho nghề “Kỹ thuật máy lạnh điều hòa không khí” trình độ cao đẳng nghề mà TCDN thẩm định cho phép ban hành phạm vi nước Giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo có mã số MH18 với thời lượng đào tạo 30 giảng dạy gồm nội dung sau: Chương 1: Các linh kiện điện tử thụ động ứng dụng Chương 2: Linh kiện điện tử bán dẫn rời rạc ứng dụng Chương 3: Linh kiện điện tử bán dẫn tổ hợp (IC) ứng dụng Nội dung giáo trình biên soạn theo tính chất môn học chương trình đào tạo hướng tới tập thực hành chương nằm giúp cho sinh viên có kỹ nhận dạng linh kiện, xác định thông số linh kiện bước đầu kiểm tra chất lượng linh kiện điện tử thông dụng sử dụng thiết bị nghề kỹ thuật máy lạnh điều hòa không khí Nội dung giáo trình có phần viết mở rộng kiến thức nhằm giúp người học tự nghiên cứu hướng dẫn giảng viên Tuy tác giả có nhiều cố gắng biên soạn cho phù hợp với thời lượng môn học cho đối tượng sinh viên không chuyên nghành điện tử, giáo trình không tránh khỏi thiếu sót Rất mong thầy, cô giáo, bạn đọc góp ý để giáo trình biên soạn tiếp giáo trình có tái bản, bổ xung sau có chất lượng cao Xin chân thành cám ơn Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2013 Tham gia biên soạn Chủ biên: Thạc sĩ Vũ Quang Vinh MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời giới thiệu Mục lục Chương trình môn học Kỹ thuật điện tử Chương 1: Các linh kiện điện tử thụ động ứng dụng Điện trở Tụ điện 12 Cuộn cảm 17 Thạch anh 20 Thực hành, tập 23 Câu hỏi ôn tập tập 23 Chương 2: Các linh kiện điện tử bán dẫn rời rạc ứng dụng 25 Chất bán dẫn điện 25 Mặt ghép p – n 28 Diode 30 Transistor công nghệ lưỡng cực (BJT - Bipolar Junction Transistor) 38 Các cách mắc chế độ làm việc Transistor BJT 43 Phân cực cho Transistor BJT 50 Transistor BJT làm việc chế độ khóa 53 Transistor công nghệ đơn cực (FET) 55 Thực hành, tập 60 10 Câu hỏi ôn tập tập 60 Chương 3: Linh kiện điện tử bán dẫn tích hợp (IC) 63 1.Cấu tạo thông số IC tuyến tính 63 Khuếch đại thuật toán 64 IC số cổng logic 69 Thực hành, tập 74 Câu hỏi ôn tập tập 74 Tài liệu tham khảo 75 TÊN MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã môn học: MH 18 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò môn học: + Chương trình môn học Kỹ thuật điện tử đưa vào sau học sinh học môn học: "Cơ sở kỹ thuật điện" để chuẩn bị cho học sinh, sinh viên tiếp tục nắm bắt mô đun + Đây môn học bắt buộc Mục tiêu môn học: - Trình bày kiến thức cấu tạo, nguyên lý làm việc linh kiện điện tử bản, tính ứng dụng linh kiện mạch điện tử thường dùng hệ thống lạnh - Nhận biết số linh liện điện tử dùng hệ thống lạnh; - Xác định thông số qua nhãn ghi linh kiện - Có lòng yêu nghề, say mê tìm hiểu kiến thức lĩnh vực điện tử Nội dung môn học: Số TT Tên chương/ mục I Linh kiện điện tử thụ động ứng dụng Điện trở Tụ điện Cuộn cảm Thạch anh Kiểm tra Linh kiện điện tử bán dẫn rời rạc ứng dụng Chất bán dẫn điện Mặt ghép p - n Diode Transistor công nghệ lưỡng cực (BJT) Các cách mắc chế độ làm việc Transistor BJT Phân cực cho Transistor BJT II Tổng số 14 Thời gian Thực Lý hành thuyết Bài tập 12 Kiểm tra*(LT TH) 1 III Transistor BJT làm việc chế độ khoá Transistor công nghệ đơn cực (FET) Kiểm tra Linh kiện điện tử bán dẫn tổ hợp (IC) ứng dụng Cấu tạo thông số IC tuyến tính Khuếch đại thuật toán IC số cổng logic Kiểm tra Cộng 30 24 3 CHƯƠNG 1: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG CƠ BẢN VÀ ỨNG DỤNG Mã chương: MH18 – 01 Mục tiêu: - Trình bày kiến thức đặc điểm cấu tạo, tính chất, chế làm việc, qui cách đóng vỏ ghi nhãn lĩnh vực ứng dụng số linh kiện điện tử thụ động mạch điện tử ứng dụng hệ thống lạnh điện trở, tụ điện, cuộn cảm thạch anh; - Có lòng yêu nghề, say mê tìm hiểu kiến thức lĩnh vực điện tử Nội dung chính: ĐIỆN TRỞ: 1.1 Khái quát chung: 1.1.1 Khái niệm: - Điện trở cản trở dòng điện vật dẫn điện, vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ, vật dẫn điện điện trở lớn, vật cách điện điện trở vô lớn - Điện trở linh kiện sử dụng mạch điện đóng vai trò phần tử cản trở dòng điện nhằm tạo giá trị dòng điện điện áp danh định theo yêu cầu mạch - Điện trở có tác dụng mạch điện xoay chiều chiều Chế độ làm việc điện trở không bị ảnh hưởng tần số nguồn điện xoay chiều mạch 1.1.2 Các thông số bản: a Điện trở danh định: - Là giá trị được nhà sản xuất tính toán để áp dụng cho trình sản xuất điện trở Giá trị ghi nhãn trên thân điện trở xuất xưởng Giá trị danh định không giá trị thực thân điện trở, mà giá trị gần - Đơn vị điện trở biểu thị Ôm (Ohm - Ω), bội số đơn vị Ω kilô Ôm (kΩ) ; Mêga Ôm (MΩ); giga Ôm (gΩ) - 1gΩ = 1000 MΩ = 1.000.000 kΩ = 1.000.000.000 Ω b Sai số - Sai số giá trị sai lệch giá trị thực với giá trị danh định điện trở - Người ta thường sử dụng giá trị sai số tương đối tính % - Dựa vào sai số, người ta thường chia điện trở thành cấp xác: Cấp I có sai số ±5% ; cấp II có sai số ±10% ; cấp II có sai số ±20% c Công suất chịu đựng: - Khi làm việc với dòng điện chạy qua, điện trở bị nóng lên nhiệt lượng tỏa ra, loại điện trở chịu đựng giới hạn nhiệt độ tương ứng với công suất định Vượt qua công suất này, điện trở không làm việc lâu dài - Công suất chịu đựng công suất tổn hao lớn mà điện trở chịu đựng thời gian dài mà không ảnh hưởng đến trị số điện trở - Khi thay điện trở, nên chọn loại điện trở có công suất chịu đựng lớn điện trở cũ - Khi mắc điện trở vào đoạn mạch, thân điện trở tiêu thụ công suất P tính theo công thức P = U I = U2 / R = R.I2 - Theo công thức ta thấy, công suất tiêu thụ điện trở phụ thuộc vào dòng điện qua điện trở phụ thuộc vào điện áp hai đầu điện trở - Công suất tiêu thụ điện trở hoàn toàn tính trước lắp điện trở vào mạch - Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công suất danh định ≥ lần công suất mà tiêu thụ d Hệ số nhiệt điện trở: - Khi nhiệt độ làm việc thay đổi trị số điện trở bị thay đổi Sự thay đổi trị số tương đối nhiệt độ thay đổi 10C gọi hệ số nhiệt điện trở - Các loại điện trở bình thường (không phải loại điện trở nhiệt) làm việc, nhiêt độ tăng lên 10C trị số điện trở chúng tăng khoảng 0,2% 1.1.3 Phương thức đấu nối: a Mắc điện trở nối tiếp: - Khái niệm: Mắc điện trở nối tiếp cách nối điện trở liên tiếp điểm cuối điện trở nối với điểm đầu điện trở tạo thành vòng khép kín với nguồn điện - Sơ đồ đấu nối: Hình 1.1: Điện trở mắc nối tiếp mạch - Các đặc trưng: + Các điện trở mắc nối tiếp tương đương với điện trở có giá trị tổng điện trở thành phần Rtđ = R1 + R2 + R3 + + Rn + Dòng điện chạy qua điện trở mắc nối tiếp có giá trị I I = IR1 = IR2 = = IRn = ( U1 / R1) = ( U2 / R2) = .= (Un / Rn) + Từ công thức ta thấy rằng, sụt áp điện trở mắc nối tiếp tỷ lệ thuận với giá trị điện trở tương ứng b Mắc điện trở song song: - Khái niệm: Mắc điện trở song song cách nối tất đầuđầu điện trở nối chung với nhau, tất đầu-cuối điện trở nối chung với nối với nguồn điện - Sơ đồ đấu nối Hình 1.2: Điện trở mắc song song mạch - Các đặc trưng: + Các điện trở mắc song song tương đương với điện trở có giá trị nghịch đảo tổng nghịch đảo điện trở thành phần (1 / Rtđ) = (1 / R1) + (1 / R2) + (1 / R3) + .+ (1 / Rn) + Nếu mạch có điện trở song song Rtđ = R1.R2 / ( R1 + R2) + Điện áp điện trở mắc song song UR1 = UR2 = .= URn = U +Dòng điện chạy qua điện trở mắc song song tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở I1 = ( U / R1) , I2 = ( U / R2) , , In = ( U / Rn ) c Mắc điện trở hỗn hợp: - Khái niệm: Mắc điện trở hỗn hợp cách nối phối hợp cách mắc nối tiếp cách mắc song song - Mạch đấu nối: Hình 1.3: Điện trở mắc hỗn hợp mạch - Các đặc trưng: + Điện trở tương đương toàn mạch xác định kết hợp theo công thức tính hai trường hợp nối tiếp song song + Mắc hỗn hợp cho phép tạo giá trị điện trở theo tính toán mong muốn cách mắc tối ưu hay sử dụng thực tế - Ví dụ: ta cần điện trở 9KΩ ta mắc song song điện trở 15K sau mắc nối tiếp với điện trở 1,5KΩ 1.2 Các loại điện trở, cấu tạo ký hiệu: 1.2.1 Các loại điện trở ký hiệu a Theo mục đích sử dụng: * Điện trở cố định: - Là loại điện trở có trị số cố định thay đổi trình sử dụng - Loại chia có tên gọi khác + Điện trở cấp độ xác trung bình + Điện trở cấp độ xác cao + Điện trở công suất Hình 1.4: Ký hiệu điện trở, giá trị công suất điện trở * Điện trở có trị số thay đổi - Biến trở: Là loại điện trở có trị số thay đổi Hình 1.5: Ký hiệu, cấu tạo, hình dạng biến trở 10 - Nhiệt điện trở (Thermistor): Là loại điện trở mà trị số thay đổi theo nhiệt độ Loại có hai loại + Nhiệt trở dương (PTC - Positive Temperature Coefficient) + Nhiệt trở âm (NTC - Negative Temperature Coefficient) - Quang điện trở (Photoresistor): Là loại điện trở mà trị số thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào (LDR = Light Dependent Resistor) Hình 1.6: Ký hiệu, hình dáng quang điện trở b Theo cấu tạo điện trở: - Điện trở than: Người ta trộn bột than bột đất sét theo tỷ lệ định trị số khác Sau đó, người ta ép lại cho vào ống Bakelite Dùng hai miếng kim loại ép sát vào hai đầu có hai dây hàn vào để làm chân điện trở, bọc kim loại bên để giữ cấu trúc bên đồng thời chống cọ sát ẩm Ngoài người ta sơn vòng màu để ghi trị số điện trở Loại điện trở dễ chế tạo, độ xác tốt, loại rẻ tiền thông dụng - Điện trở dây quấn: Dây làm hợp kim NiCr quấn lõi cách điện amiăng, đất nung, sành, sứ Bên phủ lớp nhựa cứng lớp sơn cách điện Để giảm tối thiểu hệ số tự cảm L dây quấn, người ta quấn 1/2 số vòng theo chiều thuận 1/2 số vòng theo chiều ngược + Điện trở dây quấn phụ thuộc vào chất liệu, độ dài tiết diện dây, tính theo công thức sau: R = ρ.L / S Trong đó: + ρ điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu làm điện trở (Ω.m) + L chiều dài dây dẫn (m) + S tiết diện dây dẫn (m2) + R điện trở đơn vị Ohm (Ω) 1.3 Qui cách đóng vỏ ghi nhãn: 1.3.1 Ghi trực tiếp: - Trên thân linh kiện, người ta ghi trị số linh kiện trực tiếp số với đơn vị điện trở Ω, kΩ, MΩ - Ví dụ: Ghi 100 - đọc 100Ω Ghi 15K - đọc 15kΩ Ghi 1M - đọc 1MΩ 62 (do cảm ứng tĩnh điện) hình thành kênh dẫn điện nối liền hai cực máng nguồn Độ dẫn kênh tăng theo giá trị U GS dòng điện cực máng ID tăng Như MOSFET loại kênh cảm ứng làm việc với loại cực tính UGS chế độ làm giầu kênh + Biểu diễn quan hệ hàm ID= f4(UDS), lấy với giá trị UGS khác nhau, ta có họ đặc tuyến MOSFET kênh n cảm ứng hình - Từ họ đặc tuyến MOSFET với hai loại kênh đặt sẵn kênh cảm ứng giống đặc tuyến JFET xét, thấy rõ có vùng phân biệt : vùng gần gốc ID tăng tuyến tính theo UDS phụ thuộc vào UGS, vùng bão hòa (vùng thắt) lúc ID phụ thuộc mạnh vào U GS, phụ thuộc yếu vào UDS vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị lớn - Giải thích vật lí chi tiết trình điều chế kênh dẫn điện điện áp UGS UDS cho phép dẫn tới kết luận tương tự JFET Bên cạnh tượng điều chế độ dẫn điện kênh tượng mở rộng vùng nghèo tiếp giáp p-n cực máng - đế tăng đần điện áp U DS Điều làm kênh dẫn có tiết diện hẹp dần từ cực nguồn tới cực máng bị thắt lai điểm ứng với điểm uốn ranh giới hai vùng tuyến tính bão hòa đặc tuyến Điện áp tương ứng với điểm gọi điện áp bão hòa U DSO (hay điện áp thắt kênh) THỰC HÀNH, BÀI TẬP: 9.1 Nhận dạng loại Diode bán dẫn thông dụng, đo kiểm tra xác định chất lượng diode 9.2 Nhận dạng loại transistor BJT, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor BJT đặc trưng thường dùng 9.3 Nhận dạng loại transistor FET, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor FET đặc trưng thường dùng 9.4 Nhận dạng loại transistor MOSFET, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor MOSFET đặc trưng thường dùng 10 CÂU HỎI ÔNG TẬP VÀ BAÌ TẬP: 10.1 Hãy phân biệt loại chất bán dẫn điện thường gặp: chất bán dẫn điện khiết, chất bán dẫn điện tạp chất loại N chất bán dẫn điện tạp chất loại P mặt: - Đồ thị vùng lượng - Cấu trúc tinh thể - Tính dẫn điện 10.2 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp cho tiếp xúc miếng bán dẫn khác loại N P tiếp xúc với 10.3 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp mắc điện áp phân cực thuận cho lớp tiếp giáp p - n 63 10.4 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp mắc điện áp phân cực ngược cho lớp tiếp giáp p - n Kết luận tính chất van hệ thống mặt ghép p - n 10.5 Vẽ cấu trúc, ký hiệu ốt nắn điện, giải thích nguyên lý làm việc ốt 10.6 Ghi nhớ ký hiệu, chất vật lý loại ốt thông dụng Ghi nhớ hình dạng đặc tuyến V - A ốt đơn vị hệ trục tọa độ 10.7 Các nhận xét quan trọng rút rừ đặc tuyến Von - Ampe ốt gì? Qua cần lưu ý tính chất thực tế để sử dụng tốt 10.8 Trong mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng ốt bán dẫn Giải thích chế độ làm việc ốt có tụ lọc C mắc song song với tải R? Khi giá trị C tăng lên thời gian dẫn dòng điện ốt tăng lên hay giảm đi? Giải thích 10.9 Giải thích nguyên lý mạch ổn áp dùng ốt Zener mắc phối hợp với điện trở đóng vai trò điều chỉnh 10.10 Ghi nhớ cấu trúc bán dẫn bản, ký hiệu loại Transistor BJT p – n - p n – p - n 10.11 Ghi nhớ phân cực nguồn cấp cho cực Transistor BJT cho hai loại p – n - p n – p - n Giải thích tổng quát nguyên lý làm việc chúng 10.12 Ghi nhớ đặc điểm kiểu mắc BJT theo điện áp vào, điện áp Phân biệt chế độ làm việc BJT mạch điện đặc điểm tín hiệu vào/ra? 10.13 Nêu ý nghĩa việc phân cực cho BJT Nêu đặc điểm mạch kiểu phân cực 10.14 Nêu khái niệm chế độ khóa, đặc điểm dòng điện điện áp Transistor chế độ khóa 10.15 Phân biệt khác mặt cấu tạo BJT JFET Ghi nhớ ký hiệu JFET kênh N kênh P 10.16 Các nhận xét quan trọng rút từ đặc tuyến ra, đặc tuyến truyền đạt JFET gì? 10.17 Phân biệt giống khác mặt cấu tạo JFET với MOSFET Ghi nhớ ký hiệu MOSFET kênh N, kênh P, kênh đặt sẵn, kênh cảm ứng 10.18 Các nhận xét quan trọng rút từ đặc tuyến MOSFET gì? 64 CHƯƠNG 3: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÁN DẪN TÍCH HỢP (IC) Mã chương: MH18 – 03 Mục tiêu: - Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính chất, qui cách đóng vỏ ghi nhãn linh kiện bán dẫn tích hợp (IC) số ứng dụng bản; - Có lòng yêu nghề, say mê tìm hiểu kiến thức lĩnh vực điện tử CẤU TẠO VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA IC TUYẾN TÍNH: 1.1 Khái niệm: Khái niệm tổng quát, IC (Intergated - Circuit) mạch điện tử thực chức nhiều chức theo mục đích người, thu nhỏ tối đa mặt thể tích, có điện cực đưa để kết nối bên (chân IC) đóng vỏ theo qui chuẩn kỹ thuật IC tuyến tính IC chế độ làm việc, mối quan hệ dòng điện, điện áp đưa với dòng điện điện áp vào biểu thị theo qui luật tuyến tính (đồ thị quan hệ đường chéo thẳng hệ trục tọa độ) 1.2 Cấu tạo chung: - IC có cấu trúc điển hình bao gồm tầng mạch chủ yếu là: Tầng mạch đầu vào, tầng mạch khuếch đại điện áp tầng mạch khuếch đại công suất - Tầng đầu vào thường mạch khuếch đại vi sai (Khuếch đại sai lệch nhỏ điện áp tín hiệu đầu vào) có tải động phần tử nguồn dòng ổn định cỡ 20µA - Tầng khuếch đại điện áp kiểu phức hợp mắc theo sơ đồ Darlington có tải động - Tầng khuếch đại công suất đầu thường mắc theo kiểu đẩy kéo có độ ổn định cao Uv Mạch vào Mạch khuếch đại điện áp Mạch khuếch đại công suất Ur Hình 3.1: Cấu trúc IC tuyến tính 1.3 Các thông số bản: 1.3.1 Hệ số khuếch đại điện áp lúc hở mạch (không chứa mạch hồi tiếp âm): Ta có: A0 = Ur / Uv Đây giá trị tương đối lớn IC tuyến tính - Với IC µA 741, giá trị A0 = 200.000 lần - Uv giá trị điện áp vi sai đặt gữa cổng vào P N Uv = UP – UN Tùy theo giá trị điện áp UP UN mà giá trị UV có giá trị dương hay âm + Nếu UP > UN , UV > 0, điện áp đưa Ur > 65 + Nếu UP < UN , UV < 0, điện áp đưa Ur < - Như vậy, IC khuếch đại thành phần điện áp vi sai cổng vào, thành phần dấu không khuếch đại mà làm bị yếu với mức độ tương đương Ta gọi tính chất nén đồng pha IC tuyến tính 1.3.2 Giá trị bão hòa: Ta có quan hệ điện áp ra/vào Ur = A0.Uv thể vùng Uv có biên độ nhỏ Khi biên độ U v tăng, Ur không tăng theo mà giữ giá trị giới hạn dương mức cố định U max gọi mức bão hòa dương hay giới hạn âm mức cố định U gọi mức bão hòa âm Giá trị U max, Umin phụ thuộc vào giá trị nguồn chiều ± UCC cung cấp cho IC thường thấp giá trị nguồn khoảng vài vôn 1.3.3 Sai số: Với IC lý tưởng, dòng điện vào chiều lối vào P N trở kháng vào vô lớn, thực tế tồn dòng sai số Giá trị dòng sai số I+B hay I-B thường từ 10-7A -:- 10-9A tùy thuộc chất lượng IC 1.3.4 Đặc tuyến tần số IC: Hệ số truyền đạt A0 phụ thuộc vào tần số công tác, mối quan hệ biểu thị đồ thị gọi đặc tuyến tần số IC Qua đồ thị đặc tuyến tần số, ta thấy tần số tăng, hệ số khuếch đại A giảm với tốc độ tiêu chuẩn 20dB/decac đạt tới giá trị tần số khuếch đại đơn vị fT = MHz Hình 3.2: Đặc tuyến tần số khuếch đại thuật toán KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN: 2.1 Khái quát chung: Danh từ “khuếch đại thuật toán” (OA - Operational Amplifier) thuộc khuếch đại dòng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép toán cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện khuếch đại thuật toán (tồn dạng IC khuếch đại thuật toán) đóng vai trò quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực v.v… 66 Hình 3.3:Ký hiệu qui ước khuếch đại thuật toán Kí hiệu quy ước khuếch đại thuật toán (OA) cho hình: - Có hai đầu vào UP (hay Uv+ ; Uvk) gọi đầu vào không đảo đầu vào thứ hai UN (hay Uv- ; Uvđ) gọi đầu vào đảo - Nguồn nuôi cho khuếch đại thuật toán nguồn nuôi lưỡng cực với +UDD -UCC Cũng dùng nguồn đơn cực cấp cho KĐTT, đầu -U CC nối với đất (GND) - Hiệu tín hiệu hai lối vào U D = UP - UN gọi điện áp vi sai - Mạch hoạt động với tín hiệu vào U P UN Khi có tín hiệu vào đầu vào không đảo điện áp tín hiệu dấu (cùng pha) với tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo điện áp tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với tín hiệu vào Đầu vào đảo thường dùng để thực hồi tiếp âm bên vào cho OA - Để đơn giản, sơ đồ người ta thường ký hiệu KĐTT với đầu vào đầu cho tín hiệu - Đặc điểm KĐTT có hệ số khuếch đại vi sai A D lớn (thường AD ≈ 105 -:- 106) điện trở vào vi sai lớn, thường từ 10MΩ -:- 100MΩ với loại dùng transistor BJT, với loại MOSFET vào khoảng 1012 Ω -:- 1013 Ω - Điện trở có trị số nhỏ, vào khoảng 100Ω -:- 1kΩ - Dòng chảy vào lối vào đầu vào vi sai P N nhỏ coi = Hình 3.4: Đặc tuến truyền đạt IC khuếch đại thuật toán - Đường đặc tính truyền đạt KĐTT biểu thị hình vẽ với hai vùng làm việc rõ ràng: + Vùng tuyến tính: ứng với giá trị UD nhỏ đó: Ura = AD.UD + Vùng bão hòa ứng với UD có trị số khoảng từ vài chục µA trở lên Lúc đó, Ura vùng bão hòa có giá trị không đổi: Ura = ± Ubh ; ±Ubh = UCC - (2-:-3)V 67 - Một số kiểu IC KĐTT cho hình vẽ Hình 3.5: Một số kiểu IC khuếch đại thuật toán 2.2 Khuếch đại không đảo: - Mạch điện: Hình 3.6: Khuếch đại đảo dùng IC KĐTT - Bộ khuếch đại đảo cho hình có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1 đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lý tưởng điện trở vào vô lớn Rv → ∞, dòng vào OA vô bé I = 0, nút N có phương trình nút dòng điện: Iv ≈ Iht Từ ta có : - Khi K→∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → , vậy: Uv / R1 = -Ur / Uht - Do hệ số khuếch đại điện áp K đ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song xác định tham số phần tử thụ động sơ đồ : Kđ = Ur/ = - Rht / R1 Nếu chọn Rht = R1, Kđ = -1, sơ đồ có tính chất tầng đảo lặp lạ i điện áp (đảotín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv ≈ Iht ta có Iv = - Ura / Rht hay Ura = -Iv.Rht tức điện áp tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp) Vì U0 → nên Rv = R1, K → ∞ Rr = 2.3 Khuếch đại đảo: - Mạch điện: (Hình 3.7) 68 Hình 3.7: Khuếch đại không đảo dùng IC KĐTT - Bộ khuếch đại không đảo gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo, tín hiệu đặt tới đầu vào không đảo OA - Vì điện áp đầu vào OA (U = 0) nên quan hệ Uv Ur xác định bởi: - Lưu ý đến vị trí lối vào lối tức thay Ura Uvào ngược lại sơ đồ (hình 3.7a), ta có suy giảm điện áp: - Khi Rht = R1 = ∞ ta có sơ đồ lặp lại điện áp (hình 3.7b) với K k = Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trở vào OA theo đầu vào đảo lớn, điện trở Rr → 2.4 Một số ứng dụng bản: 2.4.1 Mạch cộng đảo: Hình 3.8: Mạch cộng đảo - Sơ đồ hình vẽ có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cần cộng - Coi điện trở : Rht = R1 = R2 = … = Rn < Rv 69 - Biểu thức điện áp đầu ra: + Ta có: Rht = R1 = R2 = … = Rn < Rv + Khi IV = Iht = I1 + I2 + + In + Hay ta có: - Công thức phản ánh tham gia giống số hạng tổng Tổng quát: 2.4.2 Mạch cộng không đảo: Hình 3.9: Mạch cộng không đảo - Sơ đồ nguyên lý mạch cộng không đảo vẽ hình Khi U = 0, điện áp hai đầu vào bằng: - Khi dòng vào đầu không đảo không (Rv = ), ta có: - Chọn tham số sơ đồ thích hợp có thừa số vế phải công thức 70 IC SỐ VÀ CÁC CỔNG LOGIC CƠ BẢN: 3.1 Tổng quan IC số: 3.1.1 Khái quát chung: - IC số vi mạch tổ hợp làm việc với tín hiệu số (Digital), tức tín hiệu vào IC số tín hiệu xung số điện áp, dòng điện - IC số ứng dụng rộng rãi mạch điện số, thiết bị số đảm nhận chức từ đơn giản đến phức tạp trình xử lý tín hiệu số, trình điều khiển, trình đo lường, thu thập thông tin v.v - Cũng IC tương tự, IC số tồn với nhiều kiểu dáng, nhiều kích thước, nhiều chất liệu vỏ bên Hình 3.10: Hình dạng qui cách đóng vỏ số IC số 3.1.2 Những đặc trưng kỹ thuật IC số: a IC số họ TTL: Họ TTL họ có cấu trúc bên transitor lưỡng cực (BJT) * Nguồn nuôi: - Vcc = + 5V - GND: điện nối đất, nối với cực âm nguồn điện (có điện áp 0V) * Mức điện áp: Là mức điện áp qui định cho tín hiệu số nhị phân tương ứng với mức logic ‘logic ’ ‘logic 1’ Để mạch số làm việc bình thường người ta 71 cần phải định tiêu chuẩn điện áp cho mức logic phân biệt trường hợp tín hiệu vào tín hiệu - Điện áp vào trạng thái thấp (VIL ): VIL = Vmax = 0,8V - Điện áp vào trạng thái cao (VIH ): VIH =Vmin = 2.7V - Điện áp trạng thái thấp (VOL ): VOL =Vmax = 0.5V - Điện áp trạng thái cao (VOH ): VOH =Vmin = 3.4V * Thời gian trễ trung bình (tpd): Là khoảng thời gian chênh lệch thời điểm xuất tín hiệu đầu so với thời điểm tín hiệu đưa vào đầu vào (không phân biệt chuyển mức logic) * Công suất tiêu tán (Pd): Là công suất tổn hao phần tử bên IC * Tải vào, tải (Fan in, Fan out): Đánh giá khả lối vào, lối IC nối tối đa đường vào, đường sở đảm bảo IC làm việc bình thường * Nhiệt độ môi trường làm việc: Là khoảng nhiệt độ cho phép môi trường xung quanh IC mà đảm bảo IC làm việc bình thường * Mã số qui định ghi IC: Mã số IC thường chia làm nhóm mã: 1- Biểu thị hãng(công ty) sản xuất: Ví dụ: SN : C.ty Texas MC: C.ty Môtorola HD: C.ty Hitachi CT: Các C.ty Trung quốc 2- Biểu thị phạm vi nhiệt độ: Ví dụ: 74: -:- +700C 54: -55-:- 1250C 3- Biểu thị hệ: Ví dụ: Không ghi: Hệ tiêu chuẩn H: Hệ tốc độ cao S: Hệ Schottky AS: Hệ Schottky tiên tiến L: Hệ công suất tiêu hao thấp LS: Hệ Schottky công suất tiêu hao thấp 72 ALS: Hệ Schottky công suất tiêu hao thấp tiên tiến 4- Biểu thi chức năng: Ví dụ: 00  IC cổng NAND đầu vào 02  IC cổng NOR đầu vào 5- Biểu thị qui cách đóng vỏ vật liệu Ví dụ: J: hàng vuông góc vỏ gốm N: hàng vuông góc vỏ plastic (nhựa) W: Kiểu dẹt vỏ gốm T: Kiểu dẹt vỏ kim loại b/ IC số họ CMOS: Họ CMOS họ có cấu trúc bên transitor trường MOSFET (PMOS NMOS) * Các loại hình IC số họ CMOS: - IC CMOS loại tiêu chuẩn: Gồm hệ tiêu biểu + Hệ 4000B (Tiêu biểu hệ CD 4000 công ty RCA – công ty vô tuyến điện Mỹ) + Hệ 4500B (Tiêu biểu hệ MC14500 hãng Môtorola) - IC CMOS loại tốc độ cao: + Hệ 40H - IC CMOS loại tốc độ cao mới: + Hệ 74HC4000 (cấu trúc chân giống CD 4000 RCA) + Hệ 74HC4500 (cấu trúc chân giống MC14500 Motorola) + Hệ 74HCxxx (cấu trúc chân giống họ TTL 74) + Hệ 74ACxxx 4000B Họ Các Tham số Điện áp việc Nhiệt độ việc Mức điện áp làm (3-:-18)V làm VIL VIH VOL VOH 4500B 40H 74HC 74AC (3-:-15)V (2-:-8)V (2-:-6)V (2-:-5,5)V (-40-:+85)oC 1Vmax 3,5Vmin 0.1Vmax 4,9Vmin (-40-:+85)oC 1,35Vmax 3,15Vmin 0,1Vmax 4,9Vmin (-40-:(-40-:(-40-:o o +85) C +85) C +85)oC 1,5Vmax 1,5Vmax 1Vmax 3,5Vmin 3,5Vmin 4Vmin 0,05Vmax 0,05Vmax 0,05Vmax 4,95Vmin 4,95Vmin 4,95Vmin Bảng 3.1: Bảng thông số IC số họ CMOS 3.2 Các cổng logic bản: 73 3.2.1 Cổng NOT: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép phủ định logic Hình 3.11: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng NOT b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu đầu vào mạch có tín hiệu (logic1) đầu tín hiệu (logic0) ngược lại d Bảng chân lý: 3.2.2 Cổng OR: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép cộng logic Y = x + x2 Hình 3.12: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng OR b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu hai đầu vào hai có tín hiệu (logic1) lối có tín hiệu Còn hai đầu vào tín hiệu lối tín hiệu (logic0) d Bảng chân lý: 3.2.3 Cổng AND: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép nhân logic Y = x 1.x2 74 Hình 3.13: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng AND b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu hai đầu vào có tín hiệu (logic1) lối có tín hiệu Còn hai đầu vào hai tín hiệu (logic0) lối tín hiệu d Bảng chân lý: 3.2.4 Cổng NOR: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép tính logic Hình 3.14: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng NOR b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu hai đầu vào tín hiệu (logic0) lối có tín hiệu Còn hai đầu vào hai có tín hiệu (logic1) lối tín hiệu d Bảng chân lý: 3.2.5 Cổng NAN: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép tính logic Hình 3.15: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng NAND b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu hai đầu vào hai tín hiệu (logic0) lối có tín hiệu Còn hai đầu vào có tín hiệu (logic1) lối tín hiệu d Bảng chân lý: 3.2.6 Cổng EX – OR: a Khái miệm: Là mạch thực chức phép tính logic 75 Hình 3.16: Ký hiệu, bảng chân lý, cấu trúc IC cổng EX-OR b Ký hiệu: c Hoạt động: Nếu hai đầu vào có trạng thái tín hiệu đầu tín hiệu (logic0) Còn hai đầu vào khác trạng thái tín hiệu đầu có tín hiệu (logic1) d Bảng chân lý: THỰC HÀNH, BÀI TẬP: 4.1 Thực hành nhận biết số IC tuyến tính thông dụng thực tế hình dáng, qui cách đóng vỏ, số lượng cách bố trí chân chúng 4.2 Thực hành nhận biết số IC khuếch đại thuật toán (OA) thông dụng thực tế hình dáng, qui cách đóng vỏ, số lượng và cách bố trí chân chủng loại 4.3 Thực hành nhận biết số IC số chứa đựng mạch cổng logic thông dụng thực tế hình dáng, qui cách đóng vỏ, mã số ghi thân IC CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP: 5.1 Ký hiệu, chức đầu vào ra, đặc điểm hoạt động khuếch đại thuật toán tín hiệu vào/ra, hệ số khuếch đại, đặc tuyến truyền đạt 5.2 Mạch khuếch đại thuật toán chế độ không đảo Viết biểu thức tính hệ số khuếch đại biện luận giá trị điện trở mắc 5.3 Mạch khuếch đại thuật toán chế độ đảo Viết biểu thức tính hệ số khuếch đại biện luận giá trị điện trở mắc 5.4 Vẽ ký hiệu, viết biểu thức logic cổng logic tương ứng với ký hiệu 5.5 Xây dựng bảng chân lý cổng logic bản, sở giải thích hoạt động chúng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Minh Trí – Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn – NXB Sở giáo dục thành phố Hồ Chí Minh – 1989 [2] Đại học Thanh hoa Bắc Kinh – Cơ sở kỹ thuật điện tử số (bản dịch Vũ Đức Thọ) - NXB giáo dục – 1998 76 [3] Đỗ Xuân Thụ - Kỹ thuật điện tử - NXB Đại học giáo dục chuyên nghiệp – 1990 [4] H.Schreiber – Kỹ thuật điện tử qua sơ đồ (bản dịch Lê Văn Doanh) – NXB Khoa học kỹ thuật – 1997 [5] Lương Ngọc Hải – Giáo trình kỹ thuạt xung số - NXB Giáo dục – 2005 [6] Nguyễn Viết Nguyên - Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng – NXB Giáo dục – 2002 [7] R.H.Warring – Linh kiện điện tử cho người thiết kế mạch (bản dịch Đoàn Thanh Huệ) – NXB Thống kê – 1996 [8] Võ Thạch Sơn – Linh kiện bán dẫn vi điện tử - NXB Khoa học kỹ thuật – 2001 ... MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã môn học: MH 18 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trò môn học: + Chương trình môn học Kỹ thuật điện tử đưa vào sau học sinh học môn học: "Cơ sở kỹ thuật điện" để chuẩn... điện vật dẫn điện, vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ, vật dẫn điện điện trở lớn, vật cách điện điện trở vô lớn - Điện trở linh kiện sử dụng mạch điện đóng vai trò phần tử cản trở dòng điện nhằm tạo... nguyên tử P liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho có điện tử tham gia liên kết dư điện tử trở thành điện tử tự (mang điện âm) => Chất bán dẫn lúc trở thành thừa điện