bài giảng kỹ thuật điện tử

Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yªn Mục lục Chương I: Linh kiện thụ động I.Điện trở - Định nghĩa ký hiệu .3 - Các tham số kỹ thuật đặc trưng cho điện trở - Cách ghi đọc tham số thân điện trở………… Các kiểu mắc điện trở…………… - Phân loại ứng dụng điện trở II Tụ điện 12 Ký hiệu cấu tạo tụ điện…………… 12 Các tham số tụ điện…… 14 Cách ghi đọc tham số tụ điện…… 16 Các kiểu ghép tụ…… .18 Phân loại tụ điện 19 Các ứng dụng tụ điện…… 23 III Cuộn cảm 24 Cấu tạo ký hiệu cuộn dây……… .25 Các tham số cuộn dây… 26 Các cách ghép cuộn dây …… 28 Phân loại ứng dụng cuộn dây…… 28 IV Biến áp 31 Ký hiệu cấu tạo biến áp………… 31 Nguyên tắc hoạt động máy biến áp………… 32 Các tỉ lệ biến áp…………… 32 Phân loại ứng dụng biến áp 34 Chương II Linh kiện tích cực I Vật liệu bán dẫn 36 Định nghĩa tính chất 36 Bán dẫn (bán dẫn nguyên tính)…… 36 Bán dẫn pha tạp (bán dẫn ngoại tính)………… 37 II Diode……… 39 Cấu tạo ký hiệu…… 39 Nguyên tắc làm việc, đặc tuyến Von-ampe diode……… 39 Sơ đồ tương đương diode………… 41 Phân loại ứng dụng diode ………… 41 III Transistor lưỡng cực - BJT 44 Kü tht ®iƯn tư Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuËt Hng Yªn Cấu tạo ký hiệu BJT Nguyên tắc làm việc transistor chế độ tích cực…… 47 Transistor làm việc khoá điện tử 48 Phân cực định điểm làm việc cho Transistor 50 Các sơ đồ phân cực cho transistor 51 IV Transistor hiệu ứng trường – FET 52 Khái niệm chung 52 Transistor trường điều khiển tiếp xúc P - N (JFET) 54 Transistor trường loại MOSFET… 56 V Một số loại linh kiện tích cực khác…… 59 Chương III Vi mạch tích hợp vμ khuếch đại thuật tốn I Vi mạch tích hợp 67 Định nghĩa phân loại vi mạch…………… 67 Phân loại theo công nghệ chế tạo…………… 68 II Khuếch đại thuật toán… 69 Ký hiệu cấu tạo 70 Các thơng số KĐTT 71 Các sơ đồ mắc KĐTT 74 Bài tập………………………………………………………………………… 78 Chương IV Kỹ thuật số I Khái niệm 82 Các hệ đếm thông dụng… 82 Chuyển đổi hệ đếm khác 83 Mã hoá hệ số 10…… 84 Các loại mạch số ……………………………………………………………86 II.Đạisố Boolean 87 Mở đầu 87 Một số tiên đề định lý đại số logic… ………… 87 Phương pháp biểu diễn hàm logic………… 88 III Các hàm logic sơ cấp…… 90 IV Các phương pháp tối thiểu hoá hàm logic………………………………….92 Phương pháp đại số……………………………………………………… 92 Phương pháp bảng Karnaugh………………………………….………… 93 V Các họ vi mạch Mở đầu………………………………….……………………………………97 Đặc điểm chung vi mạch logic…………………………………… 97 Họ logic RTL (Resistor-Transistor-Logic)……………………………… 100 Họ TTL (Transistor – Transistor - Logic)…………………………………… 101 Họ CMOS (Complementary – Metal – Oxyde - Semiconductor) ………….102 Giao diện CMOS v TTL 104 Kỹ thuật điện tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yªn VI Các mạch logic tổ hợp Phương pháp thiết kế mạch logic tổ hợp……………………………….105 Các mạch logic tổ hợp thường gặp ……………………………………… 106 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 123 Chương I Linh kiện thụ động Dẫn nhập: Trạng thái điện phần tử thể qua hai thông số trạng thái điện áp u hai đầu dòng điện i chảy qua nó, phần tử tự tạo thơng số gọi phần tử tích cực (có thể đóng vai trò nguεn điện áp hay nguεn dòng điện) Ngược lại, phần tử khơng tự tạo điện áp hay dòng điện cần phải nuôi từ nguεn sức điện động bên ngồi Người ta gọi phần tử thụ động, cụ thể mạch điện thiết bị điện tử điện trở, tụ điện cuộn dây Chương đề cập đến số tính chất quan trọng loại linh kiện I Điện trở - Khái niệm a - Định nghĩa Điện trở linh kiện dùng để ngăn cản dòng điện mạch Nói cách khác điều khiển mức dòng điện áp mạch Để đạt giá trị dòng điện mong muốn điểm mạch điện hay giá trị điện áp mong muốn hai điểm mạch người ta phải dùng điện trở có giá trị thích hợp Tác dụng điện trở không khác mạch điện chiều mạch xoay chiều, nghĩa chế độ làm việc điện trở không phụ thuộc vào tần số tín hiệu tác động lên Hầu hết điện trở làm từ chất cách điện có mặt hầu khắp mạch điện Có thể xác định giá trị điện trở theo định luật Ohm sau: Trong chế độ tĩnh: Trong chế độ tín hiệu nhỏ: gọi điện trở vi phân Các giá trị R thường : mΩ, Ω ,kΩ , MΩ ,GΩ Điện trở dẫn dòng chiều xoay chiều Điện áp dòng điện pha b - Ký hiệu điện trở mạch điện (Hình 1-1) Kỹ thuật điện tử Hỡnh 1-1 Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên Hình dáng thực tế điện trở (Hình 1-2) - Các tham số kỹ thuật đặc trưng cho điện trở Hình 1-2 c- Cấu trúc điện trở Điện trở nhiều dạng, kết cấu khác tuỳ thuộc vào loại biểu diễn theo cấu trúc cách tổng quát hình 1-3 Hình 1-3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở Khi sử dụng điện trở cần quan tâm tham số: giá trị điện trở tính Ohm (Ω); sai số hay dung sai mức thay đổi tương đối giá trị thực so với giá trị sản xuất danh định sản xuất ghi tính theo phần trăm (%); cơng suất tối đa cho phép tính oat (W) tham số đặc điểm cấu tạo loại vật liệu dùng để chế tạo điện trở a - Trị số điện trở dung sai Trị số điện trở tham số bản, yêu cầu trị số thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, thời gian… Nó đặc trưng cho khả cản điện điện trở Trị số điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, kích thước điện trở nhiệt độ mơi trường Cơng thức: Trong đó: Kü tht điện tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên : in tr sut ca vật liệu cản điện tính [Ω m] l: chiều dài dây dẫn tính [m] S: tiết diện dây dẫn tính [m2] Dung sai (sai số) biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế điện trở so với trị số danh định tính theo % Dung sai tính bằng: Với Rtt Rdd giá trị điện trở thực tế danh định Dựa vào người ta sản xuất điện trở theo cấp xác: - Cấp 0.05: có sai số ± 0.5% cấp 001: Có sai số ± 0.1% dùng mạch yêu cầu độ xác cao - Cấp I: Có sai số ± 5%; cấp II: Có sai số ± 10% cấp III: Có sai số ± 20% dùng kỹ thuật mạch điện tử thông thường b - Công suất tiêu tán cho phép (Ptt max) Khi có dòng điện chạy qua điện trở tiêu tán lượng điện dạng nhiệt, với công suất là: Tuỳ theo vật liệu cản điện dùng mà điện trở chịu tới nhiệt độ Vì số W thơng số cho biết khả chịu nhiệt điện trở Công suất tiêu tán cho phép công suất điện cao mà điện trở chịu đựng được, q ngưỡng điện trở nóng lên bị cháy Để điện trở làm việc bình thường thì: Pttt < Pttmax Thơng thường người ta chọn công suất điện trở theo công thức: PR ≥ 2Ptt Trong hệ số an tồn Trường hợp đặc biệt chọn hệ số an tồn lớn Điện trở than có cơng suất tiêu tán thấp khoảng 0.125; 0.25; 0.5;1.2W Điện trở dây quấn có cơng suất tiêu tán từ 1W trở lên cơng suất lớn u cầu điện trở có kích thước to (để tăng khả toả nhiệt) Trong tất mạch điện, khu vực cấp nguεn tập trung dòng mạnh nên điện trở phải có kích thước lớn Ngược lại, khu vực xử lý tín hiệu, nơi có dòng yếu nên điện trở có kích thước nhỏ bé c - Hệ số nhiệt điện trở: TCR Kü tht ®iƯn tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kü thuËt Hng Yªn Hệ số nhiệt điện trở biểu thị thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ mơi trường tính theo cơng thức: ∆R: Lượng thay đổi trị số điện trở nhiệt độ thay đổi lượng ∆T TCR trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu điện trở 0C, có giá trị bé tức độ ổn định nhiệt cao Điện trở than loại điện trở làm việc ổn định nhiệt độ 20 0C Khi nhiệt độ tăng hay giảm trị số điện trở than tăng Điện trở dây quấn thay đổi trị số theo nhiệt độ chất dẫn điện thông thường , nghĩa trị số tăng giảm theo nhiệt độ Có thể tính thay đổi trị số điện trở theo TCR ∆T sau: Nhận xét: Như TCR có giá trị nhỏ tốt Để TCR giảm thường dùng vật liệu cản điện có ρ ≈ 0.5 µΩm có hệ số nhiệt điện trở suất nhỏ bột than nén, màng than tinh thể, màng kim loại, màng ốit kim loại, … Cách ghi đọc tham số thân điện trở Trên thân điện trở thường ghi tham số đặc trưng để tiện cho người sử dụng (theo qui ước) trị số, dung sai, công suất tiêu tán a- Cách ghi trực tiếp Nếu kích thước điện trở đủ lớn ghi đầy đủ thơng số lên thân điện trở Ví dụ: 270K 1W (điện trở có trị số 270Ω, sai số 10%, cơng suất 1W) b - Ghi theo qui ước Không ghi đơn vị Ohm Quy ước sau: + Các chữ biểu thị đơn vị: R (hoặc E) = Ω; M = MΩ; K = KΩ Ví dụ: 6R8 = 6.8Ω R3 = 0.3Ω K47 = 0.47KΩ 150 = 150Ω + Vị trí chữ biểu thị dấu thập phân Ví dụ: 2M2 = 2.2MΩ 4R7 = 4E7 = 4.7Ω 332R = 33.100 Ω + Chữ số cuối biểu thị hệ số nhân Gồm số để thị trị số (chữ số cuối hệ số nhân hay số số thêm vào) chữ để % dung sai F = 1%; G = 2%; J = 5%; K = 10%; M =20% Ví dụ: 681J = 680Ω Kỹ thuật điện tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên 153K = 15000 10% 4703G = 470 KΩ 2% + Qui ước mầu Khi điện trở có kích thước nhỏ (ví dụ điện trở than) người ta khơng thể ghi số chữ lên Người ta sử dụng vạch mầu để ghi tham số Có loại vòng mầu loại mầu mầu (hình 1-4) - vòng mầu Hai vòng đầu số có nghĩa thực Vòng ba số số thêm vào Vòng bốn dung sai - vòng mầu Ba vòng đầu số có nghĩa thực Vòng bốn số số thêm vào Vòng năm dung Hình 1-4 sai Bảng quy ước màu cho điện trở bảng 1-1 Bảng 1-1 Chú ý: + Vòng vòng gần đầu điện trở vòng cuối Tuy nhiên, có nhiều điện trở có kích thước nhỏ nên khó phân biệt đầu gần đầu điện trở hơn, ta xem vòng tráng nhũ vòng vòng cuối Nên để điện trở xa quan sát mắt, ta khơng nhìn thấy vòng tráng nhũ, nghĩa dễ dàng nhận vòng vòng + Trường hợp có vòng màu sai số 20% Kỹ thuật điện tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên + Người ta khơng chế tạo điện trở có đủ trị số từ nhỏ đến lớn mà chế tạo điện trở có trị số theo tiêu chuẩn (xem bảng 1-2) Do cần giá trị đặc biệt phải chọn giá trị gần bảng phải đấu nối kết hợp nhiều điện trở với để có giá trị thích hợp Bảng giá trị sản xuất thực điện trở Bảng 1-2 Các kiểu mắc điện trở a Mắc nối tiếp Giả sử mắc điện trở nối tiếp hình 1-5, điện trở tương đương với điện trở Rtd Hình 1-5 Khi sử dụng điện trở cần quan tâm tới hai thơng số kỹ thuật trị số điện trở R công suất tiêu tán P Bằng cách mắc nối tiếp nhiều điện trở ta có điện trở tương đương có tham số sau: Rtđ = R1 + R2 + R3 (1.1) Ptđ= P1 + P2 + P3 Như cách ghép nối tiếp làm tăng trị số điện trở tăng công suất tiêu tán b Mắc song song Giả sử mắc điện trở song song hình 1-6, coi ta có điện trở tương đương Rtđ Kü tht ®iƯn tư Hỡnh 1-6 Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên Rtd cú tr s in trở công suất tiêu tán sau: (1.2) Như cách ghép song song làm tăng công suất tiêu tán làm giảm trị số điện trở Nếu mắc điện trở kiểu hỗn hợp (vừa nối tiếp, vừa song song) ta tính điện trở tương đương theo cơng thức (1.1) (1.2) cơng suất tiêu tán tổng cơng suất tiêu tán điện trở thành phần Chú ý: Khi ghép nối điện trở nên chọn loại có cơng suất nhiệt để tránh tượng có điện trở chịu nhiệt lớn Khi thay điện trở cần phải thay điện trở khơng trị số mà phải công suất nhiệt - Phân loại vμ ứng dụng điện trở a - Phân loại Có nhiều cách phân loại điện trở Thông thường người ta chia thành loại điện trở có trị số cố định điện trở có trị số biến đổi (biến trở) Trong loại lại chia nhỏ theo tiêu khác Điện trở có trị số cố định thường phân loại: + Theo vật liệu cản điện Điện trở than ép dạng trụ chế tạo từ bột than (cacbon, chất dẫn điện tốt) trộn với chất liên kết (thường pheno, chất khơng dẫn điện) Nung nóng để làm hố thể rắn hỗn hợp theo dạng hình trụ bảo vệ lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn Trở kháng sản phẩm cuối phụ thuộc vào tỉ lệ cacbon so với chất không dẫn điện khoảng cách đầu dây Điện trở hợp chất carbon có độ ổn định cao, loại điện trở phổ biến nhất, có cơng suất danh định từ 1/8W đến 1W 2W Loại điện trở có trị số nhỏ lớn, giá trị từ 10 Ω đến 20M Ω Mặt khác, mang tính trở, yếu tố điện dung điện cảm không đáng kể Điều làm cho điện trở hợp chất carbon sử dụng rộng rãi xử lý tín hiệu radio Điện trở màng kim loại (còn gọi điện trở dạng phim – film resistor) chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr thân gốm có xẻ rãnh xoắn sau phủ lớp sơn, loại có độ ổn định cao loại than giá thành cao vài lần Kü tht ®iƯn tử Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kü thuËt Hng Yªn Điện trở oxit kim loại: Kết lắng màng oxit thiếc SiO2, có khả chống nhiệt chống ẩm tốt, công suất danh định 1/2W Điện trở dây quấn thường dùng yêu cầu giá trị điện trở thấp, chịu dòng lớn công suất từ 1W đến 25W (trường hợp đặc biệt chúng đốt nóng điện có cơng suất lên tới hàng ngàn oat) Nó cấu tạo cách sử dụng đoạn dây dẫn làm từ chất khơng dẫn điện tốt, ví dụ nicrome Dây dẫn quấn quanh vật hình trụ giống cuộn dây (nên gọi điện trở cuộn dây) Trở kháng phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn, đường kính chiều dài dây dẫn Nhược điểm điện trở loại hoạt động cảm ứng điện từ, nghĩa không phΩ hợp với mạch tần số cao Điện trở mạch tích hợp điện trở chế tạo chip bán dẫn tạo thành IC Độ dài, loại vật liệu độ tập trung chất pha trộn thêm vào định giá trị điện trở + Theo cơng dụng: Loại xác, loại bán xác, loại đa dụng, loại cơng suất Điện trở có trị số thay đổi (biến trở) có ký hiệu, hình dáng cấu tạo hình 1-7 Hình 1-7 Biến trở gọi chiết áp cấu tạo gồm điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270 Chiết áp có trục xoay nối với trượt làm than (cho biến trở dây quấn) hay làm kim loại cho biến trở than, trượt ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở xoay trục Biến trở dây quấn loại biến trở tuyến tính có trị số điện trở tỉ lệ với góc xoay Biến trở than loại biến trở phi tuyến có trị số điện trở thay đổi theo hm Kỹ thuật điện tử 10 Phạm Ngọc Thắng - Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên - Từ ta có phương trình logic: L(A>B) = l3 + g3l2 + g3g2l1 + g3g2g1l0 G(A=B) = g3g2g1g0 M(Ab3 Đầu vào so sánh a2b2 a1b1 X X a0b0 X Đầu vào nối tầng l m g X X X L Đầu M G 0 a3b2 X X X X X 0 a3=b3 a2b1 X X X X 0 a3=b3 a2=b2 a1b0 X X X 0 a3=b3 a2=b2 a1=b1 a0bl a