Bài giảng kỹ thuật điện tử

Bài giảng : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Thời gian 60 tiết Nội dung : Gồm chương Chương 1: Tín hiệu hệ thống điện tử, khái niệm lọc tần số Chương 2: Các dụng cụ bán dẫn Chương 3: Khuếch đại điện tử Chương 4: Khuếch đại thuật tốn Chương 5: Tạo dao động hình sin Chương 6: Mạch nguồn Chương 7: Mạch phi tuyến Chương I:TÍN HIỆU VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 1.1Khái niệm chung tín hiệu 1/ Tín hiệu tin tức *Tín hiệu nói chung biểu vật lý tin tức.Trong kỹ thuật điện tử ta coi tín hiệu dao động điện từ có chứa tin tức *Tin tức thường âm thanh, hình ảnh kiện biến cố đó.Trong kỹ thuật điện tử chúng bién đổi thành dao động điện từ Ví dụ: Âm hình ảnh Micro Camera biến đổi thành dòng điện âm tần dòng điện thị tần Khi nghiên cứu người ta thường biểu diễn chúng hàm biến thời gian tần số Nếu ta biểu diễn tín hiệu hàm S(t), t biến thời gian tín hiệu tuần hồn khơng tuần hồn S(t) = S(t+nT); n = 0, 1, 2, 3… (1) Nếu S(t) thoả mãn biểu thức(1) thời điểm t S(t) tìn hiệu tuần hồn với chu kỳ T ( T nhận giá trị nhỏ nhất) Nếu khơng tìm giá trị hữu hạn T thoả mãn (1) (T   ) tín hiệu S(t) khơng tuần hồn Tín hiệu tuần hồn thường gặp dao động hình sin: U(t) = Umsin(  t +  ) Um biên độ,  tần số,  góc pha đầu Với cách biểu diễn tín hiệu hàm thời gian tín hiệu chia thành hai dạng tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc 2/ Một số thơng số đặc tính tín hiệu a/ Phổ tín hiệu Một tín hiệu liên tục hay rời rạc thường gồm nhiều thành phần tần số Sự biểu diễn tín hiệu theo biến tần số gọi phổ tín hiệu Ví dụ: biểu diễn phụ thuộc biên độ pha tín hiệu vào tần số đồ thị gọi phổ biên độ phổ pha * Phổ tín hiệu tuần hồn Nếu tín hiệu S(t) tuần hoàn với chu kỳ T thoả mãn điều kiện :  S(t)dt    Thì phân tích thành tổng vơ số dao động điều hồ chuỗi Fourier � � K 1 K 1 S  t   A  �(a k cosk1t  b k sink1t)  A  �A k cos(k1t  k ) Hay :  S(t) =  C k e Jk 1 t k 1 Trong đó: T A0 =  S(t)dt ak = T T bk = T T  S(t)cos k  tdt  S(t)sin k  tdt Ak = a k  bk b k ,  k = -arctg a k Theo biểu diễn phức thì: * T/2 = S(t)e -jkω1t dt Ck T � -T/2 1 = Gọi biên độ phức 2 -là tần số góc sóng T K=2,3,4… hài bậc cao Nếu S(t) hàm chẵn bk =0, S(t) hàm lẻ ak =0 Như dao động tuần hồn phân tích thành vơ số dao động điều hoà với tần số k 1 * Phổ tín hiệu khơng tuần hồn: S(t) = 2  S ( j )e jt d   S ( j )   S ( t ) e Trong :  jt dt  b/ Một số đặc tính tín hiệu * Trị số trung bình tín hiệu Khi tuyền tín hiệu đường truyền thời gian tồn tín hiệu thời gian kênh thơng tin bị chiếm dụng Nếu tín hiệu S(t) tồn khoảng thời gian từ t1 đến t2 trị số trung bình tính theo cơng thức: t S(t)Tb= t  t S (t )dt t1 * Năng lượng ,cơng suất trị hiệu dụng tín hiệu t2 WS = S (t)dt t1 Công suất trung bình tính theo cơng thức: Ptb = K  Trị hiệu dụng tín hiệu tính theo biểu thức: t Shd = 2 S (t )dt t  t1  t1 * Dải động tín hiệu Dải động tín hiệu đặc trưng cho mức cường độ tín hiệu tác động lên thiết bị: Ddb = 10lg S (t ) max S (t ) max 20 lg S (t ) S (t ) [db] 1.2 Các hệ thống điện tử thông dụng 1-Hệ thống thông tin quảng bá Là hệ thống điện tử mang tính truyền thống nhất, bao trùm toàn hoạt động xã hội Hệ thống TTQB dúp người tìm hiểu, học hỏi, trao đổi kiến thức, thông tin… dạng l nhng tin tc, hỡnh nh, s liu DĐ tạo Sóng mang Máy Phát Nguồn tin Bộ biến đ ổ i Đ iều chế An ten Phát Môi truơng truyền Khuếch đ ại phát Anten thu Mạch vào Máy thu Nhận tin K tin Tách sóng K.đ ại Trung tần Trộn Tần K.đ ại Cao tần Đ ồng nh D.® éng Ngoai sai *Bên phát Nguồn tin: Là âm thanh, hình ảnh … Thơng qua thiết bị biến đổi biến đổi thành dao động điện.Đó dao động tần số thấp, chúng gọi hàm tin tức hay hàm sơ cấp Sóng mang: Để truyền tin tức xa người ta phải dùng dao động cao tần điều hồ làm sóng mang hay gọi tải tin Mạch điều chế: Làm nhiệm vụ trộn tin tức vào sóng mang Q trình trộn làm cho tham số sóng mang biến đổi theo quy luật tin tức Quá trình gọi trình điều chế (Modulation) Sản phẩm trình điều chế dao động cao tần biến điệu theo dạng tín hiệu sơ cấp, gọi tín hiệu điều chế tín hiệu vơ tuyến điện (VTĐ) Mạch khuếch đại phát: Khuếch đại tín hiệu VTĐ cho đủ lớn để đưa đến anten phát phát lên không gian An ten phát:Làm nhiệm vụ xạ sóng điện từ mơi trường truyền *Bên thu Anten thu:Cảm ứng tất sóng điện từ tác động vào Tín hiêu thu từ anten yếu, đưa đến mạch vào để chọn lọc loại bỏ bớt tạp âm, đến khuếch đại cao tần Mạch khuếch đại cao tần: lạ mạch KĐ dải rộng nên hệ số KĐ khơng cao cỡ chục lần.Tín hiệu sau KĐCT đưa đến trộn Mạch tạo dao động ngoại sai: Tạo dao động máy thu có tần số fns,.Tần số ln đồng chỉnh tần số mạch vào Bộ trộn tần:Làm nhiệm vụ trộn hai tín hiệu cao tần (fth) tần số ngoai sai (fns), để lấy tần số trung gian ftg (ftg = fns - fth) Khuếch đại trung tần: ftg ln ln cố định nên mạch KĐTT có hệ số KĐ lớn độ chọn lọc cao Tín hiệu trung tần khuếch đại dủ lớn đưa đến tách sóng Tách sóng: Làm nhiệm vụ tách tin tức khỏi sóng mang Là q trình ngược lại q trình điều chế, gọi q trình giải điều chế ( demodulation) Đặc điểm: * Là hệ thống hở * Trong mơi trường truyền có nhiều loại nhiễu tác động * Vấn đề tương thích máy thu máy phát * Các trình Điều chế diễn máy phát q trình tách sóng diễn máy thu, hai trình ngược nhằm tạo tín hiệu vơ tuyến tách tin tức khỏi sóng vơ tuyến 2-Hệ thống đo lường điện tử Các đặc điểm hệ thống: Là hệ thống hở có đặc điểm sau: *Sự tác động thiết bị đo làm sai lệch thơng số cần đo đối tượng mức độ * Thiết bị phức tạp có khả tạo thêm sai số * Thiết bị đo xây dựng theo nguyên tắc tương tự số tuỳ theo yêu cầu độ xác Với nguyên tắc áp dụng hai phương pháp: Đo trực tiếp gián tiếp cách so sánh với mẫu chuẩn máy đo * Khi cần đo lúc nhiều thông số q trình , cần có nhiều cảm biến đầu vào tương ứng làm việc chung với kênh sử lý,gia công thông tin thu từ khối thị nhờ điều khiển để phân chia kênh điều chỉnh tốc độ đo 3- Hệ thống tự động điều chỉnh tự động ổn định Đặc điểm: Là hệ thống kín *Ln xảy q trình thơng tin hai chiều với tham gia vài vòng phản hòi ,để liên tục theo dõi đối tượng nhằm ổn định vài tham só vùng hạn định * Mức độ chímh xác q trình phụ thuộc vào biến đổi, so sánh, độ xác nguồn tín hiệu chuẩn cấu chấp hành Như hệ thống phản hồi định chất lượng hệ thống * Việc điều chỉnh diễn liên tục gián đoạn theo thời gian để đạt giá trị trung bình mong muốn.Phương pháp số có ưu điểm phương pháp tương tự 1.3/Mạch điện ,Các đại lượng Phần tử mạch 1/ Mạch điện sơ đồ mạch điện a/ mạch điện b/ Sơ đồ mạch điện * Nhánh * Nút * Mạch vòng * Mạch vòng độc lập 2/ Các đại lượng định luật mạch điện a/Các đại lượng * Điện áp * Điện áp Ký hiệu : U, u(t) Đơn vị đo : Vôn ( V,v) UAB= VA- VB = - UBA * Dòng điện Ký hiệu : I, i(t) Đơn vị đo :Ampe (A,a) b/ Các định luật * Định luật Ôm I=U/R U=I.R * Định luật Kiếckhốp +Định luật Kiếckhốp R=U/I �I + Định luật Kiếckhốp K 0 �U K  �E K 3/ phần tử mạch a/ Điện trở Tính chất phần tử điện trở:Là phần tử tiêu hao lượng mạch ,nó biến lượng điện thành lượng nhiệt Ký hiệu phần tử điện trở: R Đặc trưng cho phần tử điện trở gọi điện trở Nghịch đảo phần tử điện trở điện dẫn: g = 1/R Biểu thức định luật ôm điện trở: i =u/R, u=Ri Đơn vị đo Của điện trở Ôm ,ký hiệu là:  Đơn vị đo điện dẫn si-men : 1/ Công suất tiêu hao phần tử điện trở: p=ui p =i2R =u2g Chứng tỏ công suất tức thời khơng âm Mơ hình vật lý thực phần tử điện trở: dây kim loại,hợp kim có trở suất lớn vật liệu gốm,giấy Cách ghi giá trị điện trở: Có thể ghi số vạch màu b/Phần tử điện dung: Tính chất:Phần tử điện dung phần tử tích trữ lượng mạch dạng điện trường,nó khơng tiêu thụ lượng mạch mà trao đổi lượng với mạch Biểu thức định luật ôm phần tử điện dung du dt i =c Đơn vị đo: Là Fara (F) Biểu thức công suất: p=ui=cu idt c� , u= du dt Phân tích mơ hình vật lý thực phần tử điện dung: a/ b/ c/ Các hình sơ đồ thay tương đương tụ điện: a/Khi bỏ qua tổn hao nhỏ tụ điện b/Khi tính đến tổn hao dòng xoay chiều dòng chiều c/Khi tính đến tổn hao dòng xoay chiều c/ điện cảm Tính chất:Phần tử điện cảm phần tử tích trữ lượng mạch dạng từ trường, trao đổi lượng với mạch mà không tiêu hao lượng mạch Biểu thức định luật Ôm phần tử điện cảm: di dt u=L t udt+i(to) L to� udt L� , i= hay là: Đơn vị đo Henry (H) i= di dt Công suất tức thời lớn ,nhỏ khơng Mơ hình vật lý thực phần tử điện cảm cuộn dây điện từ Công suất tức thời: p =ui =Li a/ b/ c/ a/Sơ đồ thay tương đương đơn giản b/Khi tính đến tổn hao điện trở cuộn dây c/sơ đồ thay tương đương đầy đủ d/ Các phần tử nguồn Phần tử nguồn:Là phần tử biến đổi dạng lượng khác thành lượng diện kỹ thuật điều khiển, an ten nguồn điện Các nguồn điện cung cấp lượng cho mạch mà khôngtiêu hao lượng gọi nguồn lý tưởng * Nguồn điện áp: Nguồn điện áp :Là nguồn lý tưởng trì điện áp khơng đổi, khơng phụ thuộc vào dòng điện mạch ngồi Ký hiệu: * Nguồn dòng điện: Nguồn dòng điện:Là nguồn điện lý tưởng ln trì dòng điện khơng đổi,khơng phụ thuộc vào điện áp mạch ngồi Ký hiệu: *Quan hệ nguồn dòng nguồn áp: e R *Biến đổi nguồn điện thực thành nguồn dòng nguồn áp Trong : i = e R * Khái niệm nguồn độc lập nguồn phụ thuộc: Nguồn độc lập nguồn điện mà giá trị chúng hồn tồn khơng phụ thuộc vào điện áp dòng điện điểm mạch Nguồn phụ thuộc:Là nguồn điện mà giá trị chúng phụ thuộc vào điện áp hai điểm mạch dòng điện qua phần tử đó.Nguồn phụ thuộc gọi nguồn bị điều khiển Trong : i = 1.4 Các dạng tín hiệu điều chế 1/Điều chế tín hiệu gì: Do tin tức dao động tần số thấp.Khi muốn gửi xa người ta phải dùng hàm tin tức tac động vào dao đơng cao tần điều hòa Kết làm cho tham số dao động cao tần biến thiên theo quy luật hàm tin tức Q trình gọi điều chế Kết điều chế gọi dao động bị điều chế hay tín hiệu điều chế Mạch điều chế tín hiệu có mặt nhiều hệ thống điện tử 2/Các dạng tín hiệu điều chế a/Biểu thức tổng quat tín hiệu điều chế Xét trường hợp uΩ(t) tin tức cần truyền uΩ(t) =UΩmcos(Ωt+φΩ) Sóng mang : u0(t)=U0mcos(ω0t+φ0) =U0mcos (Ф0) Theo định nghĩa biểu thức giải tích tín hiệu điều chế là: udc(t)=U(t)Cos(ω(t)t+ φ(t))= U(t)Cos(Ф(t)) b/Phân loại tín hiệu điều chế *Nếu: U(t) biến thiên theo dạng uΩ(t) còn: Ф(t)≡ Ф0 Thì tín hiệu điều biên-AM *Nếu: U(t)≡Uo Còn: Ф(t) biến thiên theo dạng uΩ(t) theo quy luật gọi chung tín hiệu điều chế góc Tín hiệu điều chế góc gồm hai dạng: Nếu tần số góc ω(t) biến thiên theo quy luật uΩ(t), tín hiệu điều tần -FM Nếu góc pha đầu φ(t) biến thiên theo quy luật uΩ(t), tín hiệu điều pha-PM 10 Vi mạch LM317 Đây loại vi mạch thơng dụng ba chân với điện áp điều chỉnh khoảng 1,25 v25v Sơ đồ mắc mạch có dạng hình bên Điện áp chuẩn 1,25 v R2 Điện áp tính theo cơng thức: U  1, 25(1  ) V R1 95 4/ Nguyên lý ổn áp sung Ổn áp xung có ưu điểm bật so với ổn áp bù tuyến tính Đó là: – Trong ổn áp xung phần tử hiệu chỉnh làm việc liên tục mà thông khoảng thời gian tồn xung nên tổn hao nhiệt giảm, hiệu suất độ bền mạch tăng – Phạm vi hiệu chỉnh rộng – Mạch nguồn gọn nhẹ làm việc tần số cao Nguyên lý ổn định Giá trị trung bình xung xác định diện tích xung h.tx độ dài chu kỳ xung: U tb = h.t x U.t x = T T Trong ổn áp xung người ta giữ cho giá trị trung bình Utb xung khơng đổi Từ biểu thức ta thấy muốn giữ cho giá trị trung bình xung không đổi cần cho tỷ số biến thiên theo chiều ngược lại với chiều biến thiên U Như thay đổi chu kỳ độ rộng hay độ rỗng (khoảng cách xung) xung để đạt mục đích Trong thực tế người ta sử dụng khố điện tử tranzistor cơng suất thay cho khố khí K 96 Sơ đồ khối Mạch ổn ỏp xung thc t 97 Nghịch lu-ổn áp Chỉ nh lưu sơ cÊp C4 D4 80-60 V ChØ nh lưu thø cÊp D5 (5) D6 +5V (6) (3) R3 C3 R C (4) D () D3 K D Dò sai Nguồn ổn áp xung 6.7 ổn áp xoay chiều 1/ Nguyên lý ổn áp xoay chiều đơn giản a/ ổn áp theo nguyên lý bão hoà từ b/ ổn áp theo nguyên lý cộng hưởng dòng điện 98 +5V C7 D8 -30V  R D7 C6 () C C5 VR ChØ nh møc ® iƯn ¸p c/ ổn áp theo ngun lý cộng hưởng điện áp 2/ ổn áp xoay chiều tự động điều chỉnh động a/ Sơ đồ khối 99 b/ Sơ đồ nguyên lý R3 22K AN7812 R4 100K Mot¬ C2 + C + _ _ 470 F 470 F D4 D3 V _ + R1 1K 0 D5 BA6209 D2 D1 R2 4K  _ R8 27K + R9 27K 14  _ + + HA17324 _ 13 _ + + R5 470 _ 12 11 10   Mot¬ R7 200K R6 62K Mạch đ iều khiển Motơcủa ổn áp Lioa 000BW 100 D6 + C3 _ 50 F Chương 7.NGUYÊN LÝ BIẾN ĐỔI PHI TUYẾN 4.1/ Khái niệm chung mạch phi tuyến Các linh kiện điện tử đợc đặc trng thông số chúng như: Điện trở R, điện cảm L, điện dung C Nếu thông số chúng phụ thuộc vào điện áp dòng điện chúng thơng số phi tuyến; Nếu khơng phụ thuộc chúng thơng số tuyến tính Một mạch điện có tất thơng só tuyến tính gọi mạch tuyến tính , Nếu mạch có thơng số phi tuyến gọi mạch phi tuyến 1/ Một số phần tử phi tuyến thông dụng a/ Điện trở phi tuyến Các linh kiện điện tử xét như: Diot, tranzisto,Tranzisto trường, Thyisto… Chúng phần tử phi tuyến Chúng phần tử có đặc tuyến V/A đường cong ( đường thẳng biểu diễn hàm bậc nhất) Ví du : ta xét đờng đặc tuyến diod bán dẫn b/ Điện cảm phi tuyến c/ Điện dung phi tuyến 101 2/ Một số tính chất đặc trưng mạch điện phi tuyến - Không thể áp dụng nguyên lý xếp chồng cho mạch phi tuyến - Hệ phương trình đặc trưng cho mạch phi tuyến hệ phương trình vi phân phi tuyến, tức hệ có hệ số phụ thuộc vào biến số - Mạch điện phi tuyến có khả làm giầu phổ tín hiệu- Đây tính chất quan trọng nhất’ 3/ Tính chất làm giầu phổ tín hiệu mạch phi tuyến n i= � Aiui =A0 +A1u +A2u2 +A3u3+ i a/ Trường hợp tác động đầu vào dao động điều hoà X(t) = u =U0mcos(  t+  0) Khi thay vào biểu thức ta được: i = I0 + I1mcos(  t+  0) + I2mcos2(  t+  0) + I3mcos3(  t+  0) +I4mcos4(  t+  0) + b/ Trường hợp tác động đầu vào hai dao động điều hoà X1(t) = u =U0mcos(  1t+  1) X2(t) = u =U0mcos(  2t+  2) Thì lối bao gồm thành phần tần số: 0,  1,  ,  ,  ,  2,  2,  ,4  ,n  � m  n,m = 1,2,3 102 4.2 Điều biên a/ điều biên mạch nhân Analog b/ Điều biên dùng mạch phi tuyến 2/ mạch điều biên dùng ốt a/ Điều biên thông thường điốt b/ Điều biên cân 103 c/ Điều biên vòng 3/ Nguyên lý điều chế đơn biên a/ Phương pháp lọc b/ Điều chế đơn biên theo phương pháp quay pha c/ Điều biên theo phương pháp kết hợp lọc quay pha 4.3 Điều tần điều pha 104 1/ Điều tần dùng VARICAP Điều tần dùng Tranzisto điện kháng 4.4 Tách sóng biên độ 4.5 Tách sóng pha Tách sóng tần số 105 1/ Tách tần số đơn giản 2/ Tách sóng tần số hai khung lệch cộng hưởng 3/ Tách sóng tần số khung cộng hưởng ỏ trạng thái cộng hưởng 4/Tách sóng tần số tỷ lệ 4.7 Biến tần 1/ Nguyên lý biến tần 2/ Mạch biến tần dùng điốt a/ biến tần đơn giản 106 b/ Biến tần cân C/ Biến tần vòng 107 3/ Biến tần dùng Tranzisto 4.9 Vòng giữ pha PLL 1/ Nguyên lý PLL 2/ Một số ứng dụng PLL 108 109 ... III (In) ngun tử tạp chất có điện tử lớp ngồi mối liên kết ghép đơi điện tử hố trị, ngồi điện tử hố trị vành ngồi ngun tử tạp chất có điện tử nguyên tử bán dẫn bị lấy vào Nơi điện tử bị lấy để... nguyên tử tạp chất gồm điện tử lớp ngồi cùng, có điện tử tham gia liên kết với nguyên tử bán dẫn , dư điện tử liên kết lỏng lẻo với hạt nhân dẽ ion hoá trở thành điện tử tự Bán dẫn gọi chất cho điện. .. 3/ phần tử mạch a/ Điện trở Tính chất phần tử điện trở:Là phần tử tiêu hao lượng mạch ,nó biến lượng điện thành lượng nhiệt Ký hiệu phần tử điện trở: R Đặc trưng cho phần tử điện trở gọi điện trở