giao trinh dien tu co ban phan 1

Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– MỤC LỤC Vật liệu bán dẫn 1.1.Chất bán dẫn 1.2.Bán dẫn tạp 1.3.Mặt ghép n-p Linh kiện điện 2.1 Điện trở: Cấu tạo, ký hiệu, quy ước cách đọc 2.2 Tụ điện: Cấu tạo, ký hiệu, quy ước cách đọc 18 2.3 Cuộn điện cảm: Cấu tạo, ký hiệu, quy ước cách đọc 34 Đi ốt 42 3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động ốt 42 3.2 Các loại ốt 45 Transistor 48 4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động transitor lưỡng cực 48 4.1.1 Cấu tạo Transistor 48 4.1.2 Nguyên tắc hoạt động Transistor 48 4.1.3 Ký hiệu & hình dạng Transistor 50 4.1.4 Cách xác định chân E, B, C Transistor 50 4.1.5 Phương pháp kiểm tra Transistor 52 4.1.6 Các thông số kỹ thuật 54 4.1.7 Cấp nguồn định thiên cho Transistor 56 4.1.8 Ba cách mắc Transistor 58 4.2 Các loại transitor 61 4.2.1 Transitor hiệu ứng trường (fet – field - effect transistor) 61 4.2.2 Transistor trường điều khiển tiếp xúc P - N (JFET) 62 4.2.3 Transistor trường loại MOSFET 65 4.2.4 Các sơ đồ mắc FET 68 Bộ vi xử lý 69 5.1 Khái niệm: 69 5.2 Đơn vị xử lý trung tâm CPU: 70 5.3 Bộ nhớ: 71 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.4 Cổng vào/ra song song 71 5.5 Cổng vào/ra nối tiếp 71 5.6 Bộ đếm / định thời 72 5.7 Nguyên lý hoạt động vi xử lý 73 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Vật liệu bán dẫn - Vật liệu bán dẫn vật liệu có tính trung gian vật liệu dẫn điện vật liệu cách điện - Một vật liệu bán dẫn tinh khiết khơng dẫn điện có điện trở lớn Nhưng pha thêm vào tỉ lệ thấp vật liệu thích hợp điện trở bán dẫn giảm xuống rõ, trở thành vật liệu dẫn điện - Hai chất bán dẫn thông dụng Germani(Ge) Silíc(Si) 1.1.Chất bán dẫn Các nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge Hình 1.1 Cấu trúc mạng tinh thể Gecmani hoàn Mendeleep Gecmani(Ge), Silic (Si) ngun tố có điện tử lớp ngồi điều kiện bình thường điện tử tham gia liên kết cộng hoá trị mạng tinh thể nên chúng khơng dẫn điện Hình1.1 trình bày cấu trúc phẳng mạng tinh thể Gecmani,trong ngun tử đem điện tử ngồi góp với điện tử nguyên tử khác tạo thành cặp điện tử hoá trị ( ký hiệu dấu chấm đậm ) Khi kích thích lượng từ bên ngoài, số điện tử bứt khỏi liên kết trở thành điện tử tự dẫn điện kim loại mặt khác êlectrơn giải phóng khỏi liên kết tinh thể lại xuất chỗ trống thiếu electron liên kết, gọi lỗ trống Như chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn đơn chất 1.2.Bán dẫn tạp Những bán dẫn dẫn điện không tốt Để tăng khả dẫn điện bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn để bán dẫn có nồng độ hạt dẫn cao gọi bán dẫn tạp Bán dẫn tạp có loại loại n loại p Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Bán dẫn loại cho n Ge Ge Ge ®iƯn tư tù Ge As Ge Ge Ge Ge Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hoàn Medeleep vào bán dẫn nguyên tử tạp chất với nguyên tử lớp ngồi có điện tử tham gia liên kết với nguyên tử bán dẫn, lại điện Hình 1.2 Cấu tạo bán dẫn loại n tử tự Ví dụ hình 1.2 bán dẫn Gecmani (ký hiệu Ge) trộn với asen (As) Tạp chất cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho”, ký hiệu n Hạt dẫn điện (hay gọi động tử)chính bán dẫn loại “cho” n điện tử với mật độ nn - Bán dẫn loại lấy p Nếu ta trn vo vo bỏn dn thun cht lỗ trống Ge Ge Ge Ge In Ge Ge Ge Indi (In) thuộc nhóm III bảng tuần hồn để tạo cặp điện tử liên kết hoá trị với nguyên tử bán dẫn, điện tử Ge nguyên tử In có điện tử Hình 1.3 Chất bán dẫn loại p nguyên tử Ge lân cận lấy vào Chỗ điện tử tạo thành lỗ “trống” mang điện tích dương (hình 1.3) Các “lỗ trống ” tạo thành hàng loạt dẫn điện điện tích dương Bán dẫn loại có tạp chất lấy điện tử nên gọi bán dẫn loại “lấy” ký hiệu p hạt dẫn “lỗ trống” với mật độ pp Cần nói thêm bán dẫn loại cho n có lẫn hạt dẫn phụ lỗ trống với nồng độ pn, bán dẫn loại “lấy” p có lẫn hạt dẫn phụ điện tử với mật độ nP Nghĩa pP nP nn>pn 1.3.Mặt ghép n-p Mặt ghép n-p sở để tạo nên hầu hết dụng cụ bán dẫn vi mạch Vì việc nghiên cứu bán dẫn nghiên cứu trình vật lý mặt ghép n-p a Sự hình thành mặt ghép n-p Mặt ghép n-p hình thành sau: Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Cho hai đơn tinh thể bán dẫn n p tiếp xúc với (bằng công nghệ đặc biệt) Trong bán dẫn loại n hạt dẫn điện tử, hạt dẫn phụ lỗ trống; bán dẫn loại p hạt dẫn lỗ trống hạt dẫn phụ điện tử Do có chênh lệch nồng độ hạt dẫn loại hai khối bán dẫn nên điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p ngược lại lỗ trống từ lớp p khuếch tán sang lớp n Sau điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p để lại bên n lớp ion dương gần bờ vùng tiếp xúc Tương tự vậy, lỗ trống khuếch tán sang n tạo nên lớp ion âm bên p gần bờ vùng tiếp xúc (hình 1.4a) Khi đạt trạng thái cân bằng, hai bên mặt tiếp xúc hình thành hai miền điện tích trái dấu ( miền điện tích dương bán dẫn n, miền điện tích âm bán dẫn p) Người ta gọi chung miền điện tích miền điện tích khơng gian hay miền nghèo động tử khơng có động tử Miền có tính dẫn điện đặc biệt gọi mặt ghép điện tử lỗ trống hay mặt ghép n-p Hình 1.4 Mặt ghép n-p Sự khuếch tán điện tử lỗ trống diễn vô hạn Khi hình thành hai lớp điện tử trái dấu hình thành điện trường hướng từ bán dẫn n sang bán dẫn p gọi điện trường tiếp xúc Utx (hình 1.4a) Bề dày lớp nghèo động tử l = l0P + l 0n ,phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu nồng độ tạp chất hai miền l 0P = l 0n Thơng thường mặt ghép chế tạo với nồng độ lỗ trống p lớn nồng độ điện tử n nên l 0n>>l 0P Điện trường tiếp xúc Utx có chiều cản hạt dẫn lại gây dòng trơi hạt dẫn phụ, có chiều ngược lại với chiều dòng khuếch tán Q trình tiếp diễn dòng khuếch tán dòng trơi dòng qua mặt ghép khơng Đến coi hình thành xong mặt Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– ghép n-p Ở điều kiện tiêu chuẩn hiệu điện tiếp xúc cỡ 0,3V bán dẫn Ge, cỡ 0,6V với bán dẫn Si b Phân cực mặt ghép bán dẫn điện trường - Mặt ghép n-p phân cực thuận Nếu ta đấu lớp p với cực dương, lớp n với cực âm điện trường ngồi hình 1.4b mặt ghép n-p phân cực thuận Lúc cân dòng khuếch tán dòng trơi Ikt =Itrbị phá vỡ Điện trường ngồi có chiều ngược với điện trường tiếp xúc Utx Nguồn lúc chủ yếu đặt lên vùng mặt ghép l điện trở khối vùng lớn, làm cho dòng khuếch tán tăng lên Người ta nói mặt ghép n-p thơng (hoặc mở) có tượng phun hạt dẫn qua miền tiếp xúc l Trong dòng trơi Utxgây khơng đáng kể Utx giảm điện trường ngồi tác động ngược chiều Bề rộng miền tiếp xúc co lại ll Như mặt ghép n-p dẫn điện theo chiều van điện, phân cực thuận dòng thuận lớn, phân cực ngược dòng ngược nhỏ Linh kiện điện 2.1 Điện trở: Cấu tạo, ký hiệu, quy ước cách đọc a Định nghĩa ký hiệu điện trở * Định nghĩa Điện trở linh kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện mạch Trị số điện trở xác định theo định luật Ơm: Trong đó: U - hiệu điện điện trở [V] I - dòng điện chạy qua điện trở [A] R - điện trở [Ω] R  U I (Ω) Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Trên điện trở, dòng điện điện áp ln pha điện trở dẫn dòng điện chiều xoay chiều * Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch điện Trong sơ đồ mạch điện, điện trở thường mô tả theo qui ước tiêu chuẩn hình 1.5 R12 R159 Điện trở thường Biến trở 1/8 W 1W 1/4 W 5W 1/2 W 10W Điện trở cơng suất Hình 1.5: Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch điện Hình 1.6: Hình dáng thực tế số điện trở b Phân loại Phân loại điện trở có nhiều cách Thông dụng phân chia điện trở thành hai loại: điện trở có trị số cố định điện trở có trị số thay đổi (hay biến trở) Trong loại lại phân chia theo tiêu khác thành loại nhỏ sau: * Điện trở có trị số cố định Điện trở có trị số cố định thường phân loại theo vật liệu cản điện như: + Điện trở than tổng hợp (than nén) Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– + Điện trở than nhiệt giải than màng (màng than tinh thể) + Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr manganin, constantan) quấn ống gốm ceramic phủ bên lớp sứ bảo vệ + Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại điện trở miếng: Điện trở miếng thuộc thành phần vi điện tử Dạng điện trở miếng thông dụng in ráp mạch + Điện trở cermet (gốm kim loại) (b) (a) (c) (d) (e) Hình 1.7: Hình dạng bên ngồi số điện trở cố định a Điện trở dây quấn xác; b Điện trở màng; c Điện trở oxit kim loại; d Loại than tổng hợp; e.Loại dây quấn công suất * Điện trở có trị số thay đổi (biến trở) Biến trở có hai dạng Dạng kiểm sốt dòng cơng suất lớn dùng dây quấn Loại gặp mạch điện trở Dạng thường dùng chiết áp Cấu tạo biến trở so với điện trở cố định chủ yếu có thêm kết cấu chạy gắn với trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) theo kiểu trượt (chiết áp trượt) Chiết áp có đầu ra, đầu ứng với trượt hai đầu ứng với hai đầu điện trở Hình 1.8: Ký hiệu biến trở mạch Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Theo ứng dụng chia chiết áp thành loại chính: loại đa dụng, loại xác loại điều chuẩn c Cấu trúc điện trở Cấu trúc điện trở có nhiều dạng khác Một cách tổng quát ta có cấu trúc tiêu biểu điện trở mơ tả hình 1.9 Vật liệu cản điện Mũ chụp chân điện trở Vỏ bọc Lõi Hình 1.9: Kết cấu đơn giản điện trở d Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở * Trị số điện trở dung sai + Trị số điện trở tham số tính theo cơng thức: R   L S ρ: Điện trở suất Ωm hay Ωmm2/m L: chiều dài dây (m) S: tiết diện dây m2 hay mm2 R: Điện trở, ơm (Ω) Điện trở có đơn vị tính ơm, viết tắt Ω Các bội số ôm là: - Kilô ôm 1kΩ = 103Ω - Mêgm 1MΩ = 106Ω Điện trở suất có trị số thay đổi theo nhiệt độ tính theo công thức:   0 1 a.t  0 : Điện trở suất vật lệuở 0C a: hệ số nhiệt t: nhiệt độ 0C + Dung sai hay sai số điện trở biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế điện trở so với trị số danh định tính theo % Dung sai tính theo cơng thức: 10 Rtt  Rdd 100 0 Rdd Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Với Rttvà Rdd giá trị điện trở thực tếvà danh định Dựa vào % dung sai, ta chia điện trở cấp xác: Cấp 005: có sai số ± 0, Dùng mạch yêu cầu độ xác cao Cấp 01: có sai số ± % Cấp I: có sai số ± % Cấp II: có sai số ± 10 % Dùng kỹ thuật mạch điện tử thơng thường Cấp III: có sai số ± 20 % * Công suất tiêu tán danh định (Pt.tmax) Khi có dòng điện chạy qua điện trở tiêu tán lượng điện dạng nhiệt, với công suất là: Ptt  U2  I R R (W) 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 danh định cho phép điện trở Pt.t.max công suất điện cao mà điện trở chịu đựng điều kiện bình thường, làm việc thời gian dài không bị hỏng Nếu mức điện trở nóng cháy không dùng Pt t max  U max  I max R R Để điện trở làm việc bình thường thì: Ptt< Ptt max Thơng thường người ta chọn công suất điện trở theo cơng thức: PR ≥ 2Ptt Trong hệ số an tồn Trường hợp đặc biệt chọn hệ số an tồn lớn Điện trở than có công 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 nguồn 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 e Cách đọc, đo cách mắc điện trở 11 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Muốn JFET làm việc chế độ khuếch đại cần phải cung cấp nguồn điện chiều cực cửa cực nguồn UGS có chiều cho tiếp xúc P - N phân cực ngược nguồn điện cung cấp cực máng cực nguồn UDS có chiều cho hạt dẫn đa số phải chuyển động từ cực nguồn S qua kênh cực máng để tạo nên dòng điện cực máng ID (b) (a) Hình 1.79: Cấu tạo ký hiệu JFET (a) Cấu tạo JFET kênh dẫn loại P (b) Cấu tạo JFET kênh dẫn loại N (a) (b) Hình 1.80: Sơ đồ phân cực cho JFET (a) Sơ đồ phân cực cho JFET kênh P (b) Sơ đồ phân cực cho JFET kênh N JFET kênh N kênh P có nguyên tắc hoạt động giống Chúng khác chiều nguồn điện cung cấp ngược chiều ta xét trường hợp JFET kênh loại N Với JFET kênh loại N cần mắc nguồn cung cấp cho: UGS< để chuyển tiếp P N phân cực ngược; UDS> để điện tử di chuyển từ S tới D Điểm thắt kênh dịch chuyển phía S tăng UDS 63 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Khi UDS> điện điểm dọc theo kênh từ cực nguồn S đến cực máng D tăng từ 0V tới UDS cực máng D, chuyển tiếp P - N phân cực ngược mạnh dần phía cực máng làm cho bề dày lớp chuyển tiếp tăng dần phía D tiết diện kênh hẹp dần phía cực máng D (càng tăng UDS điểm thắt dịch phía S, nghĩa tượng thắt kênh dẫn sớm xảy ra) Hình 1.81: Hình ảnh minh hoạ kênh dẫn bị thắt tăng U DS b Đặc tuyến truyền đạt, đặc tuyến UGS ngắt điện áp ngược lớn mà ID = 0, hai miền điện tích không gian chuyển tiếp P - N phủ trùm lên nhau, kênh dẫn biến mất, dòng qua kênh Qua đường đặc tuyến truyền đạt ta thấy: thay đổi điện áp cực cửa bề dày lớp tiếp xúc P - N thay đổi làm cho tiết diện kênh thay đổi theo, kéo theo điện trở kênh thay đổi cường độ dòng điện qua kênh thay đổi Như điện áp cực cửa UGS điều khiển dòng điện cực máng I D Khi đặt điện áp U DS lên cực máng D cực nguồn S có dòng điện ID chạy qua kênh Vì dòng điện khơng chảy vùng nghèo hạt dẫn nên ta tính sau: I D  S q N D  n E  2b.w.q N D  n U DS L S=2b.w tiết diện c kênh dẫn 2b độ rộng kênh tương ứng với dòng điện ID = w kích thước vng góc với hướng b kênh 64 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– L chiều dài kênh dẫn UDS điện áp đặt cực máng cực nguồn Nhận xét đặc tuyến ra: Vùng gần gốc: ID tỉ lệ tuyến tính theo UDS JFET giống điện trở Vùng thắt (vùng bão hoà): I D phụ thuộc vào UGS, JFET hoạt động phần tử khuếch đại, dòng I D điều khiển điện áp UGS Điểm A gọi điểm thắt kênh, tiếp xúc P - N chạm trị số điện áp UDS đạt giá trị bão hoà Vùng đánh thủng: trị số UDS tăng cao tiếp xúc P - N bị đánh thủng, dòng điện ID tăng vọt Điểm B gọi điểm đánh thủng Trên thực tế tượng xảy Chú ý: UGS âm điểm A B gần gốc, nghĩa q trình bão hồ đánh thủng sớm xảy tăng dần UDS Bảng: Giá trị số tham số FET Tham số JFET MOSFET Độ hỗ dẫn S 0,1 ÷ 10 mA/V 0,1 ÷ 20 mA/V Điện trở cực máng rd 0,1 ÷ MΩ ÷ 50 KΩ Điện dung cực máng cực nguồn Cds 0,1 ÷ pF 0,1 ÷ pF Điện dung cực cửa cực nguồn, ÷ 10 pF ÷ 10 pF máng Cgs, Cgd Điện trở cực cửa cực nguồn rgs > 108Ω > 1010Ω Điện trở cực cửa cực máng rgd > 108Ω > 1014Ω 4.2.3 Transistor trường loại MOSFET Đây loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện lớp cách điện mỏng Lớp cách điện thường 65 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– dùng chất oxit nên transistor trường loại gọi transistor MOS a Cấu tạo MOSFET Hình 1.82: Sơ đồ cấu tạo MOSFET Điện cực cửa MOSFET cách điện kênh dẫn điện màng điện môi mỏng thường oxit silic (SiO2) Đế linh kiện chất bán dẫn khác loại với chất bán dẫn làm cực S D (MOS - Metal - oxit semiconductor) MOSFET có loại MOSFET kênh có sẵn (còn gọi DMOSFET-Depleted MOSFET- loại nghèo) MOSFET kênh cảm ứng (còn gọi EMOSFETEnhanced MOSFET- oại giàu) Trong loại lại có loại kênh dẫn loại N kênh dẫn loại P MOSFET kênh có sẵn loại transistor mà chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh dẫn Loại có nhược điểm có dòng rò lớn nên người ta sử dụng loại Ký hiệu loại DMOSFET sau: Kênh N Kênh P MOSFET kênh cảm ứng loại transistor chế tạo người ta không chế tạo sẵn kênh dẫn mà kênh dẫn hình thành trình transistor làm việc Ký hiệu EMOSFET sau: Kênh N Kênh P b Nguyên tắc làm việc Nguyên tắc hoạt động MOSFET kênh loại P MOSFET kênh loại N giống cực tính nguồn cung cấp ngược Nguyên tắc hoạt động MOSFET kênh có sẵn (loại N) sau: 66 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Khi transistor làm việc thông thường cực nguồn S nối với đế linh kiện nối đất nên US = Các điện áp đặt vào chân cực cửa G cực máng D so với chân cực S Các chân cực cấp nguồn cho dòng điện chạy từ cực S tới cực D, điện áp cực cửa định MOSFET làm việc chế độ giàu hạt dẫn hay nghèo hạt dẫn Khi UGS = mạch có dòng điện cực máng (dòng hạt điện tử) nối cực S cực D Khi UGS> điện tử bị hút vào vùng kênh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kênh, tức làm giảm điện trở kênh tăng dòng cực máng ID Chế độ làm việc gọi chế độ giàu MOSFET Khi UGS< qúa trình xảy ngược lại, tức điện tử bị đẩy xa kênh dẫn làm điện trở kênh tăng lên, dòng cực máng ID giảm Chế độ gọi chế độ nghèo hạt dẫn MOSFET Hình 1.83: Họ đặc tuyến MOSFET kênh có sẵn loại N Nguyên tắc hoạt động MOSFET kênh cảm ứng (loại N) sau: Loại MOSFET kênh dẫn xuất trình làm việc Khi UGS ≤ 0, kênh dẫn khơng tồn tại, dòng ID = Khi UGS> vùng đế đối diện cực cửa xuất điện tử tự hình thành kênh dẫn nối nguồn máng Độ dẫn điện kênh phụ thuộc vào UGS Như vậy, MOSFET kênh cảm ứng làm việc với loại cực tính UGS chế độ giàu Dưới hình minh hoạ cho trường hợp với loại EMOSFET 67 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Hình 1.84: Hình ảnh minh hoạ nguyên tắc hoạt động MOSFET Họ đặc tuyến đầu EMOSFET Hình 1.85: Họ đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng loại N 4.2.4 Các sơ đồ mắc FET Cũng BJT, FET có cách mắc sơ đồ khuếch đại: sơ đồ mắc cực nguồn chung, mắc cực máng chung mắc cực cửa chung a Sơ đồ mắc cực nguồn chung (SC - source common) Sơ đồ mắc cực nguồn chung FET giống sơ đồ mắc cực phát chung BJT có điểm khác dòng IG thực tế trở kháng vào lớn Đặc điểm sơ đồ SC: + Tín hiệu vào tín hiệu ngược pha + Trở kháng vào vô lớn Zvào R = GS ∞ ≈ + Trở kháng Z = RD // rd + Hệ số khuếch đại điện áp μ ~ (150 ÷ 300 lần JFET kênh N 75 ÷ 150 lần JFET kênh P) 68 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Hình 1.86: Sơ đồ mắc nguồn chung Hình 1.87: Sơ đồ mắc cực máng JFET kênh P chung JFET kênh N b.Sơ đồ mắc cực máng chung (DC - drain common) Sơ đồ mắc cực máng chung giống sơ đồ mắc cực góp chung BJT Đặc điểm sơ đồ DC: + Tín hiệu vào tín hiệu đồng pha + Trở kháng vào cực lớn (lớn sơ đồ SC) + Trở kháng nhỏ Zvào = RS // S + Hệ số khuếch đại điện áp μ < Sơ đồ mắc cực máng chung JFET kênh N (Hình 1.85) c Sơ đồ mắc cực cửa chung (GC - gate common) Hình 1.86: Sơ đồ mắc cực cửa chung JFET kênh N Sơ đồ không dùng thực tế có trở kháng vào nhỏ trở kháng lớn nên không sử dụng lợi FET Bộ vi xử lý 5.1 Khái niệm: Khái niệm “vi xử lý”(microprocessor) “vi điều khiển (microcontroller) Về hai khái niệm không khác nhiều, “vi xử lý” thuật ngữ chung dùng để đề cập đến kỹ thuật ứng dụng công nghệ vi điện tử, cơng nghệ tích hợp khả xử lý theo chương trình vào lĩnh vực khác Vào giai đoạn đầu trình phát triển công nghệ vi xử lý, chip (hay vi xử lý) chế tạo tích hợp phần cứng thiết 69 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– yếu CPU mạch giao tiếp CPU phần cứng khác Trong giai đoạn này, phần cứng khác (kể nhớ) thường không tích hợp chip mà phải ghép nối thêm bên Các phần cứng gọi ngoại vi (Peripherals) Về sau, nhờ phát triển vượt bậc cơng nghệ tích hợp, ngoại vi tích hợp vào bên IC người ta gọi vi xử lý tích hợp thêm ngoại vi “vi điều khiển” Việc tích hợp thêm ngoại vi vào IC với CPU tạo nhiều lợi ích làm giảm ghép nối bên ngoài, giảm số lượng linh kiện điện tử phụ, giảm chi phí cho thiết kế hệ thống, đơn giản hóa việc thiết kế, nâng cao hiệu suất tính linh hoạt Trong tài liệu dùng thuật ngữ “vi xử lý” đề cập đến khái niệm kỹ thuật vi xử lý nói chung dùng thuật ngữ “vi điều khiển” sâu nghiên cứu họ chip cụ thể Về kiến trúc vi xử lý gồm phần cứng sau: - Đơn vị xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) - Các nhớ (Memories) - Các cổng vào/ra song song (Parallel I/O Ports) - Các cổng vào/ra nối tiếp (Serial I/O Ports) - Các đếm/bộ định thời (Timers) Ngoài với loại vi điều khiển cụ thể có thêm số phần cứng khác biến đổi tương tự - số ADC, biến đổi số - tương tự DAC, mạch điều chế dạng sóng WG, điều chế độ rộng xung PWM,… Bộ não vi xử lý CPU, phần cứng khác quan chấp hành quyền CPU Mỗi quan có chế hoạt động định mà CPU phải tuân theo giao tiếp với chúng Để giao tiếp điều khiển quan chấp hành (các ngoại vi), CPU sử dụng 03 loại tín hiệu tín hiệu địa (Address), tín hiệu liệu (Data) tín hiệu điều khiển (Control) Về mặt vật lý tín hiệu đường nhỏ dẫn điện nối từ CPU đến ngoại vi chí ngoại vi với Tập hợp đường tín hiệu có chức gọi bus Như ta có bus địa chỉ, bus liệu bus điều khiển Có thể mơ tả sơ phần cứng bên vi xử lý sau: 5.2 Đơn vị xử lý trung tâm CPU: 70 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– CPU có cấu tạo gồm có đơn vị xử lý số học lôgic (ALU), ghi, khối lôgic mạch giao tiếp Chức CPU tiến hành thao tác tính tốn xử lý, đưa tín hiệu địa chỉ, liệu điều khiển nhằm thực nhiệm vụ người lập trình đưa thơng qua lệnh (Instructions) 5.3 Bộ nhớ: Nhìn chung có hai loại nhớ nhớ chương trình nhớ liệu Bộ nhớ chương trình dùng để chứa mã chương trình hướng dẫn CPU thực nhiệm vụ Thơng thường nhớ chương trình loại nhớ “không bay hơi” (non - volatile), nghĩa không bị nội dung chứa bên ngừng cung cấp nguồn ni Có thể kể số nhớ thuộc loại như: ROM, PROM, EPROM, EEPROM, Flash Bộ nhớ liệu nhớ dùng để chứa liệu (bao gồm tham số, biến tạm thời,…) Tuỳ thuộc loại liệu mà nhớ loại loại “khơng bay hơi” “bay hơi” (mất liệu cắt nguồn nuôi) Loại “bay hơi” thường thấy nhớ SRAM 5.4 Cổng vào/ra song song Đây đường tín hiệu nối với số chân IC dùng để giao tiếp với giới bên IC Giao tiếp đưa điện áp đọc vào giá trị điện áp chân cổng Các giá trị điện áp đưa hay đọc vào biểu diễn hai giá trị lôgic (0 1) Trong kỹ thuật vi xử lý, người ta thường dùng quy ước lôgic dương: giá trị lôgic ứng với mức điện áp thấp xấp xỉ 0VDC, giá trị lôgic ứng với mức điện áp cao xấp xỉ +5VDC Tùy loại vi xử lý mà “khoảng xấp xỉ” khác nhìn chung tương thích với mức lơgic TTL Mỗi cổng vào/ra song song thường gồm 08 đường vào/ra khác gọi cổng 08 bit Các đường tín hiệu vào/ra cổng thuộc cổng độc lập với Điều có nghĩa ta đưa hay đọc vào giá trị lôgic khác chân cổng (từng đường tín hiệu vào/ra) Một điều cần ý cổng vào/ra chúng tích hợp thêm (nói kiêm thêm) chức đặc biệt liên quan đến ngoại vi khác 5.5 Cổng vào/ra nối tiếp Khác với cổng song song, với cổng nối tiếp bit liệu truyền đường tín hiệu thay truyền lúc 71 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– đường tín hiệu khác Thơng thường việc truyền liệu cổng nối tiếp phải tuân theo chế, giao thức hay nguyên tắc định Có thể kể số giao thức SPI, I2C, SCI… Cổng nối tiếp có 02 kiểu truyền liệu chính: - Truyền đồng (synchronous): thiết bị truyền thiết bị nhận dùng chung xung nhịp (clock) - Truyền dị (asynchronous): thiết bị truyền thiết bị nhận sử dụng hai nguồn xung nhịp riêng Tuy nhiên hai nguồn xung nhịp không khác nhiều Xung nhịp yếu tố thiếu truyền liệu nối tiếp có vaitrò xác định giá trị bit liệu (hay nói xác định thời điểm đọc mức lôgic đường truyền liệu) Cổng nối tiếp có tính sau: Đơn cơng: thiết bị truyền nhận liệu Bán song công: thiết bị truyền nhận liệu thời điểm làm hai việc Song cơng: thiết bị truyền nhận liệu đồng thời 5.6 Bộ đếm / định thời Đây ngoại vi thiết kế để thực nhiệm vụ đơn giản: đếm xung nhịp Mỗi có thêm xung nhịp đầu vào đếm giá trị đếm tăng lên 01 đơn vị (trong chế độ đếm tiến/đếm lên) hay giảm 01 đơn vị (trong chế độ đếm lùi/đếm xuống) Xung nhịp đưa vào đếm hai loại: Xung nhịp bên IC Đó xung nhịp tạo nhờ kết hợp mạch dao động bên IC linh kiện phụ bên ngồi nối với IC Ta ví “nhịp tim” để tồn phần cứng bên vi xử lý (bao gồm CPU ngoại vi) hoạt động Trong trường hợp sử dụng xung nhịp loại này, người ta gọi định thời (timers) Do xung nhịp bên loại thường đặn nên ta dùng để đếm thời gian cách xác Xung nhịp bên ngồi IC Đó tín hiệu lôgic thay đổi liên tục 02 mức 0-1 không thiết phải đặn Trong trường hợp người ta gọi đếm (counters) Ứng dụng phổ biến đếm đếm kiện bên đếm sản phầm chạy băng chuyền, đếm xe ra/vào kho bãi… Một khái niệm quan trọng cần phải nói đến kiện “tràn” (overflow) Nó hiểu kiện đếm đếm vượt giá trị tối đa mà biểu diễn quay trở giá trị Với đếm bit, giá trị tối đa 255 65535 72 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– với đếm 16 bit Ngoài phần cứng nêu phải kể đến khối lơgic khác khối giao tiếp bus Khối có chức ghép nối bus bên chip chân đưa ngồi chip Mục đích việc đưa tín hiệu địa chỉ, liệu điều khiển nhằm mở rộng khả phối ghép thêm vi xử lý với ngoại vi khác (chủ yếu nhớ ngoài) ngoại vi tích hợp IC Thơng thường số lượng đường tín hiệu giữ ngun đưa chip, nhiên số trường hợp số lượng đường tín hiệu nhỏ số lượng thực bên (ví dụ trường hợp vi xử lý 8088, bus liệu bên 16 bit đưa có bit) Khi đưa ngồi, tín hiệu địa liệu ghép với (cùng sử dụng chung số chân đó) tách riêng (tín hiệu địa dùng số chân, tín hiệu liệu dùng số chân khác) Người ta thường “dồn kênh” (multiplex), tức ghép chức năng, bus địa bus liệu để giảm thiểu số chân cần thiết Trong trường hợp này, tín hiệu địa xuất trước, sau tín hiệu liệu tập hợp đường tín hiệu Để tách loại tín hiệu nhà sản xuất cung cấp cho người sử dụng đường tín hiệu điều khiển có tên tín hiệu chốt địa (thường ký hiệu ALE) Tín hiệu tích cực tín hiệu địa xuất khơng tích cực tín hiệu liệu xuất bus Các IC thích hợp với việc tách tín hiệu địa liệu IC thuộc họ 74xx373/374 74xx573/574 5.7 Nguyên lý hoạt động vi xử lý Trước hết, ta hiểu khái niệm nhắc tới kỹ thuật vi xử lý “khơng gian địa chỉ” Nó hiểu số lượng địa mà CPU phân biệt Trong nhớ có nhiều ô nhớ CPU thường phải truy nhập (ghi đọc) đến nhớ cụ thể, CPU tất nhiên phải phân biệt ô nhớ riêng rẽ với Mỗi nhớ cần phải có địa gắn với Địa dành riêng cho nhớ đó, khơng trùng với địa ô nhớ khác, truy nhập tới địa tức truy nhập đến nhớ Ngồi nhớ, vi xử lý có số phần cứng khác cần có địa dành riêng cho ghi điều khiển, ghi liệu,…Thường tất phần cứng cần truy nhập hay tác động đến phải gắn với hay nhiều địa Lấy ví dụ, để giao tiếp điều khiển đếm (timer/counter), CPU cần phải tác động đến ghi quy định chế độ hoạt 73 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– động, ghi chứa số đếm đếm Các ghi có địa gán riêng cho chúng nhờ địa mà CPU ghi/đọc giá trị ghi, qua tác động lên đếm.Vi xử lý hoạt động theo số nguyên tắc sau: - Các thao tác tính tốn xử lý vi xử lý, hay nói CPU, thực theo dẫn (chính lệnh) đặt nhớ chương trình Đương nhiên nhớ chương trình khơng có dẫn kiểu “hãy đưa điện áp +5VDC chân cổng A!” hay “dừng đếm lại, đừng cho đếm thêm xung nhịp nữa!” hay “hãy tạm thời chờ điện áp chân B có giá trị lơgic 0!” Đó ngơn ngữ người, vi xử lý không nghe đương nhiên khơng hiểu câu đó, chúng nhận biết hai hai giá trị lôgic trái ngược mà Hai giá trị lơgic trái ngược đen-trắng, khơng-có, caothấp,…Điều khơng quan trọng, quan trọng mặt vật lý (điện học), nhờ chế mà đọc nội dung nhớ hay đọc giá trị lôgic cổng vào ra, vi xử lý phân biệt giá trị đọc giá trị lôgic thứ khơng phải Theo truyền thống người ta quy định chung giá trị lơgic Biểu thị giá trị lơgic theo quy ước lôgic dương điện áp cao (xấp xỉ +5VDC) cho giá trị điện áp thấp (xấp xỉ 0VDC) cho giá trị Như vậy, thay nói với vi xử lý “hãy đưa giá trị lôgic chân cổng A!”, người ta mã hố câu nói thành chuỗi bit lơgic 0-1 (ví dụ 00001010 chẳng hạn) đặt nhớ chương trình IC CPU cấp nguồn ni đọc tất nhiên hiểu chuỗi 0-1 có nghĩa thực theo ý nghĩa lệnh dịch từ chuỗi 0-1 - Việc thực lệnh diễn (lệnh địa thấp thực trước) địa reset Địa reset địa nhớ chương trình mà đó, sau cấp nguồn ni, CPU bắt đầu đọc thực theo dẫn mã hóa đặt Mỗi loại vi xử lý có địa reset riêng (thường từ 0000H) nhà sản xuất quy định - Các lệnh thực nhờ có ghi “bộ đếm chương trình”(PC) Thanh ghi chứa địa ô nhớ chứa mã lệnh thực Khi CPU tìm nạp mã lệnh n, ghi PC tự động tăng lên đơn vị để trở vào ô nhớ chứa mã lệnh (n+1) 74 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - CPU thực lệnh theo bước nhỏ Thường bước bao gồm: tìm nạp mã lệnh (fetch-tức truy cập nhớ chương trình, đọc lấy giá trị nhớ có địa trỏ ghi PC, lưu vào ghi chuyên dùng chứa mã lệnh CPU), giải mã lệnh (decode-giải mã giá trị lấy đặt ghi chứa mã lệnh CPU), cuối thực lệnh (execute-thực dẫn giải mã từ mã lệnh đọc được) Những vi xử lý thiết kế với phương thức thực lệnh cách “tuần tự”, nghĩa thực bước lệnh thứ n thực bước lệnh thứ (n+1) Sau này, vi xử lý thiết kế với CPU module hóa thành phần riêng biệt có hoạt động độc lập với nhau, mà cấu trúc xử lý đường ống (pipeline) đời Với cấu trúc này, bước nhỏ việc thực lệnh gối lên nhau, phần cứng CPU thực bước (thực lệnh) lệnh n phần cứng khác CPU thực việc giải mã lệnh (lệnh thứ n+1), đồng thời phần cứng khác CPU tìm nạp mã lệnh thứ (n+2) Với cấu trúc xử lý đường ống, tốc độ xử lý CPU nâng cao rõ rệt tất vi xử lý ngày thiết kế với CPU theo cấu trúc xử lý - Ngăn xếp (Stack): Là đoạn nhớ (thường đặt RAM) dùng để chứa địa trở trường hợp chương trình chương trình phục vụ ngắt gọi Ngồi ngăn xếp dùng để lưu liệu tạm thời Ngăn xếp hoạt động theo chế “vào sau trước” (LIFO-Last In First Out) Thanh ghi trỏ ngăn xếp (SP-Stack Pointer) ghi có nội dung địa ô nhớ ngăn xếp Giá trị SP tăng giảm cách tự động Ngăn xếp phần cứng vô quan trọng vi xử lý, tham gia vào thao tác rẽ nhánh (trừ thao tác nhảy) chương trình Người lập trình phải cẩn thận gán giá trị khởi tạo cho SP để tránh cố tràn ngăn xếp ngăn xếp trùng với vùng nhớ lưu liệu khác Khi xảy cố trên, khơng có cách kiểm soát hoạt động vi xử lý gây thiệt hại lớn hệ thống Giống trò chơi, chơi lý phạm vào hai lỗi đó, tất nhận hình dòng chữ “GAME OVER”! 75 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– - Vậy địa trở về? Như nói trên, vi xử lý thực lệnh cách tuần tự: lệnh 1, lệnh 2,…, lệnh n, lệnh n+1,…Tuy nhiên gặp phải lệnh gọi chương trình phải chuyển sang thực chương trình Đoạn mã lệnh chương trình thường nằm nơi khác nhớ chương trình, tức có địa khơng liên tiếp với lệnh gọi chương trình Nhắc lại ghi PC lúc chứa địa lệnh tiếp sau lệnh gọi chương trình CPU biết thực có địa chứa PC, mà PC cần phải nạp giá trị địa mã lệnh chương trình Việc nạp giá trị cho PC thực cách tự động bạn gọi chương trình con, ngồi địa lệnh tiếp sau lệnh gọi chương trình chương trình tự động lưu lại để sau thực xong chương trình con, CPU quay lại thực tiếp chương trình cách chỗ, khơng có chuyện xảy Nơi lưu giữ cách tự động địa trở (địa lệnh tiếp sau lệnh gọi chương trình con) ngăn xếp Người ta thực việc chia chương trình thành chương trình (là đoạn chương trình thực nhiệm vụ cụ thể) để dễ dàng cho việc lập trình dò lỗi Bạn dần có kỹ chia nhỏ chương trình thành chương trình cách hợp lý trình lập trình cho vi xử lý - Ngăn xếp có vai trò tương tự ngắt Vậy ngắt gì? Đó yêu cầu ngoại vi (là phần cứng tích hợp IC tác động từ bên ngồi) gửi tới CPU nhằm đòi hỏi đáp ứng định Mục đích việc thiết kế chế ngắt vi xử lý nhằm tiết kiệm thời gian cho CPU Trong hầu hết trường hợp, vi xử lý cần phải thực nhiều nhiệm vụ thời gian ngắn liên tục Để đáp ứng kịp thời với kiện cần xử lý, CPU tiến hành thăm dò polling) liên tục kiện để xem chúng xảy xử lý, đáp ứng lại Tuy nhiên làm lãng phí nhiều thời gian CPU có nhiều nhiệm vụ khác chờ thực hiện, CPU khơng thể thăm dò nhiều kiện lúc Người ta tạo ngắt để CPU thăm dò liên tục hay nhiều kiện Bằng cách ghép kiện cần đáp ứng với chế ngắt khác nhau, kiện xảy ra, phần cứng phụ trách ngắt tích hợp CPU tự động báo cho CPU biết kiện xảy CPU dừng cơng 76 Giáo trình: Điện tử ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– việc làm lại (nhưng phải thực xong lệnh thực hiện, dù giai đoạn tìm nạp mã lệnh), chuyển sang đáp ứng cách thực chương trình phục vụ ngắt tương ứng Đáp ứng xong, tức xử lý xong kiện gây ngắt, CPU tiếp tục quay lại làm tiếp công việc dang dở (đương nhiên nhờ hoạt động ngăn xếp) Nói đến ngắt khơng thể khơng nói đến mức ưu tiên loại ngắt khác Có 02 loại mức ưu tiên ngắt ưu tiên ngắt xảy đồng thời (ngắt A ngắt B xảy đồng thời lúc) ưu tiên ngắt xảy khác thời điểm (đang thực chương trình phục vụ ngắt A lại xảy ngắt B) Trong hai trường hợp, ngắt có mức ưu tiên cao phục vụ Tùy loại vi xử lý mà mức ưu tiên thay đổi linh hoạt cố định - Khác với chương trình con, thời điểm thực chương trình phục vụ ngắt hầu hết trường hợp nằm ngồi kiểm sốt người lập trình ngắt xảy thời điểm nào, CPU thực lệnh chương trình Vì chế hoạt động cách tự động ngăn xếp thiếu vi xử lý Cũng mà cần phải xem xét kỹ lưỡng việc sử dụng tài ngun (thanh ghi, nhớ, biến, chí ngoại vi) chương trình phục vụ ngắt để tránh tranh chấp với chương trình Thơng thường vào đầu chương trình phục vụ ngắt, người ta lưu lại tài nguyên dùng chung trước thay đổi chúng Kết thúc chương trình phục vụ ngắt, tài nguyên khôi phục lại giá trị chúng trước trở chương trình Thực thao tác lưu trữ khôi phục đương nhiên liên quan đến ngăn xếp, có điều thực cách tự động CPU mà phải người lập trình chủ động thực lệnh Người lập trình phải định cất lấy gì! Cũng phải ý đến chế hoạt động “vào sau trước” ngăn xếp cất phải lấy nhiêu Nếu không bạn phạm phải lỗi tương tự tràn ngăn xếp có Chúa biết chuyện xảy địa trở không nạp vào ghi PC Một tài nguyên hay bị thay đổi thực chương trình phục vụ ngắt cờ trạng thái CPU Đó bit thể trạng thái thời CPU kết thực lệnh Các cờ thường ghép với thành ghi gọi ghi trạng thái 77 ... Đen 10 0 Nâu 10 1 ± 1% Đỏ 10 2 ± 2% 10 0 Cam 10 3 - 250 Vàng 10 4 - Lục 10 5 ± 0,5% Lam 10 6 ± 0,2% Tím 10 7 ± 0 ,1% Xám 10 8 - Trắng 10 9 + 5%, -20% 25 Vàng kim 10 -1 ±5% Bạch kim 10 -2 10 % Nhôm Tantan 10 ... Hệ số nhân Dung sai Vạch 1, 2 (3) Vạch (4) Vạch (5) Đen 10 0 Nâu 10 1 1% Đỏ 10 2 2% Cam 10 3 Vàng 10 4 Lục 10 5 Lam 10 6 Tím 10 7 Xám 10 8 Trắng 10 9 Vàng kim 10 -1 5% Bạch kim 10 -2 10 % Khơng màu 20% Chú ý:... theo qui ước tiêu chuẩn hình 1. 5 R12 R159 Điện trở thường Biến trở 1/ 8 W 1W 1/ 4 W 5W 1/ 2 W 10 W Điện trở cơng suất Hình 1. 5: Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch điện Hình 1. 6: Hình dáng thực tế số điện