CHOT QĐT HK201 – trang 16 ĐHBK Tp HCM – Khoa ĐiệnĐT–Bộ môn Điện Tử GVPT: Hồ Trung Mỹ Câu hỏi ôn thi QUANG ĐIỆN TỬ – HK201 VP (Ngoài các dạng câu hỏiBT trong KT tại lớp, SV xem thêm các câu hỏi sau) Viết tắt: LD = Laser Diode; LDR = Quang trở; PD = Photodiode; SC = Solar Cell; PT = Phototransistor 1. Nguyên tắc tạo LASER bán dẫn. Bốn tính chất chính của LASER là gì? 2. Để tạo sự đảo ngược mật độ cho quá trình LASER, người ta dùng phương pháp “bơm” điện tử lên mức năng lượng cao hơn. Có bao nhiêu phương pháp “bơm” và loại nào dùng cho LASER nào? 3. Các điều kiện cần và đủ để tạo LASER là gì? Điều kiện ngưỡng? 4. Mô tả hồi tiếp quang và dao động LASER. Quan hệ giữa bước sóng ánh sáng và chiều dài hộp cộng hường. 5. Những hiệu quả của việc dùng chuyển tiếp dị thể trong “LASER Diode” (LD) là gì? 6. Chuyển tiếp pn trong LD có đặc điểm gì? Tại sao? Nguyên tắc hoạt động của LD? 7. Đặc tuyến vàora của LD. Khi nhiệt độ tăng thì dòng ngưỡng Ith của LD tăng hay giảm? 8. So sánh giữa LED và LD, chỉ xét 5 điểm chính sau: Nguyên tắc hoạt động, Chùm ánh sáng xuất, Độ rộng phổ, Tốc độ dữ liệu, và Khoảng cách truyền 9. Phân loại các bộ phát hiện bức xạ. Định nghĩa của RE, NEP và D. 10. Sự khác biệt giữa hiệu ứng quang điện bên ngoài và hiệu ứng quang điện bên trong. Cho thí dụ các bộ phát hiện bức xạ có sử dụng các hiệu ứng này. 11. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của photodiode chân không. 12. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bộ nhân quang (PMT). Định nghĩa độ lợi toàn phần. 13. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bảng vi kênh (MCP). Nêu các ứng dụng của vi kênh. 14. So sánh PMT và bảng vi kênh. 15. Nguyên tắc hoạt động của quang trở (LDR). Cấu tạo. Đặc tuyến của quang trở. 16. Phương trình mô tả quan hệ giữa điện trở của quang trở và độ chiếu sáng. Chứng minh độ nhạy (RE) theo điện trở của quang trở: RER = (DRR)(DEE) = –a. 17. Xét mạch dùng LDR ở hình 1, hãy tìm biểu thức cho biết sự thay đổi của điện áp ra Vo theo độ chiếu sáng E: S = (DVoVo)(DEE) = ? Nếu LDR có RC = 5 KW ở 100 lux và a = 0.8, RL = 5 KW; hãy tìm Vo khi độ chiếu sáng là 150 lux và khi độ chiếu sáng tăng 10% thì Vout thay đổi bao nhiêu %? Hình 1 Hình 2 Hình 3 18. Làm lại câu trên với mạch ở hình 2. 19. Trình bày sự khác biệt giữa quang trở và photodiode bán dẫn. 20. Hãy vẽ vùng làm việc an toàn (SOA) của LDR trong đặc tuyến log dònglog áp và cho biết khi nhiệt độ tăng thì SOA này tăng hay giảm? Giải thích. 21. Cho mạch ở hình 3 với BJT có VCEsat=0.2V và VBE(on)=0.7V a) Hãy tìm biểu thức của Vout theo giá trị của quang trở Rl (giả sử bỏ qua dòng ở cực nền). b) Quang trở sử dụng có giá trị là 50KW (khi không có ánh sáng chiếu vào E=0), 200W (khi độ chiếu sáng là E=500 lx), và có a=0.8. Tìm giá trị độ chiếu sáng E làm cho transistor bão hòa 22. Thiết kế mạch quang kế đơn giản bằng 1 nguồn DC, 1 quang trở và 1 Ampere kế mắc thành vòng kín. Giả sử rằng độ chiếu sáng tối đa là 2fc và có sẵn nguồn DC là pin 1.25V và ampere kế chỉ toàn thang là 150 mA. Quang trở có đặc tính: (1 fc = 10.764 lx)R = 80 KW ở 0.1 fc; R = 70 KW ở 1 fc; R = 55 KW ở 10 fc. 23. Thiết kế một mạch làm đèn sáng (ON) khi độ chiếu sáng giảm xuống còn 20 lx. Các linh kiện khả dụng là quang trở có RC = 4 kW ở 100 lx, a=0.8, nguồn cấp điện VCC = 9 V, diode Zener 5V được phân cực với IZ = 4 mA và một bộ so sánh áp. Với mạch thiết kế trong hình 4.CHOT QĐT HK201 – trang 26 Hình 4 a) Tính các giá trị R1 và R2. b) Tìm biểu diển tỉ số của sai số tương đối của VO (sụt áp trên R1) theo sai số tương đối của độ chiếu sáng E: (DVOVO)(DEE) = ? c) Khi E giảm 10 % thì điện áp Vo tănggiảm bao nhiêu % nếu độ chiếu sáng ban đầu E = 100 lx? 24. Tế bào mặt trời là gì? Kể ra các ứng dụng của nó. 25. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của photodiode bán dẫn (PD). 26. Mạch tương đương của PD? Ý nghĩa của các thành phần trong mạch tương đương. 27. Đặc tuyến PD bán dẫn. Giải thích các góc phần tư trên đặc tuyến ứng với miền hoạt động gì? PD tín hiệu sử dụng ở góc phần tư thứ mấy? 28. Pin mặt trời sử dụng góc phần tư thứ mấy trong đặc tuyến của PD bán dẫn? Đáp ứng của pin mặt trời? Người ta cải thiện hiệu suất của pin mặt trời bằng cách nào? 29. Nếu không có đặc tuyến pin mặt trời thì điện trở tải tối ưu tính theo biểu thức nào? 30. Vẽ 2 mạch cơ bản dùng opamp để khuếch đại dòng điện quang qua PD. 31. Kể tên các photodiode thông dụng? Trong đó loại nào thường được sử dụng trong truyền thông? Vì sao? 32. So với photodiode chuyển tiếp pn thông thường thì photodiode loại PIN có những ưu điểm gì? 33. Hãy vẽ 2 mạch khuếch đại dòng điện sáng của photodiode theo khuếch đại tuyến tính và khuếch đại loga. Trong các mạch này, photodiode được phân cực như thế nào? 34. Giả sử rằng đặc tuyến của photodiode tuyến tính với cường độ sáng trong dãi từ 5000 lmm2 đến 10 000 lmm2. Tính cường độ sáng cần để làm cho điện trở hiệu dụng của photodiode là 1250W khi điện áp ngược là 2V (định nghĩa điện trở hiệu dụng của photodiode là trị số của điện áp phân cực ngược chia cho cho dòng ngắn mạch). 35. Xét 2 pin mặt trời giống nhau có VLO (hay VOC) = 0.5 V và ILS (hay ISC)= 40 mA. Hãy tìm điện trở tải tối ưu cho mạch dùng: a) 2 pin mặt trời mắc nối tiếp; b) 2 pin mặt trời mắc song song 36. Thiết kế 1 mảng pin mặt trời (SC) để nạp một bình accu 6.6V và 0.5A (biết pin mặt trời hoạt động ở VD =0.5V và ID=160mA). Hãy vẽ sơ đồ mạch và tính số SC mắc nối tiếp trong 1 nhánh và số nhánh song song? 37. Thiết kế một đồng hồ đo độ sáng 4 tầm với toàn thang (FS) ở 300, 100, 30 và 10 fc. Sử dụng photodiode có dòng điện quang ngắn mạch ISC = 0.5mA ở độ chiếu sáng 100lx. Giả sử điện kế sử dụng có chỉ thị toàn thang ở 1V và sử dụng khuếch đại opamp dạng không đảo có điện trở hồi tiếp là 10KW. 38. Khi nào có thể sử dụng phototransistor như một photodiode. 39. Cấu tạo của phototransistor (BJT npn). Đặc tuyến và vùng làm việc an toàn (SOA). 40. Tại sao tính tuyến tính của phototransistor bị giới hạn đến dãi hẹp hơn nhiều so với photodiode hay LDR? 41. Dòng điện tối của phototransistor phụ thuộc các yếu tố nào? Vẽ phác đường cong liên hệ giữa dòng điện tối với chúng. 42. Hãy nêu các ảnh hưởng đến phototransistor khi ta mắc thêm điện trở RBE từ cực base của phototransistor xuống đất. 43. Hãy vẽ các mạch khuếch đại cơ bản khi sử dụng phototransistor loại npn với BJT. 44. Thiết kế 1 lux kế đơn giản dùng phototransistor (BJTnpn) với opamp và 1 số điện trở. Giả sử photodiode bên trong phototransistor có RE là 0.25µA1000lux và phototransistor có b = 100. Mạch có 2 thang đo 100 lux và 1000 lux, ngõ ra opamp là 5V khi độ chiếu sáng là 100 lux hoặc 1000 lux. 45. Xét mạch dùng photodiode ở hình sau. Điện áp VS = 10V, RL= 2MW, Độ nhạy RE của photodiode (RE = dòng điện quangcông suất quang) là 100 µAmW, và dòng tối iD = –0.5 nA ở góc phần tư thứ 3 của đặc tuyến IV. a) Vẽ đặc tuyến dòngáp trong vùng photodiode tín hiệu với mức công suất ánh sáng tới từ 20 µW đến 60 µW (với gia số 10 µW). Vẽ đường tải trên cùng đồ thị; b) Photodiode bão hòa khi công suất quang vào là bao nhiêu?CHOT QĐT HK201 – trang 36 Hình 5 Hình 6 Hình 7 46. Thiết kế mạch đo độ sáng 2 tầm với toàn thang (FS = full scale) tuyến tính ở 1000lx, và 10000 lx. Sử dụng photodiode có dòng điện quang ngắn mạch ISC= 1mA ở độ chiếu sáng 100lx. Mạch dùng photodiode trên với opamp và các điện trở, giả sử điện áp ở ngõ ra opamp là 5V khi tầm đo FS. Hãy vẽ mạch cần thiết kế và tính các giá trị điện trở tương ứng. Hướng dẫn: Dùng mạch ở hình cho 1 thang đo. 47. Với mạch Hình 7, hãy giải thích chức năng của các linh kiện, ứng dụng của mạch, và tìm biểu thức Vo? Hình 8 Hình 9 Hình 10 48. Xét mạch hình 8, hãy cho biết ứng dụng của các mạch này? Khi nào LED 1 và LED 2 sáng? 49. Mạch hình 9 có VS =3V, R =10 kW, Q =2N2904, PT và LED đỏ. Cho biết ứng dụng và giải thích hoạt động. 50. Để có đáp ứng nhanh và độ lợi cao trong mạch sử dụng phototransistor, người ta dùng mạch ở hình 10. Các linh kiện nào trong mạch cho đáp ứng nhanh, và độ lợi cao? Mạch này bị sai ở đâu? Hãy sửa lại cho đúng? 51. Hãy tìm điểm tĩnh Q của PD và biểu thức ngõ ra trong mỗi mạch sau của hình 11: (a) (b) (c) (d) (e) (f) 52. Sự dẫn quang trong sợi quang dựa trên nguyên lý gì? Hãy mô tả nguyên lý đó? Vật liệu chế tạo sợi quang?CHOT QĐT HK201 – trang 46 53. Có bao nhiêu loại sợi quang? So sánh giữa chúng. 54. So sánh sợi quang chiết suất bước đơn cách (SMSI) và đa cách (MMSI) theo các hạng mục sau: đường kính lõi, loại nguồn sáng ghép vào sợi quang, tán sắc và khoảng cách truyền. 55. Xét sợi quang loại chiết suất bước với core có chiết suất 1.495. Khi đó chiết suất tối đa của cladding là bao nhiêu để ánh sáng đi vào sợi quang ở góc 60 độ sẽ đi trong sợi quang? Biết chiết suất của không khí là 1.0. 56. Một sợi quang chiết suất bước có ncore = 1.51 và nclad = 1.48. Tính NA và góc nhận qa (theo độ) của sợi quang. Nếu người ta dùng thấu kính có NA = 0.2 để tập trung ánh sáng vào sợi quang. Góc tối đa của các tia đi vào sợi quang lúc này là bao nhiêu? Khi dùng thấu kính như vậy thì có mất mát gì không? 57. Một sợi quang chiết suất bước có chiết xuất lõi và phần bọc (cladding) tương ứng là 1.465 và 1.460; và đường kính của lõi là 10µm. Hãy tính tần số chuẩn hóa V và số cách M khi nó làm việc với ánh sáng có llà: a)1.55 µmvà b) 0.85 µm. 58. Tính các chiết suất của lõi và phần bọc (cladding) của sợi quang chiết suất bước có NA = 0.35 và D = 1%.CHOT QĐT HK201 – trang 56 Phụ lục – Các mạch cảm biến quang STT Mạch 1 Lightcontrolled LED Lightcontrolled using a transistor “switch” 2 Improved LightControlled Switch Using a Transistor 3 A Basic Optical Sensor 4 A LED can detect a rotating reflective encoderCHOT QĐT HK201 – trang 66 5 Photodectors 6 Optocoupler Open Collector Module 7 Optically isolated input line (R3 = 330K–470K) Current loop transmission circuit