Cơ sở kỹ thuật điện tử số giáo trình tinh giản vũ đức thọ dịch, đỗ xuân thụ giới thiệu và hiệu đính

THƯ VIỆN ĐẠI HỌC NHA TRANG M >N ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC THANH HOA BẮC KINH 621.381 c 460 c o SỎ Kĩ THUỘT ĐIÊN TỬ SỐ THU VIEN DH NHA TRANG nI r I I I ~ỉ I _J Ị_ _ I ỊJ i I I ỉ 3■ c * 0 0 " 3000016529 u c ■M I11 1 ỉ 1U BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - ĐẠI HỌC THANH HOA BẮC KINH VŨ ĐỨC THỌ dịch Đỗ XUÂN THỤ giới thiệu hiệu dính Cơ SỞ Kĩ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ GIÁO TRÌNH TINH GIẢN (Tái lần thứ tư) TRỰỠHỒBẠI HOC NHATRANG i THƯ VIỀN ñ M NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC ị 6T1 GD-03 189/57-03 Mã số : 7B306T3 -CNĐ LỜI GIỚI THIỆU Cùng với tiến khoa học công nghệ, thiết bị diện tử dang tiếp tục dược ứng dụng ngày rộng rái mang lại hiệu cao hàu hết lỉnh vực kinh té ki thuật củng dời sống xã hội Việc gia công xử lí tín hiệu thiết bị diện tử dại dựa sở ngun lí số thiết bị làm việc dựa sỏ nguyên lí số có ưu điểm hàn thiết bị diện tử làm việc sỏ nguyên lí tương tự, dặc biệt ki thuật tính tốn Bỏi hiểu biết sâu sắc diện tủ só khơng thể thiếu dược dối vói kỉ sư diện tử Nhu cầu hiểu biết vầ ki thuật số riêng dối với ki sư diện tử mà cịn dối vói nhiều cán ki thuật ngành khác có sử dụng thiết bị diện tử Đề dáp ứng nhu cầu lớn lao này, anh Vũ Đức Thọ cấn giảng dạy Khoa Điện tử - Viển thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dã chọn dịch "Cơ sỏ kí thuật diện từ số - Giáo trình tinh giả n " Bộ môn Điện tử Trường dại học Thanh Hoa Bắc Kinh "Cơ sỏ kỉ thuật diện tử số - Giáo trình tinh giản" tập giảo trình dược soạn thảo d ể dạy cho sinh viên Trường Đại học với thời gian 120 tiết (không kể thời gian thục nghiệm) Giáo trình giói thiệu cách hệ thống phản tử cần dừng mạch diện từ số, kết hợp vói số mạch diển hình, giải thích khải niệm cổng diện tử số, phương pháp phàn tích củng cấc phương pháp thiết kế logic Tồn giáo trình bao gịm kiến thức cáu kiện bán dẫn, mạch cổng logic, sỏ dại số logic, mạch logic tồ hợp, mạch trigơ, mạch logic dãy, sản sinh tín hiệu xung củng sủa dạng xung, khái niệm v'ê chuyển dổi số - tương tự tương tự “ số Tát gôm chương Sau chương d'êu có phần tóm tát nội dung d ể dộc giả dễ dàng ghi nhớ, câu hòi gợi ý tập d ể dộc giả kiềm tra mức dộ nắm kiến thức sau học chương Cách cáu trúc giáo trình rát logic di từ dơn giản dến phức tạp, từ d ễ dến khó, phàn trước tạo tiền dề kiến thức cho phàn sau Cách trình bày ván d'ê rõ ràng khúc triết Nội dung chương rát chắt lọc, bỏ qua dược dẫn dắt tốn học dài dịng, dảm bảo tính bản, cốt lõi ván d'ê, khái niệm mói dược nhăn mạnh dúng mức Trên sỏ kiến thức kinh diền giảo trình dã cố gàn g tiếp cận cấc ván dè dại, dồng thời liên hệ vói thực tế ki thuật, ví du giảo trình dã bỏ qua mạch diện xây dựng sỏ cáu kiện rời rạc mà chủ yếu nói vè mạch diện xây dụng sỏ mạch tổ hợp vi diện tử (IC) Trong chủ yếu giói thiệu hệ thống xây d ự ng sỏ IC cỡ nhỏ cỡ trung bình dã thích dáng dề cập dến hệ thống xây dựng sỏ 1C cỡ lớn siêu lớn Chúng nghỉ, dọc giáo trình này, dộc giả mau chóng nắm dược ván đề cốt lõi kỉ thuật diện tủ số, tăng cường nàng lực giải ván d'ê kỉ thuật thực tế củng bồi dưỡng lực tự học Bỏi sách giảo trình trước hết thích hợp cho dộc giả muốn tự học Các học sinh cao đảng kỉ thuật ngành Điện tủ - Viẻn thông, làm tài liệu bồ trợ cho sinh viên trường dại học, nói chung cho tát quan tâm đến kỉ thuật diện tử số Củng càn nói thêm ràng thuật ngữ tiếng Việt dùng dịch vào thuật ngữ dược dùng trình giảng dạy Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, rát có thề có thuật ngữ chưa thỏa dáng, mong dộc giả gàn xa góp ý kiến Các ý kiến xin gửi vè Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nhà xuất Giáo dục Xin trân trọng cám ơn Đ ố XUÂN THỤ Chù nhiệm KHOA ĐIỆN TỬ - VIẾN THÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Chương ĩ NHỮNG KIÊN THÚC c BẨN VE CÀU KIỆN BÁN DAN 1.1 CÁC KIẾN THỨC CO BẨN VỀ VẬT LIỆU BẤN DAN 1.1.1 Vật liệu dẫn điện, cách điện hán dẫn Trong đời sống hàng ngày thực tiễn sản xuất, người biết rằng, bạc nhôm sát vật liệu dẫn điện tốt ; nhựa, sứ, da, thủy tinh vật liệu cách điện tốt (dù cho có cao áp đặt vào khơng cổ dịng điện chạy qua chúng ) Đặc tính dẫn điện vật liệu bán dán nằm dẫn điện cách điện Vì vật liệu lại cố tính dẫn điện khác ? nguyên nhân cãn cách liên kết nguyên tử với kết cấu thân nguyên tử vật liệu Chúng ta biết ràng, nguyên tử tạo thành từ hạt nhân mang điện dương điện tứ mang điện âm, điện tủ chia thành nhiêu tầng vây quanh hạt nhân không ngừng chuyển động Vật liệu dẫn diện : So sánh tương đồi với vật dẫn khác, kim loại, điện tử lớp nguyên tử bị hạt nhân hút yếu ; cđ nhiều điện tử không bị ràng buộc với hạt nhân trở thành điện tử tự Những điện tử tự trở thành hạt dẫn mang điện Dưới tác dụng diện trường ngồi, chúng di chuyển cđ hướng hình thành dịng điện Do kim loại dẫn điện tốt Vật liệu cách diện : Trong vật liệu cách điện, lực ràng buộc với hạt nhân điện tử lớn ; chúng khd cò thể tách khỏi hạt nhân, nên số điện tử tự ; đđ tính dẫn điện Vật liệu bán dẫn : Cấu trúc nguyên tử vật liệu bán dẫn Các điện tử lớp ngồi khơng dễ dàng tách khỏi liên kết với hạt dẫn điện, mà không ràng buộc chặt với hạt nhân Do đó, đặc tính dẫn điện no' nằm gịữa vật liệu dẫn điện tương đối đặc biệt nhân vật liệu vật liệu cách điện vật liệu cách điện 1.1.2 Hiện tượng dấn điện vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn khiết gọi bán dẫn mà đặc trưng tính bán dẫn phụ thuộc nguyên tố hóa học Hạt dẫn điện bán dẫn điện tử lỗ trống b-CSKT Lỗ trống Để làm rõ lỗ trống gì, ta quan sát cấu trúc nguyên tử hai nguyên tổ bán dẫn Ge Si biểu thị hình 1.1.1 Chúng cổ đặc điểm chung tẩng cố điện tử Các điện tử gọi điện tử hđa trị Nguyên tử cđ hóa trị số điện tử hổa trị chúng Vậy Ge Si nguyên tố hđa trị Khi vật liệu bán dẫn Ge, Si chế _o~ tạo thành tinh thể từ trạng thái „ 'O—xếp lộn xộn thông thường, chúng trở thành / , o ' \ N\ trạng thái hoàn toàn trật tự cấu trúc Ị / 'V '' ò ‘ (S i) 1 o tinh thể nguyên tử Khi đố, khoảng \ VV yJ \ V v ' cách nguyên tử đêu nhau, v N>1 J o N o-o_o-° / vào khoảng 2,35 10~4 jum Bốn điện tử ^ —O" lớp nguyên tử không (b) ờ) chịu ràng buộc với hạt nhân thân nguyên tử đđ, mà liên kết với nguyên tử gần kễ xung quanh Hai nguyên Hình - - Sơ đổ cấu trúc phăng nguyên tử tử đứng cạnh cđ đôi điện tử gđp Si (a) nguyên tử Ge(b) chung Mỗi điện tử đôi vừa chuyển động quanh hạt nhân nguyên tử n@XEH >©C“ s fl nu %JJ Khuếch tán tạp chỏt vo n tinh th Si : ã>â(p)âC" 'S a) Khuếch tán B tạo thành bán dẫn p ; ũ +5 b) Khuếch tán p tạo thành bán dán N 'S' ©c'S' (b) (Mũi tên chì vào lỗ trống) (Mũi tên vào điện tử) Vỉ số lượng nguyên tử B nhỏ so với Si nên cấu trúc tinh thể bán dẫn không đổi Tầ biết rằng, B nguyên tố hda trị 3, cd ba điện tử lớp Nên nd với nguyên tử Si tạo thành liên kết hda trị hình thành lỗ trịng Khuếch tán tạp chất B rổi nguyên tử B đéu cung cấp lỗ tróng, làm cho số lượng hạt mang lỗ trống đơn tinh thể Si tăng lên nhiẽu Vật liệu bán dẫn loại hẩu không cổ điện tử tự do, dẫn điện chủ yếu dựa vào lỗ trống, nên gọi vật liệu bán dẫn lỗ trống, gọi tắt chất bán dẫn p Trong chất bán dản p, nồng độ lỗ trống lớn nhiễu nồng độ điện tử, nên lỗ trống gọi hạt mang đa số, điện tử hạt mang thiểu số Chát bán dẫn N Nếu khuếch tán nguyên tố hổa trị p, Zn vào đơn tinh thể Si thỉ xảy tình hình khác hẳn Sau nguyên tử Si p tạo thành liên kết hđa trị, c ó điện tử lớp ngoài' p tham gia liên kết, lại điện tử ràng buộc yếu với hạt nhân dễ dàng trở thành điện tử tự Vậy loại bán dẫn này, số lượng hạt mang điện tử nhiẽu, chúng hạt mang đa só ; số lượng hạt mang lỗ trống ít, chúng hạt mang thiểu số Chất bán dẫn dẫn điện chủ yếu dựa vào điện tử, nên gọi vật liệu bán dẫn điện tử, gọi tắt chất bán dẫn N Xem hình 1.1.4b 1.2 ĐIOT BÁN DẪN 1.2.1 Đặc tính chuyển tiếp PN chuyền tiếp PN Khi chất bán dẫn p ghép với chất bán dẫn N thành khói tã t yếu xảy khuếch tán hạt dẫn nổng độ không đểu chúng : lỗ trống khu vực p khuếch tán sang khu vực N, điện tử khu vực N khuếch tán sang khu vực p Xem hỉnh 1.2.1.a, b a) Bán dẫn p ; b) Bán dẫn N vũng khu p Nhờ trình khuếch tán mà lỗ trống khu vực p giảm nhỏ tạo thành vùng ion âm, điện tử khu vực N giảm nhỏ tạo thành vùng ion dương nghèo kiệt khu N © ° © ;© !© © © © !© I ã â * â * âã â â ! © ’ © „© © ©oo0 © © l @ © ©° © ' 0°O © OỊ 0 © ° © !© © Vậy nên sinh điện trường c) ('huyền tiếp PN trang thái cân hai bên vùng tiếp giáp Điện trường nàv cd hướng ngược Hình ỉ- - Chuyển động hạt dẫn chuyển tiếp PN với hướng khuếch tán dòng (Mũi t£n chì diộn tnlịng trong) điện, mũi tên từ khu vực N sang khu vực p hình 2.1c rõ Điện trường cản trở khuếch tán lỗ trống sang khu vực N củà điện tử sang khu vực p Trạng thái cân động xảy điện tích khơng gian vùng tiếp giáp không tăng Khi cân động, vùng tiếp giáp hỉnh thành thiếu váng hạt dẫn, hình 1.2.1c biểu thị, vùng đổ gọi vùng điện tích khơng gian, hay cịn gọi vùng nghèo kiệt, đổ chuyển tỉếp PN, độ rộng nđ chừng vài mươi ụm, cổ thể cho bao gổm ion di chuyển Khi cân bàng động, qua chuyển tiếp PN khuếch tán hạt dẫn đa số (lỗ trống khu vực p điện tử khu vực N), mà cịn cố trơi dạt hạt dẫn thiểu số (điện tử khu vực p lỗ trống khu vực N) Sự trôi dạt di chuyển hạt dẫn định hướng điện trường Điện trường cản trở khuếch tán hạt dẫn đa số, mà lại trợ giúp trôi dạt hạt dẫn thiểu số sang phía khu vực đối phương Vậy trạng thái cân động, ngồi dịng điện khuếch tán lỗ trống từ khu vực p sang khu vực N, cịn cố dịng điện trơi dạt lỗ trống theo hướng ngược lại, tất nhiên số trị Tương tự, dịng điện khuếch tán dịng điện trơi dạt điện tử triệt tiêu Vậy nên dịng điện chạy qua chuyển tiếp PN điều kiện khơng cđ tác dộng điện trường ngồi hay yếu tố kích hoạt khác (chẳng hạn kích quang) 2) Chuyển tiếp PN có điện áp thuận đặt vào Hình 1.2.2 biểu thị điện trường ngồi hướng thuận đặt vào chuyển tiếp PN : cực dương nguồn nối vào p, cực âm cửa nguổn nối vào N Khi đđ, điện trường ngược hướng với điện trường trong, làm suy yếu điện trường trong, nên điện tích khơng gian bề rộng vùng nghèo kiệt giảm nhỏ ; điện tử khu vực N lỗ trống khu vực p dễ dàng vượt qua chuyển tiếp PN, hình thành dịng điện khuếch tán lớn Về dịng điện trơi dạt số hạt dẫn thiểu số tạo ra, thỉ ảnh hưởng nđ dịng điện tổng khơng đáng kể Vậy chuyển tiếp PN cổ điện áp thuận đặt vào biến thành trạng thái dẫn điện, điện trở nổ bé vung nghko kỉẹt k ©Ị 10 p © © ' \l + * G N ©1 L -*— E — *- E ngồi - «0 v i' 2~2- W n ìrưổn£ nêồi hướn8 thu^n- 3) Chun tiếp PN có điện áp nghịch đặt vào Hỉnh 1.2.3 biểu thị điện trường hướng nghịch đặt vào chuyển tiếp PN : Cực dương nguồn nối vào N, Cực âm nguồn nối vào p Khi đd, điện trường hướng với điện trường trong, làm cho điện tích không gian bề rộng vùng nghèo kiệt đểu tăng lên, gây khđ khăn cho khuếch tán, dòng điện khuếch tán giảm nhỏ nhiều Dịng điện trơi dạt khơng đổi, phần chủ yếu dịng điện tổng qua chuyển tiếp PN Dòng điện (khi cổ điện áp nghịch đặt vào) gọi dòng điện nghịch Khi nhiệt độ khơng đổi nồng độ hat dẩn thiểu số Hình - - Diện trường ngồi hướng nghịch Ví dụ : 37,41 = X 81 4- X 8° + X 8"1 + X 8‘ Cùng số, dạng biểu thị hệ đếm số gọn dạng biểu thị hệ đếm nhị phân Như sau rõ, chuyển đổi lẫn hai hệ lại cực dễ dàng, nên sách viết trình tự máy tính hay dùng hệ đếm số - Hệ đêm số 16 Trong hệ này, vị số cổ 16 mã số Đổ 0, 1, 2, 3, 4, 5, , 7, , 9, A(10), B i l l ) , 0(12), D(13), E(14), F(15) Dạng tổng quát số đếm hệ số 16 : s = k i16i với kị = + F Ví dụ : 2A, 7F = X 161 + A X = X 16 + 10 X 16° + X "1 + F X '2 = 42,4961 Hiện máy vi tính, đa số dùng từ mã nhị phân bit, 16 bit Những từ mã cđ thể biểu thị gọn rõ số hệ đếm 16 với 2, vị sổ tương ứng Vậy sách viết vể trình tự máy tính hay dùng hệ đếm số 16 Sự chuyển đổi lẫn hệ nhị phân hệ đếm số 16 dễ dàng Nên ứng dụng hệ đếm số 16 rộng rãi hệ đếm số II - CHUYỂN ĐỔI LẪN NHAU GIỮA CÁC H Ệ ĐẾM - Hệ nhị phân hệ thập phân Từ nhị phân sang thập phân : viết số nhị phân dạng (II - 3) triển khai ; cộng tất số hạng theo giá trị số thập phân, tổng số dạng thập phân số nhị phân cho Ví dụ : 1 , (2) = X 23 + o X 22 + = + + + l+ X 21 + X 2° + o X -1 + X 2~2 + 0,25 = ll,2 ỗ 10j Lu ý : dùng chữ số ngoặc viết thấp để số hệ đếm số xét Từ thập phân sang nhị phân : a - Phần nguyên : Trong đảng thức đây, vế phải số nhị phân, vế trái số thập phân : S( 10) = V " + V , " - ‘ + + k , ‘ + k0 = (kn2n~1 + kn_j 2n_2 + + kj) + k0 346 kị = đồng phân với 0,1 số 0, hệ thập phân, nên ta cố : = kn2 " - ' + kn_ l2" - + + k, = (kn2n~2 + kn_ j 2n~3 + + k2) + kj Nhận xét biểu thức trên, ta thấy : bit số nhị phân kQ số dư chia s^10^ cho bit số nhị phân kj số dư chia thương số phép chĩa trước cho Tương tự để tìm tồn bit số nhị phân, ví dụ : 173 dư 86 dư 43 dư 21 dư 10 dư k4 dư k5 2 dư k6 dư ko Vậy 173(10) = 10101101(2) kl k2 k3 k7 b - Phần phản : Trong đẳng thức đây, vế phải số nhị phân, vế trái số thập phân : s O 0, = k - " + k - 2 " + k - 2' + - + Nhân vế với 2, ta cổ : 2S(10) - k - , + ( k - 2 " + k - 2" + - + k -™ " ” 1) k_j trở thành phần nguyên vế phải Phấn phân lại : 2Snm (10) - k- 1, = k- L-2 -1 + k-_,2 " + + k- m " m+1 Nếu tiếp tục nhân vế với 2, ta lại k_2 phần nguyên vế phải (của tích số lần thứ ) : 2[2S(10) - k_j] = k_2 + v_, ta cổ bão hòa +, VQ = + E C v+ < v_, ta điện đầu vào VQ Cĩd bão hòa VQ = - E c Dịng Trở lại đặc tính truyền đạt với phạm vi đầu vào tuyến tính hữu hạn, ta thấy : tăng theo v+, VQ pha với v+ VQ giảm k h i v_ tăng, V Q ngược pha với v_ 8.1.2 Các sơ đồ khuếch đại thuật toán - Bộ khuẽch đại đảo Bộ khuếch đại thuật toán mác thành khuếch đại đảo sau : đầu thuận nối đất Điện áp đẩu vào V j đưa vào đẩu đảo qua Rj, điện áp V Q phản hổi đến đẩu đảo qua Rp Vì v+ = V_ = 0, nên VI Rp Vo ~ (IV - 6) ~ " V Biểu thức (IV - 6) chứng tỏ V j tăng thỉ giảm, Vj giảm VQ tăng Hệ số Rp khuếch đại khuếch đại đảo A = - —- không phụ thuộc thân vơ khuếch đại thuật toán, Ay phụ thuộc thông sổ Rp, Rj mạch 353 - Bộ khuếch đại thuận Bộ khuếch đại thuật toán mắc thành khuếch đại thuận sau : điện áp đầu vào Vj đưa tới đầu thuận qua Rj, điện áp đầu VQ qua phân áp R v R2 đưa tới đầu đảo v+ = v_ (IV - 7) i+ = i_ = 0, nên v- ■ = VI (IV - 8) từ đđ, ta cố R j + R2 Vo = R -VI = V i (IV - 9) Biểu thức (IV-9) chứng tỏ Vj tàng VQ tăng, Vị giảm VQ giảm theo Hệ số khuếch đại khuếch đại thuận : R j + R~ \ \ = (IV - 10) R ~~ rL2 phụ thuộc thơng số mạch ngồi (Rp R2) - Bộ khuếch đại lặp Bộ khuếch đại lặp khuếch đại thuận đặc biệt : đầu vào đẩu đảo Vậy VQ = Vị Bộ khuếch đại lặp thường dùng để kích tải (yêu cầu dòng đáng kê’j 8.1.3 Bộ so sánh Trigơ Smit - Bộ so sánh Hình bên so sánh Vì Aơ = QO nên V+ = Vj > v_ = VQ = + E C Khi v+ = Vj < v_ = VQ = - E c Bộ so sánh co thể làm nhiệm vụ giám sát Hình bên so sánh ngưỡng VT Vì AQ = 00 nên Vj > VT vQ = + E C, Vj < VT VQ = - E c Điéu chỉnh chiết áp làm thay đổi ngưỡng VT 354 (IV - 11) Trigơ Smit - Hỉnh bên sơ đổ Trigơ S m it dùng khuếch đại th u ật to án Vì i+ = i_ = nên Khi V j tương đối âm, khuếch đại cơng tác vùng bão hịa +, v o = + E C Vậy mức ngưỡng : *2 V T+ ~ + R l + R E C’ vo = + E C Vj