Cơ sở kỹ thuật mạch điện và điện tử tập 1 mạch điện cơ bản (tính toán và mô phỏng với matlab) hồ văn sung

TS HỒ VĂN SUNG CÜ SỞ KỸ THUÂT MACH BIÊN & BIỀN TỬ ; Các tín hiệu tuần hồn vL IEJĨHin TT ilij \'jIfJ 1ni l'l'l Iir ĩi -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,2 0,4 TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG VỚI MATLAB 0 0 * 3000019347 Q> NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM 0,6 0,8 TS HO VAN S U N G CO SO KY THUflT MACH M EN & DIEN TUT ■ ■ ■ ■ TAP MOT MACH DIEN CO BAN • • (Tinh toan vd mo phong vdi matlab) C NHATRANG \ TROGBAI HO T H U ' J ; i NHA XUAT BAN GIAO DUC VIET NAM • » Cơng ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất Giáo dục Việt Nam giữ quyền công bố tác phẩm 195 - 2010/CXB/13 - 249/GD Mã số : 7B776Y0 - DAI LỜI GIỚI THIỆU Bộ sách "Cơ sở kỹ thuật mạch Điện & Điện tử' gồm hai tập lý thuyết hai tập "giải tập", tập hợp tất kiến thức mởi lý thuyết mạch công cụ phương pháp để phân tích thiết kế mạch Điện Điện tử tương tự Các tính chất đáp ứng mạch điện từ tần số thấp đến tần số cao siêu cao mơ tả trình bày cách rõ ràng, tổng quát khảo sát chi tiết với hàng trâm ví dụ mơ tả biểu thức tốn học chặt chẽ hình máy vi tính nhờ phần mém MATLAB Tồn nội dung giáo trình "Cơ sở kỹ thuật mạch Điện & Điện t " trình bày cách thống nhất: từ sỏ đến nâng cao phân thành hai tập Trong đó, tập I cung cấp kiến thức công cụ phương pháp để phân tích chế độ họat động mạch điện điện tử sở Tập II nghiên cứu, phân tích thiết kế mạch điện chức năng; hay nói khác đi, tập hai sử dụng mạch điện kiến thức thu tập để phân tích xây dựng hệ thống điện điện tử chức Đó mạch điện tiên tiến hệ thống thòng tin đại mạch điện sở để xây dựng nên loại vi mạch (1C) Tập gồm 11 chương; chương mơ tả "các đại lượng điện chức sở" chúng Chương "biểu diễn phức dòng điện mạch điện xoay chiêu" Chương trình bày "định luật co mạng điện tuyến tính"; có định lỳ Thevenin, Kirchhoff Kenely Các định luật nút mạng mát mạng dộc lập đả trình bày chi tiết vận dụng cách thục để phân tích mạng tuyến tính cổng cổng Chương mơ tả "mạch điện ch ế độ xung" Chương nghiên cứu phép biến đổi Fourier mật độ phổ công suất tín hiệu Chương nghiên cứu "mạch điện ch ế độ điểu hồAC với tẩn sơ biến đối" Chương 7, chương chương nghiên cứu đặc trưng mạch điện sỏ dùng linh kiện tích cụt điơt, tranzito khuếch dại thuật toán Đặc biệt mạch điện dùng tranzito trường MOS CMOS để xây dựng nguồn dòng đối xứng gương mạch khuếch đại vi sai Các mạch điện phần tử sỏ để thiết kế loại vi mạch cho hệ thống thông tin quang hay máy thu cho hệ thống thông tin đại 3G Chương cung cấp nhiều kiến thức để thiết kế thực máy tính điện tử tương tự Chương 10 nghiên cứu mạng cống cống Chương 11 tập trung phân tích loại mạch lọc thụ động từ linh kiện rời vi mạch mạch dải Hai phép biến đổi đặc trưng cho cơng nghệ analoq; phép biến dổi Fourier Laplace tập trung phân tích áp dụng kỹ Nhờ biến đổi Laplace Fourier, hàm truyền đảp ứng tẩn s ố hệ thống dễ dàng thiết lập Chúng đại lượng chứa đựng tồn tính chất hệ thống, nên việc phân tích thiết k ế hệ thống phân tích thiết kế hàm truyền đáp ứng tần số hệ thống Phương pháp phân tích Fourier đặc biệt hiệu nghiệm để nghiên cứu mạch điện chế độ dùng; phép biến đổi Laplace công cụ thiếu để nghiên cứu mạch điện trình q độ Ngồi ra, tập sách cịn cung cấp phương pháp sô ph ú t phương pháp ma trận để phân tích thiết kế mạng điện tuyến tính mạng cổng hai cổng thuận tiện nhanh chóng; phương pháp ưa chuộng máy tính số cập nhật chương trình phần mềm bậc cao nhưMATLAB PSPICE Tập II gồm 10 chương nhằm nghiên cửu úng dụng phép biến đổi Laplace linh kiện mạch điện sỏ tập I để phân tích thiết kế mạch điện chức nảng Đó mạch điện có mặt 1C hệ thống thơng tin truyền thơng đại Trong đó, chương mơ tả "tín hiệu sở" Chương trình bày phép "biến đổi Laplace" Chương "phân tích mạch điện dùng biến đối Laplace" Chương nghiên cửu "mạch điện liên kết hỗ cảm" Chương mô tả khái quát "hệ thông thông tin truyền thông" Chương phân tích thiết kế loại "mạch lọc tích cực" Chương nghiên cứu mạch "điếu chế giải điều chế" Chương thực bộ" khuếch đại dải rộng" khuếch đại có tạp nhiễu thấp tiêu thụ điện cực nhỏ (LNA) Chương nghiên cứu hệ thống" kiểm tra, giám sát điểu khiển trình" Chương 10 phân tích "mạng pha" Củng vơi hai tập lý thuyết hai tập "Giải tập sở kỹ thuật mạch Điện & Điện từ' Gần 500 tập chứa hai tập sách gắn liền vởi toàn nội dung hai tập lý thuyết Các định luật định lý tất phương pháp lý thuyết vận dụng để giải tập cách nhanh chóng, hiệu đưa kết chi tiết, cụ thể đẹp đẽ nhờ trợ giúp máy tính; đặc biệt phần mềm MATLAB Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin truyền thông, dựa phát triển vượt bậc công nghệ xử lý tín hiệu số mà phần đóng góp chủ yếu, có tính định cơng nghệ mạch diện diện tử Vì vậy, tài liệu mạch điện điện tử nhiều viết nhiều dạng khác Điều nói lên tầm quan trọng tính ứng dụng rộng lớn lĩnh vực kỹ thuật cơng nghệ Chính thế, giáo trình" sỏ kỹ thuật mạch điện điện tửă' giảng dạy hầu hết trường Đại học, Cao đẳng Khoa học Tự nhiên lẫn Kỹ thuật Công nghệ ỏ nhiều kỳ với nhiều cấp độ khác Với sách này, muốn thể tồng quát nhất, đồng thời cập nhật cơng nghệ mởi Đó lý sao, sách vừa trình bày mạch điện kinh điển có nhiều mạch điện tiên tiến, có mặt vi mạch đại Bỏi vì, chúng tơi muốn cung cấp cho bạn đọc tất phương pháp củng cồng cụ hữu hiệu để phân tích tổng hợp mạch điện để bạn đọc sử dụng Để làm điều này, sau phương pháp phân tích chương trình mơ phỏng, ví dụ minh họa nhiều tập vòi lời giải chi tiết ỏ cuối sách, giúp cho người đọc củng cố tự kiểm chửng khái niệm, kiến thức thu nhặn sau đọc sách Bộ sách tài liệu tham khảo hữu ích khơng cho sinh viên học viên cao học tất trường, từ Cao đẳng đến Đại học, từ Khoa học Tự nhiên đến Kỹ thuật Cồng nghệ mà cho kỹ thuật viên kỹ sư thực hành ngành Điện, Điện tử, Viễn thông lẫn Công nghệ Thông tin TÁC GIẢ Chương CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN c BẢN VÀ CHỨC NẮNG Cơ SỞ Đ ể liiểuchức mạch điệcủa th sử dụng khái niệmđiện hản Các lượng Điện tích, dịng đ hiệu diện th ế công suất tiêuCác đại lượn dưa vào cách chặtchẽ trình nàynhắc lại định nghĩacơ sở dưa nghĩa dó cảnh mạch điện diện tử cụ thTrong dó, thê trung tâm có dượcxem cácdại lượng hệ thống diện tử, từ đơn giánnhất đến phức tạp trở, tụ điện,cuộn cảm từ cácnguồn nguồn dòng tá linhkiện sở k ế dĩ nhiên làCác ph dộng linh kiện này, tứclù cách xácvà tỉ mí.Đó để xây dựng mạch điện điện tử 1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN c BẢN 1.1.1 Điện tích Đại lượng sở điện tích điện Nó cấu thành vật chất Các loại vật liệu, vật dẫn điện, vật cách điện, đểu tạo thành từ nguyên tử tính chất diện chúng phụ thuộc vào có mặt điện tử liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử Mỗi điện tử mang điệr tích điện cư sở l ,6x 10 lục Culống dơn vị điện tích dã dược chuẩn hóa Vì tương đương với diện tích khoang X I0lx điện tử Hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương Các điện tử lớp cùng, liên kết yếu với hạt nhân định tính chất dẫn diện vật chất Chúng dược coi linh động vật liệu dược gọi điện tử dẫn, phần lại cửa ngun tử, tích diện dương, Hình 1.1 Vật liệu dẫn điện xem điện tích cố định Hình 1.1 biểu thị trường hợp vật liệu chứa hai điện tử dẫn nguyên tử Bản chất tự nhiên dẫn điện cách điện vật liệu liên quan với tồn điện tử dẫn Trong trường hợp chất cách điện, tất điện tử liên kết mạnh với hạt nhân nên điện tử dẫn không tồn Sự dẫn điện gắn liền với có mặt số lượng nhiều hay hạt tải điện liên kết yếu với nguyên tử vật liệu, chúng điện tử lỗ trống Các điện tử liên kết yếu với nguyên tử vật liệu gọi điện tử dẫn Nhắc lại, lỗ trống cách thức đơn giản để trình bày tượng phức tạp dẫn điện bán dẫn Điện tích dương, ngược với dấu điện tích điện tử Vì vậy, vật liệu bán dẫn biểu diễn hình 1.2 tập hợp nguyên tử Một số chứa hay nhiều điện tử dẫn Một số khác chứa hay nhiều lỗ trống liên kết yếu Nguyên tử liên quan, cố định vật liệu, chúng có điện tích dương hay âm tuỳ theo hạt tải điện tự điện tử hay lỗ trống Trong chất dẫn điện, nguyên tử có điện tử dẫn Trong chất bán dẫn (Silic, Germani Acsenic gali) số nguyên tử có chứa điện tử lỗ trống liên kết yếu 1.1.2 Dịng điện Nếu ta đạt điện tích dương gần điện tử dẫn, điện tử chịu lực hút mạnh gọi lực Culông Chúng dịch chuyển tập thể tạo thành dòng điện Ta nói chúng chịu tác dụng điện trường Các điện tử dẫn khơng đứng n khơng có điện trường tác dụng Thực chúng chịu chuyển động nhiệt hỗn loạn với vận tốc lớn Vì chuyển động ngẫu nhiên, nên kết tổng thể khơng; có nghĩa chuyển động nhiệt khơng sinh dịng điện Dịng điện định nghĩa số điện tử chuyển dời qua mặt cho đơn vị thời gian Nó đo lượng điện tích tương ứng biểu diễn Ampe Hình 1.2 biểu diễn dòng diện i(t) tương ứng với N(t) điện tử chuyển qua mặt s Không gian chia thành hai miền để mô tả chuyển dời điện tử từ vùng sang vùng cần chọn hướng dương đủ, hướng túy quy ước Hướng biểu diễn mũi tên tương ứng với chuyển dời điện tử từ sang Hình 1.3 minh họa trưÌTng hợp cụ Thiết diện ngang thể dây điện thiết diện s Dòng điện đo qua thiết diện vng góc với trục dây Khi cường độ dịng điện có giá trị khơng đổi thời gian, ta nói dịng điện khơng đổi Trường hợp ngược lại, ta nói dịng điện biến đổi.Trường hợp chất dẫn điện chất cách điện đơn giản Chúng khơng phải vật liệu Hình 1.3 Dòng điện chạy qua sử dụng nhiều công dây dẫn nghiệp điện tử, chất bán dẫn Các vật liệu (Silíc, Germanium Arsenic Galium) chất dẫn điện chất cách điện tính đến số lượng điện tử liên kết yếu có đủ để đảm bảo số tính chất dẫn điện Khơng phải có nhiều điện tử nguyên tử vật dẫn điện mà phải có số lượng lớn nguyên tử chất bán dẫn tìm thấy điện tử dẫn Quá trình dẫn điện bán dẫn trở nên phức tạp số điện tử liên kết mạnh với nguyên tử tham gia vào dẫn điện Các điện tử gọi điệntử hóa trị.Lý thuyết vật liệu bán dẫn cho thấy ảnh hư diện tử hóa trị giống với ảnh hưởng giả-hạt gần giống điện tử, chí sai khác dấu các-điện tích chúng Các hạt gọi lỗ trống.Điện tích chúng điện tích điện tử, ngược lại dấu điện tích lại dương Do dó tính chất điện vật liệu bán dẫn giải thích bạng cách coi dòng điện tạo thành hai loại hạt tải: Điện tử lỗ trống Dưới tác dụng mốt diên trường, diện tử lỗ trống dịch chuyển theo hướng ngược chí hình 1.4 Thế dương Điên tử bi hút © © © Điện tích dương ^ Lỗ trồng bị đẩy Vùng điện tích khơng gian Hình 1.4 Ánh hưởng diện trường lên hạt tải diện 1.1.3 Điện thê thê Đại lượng quan trọng thứ hai điệnhay sử dụng thường xuyên sống hàng ngày nói pin 4,5V lưới điện lực 220V không cần đắn đo đặc biệt Nhưng ý nghĩa thực tế thế, dể giải thích đại lượng khơng phải điểu đơn giản Được xác định điểm không gian, V(x, y, z) thực chất công phải thực để đưa đơn vị điện tích từ vơ đến điểm xét khơng gian Định nghĩa trừu tượng, minh họa ví dụ dây dẫn biểu diễn hình 1.3 Hai điểm A B tương ứng với hai thiết diện SA SBcủa dây Hiệu điện VA- VBlà công phải cung cấp để đưa đơn vị điện tích từ A đến B Để đưa điện tử có điện tích q„ cần phải thực công q„(VA- VB) Định nghĩa phù hợp với định nghĩa để đưa điện tích từ A đến B, dẫn từ A vơ sau từ vơ đến B.VÌ lý này, giả thiết công thực không phụ thuộc vào đường Giả thiết quan trọng điện số điều kiện xác định Lưu ý rằng, cơng phụ thuộc đường khơng thể gán cho điểm không gian giá trị mà thơi Hình 1.5 biểu diên tập hợp linh kiện ghép nối với nhờ dây dẫn hoàn hảo (nghĩa khơng có sụt dây dẫn đó) Do đó, dây dẫn số Vì dây dẫn gán với người ta định nghĩa VA, VB, v c, VD Hình 1.5 Dịng điện điện Khi viết: = v b- v c + v c - v ? + v d - v a hoặc, dùng ký hiệu VBAhiệu điện VB- VA: V(3A = VBC+ VCD+ VDA Hệ thức này, chứng minh tổng hiệu điện tính theo hai đường khác bàng trường hợp V b- Ỵ a 1.1.4 Cơng suất dịng diện Chúng ta đưa vào khái niệm công định nghĩa Bây xét công phải cung cấp để dịch chuyển N điện tích từ A đến B, ta được: W AB = N q 0( V A - V B) Vì cơng suất cơng đơn vị thời gian, nên coi điện tích dược chuyển dời đơn vị thời gian; tức dịng điện I, cơng suất là: Pab = I(VA- VB) Đó cơng suất tỏa dịng điện I chuyển dời từ A đến B Công suất biểu diễn oát ký hiệu w Khi thiết lập hệ thức này, không để ý đến dấu Tuy nhiên, điều rõ ràng phải cung cấp công suất để chuyển dời điện tích dương từ thấp đến cao ngược lại công suất tỏa điện tích dương chuyển dời từ cao xuống thấp Đối với điện tích âm, thu kết luận ngược lại Trong thực tế, linh kiện tiêu tán cơng suất hạn chế công suất tiêu tán hiệu dụng phải nhỏ giới hạn Trong trường hợp tổng quát, dòng hàm số thời gian, công suất tiêu tán đại lượng thay đổi theo thời gian Trong thực tế, người ta tính cơng suất trung binh khoảng thời gian cho Giá trị trung bình gọi cơng suất hiệu dụng, mặt toán học, người ta viết: Pcrr=Ạj|P(t)dt * í L,()= - i - ĩ = 49,7nH c,to; Sơ đồ mạch lọc thông dải cho hình 11.26 RE 50Q 12 2,57 pH 14 2,57 pH — I— - C1 * 393 pF 77 — I _ - C3 - - 1,273 nF _ _ C5 —- 393 pF 77 7, RS 50G Mạch lọc thông thấp nguyên mẫu RE L2 50 a — a u 11— k Ve 1— k L10