BG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - Nguồn: Internet

Ngoài 2 thành phần chính nhƣ trên, mạch điện còn có nhiều loại phần tử khác nhau nhƣ: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (VD: dây nối, dây tải điện…); phần tử làm thay đổi áp và dò[r]

CHƢƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1 Mạch điện đại lượng

1.1 Mạch điện

Mạch điện: hệ gồm thiết bị điện, điện tử ghép lại xảy q trình truyền đạt, biến đổi lƣợng hay tín hiệu điện đo đại lƣợng dòng điện, điện áp

Mạch điện đƣợc cấu trúc từ thành phần riêng rẽ đủ nhỏ, thực chức xác định đƣợc gọi phần tử mạch điện Hai loại phần tử mạch điện nguồn phụ tải

- Nguồn: phần tử dùng để cung cấp lƣợng điện tín hiệu điện cho mạch VD: máy phát điện, acquy …

- Phụ tải: thiết bị nhận lƣợng hay tín hiệu điện VD: động điện, bóng điện, bếp điện, bàn …

Ngồi thành phần nhƣ trên, mạch điện cịn có nhiều loại phần tử khác nhƣ: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (VD: dây nối, dây tải điện…); phần tử làm thay đổi áp dòng phần khác mạch (VD: máy biến áp, máy biến dòng …); phần tử làm giảm tăng cƣờng thành phần tín hiệu (VD: lọc, khuếch đại…)

1.2 Các đại lượng

A i B

+ uAB

-* Điện áp

Điện áp điểm A B công cần thiết để làm dịch chuyển đơn vị điện tích (1 Coulomb) từ A đến B

Đơn vị: V (Volt)

UAB = VA – VB UAB = - UBA UAB : điện áp A B VA; VB: điện điểm A, B

* Dòng điện

Dịng điện dịng điện tích chuyển dịch có hƣớng Cƣờng độ dịng điện (cịn gọi dịng điện) lƣợng điện tích dịch chuyển qua bề mặt (VD: tiết diện ngang dây dẫn …)

Đơn vị: A (Ampere)

2 Các phần tử hai cực

2.1 Các phần tử hai cực thụ động

2.1.1 Điện trở

Là phần tử đặc trƣng cho tƣợng tiêu tán lƣợng điện từ Ký hiệu: R – Đơn vị: Ohm (Ω)

G = R

: điện dẫn – Đơn vị: Ω-1

hay Siemen (S)

Ghép nhiều điện trở:

- Nối tiếp: R R1R2 

- Song song:

1

1 1

R  R  R 

Quan hệ dòng áp điện trở tuân theo định luật Ohm

i R

+ u=Ri

-U(t) = R.I(t)

U(t): Điện áp đầu điện trở (V) I(t): Dòng điện đầu điện trở (A) R : Điện trở (Ω)

I(t) = G.U(t)

U(t): Điện áp đầu điện trở (V) I(t): Dòng điện đầu điện trở (A) G: Điện dẫn (Ω-1

/S) Khi R = (G = ∞): mơ hình ngắn mạch

* Các thông số cần quan tâm điện trở :

- Trị danh định: giá trị xác định điện trở

- Dung sai : sai số giá trị thực so với trị danh định - Công suất tiêu tán : công suất tiêu thụ điện trở - Điện áp làm việc tối đa

- Nhiễu nhiệt

Hình dạng thực tế điện trở:

* Cơng thức tính điện trở: Theo vật liệu chế tạo

Nếu điện trở cuộn dây: Trị số điện trở cuộn dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, tỷ lệ thuận với chiều dài tỷ lệ nghịch với tiết diện dây

R l S 

 : điện trở xuất

/ m m

 

 

l : chiều dài dây dẫn [m] S : tiết diện dây [m2]

Thí dụ: Tìm điện trở dây dẫn dài 6.5m, đƣờng kính dây 0.6mm, có 430n m

  Dựa vào cơng thức ta tìm đƣợc R9.88 Theo lý thuyết mạch:

Định luật Ohm:

 

U

Khi có dịng điện chạy qua vật dẫn điện hai đầu dây phát sinh điện áp U tỷ lệ với dòng điện I

Theo lượng:

Khi có dịng điện qua R thời gian t R bị nóng lên, ta nói R tiêu thụ lƣợng: W = U.I.t

W R I t

  J W.s

Ta thấy t lớn điện tiêu thụ lớn

* Cách đọc vịng màu:

Ngồi cách đo, giá trị điện trở cịn xác định qua vòng màu thân điện trở Số vòng màu điện trở tuỳ thuộc loại vào độ xác điện trở (3 vòng màu, vòng màu hay vịng màu)

Vòng màu

Màu Dung sai

Giá trị tƣơng ứng màu đƣợc liệt kê bảng sau:

Màu Trị số Dung sai

Đen 20%

Nâu 1%

Đỏ 2%

Cam

Vàng

Lục (Xanh lá)

Xám

Trắng

Vàng kim 5%

Bạc 10%

Ghi chú:

- Vòng màu thứ (đối với điện trở có hay vịng màu) vịng màu thứ (đối với điện trở có vịng màu) hệ số mũ

- Nếu màu vàng kim màu bạc vòng thứ (đối với điện trở vòng màu) vòng thứ (đối với điện trở vịng màu) trị số tƣơng ứng là:

Vàng kim: -1 Bạc: -2

Ví dụ: Đỏ - Xám – Nâu: 28.101

=> Giá trị điện trở: 28Ω

Nâu – Đen – Đỏ - Bạc: 10.102 10% => Giá trị điện trở: 1KΩ , sai số 10% Đỏ - Cam – Tím – Đen – Nâu: 237.100

1%

 => Giá trị điện trở: 273Ω , sai số 1% * Ứng dụng điện trở thực tế: bàn ủi, bếp điện, đèn sợi đốt …

2.1.2 Phần tử cuộn cảm

* Cấu tạo

Cuộn cảm gồm nhiều vòng dây quấn sát nhau, chồng lên nhƣng không chạm dây đồng có tráng men cách điện

Tùy theo lõi cuộn cảm khơng khí, sắt bụi hay sắt mà cuộn cảm đƣợc ký hiệu nhƣ sau:

L1 cuộn dây lõi khơng khí, L2 cuộn dây lõi ferit,

L3 cuộn dây có lõi chỉnh, L4 cuộn dây lõi thép kỹ thuật * Các tham số cuộn cảm:

Khi sử dụng cuộn cảm ngƣời ta quan tâm đến số sau:  Hệ số tự cảm L:

là khả tích trữ lƣợng từ trƣờng cuộn dây, đơn vị Henry (H) 1H = 103mH = 106 H

dI V L

dt



Hệ số phẩm chất: L S X Q

X

 phụ thuộc vào f

 Tổn hao cuộn cảm  Dòng điện định mức Imax  Tần số định mức

 Cảm kháng

Cảm kháng cuộn dây đại lƣợng đặc trƣng cho cản trở dòng điện cuộn dây dòng điện xoay chiều

 Ghép cuộn cảm

Ghép nối tiếp: Ltd  L1 L2 

Công thức sử dụng cho cuộn dây không quan hệ từ, khơng có hỗ cảm Nếu cuộn dây có từ trƣờng tƣơng tác lẫn thì:

Từ trƣờng đối (quấn ngƣợc chiều) Ltd  L1 L2  2M

Ghép song song:

Khi mắc song song cách biệt từ cơng thức tính nhƣ sau:

1

1 1

td n

L  L L  L

 Năng lượng nạp vào cuộn dây:

Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo lƣợng tích trữ dƣới dạng từ trƣờng:

2 W  L I

W: lƣợng (Joule) L : Hệ số tự cảm (H)

I : Cƣờng độ dòng điện (A) * Đặc tính cuộn cảm với dịng AC

Điện áp phần tử điện cảm tốc độ biến thiên theo từ thông:

) ( )

( )

( e t

dt t d t

u    L

Trong eL(t) sức điện động cảm ứng từ thông biến đổi theo thời gian gây nên Mặt khác: (t) Li(t)

Trong đó: L hệ số tự cảm cuộn dây

Nhƣ vậy: dt t di L dt t Li d dt t d t

u( ) ( )  ( ( ))  ( )

=> ( ) ( ) ( )

0    t t t i dt t u L t i Trong L t t

i( ) ( 0)



 giá trị dòng điện qua phần tử điện cảm thời điểm ban đầu t0

*Ứng dụng thực tế cuộn cảm: Relay điện từ, biến áp, anten, nam châm từ …

2.1.3 Phần tử tụ điện

* Cấu tạo tụ điện:

Về tụ điện gồm hai cực kim loại đối diện phân cách chất cách điện mà đƣợc gọi chất điện mơi (dielectric)

Chất điện mơi khơng khí, chất khí, giấy (tẩm), màng hữu cơ, mica, thủy tinh gốm, loại có số điện môi khác nhau, khoảng nhiệt độ độ dày khác

Kí hiệu: C – Đơn vị Farah (F)

Điện tích hai tụ đƣợc xác định: q(t) = Cu(t) *Khái niệm chung

 Trị số điện dung C: khả chứa điện tụ điện đƣợc gọi điện dung (C) Đơn vị C: Fara (F), F lớn nên thực tế thƣờng dùng đơn vị nhỏ µF, nF, pF 1F106F109nF1012pF

i C

Theo quan điểm vật liệu: Điện dung C (Capacitor hay Condenser) tụ điện tùy thuộc vào cấu tạo đƣợc tính cơng thức:

S C

d   Với: C: điện dung {F}

S: diện tích cực {m2}

D: khoảng cách hai cực {m}

: số điện môi    r 0(r số điện môi tƣơng đối; 0 số điện mơi khơng khí, 12

0 8.85 10

    (F/m)

- Theo quan điểm lý thuyết mạch: tỷ số điện tích Q điện áp đặt vào vật dẫn (hay cực) U

Q C

U

 hay Q = C.U Với: Q: điện tích có đơn vị C (colomb)

C: điện dung có đơn vị F (Fara), F , nF, pF U: sụt áp hai cực có đơn vị V (volt)

- Theo quan điểm lƣợng: tụ kho chứa điện lƣợng điện chứa tụ đƣợc xác định:

2

W  C V

Năng lƣợng tĩnh điện J tính theo Ws (Wast giây) J (Joule) đƣợc cho  Ghép tụ:

Tụ ghép song song: Ctd C1C2 áp tƣơng đƣơng áp tụ có điện áp nhỏ

Tụ ghép nối tiếp

1

1 1

td

C C C  áp tƣơng đƣơng tổng điện áp thành phần *Chức tụ điện:

Có hai chức chính:

Nạp hay xả điện: chức áp dụng cho mạch làm phẳng mạch định thì…

*Một số tụ điện thơng dụng:

1 Tụ hóa: (có cực tính) đƣợc chế tạo với cực nhơm cực dƣơng có bề mặt hình thành lớp Oxit nhơm lớp bột khí có tính cách điện để làm chất điện môi giá trị: 1F10.000F

2 Tụ gốm: (khơng cực tính) giá trị 1pF1F

3 Tụ giấy (khơng cực tính): Hai cực băng kim loại dài, có lớp cách điện giấy tẩm dầu cuộn lại thành ống Điện áp đánh thủng đến vài trăm Volt Tụ mica (không cực tính) pF -> nF Điện áp làm việc cao

Tụ đƣợc sơn chấm màu để giá trị điện dung

5 Tụ màng mỏng: pFF (khơng có cực tính): Chất điện mơi polyester (PE), polyetylen (PS) Điện áp làm việc cao

6 Tụ tang: (có cực tính) 0.1F100F

7. Tụ điện thay đổi (Variable Capacitor) Viết tắt CV hay VC

* Cách đọc trị số tụ

Loại tham số quan trọng tụ điện trị số điện dung (kèm theo dung sai) điện áp làm việc Chúng đƣợc ghi trực tiếp, ghi qui ƣớc chữ số

a. Đối với tụ điện có cực (tụ DC) Các cực đƣợc ghi dấu + dấu - Đơn vị điện dung: F,FD, MFD, UF

Điện áp làm việc: VDC (volt DC) đƣợc ghi trực tiếp chữ số VD: 10F/16 VDC, 470F /15VDC, 5F /6VDC

b Các loại tụ màng mỏng:

Nếu không ghi đơn vị qui ƣớc đơn vị pF

VD: 47/630 có nghĩa 47pF, điện áp làm việc 630V Nếu số đầu có dấu chấm đơn vị F

VD: có nghĩa 1F 47 có nghĩa 47 F Trƣờng hợp ghi chữ số:

Ký tự dung sai: G 2%;J  5%;K 10%;M  20% VD: 473J -> 47.000pF = 0.47F

223 M-> 22.000pF = 0.22F *Đặc Tính Nạp - Xả Của Tụ

Xem mạch nhƣ hình vẽ:

Tụ nạp

K vị trí 1: Tụ nạp từ điện 0V tăng dần đến điện VDC theo hàm mũ thời gian t Điện tức thời hai đầu tụ:

  1 t 

c DC

V t V e  với t: thời gian tụ nạp (s),  = RC số thời gian (s)

Đặc tuyến nạp:

Nhận thấy sau thời gian t5 tụ nạp điện Vc = 0.99 VDC xem nhƣ tụ nạp đầy Khi điện tụ tăng dần dịng điện tụ nạp lại giảm từ giá trị cực đại VDC

I R

 Tụ xả

Khi tụ nạp đầy Vc VDC ta chuyển K sang vị trí 2: tụ xả điện qua R -> điện tụ giảm dần từ VDC -> 0V theo hàm mũ thời gian theo t Điện đầu tụ xả đƣợc tính theo cơng thức: V tc VDC.et

Vc

t

0.86

Vc(t)

ic(t)

 5

VDC

0.99

VDC C

R K

Sau thời gian t5 điện tụ cịn 0.01VDC xem nhƣ tụ xả hết điện Trƣờng hợp tụ xả, dòng xả giảm dần theo hàm số mũ từ trị số cực đại bắt đầu

DC V I

R

 xuống

Dòng xả tức thời đƣợc tính theo cơng thức giống dịng nạp   DC t c

V

i t e

R    *Đặc tính tụ điện AC

Ta có: I Q Q I t t

  

Đối với tụ điện, điện tích tụ nạp đƣợc tính theo công thức: QC V

C V I t V I t C

   

Điện áp nạp đƣợc tụ tích tụ dịng điện nạp vào tụ theo thời gian t Đối với dòng điện xoay chiều hình sin trị số tức thời dòng điện:

i(t) = Im sin t Hệ thức liên hệ điện áp Vc dòng điện i(t):

            0 sin 1

cos sin 90

t C

t

C m

m m

V t i t dt C

V t I t dt

V t I t I t

C C              

Dung kháng Xc tụ đƣợc xác định:

1

C

X f C

C     DC V R

 5

u Uc

u

t

Với f 



 {Hz}

Nhƣ vậy, điện áp VC tụ trị số thay đổi theo dịng điện xoay chiều hình sin Dựa vào kết luận trên, ta thấy mạch điện xoay chiều điện dung, dòng điện vƣợt pha trƣớc điện áp góc 90o

2.1.4 Mơ hình thực tế phần tử điện trở, điện cảm, điện dung

Các mơ hình đƣợc nêu phần mơ hình lý tƣởng Trong thực tế, phần tử không đơn giản phần tử mà cịn có nhiều phần tử kí sinh

Các mơ hình thực tế phần tử điện trở, điện dung điện cảm lần lƣợt nhƣ sau:

Khi thiết kế mạch, ngƣời thiết kế cần ý đến phần tử kí sinh

2.2 Các phần tử nguồn 2.2.1 Nguồn áp độc lập

i e(t)

+ u

-u(t) = e(t) i

2.2.2 Nguồn dòng độc lập

i J(t)

-3 Các định luật mạch điện

3.1 Định luật Ohm

U: điện áp đầu mạch I: dòng điện chạy mạch Z: tổng trở mạch

U = Z.I u(t) = Z.i(t)

3.2 Định luật Kirchoff

Nhánh: đoạn mạch gồm hay nhiều phần tử cực nối tiếp với có dịng điện qua

Nút (đỉnh): biên nhánh điểm chung nhánh Vòng: tập nhánh tạo thành đƣờng khép kín

3.2.1 Định luật Kirchoff

Tổng đại số dòng điện nút ik =

Trong quy ƣớc: Các dịng điện có chiều dƣơng vào nút lấy dấu +, cịn khỏi nút lấy dấu - ; ngƣợc lại

Ví dụ : i1 – i2 – i3 = -i1 + i2 + i3 =

Định luật Kirchoff đƣợc phát biểu dƣới dạng: Tổng dịng điện có chiều dƣơng vào nút tổng dịng điện có chiều dƣơng khỏi nút

Z

Tổng đại số điện áp phần tử dọc theo tất nhánh vòng

 uk =

Dấu điện áp đƣợc xác định dựa chiều dƣơng điện áp chọn so với chiều vòng Chiều vòng đƣợc chọn tuỳ ý Trong vòng chiều vòng từ cực + sang cực – điện áp điện áp mang dấu +, cịn ngƣợc lại điện áp mang dấu -

Ví dụ:

UR3 + UC3 + e2 - UL2 + UR1 – e1 = UR3 + UC3 - UL2 + UR1 = e1 – e2

2 1 2 t 3

3 R i e e

dt di L dt i C i

R      

3.3 Định lý Thevenil – Norton

Định lý Thevenil: Có thể thay tƣơng đƣơng mạng cửa tuyến tính nguồn áp điện áp đặt cửa hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng Thevenil mạng cửa

Định lý Norton: Có thể thay tƣơng đƣơng mạng cửa tuyến tính nguồn dòng dòng điện cửa ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenil mạng cửa

Mạch A (tuyến tính) A B + -I

U 

A B + -I U T E

ZT 

A B + -I U N

J ZT

Thevenil Norton

i1 e1

i3 i2

R1

e2

C3

R3

Để tính giá trị ZT, ET, JNta tiến hành triệt tiêu nguồn độc lập (ngắn mạch nguồn dòng hở mạch nguồn áp):

hô I

T U U

E      0

ng U

N I I

J      0

N T T

J E Z  

4 Một số hệ thống thông tin điển hình

4.1 Khái niệm chung tín hiệu

Trong đời sống ngày, thƣờng phải truyền tiếng nói, hình ảnh, âm … gọi chung tin tức Để truyền tin tức qua hệ thống điện tử, ngƣời ta biến đổi chúng thành điện áp dòng điện, biến thiên tỉ lệ với lƣợng tin tức nguyên thuỷ, ta gọi tín hiệu

Một cách tổng qt, tín hiệu tuần hồn khơng tuần hồn, liên tục theo thời gian (tín hiệu analog) gián đoạn theo thời gian (tín hiệu xung, số hay tín hiệu digital)

Xét tín hiệu hình sin: s(t) = Acos(ωt – φ) A: biên độ

 = 2f : tần số góc φ: pha ban đầu

4.2 Các thông số đặc trưng cho tín hiệu 4.2.1 Độ rộng (độ dài)

Khi biểu diễn đồ thị thời gian, khoảng thời gian tồn tín hiệu, kể từ lúc bắt đầu kết thúc, đƣợc gọi độ rộng tín hiệu Nếu tín hiệu tuần hồn, độ rộng đƣợc tính tƣơng ứng với thời gian tồn tín hiệu chu kỳ

4.2.2 Giá trị trung bình

Nếu tín hiệu s(t), xuất s(t) thời điểm t0, có độ dài  giá trị trung bình khoảng thời gian  đƣợc xác định bởi:



 

0

t

t dt ) t ( s ) t ( s

4.2.3 Năng lượng tín hiệu

Thông thƣờng s(t) đại diện cho điện áp hay dịng điện Năng lƣợng tín hiệu thời gian tồn xác định nhƣ sau:





0

t

Năng lƣợng trung bình đơn vị thời gian (thƣờng đƣợc gọi cơng suất trung bình tín hiệu) đƣợc tính:

     0 t t 2 dt ) t ( s E ) t ( s

Căn bậc hai lƣợng trung bình đƣợc gọi giá trị hiệu dụng tín hiệu:

    0 t t 2 dt ) t ( s ) t ( s S

4.3 Các hệ thống điện tử điển hình

Để thực việc truyền tin tức xa thu thập, xử lý tín hiệu từ nơi xa tới ngƣời ta cần trang bị thiết bị chức tập hợp chúng thành hệ thống điện tử định Trong hệ đó, tin tức đƣợc truyền theo chiều định (gọi hệ thống hở), truyền theo chiều (gọi hệ thống kín) Ba hệ thống điện tử thƣờng gặp hệ thống thông tin quảng bá, hệ đo lƣờng hệ tự động điều khiển

4.3.1 Hệ thống thông tin quảng bá

Đây hệ thƣờng dùng để truyền tiếng nói, hình ảnh từ đài phát thanh, phát hình tới máy thu

Tin tức Chuyển đổi Điều chế Khuếch đại

Tạo sóng mang

THIẾT BỊ PHÁT

Chọn

khuếch đại Trộn sóng

Khuếch đại trung tần

Giải điều

chế Khuếch đại Nhận tin

Tạo dao động nội Anten

THIẾT BỊ THU

Tại đài phát, tin tức (tiếng nói hay hình ảnh) đƣợc truyền qua chuyển đổi, biến thành đại lƣợng điện tần số thấp Tín hiệu loại có lƣợng nhỏ, tần số thấp khơng thể xạ xa Vì ngƣời ta phải dùng sóng cao tần (gọi sóng mang) để mang tín hiệu xa Q trình gọi điều chế tín hiệu Qua phận này, tham số sóng cao tần (biên độ, tần số góc pha) bị thay đổi tuỳ theo quy luật tín hiệu tần số thấp Sau tín hiệu đƣợc khuếch đại đƣa đến anten để xạ qua mơi trƣờng truyền sóng

Tại phận thu, sóng cao tần đƣợc điều chế tiếp nhận từ anten đƣợc chọn lọc, khuếch đại đƣa đến trộn sóng (đem tín hiệu cao tần mang tin tức trộn với sóng tạo chỗ - gọi dao động nội) để tạo nên sóng có tần số thấp gọi trung tần Sau dó sóng trung tần đƣợc khuếch đại, giải điều chế (nghĩa tách tín hiệu tần số thấp phản ánh tin tức nguyên thuỷ khỏi sóng mang – cịn đƣợc gọi q trình tách sóng), tiếp tục khuếch đại đƣa tới nhận tin (ví dụ loa máy thu thanh)

Hệ thống hệ thống hở: tín hiệu truyền theo chiều (từ đài phát tới máy thu) mà không truyền theo chiều ngƣợc lại Chất lƣợng hiệu việc thông tin phụ thuộc vào chất lƣợng thiết bị phát, thiết bị thu mơi trƣờng truyền sóng Thơng thƣờng truyền tín hiệu đi, ngồi tín hiệu cần truyền (gọi tín hiệu hữu ích) cịn lẫn lộn tín hiệu ký sinh không mong muốn (do linh kiện môi trƣờng truyền gây nên) gọi nhiễu Để có hiệu thông tin tốt, phận hệ thống thơng tin quảng bá nói cần có tỉ số tín hiệu nhiều (SNR – Signal to Noise Ratio) lớn tốt

4.3.2 Hệ đo lường điện tử

Nguổn tin cần đo

Cảm biến

đầu vào Xử lý Hiển thị

Hệ thống đo lƣờng điện tử

Bộ cảm biến đầu vào biến đổi đại lƣợng cần đo thành tín hiệu điện tỉ lệ với Sau tín hiệu đƣợc xử lý (biến đổi thành dạng thích hợp, khuếch đại …) đƣa đến phận hiển thị Trong khối trên, cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó định độ nhậy độ xác phép đo Thiết bị đo dựa ngun tắc số thƣờng có độ xác cao, khả chống nhiễu cao, dễ phối hợp với hệ thống truyền xử lý số liệu khác Nó cho phép thực đo đồng thời nhiều đại lƣợng nhiều tham số trình, đo lƣờng từ xa

4.3.3 Hệ thống tự động điều khiển

Hệ thống tự điều khiển thuộc loại hệ thống kín: ngồi đƣờng truyền tín hiệu theo chiều thuận, cịn có đƣờng truyền ngƣợc (gọi đƣờng hồi tiếp) để theo dõi, đo đạc so sánh hay nhiều thơng số q trình, từ sản sinh tín hiệu điều khiển, nhằm đƣa hệ thống trở trạng thái ổn định Ví dụ: hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ

Đối tƣợng chịu điều khiển

Bộ cảm biến Khuếch đại

Bộ phận chấp hành

So sánh khuếch đại

Tạo mức chuẩn

Đối tƣợng chịu điều khiển lị sấy Nhiệt độ (thơng số điều khiển Tx) đƣợc cảm biến chuyển thành điện áp (tỷ lệ với nhiệt độ) Qua khuếch đại, điện áp Vx đƣợc đem so sánh với điện áp mẫu Vch (do tạo mức chuẩn gây ra) Giá trị Vch đƣợc lựa chọn tƣơng ứng với nhiệt độ T0 cho trƣớc (T0 nhiệt độ cần trì lị điện buồng sấy) Tuỳ theo giá trị Vx nhỏ hay lớn Vch mà điện áp so sánh V giá trị dƣơng âm Thông qua hoạt động phận chấp hành, V tác động lên đối tƣợng chịu điều khiển để làm tăng làm giảm nhiệt độ Tx Quá trình tiếp tục Tx T0 (tức Vx = Vch) V = đối tƣợng chịu điều khiển trì trạng thái cân bằng, tƣơng ứng với nhiệt độ T0

Hệ thống rõ ràng hệ kín Tín hiệu Vx đƣợc liên tục so sánh với mức chuẩn Vch để tạo tín hiệu hồi tiếp V, khống chế đối tƣợng chịu điều khiển theo hƣớng tiến tới trạng thái cân Mức độ xác giá trị Vch, khả phân giải so sánh, ngồi cịn phụ thuộc vào độ xác cảm biến ngõ vào

CHƢƠNG II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1 Chất bán dẫn chế dẫn điện

1.1 Mạng tinh thể liên kết hoá trị

Các chất bán dẫn điển hình nhƣ Ge Si thuộc nhóm bảng tuần hồn nguyên tố hoá học Chúng cấu tạo từ tinh thể có hình dạng xác định, ngun tử đƣợc xếp theo trật tự chặt chẽ, tuần hoàn tạo nên mạng lƣới gọi mạng tinh thể Xung quanh nguyên tử bán dẫn có nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử Mỗi nguyên tử có điện từ hố trị lớp vỏ ngồi Do khoảng cách nguyên tử gần, điện tử chịu ảnh hƣởng nguyên tử xung quanh Vì điện tử hố trị hai ngun tử cạnh có quỹ đạo chung Quỹ đạo chung ràng buộc nguyên tử với nguyên tử khác

1.2 Điện tử tự lỗ trống – bán dẫn loại i

Tình trạng xảy chất bán dẫn khiết (không lẫn tạp chất) có cấu trúc tinh thể hồn chỉnh nhiệt độ thấp (T = 00K)

Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao (hoặc đƣợc cung cấp lƣợng dƣới dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá chùm tia…), số điện tử hoá trị nhận thêm lƣợng thoát khỏi mối liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự Các điện tử mang điện âm (q = 1,6.10-19C) sẵn sàng chuyển động có hƣớng có tác dụng điện trƣờng Khi điện tử tự xuất hiện, mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi thiếu điện tích âm –q; nghĩa dƣ điện tích dƣơng +q Ta gọi lỗ trống

Nhƣ vậy, chất bán dẫn khiết vừa xét (gọi bán dẫn loại i) có loại điện tích tự xuất đƣợc cung cấp lƣợng điện tử lỗ trống Mật độ chúng (nồng độ đơn vụ thể tích) nhau: ni = pi

Điện tử lỗ trống hai loại hạt mang điện, chuyển động có hƣớng tạo nên dịng điện, chúng đƣợc gọi hạt dẫn

1.3 Bán dẫn loại N bán dẫn loại P

Trong chất bán dẫn loại N, nn > pn Ta gọi điện tử hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số

Trong bán dẫn loại P, lỗ trống hạt dẫn đa số, điện tử hạt dẫn thiểu số (pp > np) Nhƣ tuỳ theo tạp chất pha vào thuộc nhóm hay nhóm mà chất bán dẫn i trở thành bán dẫn loại P hay loại N Hạt dẫn đa số tƣơng ứng lỗ trống điện tử Các nguyên tử tạp chất đƣợc kích thích trở thành ion âm ion dƣơng

Ở trạng thái cân bằng, chất bán dẫn trung hoà điện, nghĩa tổng điện tích dƣơng tổng điện tích âm

1.4 Chuyển động trôi khuếch tán hạt dẫn 1.4.1 Chuyển động trôi

1.4.2 Chuyển động khuếch tán

Dạng chuyển động khuếch tán xảy có phân bố khơng đồng thể tích Đối với chất bán dẫn, nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đồng đều, chúng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao nơi có nồng độ thấp Dịng điện chuyển động có hƣớng gây gọi dòng điện khuếch tán

2 Chuyển tiếp P – N đặc tính chỉnh lưu

2.1 Chuyển tiếp P – N trạng thái cân

Giả sử có khối bán dẫn loại P loại N tiếp xúc theo tiết diện phẳng nhƣ hình vẽ

Trƣớc tiếp xúc, khối bán dẫn cân điện tích (tổng điện tích dƣơng tổng điện tích âm) đồng thời giả thiết nồng độ hạt dẫn nhƣ nồng độ tạp chất phân bố Khi tiếp xúc nhau, chênh lệch nồng độ (pp > pn; nn > pn) xảy tƣợng khuếch tán hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán từ N sang P Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán có chiều từ P sang N

các ion dƣơng, nghĩa hình thành hai lớp điện tích khơng gian trái dấu đối diện Giữa lớp điện tích có chênh lệch điện (VN>VP) gọi hiệu điện tiếp xúc Nhƣ mặt ranh giới xuất điện trƣờng hƣớng từ N sang P gọi điện trƣờng tiếp xúc Etx

Vùng hẹp nói gọi vùng nghèo hay chuyển tiếp P – N Nồng độ hạt dẫn vùng thấp nên điện trở suất cao so với vùng lại Do tồn điện trƣờng tiếp xúc, hạt dẫn thiểu số chất bán dẫn bị phía đối diện: lỗ trống từ bán dẫn N chạy phía cực âm điện trƣờng; điện tử từ bán dẫn P chạy phía cực dƣơng điện trƣờng Chúng tạo nên dịng điện trơi, ngƣợc chiều với dòng khuếch tán hạt dẫn đa số

Nồng độ hạt dẫn đa số khối bán dẫn chênh lệch tƣợng khuếch tán mãnh liệt tƣợng tái hợp nhiều, điện trƣờng tiếp xúc ngày tăng dịng điện trơi hạt dẫn thiếu số ngày tăng Vì sau thời gian ngắn, dịng trơi dịng khuếch tán trở nên cân nhau, triệt tiêu dòng tổng hợp qua mặt ranh giới Khi chuyển tiếp P – N đạt tới trạng thái cân Ứng với trạng thái đó, hiệu điện tiếp xúc bán dẫn N P có giá trị định Thông thƣờng hiệu điện tiếp xúc vào khoảng 0.35V (đối với Ge) 0.7V (đối với Si) Hiệu điện ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, trì trạng thái cân nên đƣợc gọi “hàng rào điện thế”

2.2 Chuyển tiếp P – N có điện áp ngồi – Đặc tính chỉnh lưu 2.2.1 Phân cực nghịch

Hàng rào điện trở thành Vtx + V khiến dòng khuếch tán hạt dẫn đa số giảm xuống nhỏ, cịn dịng trơi hạt dẫn thiểu số tăng theo V Nhƣng nồng độ hạt dẫn thiểu số nhỏ nên trị số dịng nhỏ Nó nhanh chóng đạt đến giá trị bão hồ Is V thấp Dòng tổng hợp qua chuyển tiếp P – N (chiều dƣơng quy ƣớc chiều từ P sang N) trạng thái là: I = - Is Nghĩa bị phân cực ngƣợc, dòng điện qua qua chuyển tiếp P – N có giá trị bé chạy theo chiều âm Is đƣợc gọi dịng ngƣợc bão hồ

2.2.2 Phân cực thuận

Cần ý điện áp thuận tăng, bề dày vùng nghèo giảm điện áp hàng rào Vtx – V giảm Khi Vtx = V, hàng rào biến mất, dòng qua chuyển tiếp P – N theo chiều thuận vô lớn, phá hỏng miền tiếp xúc Đây trạng thái cần tránh sử dụng chuyển tiếp P – N phân cực thuận sau

2.2.3 Đặc tính chỉnh lưu

Chuyển tiếp P – N (còn gọi mối nối P – N hay vùng nghèo) phận quan trọng tiếp xúc hai bán dẫn khác loại Tuỳ theo điện áp đặt vào theo chiều thuận hay nghịch mà có đặc tính khác nau Khi phân cực thuận, vùng nghèo hẹp, điện trở nhỏ, dòng điện lớn tăng nhanh theo điện áp; phân cực nghịch, vùng nghèo mở rộng, điện trở lớn, dòng điện chạy qua nhỏ thay đổi theo điện áp Nhƣ chuyển tiếp P – N dẫn điện theo hai chiều khơng giống Nếu có điện áp xoay chiều đặt vào dẫn điện chủ yếu theo chiều Ta gọi tính chất van hay đặc tính chỉnh lƣu

2.3 Hiện tượng đánh thủng chuyến tiếp P - N

Khi chuyển tiếp P - N bị phân cực nghịch, điện áp ngƣợc tăng đến giá trị lớn dịng điện ngƣợc trở nên tăng vọt, nghĩa chuyển tiếp P - N dẫn điện mạnh theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van vốn có Hiện tƣợng đƣợc gọi tƣợng đánh thủng Giá trị điện áp ngƣợc xảy trình thƣờng ký hiệu VB (điện áp đánh thủng)

Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng điện nhiệt, ngƣời ta thƣờng phân biệt hai dạng: đánh thủng điện đánh thủng nhiệt Có hai nguyên nhân kết hợp lại với tăng cƣờng lẫn nhau, gây dạng đánh thủng thứ ba đánh thủng điện - nhiệt

Đánh thủng điện phân làm hai loại: đánh thủng thác lũ (avalanche) đánh thủng xuyên hầm (tunnel)

Đánh thủng xuyên hầm xảy vùng nghèo tƣơng đối hẹp, tức chuyển tiếp bán dẫn có nồng độ tạp chất lớn Điện trƣờng vùng nghèo lớn, có khả gây hiệu ứng “xuyên hầm”, tức điện tử vùng hoá trị bán dẫn P có khả “chui qua” hàng rào để chạy sang vùng dẫn N, làm cho dòng điện tăng vọt

Đặc tuyến Volt - Ampere hai dạng đánh thủng nói gần nhƣ song song với trục tung Khi nhiệt độ môi trƣờng tăng, giá trị điện áp đánh thủng theo thể xuyên hầm bị giảm (tức hệ số nhiệt VB âm), điện áp đánh thủng theo chế thác lũ, lại tăng (hệ số nhiệt VB dƣơng)

đặc tính chỉnh lƣu chuyển tiếp P - N Cịn đánh thủng điện, có biện pháp hạn chế dịng điện ngƣợc cho cơng suất tiêu tán chƣa vƣợt giá trị cực đại cho phép chuyển tiếp P - N hồi phục lại đặc tính chỉnh lƣu

3 Diode bán dẫn

3.1 Diode chỉnh lưu

Hình 2.9 cấu tạo điển hình loại diode chỉnh lƣu, chế tạo theo phƣơng pháp hợp kim

Bộ phận diode chuyển tiếp P – N, có đặc tính dẫn điện chủ yếu theo chiều thƣờng đƣợc ứng dụng để biến điện xoay chiều thành điện chiều (do có tên diode chỉnh lƣu) Hình 2.10 ký hiệu diode bán dẫn

Khi điện áp thuận có giá trị nhỏ V 0,6V (đối với diode Ge V 0,2V) dịng điện thuận bé, chƣa đáng kể Chỉ điện áp thuận vƣợt q điện áp mở Vthì dịng điện tăng nhanh theo điện áp, đoạn đặc tuyến gần nhƣ đƣờng thẳng với độ dốc không đổi Vì biểu thị diode phân cực thuận sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ hình 2.12

đánh thủng làm hỏng diode Nhƣng phân cực ngƣợc sơ đồ tƣơng đƣơng diode hở mạch

* Các thông số cần quan tâm diode sau:

- Điện áp ngƣợc cực đại cho phép Vng max (để khơng bị đánh thủng) - Dịng điện thuận cực đại cho phép Imax

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép Pmax

- Tần số cực đại cho phép tín hiệu xoay chiều fmax

- Điện dung mặt ghép: Lớp điện tích l0 tƣơng đƣơng với tụ điện gọi điện dung mặt ghép N-P Ở tần số cao lớp điện dung định tốc độ đóng mở diode làm việc nhƣ khố điện, tức điện dung mặt ghép N-P định fmax

- Điện trở chiều (điện trở dòng chiều)

Rth = Vth/Ith : có giá trị bé (mấy đến chục ) Rng = Vng/Ing : có giá trị lớn (hàng trăm k)

- Điện trở xoay chiều (còn gọi điện trở vi phân) rd = dV/dI

Tham số nghịch đảo độ dốc đặc tuyến V-A diode

Về phía thuận, đặc tuyến có dạng dốc đứng, rd tƣơng đối nhỏ Về phía ngƣợc, miền đặc tuyến gần nhƣ nằm ngang, dòng điện ngƣợc nhỏ, giá trị rd tƣơng ứng lớn

3.2 Diode cao tần

3.2.1 Diode zener

dòng điện, nghĩa điện áp katôt anôt hầu nhƣ không đổi Ngƣời ta lợi dụng ƣu điểm để dùng diode Zenner làm phần tử ổn định điện áp

Giới hạn phạm vi làm việc trị số dịng điện ngƣợc tối đa cho phép, xác định công suất tiêu hao cực đại diode Pmax (điểm B hình) Ký hiệu quy ƣớc diode Zener mạch ổn áp tƣơng ứng giới thiệu hình 2.14 (lƣu ý: diode Zener làm việc trạng thái phân cực ngƣợc)

V1 : điện áp chiều chƣa ổn định V2 : điện áp lấy tải (đã ổn định)

R1 : điện trở hạn chế dòng điện qua diode, cho điểm làm việc nằm phạm vi AB cho phép

* Để đặc trưng cho diode Zener, người ta dùng tham số sau đây:

- Điện áp ổn định VZ

- Điện trở tƣơng đƣơng (còn gọi điện trở động) điểm làm việc (nằm miền đánh thủng)

dI dV

r Z

d 

Trị số rd bé chứng tỏ đặc tuyến đánh thủng dốc đứng, nghĩa chất lƣợng ổn định điện áp cao

- Điện trở tĩnh xác định tỷ lệ số điểm áp diode dịng điện qua

Z Z t I V R 

- Hệ số ổn định phản ánh tỷ số lƣợng biến thiên tƣơng đối dòng điện lƣợng biến thiên tƣơng đối điện áp phát sinh q trình đó:

  Z Z Z Z V / dV I / dI S d t Z Z Z Z r R I V dV dI 

Rõ ràng điện trở động rd nhỏ so với điện trở tĩnh Rt độ ổn định đạt đƣợc cao

Đơi ngƣời ta định nghĩa hệ số ổn định tỷ lệ số lƣợng biến thiên điện áp vào lƣợng biến thiên tƣơng ứng điện áp

- Hệ số nhiệt điện áp ổn định: Hệ số biểu thị lƣợng biến thiên tƣơng đối điện áp ổn định theo nhiệt độ:

const I dT dV V Z Z Z T  



3.2.2 Diode biến dung (Varicap)

Diode biến dung loại linh kiện bán dẫn hai cực, chuyển tiếp P – N đƣợc chế tạo cách đặc biệt cho điện dung thay đổi nhiều theo điện áp ngƣợc đặt vào Chúng thƣờng đƣợc dùng mạch tạo sóng điều tần, mạch tự động điều chỉnh tần số cộng hƣởng, khuếch đại tham số nhân tần Diode biến dung đƣợc biểu diễn nhƣ hình 2.15

* Để đặc trưng cho diode biến dung, người ta dùng tham số:

- Giá trị danh định điện dung: thông thƣờng giá trị đƣợc đo điều kiện xác định (giá trị điện áp ngƣợc, tần số đo, nhiệt độ môi trƣờng …)

- Hệ số thay đổi điện dung: tỷ số giá trị điện dung đo đƣợc hai điện áp ngƣợc khác

2 C C Kc 

Đôi để tổng quát hơn, ngƣời ta dùng độ dốc đặc tuyến

dV dC V

C( ) biểu thị tốc độ biến thiên điện dung C theo điện áp ngƣợc V

- Hệ số phẩm chất Q: đặc trƣng cho tỷ số cơng suất tín hiệu hữu ích lấy từ varicap cơng suất tiêu hao

3.2.3 Diode tunnel

Diode tunnel loại dụng cụ cực có chuyển tiếp P – N nhƣng khác với loại diode trên, nồng độ tạp chất bán dẫn P bán dẫn N diode tunnel có giá trị lớn (khoảng 1019

Diode tunnel thƣờng đƣợc ứng dụng để khuếch đại tạo dao động siêu cao tần

4 Transistor hai cực tính (BJT)

4.1 Cấu tạo

BJT đƣợc tạo thành chuyển tiếp P – N nằm gần phiến bán dẫn đơn tinh thể Về mặt cấu tạo, xem nhƣ BJT ba lớp bán dẫn tiếp xúc tạo nên, lớp có bề dày bé (khoảng 10-4

cm) khác kiểu dẫn điện với lớp bên cạnh Nếu lớp bán dẫn loại P hai lớp bên cạnh loại N, tạo nên loại transistor kiểu N – P – N Còn lớp bán dẫn loại N hai lớp bên cạnh loại P, tạo nên loại transistor kiểu P – N – P

Các lớp bán dẫn đƣợc đặt vỏ kín nhựa kim loại, chí có điện cực thị ngồi Kí hiệu quy ƣớc loại transistor N – P – N P – N – P nhƣ hình 2.17 Mũi tên vẽ trên cực E trùng với chiều dòng điện chạy qua cực

Do cấu tạo nhƣ hình thành chuyển tiếp P – N gần Chuyển tiếp thứ ranh giới miền phát miền nền, gọi chuyển tiếp emitter, kí hiệu JE Chuyển tiếp thứ hai, ranh giới miền miền thu, gọi chuyển tiếp collector, kí hiệu JC Hoạt động BJT chủ yếu dựa tƣơng tác hai chuyển tiếp gần

4.2 Nguyên lý hoạt động khả khuếch đại BJT

Xét nguyên tắc hoạt động loai N – P – N Sơ đồ mạch điện nhƣ hình 2.18

Nguồn E1 (có sức điện động vài volt) làm chuyển tiếp JE phân cực thuận Nguồn E2 (thƣờng có giá trị từ 5V đến 12V) làm cho chuyển tiếp JC phân cực nghịch RE, RC điện trở phân cực

Để đơn giản, giả thiết ban đầu nồng độ tạp chất phân bố lớp bán dẫn, đồng thời ta ý đến điện trở vùng nghèo JE, JC

Khi có nguồn E2, chuyển tiếp JC bị phân cực nghịch, hàng rào điện điện trƣờng tiếp xúc vùng nghèo tăng Tƣơng tự nhƣ diode phân cực nghịch, qua vùng nghèo JC có dòng điện nhỏ (do hạt dẫn thiểu số miền base miền collector tạo nên), kí hiệu ICBO, dịng điện ngƣợc collector

Nếu có thêm nguồn E1, chuyển tiếp JE phân cực thuận Hàng rào điện JE hạ thấp (so với trạng thái cân bằng) khiến điện tử từ miền N+

tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn qua miền N+ Sau hạt dẫn không cân tiếp tục khuếch tán Trên đƣờng khuếch tán, chúng tái hợp với Nhƣng nồng độ hạt dẫn miền chênh lệch xa (nn > pp) điện tử phun từ miền N

+

vào miền P, phận nhỏ bị tái hợp, cịn tuyệt đại đa số khuếch tán qua miền base tới vùng nghèo JC (khả bị tái hợp đƣờng miền base mỏng, nồng độ lỗ trống miền không cao lắm) Khi tới vùng nghèo JC, điện tử nói bị điện trƣờng JC hút phía collector tạo nên dịng điện mạch collector

Nếu gọi IE dòng điện chạy qua cực emitter (tƣơng ứng với chuyển động điện tử miền N+

sang miền P dịng điện tạo nên số điện tử chạy tới collector vừa nói IE,  tỉ số số lƣợng điện tử tới đƣợc collector tổng số điện tử phát từ emitter, tức là:



 số lƣợng điện tử tới đƣợc cực C tổng số điện tử phát từ cực E

Thông thƣờng  = 0,95  0.99 (nghĩa tỉ lệ hao hụt hạt dẫn dọc đƣờng từ cực E tới cực C nhỏ)

Với =   

1 : hệ số khuếch đại dòng điện

4.3 Ba sơ đồ BJT

4.3.1 Mạch base chung (BC: Base Common)

Tín hiệu cần khuếch đại đƣa vào cực E cực B, tín hiệu sau khuếch đại lấy cực C cực B Cực B cực chung mạch vào mạch Nhƣ dòng điện vào dòng emitter IE, dòng điện dòng collector IC Điện áp vào VEB, điện áp VCB

Sơ đồ mạch base chung nhƣ hình 2.18

IE = IC + IB IC =  IE + ICBO

=> IE =  IE + ICBO + IB IB = IE(1- ) - ICBO = 

 

(IC – ICBO) - ICBO

IC =  



1 IB + 1

ICBO

Vì dịng ICBO nhỏ nên IC     IB  =

  

1 : hệ số khuếch đại dòng điện

4.3.2 Mạch emitter chung (EC: Emitter Common)

IC =  IE + ICBO IE = IB + IC

=> IC =  (IB + IC) + ICBO (1 - ) IC =  IB + ICBO

IC = IB + (+1)ICBO = IB + ICEO

ICEO: dòng điện ngƣợc collector mạch EC

Thơng thƣờng, BJT có  = 0,95  0,99 Tƣơng ứng  = 19  99; ICBO = (0,01  0,1) A; ICEO = (1  10) A

Lƣu ý mạch BC, hệ số  xấp xỉ 1, dòng ICBO nhỏ Còn mạch EC, hệ số  lớn 1, dòng ICEO lớn ICBO nhiều, nhƣng so với giá trị IB khơng đáng kể

4.3.3 Mạch collector chung (CC: Collector Common)

4.4 Đặc tuyến Volt – Ampere BJT

Đồ thị diễn tả mối tƣơng quan dòng điện điện áp BJT đƣợc gọi đặc tuyến volt – ampere (hay đặc tuyến tĩnh) Ngƣời ta thƣờng phân biệt thành loại đặc tuyến: đặc tuyến vào (nêu quan hệ dòng điện điện áp ngõ vào), đặc tuyến (nêu quan hệ dòng điện điện áp ngõ ra), đặc tuyến truyền đạt dòng điện (nêu phụ thuộc dòng điện theo dòng điện vào) đặc tuyến hồi tiếp điện áp (nêu biến đổi điện áp hai ngõ vào điện áp thay đổi) Dƣới giới thiệu loại đặc tuyến thƣờng dùng cho kiểu mạch

4.4.1 Mạch base chung * Họ đặc tuyến vào

Mắc BJT theo sơ đồ BC trạng thái tĩnh (tức có điện áp chiều phân cực) E1, E2 nguồn điện áp chiều thay đổi giá trị Các đồng hồ mA kế dùng để đo dòng điện, volt kế đo điện áp hai cực Giữ điện áp VCB = const, lần lƣợt hay đổi giá trị E1 đọc cặp giá trị tƣơng ứng IE VEB, kết vẽ đƣợc đồ thị

IE = f (VEB)

const VCB 

nhƣ hình 2.21

Có thể thấy dạng đặc tuyến tƣơng tự nhƣ đặc tuyến thuận diode, cực E cực B BJT có chuyển tiếp IE phân cực thuận Điện áp ngõ VCB ảnh hƣởng đến dịng điện ngõ vào

* Họ đặc tuyến

Nếu lần lƣợt giữ dòng IE giá trị định, thay đổi nguồn E2 xác định cặp giá trị tƣơng ứng IC VCB, ta có đặc tuyến mạch BC

IC = f(VCB)

- Đặc tuyến gần nhƣ song song với trục hoành, chứng tỏ VCB = 0, dịng IC có giá trị khác việc tăng VCB ảnh hƣởng đến trị số IC

- Đƣờng thấp ứng với IE = cách trục hoành khoảng hẹp Tung độ giá trị dịng điện ngƣợc collector

- Phạm vi hẹp phía dƣới đặc tuyến miền tắt, tƣơng ứng với trạng thái tắt BJT (cả chuyển tiếp JE JC phân cực nghịch)

- IE tăng IC tăng Đó số hạt dẫn đa số miền emitter phun vào miền base lớn số tới đƣợc cực collector nhiều

- Đặc tuyến bao gồm đoạn Đoạn gần nhƣ song song với trục hoành ứng với trạng thái khuếch đại thông thƣờng BJT (JE phân cực thuận, JC phân cực nghịch) Đoạn chếch xiên bên trái trục tung (vẽ nét đứt) tƣơng ứng với trạng thái dẫn bão hoà BJT (cả hai chuyển tiếp JE, JC phân cực thuận) Đoạn thứ ba bên phải (vẽ chấm chấm) q trình đánh thủng chuyển tiếp JC, xảy VCB lớn làm dòng IC tăng vọt Đây miền cấm sử dụng để khỏi phá hỏng BJT

* Đặc tuyến truyền đạt dòng điện

IC = f(IE)

Nó có dạng gần tuyến tính, phù hợp với hệ thức lý thuyết (coi  không đổi) Trên thực tế, hệ số  số dòng điện IE tƣơng đối nhỏ Còn IE lớn, nghĩa dòng hạt dẫn khuếch tán qua miền base có mật độ lớn tỷ lệ phần trăm số hạt dẫn bị tái hợp đƣờng tăng lên, khiến  giảm Điều làm cho đặc tuyến vùng dòng điện lớn ngày lêch khỏi quy luật tuyến tính

4.4.2 Mạch emitter chung * Đặc tuyến vào

IB = f(VBE)

const VCE 

Đặc tuyến vào phản ánh mối quan hệ dòng áp chuyển tiếp JE ngõ vào Thực chất nhánh thuận đặc tuyến diode

* Đặc tuyến

IC = f(VCE)

const IB 

So với đặc tuyến mạch BC, họ đặc tuyến mạch EC có vài khác biệt: - Đƣờng thấp (ứng với IB = 0) phản ánh giá trị dòng điện ngƣợc collector mạch EC (ICEO) Dòng lớn dòng ICBO mạch BC Phạm vi dƣới đặc tuyến gọi miền tắt, ứng với trạng thái JE JC đểu phân cực nghịch

- Các đặc tính phía ứng với IB bao gồm đoạn: đoạn chếch xiên ứng với trạng thái dẫn bão hoà BJT, đoạn nằm ngang ứng với trạng thái khuếch đại BJT có độ dốc lớn so với đặc tuyến mạch BC, đoạn dốc đứng ứng với trình đánh thủng

* Đặc tuyến truyền đạt dòng điện

IC = f(IB)

const VCE 

4.4.3 Mạch collector chung (CC) * Đặc tuyến vào

IB = f(VBC)

const VCE 

Họ đặc tuyến vào có tính chất lý thuyết thực tế dùng

* Đặc tuyến đặc tính truyền đạt dịng điện

IE = f(VEC)

const

IB  ; IE = f(IB) VEC const đặc tuyến mạch CC gần giống với mạch EC IE IC

4.5 Các tham số giới hạn BJT

Dòng điện cực đại cho phép: Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu công nghệ chế tạo, điều kiện tỏa nhiệt v.v… BJT có dịng điện tối đa điện cực Ta thƣờng ký hiệu giới hạn IEmax, IBmax, ICmax

Điện áp cực đại cho phép: VCBmax, VCEmax, VBEmax Đó điện áp không đƣợc vƣợt để không gây đánh thủng chuyển tiếp P – N tƣơng ứng

kèm theo điều kiện cụ thể nhiệt độ môi trƣờng chế độ tỏa nhiệt Khi làm việc tầng khuếch đại đó, để không phá hỏng BJT, công suất tức thời tiêu tán transistor thiết không đƣợc vƣợt giá trị PC.max

Tần số giới hạn: Thông thƣờng BJT làm việc cách hiệu đến tần số định Khi tần số tín hiệu tăng cao, vai trò điện dung chuyển tiếp P-N trở nên đáng kể Mặt khác, chuyển động hạt dẫn qua bề dày miền base coi tức thời chiếm thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu Vì vậy, hệ số truyền đạt dòng điện  bị giảm theo tần số; dòng điện dòng điện vào (hoặc điện áp vào) bị lệch pha v.v…, gây nên gọi “méo tần số”, “méo pha” v.v…

5 Transistor trường (FET)

Transistor trƣờng bao gồm nhóm: transistor trƣờng dùng chuyển tiếp P – N gọi tắt JFET (Junction Field Effect Transistor) transistor trƣờng có cực cửa cách ly gọi tắt IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor) MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

Nhóm IGFET chia thành loại: loại kênh có sẵn loại kênh cảm ứng

5.1 Transistor trường dùng chuyển tiếp P – N (JFET) 5.1.1 Cấu tạo

Cấu tạo đơn giản hoá JFET mạch hoạt động nhƣ hình 2.28

Phần thể tích cịn lại thỏi Si (khơng bị vùng nghèo choán chỗ) gọi kênh dẫn Lớp bán dẫn loại P đƣợc tạo tiếp xúc không chỉnh lƣu với sợi kim loại, dùng làm cực cửa – G (gate), cịn gọi cực điều khiển Tồn hệ thống đƣợc đặt vỏ kim loại nhựa gắn kín, có điện cực G, D, S thị ngồi Đó JFET loại N

Một cấu trúc tƣơng tự nhƣng dùng thỏi bán dẫn ban đầu loại P lớp bao quanh loại N tạo nên JFET loại P

5.1.2 Nguyên tắc hoạt động

Xét nguyên tắc hoat động JFET kênh N làm ví dụ Nối JFET với nguồn điện áp phân cực EG, ED nhƣ hình 2.28 Nguổn ED, thơng qua điện trở RD đặt điện áp VDS cực máng cực nguồn, gây dòng chuyển động qua kênh dẫn điện tử (hạt đa số thỏi bán dẫn N), tạo nên dòng điện máng ID

Mặt khác, nguồn EG tạo điện áo cực cửa cực nguồn, làm cho chuyển tiếp P – N (hình thành cực cửa kênh dẫn) bị phân cực nghịch, nghĩa bề dày vùng nghèo tăng lên thu hẹp tiết diện kênh dẫn

Nếu giữ nguyên ED không đổi, tăng dần giá trị EG, tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P – N tăng: vùng nghèo ngày mở rộng, kênh dẫn thu hẹp Do điện trở kênh dẫn tăng dòng máng ID giảm Còn dòng cực G cƣc S dòng ngƣợc chuyển tiếp P – N, thƣờng nhỏ khơng đáng kể

Nếu ngồi điện áp phân cực EG có thêm tính hiệu xoay chiều es đặt vào cực G cực S tuỳ theo trị số dấu es mà tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P – N thay đổi Điện trở kênh dẫn bị biến đổi dòng máng biến đổi theo Nếu es tăng giảm theo quy luật hình sin ID tăng giảm theo hình sin Dịng hạ RD thành điện áp, biến thiên dạng với es nhƣng biên độ lớn hơn, nghĩa JFET khuếch đại tín hiệu

5.1.3 Đặc tuyến Volt – Ampere * Đặc tuyến (đặc tuyến máng)

ID = f(VDS)

const VGS 

Xét VGS = (ngắn mạch G – S) Tăng dần VDS từ giá trị trở đi, quan hệ ID theo VDS có dạng nhƣ hình 2.29

Trƣờng hợp VGS  0, đặc tuyến bao gồm đoạn nhƣ trên, khác có thêm tác dụng VGS, chuyển tiếp P – N bị phân cực nghịch nhiều hơn, điện trở kênh dẫn tăng giá trị dòng ID nhỏ Trị số tuyệt đối VGS tăng, dòng ID giảm, đặc tuyến dịch phía dƣới Mặt khác, điểm bắt đầu thắt kênh đặc tuyến xê dịch phía trái Điểm bắt đầu xảy đánh thủng đặc tuyến dịch dần bên trái

* Đặc tuyến truyền đạt

ID = f(VGS)

const VDS 

Dạng đặc tuyến phản ánh q trình điện trƣờng điều khiển dịng điện máng: trị số tuyệt đối VGS tăng, vùng nghèo mở rộng, điện trở kênh dẫn tăng dịng máng giảm Khi VGS đạt tối giá trị điện áp thắt Vp dịng máng giảm xuống

5.1.4 Tham số đặc trưng cho JFET * Điện trở vi phân ngõ

const V

I V r

GS D DS

D  

Đây nghịch đảo độ dốc đặc tuyến Khi làm việc vùng bão hoà (vùng thắt kênh), giá trị rD thƣờng lớn (khoảng 500kΩ)

* Hỗ dẫn (Độ dốc đặc tuyến truyền đạt)

const V V I g DS GS D

m  

 

Trị số gm phản ánh mức độ ảnh hƣởng điện áp điều khiển VGS tới dịng máng Các JFET thƣờng có gm = (7  10) mA/V

* Điện trở vi phân ngõ vào

const V I V r DS G GS i    

Ngõ vào JFET chuyển tiếp P-N phân cực nghịch, dòng IG bé (thƣờng cỡ 0,1 A 25oC) điện trở ri thƣờng lớn (cỡ 10  100 M 250C)

* Hệ số khuếch đại tĩnh

const I V V D DS GS     

=>   gmrd

Hệ số so sánh mức độ ảnh hƣởng dòng máng điện áp VGS VDS  lớn thể tác dụng điều khiển VGS dòng ID nhạy (so với VDS)

* Điện dung liên cực CGS, CDS CGD

Đây điện dung ký sinh, hình thành điện cực với Thƣờng cỡ (3  10) pF Khi JFET làm việc số thấp, điện dung bỏ qua

5.1.5 Sơ đồ tương đương

Dựa vào nguyên tắc hoạt động tham số đặc trƣng cho JFET, ta có sơ đồ tƣơng đƣơng tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp JFET nhƣ hình 2.31

Giữa hai cực vào G-S có điện trở rào ri, hai cực D-S có điện trở kênh dẫn rd nguồn dòng gm vGS (đại diện cho khả điều khiển dòng điện máng điện áp vào vGS)

Nhƣ có tải mắc vào hai cực D-S dịng điện tải (cũng dòng điện máng) là:

D DS GS

m D

r v v

g

i  

=> VDS = - VDS + iDrD

Hệ thức tƣơng ứng với sơ đồ tƣơng đƣơng hình 2.31b, VDS nguồn điện áp, tƣơng đƣơng cho khả khuếch đại tín hiệu JFET

5.2 Transistor trường có cực cửa cách ly

5.2.1 Cấu tạo hoạt động MOSFET kênh có sẵn

loại, dùng làm cực cửa (G) Thông qua “cửa sổ” khoét xuyên qua màng SiO2 vùng thích hợp, ngƣời ta phun kim loại, tạo tiếp xúc tuyến tính với vùng N+, dùng làm đầu dẫn cho cực S cực D Đáy phiến Si đƣợc gắn với sợi kim loại, dùng làm cực đế SUB Thông thƣờng cực đế đƣợc nối với cực nguồn Ký hiệu MOSFET kênh dẫn có sẵn loại N nhƣ hình 2.32 (b)

Nếu phiến Si ban đầu loại P ta có MOSFET kênh P nhƣ hình 2.32 (c)

Nhƣ VGS = 0, MOSFET kênh có sẵn có dịng máng ban đầu ID  Tuỳ cực tính VGS mà MOSFET hoạt động chế độ giàu hay chế độ nghèo, dùng giá trị VGS để điều khiển dòng ID tăng hay giảm Trên sở đó, có tín hiệu xoay chiều es đƣa đến ngõ vào hiển nhiên dịng ID biến đổi theo es tải ngõ nhận đƣợc tín hiệu khuếch đại

Mạch hoạt động đặc tuyến MOSFET kênh có sẵn loại P giới thiệu nhƣ hình 2.35

5.2.2 Cấu tạo hoạt động MOSFET kênh cảm ứng

thành chuyển tiếp P – N (cực đế thƣờng nối với cực nguồn nên chuyển tiếp nguồn đế bị nối tắt) Vì có điện áp VDS đặt vào, mạch máng có điện trở nhỏ chạy chuyển tiếp P – N phân cực ngƣợc Điện trở tƣơng đƣơng S D xem nhƣ vơ lớn

Khi có thêm điện áp dƣơng VGS, điện tích dƣơng tích tụ cực G, cịn điện tích âm tích tụ vùng đối diện, phía bên màng SiO2 (vùng nằm hai miền N+) Tuy VGS nhỏ, lƣợng điện tích cảm ứng khơng lớn, chúng bị lỗ trống phiến loại P tái hợp Chỉ VGS vƣợt điện áp ngƣỡng VT đó, lƣợng điện tích âm cảm ứng nói trở nên đáng kể Chúng tạo thành lớp bán dẫn loại N bề mặt phiến Si loại P, đóng vai trị nhƣ kênh dẫn nối liền hai miền N+ cực nguồn cực máng Do xuất kênh dẫn nối liền hai miền N+

Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng loại N nhƣ hình 2.38 Ta thấy VGS > VT có dịng máng ID MOSFET kênh cảm ứng làm việc chế độ giàu

Tham số đặc trƣng cho MOSFET gần giống JFET: điện trở vi phân ngõ rD, điện trở vi phân ngõ vào ri, hỗ dẫn gm, điện dung liên cực, tham số giới hạn … Đáng ý lớp cách điện SiO2, điện trở ngõ vào MOSFET vô củng lớn Lớp SiO2 mỏng nên gm lớn nhƣng điện áp đánh thủng G – S G – D thƣờng tƣơng đối thấp

5.2.3 Nhận xét chung JFET MOSFET

- JFET MOSFET hoạt động dựa điều khiển điện trở kênh dẫn điện trƣờng (điện trƣờng điện áp hai ngõ vào sinh ra, cịn dịng điện vào ln ln xấp xỉ Từ khống chế dịng điện Do đặc điềm này, ngƣời ta xếp transistor trƣờng vào loại linh kiện điều khiển điện áp, BJT thuộc loại điều khiển dòng điện (BJT có ngõ vào chuyển tiếp P – N phân cực thuận, dòng điện vào biến đổi nhiều theo tín hiệu cịn điện áp vào thay đổi ít)

- Ngõ vào FET có điện trở lớn, dịng điện vào gần nhƣ nên mạch vào hầu nhƣ không tiêu thụ lƣợng Điều đặc biệt thích hợp cho việc khuếch đại nguồn tín hiệu yếu, nguồn có nội trở lớn

- Vai trò cực nguồn cực máng đổi lẫn cho mà tham số FET không thay đổi đáng kể

- Kích thƣớc điện cực S, G, D giảm xuống bé (dựa cơng nghệ MOS), thu nhỏ thể tích transistor cách đáng kể nhờ transistor trƣờng thơng dụng vi mạch có mật độ tích hợp cao

CHƢƠNG III: CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN 1. Mạch chỉnh lưu bán kỳ (half ware rectifier)

Từ tín hiệu xoay chiều khu vực (220V – 50Hz) hay thấp (qua biến thế), dùng diode với tín chất dẫn điện theo chiều (P-N) để đổi điện thành DC

Bán kỳ +: D phân cực thuận nên dẫn, nên dòng điện IL qua tải RL có giá trị số biến thiên theo bán kỳ + nguồn Nên điện tải VL có dạng bán kỳ + V2

Bán kỳ -: D phân cực nghịch nên khơng dẫn, khơng có dịng qua tải IL, nên VL =

Kết quả: dòng chạy qua tải IL, điện tải VL lại bán kỳ +, nên đƣợc gọi mạch chỉnh lƣu bán kỳ

Điện áp tải:

0

1

sin cos 0.45

2

m

DC m hd

V

V V td t t V





  

 

     

Tƣơng tự cho dòng tải: 0.45

m m RMS

DC

L L

I V V

I

R R

 

  

Vi

t

V0

t

R Vo

Vi

2. Chỉnh lưu toàn kỳ (Full ware rectifier)

Biến biến có chấu làm điểm chung, điện áp đầu ngƣợc pha so với điểm

- Bán kỳ + A: D1 dẫn, D2 ngƣng => dòng IA chạy qua D1 qua R trở điểm biến áp

- Bán kỳ – A (chính bán kỳ + B): D1 ngƣng, D2 dẫn => dòng IB chạy qua D2 qua R điểm biến áp

Do dịng qua tải tổng dịng IA IB Điện áp trung bình tải:

2 m 0.636 0.9

DC m RMS

V

V V V



  

Tƣơng tự cho dòng tải:

2

0.9

m m RMS

DC

L L

I V V

I

R R

 

  

Nhận xét: Độ gợn sóng mạch chỉnh lƣu tồn sóng giảm so với chỉnh lƣu bán kỳ 3. Chỉnh lưu cầu

Thay phải sử dụng biến áp có chấu giữa, ta không cần mà cần xếp diode để dẫn điện bán kỳ

- Bán kỳ đầu VA > Vc: D1D3 dẫn, D2 D4 tắt => dòng chạy A->D1->R->D3->C - Bán kỳ sau VA < Vc : D1 D3 tắt, D2 D4 dẫn => dịng từ C->D2->R->D4->A Cơng thức tính dịng áp nhƣ diode

R

+

- Vi

t Vi

t Vi

t VL

R

Vi

D

4. Mạch lọc

hiệu mạch chỉnh lƣu có độ gợn sóng lớn VDC thấp (tồn kỳ VDC = 0.636 Vm) Do để cải thiện độ gợn sóng ngƣời ta mắc thêm mạch lọc

Ở ngõ ra, D1 dẫn, dòng qua tải R nạp cho tụ C Ở đỉnh A, điện giảm, tụ xả điện qua tải với thời gian T = RL.C Khi tụ xả đến B, D2 dẫn lại nạp cho tụ lên đỉnh A, tiếp tục Kết dạng sóng nhƣ hình vẽ có VDC tăng độ gợn sóng giảm so với lúc chƣa có tụ lọc

5. Mạch xén

Mạch xén gọi mạch giới hạn biên độ tín hiệu, tín hiệu V0 ln tỉ lệ với tín hiệu vào Vi Vi chƣa vƣợt giá trị ngƣỡng cho trƣớc VR, Vi vƣợt mức ngƣỡng tín hiệu V0 ln giữ giá trị khơng đổi

Các linh kiện tích cực đƣợc sử dụng mạch xén thƣờng diode, transistor, đèn điện tử nhƣ vi mạch tuyến tính Tuy nhiên mạch xén dùng diode đƣợc sử dụng rộng rãi mạch cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao

Các mạch xén dùng diode:

 Mạch nối tiếp: tải nối tiếp diode

 Mạch song song: tải song song với diode t

VL

R

Vi

D

Giả thiết diode lý tƣởng V =

rf =0 (điện trở thuận)

IS = (dòng rò, dòng ngƣợc)

rr =  (điện trở ngƣợc)

I

V

 Mạch xén trên:

Mạch nối tiếp Mạch song song D

D R

R

VN VN

vi v0 vi v0

Hàm truyền đạt VN

VN

0

vi

v0

Dạng tín hiệu tín hiệu vào hình sin VN

vi

t v0

Mạch nối tiếp Mạch song song

 Nếu vi > VN  Diode tắt  v0 = VN  Nếu vi VN  Diode dẫn  v0 = vi

 Nếu viVN  Diode dẫn  v0 = VN  Nếu vi < VN  Diode tắt  v0 = vi

Mạch nối tiếp Mạch song song D

D R

R

VN VN

vi v0 vi v0

Mạch nối tiếp Mạch song song

 Nếu vi < VN  Diode tắt  v0 = VN  Nếu vi VN  Diode dẫn  v0 = vi

 Nếu vi VN  Diode dẫn  v0 = VN  Nếu vi > VN  Diode tắt  v0 = vi

VN

VN

vi

v0 VN

vi

v0

t

Hàm truyền đạt

CHƢƠNG IV: MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1 Khái niệm mạch khuếch đại

1.1 Khái niệm mạch khuếch đại

Khuếch đại trình biến đổi đại lƣợng (dòng điện điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà không làm thay đổi dạng

Tuỳ theo dạng tín hiệu cần khuếch đại mà ngƣời ta phân ra: khuếch đại tín hiệu chiều (tổng quát hơn: tín hiệu biến thiên chậm) khuếch đại tín hiệu xoay chiều Bộ khuếch đại thứ lại đƣợc chia làm loại: tần số thấp (âm tần) khuếch đại tần số cao

1.2 Các thông số đạc trưng mạch khuếch đại

- Hệ số khuếch đại điện áp:

S L v

v v

A  tỉ số điện áp VL điện áp vào VS

- Hệ số khuếch đại dòng điện: i L i

i i A 

- Hệ số khuếch đại công suất (độ lợi công suất):

i i

L L i p

I V

I V P P A   - Tổng trở ngõ vào:

i i i

- Tổng trở ngõ ra: Zo

Chất lƣợng khuếch đại tốt Zi lớn Zo nhỏ

.1.3 Các thơng số Hybrid

Phƣơng trình mạng cực viết theo thông số Hybrid : v1 = h11i1 + h12v2

i2 = h21i1 + h22v2

Thay thông số mạng cửa thông số h transistor : v1 = hii1 + hrv2

i2 = hfi1 + h0v2

Trong thông số h transistor đƣợc định nghĩa nhƣ sau :

0 1

2



v i

i v

h : trở kháng vào ngắn mạch

0

1



i r

v v

h : độ lợi điện áp ngƣợc hở mạch

0

2



v f

i i

h : độ lợi dòng thuận ngắn mạch

0 2

1

 i o

v i

Ứng dụng với cách mắc khác (EC, BC, CC) mà chữ thứ đƣợc định Ví dụ : hoe, hie,…

2 Các khái niệm mạch khuếch đại tầng

2.1 Điểm làm việc tĩnh đường tải chiều

Xét tầng khuếch đại dùng BJT mắc EC nhƣ hình 3.3

Để BJT có khả khuếch đại tín hiệu, chuyển tiếp JE phân cực thuận chuyển tiếp JC phân cực nghịch Ở mạch này, nguồn E1 điện trở RB tạo điện áp chiều làm cho chuyển tiếp JE phân cực thuận mức định, nghĩa làm cho dòng IB điện áp VBE mạch vào có giá trị IBQ, VBEQ Trên đặc tuyến vào BJT, cặp giá trị IBQ VBEQ toạ độ điểm Q, gọi điểm làm việc tĩnh ngõ vào BJT Nguồn E2 điện trở RC tạo điện áp chiều làm phân cực nghịch chuyển tiếp JC, khiến cho dịng IC điện áp VCE ngõ có giá trị xác định: ICQ VCEQ Cặp giá trị ICQ VCEQ xác định nên điểm Q, gọi điểm làm việc tĩnh ngõ

Dòng IB áp VBE liên hệ với theo đặc tuyến tĩnh BJT (đƣờng số – hình 3.4) Mặt khác theo định luật Kirchoff II:

E1 = IBRB + VB

=>

B B BE B

R E R

V

I   

Giao điểm đồ thị nói xác định điểm làm việc tĩnh Q đƣờng tải mạch vào

Tƣơng tự, mạch ra, dòng IC áp VCE có quan hệ với theo đặc tuyến BJT (đƣờng số – hình 3.5 ứng với dòng IB = IBQ) Theo định luật Kirchoff II:

E2 = ICRC + VCE =>

C CE C C

R E V R

1

I  

Độ dốc đƣờng tải AB

B R

tg  ; đƣờng tải MN

C R

tg  Nhƣ vậy, cách tổng quát, độ dốc đƣờng tải chiều có giá trị tuyệt đối nghịch đảo điện trở tƣơng ứng

2.2 Trạng thái động – Đồ thị thời gian

Trạng thái làm việc BJT FET có tín hiệu xoay chiều đƣa đến ngõ vào (do xuất điện áp xoay chiều dòng điện xoay chiều ngõ ra) gọi trạng thái động Lúc tín hiệu xoay chiều Vs xếp chồng lên điện áp phân cực vốn có trạng thái tĩnh Trên hình 3.6 3.7 minh hoạ đồ thị thời gian dòng trạng thái tĩnh dòng tƣơng ứng trạng thái động Vs hình sin

2.3 Đường tải xoay chiều

Đƣờng tải MN hình 3.5 tập hợp tất vị trí có điểm làm việc tĩnh Nói cách khác điểm đƣờng tải MN xác định cặp giá trị tƣơng ứng dòng IC điện áp VCE

Đối với trạng thái động, có nguồn tín hiệu xoay chiều Vs tác động, cặp giá trị tƣơng ứng dòng vào áp tức thời iC(t), vCE(t) ngõ xác định nên đặc tuyến điểm làm việc động Khi biên độ Vs thay đổi, điểm làm việc động bày xê dịch quỹ đạo đƣợc gọi đƣờng tải xoay chiều

Điện trở tải tín hiệu xoay chiều mạch ra:

~ C

~ CE ~

i v

R  Vậy độ dốc đƣờng tải xoay chiều là:

~ R

tg  ;  góc đƣờng tải xoay chiều trục hoành

2.4 Các chế độ làm việc phần tử khuếch đại

Tuỳ theo vị trí điểm làm việc tĩnh đƣờng tải xoay chiều, ngƣời ta phân biệt chế độ làm việc sau đây:

2.4.1 Chế độ A

Khi chọn điện áp phân cực cho điểm làm việc tĩnh Q nằm khoảng đoạn MN đƣờng xoay chiều (trong M N giao điểm đƣờng tải xoay chiều với đặc tuyến ứng với dòng cực đại IBmax dòng cực tiểu IBmin) ta nói phần tử khuếch đại làm việc chế độ A

Đặc điểm chế độ A:

- Khuếch đại trung thực, méo phi tuyến

- Dòng tĩnh áp tĩnh khác 0, nghĩa trạng thái tĩnh, tầng khếuch đại tiêu hao lƣợng đáng kể Biên độ dòng áp xoay chiều lấy (ICm, VCEm) tối đa dòng áp tĩnh Vì chế độ A có hiệu suất thấp, thông thƣờng hiệu suất tối đa lớp A 25%

2.4.2 Chế độ B

Nếu chọn điện áp phân cực cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với điểm D điểm N phần tử khuếch đại làm việc chế độ B lý tƣởng Đặc điểm chế độ nhƣ sau:

- Khi dòng điện vào (hoặc điện áp vào) hình sin, dịng điện điện áp nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến trầm trọng

- Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ  0, lƣợng tiêu thụ tầng khuếch đại nhỏ Chỉ trạng thái động, dòng điện trung bình IC tăng dần theo biên độ tín hiệu vào Do lƣợng tiêu thụ tỉ lệ với biên độ xoay chiều tín hiệu xoay chiều lấy Nhƣ chế độ B có hiệu suất cao (khoảng 78.5%)

- Chế độ thƣờng dùng tầng khuếch đại công suất (các tầng cuối thiết bị khuếch đại) Để khắc phục méo phi tuyến, địi hỏi mạch phải có vế đối xứng, thay phiên làm việc nửa chu kỳ

2.4.3 Chế độ D

Chế độ đƣợc gọi chế độ khố hay chế độ đóng mở Ngồi chế độ khuếch đại, BJT FET cịn làm việc nhƣ đóng ngắt điện (chế độ khố) Lúc này, tuỳ theo xung dòng điện vào (hoặc điện áp vào) mà BJT làm việc chế độ đối lập: trạng thái khoá (trạng thái tắt) Q nằm phía dƣới điểm N, trạng thái dẫn bão hồ (trạng thái mở) Q nằm phía điểm M, gần điểm C Đây chế độ BJT làm việc với tín hiệu xung

3 Các mạch phân cực cho BJT

3.1 Dùng nguồn chiều VBB

Định luật Kirchoff II cho vòng có chứa VBB: -VBB + RBIB + VBE + REIEQ = Mà ICQ  IEQ, ICQ = IBQ

 -VBB + RB



CQ I

+ VBE + REICQ =



B E

BE BB CQ

R R

V V I

-VCC + RCICQ + VCEQ + REICQ =

=> ICQ = CC

E C CEQ E C V R R V R

R   

 1

Đây phƣơng trình đƣờng tải chiều (DCLL) Để ICQ ổn định, phải chọn RE >>RB/ Thƣờng chọn RB ( 1)RE

10

1 

  để ICQ ổn định

3.2 Dùng điện trở RB

Định luật Kirchoff II từ VCC -> RB -> mass:

-VCC + RB  CQ I

+ VBE + REICQ =

=>  / B E BE CC CQ R R V V I   

Định luật Kirchoff II từ VCC -> RC -> mass:

-VCC + RCICQ + VCEQ + REICQ = => VCEQ = VCC – (RC + RE)ICQ

=> ICQ = CC

E C CEQ E C V R R V R

R   

 1

3.3 Dùng điện trở phân áp

Theo định lý Thevenil:

RBB = RT = R1//R2 =

2

2

R R

R R

 

VBB = VT = Uhở =

2

2 R R

R

 VCC

Theo cách tính tốn tƣơng tự nhƣ mạch phân cực dùng điện áp VBB, ta có:

B

E BE BB

CQ R

R V V I

  

ICQ = CC

E C CEQ E C

V R R V

R

R   

 1 1

Ở mạch này, điện trở RB dẫn điện áp từ ngõ (cực collector) đƣa ngƣợc ngõ vào (cực base):

VBE = VCE – IB RB = VCC – (IC + IB) RC – IB RB

Vì nhiệt độ làm dòng IC tăng lên ảnh hƣơng tác động ngƣợc ngõ vào, làm VBE giảm làm IC, nghĩa bù trừ lại biến động điểm làm việc nhiệt độ

Định luật Kirchoff II cho vòng từ VCC -> RC -> RB -> mass: -VCC + RC (IC + IB) + RBIB + VBE =

=> -VCC + IC(RC + 

C R

+ 

B R

) =

=> IC =

 C B C

BE CC

R R R

V V

 



VCE = VCC - IERC

4 Các mạch phân cực cho JFET

4.1 Phân cực cho JFET kiểu tự cấp

Các JFET thƣờng đƣợc tự phân cực nhờ điện trở Rs mắc nguồn đất Dòng máng ID hạ điện trở điện áp VSM = ID.RS Chính điện áp phân cực nghịch cho chuyển tiếp P – N cực cửa kênh dẫn, dịng qua RG xấp xỉ nên điểm G gần nhƣ đẳng với đất

VGS = - ID RS

VDS = ED – ID(RD+ RS)

Ta xác định điểm làm việc tĩnh Q đồ thị Giả sử đặc tuyến truyền đạt ID = f(VGS) JFET đƣợc mô biểu thức:

ID = IDSS

2

1 

  

 



P GS

V V

=> ID = GS S

V R

Giao điểm Q đồ thị nói xác định cặp giá trị cần tìm: VGSQ IDQ Ở ngõ ra, giả sử có họ đặc tuyến máng JFET nhƣ hình 3.16 Mặt khác:

S D D DS S D D R R E V R R I     

Đƣờng tải chiều thể đƣờng MN Giao điểm đƣờng với đặc tuyến tĩnh ứng với VGS = VGSQ xác định trị số dòng áp tĩnh mạch

Ngƣời ta xác định điểm tĩnh Q theo phƣơng pháp giải tích, biết tham số Vp, IDSS, RD, RS …

Qua số phép biến đổi ta đƣợc:

0 2                   DSS D P DSS S D DSS P S I I V I R I I V R

4.2 Phân cực cho JFET kiểu phân áp

2 điện trở RG1 RG2 tạo nên phân áp Do IG  nên:

const R

R R E

V

2 G G

2 G D

GM   

Mặt khác: VSM = ID RS

Vì điện áp phân cực ngõ vào xác định bởi: VGS = VGM – ID RS Và ngõ ra: VDS = ED – ID (RD + RS)

Dòng máng ID xác định nhƣ sau:

S GM GS

S D

R V V R

I   

Quan hệ (thể đƣờng thẳng AB) cắt trục hoành hoành độ VGM, cắt

trục tung tung độ

S GM

R V

5 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT FET

Một thiết bị khuếch đại thƣờng bao gồm nhiều tầng Các tầng phía đầu làm nhiệm vụ khuếch đại điện áp với biên độ tín hiệu cịn chƣa lớn nên đƣợc gọi chung nên đƣợc gọi chung tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ Chúng làm việc chế độ A Các tầng phía cuối có nhiệm vụ đƣa tải tín hiệu cơng suất lớn, méo dạng hiệu suất cao, thƣờng gọi tầng khuếch đại công suất Dƣới đây, khảo sát tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ theo phƣơng pháp thơng dụng phƣơng pháp giải tích: thay mạch cụ thể sơ đồ tƣơng đƣơng xoay chiều, tiến hành đơn giản hố, sau tính thơng số đặc trƣng mạch Đó thơng số: độ lợi áp, độ lợi dòng, điện trở vào, điện trở tín hiệu xoay chiều

5.1 Mạch khuếch đại dùng BJT mắc EC

Cùng khảo sát thơng số xoay chiều mạch: Hệ phƣơng trình thông số h:

       ce oe B fe C ce re B ie be v h i h i v h i h v CQ T fe CQ T Q BQ T v B be ie I V mh I mV I mV i v h ce      

0





ce

v B C fe

i i

h (thông số BJT)

0 



B

i ce be re

v v h

0





B

i ce C oe

v i

h (-1

)

Thông thƣờng hre hoe có giá trị nhỏ (≤ 10-4)

Nhƣ sơ đồ tƣơng đƣơng transistor sau loại bỏ thông số ảnh hƣởng không đáng kể vào mạch :

Thông thƣờng tầng khuếch đại E.C có điện trở vào cỡ 600 2k * Điện trở :

R0E = RC * Độ lợi dòng :

AiE =

L iE iE fe ie B B fe L C C S B B C C L S L R R h R h h R R h R R R i i i i i i i i ~             

* Độ lợi áp : AvE =

i B B C C L L L i L v i i i i i i v v v     = ie fe L C C L h h R R R

R ( )

   = ie fe h R

h  ~

 * Độ lợi áp toàn phần :

Atp=

iE S iE ie fe S i i L S L R R R h R h v v v v v v        ~

5.2 Mạch khuếch đại dùng BJT mắc BC

Sơ đồ tƣơng đƣơng tín hiệu nhỏ, với thành phần 1/hob bỏ qua

hib =

fe ie EQ T h h I mV 

h = C  C  fe 1 h

* Điện trở vào :

RiB = (RE //hib) * Điện trở :

R0B = RC * Độ lợi dòng :

AiB =

L ib iB fb ib E E fb L C C S E E C C L S L R R h R h h R R h R R R i i i i i i i i ~ ) (             

* Độ lợi áp :

AvB = )

1 ( ) ( ib fb L C C L EB E E C C L L L EB L h h R R R R v i i i i i i v v v            = ib fb h R

h  ~

* Độ lợi áp toàn phần : Atp=

S iB iB ib fb S EB EB L S L R R R h R h v v v v v v       ~

Việc xác định điểm làm việc tĩnh tƣơng tự mắc EC: dùng phƣơng pháp đồ thị giải tích

vL = vE = (RE//RL) iE = (R’E//R’L) iB iE = (1+hfe) iB

=>RE' (1hfe)RE L fe

L h R

R' (1 )

* Điện trở vào :

Để tính tổng trở tầng khuếch đại, vẽ lại mạch tƣơng đƣơng hình 2.24a

RoC = RE//(hib + (

fe S fe B h R h R   //1

1 ))

* Độ lợi dòng điện :

AiC =

) // ( ) // ( ' ' ' ' L E ie B B L E L S B B L L L S L R R h R R R R R i i i v v i i i         * Độ lợi áp :

AvC =

iC S L E ie B B L E i S S B B L i L R R R R h R R R R v i i i i v v v          ) // ( ) // ( ' ' ' '

5.3 Mạch khuếch đại dùng JFET mắc SC

Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ tần số thấp JFET

Với rGS = , rDS (xác định trƣớc)

g =  DSS   GSQ 

V I

* Điện trở vào :

RiS = (RG // ri)  RG

Với ri điện trở vào JFET (điện trở chuyển tiếp P-N cửa nguồn) thƣờng lớn chuyển tiếp phân cực nghịch (IG 0)

Trên thực tế, RiS thƣờng cỡ vài M * Điện trở :

RoS = (RD // rD)  RD

AvS = GS L v v =                      L D D D m L D D L GS D D L L L R R r r g R R R R v i i i i v

// gm(RD//RL//rD) Nếu JFET mắc theo sơ đồ máng chung (D.C) cửa chung (G.C) ta phân tích theo phƣơng pháp tƣơng tự Tầng D.C có đặc điểm ứng dụng gần nhƣ mạch C.C BJT: điện trở vào lớn, điện trở nhỏ độ lợi áp xấp xỉ tín hiệu đồng pha với tín hiệu vào

6 Các dạng ghép liên tầng

Ở phần trên, làm quen với số tầng khuếch đại Hình thức mạch điện tầng khơng giống nhau, sử dụng linh kiện khác nhau, …, nhƣng cách tổng quát, ta luôn coi chúng nhƣ mạng cực (hai cực vào hai cực ra) Mỗi mạng đƣợc đặc trƣng thông số bản: trở kháng vào, trở kháng ra, độ lợi dòng, độ lợi áp,… thông thƣờng, thông số thay đổi theo điểm làm việc theo tần số tín hiệu

Nhƣ tín hiệu tầng trƣớc đóng vai trị tín hiệu vào tầng sau, điện trở vào tầng sau làm nhiệm vụ tải tầng trƣớc Độ lợi chung toàn thiết bị tích độ lợi tầng :

Linh kiện thực ghép tầng tụ điện, điện cảm, biến áp, … Dƣới dây khảo sát dạng ghép

6.1 Ghép điện trở - điện dung

Kiểu ghép có chế độ tĩnh tầng độc lập với

Việc khảo sát khuếch đại nhiều tầng (xác định điểm tĩnh, tính thơng số bản…) tiến hành lần lƣợt cho tầng, theo tứ tự từ sau trƣớc Để tính tốn thơng số xoay chiều tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ta dùng phƣơng pháp quen thuộc: đầu tiên, xét phạm vi tần số trung bình, lập sơ đồ tƣơng đƣơng đơn giản hoá (coi tụ nối tầng nhƣ ngắn mạch, bỏ qua điện dung ký sinh…) tính thơng số cần thiết Sau xét cho phạm vi tần số thấp (trở kháng tụ khơng cịn lớn) phạm vi tần số cao (xét với vai trò tụ ký sinh thay đổi theo tần số tham số transistor nhƣ , …)

6.2 Ghép trực tiếp

Chế độ tĩnh tầng liên quan với Hiện tƣợng không ổn định điểm làm việc tầng gây xê dịch điểm làm việc tầng làm thay đổi điện áp Vì ngƣời ta thƣờng thực hồi tiếp để hạn chế “sự trôi điểm tĩnh” vừa nêu

Trên mạch hình 2.30, R3 R6 điện trở ổn định dòng tĩnh transistor (hồi tiếp âm dòng điện nối tiếp) Dòng emitter Q2 gây nên điện áp chiều R6 Chính điện áp phân cực cho Q1 (thơng qua phận áp R1 – R2)

Cách phân cực nhờ hồi tiếp từ Q2 Q1 nhƣ tự động ổn định dòng tĩnh transistor Thật vậy, chất transistor, nhiệt độ môi trƣờng tăng tham số ICEO, ICBO, , , … tăng khiến dòng IC, IE tăng điểm làm việc ổn định Đối với hình 2.30, nhiệt độ làm việc IE2 tăng điện áp R6 tăng, (thơng qua nhân áp R1 - R2) điện áp phân cực cho Q1 tăng dòng IC1 tăng Nhƣng ghép trực tiếp:

VB2 = VC1 = VCC – (IC1 + I B2) R4

Cho nên IC1 tăng VB2 giảm Điện áp phân cực giảm làm IE2 IC2 giảm, nghĩa hạn chế tăng dòng tĩnh Q2 nhiệt độ gây

Khi R4 >> Ri2 thì:AV hfE1 hfE2

2

i L R R

Trong RL2 tải tầng Q2, Ri1 điện trở vào tầng Q1

6.3 Ghép Darlington

Để nâng cao hệ khuếch đại điện trở vào, nhiều ngƣời ta ghép hai (hoặc ba) transistor nhƣ hình 2.31a Tổ hợp đóng vai trị nhƣ transistor N-P-N (hình 2.31b), gọi transistor phức hợp transistor ghép Darlington Tải RL thƣờng mắc cực E đó, hình 2.31, transistor phức hợp hoạt động nhƣ tầng khuếch đại mắc C.C

Hãy xét mạch hình 2.31a làm ví dụ Tầng Q2, mắc C.C, có điện trở vào lớn: Ri2 = hiE2 + (1+hfE2) RL hfE2 RL

Độ lợi dòng :

Ai2 = fE2 fE2

B

E 1 h h

I

I   

Áp dụng mạch tƣơng đƣơng BJT mắc C.C, ta vẽ đƣợc sơ đồ tƣơng đƣơng xoay chiều tầng Q1 Điện trở vào transistor phức hợp (nhìn từ cực B1), xác định theo:   OE i i fE i OE fE i OE fE iE i h R R h R // h h R // h 1 h h r                  

Ở Ri2 lớn nên bỏ qua vai trò mắc song song OE h

1

thay giá trị gần của Ri2 ta có:

L OE fE L fE fE i R h h R h h r    

Khi hfE2 hOE1 RL << thì:

Điện trở vào mạch hình 2.31, kể đến vai trò RB: Ri = (RB //ri)

Do ri lớn nên trị số RB đóng vai trò định Độ lợi dòng tầng Q1

Ai1 = S E I I Trong đó:

IE1 = (1+hfE1)IB1 Còn IS xác định từ điện áp vào:

Vi = IS (RB // ri) = IB1Ri

Cho nên: IS =

B i B B i B i B R r R I ) r R ( r I   

=> Ai1 =

i B B fE r R R ) h (  

Do độ lợi dịng tồn mạch:

Ai = Ai1 Ai2 = (1+hfE2)

i B B fE fE i B B r R R h . h r R R   

Nếu bỏ qua tác dụng phân dịng RB độ lợi dòng transistor phức hợp là: Ai hfE1 hfE2

CHƢƠNG V: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN 1 Khái niệm khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm

Các dạng mạch khuếch đại ghép RC mà ta khảo sát chƣơng đƣợc ứng dụng mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều, tần số thấp 1Hz Trong thực tế cịn có tín hiệu tần số dƣới 1Hz, gọi tín hiệu biến thiên chậm, nhƣ: tín hiệu cảm biến từ biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, biến thiên mực chất lỏng, biến thiên cƣờng độ ánh sáng, phản ứng hố điện, dịng điện sinh học … Các tín hiệu biến thiên chậm xem nhƣ tín hiệu chiều (DC)

Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm nói chung có đặc điểm sau: - Tín hiệu có tần số thấp nhất, xem nhƣ tín hiệu DC

- Có ngõ vào đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chiên chậm thƣờng có dạng đối xứng – Hình 4.1)

- Hệ số khuếch đại cao (nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm thƣờng có biên độ bé, từ vài V đến vài chục V)

- Khả chống nhiễu tốt

- Áp phân cực ngõ vào ngõ không để dễ chuẩn hóa (khi chƣa có tín hiệu, điện áp tĩnh zero)

2 Giới thiệu khuếch đại thuật toán

2.1 Giới thiệu chung khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật tốn (KĐTT), cịn gọi OPAMP (viết tắt từ Operational Amplifier), khuếch đại DC có hệ số khuếch đại AV cao thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng tích hợp (IC: Integrated Circuit)

KĐTT vốn đƣợc dùng để thực thuật tốn máy tính tƣơng tự có tên gọi nhƣ Ngày nay, KĐTT đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng, từ DC đến hàng GHz

Cấu trúc KĐTT nhƣ hình 4.2 Ngõ vào tầng khuếch đại vi sai; tầng khuếch đại trung gian (có thể tầng đệm khuếch đại vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ngõ ra; cuối tầng đệm để khuếch đại dịng có trở kháng thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ngõ Các tầng khuếch đại ghép trực tiếp với

hiệu lấy từ cực C Q4, đƣa vào cực B Q5 Q5 Q6 tạo thành mạch ghép Darlington để dịch mức DC, tăng hệ số khuếch đại dòng với kiểu mắc C chung để có trở kháng thấp Tín hiệu lấy R4, điện trở phân cực E Q6 Q7 nguồn dòng cho cặp vi sai Q1 Q2 R7, R6, D1 R5 tạo thành mạch phân cực ổn định nhiệt cao Q7 Tƣơng tự, mạch phân cực ổn định nhiệt cho Q8 gồm R10, R9, D2 R8

Điện áp Vo dấu (hoặc pha) với điện áp vào điện cực B Q2 Vì hai ngõ vào theo thứ tự gọi ngõ vào không đào (hoặc ngõ vào thuận, ký hiệu :dấu +) ngõ vào đảo (ký hiệu: dấu -)

2.2 Đặc tính thơng số khuếch đại lý tưởng

Hình 4.4a minh họa ký hiệu KĐTT thơng dụng Ta thấy có hai ngõ vào (ngõ vào đảo có điện áp 

i

Ta có đáp ứng tín hiệu Vo theo cách đƣa tín hiệu vào nhƣ sau: - Đƣa tín hiệu vào ngõ vào đảo: Vo = - Avo Vi

- Đƣa tín hiệu vào ngõ vào không đảo: Vo = Avo Vi

- Đƣa tín hiệu vào đồng thời hai ngõ (gọi tín hiệu vào vi sai)

Vo = Avo Vi ViAvoVi Ở trạng thái tĩnh, Vi= Vi= 0, suy Vo =

Hình 4.4b minh họa đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở KĐTT Theo đặc tuyến này, có vùng làm việc:

- Vùng khuếch đại: Vo = Avo I, Vi = Vi-

 i

V nằm khoảng VS - Vùng bão hòa dƣơng: Vo = + VCC , Vi > VS

- Vùng bão hòa âm: Vo = - VCC , Vi < - VS

VS mức ngƣỡng điện áp vào, giới hạn phạm vi mà quan hệ Vo  Vi cịn tuyến tính Các KĐTT thƣờng có VS khoảng từ vài chục Vđến vài trăm V

* Một KĐTT lý tưởng có thơng số sau: - Hệ số khuếch đại vòng hở: AVO (thực tế AVO > 10.000)

- Tổng trở RO 0 (thƣờng RO < 1)

- Dòng phân cực ngõ vào: Iib = (thực tế Iib từ vài chục nA đến hàng trăm nA)

Để đơn giản việc lập công thức tính tốn phần sau, ta xem KĐTT lý tƣởng

Các cơng thức tính gần nhƣng kết xác, thƣờng đƣợc áp dụng thực tế

3 Các mạch ứng dụng khuếch đại thuật toán

3.1 Mạch khuếch đại đảo pha

Tín hiệu đảo pha với tín hiệu vào Do Ri , Ii 0 nên Vi= Vi  Từ đó, dịng qua R1:

2

1 R

V R V

I  i  O

- Hệ số khuếch đại:

1 R R V

V Av

i O  

- Tổng trở vào:

R1

I V

Zi i 

3.2 Mạch khuếch đại không đảo

- Hệ số khuếch đại:

Do nội trở Ri , Ii 0 nên dòng qua R1, R2

2 1 R R

V R

V

I i O

  

Mặt khác, coi Vi Vi Vi 

 Từ rút ra:

1 2 1 R R R R R V V Av i

O    



- Tổng trở vào: Để tính Zi vẽ lại mạch nhƣ hình 4.6b Vi = Vi + Vo,

Với 

  1 R R R  V A

Vo = AVo Vi Vi = Ii Ri

Ri: Tổng trở KĐTT Thay vào biểu thức Vi

Zi =         V VO i i i A A R I V

Vậy mạch có tổng trở vào lớn

3.3 Mạch đệm

- Hệ số khuếch đại: Với mạch điện áp, ta có hồi tiếp âm điện áp 100%:Vo = Vi Do đó:

AV = 1 i O V V

- Tổng trở vào: Zi = Ri (1+AVO)

3.4 Mạch cộng đảo dấu

Dùng phƣơng pháp xếp chồng, lần lƣợt tính Vo1, Vo2, Vo3 theo kích thích ngõ vào độc lập I1, I2, I3 Vo1, Vo2, Vo3 tạo nhƣ khuếch đại đảo dấu

Vo1 = - 11 i V R R

Vo2 = - 12 i V R R

Vo3 = - 3 13 i V R R Từ đó:

Vo = Vo1 + Vo2 + Vo3 = -         13 2 12 11 R R V R R V R R i i

Nếu chọn R11 = R12 = R 13 = R1 thì:

Vo = -  3

2

i i

i V V

V R R

 

3.5 Mạch cộng không đảo dấu

Tƣơng tự nhƣ mạch khuếch đại không đảo, Vi xếp chồng hai tín hiệu Vi1 Vi2 Giả sử Vi2 = 0, ta tìm đƣợc điện áp Vo1 tƣơng ƣng với Vi1:

Vo1 =

12 11

12

2

1 Vi

R R R R R               

Tƣơng tự, Vi1 = ta tìm đƣợc Vo2 tƣơng ứng với Vi2:

Vo2 =

12 11

11

2

1 VV

R R R x R R              

Vậy có Vi1, Vi2 giả thiết R11 = R12 thì:

Vo = Vo1 + Vo2 =              

1

1

2 Vi Vi R

R

Nếu có R11 = R12 = R1 = R2 thì: Vo = Vo1 + Vo2 = Vi1 + Vi2

Cơng thức đƣợc mở rộng đến n ngõ vào tùy ý

3.6 Mạch khuếch đại vi sai (mạch trừ)

Theo hình 4.10, Vi1 áp ngõ vào đảo, Vi2 áp vào ngõ vào không đảo Áp dụng phƣơng pháp xếp chồng cho kích thích ngõ vào, ngắn mạch ngõ vào cịn lại, ta đƣợc:

Vo1 = - i1

V R R

Vo2 = i2

Vo = Vo2 + Vo1 = i1 i 2 V R R V R R R R R                Nếu ta chọn R1 = R2 = R3 = R4 thì:

Vo = Vi2 – Vi1

4 Các ứng dụng tạo hàm khuếch đại thuật tốn

4.1 Mạch tích phân

Coi điện điểm A xấp xỉ không Do điện áp đặt lên hai đầu tụ C – Vo Từ đó:

i = -C dt dVO

Mặt khác: i = R Vi

Suy ra: Vo = - idt C

1

Hay Vo = - Vdt RC

1 i



4.2 Mạch vi phân

Do điện điểm A xấp xỉ không nên

i = C dt dVi

Mặt khác: i = -R VO

CHƢƠNG VI: CÁC MẠCH SỐ CƠ BẢN 1. Các hệ thống số

1.1. Khái niệm

Hệ thống tƣơng tự: bao gồm thiết bị đƣợc thiết kế để điều khiển thông tin hay thông số vật lý đƣợc biểu diễn dƣới dạng tƣơng tự

Hệ thống số: tập hợp thiết bị đƣợc thiết kế để điều khiển thông tin hay thông số vật lý đƣợc biểu diễn dƣới dạng số

1.2. Ưu điểm hệ thống số

- Dễ dàng thiết kế

- Dễ dàng lƣu trữ thông tin - Độ xác cao

- Dễ dàng lập trình

- Ít bị ảnh hƣởng nhiễu

- Có thể đƣợc tích hợp với mật độ cao chip tích hợp có kích thƣớc nhỏ

1.3. Nhược điểm hệ thống số

Vì giới thực xung quanh ta giới tƣơng tự nên muốn có đƣợc ƣu điểm kỹ thuật số phải làm việc với tín hiệu vào tín hiệu tƣơng tự, cần phải chuyển đổi tín hiệu từ tƣơng tự-sang-số ngƣợc lại theo bƣớc sau:

- Chuyển đổi tín hiệu vào tƣơng tự thành dạng số - Xử lý thơng tin số

- Chuyển đổi tín hiệu số ngõ thành dạng tƣơng tự

1.4. Các hệ thống đếm

Một số hệ thống số đƣợc tạo từ nhiều ký số (digit), cụ thể bao gồm phần: phần nguyên phần lẻ, đƣợc cách dấu chấm số (radix)

- Trọng số (weight) ký số phụ thuộc vào vị trí ký số

Trọng số = Cơ số Vị trí

- Vị trí ký số đƣợc đánh thứ tự từ cho số hàng đơn vị, thứ tự đƣợc tăng thêm cho ký số bên trái giảm cho ký số bên phải

- Giá trị số đƣợc tính tổng tích trọng số với ký số )

số Trọng số

(Ký trị

Giá  

1.4.1. Hệ thập phân (decimal)

Có số 10, sử dụng 10 ký số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,

Ký số tận bên trái đƣợc gọi ký số có trọng số lớn – MSD (Most Significant Digit), ký số tận bên phải đƣợc gọi ký số có trọng số nhỏ – LSD (Least Significant Digit)

Ví dụ: 123,4 = 1.102 + 2.101 + 3.100 + 4.10-1 = 1.100 + 2.10 + 3.1 + 4.0,1 = 123,4 Ta thƣờng thêm ký hiệu D (Decimal) 10 dạng số dƣới vào đằng sau để phân biệt số thập phân với hệ thống số đếm khác

Ví dụ: 123,4D 123,410

1.4.2. Hệ nhị phân (binary)

Có số 2, sử dụng ký số: 0,

Ký số hệ nhị phân đƣợc gọi bit ( = binary digit)

Ví dụ: 1101,01B 1101,012

- Chuyển đổi hệ nhị phân hệ thập phân

+ Hệ nhị phân  Hệ thập phân

Tính giá trị số nhị phân cần chuyển

Ví dụ: 1101,01B= 1.23 + 1.22 + 0.21 + 1.20 + 0.2-1 + 1.2-2 = + + + + + 0,25 = 13,25

+ Hệ thập phân  Hệ nhị phân

~ Phần nguyên: chia liên tục cho thƣơng số 0, lấy dƣ số phép chia xếp theo thứ tự ngƣợc lại ta đƣợc số nhị phân tƣơng ứng

Ví dụ: đổi 1910 sang hệ nhị phân 19 (2

(2 (2 (2 (2 1910 = 100112

~ Phần lẻ: nhân liên tục với 2, sau lần nhân lấy số phần nguyên, tiếp tục kết đạt đƣợc độ xác yêu cầu

Ví dụ: đổi 0,2510 sang hệ nhị phân 0,25 x = 0,5  lấy bit 0,5 x = 1,0  lấy bit  0,2510 = 0,012

Ví dụ: đổi 0,69D sang hệ nhị phân 0,69 x = 1,38 

0,76 x = 1,52 0,52 x = 1,04 0,04 x = 0,08 …

 0,69D = 0,10110B

- Một số tính chất số nhị phân:

+ Số nhị phân N bit có tầm giá trị từ  (2N - 1) + Số nhị phân chẵn (chia hết cho 2) có LSB = + Số nhị phân lẻ (khơng chia hết cho 2) có LSB = + Bit đƣợc dùng để làm đơn vị đo lƣờng thông tin

- Các bội số bit là:

1 byte = bit

1 KB (kilobyte) = 210 byte = 1024 byte MB (megabyte) = 210 KB

1 GB (gigabyte) = 210 MB

1.4.3. Hệ bát phân (octal)

Có số 8, sử dụng ký số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,

Hệ bát phân đƣợc ký hiệu ký tự O số dƣới dạng số dƣới Ví dụ: 367O 3678

- Chuyển đổi hệ bát phân hệ thập phân

+ Hệ bát phân  Hệ thập phân

+ Hệ thập phân  Hệ bát phân

Chia liên tục cho thƣơng số 0, lấy dƣ số phép chia xếp theo thứ tự ngƣợc lại ta đƣợc số bát phân tƣơng ứng

Ví dụ: đổi 57210 sang hệ bát phân 572 (8

71 (8 (8 (8 57210 = 10748

- Chuyển đổi hệ bát phân hệ nhị phân + Hệ bát phân  Hệ nhị phân

Một ký số hệ bát phân tƣơng đƣơng với bit hệ nhị phân Ví dụ: đổi 7238 sang hệ nhị phân

7238 = 111 010 011 B + Hệ nhị phân  Hệ bát phân

Nhóm bit số nhị phân thành nhóm bit kể từ bit hàng đơn vị, chuyển sang ký số bát phân tƣơng ứng

Ví dụ: đổi 10010111000110B sang hệ bát phân

10010111000110B = 10 010 111 000 110 B = 2 O = 227068

Chú ý: Hệ bát phân thƣờng đƣợc dùng để biểu diễn “ngắn gọn” số nhị phân

1.4.4. Hệ thập lục phân (hecxadecimal)

Có số 16, sử dụng 16 ký số: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Hệ thập lục phân đƣợc ký hiệu ký tự H số 16 dƣới dạng số dƣới

Ví dụ: 16EH 16E16

+ Hệ thập lục phân  Hệ thập phân

Tính giá trị số thập lục phân cần chuyển

Ví dụ: 2A9H = 2.162 + 10.161 + 9.160 = x 256 + 10 x 16 + x = 68110

+ Hệ thập phân  Hệ thập lục phân

Chia liên tục cho 16 thƣơng số 0, lấy dƣ số phép chia, xếp theo thứ tự ngƣợc lại ta đƣợc số thập lục phân tƣơng ứng

Ví dụ: đổi 1151210 sang hệ thập lục phân 11512 (16

719 (16 15 44 (16 12 (16 1151210 = 2CF816

- Chuyển đổi hệ thập lục phân hệ nhị phân + Hệ thập lục phân  Hệ nhị phân

Một ký số hệ thập lục phân tƣơng đƣơng với bit hệ nhị phân

Ví dụ: đổi 4B7DH sang hệ nhị phân 4B7DH = 0100 1011 0111 1101 B

+ Hệ nhị phân  Hệ thập lục phân

Nhóm bit số nhị phân thành nhóm bit kể từ bit hàng đơn vị, chuyển sang ký số thập lục phân tƣơng ứng

Ví dụ: đổi 10010111000110B sang hệ thập lục phân

10010111000110B = 10 0101 1100 0110 B = C H = 25C616

HEX Nhị

phân

0 0000

1 0001

2 0010

3 0011

4 0100

5 0101

6 0110

7 0111

8 1000

9 1001

A 1010

B 1011

C 1100

D 1101

E 1110

2. Cơ sở đại số BOOLE

Biến đại số Boole nhận hai giá trị

Các biến Boole (hay biến logic) thƣờng đƣợc sử dụng để biểu diễn mức điện áp dây dẫn hay cực vào/ra mạch

Các giá trị số thực mà biểu diễn mức điện áp, chúng đƣợc gọi mức logic

Một số kí hiệu khác đƣợc sử dụng để biểu diễn hai mức logic thay cho số

Logic Logic

False True

Off On

Low High

No Yes

Open switch Closed switch * Các phép toán đại số Boole:

a Phép cộng logic: kí hiệu OR, (+) b Phép nhân logic: kí hiệu AND, (.)

c Phép bù/đảo logic: kí hiệu NOT, ( ), (’) * Các định lý đại số BOOLE Quan hệ số

1a = 1b + = 2a = 2b + =

4a 0’ = 4b 1’ = Các định lý hàm biến

5a A = 5b A + = Phần tử trung hoà

6a A = A = A 6b A + = + A = A Đồng

7a A A = A 7b A + A = A Giá trị không đổi

8a (A’)’ = A Lấy bù hai lần

9a A A’ = 9b A + A’ = Phần tử bù (đảo)

Các định lý hàm nhiều biến

10a A B = B A 10b A + B = B + A Giao hoán 11a (A B) C = A (B C) 11b (A + B) + C = A + (B + C) Kết hợp 12a A (B + C) = (A.B) + (A.C) 12b A + (B C) = (A+B) (A+C) Phân phối 13a A (A + B) = A 13b A + (A B) = A Hấp thu 14a A (A’ + B) = A B 14b A + A’ B = A + B Dán 15a (A B) + (A B’) = A 15b (A + B) (A + B’) = A Tổ hợp 16a (A B)’ = A’ + B’ 16b (A + B)’ = A’ B’ DeMorgan

3. Các phần tử

3.1. Cổng đảo – NOT

B A

1 Bảng thật với hàm biến:

Cổng NOT logic (cổng đảo, cổng bù): Giản đồ xung:

3.2. Cổng AND

Biểu diễn: Y = A AND B hay Y = A B Bảng thật với hàm biến:

Nhận xét:

Y = : có biến vào Y = 1: tất biến vào Nhận xét với trƣờng hợp tổng quát có N biến vào độc lập Cổng AND logic:

Giản đồ xung:

A Y=A

0

1

A B Y=A.B

0 0

0

1 0

B A

Y

3.3. Cổng – OR

Biểu diễn: Y = A OR B hay Y = A + B Bảng thật với hàm biến:

Nhận xét:

Y = : tất biến vào Y = 1: có biến vào Nhận xét với trƣờng hợp tổng quát có N biến vào độc lập Cổng OR logic:

Giản đồ xung:

B A

Y

1 0 0 1 0

0 1 0 1 0

1 1 1 1

A B Y=A+B

0 0

0 1

1

3.4. Cổng NAND (NOT AND)

Biểu diễn: Y = A NAND B hay Y = A.B Bảng thật với hàm biến:

Nhận xét:

Y = : tất biến vào Y = 1: có biến vào Nhận xét với trƣờng hợp tổng quát có N biến vào độc lập Cổng NAND logic:

Giản đồ xung:

B A

Y

3.5. Cổng NOR (NOT OR)

Biểu diễn: Y = A NOR B hay Y = AB Bảng thật với hàm biến:

A B Y=A.B

0

0 1

1

1

Nhận xét:

Y = : có biến vào Y = 1: tất biến vào

Nhận xét với trƣờng hợp tổng quát có N biến vào độc lập Cổng NOR logic:

Giản đồ xung:

B A

Y

3.6. Cổng exclusive OR(EXOR)

Biểu diễn: Y = A EX-OR B hay YA.BA.BAB Bảng thật với hàm biến:

0

0

1 0

1

A B YAB

0 0

Nhận xét:

Y = : tất hai biến vào có giá trị giống Y = 1: tất hai biến vào có giá trị khác Cổng EX-OR logic:

Lƣu ý: Cổng EX-OR có ngõ vào Giản đồ xung:

B A

Y

3.7. Cổng exclusive NOR

Biểu diễn: Y = A EX-NOR B hay YA.BA.BABA~B Bảng thật với hàm biến:

1

A B YAB

0

0

Nhận xét:

Y = : tất hai biến vào có giá trị khác Y = 1: tất hai biến vào có giá trị giống

Cổng EX-NOR logic:

Lƣu ý: Cổng EX-NOR có ngõ vào

Giản đồ xung:

B A

Y

4. Các phương pháp biểu diễn hàm BOOLE

4.1. Biểu diễn hàm Boole bảng giá trị

Để biểu diễn hàm Boole bảng thật, ta liệt kê 2n tổ hợp giá trị có n biến Boole cột giá trị hàm

Ví dụ: Lập bảng chân trị cho hàm biến sau đây:

A B

C y

Bảng thật:

A B C Y

0 0

0

0 0

0 1

1 0

1 1

1 1

1 1

Nhận xét: Phƣơng pháp có ƣu điểm trực quan nhƣng phù hợp với hàm dƣới biến

4.2. Biểu diễn hàm Boole bìa Karnaugh

Bìa Karnaugh (gọi tắt bìa K) có dạng khung vng hay chữ nhật Nó đƣợc chia thành 2n ơ, n số biến hàm Dọc theo cạnh bìa ngƣời ta ghi tổ hợp trị biến, cho tổ hợp trị cạnh khác biến Trong ô ghi giá trị tƣơng ứng hàm

Các loại bìa K

- Bìa K hàm biến: Y = f(B,A)

1

1

Y A B

1

1 0

3

Y A B

- Bìa K hàm biến: Y = f(C,B,A)

BA Y 01 00

C 11 10

BA Y

01 00

1 0

5

C

3

- Bìa K hàm biến: Y = f(D,C,B,A)

01 00

01 00

DC 11 10

BA 10 11 Y 01 00 01 00

5 DC

3

11 10

12 13

15 14 10 11 BA 10 11 Y

Cách điền vào bìa K

Nếu cho hàm F biểu diễn dƣới dạng tắc (dạng ) ta điền vào có thứ tự tƣơng ứng với minterm (hàm 1), điền x vào ô ứng với trƣờng hợp tuỳ định điền vào cịn lại

Thơng thƣờng, ta điền giá trị x, cịn lại bỏ trống xem nhƣ Ví dụ: Điền vào bìa K hàm F = (2,3,8,11,14) + d(1,4,13)

01 00 01 00 x x DC

1

11 10 x 1 BA 10 11 Y

Nếu cho hàm F biểu diễn dƣới dạng tắc (dạng ) ta điền vào có thứ tự tƣơng ứng với maxterm (hàm 0), điền x vào ô ứng với trƣờng hợp tuỳ định điền vào cịn lại

01 00

01 00

x DC

x 0

11 10

0

x x

BA

10 11

Y

Nếu cho hàm Boole biểu diễn dƣới dạng bảng thật ta điền 0, 1, x vào có tổ hợp nhị phân trùng với tổ hợp nhị phân bảng thật

Ví du: Cho bảng thật sau, điền vào bìa K

C B A F

0 0

0 1

0 x

0 1

1 0

1

1 x

1 1

BA Y 01 00 1 C

1 x x 11 10 BA Y 01 00 0

0 C x x 11 10

Nếu cho hàm Boole biểu diễn dƣới dạng đại số

a Chuyển hàm Boole dạng tắc tắc điền vào bìa K Ví dụ: Cho hàm F sau, điền vào bìa K

F(A,B,C,D) = AB’CD + A’BC + B’CD’ + AD

F = AB’CD + A’BC(D+D’) + (A+A’) B’CD’ + AD(B+B’)(C+C’)

= AB’CD + A’BCD+ A’BCD’ + AB’CD’+ A’B’CD’+ ABCD+ ABC’D+ AB’C’D

= (11,7,6,10,2,15,13,9) = (2,6,7,9,10,11,13,15)

01 00

01 00

AB

1 1

11 10

1

1 1 CD

10 11

Y

b Nếu hàm Boole có dạng tổng tích lần lƣợt xét tích điền vào hay nhiều tƣơng ứng Nếu tích số chứa đầy đủ biến điền vào ơ, tích thiếu biến điền vào hai ơ, …Tổng qt, tích thiếu n biến điền vào 2n Những điền khơng cần điền (do định lý A + A = A) Chú ý biến không bù tƣơng ứng với 1, biến bù tƣơng ứng với

Ví dụ: Cho hàm F sau, điền vào bìa K F(A,B,C,D) = ABC’D + ABD’ + BC’D’ +AB’

01 00

01 00

1

AB 11 10

1 1

1 1 CD

10 11

Y

Ví dụ: Cho hàm F sau, điền vào bìa K

F(A,B,C,D) = (A+B+C’+D) (A+B+D’) (B+C’+D’) (A+B’)

01 00

01

00 0

0 AB

0 0 11 10

0 CD

10 11 Y

5. Rút gọn hàm BOOLE bìa Karnaugh

Ơ kế cận: Hai đƣợc gọi kế cận chúng nằm kế đối xúng qua trục Đặc điểm hai ô kế cận chúng ứng với hai minterm (hoặc maxterm) khác biến

Qui tắc:

- Ta kết hợp thành nhóm 2m loại đƣợc m biến Biến bị loại mang giá trị thay đổi nhóm đƣợc kết hợp

- Nếu kết hợp 2m mà hàm có giá trị hàm đƣợc viết dƣới dạng tổng tích Trong biến đƣợc viết dƣới dạng không bù, biến đƣợc viết dƣới dạng bù

- Nếu kết hợp 2m mà hàm có giá trị hàm đƣợc viết dƣới dạng tích tổng Trong biến đƣợc viết dƣới dạng không bù, biến đƣợc viết dƣới dạng bù

- Trong q trình tối thiểu hóa hàm, đƣợc kết hợp nhiều lần với nhiều ô khác mà không làm thay đổi giá trị hàm

+ Khi kết hợp ơ, cần ƣu tiên có liên kết trƣớc

+ Khi tất đƣợc kết hợp khơng cần có thêm kết hợp

+ Sau rút gọn hàm Boole bìa K, rút gọn biểu thức (thu đƣợc) lần cách áp dụng dịnh lý

Ví dụ: Rút gọn hàm: f(x,y,z) = xyzxyzxyzxyz Cách 1:

Biểu diễn hàm f bìa Karnaugh:

f

01 00

1 0

1 x

1

11 10

yz

xy

z y Rút gọn hàm ta đƣợc f = xy + yz

Cách 2:

Biểu diễn hàm f bìa Karnaugh: f

01 00

1

0 0

0 x

0

11 10

yz

y x

z y Rút gọn hàm ta đƣợc f = (x y)(yz)

Ví dụ: Rút gọn hàm:

f(x,y,z) = xyzxyzxyzxyz

z y x

f

01 00

1 0

1 x

x x

11 10

yz

Rút gọn hàm ta đƣợc f = z + xy

Một số ví dụ rút gọn hàm Boole bìa K:

a F(A, B, C) = (0, 1, 2, 5) b F(A, B, C) = (0, 2, 4, 6, 7) c F(A, B, C, D) = (0, 1, 8, 9, 10)

d F(A, B, C, D) = (0, 1, 2, 3, 4, 9, 10, 12, 13, 14, 15)