Bài giảng: Điện tử ứng dụng trong kĩ thuật điều khiển công nghiệp và tự động hóa

[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN

B

BỘỘ MƠN: TMƠN: TỰỰ ĐĐỘỘNG HNG HĨĨAA

BÀI GIẢNG

Điện tử ứng dụng

Trong k

Trong kĩĩ thuthuậật t đđiiềều khiu khiểển công nghin công nghiệệpp v

vàà ttựự đđộộng hng hóóaa GVC Th.s Nguy

GVC Th.s Nguyễễn Hon Hoààng Maing Mai Tel: 0988841568

Vùng dẫn

Chương 1: Dụng cụ bán dẫn $1: Khái niệm chất bán dẫn

• Mức chặt cịn gọi mức hố trị: năng lượng Eo • Mức tự do cịn gọi mức dẫn: năng lượng Ed • Năng lượng kích thích tối thiểu: ∆Ed=Ed – Eo

Mức tự do

Mức chặt (hóa trị)

∆Ed

Ed

Eo

∆Ed

Khái niệm chất bán dẫn

• Độ tinh khiết chất bán dẫn cao 1e+2 -:-1e+4 nguyên tử centimet khối Si Ge (lưu ý có khoảng 1023 nguyên tử Si/centimet

khối

Vùng hoá trị

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

∆E lớn E

Cách điện

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

∆E nhỏ

E

Bán dẫn điện

Vùng dẫn

E

Dẫn điện

∆E<0

• Đối với điện tử lớp bên trong, nhiễu loạn nguyên tử láng giềng gây yếu nên chúng liên kết mạnh với hạt nhân

• Các điện tử lớp chịu ảnh hưởng lớn của điện tử

láng giềng nên sự tách mức năng lượng xảy một vùng rộng, gây nên hiện tượng chồng phủ các mức năng lượng lên nhau.

• Với Si, lớp ngồi được tạo thành bởi điện tử p

Liên kết mạng Si

• Liên kết cộng hố trị được sử dụng mạng.

• Nếu có kích thích năng lượng sẽ tạo một ion dương và một điện tử tự do

Điện tử phân bố theo thống kê Fermi-Dirac với xác suất chiếm mức năng lượng:

Trong đó:

K = 8,63.10-5eV/K hằng số Boltzman T: nhiệt độ tuyệt đối

EF là mức năng lượng Fermi được xác định từ biểu thức:

      − + = KT E E E f F exp 1 ) ( ∫∞ =

0 2N(E) f (E)d(E)

Bán dẫn pha tạp chất hoá trị 3 - loại p (plus)

Bán dẫn pha tạp chất hoá trị 5 - loại n (negative)

• Pha tạp chất hố trị (P) tạo điện tử dư liên kết cộng hoá trị

$2 Tiếp giáp p-n và đặc tính V-A

• Phân bố hạt dẫn, điện trường nội điện tiếp xúc hai miền bán dẫn p-n

E0

E0

U0

x

Tiếp giáp p-n phân cực ngược

• Khi phân cực ngược, miền cách điện mở rộng điện trường ngồi chiều E0, có tác dụng kéo hạt dẫn hai phía lớp bán dẫn, miền nguyên tử trung hoà trơ, điện trở cách

điện coi vơ

• Thực tế kích thích nhiệt độ, nên số nguyên tử tạo thành cặp ion p điện tử, gây dòng rò nhiệt chảy ngược cỡ vài chục nA(nanoAmpe= 10-9A)

E0 En

Un

Tiếp giáp p-n phân cực thuận

• Khi phân cực thuận, hạt dẫn chuyển động qua lại hai lớp hoà trộn vào nhau, miền phân cách chứa đầy hạt dẫn tính cách điện

• Điện trở tiếp giáp p-n lúc coi 0, dịng điện chảy qua hồn tồn

• Như vậy, tiếp giáp p-n chỉ cho dịng chảy qua một chiều nhất định.

E0 E

n

Đặc tính V-A của tiếp giáp p-n

• Vùng 1: vùng phân cực thuận • Vùng 2: vùng phân cực ngược

• Vùng 3: vùng đánh thủng, nguyên tử bán dẫn bị ion hố tồn

khi điện trường đủ lớn, gây hiệu ứng ion hoá dây chuyền va chạm

I0

I

U 1

2 3

Ut

DIODE

• Là tiếp giáp p-n

• Tuỳ theo cơng dụng mà mật độ hạt dẫn khối bán dẫn khác • Một số loại diode thơng dụng: chỉnh lưu, tách sóng, zener, tunel,

varicap, schotky, gun … đặc tính lạo diode mơ tả chi tiết tài liệu kĩ thuật

E0

• DIODE

• Diode một tiếp xúc p-n.

• Có nhiều loại diode với nồng độ hạt dẫn khác nhau để tạo nên những đặc tính khác nhau.

• Diode chỉnh lưu: nồng độ từ 1e+7 đến 1e+10, chịu

được tần số thấp

• Diode zener dùng để ổn áp, nồng độ 1e+134 đến 1e+19 (xem internet)

• DIODE

• Diode đường hầm (tunnel), nồng độ cao hơn 1e+19 cả hai lớp, gọi bán dẫn suy biến Nên vùng chuyển tiếp có khoảng cách nhỏ (10A0) Nên diode loại có vùng điện trở vi phân âm (xem internet)

• Diode Gunn GaAs: tác động vào mẩu tinh thể

một điện trường mạnh tinh thể xuất hiện các dao động siêu cao tần, gọi hiệu ứng Gunn (xem internet)

• Diode PIN: cấu tạo từ 3 lớp bán dẫn, đó hai lớp p+ và n+ pha tạp mạnh, kẹp giữa một miếng tinh thể I có độ dày lớn hơn Loại dùng chế

tạo những bộ chỉnh lưu công suất lớn tần số

Các loại diode thông dụng

• Diode Varicap(Variable Capacator) biến dung, thường

dùng kĩ thuật dao động để ổn định hay điều chỉnh tần số (xem internet)

•Trong vùng chuyển tiếp phân cực ngược, xuất điện trường mạnh

•Các điện tử liên kết

chuyển sang dạng tự

•Các điện tử có lượng E

ở phía P chuyển sang vùng dẫn cách chui hàng rào (hiệu ứng tunnel)

•Hiệu ứng tunnel xảy mật độ tạp chất cao, vùng chuyển tiếp hẹp (<500 A0)

Đặc điểm diode tunnel

• Nồng độ tạp chất cao (> 1e+19/cm3) nên xuất lớp bán dẫn suy biến

• Có vùng điện trở vi phân âm, giản đồ lượng vùng chuyển tiếp bị

biến điệu mạnh

• Khi phân cực nhỏ, giản đồ lượng giảm xuống phía P, nên có dịng điẹn tử lớn xun qua vùng cấm hiệu ứng tunnel nên dòng thuận tăng

• Phân cực thuận tiếp tục tăng cao: giản đồ lượng tiếp tục hạ thấp, hiệu ứng tunnel bị giảm xuống

• Thế phân cực thuận tiếp tục tăng cao: chiều cao hàng rào giảm đến mức cho phép điện tử từ miền P+ phun sang N+ lỗ trống từ N+

•Khi tác động điện trường mạnh vào tinh thể bán dẫn tinh thể

xuất dao động siêu cao tần, gọi hiệu ứng Gunn

Tiếp xúc kim loại –bán dẫn

• Khi KL tiếp xúc với bán dẫn bề mặt tiếp xúc xuất hàng rào thế, cấu trúc vùng lượng phụ thuộc cơng thóat điện tử KL bán dẫn

• Nếu bán dẫn loại N bán dẫn xuất vùng điện tích khơng gian dương, cịn KL tích tụ lớp mỏng điện tử gần bề mặt tiếp xúc

• Nếu bán dẫn loại P điện tích vùng không gian ngược dấu với loại N

$3 Tranzitor lưỡng cực BJT-Bipolar Junction Tranzitor

• Cấu tạo: tiếp giáp p-n-p(thuận) hay n-p-n(ngược)

• E: Emitter: cực phát, có bề dày trung bình mật độ hạt dẫn lớn • B: Base: cực gốc, có bề dày mỏng độ hạt dẫn nhỏ • C: Collector: cực góp, có bề dày lớn mật độ hạt dẫn trung bình • BJT chế tạo phương pháp ăn mòn khuếch tán,

epetaxi

p n p n p n

B C

E

B

C E

1 Nguyên lí hoạt động của BJT

• Tiếp giáp B-E phải phân cực thuận, tiếp giáp B-C phải phân cực ngược • BJT hoạt động nguyên lí khuếch tán hạt dẫn(quan trọng-phải hiểu)

p n p

Ib

Ic Ie

Ece

Ube Uce

b

c I

I = β

ce

be U

U <<

Ebe

2 Đặc tính V-A của BJT

• Đặc tính vào Ib = f(Ube) : lấy giữ Uce khơng đổi • Đặc tính Ic = f(Uce); lấy giữ Ib không đổi

Uce Q B A Ic Uce Ic Ic0 Uce0 Ib0 Ib2 Ib1 Ib Ube Ube Ube0 Ib0 Ib2 Ib1

Ib M

Sơ đồ lấy đặc tính ra-sẽ thí nghiệm

A mA

V V1

BR1

BR2

3 Các sơ đồ mắc BJT

Sơ đồ E-C (E chung)

• Sơ đồ mắc E-C (emitter common) • Sơ đồ B-C (base common)

Sơ đồ C-C (C chung)

Sơ đồ B-C (B chung)

Phân cực cho BJT

• Là tạo điện áp ban đầu cho cực B BJT để vượt qua ngưỡng U0 ban đầu (Si 0,6 vôn Ge 0,2 vơn)

• Phân cực điện áp • Phân cực dịng điện • Phân cực phản hồi

• Điện áp chân B (mạch E-C) sau phân cực là: • Ub = Ube0 + e(t)

Phân cực bằng điện áp

• Chọn dịng Ib0 (kí hiệu đại lương phân cực)

• Chọn dịng I2 = (5 -:- 10)Ib0 (qui ước lấy I2=10Ib0) Dòng phân cực lớn tốt gây tổn hao cơng suất nhiều

• Chọn Ube0 (0,6 vơn với Si 0,2 vôn với Ge) hay Ub0

Phân cực bằng dịng điện

• Chọn trước Ube0, Ib0

0

b b c

b

I U V

R = −

Phân cực bằng phản hồi

• Chọn trước Ib0, Ube0 • Chọn trước Uc0

I0 Uc0 Ube0 0 0 0 0 0

0 ( 1)

$4 Transitor trường FET (Field Effect Transitor)

•JFET – Junction Field Effect Transitor

Lớp n Lớp p (kênh dẫn)

•Cực cửa G: Gate

•Cực nguồn S: Source •Cực máng D: Drain

•Dịng điện theo qui ước chảy từ cực máng đến cực nguồn kênh n ngược lại kênh p.

Nguyên lý: Khi thay đổi điện áp UGS, sẽ làm thay đổi độ rộng vùng phân cực ngược, nên độ rộng kênh dẫn cũng thay đổi, từ đó sẽ khống chế (điều khiển) được dịng ID

•Đặc trưng cơ bản FET được điều khiển bằng điện áp nên dịng vào rất nhỏ, cơng suất đầu vào sẽ rất nhỏ, thích hợp với những tín hiệu vào bé.

+ + + + + + + + - N+ N-

-C P+ N+ N -P E G G C E IC UCE

VIII GIỚI THIỆU IGBT:

Trên hình vẽ thể loại IGBT kênh N, tất cả những mô tả đây, thể cho kênh N nhưng loại IGBT kênh P phân tích theo nguyên lý tương tự.

Cấu tạo IGBT giống với Transitor MOSFET khuếch tán, có đặc điểm có vùng khuếch tán kém, vùng P vùng N

b Hoảt âäüng chung:

IGBT thường điều khiển trạng thái ON/OFF giống MOSFET cách đặt điện áp lên cực cửa VG (do vùng tuyến tính nhỏ nên dùng kiểu ON/OFF).

Điện áp đánh thủng theo chiều thuận điện áp đánh thủng tiếp giáp này, tham số quan trọng Bởi trong thực tế thiết bị công suất sử dụng điện áp dòng điện cao, điện áp đánh thủng tiếp giáp mặt phụ thuộc vào lớp bán dẫn có nồng độ tạp chất nhỏ (N-) gọi lớp N-

Trạng thái làm việc ON:

n+ p n n+

p

Cathode Gate

Anothe

GTO – Gate Turn-off Thyristorn+pnn+pCathode GateAnothe

Về cơ bản, GTO cũng giống như Thyristor thông thường,

Như sơ đồ cấu tạo sơ đồ tương đương, để khóa van, người ta cấp một dịng điện ngược vào Transitor npn từ cathode, khi đó npn sẽ bị khóa dẫn đến transitor phía dưới cũng bị

khóa Tuy nhiên, đặc điểm loại van dịng khóa khá

lớn, nếu với van 1000A, cần xung dòng để mở từ 3-5% Iđm, khoảng 30A kéo dài 10µs, xung dịng khóa phải 30% (300A) kéo dài 20-50µs, biên độ xung áp khóa từ

MTO – MOS Turn-off Thyristor

MTO tập đoàn SPCO chế tạo Nó kết hợp khéo léo GTO

MOSFET, mục đích để hạn chế lượng phun vào cực điều khiển hạn chế tốc độ gia tăng dịng điện

• Ngun lý cấu tạo hình vẽ Cấu trúc MOSFET cho phép tăng dịng điện khóa mà không bị vướng vào cực điều khiển mở Loại van chịu

đựng điện áp lên đến 10kV dòng điện đến 4000A

n+ p n n+

p

Cathode

Anothe

Gate

ETO – EMITTER TURN-OFF

Cũng MTO, ETO dạng biến thể khác thyristor transitor, nghĩa gồm GTO MOSFET.Turn-off

Turn-onTurn-onTurn-off

Turn-off Turn-on

INTERGRATED GATE-COMMUTATED THYRISTOR (GCT VÀ IGCT)

Đây loại linh kiện có tốc độ chuyển mạch nhanh dòng xung lớn,

dòng làm việc linh kiện đẩy tất dịng từ cathode đến cực cửa µs để khóa hồn tồn van Cấu tạo ngun lí hình vẽ IGCT có khác chút có nhiều lớp mạch in cực cửa Cả hai loại có diode ngược Cấu trúc cho phép tốc độ tăng dòng cửa đến 4kA/µs với điện áp K-G 20v Trong µs transitor phía GTO tắt pnp phía tắt chân B hở

p p

n-n

p+ n+

n+

GTO DIODE

Anode Gate

Linh kiện quang điện tử

• Linh kiện phát quang: dựa ngun lí: hạt dẫn có điện trường kích thích đẩy điện tử lên mức cao với thời gian sống ngắn, quay trở mức cũ, điện tử trả lượng kích thích dạng photon

• Linh kiện thu quang: dựa nguyên lí: hạt dẫn có ánh sáng chiếu vào tạo điện tích khuếch tán, làm thay đổi điện trở bán dẫn tạo điện áp hai đầu tiếp giáp p-n

• Màu sắc phụ thuộc vào chất nguyên tử tạp chất

• Các linh kiện phát: LED(Light Emitter Diode) LCD(Liquid Crystal Display)

Linh kiện phát quang – photoemettor

• Hiện tượng xảy với số loại nguyên tử dễ bị quang kích thích điều kiện thường Nhất kim loại kiềm Vật liệu bán dẫn khó nên cần phải dùng liên kết p-n yếu

∆Ed Ed

Eo

∆Ed Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Đặc trưng phổ

• Một loại vật liệu bán dẫn hấp thụ phát xạ số tia sáng xác định, gọi đặc trưng phổ

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Vùng cực tím Vùng nhìn thấy Vùng hồng ngoại

Độ nhạy

0.5 0.7 Mắt

Mặt trời

Si Ge

CdS

Sự hấp thụ quang học

• Gọi thông lượng PI(E), lượng E, hệ số phản xạ R(E) • Pt(E) = PI(E) [1-R(E) ]

• Hệ số hấp thụ a vật liệu bán dẫn a = (1/dx) [dP(E)/P(E) ] • Do đó: P(E,x) = Pt(E) exp(-ax)

• P(E,x) = Pt(E) [1-R(E) ]exp(-a(E)x)

• Hệ số phản xạ R(E) phụ thuộc vào chất bán dãn điều kiện bề mặt, giá trị chủ yếu phụ thuộc góc đến tia tới, phản xạ nhỏ tia tới vng góc bề mặt bán dẫn

• R(E) = [(n-1)2 + (ga/4π)2]/[(n+1) 2 + (ga/4π)2]

• với n = n2/n1 ; n1 chiết suất khơng khí, n2 chiết suất chất bán dẫn a hệ

Đặc trưng phổ

• Một loại vật liệu bán dẫn hấp thụ phát xạ số tia sáng xác định, gọi đặc trưng phổ

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Chương 2- Khuếch đại dùng BJT – Khái niệm

• Khuếch đại q trình biến đổi cơng suất tín hiệu vào nhỏ thành cơng suất tín hiệu lớn

• u cầu:

• - Biên độ tín hiệu phải lớn tín hiệu vào • - Khơng gây méo tín hiệu

• - Khơng tạo phổ đồng loại

Khuếch đại

Khuếch đại dùng sơ đồ EC sơ đồ tương đương

• Sơ đồ nguyên lí mạch khuếch đại EC Tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào

Ube0

Uce0

Uv

Ue0

Ut

Ub0

Uc0 I1

Ib0 I2

Ic0

Ie0 Iv

Khuếch đại dùng sơ đồ EC sơ đồ tương đương

• Lấy đặc tính vào để xác định phân cực Q: điểm công tác Uce Q B A Ic Uce Ic Ic0 Uce0 Ib0 Ib2 Ib1 Ib Ube Ube Ube0 Ib0 Ib2 Ib1

Ib M

Khuếch đại dùng sơ đồ EC sơ đồ tương đương

• Tính phân cực một chiều:

• Xác định dịng Ib0 (Ube0)(chọn trước) • Từ đặc tính vào xác định được Ube0 (Ibo)

• Xác định Ube0 theo biên độ tín hiệu e(t) của tín hiệu vào, cho khơng bị méo

• Xác định trước nguồn Vc, từ đó xác định đường tải AB.

• Xác định Ic0 theo đặc tính ra • Xác định Uce0

• Chọn trước một giá trị của Re hoặc Rc Thông

Tính phân cực một chiều

• Qui ước thống nhất: chọn I2 10 lần Ib0

Tính phân cực một chiều theo kinh nghiệm

• Nếu khơng có đặc tính V-A của BJT, việc tính tốn được chọn theo kinh nghiệm:

• Với BJT loại Si chọn Ube0=0,6vơn, loại Ge chọn Ube0=0,2 vơn • Dịng Ic0 được chọn theo dịng cực đại cho phép của BJT

Chọn bằng một nữa giá trị cực đại.

• Điện áp Uce0 được chọn bằng một nữa đến hai phần ba giá trị

nguồn Vc.

• Dịng Ib0=Ic0/β

Sơ đồ xoay chiều tương đương

βIb

Ic Ib

Ie R1//R2

Iv Uv

Ut It

Ic B

E

Tính tốn xoay chiều khuếch đại • Bộ tham số tính tốn:

• Tổng trở ngõ vào Rv • Tổng trở ngõ Rr

• Hệ số khuếch đại dịng điện Ki • Hệ số khuếch đại điện áp Ku • Hệ số khuếch đại công suất Kp

Mạch khuếch đại

BJT K Uv =

e(t)

Iv

Tính tốn hệ số khuếch đại

• Sinh viên tự đọc khuếch đại C-C B-C ở nhà

UBE0

UCE0

Ur IE0

IB0 IC0

Un

Iv

Uv Ie

Ib Ic It

IRc

Ur

Mạch vào Mạch ra

=

u

K

( ) [ ] ) ( // 1 B c c r b e v r R R r r R = − + = α       = t t c i R R R

K α //

v n t c u R r R R K + =α // ( ) t t c v t t c c t t t t c c v t i R R R I R R R I I R I R R I mà I I K // // // . α = = = =

* Tổng trở vào: tổng trở vào tính theo mạch vịng E-B dịng Ic=αIe Uv=RvIe = [re +(1-α)rb]; Uc = (Rc//rc(B))Ic

* Hệ số khuếch đại dòng điện

* Hệ số khuếch đại điện áp

( ) i ( n t v )

v n v t t n t u R r R K R r I R I U U K + = + = =

Iv It Ie Ic Ut Uv R1 R2

Phân cực DC đợc tính tốn tương tự mạch E-C B-C riêng điện trở định thiên RE xác định theo hệ số phản hồi âm dịng điện cần thiết

Các tính tóan dựa đặc tính V-A vào

Độ ổn định mạch tính tóan dựa tiêu chuẩn Routh tiêu chuẩn tần số

•Mạch khuếch đại C-C có hệ số phản hồi âm lớn nên dải tần cơng tác rộng •Đặc tính tần số biên độ Logarit có độ dốc cao tần -20dB/dec

Iv

It Ie

Ib Ic

Ie0 UV

Ur

Tính tham số xoay chiều:

* Dịng điện vào tính dòng Ib tại cực B BJT

( )( )

[r 1 r R // R ]// R1 // R2

Rv = b + + β e + e t

Nếu điện trở vào chọn lớn

( )( )

[ b 1 e e // t ]// 1 // 2 // c(E)

v r r R R R R r

R = + + β +

Điện trở tầng C-C ( )       + + + = β 1 // //

// r r ( ) r R1 R2 R

Rr e e c E b

( )       + + + = β 1 //

// r r R1 R2

R R b e e r ( )( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) t t e v v v t i t e b t e e t t t e e b b v b v v R R R r R I I K R R I R R I R I R R r r I r I R I // 1 // 1 // // 1 β β β + = = + = = + + + = =

Với rc(E) lớn, ta viết:

Hệ số khuếch đại dòng điện

Hệ số khuếch đại điện áp

( ) i ( n t v )

Ghép tầng bộ khuếch đại dùng điện dung

• Thơng thường, mạch khuếch đại có hệ số khuếch dại cỡ vài chục lần Muốn có hệ số khuếch đại lớn phải ghép nhiều mạch với nhau, gọi ghép tầng

Tụ

Khuếch đại cơng suất

• - Các tầng khuếch đại cơng suất có dịng điện điện áp cao

• - Phân cực chiều gây tổn thất cơng suất chiều mạch khuếch đại

• - Cần hạn chế tổn hao

Ube0

Uce0 Uv

Ue0

Ut

Ic0

Tổn hao cơng suất mạch EC • Tổn hao dịng phân cực Ic0 điện áp Uce0

• P0 = Uce0Ic0 Khi làm việc chế độ khuếch đại hai chu kì • Vấn đề làm mát cho BJT, tăng công suất nguồn cung cấp

• Chế độ khuếch đại hai nửa chu kì gọi chế độ A

Q B A Ic Uce Ic Ic0 Uce0 Ib0 Ib2 Ib1 Ib Ube Ube Ube0 Ib0 Ib2 Ib1

Ib M

N o

Khuếch đại cơng suất chế độ B (một nữa chu kì)

• Để khuếch đại hai nửa chu kì cần có hai mạch khuếch đại riêng • Loại chế độ không gây tổn hao chiều

Ib

Ube

Ic

Uce e(t)

Ibmax Ibmax

Nguyên lí mạch khuếch đại ghép đẩy kéo

Khuếch đại Darlington

• Hệ số khuếch đại tích hai hệ số khuếch đại tương ứng BJT • Mạch thường dùng tầng khuếch đại cuối

• Nhược điểm hay bị dao động tự kích T1

T2 Ib1

Phản hồi bộ khuếch đại

• Phản hồi lấy phần tín hiệu đem quay trở lại trộn với tín hiệu

đầu vào để cải thiện chất lượng khuếch đại

• Theo tín hiệu có phản hồi điện áp dịng điện

• Theo hình thức phản hồi có phản hồi âm (ngược pha) dương (cùng pha)

• Theo cấu trúc có phản hồi song song phản hồi nối tiếp

• Tác dụng làm tăng tổng trở vào giảm tổng trở ra

• Tăng độ rộng dải tần cơng tác

• Ổn định hố bộ khuếch đại

• Nâng cao độ chống nhiễu giảm khả năng dao động tự kích.

Kh

Kp

Uv Ur

p h h ph K K K K ± = 1 e z (+)

Trong trường hợp tổng quát, một bộ khuếch đại được coi như một mạch điện với phần tử tạo nên một quan hệ vào-ra tổng quát:

x b dt dx b dt x d b dt x d b y a dt dy a dt y d a dt y d

a m m m

m m m n n n n n n + + + + = + + +

+ 1 −1−1 −1 0 1 −1−1 −1

0

Với điều kiện đầu không nguồn

∑ ∑ = − = − = = n i i n i m k k m k h p a p b p X p Y p W 0 ) ( ) ( ) (

Wh(p)

Wf(p)

Hàm truyền hệ kín ) ( ) ( 1 ) ( ) ( p W p W p W p W f h h

k = +

Trong miền Laplace: p = α + jω Trong miền tần số: p = j ω

) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ω ω ω ϕ ω ω ω ω ω j k k f h h

k P jQ A e

j W j W j W j

W = + =

+ = ) ( ) ( arctan ) ( ; ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ; ) ( ) ( ( ) ( ) ω ω ω ϕ ω ω ω ω ω ω ω ϕ ω ϕ ω k k j j P Q X Y A e X j X e Y j Y = = = =

Với hàm ảnh Furie y(t) x(t), ta có

Đặt A(ω)=K ) ( ) ( ) ( ) ( 1 ) ( ϕ ω ϕ ω ϕ ω ω ϕ ω k f h h j h k j f j h j h

k K K e

e K e K e K j W = + =

Nhận xét:

•Hệ số khuếch đại của mạch có phản hồi một trị phức •Góc lệch pha phụ thuộc cấu trúc mạch phản hồi

•Hệ số khuếch đại làm việc phụ thuộc tần số tín hiệu

•Mạch phản hồi làm việc ổn định nếu góc lệch pha khơng làm

đảo dấu tín hiệu phản hồi theo qui ước.

KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU BiẾN THIÊN CHẬM •Đặc điểm:

-Tín hiệu biến thiên rất chậm

-Không nối tầng bằng tụ hay biến áp -Dễ bị trôi nguồn và nhiệt độ

-Dễ mất cân bằng

Ghép tầng khuếch đại một chiều

Thường ghép tầng trực tiếp hay ghép quang

KHUẾCH ĐẠI VI SAI

Không thể phân cực BJT cho khỏi rườm rà

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R R

Ie1+Ie2=Io=hằng số

T1 T2

-KHUẾCH ĐẠI VI SAI-cùng pha

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R R

I~

e1+I~e2=0

khuếch đại vi sai - ngược pha

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R R

T1 T2

khuếch đại vi sai – trôi nhiệt

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R R

I0e1+I0e2=0

khuếch đại vi sai – trôi nguồn

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R R

I0e1+I0e2=0

Khuếch đại vi sai không cân bằng

Ur

+Vc

Uv1 Uv2

Io

Ie1 Ie2

R1 R1

Ie1+Ie2=Io=hằng số

T1 T2

R2 R2

Đọc giá trị điện trở

• Đen Tím

• Nâu Xám

• Đỏ Trắng

• Cam • Vàng • Xanh • Lơ (blue)

Vạch chuẩn

Số thứ

nhất (số) Số thứ hai (số)

Số thứ ba (số chữ số 0) Sai số

Phản hồi áp dòng

Chương 3- KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN- OA Operational Amplifier

+Vc

-Vc Vi

-Vi+ i+

i-V0

Rv = ∞; Rr = 0; i- = i+ = 0; Kh = ∞; V0 = Kh∆Vi IC – Integrated Circuit

Đặc tính vo ca OA

ã Khi Vi+>Vi- ẻ Vo = +Vc (Vi- = 0) ã Khi Vi+<Vi- ẻ Vo = -Vc (Vi- = 0)

• Do OA thực tế khơng thể có Kh = ∞ mà chỉ 104 -:-106 nên tồn tại ∆Vi cỡ vài mV được khuếch đại tuyến tính

• Thực tế người ta không dùng vùng khuếch đại này

Vi Vo

Vi+

Vi-∆Vi

Các chế độ làm việc của OA

A Chế độ tuyến tính (khuếch đại): cần có phản hồi âm sâu

để giảm hệ số khuếch đại Nối mạch phản hồi

đầu về chân đảo

Ln có: Vi+ = Vi -i+ = i- = 0

B Chế độ xung (on – off) (Khơng có phản hồi) Vi+ > Vi- Ỵ Vo = +Vc

Vi+ < Vi- Ỵ Vo = -Vc

C Chế độ tự dao động:sóng sin, tam giác, răng cưa, chữ

Các ứng dụng tuyến tính của OA

Vi+ = Vi- = 0

Mạch khuếch đại đảo: Ur = -(R2/R1)U1 Vi

-Vi+ i+

i-Ur

R1 R2

U1 I1

Khuếch đại khơng đảo

• Vi+ = Vi- =U1

• Điện áp ra: Ur = (1+R2/R1)U1

Vi

-Vi+ i+

i-Ur

R1 R2

U1 I1

Mạch cộng đảo

• Vi+ = Vi- = 0

• Ur = -(U1 + U2)

Vi

-Vi+ i+

i-Ur

R R

U1 U2

R

I1

Mạch cộng không đảo

Vi+ = Vi- = Ur/2; Ur = U1 + U2

Vi

-Vi+ i+

i-Ur

R R

U1 U2

R

R I1

Mạch trừ

• Vi+ = Vi- = U2/2; Ur = U2 – U1

• U2 = Ur + U1 ≡ α2 + α1= α = 180 dộ Vi

-Vi+ i+

i-Ur

R R

U1

U2 R

R I1

I3

+5V +5v

Mạch vi phân đảo

• Vi+ = Vi- = 0

• Ur = - RC(dU1/dt) = -T.dU1/dt

Vi -Vi+ i+

i-Ur R

U1

C I

Mạch tích phân đảo

• Vi+ = Vi- = 0

Vi -Vi+ i+

i-Ur R

U1

C

∫

−

= U dt

RC

Mạch lặp điện áp

• Ur = U1; dùng tạo trở kháng nguồn thấp

Vi

-Vi+ i+

i-Ur R2

Mạch tích phân không đảo Vi -Vi+ i+ i-Ur R U1 C R R R ∫

= U dt RC

Ur 2 1

I1

I2

Mạch PI (Poprotional Integrated)

• Tỉ lệ Tích phân

Vi -Vi+ i+

i-Ur R1 U1 C R2 I1 I2 ∫ − −

= U dt

CR U

R R

Ur 1

1 1 1

Mạch PID – Poprotional Integrated Derivative

• Tỉ lệ Tích phân Vi phân

Vi -Vi+ i+

Quan hệ I U tiếp giáp p-n trong vùng điện áp thấp dòng nhỏ

• Trong Diode: IA = k.eUak • Uak = lnIA

• Trong Tranzitor Ic = k.eUce • Uce = lnIc

=1

Mạch lấy logarit

Ia = I1 = U1/R Ỉ -Ur = Uak = ln(U1/R)

Vậy điện áp tỉ lệ với logarit điện áp vào.

Vi

-Vi+ i+

i-Ur R

U1

I1

Mạch lấy logarit bằng BJT

Vi

-Vi+ i+

i-Ur R

Mạch lấy hàm mũ

Ia = I = -Ur/R = keUak Ur = -kR.eU1

Vậy điện áp tỉ lệ với hàm mũ e của điện áp vào

Vi -Vi+ i+

i-Ur R

U1

Ia

Mạch tạo tín hiệu hàm mũ bằng BJT

Vi -Vi+ i+

i-Ur R

Mạch nhân hai điện áp

• Ur = U1xU2

• lnUr = ln(U1.U2) = lnU1 + lnU2 • Ur = e(lnU1 + lnU2)

ln ln

cộng lấy hàm mũ

Ur U1

Mạch nhân dùng OA

U2 U1

Mạch chia hai điện áp

• Ur = U1/U2

• lnUr = ln(U1/U2) = lnU1 - lnU2 • Ur = e(lnU1 - lnU2)

ln ln

trừ lấy hàm

mũ

Ur U1

Mạch chia hai điện áp

U2 U1

Mạch khai căn bậc hai ln 1 1 ln 2 1

ln r r U

r e U U U U U U = ==> = ==> = =

Mạch khai căn bậc hai

Uv

• Nguồn áp: rn = hoặc rn << Rt

Vi

-Vi+ i+

i-Ur R2

Ứng dụng OA chế độ so sánh

• Mạch so sánh ngưỡng

V0 U1

U2 220v

+Vc -Vc Vi

Công dụng mạch so sánh một ngưỡng • Dùng mạch bảo vệ tín hiệu

• Dùng mạch tạo góc mở điều khiển điện tử công suất lớn chỉnh lưu, băm điện áp, biến tần

• Làm sở để xây dựng chuyển đổi ADC, DAC kĩ thuật số

• Tạo ngưỡng để dùng thiết bị vừa đo lường, vừa điều khiển bù cosϕ, điều khiển nhiệt độ, cân điện tử… nhiều ứng dụng mở

rộng khác • Nhược điểm:

• Mạch so sánh kiểu nhạy nên thường sinh xung động hệ thống

Mạch so sánh ngưỡng đối xứng

• Thường dùng mạch tạo xung Trige dao động đa hài

V0 U1 R1 R2 Vi Vo -Vc +Vc

-Vi+ +Vi+

Mạch so sánh ngưỡng khơng đối xứng

• V0 = V01 AND Vo2

V0 U1

U2

Vo1

Đồ thị mạch so sánh hai ngưỡng không đối xứng Vi

Vo

-Vc +Vc

Chế độ dao động của OA

V0 U1

R1

Biểu đồ thời gian dao động của OA

0,5Vc+

0,5Vc

-Vo

Nguồn cung cấp một chiều

• Nguồn cung cấp thiết bị rât cần thiết mạch điện tử

• Nguồn phải cung cấp đủ cơng suất sử dụng • nguồn phải có khả chống nhiễu tơt • Điện áp nguồn phải ổn định

• Biên độ điện áp phải yêu cầu

• Đảm bảo an toàn cho mạch sử dụng người dùng • Nguồn lấy từ acqui, pin hay chỉnh lưu xoay chiều thành

chiều

Nguồn cung cấp

Nguồn pin Nguồn acqui

Chỉnh lưu xoay chiều dùng Diode