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

[r]

TR

ƯỜ

NG

ĐẠ

I H

Ọ

C BÁCH KHOA

KHOA

Đ

I

Ệ

N

B

B

Ộ

Ộ

MƠN: T

MƠN: T

Ự

Ự

Đ

Đ

Ộ

Ộ

NG H

NG H

Ĩ

Ĩ

A

A

BÀI GI

Ả

NG

Đ

i

ệ

n t

ử ứ

ng d

ụ

ng

Trong k

Trong k

ĩ

ĩ

thu

thu

ậ

ậ

t

t

đ

đ

i

i

ề

ề

u khi

u khi

ể

ể

n công nghi

n công nghi

ệ

ệ

p

p

v

v

à

à

t

t

ự

ự

đ

đ

ộ

ộ

ng h

ng h

ó

ó

a

a

GVC Th.s Nguy

GVC Th.s Nguy

ễ

ễ

n Ho

n Ho

à

à

ng Mai

ng Mai

Tel: 0988841568

Vùng d

ẫ

n

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

• M

ứ

c ch

ặ

t cịn g

ọ

i m

ứ

c hố tr

ị

: n

ă

ng l

ượ

ng Eo

• M

ứ

c t

ự

do cịn g

ọ

i m

ứ

c d

ẫ

n: n

ă

ng l

ượ

ng Ed

• N

ă

ng l

ượ

ng kích thích t

ố

i thi

ể

u:

∆

Ed=Ed – Eo

M

ứ

c

t

ự

do

Mức chặt (hóa trị)

∆

Ed

Ed

Eo

∆

Ed

Khái ni

ệ

m ch

ấ

t bán d

ẫ

n

• 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

•

Đố

i v

ớ

i

đ

i

ệ

n t

ử

l

ớ

p bên trong, nhi

ễ

u lo

ạ

n

nguyên t

ử

láng gi

ề

ng gây y

ế

u nên chúng liên k

ế

t m

ạ

nh

v

ớ

i h

ạ

t nhân

• Các

đ

i

ệ

n t

ử

l

ớ

p ch

ị

u

ả

nh h

ưở

ng l

ớ

n c

ủ

a

đ

i

ệ

n t

ử

láng gi

ề

ng nên s

ự

tách m

ứ

c n

ă

ng l

ượ

ng x

ả

y m

ộ

t

vùng r

ộ

ng, gây nên hi

ệ

n t

ượ

ng ch

ồ

ng ph

ủ

các m

ứ

c n

ă

ng

l

ượ

ng lên nhau.

• V

ớ

i Si, l

ớ

p ngồi

đượ

c t

ạ

o thành b

ở

i

đ

i

ệ

n t

ử

p

Liên k

ế

t m

ạ

ng Si

• Liên k

ế

t c

ộ

ng hố tr

ị đượ

c s

ử

d

ụ

ng m

ạ

ng.

• N

ế

u có kích thích n

ă

ng l

ượ

ng s

ẽ

t

ạ

o m

ộ

t ion d

ươ

ng và

m

ộ

t

đ

i

ệ

n t

ử

t

ự

do

Đ

i

ệ

n t

ử

phân b

ố

theo th

ố

ng kê Fermi-Dirac v

ớ

i xác su

ấ

t chi

ế

m

m

ứ

c n

ă

ng l

ượ

ng:

Trong

đ

ó:

K = 8,63.10

-5

eV/K h

ằ

ng s

ố

Boltzman

T: nhi

ệ

t

độ

tuy

ệ

t

đố

i

E

F

là m

ứ

c n

ă

ng l

ượ

ng Fermi

đượ

c xác

đị

nh t

ừ

bi

ể

u th

ứ

c:

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

∫

∞

=

0

2

N

(

E

)

f

(

E

)

d

(

E

)

Bán d

ẫ

n pha t

ạ

p ch

ấ

t hoá tr

ị

3 - lo

ạ

i p (plus)

Bán d

ẫ

n pha t

ạ

p ch

ấ

t hoá tr

ị

5 - lo

ạ

i n (negative)

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

$2 Ti

ế

p giáp p-n và

đặ

c tính V-A

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

E

0

E

0

U

0

x

Ti

ế

p giáp p-n phân c

ự

c ng

ượ

c

• 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)

E

0

E

n

U

n

Ti

ế

p giáp p-n phân c

ự

c thu

ậ

n

• 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

•

Nh

ư

v

ậ

y, ti

ế

p giáp p-n ch

ỉ

cho dịng ch

ả

y qua m

ộ

t chi

ề

u

nh

ấ

t

đị

nh.

E

0

E

n

Đặ

c tính V-A c

ủ

a ti

ế

p 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

I

0

I

U

1

2

3

U

t

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

E

0

• DIODE

• Diode m

ộ

t ti

ế

p xúc p-n.

• Có nhi

ề

u lo

ạ

i diode v

ớ

i n

ồ

ng

độ

h

ạ

t d

ẫ

n khác

nhau

để

t

ạ

o nên nh

ữ

ng

đặ

c tính khác nhau.

• Diode ch

ỉ

nh l

ư

u: n

ồ

ng

độ

t

ừ

1e+7

đế

n 1e+10, ch

ị

u

đượ

c t

ầ

n s

ố

th

ấ

p

• Diode zener dùng

để ổ

n áp, n

ồ

ng

độ

1e+134

đế

n

1e+19 (

xem internet

)

• DIODE

• Diode

đườ

ng h

ầ

m (tunnel), n

ồ

ng

độ

cao h

ơ

n

1e+19 c

ả

hai l

ớ

p, g

ọ

i bán d

ẫ

n suy bi

ế

n

Nên vùng chuy

ể

n ti

ế

p có kho

ả

ng cách nh

ỏ

(10A

0

)

Nên diode lo

ạ

i có vùng

đ

i

ệ

n tr

ở

vi phân âm

(

xem internet

)

• Diode Gunn GaAs: tác

độ

ng vào m

ẩ

u tinh th

ể

m

ộ

t

đ

i

ệ

n tr

ườ

ng m

ạ

nh tinh th

ể

xu

ấ

t hi

ệ

n

các dao

độ

ng siêu cao t

ầ

n, g

ọ

i hi

ệ

u

ứ

ng Gunn

(

xem internet

)

• Diode PIN: c

ấ

u t

ạ

o t

ừ

3 l

ớ

p bán d

ẫ

n,

đ

ó hai

l

ớ

p p

+

và n

+

pha t

ạ

p m

ạ

nh, k

ẹ

p gi

ữ

a m

ộ

t mi

ế

ng

tinh th

ể

I có

độ

dày l

ớ

n h

ơ

n Lo

ạ

i dùng ch

ế

t

ạ

o nh

ữ

ng b

ộ

ch

ỉ

nh l

ư

u công su

ấ

t l

ớ

n t

ầ

n s

ố

Các lo

ạ

i diode thông d

ụ

ng

• Diode Varicap(Variable Capacator) bi

ế

n dung, th

ườ

ng

dùng k

ĩ

thu

ậ

t dao

độ

ng

để ổ

n

đị

nh hay

đ

i

ề

u ch

ỉ

nh t

ầ

n

s

ố

(

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)

Đặ

c

đ

i

ể

m 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 l

ưỡ

ng c

ự

c

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 ho

ạ

t

độ

ng c

ủ

a 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

I

b

I

c

I

e

E

ce

U

be

U

ce

b

c

I

I

=

β

ce

be

U

U

<<

E

be

2

Đặ

c tính V-A c

ủ

a BJT

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

U

ce

Q

B

A

Ic

Uce

I

c

I

c0

U

ce0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

U

be

U

be

U

be0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

M

S

ơ đồ

l

ấ

y

đặ

c tính ra-

sẽ thí nghiệm

A

mA

V

V1

BR1

BR2

3 Các s

ơ đồ

m

ắ

c BJT

S

ơ đồ

E-C (E chung)

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

S

ơ đồ

C-C (C chung)

S

ơ đồ

B-C (B chung)

Phân c

ự

c 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 c

ự

c b

ằ

ng

đ

i

ệ

n 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 c

ự

c b

ằ

ng dịng

đ

i

ệ

n

• Ch

ọ

n tr

ướ

c U

be0

, I

b0

0

b b c

b

I

U

V

R

=

−

Phân c

ự

c b

ằ

ng ph

ả

n h

ồ

i

• Chọn trước Ib0, Ube0 • Chọn trước Uc0

I

0

U

c0

U

be0 0 0 0 0 0

0

(

1

)

$4 Transitor tr

ườ

ng FET (Field Effect Transitor)

•JFET – Junction Field Effect Transitor

L

ớ

p n

L

ớ

p p (kênh d

ẫ

n)

•C

ự

c c

ử

a G: Gate

•C

ự

c ngu

ồ

n S: Source

•C

ự

c máng D: Drain

•Dịng

đ

i

ệ

n theo qui

ướ

c ch

ả

y t

ừ

c

ự

c máng

đế

n c

ự

c ngu

ồ

n

kênh n ng

ượ

c l

ạ

i kênh p.

Nguyên lý: Khi thay

đổ

i

đ

i

ệ

n áp U

GS

, s

ẽ

làm thay

đổ

i

độ

r

ộ

ng

vùng phân c

ự

c ng

ượ

c, nên

độ

r

ộ

ng kênh d

ẫ

n c

ũ

ng thay

đổ

i, t

ừ

đ

ó

s

ẽ

kh

ố

ng ch

ế

(

đ

i

ề

u khi

ể

n)

đượ

c dịng I

D

•

Đặ

c tr

ư

ng c

ơ

b

ả

n FET

đượ

c

đ

i

ề

u khi

ể

n b

ằ

ng

đ

i

ệ

n áp nên dịng

vào r

ấ

t nh

ỏ

, cơng su

ấ

t

đầ

u vào s

ẽ

r

ấ

t nh

ỏ

, thích h

ợ

p v

ớ

i nh

ữ

ng tín

hi

ệ

u 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

V

ề

c

ơ

b

ả

n, GTO c

ũ

ng gi

ố

ng nh

ư

Thyristor thông th

ườ

ng,

Nh

ư

s

ơ

đồ

c

ấ

u t

ạ

o s

ơ

đồ

t

ươ

ng

đươ

ng,

để

khóa van, ng

ườ

i ta

c

ấ

p m

ộ

t dịng

đ

i

ệ

n ng

ượ

c vào Transitor npn t

ừ

cathode,

khi

đ

ó npn s

ẽ

b

ị

khóa d

ẫ

n

đế

n transitor phía d

ướ

i c

ũ

ng b

ị

khóa Tuy nhiên,

đặ

c

đ

i

ể

m lo

ạ

i van dịng khóa khá

l

ớ

n, n

ế

u v

ớ

i van 1000A, c

ầ

n xung dòng

để

m

ở

t

ừ

3-5% I

đ

m,

kho

ả

ng 30A kéo dài 10

µ

s, xung dịng khóa ph

ả

i

30% (300A) kéo dài 20-50

µ

s, biên

độ

xung áp khóa t

ừ

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 ki

ệ

n quang

đ

i

ệ

n t

ử

• 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 ki

ệ

n 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 d

ẫ

n

Vùng hoá tr

ị

Đặ

c tr

ư

ng ph

ổ

• 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

nh

ạ

y

0.5 0.7 Mắt

Mặt trời

Si

Ge

CdS

S

ự

h

ấ

p th

ụ

quang h

ọ

c

• 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

Đặ

c tr

ư

ng ph

ổ

• 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

Ch

ươ

ng 2-

Khu

ế

ch

đạ

i dùng BJT

– Khái ni

ệ

m

• 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

Khu

ế

ch

đạ

i

Khu

ế

ch

đạ

i dùng s

ơ

đồ

EC s

ơ

đồ

t

ươ

ng

đươ

ng

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

Ube0

Uce0

Uv

Ue0

Ut

U

b0

U

c0

I

1

I

b0

I

2

I

c0

I

e0

I

v

Khuếch đại dùng sơ đồ EC sơ đồ tương đương

• Lấy đặc tính vào để xác định phân cực

Q:

đ

i

ể

m công tác

U

ce

Q

B

A

Ic

Uce

I

c

I

c0

U

ce0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

U

be

U

be

U

be0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

M

Khu

ế

ch

đạ

i dùng s

ơ

đồ

EC s

ơ

đồ

t

ươ

ng

đươ

ng

• Tính phân c

ự

c m

ộ

t chi

ề

u:

• Xác

đị

nh dịng I

b0

(U

be0

)(ch

ọ

n tr

ướ

c)

• T

ừ

đặ

c tính vào xác

đị

nh

đượ

c U

be0

(I

bo

)

• Xác

đị

nh U

be0

theo biên

độ

tín hi

ệ

u e(t) c

ủ

a tín

hi

ệ

u vào, cho khơng b

ị

méo

• Xác

đị

nh tr

ướ

c ngu

ồ

n V

c

, t

ừ

đ

ó xác

đị

nh

đườ

ng t

ả

i

AB.

• Xác

đị

nh I

c0

theo

đặ

c tính ra

• Xác

đị

nh U

ce0

•

Ch

ọ

n tr

ướ

c m

ộ

t giá tr

ị

c

ủ

a R

e

ho

ặ

c R

c

Thông

Tính phân c

ự

c m

ộ

t chi

ề

u

• Qui ước thống nhất: chọn I2 10 lần Ib0

Tính phân c

ự

c m

ộ

t chi

ề

u theo kinh nghi

ệ

m

• N

ế

u khơng có

đặ

c tính V-A c

ủ

a BJT, vi

ệ

c tính tốn

đượ

c ch

ọ

n

theo kinh nghi

ệ

m:

• V

ớ

i BJT lo

ạ

i Si ch

ọ

n U

be0

=0,6vơn, lo

ạ

i Ge ch

ọ

n U

be0

=0,2 vơn

• Dịng I

c0

đượ

c ch

ọ

n theo dịng c

ự

c

đạ

i cho phép c

ủ

a BJT

Ch

ọ

n b

ằ

ng m

ộ

t n

ữ

a giá tr

ị

c

ự

c

đạ

i.

•

Đ

i

ệ

n áp U

ce0

đượ

c ch

ọ

n b

ằ

ng m

ộ

t n

ữ

a

đế

n hai ph

ầ

n ba giá tr

ị

ngu

ồ

n V

c

.

• Dịng I

b0

=I

c0

/

β

S

ơ

đồ

xoay chi

ề

u t

ươ

ng

đươ

ng

β

I

b

I

c

I

b

I

e

R

1

//R

2

I

v

U

v

U

t

I

t

I

c

B

E

Tính tốn xoay chi

ề

u khu

ế

ch

đạ

i

• 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

M

ạ

ch

khu

ế

ch

đạ

i

BJT

K

Uv =

e(t)

Iv

Tính tốn h

ệ

s

ố

khu

ế

ch

đạ

i

• Sinh viên t

ự

đọ

c khu

ế

ch

đạ

i C-C B-C

ở

nhà

U

BE0

U

CE0

Ur

I

E0

I

B0

I

C0

U

n

I

v

U

v

I

e

I

b

I

c

I

t

I

Rc

U

r

M

ạ

ch vào

M

ạ

ch 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

U

v

=R

v

I

e

= [r

e

+(1-

α

)r

b

]; U

c

= (R

c

//r

c(B)

)I

c

* 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

+

=

+

=

=

I

v

I

t

I

e

I

c

U

t

U

v

R

1

R

2

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

I

v

I

t

I

e

I

b

I

c

I

e0

U

V

U

r

Tính tham số xoay chiều:

* Dịng điện vào tính dòng Ib tại cực B BJT

(

)(

)

[

r

1

r

R

//

R

]

//

R

1

//

R

2

R

v

=

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

R

1

R

2

R

R

r e e c E b

(

)













+

+

+

=

β

1

//

//

r

r

R

1

R

2

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 t

ầ

ng b

ộ

khu

ế

ch

đạ

i dùng

đ

i

ệ

n 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

T

ụ

Khu

ế

ch

đạ

i cơng su

ấ

t

• - 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

I

c0

T

ổ

n hao cơng su

ấ

t m

ạ

ch 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

I

c

I

c0

U

ce0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

U

be

U

be

U

be0

I

b0

I

b2

I

b1

I

b

M

N

o

Khu

ế

ch

đạ

i cơng su

ấ

t ch

ế

độ

B (m

ộ

t n

ữ

a chu kì)

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

I

b

U

be

I

c

U

ce

e(t)

I

bmax

I

bmax

Nguyên lí m

ạ

ch khu

ế

ch

đạ

i ghép

đẩ

y kéo

Khu

ế

ch

đạ

i 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

T

1

T

2

I

b1

Ph

ả

n h

ồ

i b

ộ

khu

ế

ch

đạ

i

• 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.

K

h

K

p

U

v

U

r

p

h

h

ph

K

K

K

K

±

=

1

e

z

(+)

Trong tr

ườ

ng h

ợ

p t

ổ

ng quát, m

ộ

t b

ộ

khu

ế

ch

đạ

i

đượ

c coi nh

ư

m

ộ

t

m

ạ

ch

đ

i

ệ

n v

ớ

i ph

ầ

n t

ử

t

ạ

o nên m

ộ

t quan h

ệ

vào-ra t

ổ

ng 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

=

+

=

Nh

ậ

n xét:

•H

ệ

s

ố

khu

ế

ch

đạ

i c

ủ

a m

ạ

ch có ph

ả

n h

ồ

i m

ộ

t tr

ị

ph

ứ

c

•Góc l

ệ

ch pha ph

ụ

thu

ộ

c c

ấ

u trúc m

ạ

ch ph

ả

n h

ồ

i

•H

ệ

s

ố

khu

ế

ch

đạ

i làm vi

ệ

c ph

ụ

thu

ộ

c t

ầ

n s

ố

tín hi

ệ

u

•M

ạ

ch ph

ả

n h

ồ

i làm vi

ệ

c

ổ

n

đị

nh n

ế

u góc l

ệ

ch pha khơng làm

đả

o d

ấ

u tín hi

ệ

u ph

ả

n h

ồ

i theo qui

ướ

c.

KHU

Ế

CH

ĐẠ

I TÍN HI

Ệ

U Bi

Ế

N THIÊN CH

Ậ

M

•

Đặ

c

đ

i

ể

m:

-Tín hi

ệ

u bi

ế

n thiên

r

ấ

t ch

ậ

m

-Không n

ố

i t

ầ

ng

b

ằ

ng t

ụ

hay bi

ế

n áp

-D

ễ

b

ị

trôi ngu

ồ

n

và nhi

ệ

t

độ

-D

ễ

m

ấ

t cân b

ằ

ng

Ghép t

ầ

ng khu

ế

ch

đạ

i m

ộ

t chi

ề

u

Th

ườ

ng ghép t

ầ

ng tr

ự

c ti

ế

p hay ghép quang

KHU

Ế

CH

ĐẠ

I VI SAI

Không thể phân cực BJT cho khỏi rườm rà

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R

R

Ie1+Ie2=Io=h

ằ

ng s

ố

T1

T2

-KHU

Ế

CH

ĐẠ

I VI SAI-cùng pha

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R

R

I

~

e1

+I

~e2

=0

khu

ế

ch

đạ

i vi sai - ng

ượ

c pha

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R

R

T1

T2

khu

ế

ch

đạ

i vi sai – trôi nhi

ệ

t

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R

R

I

0

e1+I

0

e2=0

khu

ế

ch

đạ

i vi sai – trôi ngu

ồ

n

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R

R

I

0

e1+I

0

e2=0

Khu

ế

ch

đạ

i vi sai không cân b

ằ

ng

Ur

+Vc

Uv1

Uv2

Io

Ie1

Ie2

R1

R1

Ie1+Ie2=Io=h

ằ

ng s

ố

T1

T2

R2

R2

Đọ

c giá tr

ị

đ

i

ệ

n tr

ở

• Đen Tím

• Nâu Xám

• Đỏ Trắng

• Cam • Vàng • Xanh • Lơ (blue)

V

ạ

ch chu

ẩ

n

S

ố

th

ứ

nh

ấ

t (s

ố

)

S

ố

th

ứ

hai (s

ố

)

S

ố

th

ứ

ba (s

ố

ch

ữ

s

ố

0)

Sai s

ố

Ph

ả

n h

ồ

i áp dòng

Ch

ươ

ng 3-

KHU

Ế

CH

ĐẠ

I THU

Ậ

T TOÁN

- OA

Operational Amplifier

+Vc

-Vc

Vi

-Vi+

i

+

i-V

0

R

v

=

∞

;

R

r

= 0; i- = i+ = 0; K

h

=

∞

;

V

0

= K

h

∆V

i

IC –

I

ntegrated

C

ircuit

Đặ

c tính vo c

a OA

ã Khi Vi

+

>Vi

-

ẻ

Vo = +Vc (Vi

-

= 0)

ã Khi Vi

+

<Vi

-

ẻ

Vo = -Vc

(Vi

-

= 0)

• Do OA th

ự

c t

ế

khơng th

ể

có K

h

=

∞

mà ch

ỉ

10

4

-:-10

6

nên

t

ồ

n t

ạ

i

∆

Vi c

ỡ

vài mV

đượ

c khu

ế

ch

đạ

i tuy

ế

n tính

• Th

ự

c t

ế

ng

ườ

i ta không dùng vùng khu

ế

ch

đạ

i này

Vi

Vo

Vi+

Vi-∆

Vi

Các ch

ế

độ

làm vi

ệ

c c

ủ

a OA

A Ch

ế

độ

tuy

ế

n tính (khu

ế

ch

đạ

i): c

ầ

n có ph

ả

n h

ồ

i âm sâu

để

gi

ả

m h

ệ

s

ố

khu

ế

ch

đạ

i

N

ố

i m

ạ

ch ph

ả

n h

ồ

i

đầ

u v

ề

chân

đả

o

Ln có:

Vi

+

= Vi

-i

+

= i

-

= 0

B Ch

ế

độ

xung (

on – off

) (Khơng có ph

ả

n h

ồ

i)

Vi

+

> Vi-

Ỵ

Vo = +Vc

Vi

+

< Vi-

Ỵ

Vo = -Vc

C Ch

ế

độ

t

ự

dao

độ

ng:sóng sin, tam giác, r

ă

ng c

ư

a, ch

ữ

Các

ứ

ng d

ụ

ng tuy

ế

n tính c

ủ

a OA

Vi+ = Vi- = 0

M

ạ

ch khu

ế

ch

đạ

i

đả

o: Ur = -(R2/R1)U1

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R1

R2

U1

I1

Khu

ế

ch

đạ

i khơng

đả

o

• Vi+ = Vi- =U1

•

Đ

i

ệ

n áp ra: Ur = (1+R2/R1)U1

Vi

-Vi+

i

+

i-Ur

R1

R2

U1

I1

M

ạ

ch c

ộ

ng

đả

o

• Vi+ = Vi- = 0

• Ur = -(U1 + U2)

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

R

U1

U2

R

I1

M

ạ

ch c

ộ

ng không

đả

o

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

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

R

U1

U2

R

R

I1

M

ạ

ch tr

ừ

• Vi+ = Vi- = U2/2; Ur = U2 – U1

• U2 = Ur + U1

≡ α

2 +

α

1=

α

= 180 d

ộ

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

R

U1

U2

R

R

I1

I3

+5V

+5v

M

ạ

ch vi phân

đả

o

• Vi+ = Vi- = 0

• Ur = - RC(dU1/dt) = -T.dU1/dt

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

U1

C

I

M

ạ

ch tích phân

đả

o

• Vi+ = Vi- = 0

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

U1

C

∫

−

=

U

dt

RC

M

ạ

ch l

ặ

p

đ

i

ệ

n áp

• Ur = U1; dùng t

ạ

o tr

ở

kháng ngu

ồ

n th

ấ

p

Vi

-Vi+

i

+

i-Ur

R2

M

ạ

ch tích phân không

đả

o

Vi

-Vi+

i

+

i-Ur

R

U1

C

R

R

R

∫

=

U

dt

RC

Ur

2

1

I1

I2

M

ạ

ch

PI

(

P

oprotional

I

ntegrated)

• T

ỉ

l

ệ

Tích phân

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R1

U1

C

R2

I1

I2

∫

−

−

=

U

dt

CR

U

R

R

U

r

1

1

1

1

M

ạ

ch PID –

P

oprotional

I

ntegrated

D

erivative

• T

ỉ

l

ệ

Tích phân Vi phân

Vi

-Vi+ i

+

Quan h

ệ

I U ti

ế

p giáp p-n

trong vùng

đ

i

ệ

n áp th

ấ

p dòng nh

ỏ

• Trong Diode: I

A

= k.e

Uak

• U

ak

= lnI

A

• Trong Tranzitor I

c

= k.e

Uce

• U

ce

= lnI

c

=1

M

ạ

ch l

ấ

y logarit

Ia = I1 = U1/R

Ỉ

-Ur = Uak = ln(U1/R)

V

ậ

y

đ

i

ệ

n áp t

ỉ

l

ệ

v

ớ

i logarit

đ

i

ệ

n áp vào.

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

U1

I1

M

ạ

ch l

ấ

y logarit b

ằ

ng BJT

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

M

ạ

ch l

ấ

y hàm m

ũ

Ia = I = -Ur/R = ke

Uak

Ur = -kR.e

U1

V

ậ

y

đ

i

ệ

n áp t

ỉ

l

ệ

v

ớ

i hàm m

ũ

e c

ủ

a

đ

i

ệ

n áp vào

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

U1

Ia

M

ạ

ch t

ạ

o tín hi

ệ

u hàm m

ũ

b

ằ

ng BJT

Vi

-Vi+ i

+

i-Ur

R

M

ạ

ch nhân hai

đ

i

ệ

n áp

• Ur = U1xU2

• lnUr = ln(U1.U2) = lnU1 + lnU2

• Ur = e

(lnU1 + lnU2)

ln

ln

c

ộ

ng

l

ấ

y hàm

m

ũ

Ur

U1

M

ạ

ch nhân dùng OA

U

2

U

1

M

ạ

ch chia hai

đ

i

ệ

n áp

• Ur = U1/U2

• lnUr = ln(U1/U2) = lnU1 - lnU2

• Ur = e

(lnU1 - lnU2)

ln

ln

tr

ừ

l

ấ

y hàm

m

ũ

Ur

U1

M

ạ

ch chia hai

đ

i

ệ

n áp

U

2

U

1

M

ạ

ch khai c

ă

n b

ậ

c hai

ln 1 1

ln

2

1

ln

r r U

r

e

U

U

U

U

U

U

=

==>

=

==>

=

=

M

ạ

ch khai c

ă

n b

ậ

c hai

U

v

• Ngu

ồ

n áp: r

n

= ho

ặ

c r

n

<< Rt

Vi

-Vi+

i

+

i-Ur

R2

Ứ

ng d

ụ

ng OA ch

ế

độ

so sánh

• Mạch so sánh ngưỡng

V

0

U

1

U

2

220v

+Vc

-Vc

Vi

Công d

ụ

ng m

ạ

ch so sánh m

ộ

t ng

ưỡ

ng

• 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

M

ạ

ch so sánh ng

ưỡ

ng đố

i x

ứ

ng

• Thường dùng mạch tạo xung Trige dao động đa hài

V

0

U

1

R

1

R

2

V

i

Vo

-Vc

+Vc

-V

i+

+V

i+

M

ạ

ch so sánh ng

ưỡ

ng khơng

đố

i x

ứ

ng

• V

0

= V

01

AND V

o2

V

0

U

1

U

2

V

o1

Đồ

th

ị

m

ạ

ch so sánh hai ng

ưỡ

ng không

đố

i x

ứ

ng

V

i

Vo

-Vc

+Vc

Ch

ế

độ

dao

độ

ng c

ủ

a OA

V

0

U

1

R

1

Bi

ể

u

đồ

th

ờ

i gian dao

độ

ng c

ủ

a OA

0,5V

c

+

0,5V

c

-Vo

Ngu

ồ

n cung c

ấ

p m

ộ

t chi

ề

u

• 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

Ngu

ồ

n

cung c

ấ

p

Ngu

ồ

n pin

Ngu

ồ

n acqui

Ch

ỉ

nh l

ư

u xoay chi

ề

u dùng Diode