Giáo trình kỹ thuật điện tử và tin học

[r]

Giáo trình:

Kỹ thuật điện tử

và Tin học

Chương 1

MỞ ĐẦU

Kỹ thuật điện tử tin học ngành mũi nhọn phát triển Trong khoảng thời gian tương đối ngắn (so với ngành khoa học khác), từ đời tranzito (1948), có tiến nhảy vọt, mang lại nhiều thay đối lớn sâu sắc hầu hết lĩnh vực đời sống, dần trở thành công cụ

quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà điểm trung tâm tự động hóa phần hồn tồn, tin học hố, phương pháp cơng nghệ vật liệu mới)

Để bước đầu làm quen với vấn đề ngành mang ý nghĩa

đại cương, chương mởđầu sẽđề cập tới khái niệm sở nhập môn giới thiệu cấu trúc hệ thống điện tửđiển hình

1.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN

1.1.1 Điện áp dịng điện

Có hai khái niệm định lượng mạch điện Chúng cho phép xác

định trạng thái điện điểm, phận khác vào thời điểm khác mạch điện chúng gọi thông số trạng thái

bản mạch điện

Khái niệm điện áp được rút từ khái niệm điện vật lý, hiệu sốđiện hai điểm khác mạch điện Thường điểm mạch

được chọn làm điểm gốc có điện (điểm nối đất) Khi đó, điện

điểm khác mạch có giá trị âm hay dương mang so sánh với điểm gốc

được hiểu điện áp điểm tương ứng Tổng quát hơn, điện áp hai điểm A B mạch (ký hiệu UAB)xác định bởi:

UAB = VA - VB = -UBA

Với VA VB điện A B so với gốc (điểm nói đất hay cịn gọi nối mát)

Khái niệm dòng điện là biểu trạng thái chuyển động hạt mang điện vật chất tác động trường hay tồn gradien nồng độ hạt theo khơng gian Dịng điện mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương thấp ngược với chiều chuyển động điện tử

Từ khái niệm nêu trên, cần rút mấy nhận xét quan trọng sau:

a) Điện áp đo hai điểm khác mạch dòng điện

được xác định điểm mạch

b) Để bảo tồn điện tích, tổng giá trị dòng điện vào điểm mạch ln tổng giá trị dịng điện khỏi điểm (quy tắc nút với dịng điện). Từ đósuy ra, đoạn mạch gồm phần tử nối tiếp dịng điện

c) Điện áp hai điểm A B khác mạch đo theo nhánh

có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh 1.1.4) nối A B giống UAB Nghĩa điện áp đầu nhiều phần tử hay nhiều nhánh nối song song với nhau (Quy tắc vịng đốivới điện áp)

1.1.2 Tính chất điện của một phần tử

(Ghi chú: khái niệm phần tử ở đây tổng quát, đại diện cho yếu tố cấu thành mạch điện hay tập hợp nhiều yếu tố tạo nên phận mạch điện Thông thường, phần tử linh kiện mạch)

Định nghĩa: Tính chất điện của phần tử mạch điện thể

hiện qua mối quan hệ tương hỗ điện áp U trên hai đầu và dịng điện I

chạy qua định nghĩa điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) phần tử Nghĩa khái niệm điện trở gắn liền với q trình biến đổi điện áp thành dịng điện ngược lại từ dòng điện thành điện áp

a) Nếu mối quan hệ tỉ lệ thuận, ta có định luật ơm:

U = R.I (1-1)

Ởđây, R số tỷ lệđược gọi điện trở phần tử phần tử tương

ứng gọi điện trở

Hình 1.1 Các dạng điện trở, biến trở

b) Nếu điện áp phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian dịng điện nó, tức :

dt dI L

Hình 1.3 Cuộn cảm, biến áp mạch điện tử

c) Nếu dòng điện phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian điện áp nó, tức là:

dt dU C

I= (ởđây C số tỷ lệ) (1-3) ta có phần tử tụ điện có giá trịđiện dung C

d) Ngoài quan hệ nêu trên, thực tế tồn nhiều quan hệ tương hỗđa dạng phức tạp điện áp dòng điện phần tử Các phần tử gọi chung phần tử khơng tuyến tính có nhiều tính chất đặc biệt Điện trở chúng gọi chung điện trở phi tuyến, điển hình đốt, tranzito, thiristo đề cập tới phần tiếp sau

Các tính chất quan trọng phần tử tuyến tính là:

a) Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể qua quan hệ U(I)) đường thẳng

b) Tuân theo nguyên lý chồng chất Tác động tổng cộng tổng tác động riêng lẻ lên

Đáp ứng tổng cộng (kết chung) tổng kết thành phần tác động thành phần gây

c) Không phát sinh thành phần tần số lạ làm việc với tín hiệu xoay chiều (khơng gây méo phi tuyến)

Hình 1.2 Tụđiện thực tế

a) Đặc tuyến VA đường cong (điện trở thay đổi theo điểm làm việc) b) Không áp dụng nguyên lý chồng chất

c) Luôn phát sinh thêm tần số lạ ởđầu có tín hiệu xoay chiều tác động đầu vào

Ứng dụng - Các phần tử tuyến tính (R, L, C), có số ứng dụng quan trọng sau: a) Điện trở thông số đặc trưng cho tượng tiêu hao lượng (chủ yếu dạng nhiệt) thông số khơng qn tính Mức tiêu hao lượng

điện trởđược đánh giá cơng suất nó, xác định bởi:

P = U.I = I2R = U2/R ( 1-4)

vào tần số (vào tốc độ biến đổi điện áp hay dòng điện tính đơn vị thời gian) Với tụđiện, từ hệ thức (1-3), dung kháng giảm tăng tần số ngược lại với cuộn dây, từ (1-2) cảm kháng tăng theo tần số

b) Giá trị điện trở tổng cộng nhiều điện trở nối tiếp lớn có tính chất cộng tuyến tính Điện dẫn (là giá trị nghịch đảo điện trở) nhiều điện trở nối song song lớn điện dẫn riêng rẽ có tính chất cộng tuyến tính

Hệ là:

- Có thể thực việc chia nhỏ điện áp (hay dòng điện) hay gọi thực việc dịch mức điện (hay mức đòng điện) điểm khác mạch cách nối nối tiếp (hay song song) điện trở

- Trong cách nối nối tiếp, điện trở lớn định giá trị chung dãy Ngược lại, cách nối song song, điện trở nhỏ có vai trị định Việc nối nối tiếp {hay song song) cuộn dây dẫn tới kết tương tự điện trở: làm tăng (hay giảm) trị sốđiện cảm chung Đối với tụ điện, nối song song chúng, điện dung tổng cộng tăng:

Css = C1 + C2 + … Cn (1-5) nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm:

1/Cnt = 1/C1+ 1/C2 +…+ 1/Cn (1-6) c) Nếu nối nối tiếp hay song song R với L C nhận kết cấu mạch có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tần số gọi mạch lọc tần số)

d) Nếu nối nối tiếp hay song song L với C dẫn tới kết cấu mạch vừa có tính chất chọn lọc tần số, vừa có khả thực trình trao đổi qua lại hai dạng lượng điện - từ trường, tức kết cấu có khả phát sinh dao động điện áp hay dòng điện ban đầu nguồn lượng kích thích, (vấn đề

này gặp mục 2.4)

1.1.3 Nguồn điện áp nguồn dòng điện

a) Nếu phần tử tự hay chịu tác động khơng có chất điện từ,có khả

năng tạo điện áp hay dịng điện điểm mạch điện gọi nguồn sức điện động (s.đ.đ) Hai thông sốđặc trưng cho nguồn s.đ.đ : - Giá trị điện áp hai đầu lúc hở mạch (khi khơng nối với phần tử khác từ ngồi đến hai đầu nó) gọi điện áp lúc hở mạch nguồn kí hiệu Uhm - Giá trị dòng điện nguồn đưa mạch lúc mạch dẫn điện hoàn toàn: gọi giá trị dòng điện ngắn mạch nguồn kí hiệu Ingm

b) Trên thực tế, với tải có giá trị khác nhau, điện áp hai đầu nguồn hay dòng điện cung cấp có giá trị khác phụ thuộc vào tải Điều chứng tỏ

bên nguồn có xảy q trình biến đổi dịng điện cung cấp thành giảm áp nó, nghĩa tồn giá trị điện trở bên gọi điện trở trongcủa nguồn kí hiệu Rng

ngm hm ng I

U =

R (1-7)

Nếu gọi U I giá trị điện áp dòng điện nguồn cung cấp có tải hữu hạn

0 < Rt< ∞ thì:

I U U

R hm

ng

-= (1-8) Từ (l-7) (l-8) suy ra:

I R

U I

ng

ngm= + (1-9)

Từ hệ thức trên, ta có nhận xét sau:

1 Nếu Rng→ từ hệ thức (1-8) ta có U → Uhm nguồn s.đ.đ nguồn

điện áp lý tưởng Nói cách khác nguồn điện áp gần lí tưởng điện trở

trong Rng có giá trị nhỏ

2 Nếu Rng → ∞, từ hệ thức (1-9) ta có I → Ingm nguồn sđđ có dạng nguồn dịng điện lí tưởng hay nguồn dịng điện gần lí tưởng Rng lớn

3 Một nguồn s.đ.đ thực tế coi nguồn điện áp hay nguồn dòng

điện tùy theo chất cấu tạo để giá trị Rng nhỏ hay lớn Việc đánh giá Rng tùy thuộc tương quan với giá trị điện trở toàn phần mạch tải nối tới hai

đầu nguồn xuất phát từ hệ thức (1-8) (l-9) có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn (sđđ) thực tế hình 1.1 a b

Hình 1.4 a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện

1.1.4 Biểu diễn mạch điện bằng kí hiệu hình vẽ (sơđồ)

Có nhiều cách biểu diễn mạch điện tử, đơn giản thuận lợi cách biểu diễn sơđồ gồm tập hợp kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương

đương phần tử nối với theo cách (nối tiếp, song song, hỗn hợp nối tiếp song song hay phối ghép thích hợp) nhờ đường nối có điện trở

bằng Khi biểu diễn vậy, xuất vài yếu tố hình học cần làm rõ khái niệm là:

· Nhánh (của sơ đồ mạch) phận sơ đồ, bao gồm phần tử nối nối tiếp nhau, qua có dịng điện

· Nút là điểm mạch chung cho từ ba nhánh trở lên

· Vòng là phần mạch bao gồm số nút nhánh lập thành đường kín mà dọc theo nhánh nút phải gặp lần (trừ nút chọn làm

điểm xuất phát)

· Cây là phần mạch bao gồm toàn số nút nhánh nối nút khơng tạo nên vịng kín Các nhánh gọi nhánh cây,

các nhánh lại mạch không thuộc gọi bùcây

Các yếu tố nêu sử dụng đặc biệt thuận lợi cần phân tích tính tốn mạch sơđồ

Người ta biểu diễn mạch gọn sơđồ gồm nhiều khối có

đường liên hệ với Mỗi khối bao gồm nhóm phần tử liên kết với để

cùng thực nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể rõ (nhưng không cụ thể

1.2 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU

Tin tức tín hiệu hai khái niệm kĩ thuật điện tử tin học, đối tượng mà hệ thống mạch điện tử có chức cơng cụ vật chất kĩ thuật nhằm tạo ra, gia cơng xử lí hay nói chung nhằm chuyển đổi dạng lượng

để giải mục tiêu kĩ thuật định

1.2.2 Tin tức được hiểu nội dung chứa đựng bên kiện, biến cố

hay trình (gọi nguồn tin) Trong hoạt động đa dạng người,

đã từ lâu hình thành nhu cấu trao đồi tin tức theo hai chiêu: không gian biến cố xảy nơi A cần nhanh chóng biết nơi ngồi A thời gian: biến cố xảy vào lúc to cần lưu giữ lại để biết vào lúc to + T với khả T

"∞, nhu cầu thỏa mãn phát triển nhiều hình thức phương tiện vật phù hợp với trình độ phát triển xã hội (kí hiệu, tiếng nói, chữ

viết hay phương tiện tải tin khác nhau) Gần đây, phát triển tiến

nhanh chóng kĩ thuật điện tử, nhu cầu ngày thỏa mãn sâu sắc điều kiện bùng nổ thông tin xã hội đại

Tính chất quan trọng tin tức mang ý nghĩa xác suất thống kê, thể

hiện mặt sau:

a) Nội dung chứa kiện có ý nghĩa lớn (ta nói kiện có lượng tin tức cao) xảy bầt ngờ, càng chờ đợi Nghĩa lượng tin có độ

lớn tỉ lệ với độ bất ngờ hay tỉ lệ ngược với xác suất xuất kiện

dùng xác suất mức đo lượng tin tức

b) Mặc đù nhận "nội dung" kiện đó, hầu hết trường hợp, người ta khẳng đinh tính chắn, xác thực với độ

tin cậy Mức độ chắn cao nội dung lặp lại (về

bản) nhiều lần, nghĩa tin tức cịn có tính chất trung bình thống kê phụ thuộc vào mức độ hỗn loạn nguồn tin, môi trường (kênh) truyền tin vào nơi nhận tin, vào tất khả gây sai lầm hệ thống thơng tin Người ta

dùng Entropy để đánh giá lượng tin thông qua giá trị entropy riêng rẽ nguồn tin, kênh truyền tin nơi nhận tin

c) Tin tức không tự nhiên sinh mà biểu q trình chuyền hóa lượng hay q trình trao đổi lượng hai dạng vật chất trường Phần lớn q trình mang tính ngẫu nhiên tuân theo quy luật phân bố lí thuyết xác suất thống kê Tuy nhiên thấy rằng, hệ thống có lượng ổn định, mức độ trật tự cao khó thu thập tin tức từ ngược lại

Cơ sở toán học đểđánh giá định lượng nhận xét trình bày giáo trình chuyên ngành lí thuyết thơng tin

· Có thể coi tín hiệu nói chung (dù dạng nào) đại lượng vật lý biến thiên theo thời gian biểu diễn dạng hàm số hay đồ thị theo thời gian thích hợp

· Nếu biểu thức theo thời gian tín hiệu s(t) thỏa mãn điều kiện: s(t) = s(t + T) (1- 10)

Với t ởđây T số s(t) gọi tín hiệu tuần hoàn theo thời gian Giá trị nhỏ tập {T} thỏa mãn (1-10) gọi chu kỳ s(t) Nếu không tồn giá trị hữu hạn T thỏa mãn (1-10) ta có s(t) tín hiệu khơng tuần hồn

Dao động hình sin (h.1.2) dạng đặc trưng tín hiệu tuần hồn, có biểu thức dạng

s(t) = Acos(ωt-φ) (1-11)

Hình 1.5 Tín hiệu hình sin tham số

trong (1-11) A, ω, φ số gọi biên độ, tần số góc góc pha ban đầu s(t), có mối liên hệ giữa ω , T f sau :

ω=

T f ; T

2π = (1-12)

· Cũng chia tín hiệu theo cách khác thành hai dạng biến thiên liên tục theo thời gian (tín hiệu tương tự - analog) hay biến thiên không liên tục theo thời gian (tín hiệu xung số - digital) Theo đó, có hai dạng mạch điện tử làm việc (gia cơng xử lí) với loại

Các dạng tín hiệu vừa nêu trên, có biếu thức s(t) hay đồ thị biểu diễn xác định,

Hình 1.6 Các dạng xung thường gặp

1.2.4 Các tính chất của tín hiệu theo cách biểu diễn thời gian τ

a) Độ dài trị trung bình tín hiệu

Độ dài tín hiệu khoảng thời gian tồn (từ lúc bắt đầu xuất đến lúc đi) Độ dài mang ý nghĩa khoảng thời gian mắc bận với tín hiệu mạch hay hệ thống điện tử Nếu thiệu s(t) xuất lúc to có độ dài t giá trị trung bình s(t), ký hiệu s(t) xác định bởi:

∫to+τ

tos(t)dt τ

1 =

s(t) (1-13)

b) Năng lượng, công suất trị hiệu dụng:

Năng lượng Es tín hiệu s(t) xác định

Es= ò

+t

to to S

2(t)dt = ị¥

¥ - S

2(t)dt (1-14)

Công suất trung bình s(t) thời gian tồn định nghĩa bởi: = ò +t

t to

to s(t)dt

1

s(t) =

τ

Es

Shd= τ E = (t) S = (t)dt s τ

1t +τ 2 s

t o

o

∫ (1-16)

c) Dải động tín hiệu tỷ số giá trị lớn nhỏ công suất tức thời tín hiệu Nếu tính theo đơn vị logarit (dexibel), dải động định nghĩa :

DdB = 10lg

mins(t) maxs(t) 20lg = (t)} min{s (t)} max{s 2 (1-17) thông số đặc trưng cho khoảng cường độ hay khoảng độ lớn tín hiệu tác

động lên mạch hệ thống điện tử

d)Thành phần chiều xoay chiều của tín hiiệu:

Một tín hiệu s(t) ln phân tích thành hai thành phần chiều xoay chiều cho:

s(t) = s~+ s= (1-18) với s~ thành phần biến thiên theo thời gian s(t) có giá trị trung bình theo thời gian s= thành phần cốđịnh theo thời gian (thành phần chiều)

Theo hệ thức(1-13) van (1-18) có : τ = s =

s(t) = ò

+t o

o t

t

s(t)dt (1-19) lúc : s- = s(t) - s(t)

và s~=s(t) s(t)=0 (1-20)

e) Các thành phần chẵn lẻ của tín hiệu

Một tín hiệu s(t) ln phân tích cách khác thành hai thành phần chẵn lẻ xác định sau

sch(t) = Sch(-t) =

2

1 [ s(t) + s(-t) (1-21)

slẻ(t) = -slẻ(-t) =

2

[ s(t) - s(-t)] từ suy ra:

sch(t)=s(t);sle =0 (1-22)

f) Thành phầnthực ảo tín hiệu hay biểu diễn phức tín hiệu Một tín hiệu s(t) biểu diễn tổng quát dạng số phức :

s(t)=Res(t)-jIms(t) (1-23)

Ởđây Res(t) phần thực Ims(t) phần ảo s(t)là: Theo định nghĩa, lượng liên hợp phức s(t)là:

s*(t)=Res(t)-jIms(t) (1-24) Khi thành phần thực ảo s(t) theo (l-23) (l-24) xác định bởi:

Re [s(t) s (t)

1

s(t)= + *

Im [s(t) s (t)]

1

s(t)= - * (1-25)

1.3 CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH

Hệ thống điện tử tập hợp thiết bị điện tử nhằm thực nhiệm vụ kỹ thuật định gia công xử lý tin tức, truyền thông tin liệu, đo lường thông sốđiều khiển tự chỉnh

Về cấu trúc hệ thống điện tử có hai dạng bản: dang hệ kín, thơng tin gia công xử lý theo hai chiều nhằm đạt tới điều kiện tối ưu định trước hay hệ hở thơng tin truyền theo hướng từ nguồn tin tới nơi nhận tin

1.3.2 Hệ thống thông tin thu - phát

Có nhiệm vụ truyền tin tức liệu theo không gian (trên khoảng cách

định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin 1.Cấu trúc sơđồ khối:

2 Các đặc điểm chủ yếu a) Là dạng hệ thống hở

Hình 1.7 Sơđồ khối hệ thống thông tin dân dụng

Quá trình gắn tin tức cần gửi vào tải tin tần số cao cách bắt đao

động tải tin có thơng số biến thiên theo quy luật tin tức gọi quá trình điều

chếtại thiết bị phát Quá trình tách 'tin 'tức' khỏi tải tin để lấy lại nội dung tin tức tần số

thấp thiết bị thu gọi trình dải điều chế

c) Chất lượng hiệu đặc điểm hệ yếu tố quy định: Đặc

điểm thiết bị phát, đặc điểm thiết bị thu mơi trường thực q trình truyền tin (địa hình, thời tiết, nhiễu )

Ba yếu tố đảm bảo nâng cao chất lượng cách riêng rẽđể đạt hiệu thơng tin cao, nguồn tin điều kiện chủđộng, hai yếu tố lại yếu tố bịđộng

d) Các tiêu quan trọng hệ:

Dạng điều chế (AM, FM, analog, digita/), công suất xạ thiết bị phát, khoảng cách điều kiện môi trường truyền, độ nhạy độ chọn lọc thiết bị thu 1.3.3 Hệ đo lường điện tử

Hệ loại có nhiệm vụ thu thập tin tức liệu đối tượng hay q trình

đểđánh giá thông số trạng thái chúng Cấu trúc khối:

Hình 1.8 Hệ thống đo lường

b) Có hai phương pháp thực trình đo: phương pháp tiếp xúc (thiết bị đầu vào tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo nguồn tin) phương pháp không tiếp xúc

Bộ biến đổi đầu vào quan trọng nhất, có nhiệm vụ biến đổi thơng số đại lượng cần đo (thường dạng đại lượng vật lý) dạng tín hiệu điện tử có tham số tỷ lệ với đại lượng cần đo (Ví dụ: áp suất biến đổi thành điện áp, nhiệt độ độ ẩm hay vận tốc biến đổi thành điện áp dòng điện )

c) Sự can thiệp thiết bị đo vào đối tượng đo dẫn tới hệ đối tượng đo khơng cịn đứng độc lập xảy q trình thông tin tự nhiên dẫn đến sai sốđo

d) Mọi cố gắng nhằm nâng cao độ xác phép đo làm tăng tính phức tạp; tăng chi phí kỹ thuật làm xuất nguyên nhân gây sai số làm giảm độ tin cậy phép đo

e) Về ngun tắc thực gia cơng tin tức đo liên tục theo thời gian (phương pháp analog) hay gia công rời rạc theo thời gian (phương pháp digital) Yếu tố quy định đặc điểm kỹ thuật cấu trúc Cụ thể phương pháp analog, đại lượng đo theo dõi liên tục theo thời gian phương pháp digital đại lượng đo

được lấy mẫu giá trịở thời điểm xác định so với mức cường độ chuẩn xác định Phương pháp digital cho phép tiết kiệm lượng, nâng cao độ xác khả phối ghép với thiết bị xử lý tin tựđộng

f) Có khả đo nhiều thơng số (nhiều kênh) hay đo xa nhờ kết hợp thiết bị đo với hệ thống thông tin truyền liệu, đo tự động nhờ chương trình vạch sẵn (đo

điều khiển µp) 1.3.4 Hệ tựđiều chỉnh

Hệ có nhiệm vụ theo dõi khống chế vài thơng số q trình cho thơng số phải có giá trị nằm giới hạn định trước (hoặc giới hạn này) tức có nhiệm vụổn định thơng số (tựđộng) trị số hay dải trị

số cho trước Sơđồ cấu trúc

2 Các đặc điểm chủ yếu

a) Là hệ dạng cấu trúc kín: thơng tin truyền theo hai hướng nhờ mạch phản hồi b) Thông số cần đo khống chế theo dõi liên tục trì mức giới hạn định sẵn

Hình 1.9 Hệ tựđộng điều chỉnh

· Khi ΔU = 0, ta có Tx = Tch (Ux = Uch) đối tượng trạng thái mong muốn, nhánh thông tin ngược không hoạt động

· Khi ΔU > (Ux > Uch) Tx > Tch hệđiều chỉnh làm giảm Tx

· Khi ΔU < Tx < Tch hệđiều chỉnh làm tăng Tx trình điều chỉnh Tx ngừng ΔU =

c) Độ mịn (chính xác) điều chỉnh phụ thuộc vào:

· Độ xác q trình biến đổi từ Tch thành Uch

· Độ phân dải phần tử so sánh (độ nhỏ ΔU)

· Độ xác trình biến đổi Tx thành Ux

· Tính chất qn tính hệ

d) Có thề điêu chỉnh liên tục theo thời gian (analog) hay gián đoạn theo thời gian đạt giá trị trung bình mong đợi

Phương pháp digital cho phép, tiết kiệm lượng hệ ghép nối với hệ

thống tựđộng tính tốn

e) Chú ý rằng, thông thường chọn ngưỡng Uch ta nhận kết hệ điêu khiển có hành động hay không tùy theo Uxđang lớn hay nhỏ Uch (và tham số vật lý cần theo dõi lớn hay nhỏ giá trị ngưỡng định sẵn từ trước) Khi chọn hai mức ngưỡng Uchl vă Uch2 hệ hành động Ux nằm lọt vào khoảng hai giá trị ngưỡng ngược lại, điều mang ý nghĩa thực tế hệ tự động điều chỉnh Trường hợp với mức ngưỡng, hệ

Chương 2

KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ

2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N

2.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất chất bán dẫn tạp chất a - Cấu trúc vùng lượng chất rắn tinh thể

Ta biết cấu trúc lượng nguyên tử đứng lập có dạng mức rời rạc Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức bị suy biến thành dải gốm nhiều mức sát gọi vùng lượng Đây dạng cấu trúc lượng điển hình vật rắn tinh thể

Tùy theo tình trạng mức lượng vùng có bịđiện tử chiếm chỗ

hay không, người ta phân biệt loại vùng lượng khác nhau:

- Vùng hóa trị (hay cịn gọi vùng đầy), tất mức lượng bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) lượng tự

- Vùng dẫn (vùng trống), mức lượng bỏ trống hay bị

chiếm chỗ phần

- Vùng cấm, khơng tồn mức lượng đểđiện tử chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt

Tùy theo vị trí tương đổi loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện mình, chất rắn cấu trúc tinh thể chia thành loại (xét 00K) thể hình 2.1

Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng lượng

al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện < Eg £ 2eV; c) Chất dẫn điện

Chúng ta đẫ biết, muốn tạo dòng điện vật rắn cần hai trình đồng thời: trình tạo hạt dẫn tự nhờ kích thích lượng q trình chuyển

động có hướng hạt dẫn điện tác dụng trường Dưới ta xét tới cách dẫn điện chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác chủ yếu liên quan tới trình sinh (tạo) hạt dẫn tự mạng tinh thể

Vùng dẫn

Vùng hóa trị Vùng hóa trị

Vùng dẫn

Vùng hóa trị

Vùng dẫn

Vùng cấm Eg < Eg £2eV

a)

Vùng cấm Eg

b- Chất bán dẫn

Hai chất bán dẫn điển hình Gemanium (Ge) Silicium (Si) có cấu trúc vùng lượng dạng hình 2.1b với Eg = 0,72eV Eg = 1,12eV, thuộc nhóm bốn bảng tuần hồn Mendeleep Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) chúng có dạng hình 2.2a với chất liên kết ghép đơi điện tử hóa trị vành Ở0K chúng chất cách điện Khi nguồn lượng ngồi kích thích, xảy tượng ion hóa nguyên tử nút mạng sinh cặp hạt dẫn tự do: điện tử

bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Trên đố thị vùng lượng hình 2.2b, điều tương ứng với chuyển điện tử từ

1 mức lượng vùng hóa trị lên mức vùng dẫn để lại mức tự (trống) vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự này, tác dụng trường hay Gradien nồng độ có khả dịch chuyển có hướng lịng tinh thể

tạo nên dịng điện chất bán dẫn

Kết là:

1) Muốn tạo hạt dẫn tự chất bán dẫn cần có lượng kích thích

đủ lớn Ekt³ Eg

2) Dòng điện chất bán dẫn gồm hai thành phần tương đương qúa trình phát sinh cặp hạt dẫn tạo (ni = Pi)

c - Chất bán dẫn tạp chất loại n

Người ta tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ công nghệ đặc biệt, với nồng độ

khoảng 1010đến 1018 nguyên tử/cm3 Khi nguyên tử tạp chất thừa điện tử

vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dạng bị ion hóa nhờ nguồn lượng yếu tạo nên cặp ion dương tạp chất – điện tử tự Ngoài ra, tượng phát sinh hạt dẫn giống chế chất bán dẫn xẩy với mức độ

yếu Trên đồ thị vùng lượng, mức lượng tạp chất loại (gọi tạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên vùng cấm, nằm sát đáy vùng dẫn ( khoảng cách vài % eV)

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

+

Vïng dÉn ni

pi

Vùng hoá trị

1,12eV

a) b)

Kết mạng tinh thể tồn nhiều ion dương tạp chất bất động dòng điện chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không tạo ra: điện tử gọi loại hạt dẫn đa số có nồng độ nn, lỗ trống - loại thiểu số có nồng độ Pn (chênh nhiều cấp: nn >>pn)

d - Chất bán dân tạp chất loại p

Nếu tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm bảng tuần hồn Mendeleep vào tinh thể chất bán dẫn ta chất bán dẫn tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu nguyên tử tạp chất thiếu điện tử vành nên nên liên kết hóa trị (ghép đơi) bị

khuyết, ta gọi lỗ trống liên kết, có khả nhận điện tử, nguyên tử tạp chất bị ion hóa sinh đồng thời cặp : ion âm tạp chất - lỗ trống tự Mức lượng tạp chất loại p nằm vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị (Hình 2.3b) cho phép giải thích cách sinh hạt dẫn chất bán dẫn loại Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tồn nhiêu ion âm tạp chất có tính chất định xứ vùng dòng điện chật bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương đương nhau: lỗ

trống gọi hạt dẫn đa số, điện tử hạt thiểu số, với nồng độ tương ứng pp np (pp >>np)

e- Vài tượng vật lí thường gặp

Cách sinh hạt dẫn tạo thành dòng điện chất bán dẫn thường liên quan trực tiếp tới tượng vật lí sau:

Hiện tượng ion hóa nguyên tử (của chất tạp chất) tượng gắn liền với trình lượng hạt Rõ ràng số hạt sinh số mức lượng bị

chiếm vùng dẫn hay số mức bị trống vùng hóa trị Kết vật lý thống kê lượng tử cho phép tính nồng độ hạt dựa vào hàm thống kê Fermi – Dirac:

ò = max

C E

E

N(E)F(E)dE

n = òV

min E

E

N(E)F(E)dE

p (2-1)

với n,p nòng độđiện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị

Vïng dÉn

Vïng hoá trị

Mức tạp chất loại n

a)

Vïng dÉn

Vïng ho¸ trị

Mức tạp chất loại p - -

b)

Ec mức lượng đáy vùng dẫn, Ev mức lượng đỉnh vùng hóa trị, Emax trạng thái lượng cao có điện tử, Emin trạng thái lượng thấp lỗ trống, N(E) hàm mật đôn trạng thái theo lượng, F(E) hàm phân bố thống kê hạt theo lượng Theo người ta xác định được:

) KT E E exp( N

n c F

c -= ) KT E E exp( N

p F V

V

-= (2-2)

với Nc, Nv mật độ trạng thái hiệu dụng vùng tương ứng EF mức hóa học (mức Fermi)

Kết phân tích cho phép có cát kết luận chủ yếu sau:

· Ở trạng thái bằng, tích số nồng độ hai loại hạt dẫn số (trong chất bán dẫn loại nào)

nn Pn = Ppnp = ni pi = ni2= NCNVexp( - Eg/KT ) = const (2-3)

nghĩa việc tăng nồng độ loại hạt kèm theo việc giảm nồng độ tương ứng loại hạt

Trong chất bán dẫn loại n có nn > > ni >>pp số điện tử tự số lượng ion dương tạp chất: nn = ND+ Tương tự, chất bán dẫn loại p có pp >> ni >> np) số lỗ trống số lượng ion âm tạp chất: pp = NA-

- Hiện tượng tái hợp các hạt dẫn

Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân nhiệt động học hệ hạt (n.p¹ni2).Khi người ta thường quan tâm tới số gia tăng nồng độ hạt thiểu số chúng có vai trị định tới nhiều chế phát sinh dòng điện dụng cụ bán dẫn Hiện tượng tái hợp hạt dẫn trình ngược lại, liên quan tới chuyển dời điện tử từ mức lượng cao vùng dẫn mức thấp vùng hóa trị Hiện tượng tái hợp làm đồng thời cặp hạt dẫn đưa hệ hạt

lại trạng thái cân

Khi đó, chất bán dẫn loại n, tái hợp lỗ trống với điện tử điều kiện nồng độđiện tử cao:

÷ ÷ ứ ỗ ỗ ố ổ -= p t Δp(0)exp

Δp(t) (2-4)

Ởđây: Dp(t) mức giảm lỗ trống theo thời gian

Dp(0) số lượng lỗ trống lúc t = (có sau trình sinh hạt)

Dn(t) = Dn(o)exp(-t/tp ) (2-5)

Các thông sốtp tn định tới tính chất tần số (tác động nhanh) dụng cụ bán dẫn Dưới tác dụng điện trường, hạt dẫn tự chuyển động định hướng có gia tốc tạo nên dịng điện (gọi dịng trơi) với vận tốc trung bình tỉ /ệ với cường độ E trường:

vtb =mE Suy vtbn = - nmnE (2-6)

vtbp = mpE

Trong mp, mn hệ số tỉ lệ gọi độ linh động hạt dẫn tương ứng (với chất bán dẫn tạp chất chế tạo từ Ge có ,mn = 3800 cm2 / V.s ; mp = 1800 cm2/V.s, từ Si có mn = 1300 cm2/V.s ; mp = 500cm2/V.s)

Từđó, mật động trôi gồm hai thành phần:

Itrôin = - q n vtbn (2=7)

với q điện tích hạt Itrơip = q p vtbp

hay dịng trơi tồn phần Itrơi = Itrơin + Itrôip

Itrôi = qE(mnn + mpp) (2-8)

- Chuyển động khuếch tán hạt dẫn

Do có chênh lệch vế nồng độ theo không gian, hạt dẫn thực chuyển

động khuếch tán từ lớp có nồng độ cao tới lớp có nồng độ thấp Mật độ dịng khuếch tán theo phương giảm nồng độ có dạng:

Iktn = q Dn ( - dn/dx ) = q Dn dn/dx (2-9)

Iktp = q Dp ( - dp/dx ) = - q Dp dp/dx (2-10)

với Dn Dp hệ số tỉ lệ gọi hệ số khuếch tán hạt tương ứng Người ta chứng minh tính chất sau:

D = mKT/q = UT m (hệ thức Einstein)

Trong UT nhiệt (UT» 25mv nhiệt phịng T = 296oK)

Dntn = Ln2 ; Dptp = Lp2

2.1.2 Mặt ghép p-n tính chỉnh lưu của đốt bán dẫn

a – Mặt ghép p-n chưa có điện áp ngồi

Khi cho hai đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại n loại p tiếp công nghệ với nhau, hlện tượng vật lí xảy nơi tiếp xúc sở cho hầu hết dụng cụ bán dẫn

điện đại

Hình 2.4 biểu diễn mơ hình lí tưởng hóa mặt ghép p-n chưa có điện áp đặt vào Với giả thiết nhiệt độ phòng, nguyên tử tạp chất bị ion hóa hồn tồn (nn = N+D; pp = N -A) Các tượng xảy nơi tiếp xúc mơ tả tóm tắt sau:

Do có chênh lệch lớn nồng độ (nn >>np pp >>pn) vùng tiếp xúc có tượng khuếch tán hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tạivùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với vùng cịn lại), đồng thời xuất điện trường nội hướng từ

vùng N (lớp ion dương ND) sang vùng P (lớp ion âm NA ) gọi điện trường tiếp xúc Etx

Người ta nói xuất hàng rào điện hay hiệu tiếp xúc Utx Bề dầy lớp nghèo l(0) phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, NA = ND) l(0) đối xứng qua mặt tiếp xúc : lon = lop; thường NA >>ND nên lon >>lop phần chủ yếu nằm bên loại bán dẫn pha tạp chất (có điện trở suất cao hơn) điện trường Etx cản trở chuyển động đòng khuếch tán gây chuyển động gia tốc (trôi) hạt thiểu số qua miền tiếp xúc, có chiều ngược lại với dịng khuếch tán Q trình tiếp diễn dẫn

p n

p - Å n

Ikt

Itr

Etx

utx

Anèt K tèt

tới trạng thái cân động: Ikt = Itr khơng có dịng điện qua tiếp xúc p-n Hiệu tiếp xúc có giá trị xác lập, xác nh bi

ữ ữ ứ ỗ ỗ ố ổ = ữữ ứ ỗỗ ố ổ = p n n p tx n n ln q KT p p ln q KT

U (2-11)

Với điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ phòng, Utx có giá trị khoảng 0,3V với tiếp xúc p-n làm từ Ge 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ hạt dẫn loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K)

b – Mặt ghép p-n có điện trường ngồi

Trạng thái cân động nêu bị phá vỡ đặt tới tiếp xúc p-n điện trường ngồi Có hai trường hợp xảy (h 2.5a b)

Khi điện trườngnguài (Eng) ngược chiều với Etx (tức có cực tính dương đặt vào p, âm đặt vào n) Eng chủ yếu đặt lên vùng nghèo xếp chồng với Etx nên cường độ trường tổng cộng vùng lo giảm làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt - người ta gọi tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n

được mở Dịng điện trơi Ext gây gần giảm không đáng kể nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp ứng với hình 2.5a gọi phân cực thuận cho tiếp xúc p-n Khi bề rộng vùng nghèo giảm so với lo Khi Eng chiều với Etx (nguồn ngồi có cực dương đặt vào n âm dặt vào p, tác dụng xếp chồng điện trường vùng nghèo,dịng Ikt giảm tới khơng, dịng Itr có tăng chút nhanh đến giá trị bão hòa gọi dòng điện ngược bão hòa tiếp xúc p-n Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân Người ta gọi phân cực ngược cho tiến xúc p-n

Kết mặt ghép p-n đặt điện trường ngồi có tính chất van: dẫn

điện không đối xứng theo chiều Người ta gọi hiệu ứng chỉnh lưu tiếp xúc p-n: theo chiều phân cực thuận (UAK > 0), dòng có giá trị lớn tạo dịng hạt đa số phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngược (Usk< 0) dịng có giá trị nhỏ vài cấp hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p-n khối Đây kết trực tiếp hiệu ứng điều biến điện trở lớp nghèo mặt ghép p-n tác động trường

p - Å n

p - Å n

Ikt Et

Eng

p - Å n

Ikt Et

Eng

c – Đặc tuyến Von –Ampe tham số điốt bán dẫn

Điốt bán dẫn có cấu tạo chuyển tiếp p-n với hai điện cực nối phía miền p anốt, phía miền n katốt

Nối tiếp điốt bán dẫn với nguồn điện áp qua điện trở hạn chế dòng, biến

đổi cường độ chiều điện áp ngoài, người ta thu đặc tuyến Von-Ampe

đốt có dạng hình 2.6 Đay đường cong có dạng phức tạp, chia làm vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược vùng (3) gọi vùng đánh thủng tiếp xúc p-n

Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe lí thuyết thực tế người ta rút kết luận chủ yếu sau:

Trong vùng (1) (2) phương trình mơ tả đường cong có dạng:

ú û ù ờ ở ộ -ữữ ứ ử ỗỗ ố ổ = 1 m.U U exp (T) I I T AK S

A (2-12)

trong ÷÷

ứ ử ỗ ỗ ố ổ + = p n p n po n S L p D L .n D q.s. I

gọi dòng điện ngược bão hịa có giá trị gần khơng phụ thuộc vào UAK, phụ ImA

UAK (V)

mA 3

2

Ge Si

1

thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài hệ số khuếch tán tức vào chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại n p phụ thuộc vào nhiệt

độ

UT = KT/q gọi nhiệt; T= 300 0K với q = 1,6.10 – 19 C, k = 1,38.10-23 J/K UT có giá xấp xỉ 25,5mV; m = (1 ¸ 2) hệ số hiệu chỉnh lí thuyết thực tế - Tại vùng mở (phân cực thuận): UT Is có phụ thuộc vào nhiệt độ nên dạng đường cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt xác định đạo hàm riêng UAK theo nhiệt độ

K mV T

U

const I AK

A »

-¶ ¶

=

nghĩa giữ cho địng điện thuận qua van khơng đổi, điện áp thuận giảm tỉ lệ theo nhiệt độ với tốc độ -2mV/K

- Tại vùng khóa (phân cực ngược) giá trị dòng bão hòa Is nhỏ (10- 12 A/cm2 với Si 10-6 A/cm2 với Ge phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức độ +10% giá trị/0k:

DIs (DT = 100K) = Is tức đòng điện ngược tăng gấp gia số nhiệt độ tăng IOOC - Các kết luận vừa nêu Is UAK rõ hoạt động điôt bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệđộ thực tế mạch điện tử có sử dụng tới điốt bán dẫn tranzito sau này, người ta cần có nhiều biện pháp nghiêm ngặt để trì ổn định chúng làm việc, chống (bù) lại nguyên nhân kể nhiệt độ gây - Tại vùng đánh thủng (khi UAK < có trị số đủ lớn) dòng điện ngược tăng đột ngột điện áp anốt katốt không tăng Tính chất van điốt bị phá hoại Tồn hai đánh thủng chính:

· Đánh thủng nhiệt tiếp xúc p-n bị nung nóng cục bộ, va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh Điều dẫn tới trình sinh hạt ạt (ion hóa ngun tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp tục tăng Dòng điện ngược tăng đột biến mặt ghép p-n bị phá hỏng

· Đánh thủng điện hai hiệu ứng: ion hóa va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh cỡ 105V/cm với nguyên tử chất bán dẫn thường xảy mặt ghép p-n rộng (hiệu ứng Zener) hiệu ứng xuyên hầm (Tuner) xảy tiếp xúc p-n hẹp pha tạp chất với nồng độ cao liên quan tới tượng nhảy mức trực tiếp điện tử hóa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào tiếp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n

Khi phân tích hoạt động điốt mạch điện cụ thể, người ta thường sử

dụng đại lượng (tham số) đặc trưng cho Có hai nhóm tham số với

điốt bán dẫn nhóm tham số giới hạn đặc trưng cho chế độ làm việc giới hạn

điốt nhóm tham sốđịnh mức đặc trưng cho chếđộ làm việc thông thường

- Các tham số giới hạn là:

· Điện áp ngược cực đại đểđiốt cịn thể tính chất van (chưa bịđánh thủng): Ungcmax (thường giá trị Ungcmax chọn khoảng 80% giá trịđiện áp đánh thủng Uđt)

· Dòng cho phép cực đại qua van lúc mở: IAcf

· Tần số giới hạn điện áp (dòng điện) đặt lên van để cịn tính chất van: fmax

- Các tham sốđịnh mức chủ yếu là:

· Điện trở chiều điốt:

÷÷ ứ ỗỗ ố ổ + = = I I ln I U I U R S A A T A AK d (2-13)

· Điện trở vi phân (xoay chiều) điốt:

S A T A AK đ I I U I U r + = ¶ ¶ = (2-14)

Với nhánh thuận dth

A T r

I

U » do I

A lớn nên giá trị rd nhỏ giảm nhanh theo mức tăng IA; với nhánh ngược dngc

S T r

I

U » lớn phụ thuộc vào dịng giá trị r

đth rđngc chênh lệch nhiều tính chất van thể rõ

· Điện dung tiếp giáp p-n: lớp điện tích khối l0 tương đương tụ điện gọi

điện dung mặt ghép p-n: Cpn = Ckt + Crào

Trong Crào thành phần điện dung phụ thuộc vào điện áp ngược (vài phần chục pF) Ckt thành phần phụ thuộc vào điện áp thuận (vài pF)

Hình 2.6a: Kí hiệu dạng đóng gói thực tế điốt

nhịp cao, điốt cần thời gian độđể hồi phục lại tính chất van lúc chuyển từ mở

sang khóa Điện áp mở van UD giá trịđiện áp thuận đặt lên van tương ứng để dòng thuận đạt giá trị 0,1Imax

Người ta phân loại điốt bán dẫn theo nhiều quan điểm khác nhau:

· Theo đặc điểm cấu tạo có loại điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt, loại vật liệu sử dụng: Ge hay Si

· Theo tần số giới hạn fmax có loại điốt tần số cao, điốt tần số thấp

· Theo cơng suất pAcf có loại điốt cơng suất lớn, cơng suất trung bình cơng suất nhỏ (IAcf < 300mA)

· Theo nguyên lý hoạt động hay phạm vi ứng dụng có loại điơt chỉnh lưu, điôt

ổn định điện áp (điôt Zener), điôt biến dung (Varicap), điôt sử dụng hiệu ứng xuyên hầm (điơt Tunen)…

Chi tiết hơn, xem thêm tài liệu chuyên ngành dụng cụ bán dẫn

điện

Hình2.6b: Điơt phát quang ( light – emitting diode: LED)

Khi xét điôt mạch thực tế, người ta thường sử dụng sơđồ tương đương

điốt tương ứng với trường hợp mở khóa (xem h.2.7)

Từđó ta có:

đth th th th r

E U

I =

đngc ngc S ngc

r U I

I = +

Với rđth » rBđiện trở phần đế bazơ điơt hay độ dốc trung bình vùng (1) đặc tuyến Von-Ampe Và rđngc độ dốc trung bình nhánh ngược (2) đặc tuyến Von-Ampe

Hình 2.8: Các mạch chỉnh lưu cơng suất nhỏ mô hoạt động

Trong phần này, xét tới số ứng dụng điển hình điơt mạch chỉnh lưu, hạn chế biên độ, ổn định điện áp

a- Bộ chỉnh lưu cơng suất nhỏ

Sử dụng tính chất van điơt bán dẫn, mạch chỉnh lưu điển hình (cơng suất nhỏ), cho hình 2.8a,b,c,d

Để đơn giản cho việc phân tích hoạt động rút kết luận với mạch trên, xét với trường hợp tải mạch chỉnh lưu điện trở thuần, sau

đó có lưu ý đặc điểm tải có tính chất điện dung hay điện cảm với giả thiết van điơt lí tưởng, điện áp vào có dạng hình sin phù hợp với thực tế điện áp mạng 110V/220V xoay chiều, 50Hz

- Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì: Nhờ biến áp nguồn, điện áp mạng đưa tới sơ cấp

được biến đổi thành hai điện áp hình sin U2.1 U2.2 ngược pha thứ cấp Tương ứng với nửa chu kì dương (U21 > 0, U22 <0) D1 mở D2 khóa Trên Rt dịng nhận

được có dạng chiều điện áp nửa hình sin U21 qua D1 mở tạo Khi điện áp vào đổi dấu (nửa chu kì âm) (U21 < 0, U22 > 0) D1 khóa D2 mở Rt nhận dòng D2 tạo (h.2.9)

· Giá trị trung bình điện áp tải xác định theo hệ thức (1.13):

2

2

π

0

o U 0,9U

π

2 sinωinωt U

2

π

1

U = ò = = (2-15)

Với U2 giá trị hiệu dụng điện áp cuộn thứ cấp biến áp

· Giá trị trung bình dịng tải trường hợp tải trở

Hình 2.9: Giản đồđiện áp mạch chỉnh lưu

Khi dịng qua điơt D1 D2

Ia1 = Ia2 = It/2 (2-17)

Và dịng cực đại qua điơt

Iamax = p, Ia = pIt / (2-18)

· Để đánh giá độ phẳng điện áp tải sau chỉnh lưu, thường sử

dụng hệ số đập mạch (gợn sóng), định nghĩa thành phần sóng bậc n;

qn = Unm / Uo (2-19)

Trong Unm biên độ sóng có tần số nw; U0 thành phần điện áp chiều tải

q1 = U1m / U o = / (m2 – 1) với m số pha chỉnh lưu q1 = 0,67 (với mạch hai nửa chu kì m = 2)

Điện áp ngược cực đại đặt vào van khóa tổng điện áp cực đại cuộn thứ cấp biến áp

0

ngcmax 2U 3,14U

U = = (2-20)

Ungccf > Ungcmax = 3,14Uo

· Khi dùng tải tụ lọc C (đường đứt nét hình 2.8a) chếđộ xác lập, tượng nạp phóng điện tụ C mạch lúc làm việc chế độ không liên tục

trường hợp với tải điện trở Trên hình 2.9b với trường hợp tải điện dung, ta thấy rõ khác với trường hợp tải điện trở lúc van làm việc khoảng thời gian q1

¸ q2 (với van D2) q3 ¸q4 (với van D1) nhỏ nửa chu kì thơng mạch nạp cho tụ từ nguồn U2.2 U2.1

Trong khoảng thời gian lại, van khóa (do điện áp tụ nạp lớn giá trị tức thời điện áp pha tương ứng U2.2 U2.1) Lúc tụ C phóng điện cung cấp điện áp Rt

Các tham số mạch trường hợp có thay đổi,

Uo = 1,41 U2 (2-21)

Và q1 £ 0,02

(khi chọn số thời gian mạch phóng tụ t = RC lớn) cịn Ungcmax khơng đổi so với trước

· Nếu xét mạch hình 2.8a với nửa cuộn thứ cấp biến áp nguồn làm việc với van tương ứng mạch tải ta có mạch chỉnh lưu nửa chu kì dạng sơđồđơn giản mạch chỉnh lưu Dựa vào kết phân tích trên, dễ dàng suy tham số mạch nhiên chúng chỉđược sủ dụng yêu cầu chất lượng nguồn (hiệu suất lượng, tiêu phẳng Ut…) đòi hỏi thấp

- Mạch chỉnh lưu cầu

Hình 2.10: Sơđồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu

Mạch điện nguyên lí chỉnh lưu cầu cho hình 2.8b, gồm van điơt kí hiệu thu gọn: vẽđầy đủ cầu chỉnh lưu ta có hình 2.10

Trong nửa chu kì điện áp thứ cấp U2, cặp van có anơt dương katơt âm mở, cho dòng chiều Rt, cặp van cịn lại khóa chịu điện áp ngược cực đại biên độ U2m Ví dụ ứng với nửa chu kì dương U2, cặp van D1D3 mở, D2D4 khóa Rõ ràng điện áp ngược cực đại đặt lên van lúc khóa có giá trị nửa so với trường hợp chỉnh lưu hai nửa chu kì xét trên, ưu

điểm quan trọng sơ đồ cầu Ngoài ra, kết cấu thứ cấp biến áp nguồn

· Điện áp chiều lúc vào hở mạch Rt

D rao 2U 2U

U = - (2-22)

Với UD điện áp van mở

· Điện áp chiều lúc có tải Rt:

( i v)

rao

ra U R/2R

U ¥= - (2-23)

Với Ri nội trở tương đương nguồn xoay chiều

Ri = [(U2o /U2) – 1] U2/ I2 giá trị U2I2 điện áp dòng điện cuộn thứ cấp biến áp

RV điện trở tương đương tải Rv = Ura¥ / Ira

· Cơng suất danh định biến áp nguồn

Pba = 1,2 Ira ( Ura¥ + 2UD) (2-24)

Điện áp ngược cực đại van khóa:

( ) ra0

2

ngcmax 2U π/2U

U = = (2-15)

Khi có tải điện dung, mạch làm việc chế độ xung liên quan tới thời gian phóng tụ C lúc van khóa thời gian nạp lúc cặp van mở giống phân tích với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì Lúc đó, dịng điện xung qua cặp van mở

nạp cho tụ C là:

v i rao i

ra rao D

R 2.R

U R

U U

I = - ¥ = (2-26)

Có phụ thuộc vào nội trở Ri nguồn xoay chiều lớn Ri nhỏ

Điện áp tối thiểu lúc xác định bởi:

Uramin = Ura¥ - 2U gs max / (2-27)

Trong Ugsmax điện áp gợn sóng cực đại:

U gs max = Ira ( 1- Ri/2Rv) (2-28)

Mạch hình 2.8c cho phép nhận điện áp cực tính đối xứng với điểm chung, phân tích hai mạch hình 2.8a làm việc với nửa thứ cấp biến áp nguồn có điểm nối đất

Mạch hình 2.8d cho phép nhận điện áp chiều có giá trị gấp đơi điện áp mạch xét có tên mạch chỉnh lưu bội áp Ở nửa chu kì đầu (nửa chu kì âm) U2, van D1 mở nạp cho tụ C1 tới điện áp Uc1 » U2m = 2U2 Ở nửa chu kì tiếp sau (nửa chu kì dương) D2 mở điện áp nạp cho tụ C2 có giá trịđỉnh:

Uc2 » Uc1 +U2m» U2m = 2U2

Nếu để ý điều kiện thực tế (khi độ lớn C1, hữu hạn) giá trịđiện áp chiều sau chỉnh lưu bội áp có độ lớn cỡ hai lần giá trị chỉnh lưu cầu tải điện dung

Ngoài ứng dụng mạch chỉnh lưu kể trên, điơt cịn sử dụng lĩnh vực chỉnh lưu công suất lớn

b- Các mạch ghim

Hình 2.11: Các mạch hạn chế nối tiếp

Hình 2.11 mạch hạn chế nối tiếp (Điôt hạn chế mắc nối tiếp với mạch tải) Xét trường hợp đơn giản Uvào điện áp hình sin khơng có thành phần chiều giả thiết điơt lí tưởng (ngưỡng mở khóa xảy giá trị điện áp cực khơng Uđ = 0)

Khi Ud³ điôt mở điện áp bằng: E R R R R R U R R R R U ng th ng th v ng th

ra1 + +

+ +

+ +

= (2-30)

Với Rth giá trị trung bình điện trở thuận điôt, Rng điện trở nguồn U vào

Khi Uđ < điơt khóa điện áp bằng:

E R R R R R U R R R R U ng ngc ng ngc v ng ngc

ra2 + +

+ +

+ +

= (2-31)

Với Rngc giá trị trung bình điện trở ngược điơt Nếu thực điều kiện Rth + Rng << R << Rngc + Rng

0 R R R R ng ngc » +

+ R R R

R ng th » + +

Do Ura1= Uvào , Ura2» E

Điều kiện Uđ = xảy Uvào = E nên ngưỡng hạn chế mạch E Tức với mạch hạn chế (a) thực điều kiện:

Khi Uv³ E , Uđ < có Ura2 = E Uv < E , Uđ > có Ura1 = Uvào mạch hạn chế (c) có: Khi Uv³ E , Uđ > có Ura1 = Uvào Uv < E , Uđ < có Ura2 = E

Trường hợp riêng chọn E = ta có mạch hạn chế mức (mạch ghim lấy cực tính tín hiệu vào hay mạch chỉnh lưu nửa chu kỳđã xét trước)

Cũng mắc điốt song song với mạch hình 12 lúc ta có mạch hạn chế kiểu song song

Từ điều kiện: Rth£ Ro£ Rt£ Rngc có

Với mạch hình 2.12a Khi Uv³ E , Uđ > có Ura = E Uv < E , Uđ < có Ura = Uvào mạch hạn chế 2.12b có: Khi Uv³ E , Uđ < có Ura = Uvào

khi Uv < E , Uđ > có Ura = E

Hình 2.12: Các mạch hạn chế (a) mạch hạn chế (b)

Lưu ý để ý đến ngưỡng mở điôt thực thể (loại Si cỡ + 0,6V loại Ge cỡ + 0,3V) thi ngưỡng hạn chế mạch bị thay đổi giá trị tương ứng với mức

c - Ổn định điện áp điốt Zener

Điốt ổn áp làm việc nhờ hiệu ứng thác lũ chuyển tiếp p-n phân cực ngược Trong điôt thông thường tượng đánh thủng làm hỏng điôt, điốt ổn định chế tạo đặc biệt làm việc mạch ngồi có điện trở

hạn chế dịng ngược (khơng cho phép tăng q dịng ngược cho phép) nên điơt luồn làm việc chế độđánh thủng không hỏng Khác với điốt thông dụng,

điôt ổn định công tác chế độ phân cực ngược Những tham số kĩ thuật điôt Zener là:

- Điện áp ổn định Uz (điện áp Zener) điện áp ngược đặt lên điốt làm phát sinh tượng đánh thủng Trên thực tế điốt ổn áp có khoảng hẹp mà ổn định Khoảng bị giới hạn mặt khoảng đặc tuyến điơt từ phạm vi dịng bão hịa sang phạm vi đánh thủng làm dòng tăng đột ngột, mặt khác công suất tiêu hao cho phép Hay dòng cực đại cho phép

- Điện trởđộng rdz điốt Zener định nghĩa độ dốc đặc tuyến tĩnh điốt

điểm lâm việc

z dz dI

dU =

Hình 2.13: Khảo sát ổn áp diốt Zener

Căn vào (2-32) thấy độ đốc đặc tuyến phần đánh thủng có tác dụng định đến chất lượng ổn định điốt Khi điện trở động khơng (lúc phần đặc tuyến đánh thủng song song với trục tung) sựổn định điện áp đạt tới mức lí tưởng

Như hình 2.13a, để thực chức ổn định người ta thường mắc nối tiếp với điôt Zener điện trở tác dụng ổn định chứng minh đồ thị hình 2.13b

Có thể thiết lập quan hệ hàm số điện trở động điện áp ổn định điơt Ví dụđối với đlơt Zener Si, cơng suất tiêu hao 0,5W có dạng đồ thị hình 2.13c Từ đồ thị thấy điện trởđộng cực tiểu điện áp vào khoảng đến 8V Trong khoảng

điện áp xuất đồng thời tượng đánh thủng Zener đánh thủng thác lũ

làm cho dòng ngược tăng lên đột ngột

Điện trở tĩnh Rt tính tỉ số điện áp đặt vào dòng điện qua

điôt

Rt = UZ / IZ (2-33)

Dòng điện điện áp kể xác định từ điểm công tác điôt (h.2.13b)

Hệ số ổn định định nghĩa tỉ số biến đổi tương đối dịng

điện qua điơt điện áp rơi điơt dịng gây ra:

Z = (dIz / Iz) (dUz / Uz) = R / rdz = Rt / rdz (2-34)

Hình 2.14:Bù nhiệt dùng hai điơt Hình 2.15: Đặc tuyến bù nhiệt

Chúng ta thấy hệ số tỉ số điện trở tĩnh điện trở động

điểm công tác điôt

Để đạt hệ số ổn định cao, với biến đối đòng điện qua điôt cho trước,

điện áp rơi điơt (do dịng gây ra) phải biến đổi nhỏ Các điơt ổn định Si thường có Z ³ 100 Trở kháng mạch ổn định thông số chủ yếu

đánh giá chất lượng mạch:

Rra = DUra / DIra

Ởđây DUra gia số điện áp ra, gây gia sốDIra dòng tải

Rõ ràng tỉ số vế phải nhỏ chất lượng mạch ổn định cao, mạch ổn định dùng điốt Zener có điện trở nhỏ tốt (Điều phù hợp với vai trò nguồn điện áp lí tưởng)

- Hệ số nhiệt độ điện áp ổn định qt, hệ số cho biết biến đổi tương đối

điện áp ổn định nhiệt độ thay đổi 1oC :

qt =(1 / Uz)(duz / dt) | lz = const (2-35) Hệ số xác định hệ số nhiệt độ điện áp đánh thủng chuyển tiếp p-n Sự phụ thuộc điện áp ổn định vào nhiệt độ có dạng

Uz = Uzo [1 + qT (T - To)] (2-36)

Trong đó: Uzo điện áp ổn định điôt Zener nhiệt độ To

Hệ số nhiệt độqt có giá trị âm tượng đánh thủng chủ yếu hiệu ứng Zener gây Nó có giá trị dương tượng đánh thủng chủ yếu tượng thái lũ gây

Hệ số nhiệt dương đlơt Zener bù trừ cho hệ số nhiệt độ âm điôt chỉnh lưu nhiệt độ thơng thường có hệ số nhiệt tổ hợp đạt đến 0,0005%/OC

Cần ý hệ số nhiệt độ điện áp ổn định giá trị điện áp khoảng từ đến 7V, 'không Sở dĩ khoảng nhiệt độ tồn hai tượng đánh thủng Zener thác lũ mà hệ số nhiệt hai hiệu

ứng lại ngược dấu có chỗ chúng triệt tiêu lẫn Đây đặc điểm đáng quý, xuất đểm công tác điôt Zener khoảng từ

đến 7V Trên hình 2.15 trình bày đặc tuyến điốt đo hai nhiệt độ khác Những vòng tròn đánh đấu điểm cơng tác điốt hệ số nhiệt không

2.2 PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N

Nếu đế bán dẫn tạo hai tiếp giáp công nghệ p-n gần ta dụng cụ bán dẫn cực gọi tranzito bipolar, có khả khuếch đại tín hiệu điện Nguyên lí làm việc tranzito dựa đặc tính điện tiếp giáp p-n tác dụng tương hỗ chúng

2.2.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến tham số của tranzito bipolar

a) Cấu tạo: tranzito có cấu tạo gồm miền bán dẫn p n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự xếp miền p n mà ta có hai loại cấu tạo điển hình pnp npn

trên hình 2.16 Để cấu tạo cấu trúc người ta áp dụng phương pháp công nghệ khác phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi

Hình 2.16 : Mơ hình lí tưởng hóa kí hiệu tranzito pnp (a) npn (b)

miền bán dẫn thứ tranzito miền emitơ với đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền gọi cực emitơ Miền thứ hai miền bazơ với nồng độ tạp chất nhỏ độ dày nhỏ cỡ mm, điện cực nới với miền gọi cực bazơ Miền lại miền colectơ với nồng độ tạp chất trung hình điện cực tương ứng colectơ Tiếp giáp p-n miền emitơ bazơ gọi tiếp giáp emitơ

(JE) tiếp giáp pn miền bazơ miền colectơ tiếp giáp colectơ (JC) Về kí hiệu tranzito cần ý mũi tên đặt cực emitơ bazơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n Về mặt cấu trúc, coi tranzito điôt mắc đối hình 2.17 (Điều hồn tồn khơng có nghĩa mắc đốt hình 2-17

thực chức tranzito Bởi khơng có tác dụng tương hỗ lẫn tiếp p-n Hiệu ứng tranzito xảy khoảng cách tiếp giáp nhỏ

hơn nhiều so với độ dài khuếch tán hạt dẫn)

p n p n p n

JE

JE JC JC

C E C

E

B B

Hình 2.17: Phân tích cấu tạo tranzito thành hai điốt mạch tương hỗ

b) Nguyên lí làm việc: Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp chiều tới

điện cực nó, gọi phân cực cho tranzito Đối với chế độ khuếch đại JE phân cực thuận JC phân cực ngược hình 2-18

Hình 2.18: Sơđồ phân cực tranzito npn (a) pnp (b) chếđộ khuếch đại Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ Do JE phân cực thuận hạt đa số (lỗ trống) từ miền p phun qua JE tạo nên dòng emitơ (IE) Chúng tới vùng bazơ trở thành hạt thiểu số tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường khuếch tán mộ t phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (IB) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần toàn hạt khuếch tán tới bờ JC bị trường gia tốc (do JC phân cực ngược) cuộn qua tới miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC) Qua việc phân tích rút

được hệ thức dòng điện tranzito (hệ thức gần bỏ qua dòng ngược JC)

IE = IB + IC (2-37)

Đểđánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán vùng bazơ người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện acủa tranzito

a = IC / IE (2-38)

hệ số axác định chất lượng tranzito có giá trị gần với tranzito loại tốt

p n

n

C E

Để đánh giá tác dụng điều khiển dòng điện IB tới dòng colectơ IC người ta

định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện b tranzito

b = IC / IB (2:39)

b thường có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm Từ biểu thức 37), (2-38), (2-39) suy vài hệ thức hay sử dụng tranzito:

IE = IB (1 + b) (240)

a = b / (1+ b) (2-41)

c) Cách mắc tranzito tham sốở chếđố tín hiệu nhỏ

Khi sử dụng ngun tắc lấy sơ cực tranzito đầu vào cực thứ lại với cực đầu vào làm đầu Như có tất cách mắc mạch khác Nhưng dù mắc cần có cực chung cho đầu vào đầu Trong số cách mắc có cách tranzito khuếch đại cơng suất cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC), chung colectơ (CC) hình 2.19 Ba cách mắc cịn lại khơng có ứng dụng thực tế

Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito thực tế

Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ, chung colectơ

Từ cách mắc dùng thực tế tranzito mặt sơ đồ coi tranzito phần tử cực gần tuyến tính có đầu vào đầu (h.2.20)

Hình 2.20: Tranzito mạng bốn cực

Có thể viết cặp phương trình mơ tả quan hệ đầu vào đầu mạng cực dòng điện điện áp biến số độc lập Nhưng thực tế tính tốn thường dùng cặp phương trình tuyến tính sau:

Cặp phương trình trở kháng có coi điện áp hàm, dịng điện biến có dạng sau:

U1 = f(I1 , I2) = r11 I1 + r12 I2 U2 = f(I1 , I2) = r21 I1 + r22 I2

Echung

U1 (vao) U2 (ra)

Bchung

U1 (vao) U2 (ra)

Cchung

U1 (vao)

U2 (ra)

T U2 (ra)

Cặp phương trình dẫn nạp có coi dòng điện hàm biến điện áp I1 = f(U1 , U2) = g11 U1 + g12 U2

I2 = f(U1 , U2) = g21 U1 + g22 U2 Cặp phương trình hỗn hợp

U1 = f(I1 , U2) h11 h12 I1 U2 = f(I1 , U2) h21 h22 U2

trong rij , gij , hij tương ứng tham số trở kháng dẫn nạp hỗn hợp tranzito

Bằng cách lấy vi phân toàn phần hệ phương trình trên, ta xác định tham số vi phân tương ứng tranzito Ví dụ :

22 const = I 2 22 h = I ∂ U ∂ = r

1 gọi điện trở vi phân (2-42)

S = r = = g 12 const = U 2 22 ∂U

∂I

được gọi hỗ dẫn truyền đạt (2-43)

11 const = I 1

11 I =h

U = r ∂ ∂

điện trở vào vi phân (2-44)

β = I = h const = U 2 21 ∂

∂I

hệ số khuếch đại dòng điện vi phân (2-45) Khi xác định đặc tuyến tĩnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới) tranzito, dùng hệ phương trình hỗn hợp thuận tiện dễ dàng xác định tham số hệ

phương trình

d) Đặc tuyến tĩnh dựa vào hệ phương trình nêu đưa tuyến tĩnh tranzito coi đại lượng hàm biến đại lượng thứ coi tham số Trong trường hợp tổng quát có họđặc tuyến tĩnh:

Đặc tuyến vào U1 = f(I1) |U2=const

Đặc tuyến phản hồi U1 = f(U2) |I1=const (2-46)

Đặc tuyến truyền đạt I22= f(I1)│U2=const

Đặc tuyến I2 = f(U2) │I1=const

Tùy theo cách mắc tranzito mà quan hệ có tên gọi cụ thể dịng điện điện áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc EC : đặc tuyến vào quan hệ IB = f(UBE)│UCE= const hay đặc tuyến quan hệ IC = f(UCE)│IB = const …

Bảng (2.1) dưói cho phương trình họđặc tuyến tương ứng suy từ

Bảng 2.1 Quan hệ hàm xác định họđặc tuyến tĩnh tranzito

Tổng quát BC EC CC

U1= f(I1)│U2=const U1= f(U2)│I1=const I2 = f(I1)│U2=const I2 = f(U2)│I1=const

UEB = f(IE)│UCB UEB = f(UCB)│IE IC= f(IE)│UCB IC = f(UCB)│IB

UBE = f(IB)│UCE UBE = f(UCE)│IB IC = f(IB)│UCE IC = f(UCE)│IB

UBC = f(IB)│UEC UBC = f(UEC)│IB IE = f(IB)│UEC IE = f(UEC)│IB Có thể xây dựng sơđồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ tranzito

theo hệ phương trình tham số hỗn hợp

∆U1 = h11∆I1 + h22∆U2 (2-47)

∆I2 = h2∆I1 + h22∆U2 Dạng hình 2.21

Hình 2.12: Sơđồ tương đương mạng cực theo tham số h

Chú ý: sơ đồ EC, BC, CC đại lượng ∆I1, ∆U1, ∆I2, ∆U2 tương

đương với dòng vào (ra), điện áp vào (ra) cách mắc Ngồi cịn

biểu thị sơ đồ tương đương tranzito theo tham số vật lý Ví dụ với kiểu

mắc BC có sơđồ 2.22

Ởđây:

- rE điện trở vi phân tiếp giáp emitơ chất bán dẫn làm cực E - rBđiện trở khối vùng bazơ

- rC(B) điện trở vi phân tiếp giáp colectơ

- CC(B) điện dung tiếp giáp colectơ

- aIE nguồn dòng tương đương cực emitơđưa tới colectơ

Mối liên hệ tham số hai cách biểu diễn sau ∆U2 = với mạch đầu vào ta có : ∆U1 = ∆I1[rE + (1- a)rB]

hay h11 = ∆U1/∆I1 = [rE + (1- a)rB ] với mạch đầu : ∆I2 = a.∆I1 a = h21 ∆I1 =

Dịng mạch ∆I2 = ∆U2 /(rC(B)+ rB) ≈∆U2 /tC(B) h22 = 1/r c(B)

và ∆U1 = ∆I2.rB nên ta có h12 = rB / rC(B)

∆U2 = ∆I2.rC(B)

2.2.2 Các dạng mắc mạch cơ bản của tranzito

a - Mạch chung emitơ (EC)

Trong cách mắc EC, điện áp vào mắc cực bazơ cực emitơ,

điện áp lấy từ cực colectơ cực emitơ Dòng vào, điên áp vào dòng điện

được đo miliampe kế vôn kế mắc hình 2.23 Từ mạch hình 2.23, vẽđược họđặc tuyến tĩnh quan trọng mạch EC :

Hình 2.23: Sơđồ Ec Hình 2.24: Họđặc tuyến vào Ec

E UBE (vao)

UCE (ra) UCE = 6V

UCE = 2V IBmA

UBE V

Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UCE, thay đổi trị số điện áp UBE ghi trị số IB tương ứng sau dựng đồ thị quan hệ này, thu kết hình 2.24 Thay đổi UEC đến giá trị cốđịnh khác làm lại tương tự

đường cong thứ hai Tiếp làm tục có họ đặc tuyến vào tranzito mắc chung emitơ

Từ hình 2.24, có nhận xét đặc tuyến vào tranzito mắc chung emitơ giống nhưđặc tuyến chuyến tiếp p-n phân cực thuận, dịng IB trường hợp phần dòng tổng IE chảy qua chuyển tiếp emitơ phân cực thuận (h 2.23) Ứng với giá trị UCE định dòng IB nhỏ UCE lớn tăng UCE tức tăng UCB (ở giá trị điện áp giá trị tuyệt đối) làm cho miền điện tích khơng gian chuyến tiếp colectơ rộng chủ yếu phía miền bazơ pha tạp yếu Diện áp UCB lớn tỉ lệ hạt dẫn đến colectơ lớn, số hạt dẫn bị tái hợp miền bazơ

và đến cực bazơđể tạo thành dịng bazơ ít, dịng bazơ nhỏđi

Để vẽ đặc tuyến tranzito mắc CE, cần giữ dòng IBở trị số cốđịnh

đó, thay đổi điện áp UCE ghi lại giá trị tương ứng dòng IC kết vẽ dường cong phụ thuộc IC vào UCE với dòng IC coi dòng IB tham số hình 2.25 Từ họ đặc tuyến có nhận xét sau : Tại miền khuyếch đại độ dốc đặc tuyến lớn cách mắc dịng IE không giữ cố định tăng UCEđộ rộng hiệu dụng miền bazơ hẹo lại làm cho hạt dẫn đến miền colectơ nhiều dịng IC tăng lên Klhi UCE giảm xuống IC giảm xuống (các đặc tuyến qua gốc tọa độ ) Sở dĩ điện áp ghi trục hoành UCE= UCB + UBE điểm uốn đặc tuyến, UCB giảm xuống 0, tiếp tục giảm UCE làm cho chuyển tiếp colectơ phân cực thuận Điện áp phân cực đẩy hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ,kết UCE = IC ngược lại tăng UCE lên lớn dòng IC tăng lên đột ngột (đường đứt đoạn hình 2.25), miền đánh thủng tiếp xúc (điốt) JC tranzito.(Tương tự

đặc tuyến ngược điốt, UCE tăng lớn tức điện áp phân cực ngược UCB lớn lớn tới giá trị đó, chuyển tiếp colectơ sảy tương đánh thủng hiệu ứng thác lũ hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng đột ngột ) Bởi tranzito làm việc điện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dịng ICđể phồng tránh tranzito bị hủy dòng IC lớn

Hình 2.25: Đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt tranzito mắc Ec IB =20mA

IB =40mA

IB =60mA

UCE = 6V

UCE = 2V

IC mA

UCE V

4

5

IBmA

Đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ dòng (IC) dòng vào IB UCE cốđịnh Đặc tuyến nhận cách giữ nguyên diện áp UCE, thay

đổi dòng bazơ IB ghi lại giá trị tương ứng IC trục tọa độ, thay đổi giá trị UCE làm tương tự có họ đặc tuyến truyền đạt, suy họ đặc tuyến từ đặc tuyến (h 2.25) Cách làm sau : vị trí UCE cho trước

đặc tuyến vẽ đường song song với trục tung, đường cắt họ đặc tuyến

những điểm khác Tương ứng với giao điểm tìm giá trị IC Trên hệ tạo độ IC, IB vẽ nhữnh điểm thảo mãn cặp trị số IC, IB vừa tìm được, nối điểm với sẽđược đặc tuyến truyền đạt cần tìm

b - Mạch chung bazơ

Tranzito nối mạch theo kiểu chung bazơ cực bazơ dùng chung cho đầu vào đầu Tín hiệu vào đặt hai cực emitơ bazơ, cịn tín hiệu lấy từ

cực colectơ bazơ Để đo điện áp đầu đầu vào từ xác định họ đặc tuyến tĩnh tranzito mắc chung bazơ (BC) người ta mắc vôn kế miliampe kế hình 2.26

Hình 2.26: Sơ đồ Bc Hình 2.27: Họđặc tuyến vào Bc

Dựng đặc tuyến vào trưòng hợp xác định quan hệ hàm số IE =f(UEB) điện áp UCB cố định Muốn cần giữ UCBở giá trị khơng đổi, thay đổi giá trị UBE sau ghi lại giá trị dòng IE tương ứng Biểu diễn kết trục tọa độ IE (UEB) nhận đặc tuyến vào ứng với trị UCBđã biết Thay đổi giả trị cố định UCB làm tương tự sẽđược họđặc tuyến vào hình 2.27

Vì chuyển tiếp emitơ ln phân cực thuận đặc tuyến vào mạch chung bazơ giống đặc tuyến thuận điốt Qua hình 2.26 thấy

ứng với điện áp vào UEB cốđịnh dòng vào IE lớn điện áp UCB lớn, điện áp UCB phân cực ngược chuyển tiếp colectơ tăng lên làm miền điện tích khơng gian rộng ra, làm cho khoảng cách hiệu dụng emitơ colectơ ngắn lại làm dòng IE tăng lên

Đặc tuyến biểu thị quan hệ IC= f(UCB) giữ dòng vào IE giá trị cốđịnh Căn vào hình 2.26, giữ dịng IEở giá trị cố định biến đổi giá trị UCB ghi lại giá trị IC tương ứng, sau biểu diễn kết trục tọa độ IC – UCB

được đặc tuyến Thay đổi giá trị IE sẽđược họđặc tuyến hình 2.28 Từ hình 2.28 có nhận xét IE cốđịnh, IC gần IE Khi UCB tăng lên IC tăng không đáng kểđiều nói lên hầu hết hạt dẫn phun vào miền bazơ từ miền emitơ đến colectơ Dĩ nhiên dòng IC phải nhỏ

B

UEB (vao) UCB(ra)

IE mA

UBEV UCB = 1V UCB = 6V

hơn dòng IE Khi UCB tăng làm cho đọ rộng miền điện tích khơng gian colectơ lớn lên,

độ rộng hiệu dụng miền bazơ hẹp lại, số hạt dẫn đến miền colectơ so với UCB nhỏ hơn, nên dịng IC lớn lên Cũng từ hình 2.28 nnhận xét khác với trường hợp đặc tuyến mắc CE điện áp tạo UCB giảm tới Điều giải thích sau :

Khi điện áp UCB giảm đến 0, thân chuyển tiếp chuyển tiếp colectơ cịn điện tiếp xúc, điện tiếp xúc colectơ hạt dẫn từ bazơ

sang colectơ làm cho dòng IC tiếp tục chảy Để làm dừng hẳn IC chuyển tiếp colectơ phải phân cực thuận với giá trị nhỏ điện tiếp xúc,

điện chuyến tiếp colectơ dương lên,làm cho hạt dẫn từ

bazơ chuyển sang colectơ (IC= 0)

Hình 2.29: Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến sơđồ Bc

Miền đặc trưng chyển tiếp colectơ phân cực thuận gọi miền bão hòa Nếu tăng điện áp ngược UCB đến giá trị định (gọi điện áp

đánh thủng ) dòng IC tăng lên đột ngột dẫn đến làm hỏng tranzito tượng

đánh thủng mọt hai nguyên nhân : Hoặc hiệu ứng thác lũ hiệu

ứng Zener trưnờng hợp điốt, tượng xuyên thủng (do điện áp ngược UCB lớn làm miền điện tích khơng gian miền chuyển tiếp colectơ mở rộng tới mức tiếp xúc với miền điện tích khơng gian chuyển tiếp emitơ, kết làm dòng IC tăng lên đột ngột )

Đặc tuyến truyền đạt rõ quan hệ hàm số dòng dòng vào IC=f(IE)

điện áp giữ cố định Để vẽ đặc tuyến làm hai cách : thực nghiệm áp dụng sơ đồ (2.25), giữ nguyên điện áp UCB thay đổi dòng vào IE, ghi lại kết tương ứng dịng IC, sau biểu diễn kết thu tạo độ IC – IE sẽđược đặc tuyến truyền đạt Thay đổi giá trị cốđịnh UCB sẽđược họ đặc tuyến truyền đạt hình 2.29 Hoặc cách suy từ đặc tuyến : từ điểm UCB cho trước đặc truyến ta vẽ đường song song với trục tung, đường cắt họ đặc tuyến điểm ứng với IE khác từ giao điểm tìm

IC mA

UCB V IE =1mA IE =2mA IE =3mA

3

5 IE mA

3 UCB = 6V

trục tung giá trị IC tương ứng Căn vào cặp giá trị IE, IC vẽ đặc tuyến truyền đạt ứng với điện áp UCB cho trước, làm tương tự với giá trị UCB khác sẽđược họđặc tuyến truyền đạt hình 2.29

c - Mạch chung colectơ (CC)

Mạch chung colectơ có dạng hình 2.30, cực colectơ dung chung cho đầu vào đầu ra.

Đểđo điện áp vào, dịng vào, dịng qua xác đặc tuyến tĩnh mạch CC dung vơn kế miliampe kếđược mắc hình 2.30

Hình 2.30: Sơđồ Cc Hình 2.31: Họđặc tuyến vào Cc Đặc tuyến vào mạch chung colectơ (CC) IB= f(UCB) điện áp UCE khơng

đổi có dạng hình 2.31 có dạng khác hẳn so với đặc tuyến vào hai cách mắc EC BC xét trước Đó kiểu mắc mạch điện áp vào UCB phụ thuộc nhiều vào điện áp UCE (khi làm việc chế độ khuyếch đại điện áp UCBđối với tranzito silic ln giữ khoảng 0.7V, cịn tranzito Gecmani vào khoảng 0.3V điện áp UCE biến đổi khoảng rộng ) Ví dụ hình 2.31 xét trường hợp UEC = 2V IB = 100mA UCB = UCE –UBE = 2V – 0.7 V =1,3V

Hình 2.29: Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến sơđồ Cc UBC(vao)

UEC(ra)

C

IBmA

UBC V

UEC =41V

UEC = 21V

-4 100

IE mA

UEC V IB =20mA

IB =40mA

IB =60mA

4

5 IBmA

100 UEC = 6V

Khi điện áp vào UCB tăng điện áp UBE giảm làm cho IB giảm

Đặc tuyến tranzito mắc CC mô tả quan hệ dòng IE điện áp UCE dịng vào IB khơng đổi Đặc tuyến truyền đạt trường hợp mơ tả quan hệ dịng IE dòng vào IB điện áp UCE khơng đổi Trong thực tế coi IC ≈ IE đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt (trường hợp mắc chung colectơ ) tương tự trường hợp mắc chung emitơ (h 2.32)

2.2.3 Phân cực ổn định nhiệt điểm công tác của tranzito

a – Nguyên tắc chung phân cực tranzito

Muốn tranzito làm việc phần tử tích cực phần tử tranzito phải thảo mãn điều kiện thích hợp tham số tranzito mục trước biết, phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực chuyển tiếp colectơ emitơ Nói cách khác giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công tác tranzito Một cách tổng quát, dù tranzito mắc mạch theo kiểu nào, muốn làm việc chế độ

khuyếch đại cần có điều kiện sau:

- Chuyển tiếp emitơ – bazơ phân cực thuận - Chuyển tiếp bazơ – colectơ ln phân cực ngược

Có thể minh họa điều qua ví dụ xet tranzito, loại pnp (h.2.33) Nếu gọi UE, UB, UC điện emitơ, bazơ, colectơ, vào điều kiện phân cực kể điện phải thảo mãn điều kiện:

UE > UB >UC (2-48)

Hãy xết điều kiện phân cực cho loại mạch

-Từ mạch chung bazơ hình 2.34 với chiều mũi tên hướng dương điện áp dịng điện, xác định cực tính điện áp dịng điện cực tranzito mắc CB sau:

UEB = UE – UB > IE >

UCB = UC – UB > IC < (2-49)

Căn vào điều kiện (2-48) điện áp UCB âm, dịng IC âm có nghĩa hướng thực tế điện áp dòng điện ngược với hướng mũi tên hình 2.34

- Từ mạch chung emitơ hình 2.35, lý luận tương tự trên, xác định

được cực tính điện áp dòng điện cực sau: UBE = UB – UE < IB <

UCE = UC – UE < IC < (2-50)

- Với mạch chung colectơ hình 2.36, vào chiều qui định sơđồ điề

kiện 2-48 viết:

UB – UC > IB <

Đối với tranzito npnđiều kiện phân cực để làm việc chếđộ khuyếch đại

UE < UB < UC (2-52)

Từ bất đẳnh thức (2-52) thấy hướng dòng điện điện áp thực tế

trong tranzito pnp

b - Đường tải tĩnh điểm công tác tĩnh

Đường tải tĩnh vẽ đặc tuyến tĩnh tranzito để nghiên cứu dòng

điện điện áp mắc mạch cụ thể (khi có tải ) Điểm cơng tác (hay cịn gọi điểm tĩnh, điểm phân cực) điểm nằm đường tải tĩnh xác định dòng

điện vào điện áp tranzito khơng có tìn hiệu đặt vào, nghĩa xác định điều kiện phân cực tranzito

Để hiểu rõ vềđường tải tĩnh điểm công tác tĩnh, ta xét trường hợp tranzito loại npn mắc chung emitơ hình 2.37 Phương trình quan hệở dịng áp mạch có dạng:

UCE = ECC -ICRt (2-53)

Nếu điện áp phân cực UBE làm cho tranzito khóa, IC = UCE = ECC – (0.Rt) = ECC = 20V Như điểm có tọa độ (IC = 0, UCE= 20V) điểm A đặc tuyến Giả thiết UBE tăng làm cho tranzito mở IC= 0,5mA UCE = 20V – 0,5mA.10kΩ = 20V – 5V = 15V, đặc tuyến điểm B có tọa độ (0,5mA ; 15V) Bằng cách tăng UBE, làm tương tự vẽ ví dụ ứng với tọa độ sau :

Điểm C ứng với IC = 1mA ; UCE = 10V

Điểm D ứng với IC = 1,5mA ; UCE =5V

Điểm E ứng với IC = mA ; UCE = 0V

Nối điểm với ta sẽđược đường thẳng đường tải tĩnh với Rt =10 kW

Có thể vẽ cách chọn điểm đặc biệt, điểm cắt trục tung E (UCE = ; IC= UCC/Rt =2mA) điểm cắt trục hoành A (UCE= UCC =20V ; IC=0A) Qua điểm phân tích thấy đường tải đường biến thiên dịng IC theo điện áp UCEứng với điện trở tải Rt điện áp nguồn ECC định Trong ba giá trị IB, IC UCE cần biết vào giá trị tải xác định hai giá trị lại Cần nhấn mạnh đường tải vẽ hai trường hợp chỉđúng trường hợp UCC = 20V Rt = 10kW Khi thay đổi điều kiện phải vẽ đường tải khác

Khi thiết kế mạch, điểm công tác tĩnh điểm chọn đường tải tĩnh Như

tới dòng Ic biến đổi, kết điện áp tải biến đổi giống quy luật biến đổi tín hiệu đầu vào

Hình 2.38: Chọn điểm cơng tác tĩnh

Với sơđồ ngun lí hình 2.37a đường tải tĩnh 10kW giả thiết chọn điểm cơng tác tĩnh Q hình 2.38 ứng với điểm Q IB = 20mA ; Ic = 1mA UCE = 10V

Khi IB tăng từ 20mA đến 40mA, hình 2.38 thấy Ic có giá trị l,95mA UCE = Ucc - ICRT = 20V - l,95mA 10kW = 0,5V Có thể thấy DIB = + 20mA dẫn tới

DUCE = -9,5V Khi IB giảm từ 20mA xuống Ic giảm xuống O,05mA UCE = 20V - (0,05mA.10kW) = 19,5V, tức IB giảm lượng DIB = 20mA làm cho Uc tăng lên lượng DUc = + 9,5V

Tóm lại, chọn điểm cơng tác tĩnh Q đầu mạch

nhận biến đổi cực đại điện áp DUc = + 9,5V Nếu chọn điểm công tác tĩnh khác Ví dụ Q' có Ic = 0,525 mA ; UCE = 14,75V Tính tốn tương tự ta có DIB = ± 10mA DUc = 14,75V Nghĩa biên độ biến đổi cực đại điện áp

đảm bảo không méo dạng lúc ±4,75V

IB =0mA

IB0

IBmax ECC/ Rc//Rt

ECC

UCE V

IC mA

P

N M

· ·

·

Như việc chọn điểm công tác tĩnh điểm Q dẫn tới biến thiên cực đại điện áp tải (đảm bảo , không méo dạng) đểu nhỏ 9,5v, hay để có biên độđiện áp cực đại, khơng làm méo dạng tín hiệu, điểm công tác tĩnh phải chọn đường tải tĩnh Cũng cần nói thêm điện áp khơng u cầu nghiêm ngặt độ méo điểm cơng tác tĩnh chọn điểm thích hợp đường tải

Mạch thí nghiệm: Khảo sát ba cách mắc tranzito

c - Ổn định điểm công tác tĩnh nhiệt độ thay đổi

Tranzito linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ sổ tay hướng dẫn sử dụng người ta thường cho dải nhiệt độ làm việc cực đại tranzito Ngoài giới hạn nhiệt độ kể tranzito bị hỏng không làm việc Ngay khoảng nhiệt độ cho phép tranzito làm việc bình thường biến thiên nhiệt độ

Khi tranzito làm việc, dòng ngược ICBO chảy qua chuyển tiếp biết nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ tăng phát xạ cặp điện tử, lỗ trống tăng, dòng ICBO tăng, từ quan hệ ICBO ICđã nêu phần trước:

( )CBO

B

CI α 1I

I = + +

Có thể thấy ràng ICBO tăng làm cho IC tăng (dù cho giả thiết IB a khơng

đổi) Dịng IC tăng nghĩa mật độ hạt dẫn qua chuyển tiếp colectơ tăng lên làm cho va chạm hạt với mạng tinh thể tăng Nhiệt độ tăng làm cho ICBO tăng chu kì lại lặp lại làm dòng IC nhiệt độ tranzito tăng Hiện tượng gọi hiệu ứng nhiệt Hiệu ứng nhiệt đưa tới : Làm chay đổi điểm cơng tác tĩnh khơng có biện pháp hạn chế tăng nhiệt độ làm hỏng tranzito Sự thay đổi nhiệt độ làm cho UBE thay đổi làm thay đổi dịng IC dẫn tới thay đổi điểm công tác tĩnh Trong điều kiện thơng thường ảnh hưởng địng ICBO đến IC nhiều so với UBE Bởi nói ảnh hưởng nhiệt độ

đến điểm cơng tác thường quan tâm đến dòng ICBO' Như sựổn định nhiệt độ hàm ý thay đổi dịng IC dịng ICBO thay đổi định nghĩa hệ sốổn

định nhiệt tranzito sau :

CBO C ΔI

ΔI

S= (2-54)

trong đó: IC = h21e IB + (1 + h21e) ICBO (2-55) Từ định nghĩa thấy S nhỏ tính ổn định nhiệt cao, trường hợp lí tưởng S = 0, (trong thực tế khơng có sựổn định nhiệt độ tuyệt đối)

Để xác định hệ số ổn định nhiệt S với sơ đồ tranzito cho trước, giả thiết nhiệt độ thay đổi, dòng ICBO biến đổi lượng DICBO, IB biến đổi lượng DIB IC bin đổi lượng DIC

Qua số biến đổi từ biểu thức (2-55) ta có : ( B C)

21e 21e CBO C /ΔΔ ΔI h 1 + h ΔI ΔI =

S (2-56)

Khi biết gia số dòng điện vào (2-56) tính hệ số ổn định nhiệt Biểu thức (2-56) biểu thức tổng quát để tính hệ sốổn định nhiệt độ chung cho loại mắc mạch

d-Phân cực tranzito dòng cố định

Nếu tranzito mắc hình 2.39, dịng IB từ nguồn chiều cung cấp cho tranzito không đổi, người ta gọi điều kiện phân cực phân cực dịng khơng đổi Có thể có hai cách tạo dòng cố định, trường hợp thứ

hình 2.39a dùng nguồn chiều Ecc Dòng IB cố định Ecc RB Từ hình 2.39a tính được:

B BE cc B R U E =

Hình 2.39: Mạch phân cực dịng khơng đổi a)Mạch nguồn; Mạch hai nguồn

Trường hợp thứ hai hlnh 2.39b Người ta dùng hai nguồn chiều Hai mạch hoàn toàn tương đương Nếu Ecc = UBB thay 2.39a

Căn vào sơđồ ngun lí hlnh 2.39a, suy biểu thức cho việc tính tốn thiết kế mạch phân cực dịng cốđịnh áp dụng định luật Kiếckhơp (Kirchhoff)

cho vòng mạch bazơ ý ởđây UBB = Ecc viết

BE B B

cc I R U

E = + (2-58)

Khi làm việc chuyển tiếp emitơ phân cực thuận UBE thường nhỏ (từ 0,2v đền 0,7V) biểu thức (2-58)có thể bỏ qua, viết:

Ecc=IB.RB (2-59)

Và

B cc B

R E

I » (2-60)

Trong mạch colectơ viết:

Ecc = IcRt + UcE (2-61) Biểu thức (2-61) thường gọi phương trình đường tải, giá trị Ecc Rt cố

định, từ (2-61) thấy Ic tăng UcE giảm ngược lại Ic giảm UcE tăng Từ biểu thức tính điều kiện phân cực tĩnh biết hệ số

khuếch đại dòng tĩnh h21e giá trị phần tử mạch

Bây xét tới tính ổn định nhiệt loại sơđồ phân cực hình 2.39 Như biết theo kiểu mắc mạch IB ln không đổi cho nên:

0

ΔI

ΔI

C

B = (2-62)

S = h21e + (2-63) Từ biểu thức (2-63), rút kết luận sau:

Sơ đồ phần cực tranzito dòng cố định có hệ số ổn định nhiệt S phụ thuộc vào hệ số khuếch đại dòng tĩnh h21e, nghĩa dùng loại mạch muốn thay đổi

độ ổn định nhiệt có cách thay đổi tranzito thường lớn hệ số S loại mạch lớn ổn định nhiệt kém.Trong thực tế cách phân cực cho tranzito hình 2.39 dùng yêu cầu ổn định nhiệt không cao

e - Phân cực cho tranzito điện áp phản hồi (phân cực colectơ - bazơ)

Ở biết mạch phân cực tranzito dòng ổn định có độ ổn định nhiệt khơng cao, ngồi dịng Ic tăng làm điện áp UcE giảm Có thể lợi dụng tượng làm cho dòng IB giảm ổn định dịng Ic Thật dịng Ic phụ thuộc vào hai yếu tố ICBO IB ảnh hưởng nhiệt độ dòng ICBO tăng lên khiến Ic tăng lên Nhưng lợi dụng tăng dòng Ic làm giảm dòng IB khiến dịng Ic giảm bớt kết dịng Ic trở lại giá trị ban đầu

Hình 2.40: Phân cực điện áp phản hồi điện áp colectơ-bazơ

Việc mắc tranzito hình 2.40 thỏa mãn điều kiện Cách phân cực tranzito gọi phân cực colectơ Như thấy sơđồ, điện trở RBđược nối trực tiếp cực colectơ cực bazơ Sự khác mạch phân cực điện áp phản hồi ứng dòng phân cực cố định : mạch phân cực điện áp phản hồi bao hàm chế dòng lB cảm biến theo điện áp (hoặc dòng

điện) mạch ra, cịn mạch phân cực dịng cố định khơng có điều Điểm cơng tác tĩnh xác định sau:

Từ hình 2.40, quan hệ điện áp mạch có dạng

Ecc = (Ic + IB)Rt + IB.RB + UBE (2-65) Nếu coi UBE nhỏ, bỏ qua

Ecc = (Ic + IB)Rt + UBE (2-65) Từ 2-64 2-66 cô thể suy ra:

UcE » IBRB (2-67) Thay Ic = h21e.IB vào biểu thức (2-66) ta tìm

Ecc = (h21e + 1)IB.Rt + IBRB (2-68) rút ra:

( 21e ) t B

cc BQ R R h E I + +

= (2-69)

Sau tính dịng colectơứng với điểm cơng tác tĩnh Q

IcQ = h21e.IBQ (2-70) Và điện áp colectơ emitơứng với điểm công tác tĩnh Q vào (2-67) tính

được:

UcEQ = IBQ.RB (2-71)

Nếu biết h21e tranzito áp dụng biểu thức (2-70) (2-71) tính

điều kiện phân cực tĩnh tranzito

Bây xác định đặc tính ổn định nhiệt độ mạch phân cực dùng điện áp phản hồi

Từ biểu thức (2-66), tìm

t B t c C B cc

B R R

R I R R E I + -+

= (2-72)

Lấy vi phân biểu thức (2-72) theo Icđược:

t B t c B R R R dI dI +

-= (2-73)

Thay biểu thức (2-73) vào (2-56), được;

( )

[ 21e t B t ] 21e R R R h 1 h S + + +

Có thể biến đổi (2-74) dạng thuận lợi cho việc tính tốn

B t e 21

t B e

21

R + R ) + h (

) R + R )( + h ( =

S (2-75)

Từ biểu thức (2-75) có nhận xét hệ sốổn định S mạch phân cực

điện áp phản hồi không cố định mà phụ thuộc vào giá trị điện trở RB Rt Trong trường hợp RB << Rt S gần tới đơn vị, điều nói lên dù có mạnh Rb hệ sốổn định nhiệt S khơng giảm xuống nhỏ

Điện áp phản hồi âm qua điện trở RB mạch phân cực làm tăng tốc độ ổn

định nhiệt đồng thời lại làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều (xem mục 2.3) Như nói để tăng tính ổn định nhiệt độ, phải làm giảm điện trở Rb hệ số khuếch đại mạch giảm đi, có mâu thuẫn độ ổn định nhiệt mạch hệ số khuếch đại

Có cách cho phép đạt độổn định nhiệt cao mà khonng phải trả giá

hệ số khuếch đại cách mắc mạch nhưở hình 24.1 Điện trở Rb trường hợp chia làm hai thành phần R1 R2, điểm nối điện trở nối đất qua tụ C Đối với điện áp dịng chiều tụ C coi hở mạch khơng ảnh hưởng đến chế độ chiều Ngược lại với tín hiệu xoay chiều tụ C coi ngắn mạch xuống đất khơng cho phản hồi ngược lại đầu vào

Hình 2.41: Phương pháp loại trừ phản hồi tín hiệu xoay chiều

Qua phân tích thấy mạch phân cực điện áp phản hồi có độ ổn định tốt mạch phân cực dòng cố định, nhiên hai phân cực tăng độổn

g Phân cực tranzito dòng emitơ (tự phân cực)

Mạch phân cực tranzito dịng emitơ có dạng hình 2.42 Điện R1, R2 tạo thành phân áp cốđịnh tạo UB đặt vào Bazơ tranzito từ điện áp nguồn Ecc Điện trở RE mắc nối tiếp với cực emitơ tranzito có điện áp rơi UE = IERE Vậy: IE = (UB – UBE)/RE (2-76)

Nếu thỏa mãn điều kiện UB ³UBE IE » UBE/RE (2-77) ổn định.Để tiện cho viejc phân tích vẽ sơđồ tương đương hình 2.42 hình 2.43 cách áp dụng định lý tevenin :

RB =

2

2

R + R

R R

(2-78)

UB =

2

cc

R + R

E R

(2-79)

Hình 2.42: Phân cực dịng IE Hình 2.43: Sơđồ tương đương tĩnh

Vấn đềởđây phải chọn R1 R2 đểđảm bảo cho UBổn định Từ hình 2.42 thấy rõ phải chọn R1 R2 cho RB không lớn nhiều so với RE, không phân cực mạch lại tương tự trường hợp phân cực dịng cốđịnh Để có UB

Căn vào sơ đồ tương đương (h.2.43) để phân tích mạch phân cực dịng emitơ Tổng điện áp rơi mạch bazơ bằng:

UB= IBRB + UBE + (IC + IB)RE (2-80) Trong thay IE = Ic + IB biết h21e biến đổi (2-80) thành UB = IB[ RB+(h21e + 1)RE] + UBE + ICO(h21e + 1) RE (2-81)

Trước phân tích ý điện áp UBE trường hợp phân cực bỏ qua trường hợp khác Trong trình làm việc chuyển tiếp emitơ phân cực thuận tổng điện áp chiều đầu vào mạch UB Trong hầu hết trường hợp UB nhỏ Ecc nhiều lần Trước bỏ qua UBE nhỏ so với Ecc , trường hợp UBE độ lớn vào cỡ UB bỏ qua Số hạng cuối (2-81) chứa Ico thường

được bỏ qua thực tế dòng ngược nhỏ (với tranzito silic dòng có vài nano ampe )

Cũng từ sơ đồ tương đương hình 2.43 có điện áp emitơ đất IE RE Dòng emitơ IE = IC + IB = (h21e +1)IB (bỏ qua dòng ngược Ico) Như điện áp emitơ đất viết UE = (h21e +1)IB.RE Đại lượng (h21e +1) đại lượng khơng thứ ngun nên liên hệ với IB tạo thành dòng (h21e + 1) liên hợp với RE tạo thành điện trở (h21e +1)IB Nếu quan niệm nói điện áp emitơ đất điện áp dòng (h21e +1)IB rơi điện trở RE hay dòng IB rơi điện trở (h21e+1)RE

Nếu thành phần điện áp gây Ico biểu thức (2-81) bỏ qua biểu thức minh họa sơđồ tương đương hình 2.44 Ởđây điện trở RE -trong nhánh emitơ biến thành điện trở (h21e +1)RE mạch bazơ Một cách tổng quát, điện kháng mạch emitơ biến đổi sang mạch bazơ cách nhân với (h21e +1)

Từ hình 2.44 biểu thức (2-81) tìm thấy dịng bazơ điểm phân cực

IBQ =

E B

BE B

1)R + (h21e + R

U U

(2-82)

Từđó tính

ICQ = h21e.IBQ (2-83)

Từ sơđồ tương đương hình 2.44 mạch colectơ viết :

Ecc = Ic.Rt + UE + IERE (2-86)

Biết Ic thường lớn IB nhiều lần bỏ qua thành phần điện áp IB gây RE Như (2-86) viết thành :

Hình 2.44: Sơđồ tương đương mạch Bc

Biểu thức (2-87) biểu thức đường tải tĩnh mạch phân cực dòng emitơ Nếu dòng EcQ UcEQ dòng điện điện áp ứng với điểm cơng tác tĩnh viết (2-87) thành dạng :

UECQ = Ecc - (Rt + RE) IcQ (2-88)

Căn vào biểu thức (2-88) tính điều kiện phân cực tĩnh tranzito biết hệ số khuếch đại h21e loại tranzito

Sau xét độổn định nhiệt mạch phân cực dòng emitơ, viết lại (2-80) dạng :

IC =

E E B B BE B R ) R + R ( I U U

Do

IB =

E B B C E B BE B R + R R I R + R U U (2-89)

Lấy đạo hàm riêng biểu thức theo Ic lần ý UBE không

đổi sẽđược : E B E E B k = R + R R = I I (2-90)

Theo định nghĩa hệ sốổn định nhiệt trường hợp này: S= ) k h ( + 1 + h e 21 e

Từ (2-91) thấy hệ sốổn định nhiệt tiến tới cực tiểu (độổn định cao nhất) k2 có giá trị nhỏ Điều có nghĩa mạch ổn định, phải thiết kế cho RE có giá trị lớn tốt, giá trị RB nhỏ tốt Hệ số k2 không nhỏ 1, giá trị dẫn tới (ứng với trường hợp RE lớn RB nhỏ ) từ

đó suy hệ số ổn định S giảm nhỏ tới giới hạn Một nhận xét quan trọng hệ số ổn định S không phụ thuộc vào Rt nghĩa không phụ thuộc vào điểm công tác

Hình 2.45:Dùng tụ ngăn hồi tiếp âm Re

a) Ngắn mạch hoàn toàn b) Ngắn mạch phần

Ở nói vấn đề nâng cao độ ổn định nhiệt loại mạch cách tăng RE giảm RB Bản chất ổn định nhiệt loại mạch dịng phản hồi âm qua điện trở RE Tăng RE có nghĩa tăng phản hồi âm làm giảm tín hiệu khuếch đại xoay chiều mạch Để khắc phục mâu thuẫn thực tế dung hai mạch hình 2.45a,b Dùng kiểu mạch loại trừ nhỏ tác dụng phản hồi âm tín hiệu xoay chiều (xem phần 2.3), khơng làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều mạch Giá trị CE phân mạch ởđây phải chọn

đủ lớn cho tín hiệu xoay chiều trở kháng gần ngược lại với dịng chiều coi hở mạch

Thực tế thường gặp trường hợp phải thiết kế mạch phân cực biết điều kiện phân cực hệ số khuếch đại tranzito

Ở phần xét ảnh hưởng nhiệt độ đến dịng Ico Sau trình bày ảnh hưởng nhiệt độđến dòng UBE hệ số khuếch đại h21e Đối với hai loại tranzito, làm từ silic gecmani, nhiệt độ tăng UBE giảm, h21e lại tăng

Ảnh hưởng nhiệt độ đến tham số tranzito silic công tác khoảng -61˚C đến +175˚C cịn tranzito từ -63˚C đến +75˚C Sự khác trị số ICO UBE tranzito silic tranzito gecmani biến thiên ngược nhiệt độ thay

đổi Bảng (2-4) liệt kê giá trịđiển hình ICO, UBE h21e tranzito silic gecmani nhiệt độ khác

Bảng – Giá trịđiển hình tham số chịu ảnh hưởng nhiệt độ

Từ bảng 2- có nhận xét: Ở nhiệt độ phòng tranzito silic Ico cỡ nano ampe, có thay đổi khơng ảnh hưởng đáng kể đến Ic ảnh hưởng nhiệt độ đến điêm công tác tĩnh tranzito chủ yếu thông qua UBE Để

khắc phục ảnh hưởng thực tế thường mắc nối tiếp emitơ điôt silic phân cực thuận có chiều ngược với chuyển tiếp emitơ hình 2.46 Bằng cách mắc

vậy thấy thay đổi điện áp thuận cực điơt bù trừ biến

đổi UBE tranzito nhiệt độ gây Điôt bù nhiệt sơđồ phân cực thuận nguồn EDD điện trở thuận nhỏ Sơ đồ hồn tồn tương đương với sơ đồ phân cực dòng emitơ xét phần Đối với tranzito gecmani ngược lại, nhiệt độ phòng Ico lớn nhiệt độ thay

đổi ảnh hưởng dòng Ico đến tham số tranzito chiếm ưu Đểổn định nhiệt

Vật liệu làm tranzito ICO(A) UBE(V) h21e t,˚C

Si Ge Si Ge Si Ge

10-6

10-3

10-2

độ cho sơ đồ, người thiết kế phải ý chủ yếu đến việc giảm hệ số ổn định nhiệt độ

S

Qua bảng (2-4) thấy hệ số khuếch đại dòng h21e phụ thuộc vào nhiều vào nhiệt độ Hơn nhiệt độ, tranzito có loại ký hiệu (được chế tạo nhau) hệ số h21e vài ba lần Như biết hệ số h21eảnh hưởng nhiều đến điểm công tác tĩnh tranzito Bởi đểổn định điểm công tác tĩnh, người thiế kế phải ý đến thay

đổi hệ số h21e có loại tranzito dùng mạch điện Đểđịnh lượng phụ thuộc Ic vào h21e, giả thiết giá trị Ucc Rt biết hệ số khuếch đại dòng tranzito biến thiên từ h21e1 đến h21e2 bỏ qua Ico (gọi Ic1 dòng ứng với trường hợp hệ số khuếch đại h21e1 Ic2ứng với h21e2) tính :

Ic1 = h21e1

E e 21 B BE B R ) + h ( + R U U (2-92) Ic2 = h21e2

E e 21 B BE B R ) + h ( + R U U (2-93) Lấy hiệu số (2-92) (2-93), được:

IC = [ ][ ]

E e 21 B E e 21 B E B e 21 e 21 BE B R ) + h ( + R R ) + h ( + R ) R + R )( h h )( U U ( (2-94)

Đem chia biểu thức (2-94) cho (2-92) biểu thức cho biến thiên tương

đối dòng Ic ) R + R R h + ( h h h = I I E B E e 21 e 21 e 21 e 21 C

C - (2-95)

Nhận xét biểu thức (2-95) thấy có chứa số hạng gần giống biểu thức định nghĩa sựổn định S ; biến đổi vế phải (2-95) thành:

K ) h + ( + h ) + h ( h h h = I I e 21 e 21 e 21 e 21 e 21 e 21 C

C - (2-96)

Nếu gọi S2 độổn định nhiệt độ h21e = h21e1, (2-95) viết thành : ) + h ( h S h Δ = I I e 21 e 21 e 21 C

C (2-97)

Trong ∆h21e = (h21e2 – h21e1) thường gọi độ sai lệch h21e

Biểu thức (2-97) cho thấy biến đổi dòng colectơ phụ thuộc trực tiếp vào độ sai lệch hệ số khuếch đại h21e kể Ngồi biểu thức cịn cho phép người thiết kế tính giá trị điện trở cần thiết giữ cho dòng Ic biến đổi phạm vi

2.2.4 Tranzito trường (FET)

Khác với tranzito lưỡng cực xét phần mà đặc điểm chủ yếu dòng

điện chúng hai loại hạt dẫn (điện tử lỗ trống tự do) tạo nên, qua hệ

thống gồm hai mặt ghép p-n gần điều khiển thích hợp, tranzito trường (cịn gọi tranzito đơn cực FET) hoạt động dựa nguyên lý ứng trường, điều khiển độ

dẫn điện đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng điện trường ngồi Dịng điện FET laọi hạt dẫn tạo Công nghệ bán dẫn, vi điện tử tiến bộ, FET tỏ rõ nhiều ưu điểm quang trọng hai mặt xử lý gia cơng tín hiệu với độ

tin cậy cao mức tiêu hao lượng cực bé Phần trình bày tóm tắt

đặc điểm quang trọng cảu FET cấu tạo, ngyuên lý hoạt động tham số đặc trưng hai nhóm chủng loại: FET có cực cửa tiếp giáp p-n (JFET) FET có cực cửa cách li (MOSFET hay IGFET)

a- Tranzito trường có cực cửa tiếp giáp (JFET)

- Cấu tạo ký hiệu qui ước:

Hình 2.47: Cấu tạp JFET ký hiệu quy ước

Hình 2.47a đưa cấu trúc JFET kiểu kênh n : đế tinh thể bán dẫn Si-n người ta tạo xung quanh lớp bán dẫn p (có tạp chất nồng độ cao so với đế) đưa điện cực cực nguồn S (Source), cực máng D (Drein) cực cửa G (Gate) Như hình thành kênh dẫn điện loại n nối hai cực D S, cách li với cực cửa G (dùng làm điện cực điều khiển) lớp tiếp xúc p-n bao quanh kênh dẫn Hoàn toàn tương tự, xuất phát từ đế bán dẫn loại p, ta có loại JFET kênh p với ký hiệu quy ước phân biệt cho hình 2.47b

Nguyên lý hoạt động: Để phân cực JFET, người ta dùng hai nguồn điện áp UDS > UGS < hình vẽ (với kênh P, chiều điện áp phân cực ngược lại, cho tiếp giáp p-n bao quanh kênh dẫn phân cực ngược) Do tác dụng điện trường này, kênh dẫn xuất dòng điện (là dòng điện tử

với kênh n) hướng từ cực D tới cực S gọi dịng điện cực máng ID Dịng ID có độ lớn tuỳ thuộc vào giá trị UDS UGS độ dẫn điện kênh phụ thuộc mạnh hai điện trường Nếu xét riêng phụ thuộc ID vào điện áp giữ cho

GateG Si-n

D Drain

SSource p

D

S

G - Kênhn

D

S

điện áp cịn lại khơng đổi (coi tham số) ta nhận hai hệ hàm quan trọng nhât JFET :

ID = f1(UDS)│UGS = const ID = f2(UGS)│UGS = const

Hình 2.48: Họđặc tuyến đặc tuyến truyền đạt

Biểu diễn f1ứng với vài giá trị không đổi UGS ta thu họđặc tuyến JFET

Đường biểu diễn f2 ứng với giá trị không đổi UDS cho ta họ đặc tuyến truyền đạt JFET Dạng điển hình họ đặc tuyến cho hình 2.48 a b

Đặc tuyến JFET chia làm vùng rõ rệt:

- Vùng gần gốc, UDS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo UDS phụ thuộc vào UGS Đây vùng làm việc JFET giống điện trở lúc

đường cong bị uốn mạnh (điểm A hình 2.48 a ứng với đường UGS = 0V)

- Vùng điểm A gọi vùng thắt (vùng bão hoà) UDSđủ lớn, ID phụ thuộc yếu vào UDS mà phụ thuộc mạnh vào UGS Đây vùng JFET làm việc phần tử khuếch đại, dòng IDđược điều khiển điện áp UGS Quan hệ

đúng điểm B

- Vùng điểm B gọi vùng đánh thủng, UDS có giá trị lớn, ID tăng đột biến tiếp giáp p-n bị đánh thủng thác lũ xảy khu vực gần cực D điện áp ngược đặt lên tiếp giáp p-n vùng lớn

Qua đồ thịđặc tuyến ra, ta rút nhận xét sau:

- Khi đặt trị số UGS âm dần, điểm uốn A xác định ranh giới hai vùng tuyến tính bảo hồ dịch gần phía gốc toạđộ Hồnh độđiểm A (ứng với trị số định

UDS V 10

ID mA

10 UGS= 0V

UGS= -1V

UGS= -2V

ID mA

-2

-4

4 8

UGS V

UDS = 10V

UGS) cho xác định giá trị điện áp gọi điện áp bảo hồ cực máng UDS0 (cịn gọi

điện áp thắt kênh) Khi │UGS│ tăng, UDS0 giảm

- Tương tự với điểm B : ứng với giá trị UGS âm hơn, việc đánh thủng tiếp giáp p-n xảy sớm hơn, với giá trị UDS nhỏ

Đặc tuyên truyền đạt JFET (h.2.48b) giống hệt đặc tuyến anot-lưới

đèn cực chân không, xuất phát từ giá trị UGS0, ID = 0, gọi điện áp khố (còn ký hiệu UP) Độ lớn UGS0 UDS0ứng với đường UGS = họđặc tuyến Khi tăng UGS, ID tăng tỉ lệ độ dẫn điện kênh tăng theo mức độ giảm phân cực ngược tiếp giáp p-n Lúc UGS = 0, ID = ID0 Giá trị ID0 dòng tĩnh cực máng khơng có điện áp cực cửa Khi có UGS < 0, ID < ID0 xác định

ID = ID0 (1- UGS / UGS0 (2-98a)

Có thể giải thích tóm tắt đặc tuyến JFET giản đồ cấu tạo hình 2.49 trường hợp khác ứng với giá trị UGS UDS

Khi UGS có giá trị âm tăng dần UDS = 0, bề rộng vùng nghèo chuyển tiếp p-n rộng dần ra, chủ yếu phía kênh dẫn n tạp chất pha yếu nhiều so vớivùng p, làm kênh dẫn bị thắt lại dọc theo phương DS (h.2.49a) Ngược lại cho UGS = tăng dần giá trị điện áp máng nguồn UDS , kênh bị co lại khơng có hình phểu, phía cực D thắt mạnh phân bố trường dọc theo kênh từ D tới S, lúc UDS = UDS0 kênh bị thắt lại điểm A Sau đó, tăng UDS làm điểm thắt A dịch dần phía cực S (h.2.49b) Quá trình xảy sớm có thêm UGS < hình 2.49c làm giá trị điện áp thắt kênh giảm nhỏ Rõ ràng đọ dẫn điện kênh dẫn phụ thuộc hai điện áp UGS UDS, cịn sau có tượng thắt kênh, dòng cực máng hạt dẫn (điện tử) phun từ kênh qua tiếp giáp p-n tới cực máng phụ thuộc yếu vào UDS phụ thuộc chủ yếu vào tác dụng điều khiển UGS tới chuyển tiếp p-n phân cực ngược, qua tới dịng điện cực máng ID

Hình 2.49b: Giải thích vật lý đặc tuyến JFET cấu trúc 2D - Các tham số chủ yếu JFET gồm hai nhóm:

Tham số giới hạn gồm có:

· Dịng cực máng cực đại cho phép IDmax dòng điện ứng với điểm B đặc tuyến (đường ứng với giá trị UGS = 0) ; Giá trị IDmax khoảng £ 50mA;

· Điện áp máng - nguồn cực đại cho phép điện áp nguồn UGSmax UDSmax = UB/(1,2 ¸ l,5) (cỡ vài chục Vôn)

ởđây UB điện áp máng nguồn ứng với điểm B

Tham số làm việc gồm có:

· Điện trở hay điện trở vi phần đầu ri = ∂UDS/∂ID |UGS = const (cỡ 0,5 MW) ri thể độ dốc đặc tuyến vùng bão hòa

· Hỗ dẫn đặc tuyến truyền đạt: const = U | U

∂

I

∂

=

S DS

GS D

cho biết tác dụng điều khiển điện áp cực cửa tới dịng cực máng, giá trịđiển hình với JFET S = (7 - 10)mA/V

Cần ý giá trị hỗ dẫn S đạt cực đại S = So lúc giá trị điện áp UGS lân cận điểm (xem dạng đặc tuyến truyền đạt JFET hình 2.48b) tính So = 2IDO/UGSO

· Điện trở vi phân đầu vào:

G GS vào ∂I

U

∂

= r

r vào tiếp giáp p-n định, có giá trị khoảng 109W

· Ở tần số làm việc cao, người ta quan tâm tới điện dung cực CDS CGD (cỡ pf)

b - Tranzito trường có cực cửa cách li (MOSFET) - Cấu tạo kí hiệu quy ước:

Đặc điểm cấu tạo MOSFET có hai loại thể hình 2.50 a 2.50 b

Kí hiệu quy ước MOSFET mạch điện tửđược cho hình 2.51 a, b, c d

Trên đế đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại p (Si-p), người ta pha tạp chất phương pháp công nghệ đặc biệt (plana, Epitaxi hay khuếch tán ion) để tạo vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ pha tạp cao so với đế) lấy hai điện cực D S Hai vùng nối thông với nhờ kênh dẫn điện loại n hình thành trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn hình 2.50a) hay hình thành sau có điện trường ngồi (lúc làm việc mạch điện) tác động (loại kênh cảm ứng - hình 2.50 b) Tại phần đối diện với kênh dẫn, người ta tạo điện cực thứ

Hình 2.50: Cấu tạo MOSFET

a) Loại kênh đặt sẵn; b) Loại kênh cảm ứng - Nguyên lí hoạt động đặc tuyến Von-Ampe

Để phân cực MOSFET người ta đặt điện áp UDS > Cần phân biệt hai trường hợp:

Với loại kênh đặt sẵn, xuất dòng điện tử kênh dẫn nối S D mạch ngồi có dịng cực máng ID (chiều vào cực D), chưa có điện áp đặt vào cực cửa (UGS = 0)

Nếu đặt lên cực cửa điện áp UGS > 0, điện tử tự có vùng đế (là hạt thiểu số) hút vào vùng kênh dẫn đối diện với cực cửa làm giầu hạt dẫn cho kênh, tức làm giảm điện trở kênh, lám tăng dịng cực máng ID Chếđộ làm việc

được gọi chếđộ giầu MOSFET

Hình 2.51: Kí hiệu quy ước MOSFET

Nếu đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, trình ngược lại, làm kênh dẫn bị nghèo hạt dẫn (là điện tử) bịđẩy xa khỏi kênh Điện trở kênh dẫn tăng tùy theo mức độ tăng UGS theo chiều âm làm giảm dòng ID Đây chế độ nghèo MOSFET

Kênh N

Kênh P

Nếu xác định quan hệ hàm số ID = F3(UDS) lấy với giá trị khác UGS Ií thuyết thay thực nghiệm, ta thu họ đặc tuyến MOSFET loại kênh n đặt sẵn hình vẽ 2.52a

Hình 2.52: Đặc tuyến MOSFET

· Với loại kênh cảm ứng, đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, khơng có dịng cực máng (ID = 0) tồn hai tiếp giáp p-n mắc đối vùng máng - đế nguồn -

đế, khơng tồn kênh dẫn nối máng - nguồn Khi đặt UGS > 0, vùng đế

đối diện cực cửa xuất điện tử tự (do cảm ứng tĩnh điện) hình thành kênh dẫn điện nối liền hai cực máng nguồn Độ dẫn kênh tăng theo giá trị UGS dịng điện cực máng ID tăng Như MOSFET loại kênh cảm ứng làm việc với loại cực tính UGS chỉở chếđộ làm giầu kênh Biểu diễn quan hệ hàm ID= F4(UDS), lấy với giá trị UGS khác nhau, ta có họ đặc tuyến MOSFET kênh n cảm ứng hình 2.52b

· Từ họ đặc tuyến MOSFET với hai loại kênh đặt sẵn kênh cảm ứng giống đặc tuyến JFET xét, thấy rõ có vùng phân biệt : vùng gần gốc ID tăng tuyến tính theo UDS phụ thuộc vào UGS, vùng bão hịa (vùng thắt) lúc

đó ID phụ thuộc mạnh vào UGS, phụ thuộc yếu vào UDS vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị lớn

giáp p-n cực máng - đế tăng đần điện áp UDS Điều làm kênh dẫn có tiết diện hẹp dần từ cực nguồn tới cực máng bị thắt lai điểm ứng với điểm uốn ranh giới hai vùng tuyến tính bão hịa đặc tuyến Điện áp tương ứng với điểm gọi điện áp bão hòa UDSO (hay điện áp thắt kênh)

Hình 2.53a b đường biểu diễn quan hệ lD = f5(UGS) ứng với giá trị cố

định UDS với hai loại kênh đặt sẵn kênh cảm ứng, gọi đặc tuyến truyền

đạt MOSFET

Hình 2.53: Đặc tuyến truyền đạt MOSFET

Khi sử dụng FET mạch điện tử, cần lưu ý tới số đặc điểm chung sau đây:

- Việc điều khiển điện trở kênh dẫn điện áp UGS thực tế gần không làm tổn hao cơng suất tín hiệu, điều có cực điều khiển cách li điện với kênh dẫn hay điện trở lối vào cực lớn (109¸1013W so với loại tranzito bipolal dịng điện dị đầu vào gần khơng, với cơng nghệ CMOS điều gần đạt tới lí tưởng Nhận xét đặc biệt quan trọng với mạch điện tử analog phải làm việc với tín hiệu yếu với mạch điện tử digital đòi hỏi cao mật độ tích hợp phần tử với tính phản ứng nhanh chi phí lượng địi hỏi thấp chúng

- Đa số FET có cấu trúc đối xứng cực máng (D) nguồn (S) Do tính chất FET khơng thay đổi đổi lẫn vai trị hai cực

- với JFET MOSFET chế độ nghèo, dòng cực máng đạt cực đại ID IDmax, lúc điện áp

đặt vào cực cửa không UGS = Do chúng gọi chung họ FET thường mở Ngược lại, với MOSFET chế độ giầu, dịng ID =0 lúc UGS = nên

được gọi họ FET thường khoá Nhận xét có ý nghĩa xây dựng sơ đồ

khố ( mạch lơgic số ) dựa công nghệ MOS

-Trong vùng gần gốc họ đặc tuyến FET UDS £ 1,5V, dòng cực máng ID tỉ lệ với UGS Lúc đó, FET tương đương điện trở có giá trị thay

đổi theo UGS Dòng ID nhỏ khi UGS âm với loại kênh n, ngược lại ID nhỏ UGS > nhỏ với loại kênh p Hình 2.54 mơ tả họ đặc tuyến FET vùng gần gốc

Hình 2.54a: Đặc tuyến vùng gần gốc

ID

Hình 2.54b: Dạng đóng vỏ MOSFET thực tế

Sử dụng tính chất FET, xây dựng phận áp có điều khiển

đơn giản hình 2.55

Khi hệ số chia áp là: η=

vao

U U

=

) U ( r + R

) U ( r

dK DS

dK

DS (2-98b)

phụ thuộc vào điện áp điều khiển UdK, thường chọn R>> rDS0 để dải η đủ rộng Lưu ý UDS > 1V tính chất tuyến tính ID UDS( với UGS khác ) khơng cịn

đúng Nếu sử dụng cảvùng xa gốc 1V, cần tuyến tính hố theo mạch hình 2.55b Điện trở R2 đưa phần điện áp UDS tới cực cửa bổ sung cho UGS bù lại phần cong rDS Khi chọn R2= R3 >> rDS

UGS =

2

Hình 2.55: Ngun lí phân áp có điều khiển dùng JFET

-Tương tự với tranzito lưỡng cực, tồn kiểu mắc FET mạch khuếch đại máng chung MC, nguồn chung NC cửa chung Tuy nhiên mạch cửa chung gặp thực tế Hai dạng MC NC cho hình 2.56 với tham số

tóm tắt loại ý nghĩa tầng khuếch đại điện áp (xem thêm mục 2.3)

Mạch nguồn chung Mạch máng chung Hệ số khuếch đại điện áp Ku =1+[S(R //r )]

1

DS S

Ku = -S(RD//rDS) = -SRD

in tr vo Rvo= rGSđ Ơ Rvo= rGSđƠ

Điện trở Rra= (RD//rDS) Rra = RS//(1/S)

(2-100) (2-101)

-Khi thay FET kênh n loại FET kênh p mạch điện, cần thay đổi cực tính điện áp nguồn cực tính điơt tụ hố sử

Hình 2.56: Ngun lí mạch Sc Dc 2.3 KHUẾCH ĐẠI

2.3.1 Những vấn đề chung

a – Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại

Một ứng dụng quan trọng tranzito sử dụng mạng để làm tăng cường độ điện áp hay dịng điện tín hiệu (mà thường gọi mạch khuếch

đại) Thực chất khuyếch đại trình biến đổi lượng nguồn cung cấp chiều (không chứa đựng thông tin) biến đổi thành dạng lượng xoay chiều (có quy luật biến đổi mạng thơng tin cần thiết).Nói cách khác, q trình gia cơng xử lí thơng tin dạng analog

Hình 2.57 đưa cấu trúc ngun lí để xây dựng tầng khuếch đại.Phần tử

Hình 2.57: Nguyên lý xây dựng tầng khuếch đại

Đểđảm bảo công tác cho tầng khuếch đại mạch phải có thành phần dòng chiều Io điện áp chiều Uo Tương tự, mạch vào, ngồi nguồn tín hiệu cần khuếch đại, người ta đặt thêm điện áp chiều Uvo(hay dòng điện chiều Ivo) Thành phần dòng điện điện áp chiều xác định chế độ tĩnh tầng khuếch đại Tham số chếđộ tĩnh theo mạch vào (Ivo, Uvo) theo mạch (Io, Uo)

đặc trưng cho trạng thái ban đầu sơđồ khơng có tín hiệu vào

b – Các tiêu tham số tầng khuếch đại

Đểđánh giá chất lượng tầng khuyếch đại, người ta định nghĩa tiêu tham số sau:

Hệ số khuếch đại

K= Đại lượng đầu / Đại lượng đầu vào

Nói chung tầng khuếch đại có chứa phần tử điện kháng nên K số

phức:

K= K exp(jjk)

Phần môđun K thể quan hệ cường độ (biên độ) đại lượng đầu đầu vào, phần góc pha jk thể độ dịch pha chúng nhìn chung độ

lớn K jk phụ thuộc vào tần số w tín hiệu vào Nếu biểu diễn K = f1(w) ta nhận đường cong gọi đặc tính biên độ - tần số tầng khuếch đại Đường biểu diễn jk=f2(w) gọi đặc tính pha - tần số

K (dB) = 20lg K (2-103) Khi ghép liên tiếp n tầng khuếch đại với hệ số khuếch đại tương ứng k1…kn hệ số khuếch đại tổng cộng khuếch đại xác định bởi:

K= k1,k2,…,kn

Hay K (dB) = k (dB) + … + k (dB) n (2-104)

Hình 2.58: Đặc tuyến biên độ - tần số pha tầng khuếch đại

· Đặc tính biên độ tầng khuếch đại đường biểu diễn quan hệ Ura =f3(Uvào) lấy tần số cốđịnh dải tần số tín hiệu Uvào

Dạng điển hình K = f1(w) Ura = f3(Uvào) khuếch đại điện áp tần số thấp cho hình 2.58:

· Trở kháng lối vào lối tầng khuếch đại định nghĩa: Zvào=

vao vao

I U

; Zra = a I

Ura (2-105)

Nói chung chúng đại lượng phức : Z= R + jX

biên độ tương ứng Unm lúc hệ số méo không đường thẳng tầng khuếch đại gây đánh giá là:

g =

m

2 nm

m

m

U

) U + + U + U (

% (2-106)

Trên nêu số tiêu quan trọng tầng hay(một khuếch đại gồm nhiều tầng ) Căn vào tiêu này, người ta phân loại

khuếch đại với tên gọi đặc điểm khác nhau.Ví dụ theo hệ số K có khuếch

đại điện áp (với yêu cầu có Kumax, Zvào >> Znguồn Zra<< Ztải, khuếch đại công suất (Kpmax,Zvào » Znguồn, Zra » Ztải ) hay khuếch đại dòng điện (với Kimax,Zvào << Znguồn, Zra >> Ztải )

Cũng phân loại theo dạng đặc tính K = f1(w), từđó có khuếch đại chiều, khuếch đại tần số thấp, khuếch đại tần số cao , khuếch đại chọn lọc tần số… theo phương pháp ghép tầng…

c – Các chếđộ làm việc tầng khuếch đại

Để phần tử khuếch đại (tranzito) làm việc bình thường, tin cậy chếđộ xác

định cần hai điều kiện bản:

· Xác lập cho điện cực bazơ, colectơ emitơ điện áp chiều cố định, gọi phân cực tính cho phần tử khuếch đại Điều đạt nhờ phương pháp phân cực kiểu dịng hay kiểu định áp nhưđã trình bày phần 2.2.3 nói tới tranzito

· Ổn định chế độ tĩnh xác lập để trình làm việc, chế độ phần tử khuếch đại hoàn toàn phụ thuộc vào điện áp điều khiển đưa tới lối vào

Điều thường thực nhờ phương pháp hồi tiếp âm thích hợp (sẽ nói tới phần tiếp sau)

· Khi thoả mãn hai điều kiện trên, điểm làm việc tĩnh tranzito cốđịnh vị

trí họđặc tuyến xác định cách sau :

Từ hình vẽ 2.57 có phương trình điện áp cho mạch lúc Uvào =0 là:

UCeo= IcoRc= Ec (2-107) Khi Uvào ¹ UCE + IcEc (2-108) Phương trình (2-107) cho ta xác định đường thẳng họ đặc tuyến tranzito gọi đường tải chiều tầng khuếch đại Phương trình (2-108) cho xác

định đường thẳng thứ hai gọi đường tải xoay chiều đặc tuyến động tầng khuyếch đại (h.2.59)

· Nếu P nằm khoảng hai điểm M N, M N giao điểm đường thẳng tải với đường đặc tuyến tĩnh ứng với chếđộ tới hạn tranzito UBEmax (hay IBmax) UBE = (hay IB = 0) hình 2.59, ta nói tầng khuếch đại làm việc chế độ A Chếđộ có hai đặc điểm là: vùng làm việc gây méo

g nhỏ hiệu biến đổi lượng tầng khuếch đại thấp

Hình 2.59: Đặc tuyến động (đường tải xoay chiều) tầng khuếch đại (EC) cách xác định điểm làm việc tĩnh P

Khi P dịch dần phía điểm N, tầng khuếch đại chuyển dần sang chế độ AB lúc P trùng với N, ta nói tầng khuếch đại làm việc chế độ B Đặc điểm chủ yếu chế độ B có méo lớn (do phần tín hiệu mạch bị cắt lúc mạch vào dòng IB » 0) hiệu suất biến đổi lượng tầng tương đối cao (vì dịng tĩnh nhỏ)

khi P nằm ngồi N lân cận M, ta nói tầng khuếch đại làm việc chế độ

khóa với hay trạng thái tới hạn phần biệt tranzito: mở bão hòa (lúc P nằm gần M) hay khóa dịng (lúc P nằm N) Chếđộ thường sử dụng mạch xung

d - Hồi tiếp tầng khuếch đại

Hồi tiếp thực việc truyền tín hiệu từ đầu đầu vào khuếch đại Thực hồi tiếp khuếch đại cải thiện hầu hết tiêu chất lượng làm cho khuếch đại có số tính chất đặc biệt Dưới ta phân tích quy luật chung thực hồi tiếp khuếch đại Điều đặc biệt cần thiết thiết kế khuếch đại IC tuyến tính

Hình 2.60 sơ đồ cấu trúc khuếch đại có hồi tiếp Mạch hồi tiếp có hệ số

truyền đạt b, rõ mối quan hệ tham số (điện áp, dịng điện) tín hiệu

IB =0mA

IB0

IBmax ECC/ Rc//Rt

ECC

UCE V

IC mA

N

·

M ·

P ·

mạch với tham số (điện áp, dịng điện) lối vào (trong trường hợp hình 2.61 lối khuếch đại)

Hình 2.60: Sơđồ khuếch đại có hồi tiếp

Hệ số khuếch đại K hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp nói chung số

phức

•

K = kexpjjK

•

β = bexpjjb

Nghĩa phải ý đến khả di pha miền tần cao tần thấp tồn phần tử điện kháng mạch khuếch đại mạch hồi tiếp

khuếch đại làm việc tần số trung bình, cịn mạch hồi tiếp khơng có thành phần

điện kháng, hệ số K b số thực Nếu điện áp khuếch đại tham số thực hồi tiếp ta có hồi tiếp điện áp, dịng điện mạch ta có hồi tiếp dịng điện Có thể hồi tiếp hỗn hợp dòng điện điện áp

Khi điện áp đưa hồi tiếp nối tiếp với nguồn tín hiệu vào ta có hồi tiếp nối tiếp Khi điện áp hồi tiếp đặt tới đầu vào khuếch đại song song với điện áp nguồn tín hiệu có hồi tiếp song song

Hai đặc điểm xác định loại mạch hồi tiếp cụ thể: hồi tiếp điện áp nối tiếp song song, hồi tiếp dòng điện nối tiếp song song, hồi tiếp hỗn hợp nối tiếp song song Hình 2.61 minh họa số thí dụ mạch hồi tiếp phổ biến khuếch đại Nếu hồi tiếp nối tiếp ảnh hưởng đến trị số điện áp vào thân khuếch đại Uy, hồi tiếp song song ảnh hưởng đến trị số dòng điện vào khuếch đại Tác dụng hồi tiếp làm tăng jK + jb = 2np giảm

khi jK + jb = (2n+1)p với n số nguyên dương, tín hiệu tổng hợp đấu vào hộ

khuếch đại tương ứng gọi hồi tiếp dương hồi tiếp âm

Hồi tiếp âm cho phép cải thiện số tiêu khuếch đại, dùng rộng rãi Đểđánh giá ảnh hưởng hồi tiếp đến tiêu khuếch

đại ta xét thí dụ hồi tiếp điện áp nối tiếp (h 2.61a) Hệ số khuếch đại có hồi tiếp

•

K

•

Kht = r •

U / v •

U (2-109)

y •

U = v •

U + ht •

U Chia hai vế (2-109) cho r

•

U ta có:

• r • ht • r • v • r • y U U + U U = U U

hay • •

ht • +β K = K (2-110)

ởđây: •

r • ht • U U =

β hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp Từ (2-110) ta tìm

• • • ht • β K -1 K = K (2-111)

Đểđơn giản việc phân tích ta đưa vào trị số thực K Kβ -1 K = Kht • (2-112)

Theo (2-112) 1> Kb > hệ số khuếch đại khuếch đại có hồi tiếp Kht lớn hệ số khuếch đại thân khuếch đại K Đó hồi tiếp dương, Uhtđưa tới đầu vào khuếch đại pha với điện áp vào Uv tức Uy = Uv + Uht

Ur = K(Uv + Uht)) > K Uv Kht > K

Trường hợp Kb ³ (khi hồi tiếp dương) đặc trưng cho điều kiện tự kích

khuếch đại Lúc ởđầu khuếch đại xuất phổ tần số không phụ thuộc vào tín hiệu đầu vào Với trị số phức K bất đẳng thức | Kb | ³ tương ứng với điều kiện tự kích tần số cố định tín hiệu đầu gần với dạng hình sin Bộ

khuếch đại trường hợp làm việc mạch tạo dao động hình sin (xem phần 2.5)

Hình 261: Một số mạch hồi tiếp thơng dụng

a) Hồi tiếp nối tiếp điện áp, b) Hồi tiếpdòng diện, c) Hồi tiếp song song điện áp Điện áp khuếch đại có hồi tiếp đương

Đó hồi tiếp âm (Uht ngược pha với Uv) Uy = Uv - Uht, nghĩa hệ số khuếch

đại khuếch đại có hồi tiếp âm Kht nhỏ hệ số khuếch đại không hồi tiếp

Để đánh giá độ ổn định hệ số khuếch đại có hồi tiếp, thực vi phân biểu thức (2-113) có:

•

K

• β

a)

•

K

• β

b)

•

K

• β

( )

( )2 ( )2

ht 1+Kβ

dK = Kβ + Kβ dK -Kβ + dK =

dK (2-114)

Biến đổi (2-114)và ý đến (2-113) ta nhận biểu thức đặc trưng cho

thay đổi tương ứng hệ số khuếch đại

β K + K / dK = K dK ht

kt (2-115)

Từ (2-115) ta thấy thay đổi tương đối hệ số khuếch đại khuếch đại có hồi tiếp âm nhỏ (1 + Kb) lần so với không hồi tiếp Độổn định hệ số khuếch

đại tăng tăng độ sâu hồi tiếp, ví dụ, giả thiết thay đổi tương đối hệ số

khuếch đại dK/K = 20% + Kb = 100 thay đổi tương đối hệ số khuếch đại khuếch đại có hồi tiếp dKht/Kht = 0,2% Tính chất đặc biệt quý giá

điều kiện hệ số khuếch đại thay đổi thay đổi tham số theo nhiệt độ (nhất

đối với tranzito) hóa già chúng Nếu hệ số khuếch đại K lớn hồi tiếp âm sâu thực tế loại trừ phụ thuộc hệ số khuếch đại vào thay đổi tham số khuếch đại Khi mẫu số (2-113) bỏ qua hệ

số khuếch đại hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp định:

Kht» 1/b (2-116a)

nghĩa thực tế không phụ thuộc vào K thay đổi Ví dụ, K = I04 b = 10-2 Kht» 100

Ý nghĩa vật lí việc tăng độ ổn đinh hệ số khuếch đại có hồi tiếp âm

chỗ thay đổi hệ số khuếch đại K điện áp hồi tiếp bị thay đổi dẫn đến thay đổi

điện áp Uy (h.2.61a) theo hướng bù lại thay đổi điện áp khuếch đại (Giả sử giảm K thay đổi tham số khuếch đại làm cho Uht giảm Ur giảm (h.2.61a), điện áp Uy = Uv - Uht tăng, dẫn đến tăng Ur ngăn cản giảm hệ số khuếch đại K)

Tăng độổn định hệ số khuếch đại hồi tiếp âm dùng rộng rãi để

cải thiện đặc tuyến biên độ tần số (h.2.62) khuếch đại nhiều tầng ghép điện dung miền tần số thấp cao hệ số khuếch đại bị giảm

Tác dụng hồi tiếp âm miền tần số kể yếu hệ số khuếch đại K nhỏ

và dẫn đến tăng hệ số khuếch đại biên dải tần mở rộng dải thông

khuếch đại (h.2.62) Hồi tiếp âm làm giảm méo khơng đường thẳng tín hiệu giảm nhiễu khuếch đại

Hình 2.62: Ảnh hưởng hồi tiếp âm đến đặc tuyến biên độ - tần số K

f

Df

Dưới ta khảo sát ảnh hưởng hồi tiếp âm đến điện trở vào khuếch

đại Rv = Uv / Iv

Hình 2.61a thực hồi tiếp âm nối tiếp Uv = Uy + Uht

Mặt khác ta có Uht = Uy Vì

Rvht = (1 + Kb) Uy/Iv = Rv(1 + Kb)

Như vậy, thực hồi tiếp âm nối tiếp làm tăng điện trở vào khuếch đại lên (1 + Kb) lần Điều cần thiết khuếch đại nhận tín hiệu từ cảm biến có điện trở lớn khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực Tương tự, điện trở

ra khuếch đại :

Rrht = Rr / (1 + Kb) (2-116b)

nghĩa giảm (1 + Kb) lần Điều đảm bảo điện áp khuếch đại phụ thuộc vào thay đổi điện trở tải Rt

Từ phần tích trên, rút quy luật chung ảnh hưởng hồi tiếp âm đến tiêu khuếch đại là: Mọi loại hồi tiếp âm làm giảm tín hiệu

đầu vào khuếch đại (Uy hay Iy) làm giảm hệ số khuếch đại làm tăng độổn

định hệ số khuếch đại khuếch đại

Hình 2.63: Sơđồ mạch hồi liếp âm

Ngoài ra, hồi tiếp âm nối tiếp (h.2.61a, b) làm tăng điện trở vào

· Hồi tiếp điện áp nối tiếp (h.2.61a) làm ổn định điện áp ra, giảm điện trở Rrht Còn hồi tiếp dòng điện nối tiếp (h.2.61b) làm ổn định đòng điện Iàm tăng điện trở Rrht

· Hồi tiếp âm song song (h.2.61c) làm tăng dòng điện vào làm giảm điện trở vào nhưđiện trở Rrht

Cần nói thêm hồi tiếp dương thường khơng dùng khuếch đại xuất ý muốn ghép điện bên hay bên ngồi gọi hồi tiếp kí sinh qua nguồn cung cấp chung, qua điện cảm điện dung kí sinh mạch vào khuếch đại

Hồi tiếp kí sinh làm thay đổi đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại làm tăng hệ số khuếch đại đoạn riêng biệt dải tần chí làm cho khuếch đại bị tự kích, nghĩa xuất dao động tần số xác định

Để loại bỏ tượng dùng lọc thoát (mạch Rt, C1) dùng dây dẫn bọc kim, bố trí linh kiện hợp lí Dưới thí dụ vế mạch hồi tiếp âm thường gặp (h.2.63)

Mạch hình 2.63 nói tới phần 2.2.3

Trong mạch hình 2.63b, ta thấy xét riêng biệt tầng điện trở RE1, RE2

đều thực hồi tiếp âm dịng nối tiếp, giống trường hợp hình 2.63a Ta xét thêm trường hợp mạch hồi tiếp từ colectơ tranzito T2 emitơ tranzito T1 qua C R Theo định nghĩa mạch hồi tiếp điện áp nối tiếp Xét pha tín hiệu mạch hồi tiếp âm Như điện trở Rc1 có hai loại hồi tiếp âm dòng điện điện áp Kết hệ số khuếch đại toàn mạch bị giảm

2.3.2 Khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực

Dưới trình bày phương pháp phân tích tầng khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực theo ba cách mắc mạch: emitơ chung (EC), cơlectơ chung (CC) bazơ

chung (BC) Giả thiết tín hiệu vào hình sin tần số trung bình trở kháng tụ

coi khơng, ảnh hưởng điện dung kí sinh phụ thuộc hệ sốacủa tranzito vào tần số coi không đáng kể

a - Tầng khuếch đại (EC)

Mạch điện nguyên lí tầng khuếch đại EC cho hlnh 2.64 Trong sơ đồ Cp1 Cp2 tụ phân đường (nối tầng) Tụ Cp1 loại trừ tác dụng ảnh hưởng lẫn nguồn tín hiệu mạch vào dịng chiều Mặt khác đảm bảo cho

điện áp Ubo chế độ tĩnh không phụ thuộc vào điện trở nguồn tín hiệu Rn Tụ Cp2 ngăn không cho thành phần chiều cho thành phần điện áp xoay chiều tải Điện trở R1 R2để xác định chếđộ tĩnh tầng Bởi tranzito lưỡng cực

điều khiển dịng, nên dòng điện tĩnh PĐK (trong trường hợp dịng Ico)

Hình 2.64: Tầng khuếch đại E chung kết mô để xác định tham số tín hiệu pha

Nguyên lý làm việc tầng EC sau: Khi đưa điện áp xoay chiều tới đầu vào, xuất dòng xoay chiều bazơ tranzito mạch tầng Hạ áp điện trở Rc tạo nên điện áp xoay chiều colectơ Điện áp qua tụ Cp2 được

đưa đến đàu tầng tức tới mạch tải Có thể thực hai phương pháp phương pháp đồ thị phương pháp giải tích (sơđồ tương đương) chếđộ xoay chiều tín hiệu nhỏ

Phương pháp đồ thị dựa vào đặc tuyến vào tranzito có ưu điểm dễ dàng tìm mối quan hệ giá trị biên độ thành phần xoay chiều (điện áp dòng điện Icm) số liệu ban đầu để tính tốn Trên đặc tuyến hình 2.65a, vẽđường tải chiều (a-b) nhưđã mô tảở phần 2.2.3.b Sự phụ thuộc UCEO= f(Ico) tìm từ phương trình cân điện áp mạch của tầng:

UCEO = EC – ICORC – IEORE = EC – ICORC – ICORE/a (2-117) Vì hệ sốagần 1, nên viết

Biểu thức phương trình đường tải chiều tầng Dựa vào đặc tuyến có (bazơ) IB = f(UBE) ta chọn dịng bazơ tĩnh cần thiết IBO xác định tọa độđiểm P giao điểm đường IB = IBO với đường tải chiều đặc tuyến hình 2.65a

Hình 2.65: Xác đinh chế độ tĩnh tầng EC họđặc tuyến

Để xác định thành phần xoay chiều điện áp dòng colectơ tranzito phải dùng đường tải xoay chiều tầng Chú ý điện trở xoay chiều mạch emitơ tranzito khơng (vì có tụ CE mắc song song với điện trở RE) cịn tải

được mắc vào mạch colectơ điện trở xoay chiều tụ Cp2 nhỏ

Nếu coi điện trở xoay chiều nguồn cung cấp Ec khơng, điện trở

xoay chiều tầng gồm hai điện trở Rc Rt mắc song song, Nghĩa Rt~=Rt/RC Từ thấy rõ điện trở tải chiều tầng Rt= = Rc + RE lớn điện trở tải xoay

IB =0mA

IB0

IBmax ECC/ Rc//Rt

ECC

UCE V

IC mA

P

N M

· ·

·

UC0 IC0

chiều Rt~ Khi có tín hiệu vào, điện áp dòng điện tổng thành phần chiều

và xoay chiều, đường tải xoay chiều qua điểm tĩnh P, (h 2.65a) Độ dốc đường tải xoay chiều lớn độ dốc đường tải chiều Xây dựng đường tải xoay chiều theo tỉ số gia số điện áp dòng điện ∆UCE = ∆Ic (RC//Rt) Khi cung cấp điện áp Uv vào đầu vào tầng (hình 2.64) mạch bazơ xuất thành phần dòng xoay chiều Ib~ có liên quan đến điện áp Uv theo đặc tuyến tranzito (h:2.65b)

Vì dịng colectơ tỉ lệ với dòng bazơ qua hệ số b, mạch colectơ có thành phần dịng xoay chiều IC~ (h.2.65a) điện áp xoay chiều Ur liên hệ với dòng IC~

đường tải xoay chiều Khi đường từ tải xoay chiều đăc trưng cho thay đổi giá trị

tức thời dòng colectơ IC điện áp tranzito UCO người ta nói dịch chuyển điểm làm việc Nếu chọn trị số tín hiệu vào thích hợp chế độ tĩnh tín hiệu tầng khuếch đại khơng bị méo dạng (xem mục 2.2.3b) Muốn vậy, tham số chếđộ tĩnh phải thỏa mãn điều kiện sau (h.2.65a)

Uco > Urm + ∆ Uco (2-119)

Ico > Icm + ICO(E) (2-120)

ở đây: ∆ Uco điện áp colectơứng với đoạn đầu đặc tuyến tranzito (còn gọi

điện áp UCE bão hòa) ; I CO(E) dòng điện coleetơ ban đầu ứng với nhiệt độ cực đại độ cao đường đặc tuyến tĩnh ứng với dòng IB = 0, Urm Icm biên độ áp dòng

Quan hệ dòng Icm với điện áp có dạng

≈ t rm t c

rm

cm R

U = R // R

U =

I (2-121)

Để tăng hệ số khuếch đại tầng, trị số Rc phải chọn lớn Rt từ ¸ lần Dựa vào dịng Icođã chọn, tính dịng bazơ tĩnh:

IBO = (ICO – I CO(E)) / b (2-122)

từ dựa vào đặc tuyến vào tranzito hình 2.65b, ta điện áp UBEO ứng với lBOđã tính

Dịng emitơ tĩnh có quan hệ với dòng Ibo Ico theo biểu thức:

IEO (1 + b)IBO + ICO(E) = (lCO - ICO(E) (1+ b) / b + ICO(E) = ICO (2-123) Khi chọn Ec (nếu không cho trước), cần phải theo điều kiện

Ec = Uco + ICORC + UEO (2-124)

ởđây: UEO = IEO RE

Khi xác định trị số UEO phải xuất phát từ quan điểm tăng điện áp UEO làm tăng

Chú ý đến biểu thức (2-124) ta có , ÷ , R I + U =

E CO CO C

C (2-125)

Điện trở RE tính từ

RE = UEO / ICO (2-126)

Khi tính phần tử phân áp đầu vào, điểm dã nói mục 2.2.3g cần lưu ý: với quan điểm ổn định nhiệt cho chế độ tĩnh tầng thay đổi dịng bazơ tĩnh IBO ( độ không ổn định nhiệt điện áp UEBO) phải ảnh hưởng đến thay đổi điện áp UBO Muốn vậy, dịng IP qua phân áp R1 R2 phải lớn dòng IBO qua điện trở R1 Tuy nhiên, với điều kiện Ip>>IBO R1, R2 phải nhỏ chúng gây mắc rẽ mạch đến mạch vào tranzito Vì tính phần tử phâh áp vào ta phải hạn chế theo điều kiện:

RB = R1 // R2 = (2 ¸ 5) rV (2-127)

IP = (2 ¸ 5) IBO (2-128)

Ở đây, rV điện trở vào tranzito, đặc trưng cho điện trở xoay chiều mạch bazơ – emitơ (rV = DUBE / DIB)

Điện trở R1, R2 ( h.2.64) tính theo:

P BEO EO P BO I U + U = I U =

R (2-129)

BO P

BO C I -I

U -E =

R (2-130)

Khi chọn tranzito cần ý tham số giới hạn sau: dải tần số công tác (theo tần số fa hay fb) tham số dịng điện, điện áp cơng suất Dịng

điện cho phép cực đại IC.CP phải lớn trị số tức thời lớn dòng colectơ làm việc, nghĩa ICmax = ICO + ICm < IC.CP (h2.65.a) Về mặt điện áp người ta thường chọn tranzito theo UCO.CP > EC Công suất tiêu hao colectơ tranzito PC = UCO.ICO phải nhỏ công suất cực đại cho phép tranzito PC.CP Đường cong công suất giới hạn cho phép đường hypecbol Đối với điểm ta có UCOCf ICCf = PC.CP

Tóm lại, việc tính chế độ chiều tầng khuếch đại giải nhiệm vụ

chọn hợp lý phần tử sơ đồ để nhận tham số cần thiết tín hiệu tải

đương dịng xoay chiều chế độ tín hiệu nhỏ Sơ đồ thay tầng EC vẽ hình 2.66, tranzito thay sơ đồ thay tham số vật lý Tính tốn theo dịng xoay chiều thực sử dụng sơ đồ thay tranzito với tham số h, r hay g Đểđơn giản ta giả thiết tầng khuếch đại tính miền tần số trung bình, tín hiệu vào hình sin điện trở nguồn cung cấp dịng xoay chiều khơng Dịng điện điện áp sơ đồ tính theo trị số hiệu dụng, có quan hệ với trị số biên độ qua hệ số h, r hay g

Hình 2.66: Sơđồ thay tầng EC tham số vật lý

Để đơn giản ta giả thiết tầng khuếch đại đươc tính miền tần số trung bình, tín hiệu vào hình sinvà điện trở nguồn cung cấp dịng xoay chiều khơng Dịng điện điện áp sơđồ tính theo trị số hiệu dụng, có quan hệ với trị số biên độ qua hệ số 1/

· Điện trở vào tầng :

Rv = R1// R2//rv (2-131)

Vì điện trở nguồn IBở hình 2.66 lớn cịn rc(E) + Rc//Rt >> rE nên UBE = IBrB + IErE

UBE = IB [rB + (1 + b)rE] (2-132) chia hai vế phương trình (2-132) cho IB ta

rV = rB + (1 + b)rE

· Xác định hệ số khuếch đại dòng điện tầng Ki = It/lv, từ sơđồ 2.66 có : V V r B r R I =

I (2-133)

Khi xác định dòng It qua IB khơng tính đến rE nhỏ so với điện trở phần tử mạch

t t c ) E ( c B t R R // R // r I β =

I (2-134)

Để ý đến biểu thức (2-133) tha có

t t c ) E ( c v v v t R R // R // r r R β I = I (2-135)

và hệ số khuếch đại dòng xác đinh

t t c ) E ( c v v i R R // R // r r R β = K (2-136)

Hệ số khuếch đại dòng Ki tỉ lệ với b tranzito phụ thuộc vào tác dụng mắc rẽ phân áp điện trở Rc Rt Biểu thức (2-136) cho thấy cần phải chọn R1//R2 > rv Rc > Rt Nếu ta coi Rv» rv rc(E) >> RC//Rt biểu thức tính hệ số khuếch đại dịng gần có dạng:

t t c i R R // R β =

K (2-137)

Như vậy, tầng EC có hệ số khuếch đại dòng tương đối lớn, Rc >> Rt hệ số khuếch đại dịng điện Ki->b

· xác định hệ số khuếch đại điện áp tầng Ku = Ur/En

( ) n v

t i v n v t t u R R R k R R I R I K + = +

= (2-138)

Thay (2-137) vào (2-138) ta có :

v n

t c

u R R

//R R

β K

+

Từ (2-139) ta thấy b lớn, vâ điện trở mạch tầng lớn so với

điện trở mạch vào hệ số khuếch đại lớn Đặc biệt, hệ số khuếch đại điện áp tăng điện trở nguồn tín hiệu giảm Hệ số khuếch đại điện áp sơđồ

EC khoảng từ 20 ¸100 Tầng khuếch đại EC thực đảo pha điện áp vào Việc tăng điện áp vào (chiếu dương) làm tăng dòng bazơ dòng colectơ tranzito, hạ áp Rc tăng, làm giảm điện áp colectơ (hay xuất đầu tầng nửa chu kì âm điện áp) Việc đảo pha điện áp tầng EC

được biểu thị dấu "-" biểu thức Ku

· Hệ số khuếch đại công suất Kp = Pr/ Pv = Ku.Ki sơđồ EC khoảng (0,2 đến 5)103 lần

· Điện trở tầng

Rr = Rc // r’c(E)

Vì Rc (E) > > Rc nên Rr = Rc

b – Tầng khuếch đại colectơ chung CC (lặp emitơ)

Hình 2.67a sơ đồ tầng khuếch đại CC, cịn gọi tầng lặp E điện áp lấy E tranzito, trị số gần điện áp vào (Ur = Uv +UBE » Uv ) trùng pha với điện áp vào Điện trở RE sơđồ đóng vai trị Rc sơđồ EC Tụ Cp2 có nhiệm vụ truyền tải thành phần xoay chiều tín hiệu

Điện trở R1, R2 dùng để xác định chế độ tĩnh tầng Để tăng điện trở vào, có thề khơng mắc điện trở R2 Việc tính toán chế độ chiều tương tự làm với tầng EC Để khảo sát tham số tầng theo dòng xoay chiều, cần chuyển sang sơđồ thay

Điện trở vào tầng Rv = R1//R2//rv

Ta có Uv = IB[ rB + (1 + b)(re + Re // Rt)] Chia Uv cho IB ta có

rv = rb + (1 + b)(re + Re // Rt) (2-141) Từ biểu thức (2-141) nhận thấy rv tranzito sơ đồ CC lớn sơ đồ EC Vì re thường nhỏ RE//Rt, rb nhỏ số hạng thứ hai vế phải biểu thức (2-141),nên điện trở tầng lặp lại E bằng:

Rv» R1//R2 (1 + b)( Re // Rt) (2-142) Nếu chọn phân áp đầu vào có điện trở lớn điện trộ vào tầng lớn Ví dụ,

b = 50 ; Re // Rt = 1kW Rv = 51kW Tuy nhiên điện trở vào tăng, khơng thể bỏ qua điện trở rc(E) mắc rẽ với mạch vào tầng (h.2.67b) Khi điện trở vào tầng :

Rv = R1//R2 // [(1 + b)( Re // Rt)] rc(E) (2-143)

Điện trở vào lớn ưu điểm quan trọng tầng CC, dùng để làm tầng phối hợp với nguồn tín hiệu có điện trở lớn Việc xác định hệ số khuếch đại dòng Ki theo phương pháp giống sơđồ Ec Công thức (2-133) tầng CC Vì dịng Itởđây phần dòng IE nên biểu thức (2-134) có dạng

( ) t t E B t R //R R I β

I = + (2-144)

và xét đến (2-134) ta có

( ) t t E v v v t R //R R r R β I

I = + (2-145)

Hệ số khuếch đại dòng sơđồ CC

t t E v v i R //R R r R β) (1

K = + (2-146)

nghĩa phụ thuộc vào quan hệ Rv rv, RE Rt, giả thiết Rv = rv

( ) t t E i R //R R β

K = + (2-147)

Khi RE = RC điện trở Rt giống nhau, hệ số khuếch đại đòng điện sơ đồ CC EC gần

( )

v n

t E

u R R

//R R

β

1 K

+ +

= (2-148)

Để tính hệ số Ku, ta coi Rv >> Rn Rv tính gần theo (2.142): Rv»(1+b)(RE // Rt), Ku »1 Tầng CC dùng để khuếch đại công suất tín hiệu giữ nguyên trị sốđiện áp

Vì Ku = nên hệ số khuếch đại công suất Kp xấp xỉ Ki trị số

Điện trở tầng CC có giá trị nhỏ (cỡW), tính 'bởi

E E n B E E

r R //r

β

1 //R //R R r r // R

R ữữ=

ứ ỗỗ

ố ổ

+ + +

= (2-149)

Tầng CC đùng để biển đổi, trở kháng phối hợp mạch tầng khuếch đại với tải có điện trở nhỏ, có vai trị tầng khuếch đại cơng suất đơn chếđộ A khơng có biến áp

c Tầng khuếch đại bazo chung (BC)

Hình 2.68a sơđồ tầng khuếch đại BC Các phần tử Ee, Ređể xác định dòng tĩnh lE Các phần tử cịn lại có chức giống sơđồ EC Về ngun lí để thực sơđồ BC ta dùng nguồn EC

Hình 2.68: b) Sơđồ thay thế

Để khảo sát tham số tầng khuếch đại BC theo dòng xoay chiều ta sử dụng sơ đồ tương đương hình 2.68b

Rv = RE // [ rE + ( - a )rB] (2-150)

Từ (2-150) ta thấy điện trở vào tầng xác định chủ yếu điện trở rE vào khoảng (10 ¸ 50)W Điện trở vào nhỏ nhược điểm tầng BC tầng

đó tải lớn nguồn tín hiệu vào

Đối với thành phần xoay chiều hệ số khuếch đại dịng điện a= IC/ IE

a< l Hệ số khuếch đại dịng điện Ki tính theo sơđồ hình 2.68b

t t c i

R //R R

α

K = (2-151)

Hệ số khuếch đại điện áp

v n

t c u

R R

//R R

α K

+

= (2-152)

Từ (2-152) ta thấy giảm điện trở nguồn tín hiệu vào làm tăng hệ

số khuếch đại điện áp Điện trở tầng BC

Rr = Rc // rc(B)» Rc (2-153)

cần ý đặc tuyển tĩnh tranzito mắc BC có vùng tuyến tính rộng nên tranzito dùng với điện áp colectơ lớn sơ đồ EC (khi cần có điện áp đầu lớn) Trên thực tế tầng khuếch đại BC cd thể dùng làm tầng khuếch đại, tầng CC đùng làm tầng trước cuối Khi tầng CC nguồn tín hiệu có điện trở nhỏ (điện trở ra) tầng BC

d – Tầng khuếch đại đảo pha

2.64 bỏ tụ CE mắc tải thứ hai Rt2 vào RE qua Cp3 Tín hiệu lấy từ colectơ emitơ tranzito Tín hiệu Ur2 lấy từ emitơđồng pha với tín hiệu vào Uv (h.2.69b,c) cịn tín hiệu Url lấy từ colectơ (h.2.69c) ngược pha với tín hiệu vào

Dạng tín hiệu vẽ hình 2.69b, c, d

Hình 2.69: Sơđồ tầng đảo pha biểu đồ thời gian Điện trở vào tầng đào pha tính tương tự tầng CC:

Rv = R1 // R2 // [ rB + ( + b )(rE + RE// Rt2)] (2-154) tính gần

Rv» ( + b) ( rE + RE // Rt2) (2-155) Hệ số khuếch đại điện áp ởđầu xác đinh tương tự sơđồ EC, ởđầu xác định tương tự sơđồ CC

v n

t1 c

u1 R R

//R R

β K

+

-» (2-156)

( )

v n

t2 E u2

R R

//R R

β

1 K

+ +

» (2-157)

Hình 2.70: Sơđồ tầng đảo pha dùng biến áp

Hai tín hiệu lấy từ hai nửa cuộn thứ cấp có pha lệch 180o so với điểm O Nếu hai nửa cuộn thứ cấp có số vịng hai điện áp Mạch đảo pha biến áp dùng dễ dàng thay đổi cực tính điện áp cịn có tác dụng để phối hợp trở kháng

2.3.3 Khuếch đại dùng tranzito trường (FET)

Nguyên lí xây dựng tầng khuếch đại đùng tranzito trường giống tầng dùng tranzito lưỡng cực, điểm khác tranzito trường điều khiển điện áp Khi chọn chế độ tĩnh tầng dùng tranzito trường cần đưa tới đầu vào (cực cửa) điện áp chiều có trị số cực tính cần thiết

a - Khuếch đại cực nguồn chung (SC)

Hình 2.71b: Đồ thị xác định chếđộ tĩnh tầng Khuếch đại cực nguồn chung (SC)

Sơ đồ khuếch đại SC dùng MOSFET có kênh n đặt sẵn cho hình 2.71 Tải RĐ

được mắc vào cực máng, điện trở R1, RG, RS dùng để xác lập UGSOở chếđộ tĩnh

Điện trở Rs tạo nên hồi tiếp âm dòng chiều để ổn định chế độ tĩnh thay đổi nhiệt độ tính tản mạn tham số tranzito Tụ Csđể khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều Tụ Cp1để ghép tầng với nguồn tín hiệu vào Nguyên tắc chọn chế độ tĩnh giống sơ đồ dùng tranzito lưỡng cực (h.2.64) Công thức (2.119) (2.120), ở viết đước dạng

UDso > Urm + DUDS (2-158)

IDo > IDm (2-159)

Điểm làm việc tĩnh P dịch chuyển theo đường tải chiều qua điểm a b (h.2.71) Đối với điểm a, ID= 0, UPS = +ED, điểm b, UDS = 0, ID = ED(RD + RS)

Đường tải xoay chiều xác định theo điện trở Rt~ = RD//Rt Trong khuếch đại nhiều UPmax

UGS

PDmax

IDmax

C

UDS V

ID mA

P

D

d

·

tầng tải tầng trước mạch vào tầng sau có điện trở vào Rvđủ lớn Trong trường hợp tải xoay chiều tầng xác định chủ yếu

điện trở RD (được chọn tối thiểu nhỏ RV bậc nữa) Chính tầng tiền khuếch đại độ dốc đường tải xoay chiều (đường c-d) không khác so với đường tải chiều nhiều trường hợp người ta coi chúng chếđộ

tĩnh có :

UDSO = ED – IDO(RD + RS) (2-160) IDO dịng máng tĩnh UDSO điện áp cực máng - nguồn tĩnh

Điện áp UGSO tham số đặc tuyến tĩnh (máng) qua điểm tĩnh P (h.2.71)

Dựa vào đặc tuyến FET ta thấy chế độ tĩnh, điện áp phán cực có cực tính dương âm cực nguồn chí có thề khơng

Khảo sát trường hợp UGSO <

Điện trở RS RG (h.2.71) để xác định điện áp UGSO < chếđộ tĩnh Trị số cực tính điện áp điện trở RS dòng điện ISO = IDO chảy qua định,

điện trở RSđược xác định :

RS = UGSO / IDO (2-161)

Điện trở RGđể dẫn điện áp UGSO lấy RS lên cực cửa FET Điện trở RG phải chọn nhỏ điện trở vào vài bậc Điều cần thiết để loại trừ ảnh hưởng tính khơng ổn định theo nhiệt độ tính tản mạn tham số mạch vào đến

điện trở vào tầng Trị số RS thường chọn từ ¸ 5MW

Ngồi việc đảm bảo điện áp yêu cầu UGSO, điện trở RS tạo hồi tiếp âm dòng chiều tầng, ngăn cản thay đổi dòng IDO tác dụng nhiệt độ tính tản mạn tham số tranzito thếổn định chế độ tĩnh tầng Để tăng tính ổn định cần tăng RS phải đảm bào giá trị UGSO.Trong trường hợp phải bù điện áp USO cách cung cấp cho cực cửa điện áp UGO qua điện trở R1

1 G G D S DO GO SO

GSO R R

R E R I U U U + -=

-= (2-162)

G

GSO SO

G D

1 U U R

.R E

R

-= (2-163)

Điện áp nguồn cung cấp

ED = UDSO + USO + IDO.RD (2-164) Trị số RD có ảnh hưởng đến đặc tính tần số tầng, nớđược tính theo tần số đại tần Với quan điểm mở rộng dải tần phải giảm RD Sau chọn điện trở tranzito ri, ta chọn RD = (0,05 ¸ 0,15)ri

tăng, nhiên cần tăng ED Vì USO thường chọn khoảng (0,1¸ 0,3)ED Cũng tương tự (2-125) ta có :

0.9 0.7

R I U

E DO DO D

D ¸

+

= (2-165)

Khi UGSO ³ phải mắc điện trở RS đểđạt yêu cầu độ ổn định chế độ tĩnh Lúc bắt buộc phải mắc R1 Chọn phần tử dựa vào công thức (2-162) đến (2-165), cơng thức (2-162), (2-163) cần phải cho UGSO= 0, thay đổi dấu trước điện áp UGSO Chế độ UGSO > chế độđiển hình cho MOSFET có kênh cảm

ứng loại n Vì thực việc đổi dấu trước UGSO cơng thức 162), (2-163) dùng chúng để tính mạch thiên áp tầng nguồn chung

Chọn loại FET phải ý đến tham số tương tự tầng EC Phải tính

đến dịng máng cực đại IDmax, điện áp cực đại UDSmax Công suất tiêu tán cực đại tranzito PDmax (h.271), UDsmax

Giống sơđồ EC dùng tranzito lưỡng cực, tầng nguồn chung làm đảo pha tín hiệu khuếch đại Ví dụđặt vào đầu vào nửa chu kì điện áp dương (h 2.71) làm tăng dòng máng giảm điện áp máng ; đầu nhận nửa chu kì điện áp cực tính âm

Dưới ta phân tích tầng khuếch đại mặt xoay chiều

Sơđồ thay tầng SC vẽ hình 2.72a có tính đến điện dung điện cực tranzito [6,8]

Sơđồ thay dựa sở sử dụng nguồn dòng mạch Điện trở RD, Rt mắc song song mạch xác định tải Rt~ = RD // Rt Điện trở R1 RG mắc song song Vì điện trở vào thường lớn điện trở Rn nhiều, nên điện áp vào tầng coi En Tụ phân đường Cp1, Cp2 tụ CS lớn nên điện trở xoay chiều coi khơng Vì sơđồ thay khơng vẽ tụđó

Hệ số khuếch đại điện áp tần số trung bình

( ) ( ) ~ t i v ~ t i v V t

u Sr//R

U //R r SU U U

K = = = (2-166)

hay ~ t i ~ t i u R r R Sr K +

= (2-167)

Tích số S.ri gọi hệ số khuếch đại tĩnh m FET Thay m = Sri vào (2.167) ta có :

~ t i

~ t u r R μ.R K

+

= (2-168)

Dựa vào (2-168) vẽ sơ đồ thay tầng SC với nguồn điện áp mUv (h.2.72b)

Ku = SRD (2-169)

Điện trở vào tầng SC là: Rv = R1 // RG (2-170)

Điện trở tầng SC là: Rr = RD // ri» RD (2-171) Khi chuyển sang miền số cao phải ý đến điện dung vào tầng, nghĩa cần ý đến điện dung điện cực CGS, CGD tranzito (h.2.72a), điện dung lắp ráp mạch vào CL (điện dung linh kiện dây dẫn mạch vào cực âm nguồn cung cấp)

Hình 2.72:Sơđồ thay tầng SC a) Nguồn dịng ; b) Nguồn áp

Ở tần số cao điện đung kể tạo nên thành phần kháng dòng điện mạch vào

ICV = ICGS + ICGD + ICL (2-172)

Dòng ICGS, ICL xác định điện áp vào Uv’, dòng ICGD xác định điện áp cực máng - cửa Vì điện áp cực máng ngược pha với điện áp vào, nên điện áp cực cửa máng :

( ) V

u V U K U

U + = +

Dòng điện vào điện dung tầng

( ) v

L V u GD v GS cv U wC J U K wC J U C w J

I = + + +

hay

( )

[ ] v

v L GD U GS v VC U JwC C C K C U Jw

I » + + + =

ởđây Cv điện dung vào tầng

Cv = CGS + ( 1+ Ku)CGD + CL (2-173)

Điện dung tầng phụ thuộc vào điện dung điện cực khoảng máng- nguồn máng - cửa, điện dung lắp ráp mạch Tính điện dung theo phương pháp nhưđã tính điện dung vào, có kết :

S GD U

U DS

r C C

K K C

C = + + + (2-174)

e Khuếch đại cực máng chung DC (lặp lại cực nguồn)

Hình 2.73a sơđồ DC dùng FET có kênh đặt sẵn Điện trở R1, RG với Rs dùng

để xác định chếđộ làm việc tĩnh tranzito

Hình 273 : Sơđồ DC dùng FET có kênh đặt sẵn

Việc chọn đàm bào chế độ tĩnh tiến hành tương tự tầng SC Tải chiều tầng RS tải xoay chiều Rt~ = RS//Rt

Đối với tầng DC điện áp tải trùng pha với điện áp vào Ut = Uv – UGS (2-175)

Theo sơđồ thay Ut lại hàm số UGS tác dụng lên đầu vào tranzito Ut = SUGS (ri//rt~)

hay

(i t~)

t GS

//R r S

U

U = (2-176)

( ) ( i t~)

~ t i v t U //R τ S //R τ S U U K + =

= (2-177)

vì ri >> Rt~ nên

~ t ~ t U 1 Sh

SΡ Κ

+

= (2-178)

Hệ số khuếch đại Ku phụ thuộc vào độ hỗ đẫn S tranzito tải xoay chiều tầng Hệ số khuếch đại tiến tới tăng S Rt~ Vì tầng DC nên dùng tranzito có độ hỗ dẫn lớn

Để tìm tham số tương đương sơđồ thay thế, biến đổi công thức (2-177) sau thay vào S = m/ ri khai triển ta có :

~ t i ~ t i ~ r

i r R

R r //R r + = Và

( ) t~

i ~ t u R μ r μ.R K + +

= (2.179)

Chia tử số mẫu số vế phải công thức (2-179) cho 1+m thay Ku = Ut/Uv, ta có

( ) t~

i ~ t v t R μ r R U μ μ U + + +

= (2-180)

Dựa vào (2-180) ta vẽ sơđồ thay tầng (h.2.73b) Ở mạch sơđồ

thay có nguồn điện áp tương đương

V U μ μ +

với điện trở tương đương ri/(1 + m) Mạch vào sơ đồ thay (h.2.73b) gồm phần tử giống sơđồ thay SC

Dựa vào sơđồ hình 2.73b xác định điện trở tầng DC S μ 1 // R

Rr = s + » (2-181)

Điện trở tầng DC nhỏ tầng SC, vào khoảng 100 ¸3000W

Vì điện áp cực cửa cực nguồn tranzito sơđồ lặp lại cực nguồn hiệu Uv – Ur, nên dòng điện vào thân tranzito nhỏ sơ đồ SC,

độ không ổn định nhiệt độ điện trở khoảng cửa nguồn nhỏ Do cho phép ta dùng R1, RG lớn Vì tầng DC có điện trở vào Rv lớn (tới vài MW) tầng SC

Đối với tầng lặp lại cực nguồn cần thiết phải tính đến thành phần dịng điện dung vào mạch cửa - máng cửa - nguồn tranzito, thành phần dòng

điện dung lắp ráp mạch vào tầng Vì điện áp cực máng khơng đổi, thành phần dịng điện dung CGD C1được xác định điện áp vào Uv Thành phần dòng điện

điện dung CGS phụ thuộc vào điện áp

ŮGS = Ův – Ut =(1 – Ku)Ův Dòng vào tổng

Icv = jwUv[CGD + CGS( 1-Ku) + CL] từđó

Cv = CGD + CGS (1 – Ku) + CL (2-182) So sánh (2-182) với (2-173) thấy điện dung vào tầng DC nhỏ sơ đồ

SC Từ (2-182) tầng DC Ku »1 ảnh hưởng điện dung CGS đến điện dung vào giảm

2.3.4 Ghép tầng khuếch đại

Một khuếch đại thường gồm nhiều tầng mắc nối tiếp hình 2:74 (vì thực tế tầng khuếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuếch đại cần thiết), tín hiệu tầng đầu hay tầng trung gian tín hiệu vào cho tầng sau tải tầng điện trở vào tầng sau Điện trở vào khuếch đại sẽđược tính theo tầng đầu tầng cuối

Hình 2.74: Sơđồ khối khuếch đại nhiều tầng

Theo hệ thức (2.104), hệ số khuếch đại khuếch đại nhiều tầng tích hệ số khuếch đại tầng (tính theo đơn vị số lần) hay tổng chúng (tính theo đơn vị dB)

uN u2 u1 vN rN v2 r2 n rl n t

u U K K K

U U U E U E U

K = = =

Ku(dB) = Ku1(dB)+…+KuN(dB) 2-138)

a- Ghép tầng bằng điện dung

Bộ khuếch đại nhiều tầng ghép điện dung vẽ hình 2.75 Các điều phân tíchtrong 2.3.2 cho tầng trung gian thay Rt cho Rv Số tầng khuếch đại nhiều tầng xác định theo công thứ (2-183) xuất phát từ hệ số khuếch

đại u cầu việc tính tốn tầng (chọn đàm bảo chế độ làm việc tĩnh, tính tốn chếđộ xoay chiều) phải theo thứ tự từ tầng cuối tầng

Trước hết ta tính tầng cuối Tầng phải đảm bảo đưa tải Rt cơng suất tín hiệu u cầu Dựa hệ số khuếch đại tầng cuối, người ta xác định tham số

tín hiệu vào Và số liệu ban đầu để tính tầng trước cuối, v.v tầng (tầng vào) khuếch đại

Đầu tiên ta tính tần số trung bình fo bỏ qua ảnh hưởng tụ điện khuếch đại không tính đến phụ thuộc tham số tranzito vào tần số Trong trường hợp cẩn thiết phải ý đến đặc tính tranzito ảnh hưởng tụ biên tần tín hiệu cần khuếch đại, điều làm cho điện áp đầu khuếch đại thay đổi biên độ lẫn pha khí tần số tín hiệu vào thay đổi Ở miền tần số thấp, tải trở phụ thuộc kể tụ điện sơ đồ định, cịn

miền tần số cao chủ yếu tham số tranzito định Trong thực tế, thường người ta nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố cách độc lập

hai miền tần số thấp cao

Dưới ta xét đặc điểm công tác khuếch đại miền tần thấp

Trong 2.3.2 tính hệ số khuếch đại tầng đơn giả thiết điện trở xoay chiều tụ không Những giả thiết dải tần trung bình Khi tần số giảm độđẫn điện tụ ghép tầng Cp giảm Do hạ áp tụ nên điện áp từ nguồn tín hiệu đặt vào tầng hay điện áp tầng trước đặt vào tầng sau bị giảm Hạ áp tụ làm giảm biên độ tín hiệu đầu tầng

bộ khuếch đại nói chung tức làm giảm hệ số khuếch đạiở miền tần thấp (h.2.76a) Anh hưởng tụ Cp thể rõ ràng khuếch đại ghép điện dung chỗ hệ số khuếch đại Ku®0 khi f ® Như trị số tụ Cp có ảnh hưởng

đến hệ số khuếch đại miền tần thấp

Tụ điện CE ảnh hưởng đến hệ số khuếch đại miền tần thấp Vì giảm tần số làm giảm tác dụng mắc rẽ tụđối với điện trở RE làm tăng mức

độ hồi tiếp âm dịng xoay chiều RE làm giảm hệ số khuếch đại

Việc giảm mô đun hệ số khuếch đại miền tần số thấp Kt đặc trưng hệ số méo tần số thấp khuếch đại

Mt = Ko/Kt

đó tính hệ số méo tần số tụ khuếchđại Mt = Mt1.Mt2 Mtn (2-184)

Hệ số méo tần số tụ tính theo

2

t t t

τ ω

1

M ữữ

ứ ỗỗ ố æ +

Hình 276: Dạng tồng quát đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại ghép điện dung Đối với tụ Cp (h.2.75) số thời gian t = CPL(Rn + Rv1) Rv1 điện trở vào tầng Tương tự vậy, ta xác định số thời gian cho tụ khác sơđồ

Tần số thấp dải thông chọn làm số liệu ban đầu tính

khuếch đại miền tần thấp Hệ số méo tần sốứng với tần số thấp dải thơng có giá trị tùy thuộc vào nhiệm vụ khuếch đại, ví dụ khuếch đại âm thường chọn 2d

Ở miền tần thấp mạch có tụ điện nên địng điện nhanh pha so với điện áp Như dịch pha điện áp khuếch đại so với điện áp vào miền tần thấp có đặc tính vượt trước Góc dịch pha khuếch đại tống góc dịch pha tụ, góc địch pha tụ

t t t

τ ω

1 arctg

=

j (2-186)

Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số khuếch đại miền tần thấp vẽ hình 2.77 Đường nét liền đặc tuyến xét đến ảnh hưởng tụ đường cong nét đứt hình 2.77 đặc tuyến xét đến ảnh hưởng tất tụ khuếch đại

Hình 2.77: ảnh hưởng tụ nối tầng đến đặc tuyến a) Biên độ- tần số b) Pha – tần số

Đặc điểm công tác khuếch đại miền tần cao phụ thuộc hệ số b tranzito vào tần số tồn điện dung mặt ghép colectơ CC(E) (đối với tầng EC) nhân tố ảnh hưởng đến đặc tuyến tần số khuếch đại miền tần cao Ở miền tần cao, giảm môđun hệ số tranzito tác dụng mắc rẽ

của điện dung CC(E) làm giảm hệ số khuếch đại Xét mức độ giảm hệ số b người ta đưa khái niệm tần số giới hạn fb tức hệ số b bị giảm lần so với giá trịboở tần số trung bình

Hệ số méo tần cao

( )2

C

C ωτ

M = + (2-187)

ởđây : tC ác số thời gian tương đương tầng miền tần cao Góc dịch pha tầng khuếch đại gây

c c =-arctgωr

j (2-188)

KU0

f

f

φt

p/2

p/4

Ö2 a)

Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số miền tần cao vẽ hình 2.78 Từđồ thị

ta thấy tần số tăng thl hệ số méo tần số tăng hệ số khuếch đại giảm Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số miền tần cao tầng khuếch đại biểu thị

đường nét liền hình 2.78, cịn khuếch đại biểu thị đường nét đứt với hệ số méo tần sốở tần cao tách hệ số méo tầng :

Mc = Mc1 Mc2…Mcn (2-189)

Hình 2.78: ảnh hưởng tính chất tần số tranzito đến đặc tuyến a) Biên độ - tần số; b) Pha – tần số

Cịn góc dịch pha tầng góc dịch pha tầng

cn c2

c1

c j j j

j = + + + (2-190)

Tính tốn khuếch đại miền tần cao phải đảm bảo tần số biên dải thông khuếch đại (h.2.76a) Với dải thông cho trước, nguyên tắc không bắt buộc phải lấy hai hệ số méo tần số biên biên Tính tốn dẫn tới việc chọn loại tranzito theo tần số fb xác định tb để đảm bảo hệ số méo cần thiết

của tầng

Méo biên độ pha khuếch đại loại méo tuyến tính khơng làm thay

đổi dạng tín hiệu hình sin khuếch đại Khi tín hiệu cần khuếch đại có dạng phức tạp đặc trưng phổ thành phần điều hịa méo biên độ pha

khuếch đại phá vỡ tương quan tỉ lệ thành phần điều hòa biên độ

và pha điện áp vào

Dưới ta khảo sát đặc tuyến biên độ khuếch đại

Đặc tuyến biên độ phản ánh phụ thuộc biên độ điện áp Um thay

đổi biên độ điện áp vào Em Dạng điển hình đặc tuyến biên độ vẽ hình 2.79 (vẽ với tín hiệu vào hình sin tần số trung bình) Đặc tuyến cho biết giới hạn thay đổi tín hiệu vào khuếch đại

KU

f

f

φc

- p/2 - p/4 a)

Từ đồ thị ta thấy đoạn 1-3 quan hệ điện áp vào tỉ lệ thuận Đặc tuyến biên độ khơng qua gốc tọa độ đầu có điện áp nhiễu ồn thân

khuếch đại Đoạn điểm đặc tuyến khơng dùng tín hiệu có ích khó phân biệt với điện áp nhiễu ồn thân khuếch đại Dựa vào trị số

Umin/Ko người ta đánh giá mức điện áp tín hiệu vào tối thiểu (độ nhạy) khuếch

đại

Khi đạt giá trị tín hiệu vào Em đó, ứng với điểm 3, phụ thuộc tỉ lệ điện áp vào bị phá vỡ Nguyên nhân hạn chếđiện áp cực đại hai nửa chu kì tín hiệu vào mức không đổi Sự hạn chế thường

tầng cuối khuếch đại làm việc với tín hiệu vào lớn Muốn có biên độđiện áp lớn phải chọn điểm làm việc tĩnh tầng đường tải xoay chiều

Hình 2.79: Đặc tuyến biên độ khuếch đại

Tỷ số biên độđiện áp cho phép cực đại cực tiểu gọi dải động

khuếch đại, kí hiệu :

D = Umax/Umin

Khi tín hiệu vào hình sin tín hiệu ởđầu khuếch đại khơng thể coi hình sin túy Do tính khơng đường thẳng đặc tuyến V - A vào tranzito làm méo dạng điện áp ra, gọi méo không đường thẳng, (xem 2.3.1)

b - Ghép tầng bàng biến áp (1)

Ở phần ta trình bày khuếch đại ghép tầng điện dung cách chi tiết trường hợp chung sử dụng lộng rãi Ở phần nêu lên đặc điểm khác biệt tầng ghép biến áp so với tầng ghép điện dung Hơn vấn đề ghép biến áp đề cặp tới phần khuếch đại cơng suất Hình 2.80a sơđồ khuếch đại ghép biến áp (linh kiện ghép tầng biến áp) Cuộn sơ cấp (W1) mắc vào bazơ tranzito T2 qua tụ Cp2 Ghép tầng biến áp cách li tầng dòng chiều, mà làm tăng hệ số

khuếch đại chung vềđiện áp (dòng điện) tùy thuộc vào biến áp tăng (hay giảm) áp Do điện trở chiều cuộn sơ cấp biến áp nhỏ, hạ áp chiều nhỏ, nghĩa tồn điện áp nguồn cung cấp đưa tới colectơ tranzito

Điều cho phép dùng nguồn điện áp thấp, tầng ghép biến áp dễ dàng thực phối hợp trở kháng thay đối cực tính điện áp tín hiệu cuộn dây Tuy nhiên có nhược điểm đặc tuyến tần số không phẳng dải tần

R’t = Rr1 (2-191)

có tính trở (đường chấm chấm hình 2.80a) cảm kháng cuộn sơ cấp tần số tín hiệu wL1 >>R’t (ởđây L1 điện cảm cuộn sơ cấp)

Méo tần số khuếch đại ghép biến áp cuộn dây biến áp tụ Cp1 Cp2, CE, CCE gây

Sơđồ tương đương khuếch đại vẽ hình 2.80b ảnh hưởng tầng đầu

khuếch đại thể sơđồ tương đương điện dung CCE Còn tầng hai

được thể Rt’đó tải phản ánh từ thứ cấp sơ cấp

Hình 2.80c vẽ đặc tuyến tần số khuếch đại ghép biến áp Ở miền tần số

trung bình hệ số khuếch đại thực tế không phụ thuộc vào tần số trở kháng điện cảm dị nhỏ nên khơng ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu tải Ngoài dung kháng CCE, C2 cảm kháng L1 đủ lớn, tác dụng mắc rẽ chúng mạch tầng đầu tải không đáng kể, khơng tính đến chúng

Hình 2.80: Tầng khuếch đại ghép biến áp

Sơđồ nguyên lí, sơđồ tương đương đặc tuyến tần số

Với giả thuyết trên, ta chia sơđồ tương đương mạch ghép tầng thành ba sơ đồ ứng với ba khoảng tần số trung bình, tần số thấp tần số cao (h.2.81)

Theo sơđồ hình 2.81a tần số trung bình tổng trở tải

RT = R’t + r1 + r2 (2-192)

Ở miền tần số thấp cảm kháng L1 bị giảm gây tác dụng mắc rẽ đáng kể với R’t làm cho hệ số khuếch đại giảm Ngoài dung kháng CCE C’2 lớn cảm kháng Ls1 L’s2 nhỏ so với trị số tương ứng chúng miền tần

|K|

f K0

số trung bình Cho nên sơ đồ tương đương mạch ghép có dạng hình 2.81b Với Mt wt cho trước, ta tìm điện cảm L1 tối thiều theo

÷ ứ ỗ ố ổ

-R / M

L

t t

1 (2-193)

ởđây :

R0 = [(Rr1 + r1)(r'2 + R't)/(Rr1 + r1 + r'2 + R't)]

Hình 2.81 : Sơđồ tương đương tầng khuếch đại ghép biến áp a) tần sốtrung bình; b) tầnthấp ; c) tầncao

Ở miền tần cao điện cảm dị tăng, nên điện áp tín hiệu đưa tải R't bị giảm Ngoài tần cao làm giảm đáng kể dung kháng CCE C'2 làm giảm điện áp xoay chiều eolectơ T1 R't hệ số khuếch đại giảm Ở miền tần cao sơ đồ tương đương khuếch đại vẽ hình 2.81 Với Mc wcđã cho, điện cảm dị tổng xác định theo

1 M ω R r r R L c c ' t ' r1 s -+ + +

£ (2-194)

Cần ý tầng khuếch đại ghép biến áp có R’

t lớn tần số

đó miền tần cao xuất cộng hưởng (đường hình 2.80c) mạch LSC'2 định, làm đặc tuyến vồng lên

2.3.5 Khuếch đại công suất

Tầng khuếch đại công suất tầng cuối mắc với tải ngồi để nhận cơng suất tối ưu theo yêu cầu tải cần phải đặc biệt ý đến tiêu lượng

Tầng khuếch đại cơng suất dùng tranzito lưỡng cực IC khuếch đại công suất Theo cách mắc tải, người ta chia thành tầng khuếch đại có biến áp tầng khuếch đại không biến áp

Ba chếđộ làm việc thường dùng tầng khuếch đại công suất : chế độ A, chế độ B chếđộ AB (xem 2.3.1) Hình 2.82 dùng để minh họa đặc điểm chếđộ

bằng ví dụ đặc tuyến tranzito theo sơđồ EC

Chế độ A dùng tầng khuếch đại cơng suất đơn, đảm bảo : tín hiệu méo hiệu suất nhỏ khoảng 20%, công suất tải không vượt vài W

Trong chếđộ B điểm làm việc tĩnh chọn điểm mút phải đường tài chiều Chế độ tĩnh tương ứng với điện áp UBE = Khi có tín hiệu vào, dòng colectơ xuất

lượng tầng cao (60 ¸ 70%) có khả cho cơng suất tải lớn, nhiên méo g với chếđộ lớn cần khắc phục cách mắc tranzito thích hợp

Chế độ AB trung gian chếđộ A B đạt cách địch chuyển điếm tĩnh lên phía điểm B (h.2.82) Méo không đường thảng giảm khác nhiễu so với chếđộ B

Hình 82: Vị trí điểm làm việc tĩnh đặc tuyến chếđộ A, B, AB a- Tầng khuếch đại công suất có biến áp làm việc chếđộ A (h.2.83)

Dịng điện mạch lớn phải lưu ý chọn điện trở RE Điện trở RE thường không vượt vài chục W nên khó khăn việc chọn CE để khử hồi tiếp âm dòng xoay chiều Ta khảo sát tầng khuếch đại RE =

Phương pháp đồ thị giải tích dùng để tính tốn tầng khuếch đại cơng suất Số liệu ban đầu đê tính tốn công suất Pt điện trở tải Rt

Hình 2.83: Tầng cơng suất làm việc chếđộ A ghép biến áp IB =0

IB0

IBmax

EC

UCE V

IC mA

PA

· ·

· IC

PAB P

Hình 2.84: Đồ thịđể tính tốn tầng khuếch đại làm việc chếđộ A, ghép biến áp

Từ đồ thị hình 2.84 ta thấy đường tải chiều qua điểm EC thẳng đứng điện trở tài chiều (h.2.83) tương đối nhỏ, (là điện trở cuộn sơ cấp biến áp) Điện trở tải xoay chiều tầng quy cuộn sơ cấp

Rt~ = n2(Rt + r2) + r1» n2Rt

Trong : n = W1/W2 hệ số biến áp, với W1, W2 số vòng dây, r1, r2 điện trở tương ứng cuộn sơ thứ cấp biến áp

Để chọn tọa độ điểm tinh UCEO, ICo theo cơng thức (2-119), (2-120) cần phải xác định trị số UcmIcm

Các tham số tìm sau : Cơng suất xoay chiều Pr cuộn sơ cấp biến áp (công suất mạch colectơ tranzito) công suất đưa tải Pt có quan hệ :

a

ηb P

P t

r =

-ởđây : hb-a hiệu suất biến áp (khoảng 0,8 ¸ 0,9)

Trường hợp tín hiệu hình sin, cơng suất tầng có quan hệ với tham số Ucm, Icm theo

IB =0

IB0

IBmax

EC

UCE V

IC mA

P

Pc.cp O

· ·

·

UC IC0

t 2 cm ~ t cm cm cm

r 2.n .R

U 2.R U I U

P = = = (2-195)

từđó ta có

t t cm t r cm R 2P

.ηηb U

.P 2P

U

n= = (2-196)

Chọn điện áp Ucm theo trị số UCEo (2-119) cho tầng UCEo gần Ec (h.2.82) Trị số Ucm hệ số biến áp n dùng đường tải chiều theo (2-120), Icm = Ucm /(n2Rt)

Sau tìm điểm tĩnh, qua ta kẻđường tải xoay chiều nghiêng góc xác định DUCE / DIC = Rt~

Chọn loại tranzito cần phải ý đến tham số giới hạn thỏa mãn điều kiện :

Ic.cp > lc.max = Ico + Icm (2-197)

UCE.cp > UCEm = UCEo + Ucm = 2Ec (2-198)

Pc-cp > Pc = UCO.ICO (2-199) Theo đồ thị hình 2.84 thấy tích số UcmIcm /2 cơng suất tầng Pr, diện tích tam giác cơng suất PQR

Theo giá trị Ico tìm được, xác định IBo, sau theo cơng thức (2-129), (2-130) tính Rl, R2

Hiệu suất tầng xác định : h=hc.hb-aởđây hc hiệu suất mạch colectơ

Công suất tầng

Pr = Ucm Icm/2 (2-200) Công suất tiêu thụ nguồn cung cấp

Po = Ec Ico = UCeo.ICo (2-200) Hiệu suất mạch colectơ

Co CEo cm cm o r I 2U I U P P

η= = (2-202)

Từ (2-202) ta thấy tín hiệu tăng hiệu suất tăng tiến tới giới hạn 0,5

Icm = Ico ; Ucm = UCEo Công suất tiêu hao mặt ghép colectơ

cm cm Co CEo r o

c U I

2 I U P P

P = - = - (2-203)

b- Tầng khuếch đại công suất đầy kéo chếđộ B hay AB có biến áp

Sơ đồ tầng khuếch đại cơng suất đầy kéo có biến áp vẽ hình 2.85, gồm hai tranzito T1 T2 Tải mắc với tầng khuếch đại qua biến áp BA2 Mạch colectơ tranzito mắc tới nửa cuộn sơ cấp biến áp Tỉ số biến áp

n2 = W21 / Wt = W22 /Wt

Biến áp vào BA1 có hệ số biến áp n1 = Wv/W11 = Wv/ W12 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ hai tranzito Trong trường hợp khuếch đại nhiều tầng Uv biến áp BA1 mắc vào mạch colectơ tầng trước theo sơ đồ khuếch

đại đơn ghép biến áp (h.2.83) Tầng đẩy kéo làm việc chế độ B hay AB Trong chế độ AB thiên áp bazơ hai tranzito lấy từ nguồn Ec

phân áp R1, R2 Trong chếđộ B thiên áp ban đầu khơng có, nên khơng cần R1 Khi

điện trở R2 dùng đểđảm bảo công tác cho mạch vào tránzito chế độ

gần với chếđộ nguồn dòng

Đầu tiên xét sơ đồ làm việc chế độ B Lúc khơng có tín hiệu vào điện áp bazơ hai tranzito emitơ chúng không Nếu khơng tính đến dịng điện ngược colectơ coi dịng điện tầng khuếch đại khơng Điện áp tảii không Trên colectơ tranzito có điện áp chiều điện áp nguồn Ec

Khi có tín hiệu vào, nửa chu kì đương, lúc cuộn thứ cấp W11 biến áp BA1 sê có nửa chu kì điện áp ầm điểm chung cuộn dây, cịn cuộn W12 có nửa chu kì điện áp dương Kết tranzito T2 tiếp tục khóa có dịng Ic1 = biB1 chảy qua tranzito T1 mở Trên cuộn W21 tạo nên điện áp U21 = íc.Rt~ = Ic1 n22 Rt Trên tải có nửa sóng điện áp dương Ut = U21/n2

Hình 2.86: Đồ thị tính tầng cơng suất

Khi tín hiệu vào chuyển sang nửa chu kỳ âm, cực tính điện áp cuộn thứ

cấp biến ập vào đổi dấu Lúc T1 khóa, T2 mở Trên cuộn W22 có dịng điện

2 b.ib

ic = chảy qua (chọn b1 = b2 = b ) tạo nên điện áp có trị số cực tính ngược lại cuộn tải Wt Trên tải có nửa sóng điện áp âm Như trình khuếch đại tín hiệu vào thực theo hai nhịp nửa chu kỳ : nửa chu kỳ đầu

có tranzito làm việc, nửa chu kỳ thứ hai thi tranzito cịn lại làm việc Q trình làm việc tầng khuếch đại cần giải thích đồ thị hình 2.86 nửa chu kỳ, ví dụđối với tranzito T1đường tải chiều (h.2.86) xuất phát từđiểm có tọa độ (0 Ec) song song với trục dịng điện điện trở mạch colectơ gồm

điện trở cuộn sơ cấp biến áp BA2 nhỏ Vì chế độ tĩnh UBeo = dòng colectơ xác định chủ yếu dịng điện ngược Đường tải xoay chiều cắt đường tải chiều điểm có tọa độ (Ico, UCE = Ec) Đường tải xoay chiều vẽ với Rt~ = n22.Rt cho xác định quan hệ đặc trưng cho tiêu lượng

tầng cơng suất Tín hiệu cuộn sơ cấp biến áp xác định diện tích tam giác gạch chéo (h.2.86)

Pr = Ucm Icm/2 (2-204)

Cơng suất đưa tải có tính đến công suất tổn hao biến áp

r b.a2 t η P

P = (2-205)

Trị số trung bình địng tiêu thụ từ nguồn cung cấp

UCE IC

Icm

π 2I sinθinθ I π I cm π cm

0= ị = (2-206)

Cơng suất tiêu thụ từ nguồn cung cấp

π

.I 2E

P c cm

0= (2-207)

Hiệu suất mạch colectơ

E U π P P η cm t r

c = = (2-208)

và hiệu suất tầng

c cm a2 b E U π η η=

-Hiệu suất tầng tăng tăng biên độ tín hiệu Giả thiết Ucm = Ec

1 =

-a b

h h=0.785 Chú ý giá trị biên độ Ucm không vượt Ec - DUCE

99 a = ¸ b

h hiệu suất thực tế tầng khuếch đại công suất kéo khống 0,6¸

0,7 lớn gấp l,5 lần hiệu suất tầng đơn

Công suất tiêu thụ mặt ghép colectơ tranzito

cm cm cm c r o

c 2U I

1 π I 2E P P

P = - = - (2-209)

hay ~ t cm ~ t cm c c R U R U π 2E

P = - (2-210)

Theo (2-210) cơng suất Pc phụ thuộc biên độ tín hiệu Ucm Để xác định Pcmax, lấy đạo hàm Pc theo Ucm cho không

0 R U π.R 2E dU dP ~ t cm ~ t c cm

c = - =

từđó ta tìm trị số Ucmứng với Pcmax

c c

*

cm π 0.64E

E

U = = (2-211)

Thay (2-211) vào (2-210) ta tìm cơng suất tiêu hao cực đại tranzito

t c 2 cmax R E n π

P = (2-212)

Việc chọn tranzitơ theo điện áp cần phải ý hình thành 1/2 sóng điện áp 1/2 cuộn W2 1/2 cuộn W2 cịn lại hình thành điện áp

điện áp ngược đặt tranzito 2Ec Xuất phát từ trị số để chọn tranzito theo điện áp

Trong chế độ B, dòng điện chảy qua tranzito 1/2 chu kỳ thích hợp chọn tranzito dịng điện dựa vào Icm (h.2.84) Do với loại tranzito tầng đẩy kéo đảm bào cơng suất tải lớn tầng đơn

Hình 2.87: Ảnh hưởng độ không đường thắng đặc tuyến vào tranzito đến méo dạng tín hiệu chếđộ

Hình 2.88: Giảm méo khơng đường thẳng chếđộ AB

Tuy nhiên chế độ B, thiên áp ban đầu không nên méo không đường thẳng điện áp lớn Nguyên nhân tính không đường thẳng đoạn đầu

đặc tuyến vào tranzito dịng bazơ nhỏ, tượng méo gốc vẽ IB

t T1

T2

UBE

IB

t T1

T2

hình 2.87 Ởđây đặc tuyến vào hai tranzito vẽ chung đồ thị Từ hình 2.87 thấy rõ Uv hình sin dạng iB1 iB2 bị méo phần gần gốc ứng với dịng IB nhỏ Do dạng dịng ic1,ic2 điện áp bị méo Trong chế độ A ngun nhân khơng xuất dịng bazơ tĩnh đủ lớn loại trừ vùng làm việc đoạn đầu đặc tuyến vào tranzito

Muốn giảm méo mạch bazơ hai tranzito, người ta đưa thêm điện trở phụ

(ví dụ R2 hình 2.85) để chuyển chế độ cơng tác nguồn tín hiệu gần tới chế độ nguồn dịng làm giảm ảnh hưởng độ khơng tuyến tính đặc tuyến vào tranzito Tuy nhiên eo hạ áp điện trở phụ dông iB chảy qua nên làm giảm hệ số khuếch đại tầng Để giảm méo triệt để tầng đẩy kéo chuyển sang làm việc chế độ AB Thiên áp ban đầu xác định nhờ điện trở R1, R2 (h.2.85) Đặc tuyến vào, hai tranzito có ý đến thiên áp UBO vẽ chung đồ thị hình 2.88

Chọn UBO dịng IBo, ICo không lớn lắm, nên thực tế chúng không ảnh hưởng

đến tiêu lượng sơ đồ so với tầng làm việc chế độ B Vì công thức dùng chếđộ B cho chếđộ AB '

c - Năng khuếch đại cơng suất đẩy kéo khơng có biến áp

Tầng cơng suất đẩy kéo làm việc theo sơ đồ khơng biến áp ra, nhờ

giảm kích thước, trọng lượng, giá thành, nâng cao tiêu chất lượng

dễ dàng việc dùng vi mạch

Sơ đồ tầng không biến áp cho hình 2.89 Có hai phương pháp mắc tải tương ứng hai phương pháp cung cấp điện áp chiều ;

· Theo phương pháp thứ (h.2.89a, c) tăng cung cấp hai nguồn Ec1 Ec2 có điểm chung gọi kiểu cung cấp song song, tải mắc điểm nối E C tranzito điểm chung nguồn cung cấp tranzito T1, T2 làm việc chế độ AB cách chọn điện trở R1 ¸ R4 thích hợp Điều khiển tranzito hai nguồn tín hiệu vào ngược pha Uv1 Uv2 lấy từ tầng đảo pha trước cuối

· Theo phương pháp thứ hai (h.2.89 b,d), tầng cung cấp nguồn chung (gọi cung cấp nối tiếp), tải mắc qua tụ có điện dung đủ lớn Khi khơng có tín hiệu tụ C nạp điện tới tri số 0,5Ec Nếu T1 làm việc, T2 tắt tụ C đóng vai trị nguồn cho tải Cịn T2 làm việc dịng tải chạy qua nguồn cung cấp Ec Khi dịng ic2 chạy qua tụ C tích trữ lượng cho bù lại phần lượng đưa vào tải nửa chu kỳ trước

Trong sơ đồ (h.2.89c, d), người ta dùng hai tranzito khác loại pnp npn, nên khơng cần hai tín hiệu vào ngược pha Ứng với 1/2 chu kỳ dương tín hiệu T1 làm việc, T2 khóa, cịn ứng với 1/2 chu kỳ âm tín hiệu ngược lại

Nếu so sánh với sơ đồ tầng cơng suất có biến áp ra, thấy hình 2.85 cơng suất (UcmIcm)/2 gần trị số Ucm ( n Rt)

2 2

nghĩa phải ý đến điện áp nguồn cung cấp Khi Rt nhỏ khơng đủ tải điện áp cịn Rt lớn khơng đủ tải dịng điện

Hình 2.89: Mạch đẩy kéo khơng biến áp

Tất sơđồ tầng đẩy kéo yêu cầu chọn cặp tranzito có tham số giống nhau,

đặc biệt hệ số truyền đạt b

Với mạch hình 2.89 c) d), cần ý tới vài nhận xét thực tế quan trọng sau :

Để áp chế độ AB cho cặp tranzito T1, T2 cần có hai nguồn điện áp phụ chiều U1 U2 phân cực cho chúng hình 2.90 Các điện áp tạo cách sử dụng hai điện áp thuận rơi điơt Đ1 Đ2 loại silic để có tổng điện áp điểm B1B2 UB1B2 = + (1,1 ¸ 1,2)V có hệ số nhiệt độ âm (-1mV/0C)

Việc trì địng điện tĩnh IBOổn định (ở chế độ AB) dải nhiệt độ rộng

Hình 2.90: Tầng đẩy kéo không biến áp chế độ AB dùng điôt ổn định nhiệt

· Khi cần có cơng suất lớn, người ta thường sử dụng tầng cặp tranzito kiểu Darlingtơn hình 2.91 (a) (b) Lúc đó, cặp Darlingtơn coi tranzito mới, chức mạch T1 T2 định cịn T’1 T’2 có tác dụng khuếch đại dịng

Các thơng số mạch hình 2.91a : Hệ số khuếch đại dòng điện '

1 1.b b b =

Điện trở vào rBE = 2rBE1

Điện trở rCE = 2/3rCE’1 mạch hình (2.91b) : '

2 2.b b

b = ; rBE = 2rBE2; rCE = 1/2rCE’2

Ởđây điện trở R đưa vào có tác dụng tạo sụt áp UR» 0,4V điều khiển mở T’1, T’2 lúc dòng đủ lớn chuyển chúng từ mở sang khóa nhanh

Hình 2.91 : Các cặp tranzito mắc kiểu Darlingtơn

Để bảo vệ tranzito công suất điều kiện tải nhỏ hay bị ngắn mạch tài, người ta thường dùng biện pháp tự động hạn chế dịng khơng q giới hạn cho trước ±

max ra

I (có hai cựa tính) Hình 2.92 đưa ví dụ mạch thường gặp IC khuếch đại công suất

Bình thường, tranzito T3 T4ở chếđộ khóa lúc dịng điện chưa đạt tới giá trị tới hạn ±

max ra

I Khi dòng điện mạch qua R1 R2đạt tới giới hạn này, giảm áp R1 R2 gây đẩy tới ngưỡng mở T3 T4 (cỡ ±0.6V) làm T3 T4 mở ngăn gia tăng tiếp Ira nhờ tác dụng phân dịng IB1, IB2 T3 T4

Hình 2.92 : Mạch bảo vệ dòng cho tầng IC khuếch đại cơng suất

Từđó chọn R1 R2 theo điều kiện

+

+ =

ramax I

0.6V

R ; =-

-ramax I

0.6V R

( ra)

5

3

ramax R.R E U

R R

0.6V

I = -

-tức giá trị ngưỡng dòng điện hạn chế lớn điện áp đạt tới giá trị xấp xỉđiện áp nguồn cung cấp

2.3.6 Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm

a- Khái niệm chung Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm (tín hiệu chiều) làm việc với tín hiệu có tần số gần khơng có đặc tuyến biên độ tần số hình 2.93

Việc ghép nguồn tín hiệu với đầu vào khuếch đại tầng dùng tụ hay biến áp đặc tuyến biên độ tần số có dạng hình 2.76a, tức f = K =

Hình 2.93: Đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại chiều

Để truyền đạt tín hiệu biến đổi chậm cần phải ghép trực dịng chiều nguồn tín hiệu với mạch vào khuếch đại tầng với Vì ghép trực tiếp nên việc chọn điểm làm việc điểm riêng so với khuếch đại khảo sát trước Chẳng hạn, khuếch đại ghép điện đung chế độ chiều tầng (chế độ tĩnh) xác định phần tử tầng định tham số tính riêng biệt tầng Tụ điện ghép tầng cách ly thành phần lnồt chiều theo nguyên nhân tầng không ảnh hưởng đến chếđộ chiều tầng

Trong khuếch đại ghép trực tiếp, khơng có chấn tử để cách ly thành phần chiều Vì vậy, điện áp khơng xác định tín hiệu có ích mà cịn tín hiệu giả thay đổi chế độ chiều tầng theo thời gian, theo nhiệt độ hay nguyên nhân lạ khác Tất nhiên, cần đặc biệt quan tâm đến tầng đầu thay đổi chế độ chiều ởđây tầng sau khuếch đại tiếp tục

Sự thay đổi cách ngẫu nhiên điện áp khuếch đại chiều tín hiệu vào không đổi DUvào = gọi trôi điểm không khuếch đại Nguyên nhân trôi tính khơng ổn định điện áp nguồn cung cấp, tham số

tranzito điện trở theo nhiệt độ thời gian Gia số điện áp trôi đầu DUtr.r

được xác định gắn mạch đầu vào khuếch đại (en = 0)

Chất lượng khuếch đại chiều đánh giá theo điện áp trơi quy đầu vào nó: DUtr.v = DUtr.r K, K hệ số khuếch đại khuếch đại Độ trôi quy đầu vào đặc trưng cho trị số tín hiệu đầu vào khuếch đại có hệ số

khuếch đại K Khi xác định dải biến đổi điện áp vào en phải ý đến DUtr.r

Ku

cho DUtr.r phần khơng đáng kể so với tín hiệu có ích Tùy thuộc vào u cầu khuếch đại mà trị số nhỏ phải lớn DUtr.v hàng chục hàng trăm lần

Hình 2.94: Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm

Việc ghép trực tiếp tầng khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm

định đặc điểm tính tốn chế độ tĩnh (điện áp dịng điện en = 0) Tính tốn tham số chế độ tĩnh tầng phải ý đến phần tử thuộc mạch tầng trước mạch vào tầng sau

Dưới ta khảo sát mạch khuếch đại chiều hình 2.94 gồm tầng ghép trực tiếp

Trong sơ đồ cơlectơ Tranzito trước nối trực tiếp với bazơ tranzito sau Khi điện trở RE nhờ dòng IEO tạo nên điện áp cần thiết UBEO cho chế

độ tĩnh tầng Điều đạt cách tăng điện âm emitơ tranzito Chẳng hạn, tầng thứ hai

UBEO2 = Uc01 - UEO2 = Uco1 – IEO2 RE2 (2-213)

Có thể tạo điện áp bù UBV nhờ RB1 RB2 theo sơđồ (h: 2.94b) B B B C Bo

BV R +R

R E = U = U

Tương tự mạch ra, tải Rt (h: 2.94a) mắc vào đường chéo mạch cầu gồm phần tử mạch tầng cuối điện trở R3 R4 Khi sẽđảm bảo điều kiện Ut = en = điện trở R3 R4 đóng vai trị phân áp để tạo nên điện áp bù Uco3 cho mạch tầng en =

3 CO 4 C

br R +R =U

R E =

U (2-214)

Dưới khảo sát tiêu đặc trưng cho khuếch đại dòng xoay chiều (đối với gia sốđiện áp tín hiệu vào)

Nếu chọn R1 R2 đủ lớn, điện trở vào tầng tính từ: Rv = rb + (1 + b) (rE + RE) »b1RE (2-215)

Để xác định hệ số khuếch đại tầng ta giả thiết Rc // Rv = Rc ; Rv1 > Rn

đó hệ số khuếch đại tương ứng tầng là:

1 E C E 1 C 1 V V C 1 R R = R β R β = R R // R β = K (2-216) E C E 2 C 2 V V C 2 R R = R β R β = R R // R β =

K (2-217)

3 E t C V t C 3 R ) R // R + R //( R = R ) R // R + R //( R β = K (2-218)

Rõ ràng hệ số khuếch đại tầng tỉ lệ nghịch với điện trở emitơ

Điện trở RE1 tính theo chế độổn định nhiệt tầng đầu có trị số từ vài trăm đến vài kW Điện trở RE tầng sau vừa để ổn định nhiệt độ, vừa để đảm bảo trị số UBEO yêu cầu tương ứng chế độ tĩnh Khi ghép trực tiếp (h.2.94a) điện áp emitơ colectơ tầng sau phải tăng dần lên (về trị số tuyệt

đối trường hợp dùng tranzito pnp) Điều dẫn tới phải tăng REở tầng sau

để có UEO yêu cầu theo hệ thức (2-216) + (2-218) làm giảm hệ số khuếch đại chúng (K3 < K2 < Kl) hệ số khuếch đại chung

Thiếu sót sơđồ hình 2.94a khắc phục cách dùng sơđồ

(94c,d) Trong sơđồ (h.94c) điện trở RE chọn nhỏđi điện trở Rp, tạo thêm dòng điện phụ chạy qua RE

02 E 02 BE 01 c E I U U =

R - (2-219)

đối với sơđồ (h.2.94c)

P 02 E 02 BE 01 c

E I +I

U U =

R - (2-220)

Cũng thực theo sơ đồ (h.2.94d) cách mắc vào mạch emitơ

điôt ổn áp mức Uz :

02 E D 02 BE 01 c E I U U U =

R - - (2-221)

Các mạch khuếch đại chiều ghép trực tiếp có đặc điểm đơn giản, hệ số khuếch đại không cao (khoảng vài chục lần) dùng tín hiệu vào tương đối lớn 0,05 + 0,1V độ trơi địi hỏi khơng chặt chẽ Muốn có hệ số khuếch đại lớn (hàng trăm hàng nghẽn lần) cách ghép tầng khơng thể xuất độ trơi khơng cho phép việc bù nhiệt độ khó khăn Các mạch khuếch đại vi sai xét khắc phục nhược điểm vừa nêu

b- Tầng khuếch đại vi sai

Hình 2.95a cấu trúc điển hình tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cần song song Hai nhánh cầu hai điện trở Rcl vả Rc2 CÒN hai nhánh tranzito T1 T2được chế tạo điều kiện cho Rc1 = Rc2 T1 T2 có thông số giống hệt Điện áp lấy hai colectơ (kiểu đối xứng) hay colectơđối với đất (kiểu không đối xứng) Tranzito T3 làm nguồn ổn dòng giữổn định dòng IE (là tổng dòng emitơ IEI IE2 tranzito T1 T2) Trong sơđồ nguồn ổn dịng cịn có điện trở R1, R2 R3 nguồn cung cấp Ec2, T4 mắc thành điôt làm phần tử bù nhiệt ổn định nhiệt cho T3 Muốn xác định đòng IE cần xác định điện áp điểm 1-2 sơđồ Nếu bỏ qua dòng IB3 nhỏ dòng IE coi IE3» IC3 = IE viết :

UBE3 + IE R3 = I1 R2 + UBE4 (2-222)

ởđây

2 C2 BE4 C2

1 R +R

E +R R U E =

I - ≈

Từ phương trình 2-222 tìm

3 BE BE E R ) U U ( + R I =

I - (2-223)

Trong sơ đồ rút gọn (h.2.95b) phần nguồn ổn dòng dùng T3 thay nguồn dịng IE

Hình 2.95: Khuếch đại vi sai

a) Mạch nguyên lý; b) Sơđồđơn giản hóa; c,d) Phương pháp đưa tín hiệu vào

Tín hiệu vào tầng vi sai từ hai nguồn riêng biệt (Uv1 Uv2) từ nguồn (h.2.e5c,d) Trong trường hợp sau tín hiệu vào đặt lên bazơ hai tranzito hay hai bazơ chúng Các đầu vào Uv1 Uv2 nối theo sơđồ hình 2.95c,d gọi đầu vào vi sai Điện áp chiều cung cấp cho tầng vi sai hai nguồn Ec1 Ec2 khác hay trị số Vì hai nguồn nối tiếp nên

điện áp cung cấp tổng Ec = Ec1 + Ec2

Do có Ec2 nên điện emitơ tranzito T1, T2 giảm nhiều so với sơ đồ hình 2.94a điều cho phép đưa tín hiệu tới đầu vào khuếch đại vi sai mà không cần thêm mạch bù điện áp đầu vào

Hãy xét cụ thể số trường hợp điển hình sau:

đầu có độ trơi đó, nhỏ nhiều so với sơđồ trước trị số độ trơi xác định hiệu độ trơi hai nhánh có tham số gần giống

Hình 296:a) Sơđồ khuếch đại vi sai tín hiệu vào 0; b) Biểu đồ tín hiệu

Dịng emitơ - IE chia hai tranzito nghĩa IE1= IE2 = IE/2 xác

định dòng bazơ tĩnh:

IBO1 = IBO2 = IE/ 2(1+b) = lvo

Dòng bazơ phần dòng emitơ chạy mạch có nguồn ổn địng IE

điện áp Ec2 Các dịng colectơ dòng emitơ nhau: Ic1 = Ic2 = aIE/2 » IE/2

và điện áp colectơ

Uc1 = Uc2 = Ec1 - IERC /2

ởđây Rc1 = Rc2 = Rc

Trạng thái sơđồđặc trưng cho chếđộ cân tầng gọi chế độ cân tĩnh

Hình 2.97: a) Sơđồ tầng vi sai có tín hiệu vào với Uv1 > 0; Uv2 = 0; b) Biểu đồđiện thế

Do tác dụng tín hiệu vào, xuất dòng điện vào hai tranzito Với giả

thiết Uv1 > 0, Uv2 = 0, dòng vào làm tăng dòng bazơ tranzito T1 làm giảm dịng bazơ tranzito T2 Khi đòng IE1 lc1 tăng, dòng IE2 Ic2 giảm

Sự thay đổi dòng điện tranzito xảy ngược chiều với gia số, tổng dịng điện IE1 + IE2 = lE giữ nguyên không đổi

Điện áp colectơ tranlito T1 Uc1 = Ec1 - ICLRC1 giảm, lượng DUc1 ngược dấu (đảo pha) với điện áp vào Điện áp Uc2 tăng tạo gia số điện áp +DUc2 dấu (không đảo pha) với điện áp tín hiệu vào

Như với cách đưa tín hiệu vào sơđồđang khảo sát đầu tầng lấy colectơ T1 (Ur1) gọi đầu đảo, đầu lấy colectơ T2 (Ur2) gọi đầu khơng đảo Tín hiệu lấy hai colectơ gọi tín hiệu vi sai

Ur = Uc2 - Uc1= +DUc2 + +DUc1 = 2+DUc = 2|+DIc| Rc

[B E] n n v n n v v n n

v R +2r +(1+β)r

e = r + R e = r + r + R e =

I (2-224)

ởđây rv điện trở vào tranzito

Dòng điện vào tạo gia số dòng điện colectơ ±DIc = ± bIv gia số điện áp colectơ

±DU r12 = ±DIc.Ic = ±bIv Rc (2-225) Sau thay IV từ (2-224) vào (2-225) chia cho en ta xác định hệ số khuếch đại điện áp tầng (theo hai đầu Ur1 Ur2 riêng rẽ)

[B E] n C v n C n , r ,

1 R +2r +(1+β)r

R β = r + R R β = e U Δ =

K (2-226)

Khi Rn =

[B E]

C v n C n , r ,

1 2r +(1+β)r

R β = r + R R β = e U Δ = K (2-227)

Hệ số khuếch đại tầng theo đầu vi sai (Ur) Rt -> ¥

[B E] n C v n C n , r s

v R +2r +(1+β)r

R β = r + R R β = e U Δ = K (2-228)

Nếu tính đến Rt

v n t C s

v R +2r

) R // R ( β = K (2-229)

Rt đƠ ; Rnđ

E B c v C s

v r +(1+β).r

R β = r R β =

K (2-230)

Cơng thức (2-228), (2-230) dùng để tính hệ số khuếch đại tầng vi sai Hệ số

khuếch đại theo đầu Ur1 Ur2 Rn = Rt = ¥ Sẽ gần K/2 hệ số khuếch đại điện áp theo đầu vi sai Kvs gần trị số hệ số khuếch đại K tầng

đơn mắc EC

Tín hiệu cung cấp cho tầng khuếch đại vi sai thực đồng thời hai

đầu vào (h.295b) Khi tín hiệu Uv1 Uv2 có cực tính khác điện áp vào vi sai Uv =Uv1 + Uv2 điện áp vi sai là: Ur = KVS(UV1 - Uv2)

Ur = Kvs (UV1 - Uv2) (2=231) Xét trường hợp Uv1 Uv2 đồng pha độ lớn, mạch khuếch

đại hoàn toàn đối xứng điện áp lấy hai colectơ tầng vi sai không hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha Kđ khơng Tuy nhiên,

khơng thể có mạch đối xứng lý tưởng nguồn dòng điện lý tưởng nên hệ số khuếch

đại đồng pha khác không, thường nhỏ Chất lượng tầng vi sai

được đặc trưng tỉ số Kđ/KVS, rõ khà tầng khuếch đại phân biệt tín hiệu vi sai nhỏ điện áp đồng pha lớn

Ở người ta đưa khái niệm hệ số nén tín hiệu đồng pha tầng vi sai

được ký hiệu N tính sau: N = 20 lg (Kđ/Kvs) (dB)

Trong tầng khuếch đại vi sai nay, trị số N có giá trị từ - 60 ¸ 100 dB

Hình 2.98: Khuếch đại vi sai có tải kiểu gương dòng điện

- Trong tầng khuếch đại vi sai IC thuật toán, người ta thường thay điện trở

Rc ằng tranzito thực chức năng, tải động tầng Sơ đồ có hệ sổ khuếch

đại Kvs lớn nhiều lần so với sơđồđã khảo sát có tải Rc Điều quan trọng thiết kế khuếch đại chiều nhiều tầng Một sơ đồ vẽ

được mắc thành điôt Cách mắc gọi sơ đồ gương dòng điện (xem thêm 2.6.4.b) Dòng Ic1 tranzito T1 chảy qua T5 tạo nên điện áp UBE5 xác định điện áp vào UBE6 VÌ T5 T6 có tham số giống nên Ic6 giống Ic1 Tín hiệu vi sai lấy từ colectơ T2

Khi en = sơ đồở chế độ tĩnh (cần bằng) Dòng Ic1 = Ic2 = Ic6 = IE/2 Dòng Ic6

chảy qua T2, dòng tải It = Ur =

Giả thiết tín hiệu vào có cực tính hình 2.98 Dưới tác dụng nguồn en dòng điện vào làm tăng dòng IB1 làm giảm dòng IB2 Sự thay đổi dòng bazơ làm thay đổi dòng colectơ:

Ic1 = IE/2 + bIv Ic2 = IE/2 - bIv

Bởi dòng Ic6 = Ic1 nên Ic6 = I E/2 + bIv Khi dịng tải It = Ic6 - lc2 = 2Iv Điện áp

đầu Ur = 2bIv Rt Nếu tín hiệu vào đổi dấu làm đổi chiều dịng điện IV, It cực tính điện áp Ur Hệ số khuếch đại điện áp tầng

[B E] n t v n t n r r ) β + ( + r + R R β = r + R R β = e U = K (2-232)

Khi Rn»

( )E

B t r β + + r R β =

K (2-233)

Trong tử số (2-230) có điện trở Rc (h 295a) tử số (2-233) có điện trở tài Rt Trong khuếch đại nhiều tầng Rt điện trở vào tầng sau Sơ đồ hình 2.98 có ưu điểm khả chịu tải cao tải có điểm nối đất, thêm vào

đó hệ số khuếch đại Kvs tầng vi sai tải Rc khoảng tài chục,

Cịn tầng có dải động khoảng vài trăm Vì đặc tuyến vào tranzito khơng tuyến tính nên chọn chế độ thích hợp, đạt điện trở vào hàng chục hàng trăm kΩ

Tăng điện trở vào (tới hàng chục MΩ) đạt chọn T1 T2 FET (h.2.99) nguyên lý sơđồ không khác sơđồ (h.2.95)

c - Khuếch đại chiều có biến đổi trung gian

Hình 2.100a sơ đồ khối phương pháp khác để xây dựng khuếch đại chiều (kiểu gián tiếp)

Điện áp chiều Uvđược đưa tới bộđiều chế làm biến đổi thông số điện áp xoay chiều (biên độ hay tần số…) theo quy luật (thường thực theo nguyên lý điều biên, dùng nguyên lý điều tần điều pha) Lúc đầu điều chế ta có điện áp xoay chiều với biên độ tỉ lệ với điện áp vào Uv biến

Hình 2.99: Khuếch đại vi sai dùng tranzito trường

Tín hiệu điều biên dưa tới khuếch đại xoay chiều có hệ số khuếch đại

đủ lớn Trong khuếch đại thành phần chiều tầng cách li phần tửđiện kháng (điện dung, điện cảm), thếđộ trơi điểm “0” khơng có

Điện áp sau khuếch đại dược tách sóng giải điều chế lọc khỏi

điện áp tần số mang Như đầu khuếch đại ta có điện áp chiều

được khuếch đại mang quy luật biến đổi điện áp vào Uv

Bộ điều chế khối chủ yếu gây trơi điểm khơng khuếch đại chiều loại Bộđiều chế dùng phần tử cơđiện, từđiện hay bán dẫn

Hình 2.100a: Khuếch đại chiều có biến đổi trung gian

Hình 2.100b: Khuếch đại chiều hai đường có biến đổi trung gian

Có thể dùng nguyên lý hình 2.100b thiết kế khuếch đại chiều có biến

đổi trung gian Điện áp vào chiều Uvđồng thời đặt lên hai nhánh song song Một nhánh khuếch đại chiều theo sơđồ hình 2.100a cịn nhánh khuếch đại chiều ghép trực tiếp có hệ số khuếch đại K1 Điện áp hai khuếch đại có đưa vào cộng sau đưa vào khuếch đại chung tiếp sau Nếu tính đến điện áp trơi ∆U khuếch đại chiều ghép trực tiếp gây ra, điện áp đưa vào cộng :

Ur = K2Uv + K1(Uv + ∆U) = (K1 + K2)Uv + K1∆U (2-234)

Khi độ trơi điểm “khơng” tương đối khuếch đại chiều : h =

( ) K K h

K U

K K

.ΔΔ

K

2

1 v

2

1 ¢

+ = +

ởđây : h’ = ∆U/Uv độ trôi nhánh khuếch đại chiều trực tiếp

Từ biểu thức ta thấy độổn định khuếch đại chiều cao tỉ số K2/K1 lớn

Vì tham số khuếch đại chiều hai nhánh có biến đổi trung gian tốt nhiều so với khuếch đại chiều loại tương tự khác, chúng dùng

1

AC

AC K

1

AC

AC K

K

trong trường hợp cần hệ số khuếch đại cao với độ trôi điểm “không” nhỏ

nhất, ví dụ máy tính tương tự thiết bi đo lường khác

Hình 2.101: Bộ điều chế dùng tranzito 2.4 KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN

2.4.1 Khái niệm chung

Danh từ : “khuếch đại thuật tốn” (operational amplifier) thuộc khuếch đại dịng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung Tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân v.v… Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kĩ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, bộổn áp lọc tích cực v.v…

Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật tốn

Kí hiệu quy ước khuếch đại thuật toán (OA) cho hình 2.102 với đầu vào Uvk (hay Uv+) gọi đầu vào không đảo đầu vào thứ hai Uvd (hay Uv-) gọi đầu vào đảo Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo gia số tín hiệu dấu (cùng pha) so với gia số tín hiệu vào Nếu tín hiệu đưa vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với gia số tín hiệu vào Đầu vào đảo thường dùng

Cấu tạo sở OA tầng vi sai dùng làm tầng vào tầng

khuếch đại Tầng OA thường tầng lặp emitơ (CC) đảm bảo khả tải yêu cầu sơđồ Vì hệ số khuếch đại tầng emitơ gần 1, nên hệ số khuếch đại đạt

được nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ sung mắc tầng vi sai tầng CC Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại OA mà định số lượng tầng Trong OA hai tầng (thế hệ mới) gồm tầng vi sai vào tầng bổ sung, cịn OA ba tầng (thế hệ cũ) gồm tầng vi sai vào hai tầng bổ sung Ngồi OA cịn có tầng phụ, tầng dịch mức điện áp chiều, tầng tạo nguồn ổn dịng, mạch hồi tiếp

Hình 2.103: Sơđồ ngun lý mạch khuếch đại thuật toán

Sơđồ nguyên lý OA ba tầng vẽ hình 2.103, cung cấp từ hai nguồn Ec1 Ec2 khơng nhau có điểm chung Tầng khuếch

Tranzito T3 đóng vai trị nguồn ổn dòng, tranzito T4 mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3đã nói tới 2.3.6b

Khi điện áp vào ÓA Uvk = Uvd = điện áp đầu OA Ur =

Dưới tác dụng tín hiệu vào (h.2.103) có dạng sóng “+”,điện áp colectơ T6 tăng, làm dòng IB IE T9 Điện áp R12 tăng làm giảm dòng IB IE T8 Kết đầu OA có điện áp cực dương Ur > Nếu tín hiệu vào ứng với nửa sóng “-“ ởđầu OA có điện áp cực tính âm Ur <

Đặc tuyến quan trọng OA đặc tuyến truyền đạt điện áp (h.2.104), gồm hai đường cong tương ứng với đầu vào đảo không đảo Mỗi đường cong gồm đoạn nằm ngang đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ

tranzito tầng (tầng CC) thơng bão hồ cắt dịng Trên đoạn thay

đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp khuếch đại không đổi xác định giá trị U+r max, U-r max, gọi điện áp cực đại, (điện áp bão hoà) gần Ec nguồn cung cấp (trong IC thuật tốn mức điện áp bão hồ thường thấp giá trị nguồn Ec từ đến 3V giá trị) Đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỉ lệ

điện áp với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại OA (khi khơng có hồi tiếp ngồi)

K = ∆Un/∆Uv

Trị số K tuỳ thuộc vào loại OA, từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần lớn Giá trị K lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất OA

Đường cong lí tưởng (h.2.104) qua gốc toạđộ Trạng thái Ur = Uv = gọi trạng thái cân OA, nhiên OA thực tế thường khó đạt

được cân hồn tồn, nghĩa Uv = Ur lớn nhỏ không Nguyên nhân cân tản mạn tham số linh kiện khuếch đại vi sai (đặc biệt tranzito)

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số OA gây nên độ trôi thiên áp đầu vào

điện áp đầu theo nhiệt độ Vì để cân ban đầu cho OA người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp điện trở đểđiều chỉnh dịng thiên áp mạch vào

Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt IC thuật toán U r

U v Uv đảo

Điện trở tham số quan trọng OA OA phải có điện trở

ra nhỏ (hàng chục hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp lớn điện trở tải nhỏ,

điều đạt mạch lặp emitơởđầu OA Tham số tần số OA xác định theo đặc tuyến biên độ tần số (h.2.105a) bị giảm miền tần số cao,

tần số cắt fc với độ dốc (-20dB) khoảng mười (1 đề các) trục tần số Nguyên nhân phụ thuộc tham số tranzito điện dung kí sinh sơ đồ OA vào tần số Tần số f1 ứng với hệ số khuếch đại OA gọi tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fcứng với hệ số khuếch đại OA bị giảm √2 lần,

được gọi giải thơng khơng có mạch hồi tiếp âm, fc thường thấp cỡ vài chục Hz Khi dùng OA khuếch đại tín hiệu, thường sử dụng hồi tiếp âm ởđầu vào đảo Vì có dịch pha tín hiệu so với tín hiệu vào tần số cao nên đặc tuyến pha tần số

của OA theo đầu vào cịn có thêm góc lệch pha phụ trở nên lớn 180o (h.1.105b) Ở tần số cao f* đó, tổng góc dịch pha 360o xuất hồi tiếp dương theo đầu vào đảo tần số làm mạch bị ổn định (xem 2.5.1)

tần số Để khắc phục tượng trên, người ta mắc thêm mạch hiệu chỉnh pha RC để chuyển tần số f* khỏi dải thông khuếch đại Tham số mạch RC vị trí mắc chúngtring sơđồ IC để khử tự kích người sản xuất dẫn

Dưới ta khảo sát số mạch ứng dụng dùng OA chếđộ làm việc miền tuyến tính đặc tuyến truyền đạt có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển tham số mạch

2.4.2 Bộ khuếch đại đảo

Hình 2.106: Khuếch đại đảo dùng IC thuật toán

Bộ khuếch đại đảo cho hình 2.106, có thực hồi tiếp âm song song điện áp qua Rht Đầu vào không đảo nối với điểm chung sơ đồ (nối đất) Tín hiệu vào qua R1đặt vào đầu đảo OA Nếu coi OA lý tưởng điện trở vào vơ lớn Rv→∞, dịng vào OA vơ bé I0 = 0, nút N có phương trình nút dịng điện : Iv≈ Iht

Từđó ta có :

ht

0 v

R U U R

U

U - = - (2-325)

Khi K →∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → 0, (2-235) có dạng :

Uv/R1 = -Ur/Uht (2-236) Do hệ số khuếch đại điện áp Kđ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song

song xác định tham số phần tử thụđộng sơđồ :

Kđ = Ur/Uv = – Rht/R1 (2-237) Nếu chọn Rht = R1, Kđ = –1, sơ đồ (h.2.106) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp

(đảo tín hiệu) Nếu R1 = từ phương trình Iv≈ Iht ta có Iv = – Ura/Rht hay Ura = –Iv.Rht

2.4.3 Bộ khuếch đại không đảo

Bộ khuếch đại khơng đảo (h.2.107) gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu

đảo, cịn tín hiệu đặt tới đầu vào khơng đảo OA Vì điện áp đầu vào OA (U0 = 0) nên quan hệ Uv Ur xác định :

Hình 2.107:Khuếch đại khơng đảo dùng IC thuật toán

Uv = Ur

ht

1

R R

R

+

Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng : Kk =

1 ht

1 ht vao

ra

R R R

R R U

U = + = +

(2-238a) Lưu ý đến vị trí lối vào lối tức thay Ura Uvào ngược lại sơđồ (2.107a), ta có suy giảm điện áp :

Ura =( ) 1 ht

vao .R

R R

U

+ (2-238b)

Khi Rht = R1 = ∞ ta có sơđồ lặp lại điện áp (h.2.107b) với Kk = Điện trở vào khuếch đại không đảo điện trỏ vào OA theo đầu vào đảo lớn, điện trở Rrà

2.4.4 Mạch cộng

a - Mạch cộng đảo:

Sơ đồ hình 2.108 có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cần cộng Coi điện trở :

Khi Iv =

Iht = I1 + I2 + … + In

hay Ur = –(U1+U2+ … +Un) = –å

= n i i U (2-239)

Hình 2.108 Mạch cộng đảo Hình 2.109: Mạch cộng khơng đảo

Cơng thức (2-239) phản ánh tham gia giống số hạng tổng Tổng quát :

Khi R1 ≠ … ≠ Rn có :

Ur = ữữ

ứ ỗỗ ố ổ + + + n n ht 2 ht 1 ht U R R U R R U R R (2-240)

= –Rht å

= -= ữữ ứ ỗỗ ố ổ + + + n i i i n

n

2

1 αU

R U R U R

U với

i ht i R R α =

b - Mạch cộng không đảo :

Sơđồ nguyên lý mạch cộng khơng đảo vẽ hình 2.109 Khi U0 = 0, điện áp hai đầu vào

Uv+ = Uv– = r ht 1 .U R R R +

R U U R U U R U

U1- v- + 2- v- + + n- v- =

hay U1 + U2 + … + Un = n r ht 1 U R R R +

từđó Ur = ( ) ữữ

ứ ỗỗ ố ổ + = + + + + å = n i i ht n 1 ht U n.R R R U U U n.R R R (2-241) Chọn tham số sơ đồ thích hợp có thừa số vế phải công thức (2-240)

(R1 + Rht)/(n.R1) = Ura = U1 + U2 + … + Un = å

= n i i U

2.4.5 Mạch trừ

Khi cần trừ hai điện áp, người ta thực theo sơ đồ hình 2.110 Khi

điện áp đầu tính theo :

Ur = K1U1 + K2U2 (2-242) Có thể tìm K1 K2 theo phương pháp sau : Cho U2 = 0, mạch làm việc khuếch đại đảo, tức

Ura = –αaU1

vậy K1 = –αa Khi U1 = 0, mạch mạch khuếch đại khơng đảo có phân áp Khi

Urb =

b b b b /α R R R

+ U2

Hình 2.110: Mạch trừ

Ra/aa

Hệ số khuếch đại mạch lúc b b α α +

Vậy: Ur = Ura + Urb = [αb/(1+αb)](1+αa)U2-αaU1

Nếu điện trở hai lối vào nhau, tức αa=αb=α K2 = α, K1 = –α

Vậy Ura = α (U2 – U1) (2-243) Tổng quát, sơđồ trừ vạn dùng đểđồng thời lấy tổng lấy hiệu số điện áp vào thực mạch hình 2.111

Để rút hệ thức cần thiết, ta sử dụng quy tắc nút cửa vào A

khuếch đại :

( ) R

U U /α R U U a a n i a i

a

1- + - =

å

=

Rút :

a n

1 i i i

U U α -å = U α a n i i ' + = ú û ù ê ë éå + =

Tương tựđối với cửa vào B khuếch đại α U U α n i i ' b n i i ' i ' = ú û ù ê ë é + - å å = =

nếu Ua = Ub thoả mãn thêm điều kiện :

å å = = = n i i ' n i i α α

thì sau trừđi hai biểu thức ta có :

Ua = å å

= = - n i i i n i i ' i

'U αU

Hình 2.111: Hiệu tổng tín hiệu

2.4.6 Bộ tích phân

Sơđồ tích phân mơ tả hình 2.112 Với phương pháp tính trên, từđiều kiện cân dòng nút A, iR = iC ta có

–C

R U dt dUr = v

Hình 2.112: Bộ tích phân

Ur = ro

t

0

vdt U

U CR

1 +

Ởđây: Uro điện áp tụ C t = (là số tích phân xác định từđiều kiện ban đầu)

Thường t = 0, Uv = Ur = Nên ta có

Ur = ò

t

0 vdt

U

τ

1

(2-246)

Ởđây: t =RC gọi số tích phân mạch

Khi tín hiệu vào nấc, tốc độ thay đổi điện áp bằng: RC

U

Δt

ΔUr =- v

nghĩa đầu tích phân có điện áp tăng (hay giảm) tuyến tính theo thời gian

Đối với tín hiệu hình sin, tích phân lọc tầng thấp, quay pha tín hiệu hình sin 90o hệ số khuếch đại tỉ lệ nghịch với tần số

2.4.7 Bộ vi phân

Hình 2.112: Bộ vi phân

Bộ vi phân cho hình 2.113 Bằng tính tốn tương tự phần có điện áp tỉ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào:

Ur = – RC dt dUv

(2-247)

Ởđây t = RC gọi số vi phân mạch

Khi tín hiệu vào hình sin, vi phân làm việc lọc tần cao, hệ số

zc = ®0 c

w làm hệ số hồi tiếp âm giảm nên sử dụng cần lưu ý đặc điểm

bổ sung điện trở làm nhụt R1 2.4.8 Các bộ biến đổi hàm số

Trong thực tế thường cần tạo điện áp U2 hàm số điện áp U1, tức U2 = F(U1) Ởđây F quan hệ hàm hàm logarit, hàm mũ, hàm lượng giác, sin, cos, … U1

Dưới xét ví dụ với F có dạng hàm logarit, tức cần nhận

phụ thuộc có dạng U2 = α1ln(α2U1)

Hình 2.114 Mạch Logarit dùng điơt

Hình 2.114 Mạch Logarit dùng tranzito nối kiểu điôt

muốn vậy, dùng biểu thức dịng điơt có phần 2.1: ID = Is(eUak/mUT -1)

(Trong : Is : dòng ngược tĩnh UT : điện nhiệt KT/eo

M : hệ số điều chỉnh (1 < m < 2) Uak: điện áp điôt)

Trong miền làm việc (thoả mãn điều kiện ID >> Is) coi : ID n= Is.eUak/mUT

Từ ta có

chính hàm logarit cần tìm

Để thực quan hệ này, sử dụng mạch hình 2.114 Nếu coi vi mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng ta tính sau :

ID = R U1

Ur = – Uak

Rút : Ur = –mUTln(U1/IsR) = –mUTln10lg(U1/IsR)

ở nhiệt độ phịng có :

Ur = –(1 ÷2)60lg(U1/IsR) [ ]mV

Dải điện áp làm việc mạch bịhạn chế hai tính chất đặc biệt điơt Do có điện trở kí sinh nên với dịng lớn, có sụt áp dẫn đến méo đặc tính logarit Ngồi hệ số m cịn phụ thuộc vào dịng điện Vì vậy, độ xác cần thiết nhận mạch thay đổi điện áp vào phạm vi đecac

Có thể loại trừ ảnh hưởng hệ số m mỏ rộng dải phạm vi ÷ đecac cách thay điot D mạơt tranzito T (h.2.115) Đối với dịng cực coletơ tranzito (UCB = 0) nghiệm với hệ thức :

Ic = αIE = αIES(eUBE/mUT -1)

Ởđây phụ thuộc hàm số α m vào dòng bù nhau,

viết :

Ic = γIES(eUBE/UT -1)

Lúc g phụ thuộc chủ yếu vào dịng trị số gần Khi UBE>0 viết

Ic »IESeUBE/UT (2-250)

hay Ur = –UBE = –UTln(U1/IES.R)

Chất lượng sơđồ logarit sẽđược nâng cao, đặc biệt với độổn nhiệt dùng hai sơđồ 2.115 mắc kiểu sơđồ khuếch đại vi sai, cấu trúc IC lấy logarit 2.4.9 Các mạch lọc

Mạch lọc mạng bốn cực, dùng để tách từ tín hiệu phức tạp thành phần có tần số nằm dải định loại thành phần dải tần số Dải tần số mà mạch lọc cho tín hiệu qua gọi dải thơng

Mạch lọc ứng dụng rộng rãi dải tần số Chúng thường

được dùng để tách tín hiệu hữu ích khỏi tạp nhiễu

- Mạch lọc tần thấp có dải thơng từ ) đến tần số w2 (h.2.116a) - Mạch lọc tần cao có dải thơng từ giá trịw1 đến vô hạn (h.2.116b)

- Mạch lọc thông dải có dải thơng nằm khoảng tần số từw1 đếnw2(h.2.116c) - Mạch lọc chắn dải có dải thơng chia làm hai vùng: ÷w1 từw2÷∞, (trong đów2 >w1) cịn vùng tần số từw1¸w2tín hiệu bị triệt tiêu (h.2.116d)

Hình 2.116: Đặc tuyến dạng lọc

Gọi KL hệ số truyền đạt mạch lọc tức KL = Ur/Uv Ur tín hiệu ởđầu ra, Uv tín hiệu ởđầu vào mạch lọc, đặc tuyến biên độ tần số KL( )w bốn loại

ở dạng lý tưởng cho hình 2.116a, b, c, d

Mạch lọc xây dựng từ linh kiện thụ động RLC Tuy nhiên loại thường có độ suy giảm lớn, việc sử dụng cuộn cảm L làm cho mạch lọc trở nên cồng kềnh khó chế tạo dạng vi mạch, đặc biệt dải tần thấp Vì dải tần số vài trăm KHz người ta thường sử dụng mạch lọc xây dựng dựa linh kiện thụ động RC kết hợp với phần tử tích cực (thơng thường vi mạch thuật toán) laọi gọi mạch lọc tích cực

Trong thực tế người ta thường sử dụng mạch lọc có hàm truyền đạt bậc hai chúng coa nhiều ưu điểm tương đối đơn giản, hệ số phẩm chất đạt

được tới vài trăm, dễ điều chỉnh, làm việc ổn định Hàm truyền đạt bậc hai viết dạng sau:

KL

w

KL

w

KL

w

KL

Hình 2.117: Các dạng mạch lọc

K(P) =

0 2 2 a p a p a b p b αp b + + + + (2-251)

Ởđây p =jwRC biến phức chuẩn hoá

Đối với bốn loại mạch lọc trên, sử dụng loại mạch lọc bậc hai hàm truyền đạt chúng có dạng cụ thể sau :

· mạch lọc tần thấp bậc hai (b1 = b2 = 0) K(P) =

0 2 a p a p a b + + (2-252)

· mạch lọc tần cao bậc hai (b1 = b0 = 0) K(P) =

0 2 2 a p a p a p b + + (2-253)

· mạch lọc thông dải bậc hai (b2 = b0 = 0) K(P) =

0 2 a p a p a p b + + (2-254)

K(P) = 2 2 a p a p a b p b + + + (2-255)

Trên hình 2.117 đưa ví dụ dạng mạch lọc tích cực cụ thể tương ứng với dạng mạch lọc tần thấp, tần cao thông dải

2.5 TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA

2.5.1 Nguyên lý chung tạo dao động điều hồ Có ba phương pháp để tạo tín hiệu hình sin là: - Dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo tồn tuyến tính

- Biến đổi tín hiệu tuần hồn từ dạng khác thành dạng hình sin - Dùng biến đổi số tương tự (DAC)

Phương pháp thứ ứng dụng kha rộng rãi máy tạo dao động hình sin cổđiển Phương trình vi phân hệ dao động mô tả sau:

ω x

dt dx x, μF dt x d 2 = + ÷ ø ỗ ố ổ +

Trong ú F ữ

ứ ỗ ố ổ dt dx

x, hàm phi tuyếnm hệ số nhỏ, đông f thờ thoả mãn điều

kiện

dt dx x, F ' đ ữữ ứ ỗỗ ố æ

Máy tạo dao động hình sin loại thường xây dựng dựa mạch chọn lọc RLC Loại máy phát đơn giản, có hệ số méo nhỏ

Sơ đồ khối chúng có dạng hình 2.118 Ởđây AE phần tử tích cực có hệ số khuếch đạiK; W là mạch hồi tiếp tuyến tính có hệ số truyền đạt làb phụ

thuộc vào tần số Mạch xác định tần số dao động hệ B mạch hồi tiếp phi tuyến dùng đểổn định biên độ dao động

Hình 2.118: Sơđồ khối mạch dao động Hình 2.119: Máy phát đa tín hiệu

b

AE/K

W/b

I R

Phương pháp thứ hai sử dụng loại máy phát đa chức (máy phát hàm) Loại máy phát lúc cho nhiều dạng tín hiệu đầu khác tín hiệu hình tam giác, tín hiệu xung hình chữ nhật.v.v Tín hiệu hình sin hận nhờ biến đổi “xung tam giác-hình sin” Loại máy phát gần

đay sử dụng rộng rãi nhờ tính đa Tuy nhiên tín hiệu hình sin ởđây thường có hệ số méo lớn so với phương pháp Một sơ đồ khối

điển hình loại máy phát mơ tả hình 2.117, đó: I tích phân, R phần tử rơle, F biến đổi “xung tam giác-hình sin” Mạch kín I–R tạo nên hệ tự dao động, sinh hai dạng tín hiệu có dạng xung tam giác xung chữ

nhật

Hình 2.120: Xấp xỉ hóa tín hiệu hình sin

Dựa tiến kỹ thuật năm sau này, đặc biệt lĩnh vực kỹ thuật số, người ta xây dựng máy phát tín hiệu hình sin dựa nguyên tắc xấp xỉ

hoá đoạn kết hợp với lấy mẫu theo thời gian (h.2.120) Sơđồ khối máy tạo dao động hình sin phương pháp số mơ tả hình 2.221 Trong Tx khối tạo xung nhịp; C đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá trị tức thời đối số; DFC biến đổi số – hàm để tạo giá trị tín hiệu hình sin (ở

dạng số); DAC biến đổi số – tương tự để biến tín hiệu từ dạng số (đầu DFC) thành tín hiệu tương tự (hình sin) Độ méo tín hiệu hình sin phụ thuộc vào số

lượng mẫu lấy chu kì Nếu số lấy mẫu lớn (được xác định tần số

xung nhịp) hình sin có độ xác cao Tuy nhiên điều phụ thuộc vào giới hạn tần số làm việc DFC DAC Vì phương pháp ứng dụng tần số cao để tín hiệu hình sin với hệ số méo nhỏ Trong ba phương pháp nêu trên, hai phương pháp đầu sử dụng rộng rãi Vì

đây khảo sát kĩ hai phương pháp

Hình 2.121: Tạo tín hiệu hình sin phương pháp số t X(t)

TX RC DFC DAC

2.5.2 Máy phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo tồn tuyến tính

Máy phát dao động hình sin thực biến đổi lượng nguồn dòng chiều thành dịng xoay chiều có tần số u cầu Chúng cấu tạo sở

khuếch đại có hồi tiếp dương đảm bảo chếđộ tự kích ổn định tần số yêu cầu Nếu không xét đến phần mạch phi tuyến dùng để ổn định biên độ, sơ đồ khối máy phát dao động hình sin vẽ lại hình 2.122 Hệ số khuếch đại khuếch đại hệ số

truyền đạt mạchcủa mạch hồi tiếp số phức, nghĩa có tính đênswj phụ

thuộccủa chúng vào tần số Tín hiệu vào sơ đồ máy phát phần điện áp

được truyến theo mạch hồi tiếp dương

Để sơ đồ làm việc chế độ phát sóng cần có hai điều kiện: điều kiện cần tổng góc dịch pha tín hiệu khuếch đại φk mạch hồi tiếp φβ (theo vịng kín) bội số 2π

φk + φβ = 2n (2-256)

ởđây : n = 0,1,2…

Công thức (2–256) xác định điều kiện cân pha khuếch đại có hồi tiếp dương Điều kiện thứ hai gọi điều kiện biên độđược xác định bất đẳng thức

|K|.|β| ≥ (2–257)

Muốn đầu máy phát có điện áp dạng hình sin cơng thức (2-256), (2– 257) chỉđúng tần số Ý nghĩa vật lí bất đẳng thức (2–257) là: Tín hiệu khuếch đại lên |K| lần bị suy giảm mạch hồi tiếp |β| lần, thoả mãn điều kiện (2–157) tín hiệu xuất đầu vào khuếch đại pha trước, biên độ lớn Nói cách khác đi, bất đẳng thức |K|.|β| > xác định điều kiện cần để máy tự kích có thay đổi dòng điện điện áp sơ đồ khuếch

đại Đẳng thức |K|.|β| =1 tương ứng với việc chuyển máy phát sang chế độ công tác xác lập, có tăng biên độ dao động kéo theo hệ số khuếch đại –K giảm

đặc tuyến tranzito khơng tuyến tính (với biên độ tín hiệu lớn) Trong chế độ xác lập thì tín hiệu ởđầu vào máy phát tương ứng với giá trịổn định

Đó độ suy giảm mạch hồi tiếp gây bù hoàn toàn nhờ khuếch

đại (điều kiện cân biên độ)

Giá trị điện áp xác lập tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại khuếch đại K tín hiệu nhỏ vào độ khơng tuyến tính dặc tuyến tranzito Sự phụ

thuộc hệ số khuếch đại vào nhiệt độ điện trở tải nguyên nhân gây khơng

Hình 2.123: Mơ hoạt động mạch dao động ghép biến áp

Máy phát dao động hình sin thường dùng mạch dao động LC mạch RC phụ

thuộc tần số Máy phát dùng LC để tạo tín hiệu cao tần (tần số cao vài chục kHz), máy phát dùng RC để tạo tín hiệu tần thấp (tới vài Hz)

Để tạo dao động hình sin, biểu thức (2-256)(2-257) thoả mãn tín hiệu điều chuẩn f0 trở kháng mạch dao động phải trở Sự thay

đổi góc di pha khuếch đại lệch khỏi tần số cộng hưởng điều kiện đủ để

hoàn thành biểu thức (2-256) tần số f0, trở kháng mạch khơng phải trở, mà mang tính chất điện kháng (điện cảm hay điện dung) Tính chất

đắn biểu thức (2-257) tần số cộng hưởng xác định trị số cực

đại hệ số khuếch đại tần số f0

Mạch điện máy phát LC đa dạng Chúng khác phương pháp mắc mạch dao động LC khuếch đại thực hồi tiếp dương Sơđồ

Các tham số mạch dao động điện dung C điện cảm L cảu sơ

cấp biến áp Trong sơ đồ khuếch đại tầng tải trở tín hiệu ngược pha với tín vào Vì để đảm bảo điều kiện cân pha (2-156) mạch hồi tiếp dương tần số cộng hưởng phải thực đảo pha tín hiệu đẻ đưa tới đầu vào

khuếch đại Tín hiệu hồi tiếp dương lấy từ cuộn W2 qua tụ phân đường Cptđặt tới đầu vào tranzito Sự di pha cần thiết mạch hồi tiếp thực cách mắc mắc đầu dây cuộn thứ cấp thích hợp Vì điện áp hồi tiếp nhỏ điện áp nên tỉ số vòng dây n = ω2/ω1 <

Hình 2.124: Mơ hoạt động mạch dao động ghép tự biến áp

Tần số dao động tạo gần với tần số cộng hưởng mạch dao động

LC 2π

1

f= (2-258)

Tín hiệu hồi tiếp lấy trực tiếp từ colectơ mạch dao động cách làm cuộn dây hay tụ có nhiều đầu Với sơđồ phát sóng thế, mạch dao động có ba điểm nối với khuếch đại, gọi mạch ba điểm

Trong sơ đồ phát sóng hình 2.124 (ba điểm điện cảm), nhánh điện cảm quấn hai cuộn W1, W2 Tín hiệu hồi tiếp lấy từ cuộn W2 điện áp lấy từ colectơ qua tụ Cp2

Điện áp cuộn W1, W2đối với điểm chung (đất) ngược pha Tín hiệu từ cuộn W1 qua tụ Cp1 (Cp1<<C) đưa tới đầu vào tranzitor Trong sơ đồ hình 2.125 (ba

song song với mạch tầng Điện áp hồi tiếp lấy từ tụ C2 đặt tới đầu vào tranzito qua tụ Cp1 Điện áp tụ C1 C2 điểm chung (đất) ngược pha tạo nên hồi tiếp dương

Điều kiện tự kích đảm bảo theo quan hệ:

t c v L

//R R

(B) r C

C = (2.259)

Ởđây: rv (B) - điện trở vào tranzito theo sơđồ BC; Rt - điện trở tải mạch ngồi

Để tính tốn tần số ta dùng cơng thức (2-258) ởđây C=C1C2/(C1+C2)

Vì trị số L, C mạch dao động tham số tranzito phụ thuộc vào nhiệt

độ nên tần số f máy phát tạo phụ thuộc vào nhiệt độ Muốn tăng độổn

định tần số phải tăng độổn định theo nhiệt độ cho chế độ tĩnh tranzito, dùng biện pháp bù thay dổi tần số theo nhiệt độ Một phương pháp bù mắc thêm vào mạch dao động tụ điện có điện dung phụ thuộc vào tần số Trong máy phát có chất lượng cao, người ta dùng cộng hưởng thạch anh, độổn định tần số lớn

Ở dải tần số thấp (dưới vài chục kHz), người ta dùng mạch phát sóng RC Ởđây khơng dùng mạch LC làm tăng kích thước trọng lượng phần tử

trong mạch dao động

Mạch phát sóng RC dựa sở dùng mạch phụ thuộc tần số gồm điện trở tụ điện có sơ đồ khối tương tự máy phát sóng LC cho hình 2.122 Trong khối khuếch đại, tín hiệu ngược pha đồng pha với tín hiệu vào Trong trường hợp đầu, mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch pha tín hiệu 1800ở tần số phát sóng, cịn trường hợp thứ hai khơng cần dịch pha tín hiệu Giải hai nhiệm vụ nhiều sơđồ mạch RC khác

Hình 2.126a sơ đồ loại thang R song song thực dịch pha tín hiệu 1800 Sơđồ có hệ số truyền đạt pha tín hiệu mạch RC phụ thuộc vào tần số Vì dịch pha cực đại khâu RC tần số gần không vào khoảng 900, nên để có góc dịch pha 1800, cần có nhất ba khâu RC nối tiếp (thường người ta dùng mạch có ba khâu RC đủ)

Sự phụ thuộc |b| jbvào tần số mạch ba khâu RC C1 = C2 = C3 = C R1 = R2 = R3 vẽ hình 2.126b với biểu thức:

( ) ( )

[ 2]1/2

2 2

2 α 6 α

5α

1

1

β

-+

-=

r

( )

2

β

5α

1

α

6

α

arctg

-=

j với a = 1/wRC

Tần số f0ứng với góc di pha 1800được xác định theo [4] (đạt lúc a2=6)

RC 2π

1

f0= (2-260)

Ta thấy tần số f0 môđun hệ số truyền đạt mạch hồi tiếp b = 1/29 Do

đó máy phát tự kích hệ số khuếch đại khuếch đại thoả mãn K ³

29

Hình 2.127 vẽ sơ đồ máy phát RC dùng khuếch đại thuật toán Mạch hồi tiếp phụ

thuộc vào tần số mắc đầu đầu vào đảo Muốn có hệ số khuếch đại theo yêu cầu (K ³ 29) phải chọn tỉ số Rht/Rtd ³ 29 ởđây Rtd= R3//R0

Hình 2.127: Tạo dao động hình sin kiểu RC dùng IC thuật tốn

Hình 2.128a vẽ mạch hồi tiếp RC khơng làm dịch pha tín hiệu tần số f0 Đó cầu Viên Đặc tuyến biên độ tần số pha tần số cho hình 2.128b với biểu thức dạng:

ωRC α ; α α arctg ; α α

β 2 1/2 β =

÷ ø ỗ ố ổ -= ỳ ỳ ỷ ự ờ ộ ữ ứ ỗ ố ổ -+ = j

Tại a = hay f0 = 1/2pRC có jb = nên xây dựng tạo sóng dùng khuếch

đại thuật tốn (h.2.129) mạch hồi tiếp phụ thuộc tần số (h.2.128a) mắc

đầu đầu vào không đảo khuếch đại thuật tốn

Vì tần số f0 hệ số truyền đạt mạch cầu Viên 1/3 nên máy phát tự kích K ³ 3, nghĩa phải chọn tỉ số Rht/R0³ Tần số máy phát xác định theo

2ππR C C R R 2π f 2

0 = = (2-216)

ởđây: R1 = R2 = R C1 = C2 = C

Cần lưu ý điểm chọn tỉ số Rht/R0 = tần số f0, điện áp hồi tiếp lấy đường chéo cầu đầu vào đảo không đảo OA 0, tức mạch dao động Vì lí người ta thường sử dụng loại cầu Viên có cải biên cách chọn quan hệ Rht/R0 = + e với e lượng vô bé (một vài %) để mạch dễ dao động có độổn định tần số cao nhờ đặc tính jb dốc lân

cận f0 Tỷ số Rht/Ro = + e hàm biên độđiện áp tạo khả tự động ổn

định biên độ dao động hình sin đầu máy phát

Dùng khuếch đại thuật tốn có hồi tiếp âm sâu làm ổn định tham số

phát sóng RC Vì độ khơng ổn định tần số theo nhiệt độ phát sóng RC chủ yếu phụ thuộc mạch RC vào nhiệt độ Độổn định nằm khoảng ± 0.1¸ 3%

2.5.3 Tạo tín hiệu hình sin bằng phương pháp biến dổi từ một dạng tín

hiệu hồn tồn khác

Hình 2.119 mơ tả sơ đồ khối phương pháp Đây dạng máy phát vạn hơn, có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi Sơ đồ cấu trúc máy phát loại (máy phát hàm) trình bày hình 2.130a

Hệ kín gồm mạch tích phân I, (một mạch khuếch đại thuật toán hai phần tử R1C1), phần tử rơle R (mạch khuếch đại thuật toán gồm khâu hồi tiếp dương R1R2) tạo thành hệ tự dao động cho hai dạng tín hiệu: tín hiệu tam giác (U1) tín hiệu xung chữ nhật (U2) (xem thêm phần 3.6) Hàm truyền đạt phần tử rơle U2 = f1(U1) mơ tả hình 2.130b

Cịn hàm truyền đạt biến đổi “xung tam giác – hình sin” U3 = f2(U1) có dạng hình 2.130c Ngun tắc làm việc hệ thống giải thích sơ

bộ sau: Nếu tín hiệu vào có dạng tuyến tính xuống (h.130d) đạt tới mức – U1 làm lật mạch rơle thành + U2 cần ý |U2| > |U1| Từ thời điểm

đầu mạch tích phân tín hiệu có dạng tuyến tính lên đạt tới giá trị

U1 làm cho rơle chuyển trạng thái ban đầu (-U2) Quá trình tiếp tục

đầu rơle có dạng xung chữ nhật độ lớn ±U2 đầu mạch tích phân có dạng xung tam giác biên độ U1(h.2.130d) Các tín hiệu tần số khoảng cách xung (độ dầy, độ rỗng…)

Nếu đặc tuyến trễ rơle đối xứng qua trục X trục Y có nghĩa ngưỡng lật mạch ±U1 mức tín hiệu ±U2 tần số dao động

được tính cơng thức sau: xuất phát từ phương trình: I

Δt

ΔU C

I

1

C

C = »

1 1

2

U C 4R

α.U f=

Trong  =R’/R

f, R’ phần điện trở Rf (h.2.130a); R1C1: số thời gian mạch tích phân Tần số mạch có thểđiều chỉnh nhờ thay đổi Rf, ởđây ∆t độ rộng xung

Hình 2.130: Sơđồ máy phát hàm

Tín hiệu hình sin nhận nhờ biến đổi đặc biệt có đăcj tuyến truyền đạt phi tuyến hình 2.130c Để nhận hình sin lý tưởng, đầu vào có dạng xung tam giác, đặc tính truyền đạt phần tử phải có dạng ¼ chu kỳ hình sin tức U3 = asinU1 Trong a số

Dạng tín hiệu mơ tả hình 2.130d

Yêu cầu phần tử rơle máy phát hàm có dải tần số rộng (từ 1Hz

đến 10MHz) có tốc độ truyền mạch phải nhanh Để thực nó, dùng mạch so sánh (comparator) (xem thêm 1.3.3) Nhưnng mạch so sánh thường có thời gian chuyển mạch tương đối lớn (0,03 ÷4)μs nên sử dụng chúng

tần số không 100kHz Vì trong máy phát hàm phần tử rơle thường

được xây dựng sở mạch rời rạc dùng tranzito cao tần (tranzito xung) (Thời gian chuyển mạch không 20–30ns)

Để nhận biết tín hiệu hình sin từ xung tam giác, biến đổi “xung tam giác– hình sin” cần có hàm truyền đạt U3 = asinU1 Để thực hàm này, có hai phương pháp phương pháp xấp xỉ đoạn tuyến tính phương pháp xấp xỉ

Phương pháp xấp xỉ đoạn tuyến tính chia khoảng hình sin thành 4n phần nhỏ thay phần mạôt đoạn thẳng có độ nghiêng khác (h.2.231)

Hình 2.131: Xấp xỉ dạng hình sin

Số n lớn độ xác cao hệ số méo hình sin nhận nhỏ Một sơ đồ thực phương pháp mô tả hình 2.321 Ởđây n = Các điơt D1 ÷D10ở trạng thái ban đầu khố mức điện áp cho trước: |±U1| <…<|±U5| < Uvmởđây Uvm biên độ xung tam giác lối vào Khi Uv tăng dần điơt mở sau khố (nhóm điơt lẻ làm việc nửa dương nhóm điơt chẵn làm việc nửa âm điện áp tam giác) tạo thành

đoạn tín hiệu tuyến tính có độ dốc khác Độ dốc đoạn xác

định điện dẫn tác động lên khoảng thời gian tương ứng Xét ¼ chu kì

đầu, số thứ tự đoạn cao (1,2,…,đến n) độ dốc giảm Nếu gọi điện dẫn ban đầu (khi tất điơt khố) Yo=1/R’ độ dẫn mạch có điơt mở Y1=1/R1 Y2 = 1/R2 độ dốc đoạn là:

tgan = Y0 – (Y1 + Y2 + ……+ Yn)

=

n

1

' R

1 R

1 R

1 R

1 - + + +

Trong an góc nghiêng đoạn thứ n

Phương pháp xấp xỉ hố đoạn khơng tuyến tính chia hình sin làm nhiều đoạn đoạn thay hàm phi tuyến Thí dụ: đường đặc tuyến Von– ampe điơt có dạng đa thức bậc hai y = ax2 + bx + c (xấp xỉ đoạn hàm bậc hai) thay đặc tuyến Vơn–ampe điện trở bán dẫn (Varistor) có dạng đa thức:

n i n

0 i

ix

a

y å

=

=

Xấp xỉ đoạn cong dùng tranzito trường (FET) mà đặc tuyến Vơn–ampe điơt có dạng y = asinx khoảng ÷/2

So với phương pháp xấp xỉ đoạn tuyến tính, phương pháp xấp xỉ đoạn khơng tuyến tính cho độ xác cao (Hệ số méo hình sin nhỏ số lượng chia đoạn n) thực phức tạp

Hình 2.132: Biến đổi xung tam giác thành hình sin phương pháp xấp xỉ

đoạn tuyến tính

Ở tần số fmax ≤ 1Mhz, người ta sử dụng FET để biến đổi xung tam giác thành hình sin đặc tính loại nhưđã nói Sơđồ biến đổi mơ tả hình 2.133

Để tín hiệu hình sin khơng bị méo cần đảm bảo điều kiện sau: Uv = 1,33Uc

RD = Rs = rDSO

Ởđây : Uv – biên độđiện áp tam giác

UC –điện áp cắt tranzito trường T; rDSO – điện trở kênh JFET điện áp cực cửa không

Tuy nhiên tham số tranzito trường phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Vì

để đảm bảo cho biến đổi làm việc tốt cần có biện pháp ổn định nhiệt độ

Hình 2.133: Bộ biến đổi xung tam giác thành hình sin dùng JFET 2.6 NGUỒN MỘT CHIỀU

2.6.1 Khái niệm chung

Nguồn chiều có nhiệm vụ cung cấp lượng chiều cho mạch thiết bị điện tử hoạt động Năng lượng chiều tổng quát lấy từ

nguồn xoay chiều lưới điện thơng qua q trình biến đổi thực nguồn chiều

Hình 2.134: Sơđồ khối nguồn chiều

Hình 2.134 biểu diễn sơ đồ khối nguồn hoàn chỉnh với chức khối sau:

– Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều U1 thành điện áp xoay chiều U2 có giá trị thích hợp với yêu cầu Trong số trường hợp dùng trực tiếp U1 không cần biến áp

– Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều U2 thành điện áp chiều không phẳng Ut (có giá trị thay đổi nhấp nhơ) Sự thay đổi phụ thuộc cụ thể vào dạng mạch chỉnh lưu (xem 2.1.3)

– Bộ lọc có nhiệm vụ san điện áp chiều đập mạch Ut thành điện áp chiều U01 nhấp nhơ

Biến áp Chỉnh

– Bộ ổn áp chiều (ổn dòng) cáo nhiệm vụổn định điện áp (dịng điện) ởđầu Uo2 (It) Uo1 bị thay đổi theo ổn định Uo1 hay It nhiều trường hợp u cầu cao khơng cần bộổn áp hay ổn dòng chiều

Tuỳ theo điều kiện yêu cầu cụ thể mà chỉnh lưu mắc theo sơ đồ khác dùng loại van chỉnh lưu khác Bộ chỉnh lưu công suất vừa lớn thường dùng mạch chỉnh lưu ba pha Dưới khảo sát khối nêu nguồn chiều Riêng phần mạch chỉnh lưu xem (2.1.3) (2.4)

2.6.2 Lọc thành phần xoay chiều của dòng điện tải

Trong mạch chỉnh lưu nói điện áp hay dịng điện tải có cực tính khơng đổi, giá trị chúng thay đổi theo thời gian cách chu ki, gọi đập mạch điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu

Một cách tổng quát tải trở, dòng điện tổng hợp tải là:

ωt cosn B sinnωi A I i n n n n o

t å å

¥ = ¥ = + + =

Trong Io thành phần chiều

ωt cosn B sinnωi A n n n n å å ¥ = ¥ = +

là tổng sóng hài xoay chiều có giá trị, pha tần số khác phụ thuộc vào loại mạch chỉnh lưu Vấn đề đặt phải lọc sóng hài it đập mạch, sóng hài gây tiêu tốn lượng vơ ích gây nhiễu loạn cho làm việc tải

Trong mạch chỉnh lưu ½ chu kì thành chiều Io tăng gấp đơi so với ½ chu kì, thành phần sóng hài (n=1) bị triệt tiêu, cịn sóng hài có bậc n=2 trở lên Vậy mạch chỉnh lưu ½ chu kì có tác dụng lọc bớt sóng hài Người ta định nghĩa hệ số đập mạch Kp lọc:

Kp= Biên độ sóng hài lớn it (hay Ut) / Giá trị trung bình it (hay Ut) Kp nhỏ chất lượng lọc cao

Người ta tính tốn chỉnh lưu ½ chu kì K=1,58 , chỉnh lưu hai nửa chu kì K=0,667

Để thực nhiệm vụ lọc nói trên, lọc sau thường dùng:

a- Bộ lọc tụđiện

Trường hợp nêu phần chỉnh lưu tải dung tính 2.1.3 Nhờ

có tụ nối song song với tải, điện áp tải nhấp nhơ Do nạp phóng tụ

t p ωCR

2

K = (2-265)

Nghĩa tác dụng lọc rõ rệt C Rt lớn (Rt tiêu thụ dòng điện nhỏ) Với chỉnh lưu dòng điện công nghiệp (tần số 50Hz hay 60 Hz), trị số tụ C thường có giá trị từ vài mF đến vài nghìn mF (tụ hóa)

b - Lọc cuộn dây L (cuộn chặn)

Mạch lọc cuộn L cho hình 2.135b Cuộn L mắc nối tiếp với tải Rt nên dòng điện it tải biến thiên đập mạch, cuộn L xuất sức điện

động tự cảm chống lại Do làm giảm sóng hài (nhất sóng hài bậc cao) Về mặt điện kháng, sóng hài bậc n có tần số cao bị cuộn L chặn nhiều Do dịng điện tải có thành phần chiều Io phân lượng nhỏ sóng hài Đó tác dụng lọc cuộn L Hệ sốđập mạch lọc dùng cuộn L :

Kp = Rt/3wL (2-266)

Hình 2.135: Sơđồ lọc

Nghĩa tác dụng lọc cuộn L tăng Rt nhỏ (tải tiêu thụ dòng

điện lớn) Vì vây, lọc thích hợp với mạch chỉnh lưu công suất vừa lớn Giá trị cuộn L lớn tác dụng chặn tăng; nhiên không nên dùng L lớn, điện trở chiều cuộn L lớn, sụt áp chiều tăng hiệu suất chỉnh lưu giảm

c - Bộ lọc hình L ngược hình p

Các lọc sử dụng tổng hợp tác dụng cuộn L tụ C để lọc (h.2.135c 2.135d), sóng hài bị giảm nhỏ dịng điện tải (hay điện áp tải) nhấp nhơ Để tăng tác dụng lọc mắc nối tiếp hay mắt lọc hình p

với Khi dịng điện điện áp tải gần phẳng hoàn toàn

Trong số trường hợp để tiết kiệm giảm kích thước, trọng lượng

lọc, ta thay cuộn L R mắt lọc hình L ngược hay hình p

(h.2.135c) Lúc R gây sụt áp thành phần chiều dẫn tới hiệu suất chất lượng lọc thấp dùng cuộn L Thường người ta chọn giả trị R cho sụt áp chiều (10-20)% Uo khoảng vài Wđến vài kW

d - Bộ lọc cộng hưởng

Hình 2.136a biểu thị lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng song song Lk Ck mắc nối tiếp với tải Rt nhờ chặn sóng hài có số tần số cộng hưởng Ngồi tụ C1 cịn có tác dụng lọc thêm

Hình 2.136b biểu thị lọc cộng hưởng dùng mạch cộng hưởng nối tiếp LKCK mắc song song với tải Rt

Ở tần số cộng hưởng nối tiểp mạch LKCK trở kháng nhỏ nên ngắn mạch sóng hài có tần số hay gần tần số cộng hưởng

2.6.3 Đặc tuyến của bộ chỉnh lưu

Trong mạch chỉnh lưu có điện trở cuộn dây biến áp

điôt phần tử lọc mắc nối tiếp với tải nên dòng điện tải Io tăng, điện áp 1chiều tài Uo giảm

Đường biểu thị quan hệ Uo Io gọi đặc tuyến chỉnh lưu Ta biểu thị giá điện áp Uo sau:

Uo = Eo – (SDUD + Iarb-a + IORL) (2-267) UD giá trị trung bình điện áp hạ điôt vế chỉnh lưu: Iarb-a giá trị trung bình sụt áp cuộn sơ cấp thứ cấp biến áp có dịng

điện qua vế, I0RL sụt áp phần tử lọc mắc nối tiếp

Hình 2.137 biểu thị đặc tuyến ngồi chinh lưu hai 1/2 chu kì với lọc khác

Để so sánh trường hợp trên, vào: - Điện áp không tải Eo

- Độ dốc đặc tuyến dạng chúng:

Trường hợp không lọc, điện áp không tải trị số hiệu dụng dạng nửa hình sin tần số 100Hz Trong trường hợp khác, điện trở van phụ

thuộc vào dòng điện tải nên đặc tuyến cong, độ dốc đặc tuyến phụ thuộc điện trở chỉnh lưu

Đường ứng với trường hợp tụ lọc C Do có tụ lọc nên điện áp khơng tải tăng lên dịng Io tăng, ảnh hưởng van, biến áp, phóng nhanh tụ C qua tải làm cho Uo giảm nhanh giảm giá trị tụ lọc

Hình 2.137: Đặc tuyến ngồi chỉnh lưu

Io U o

Lọc C

Không lọc

Đường ứng với trường hợp lọc RC Khi Io tăng, sụt áp điện trở lọc R tăng nhanh nên điện áp tài Uo giảm nhanh so với trường hợp nêu ởđây

Đường ứng với trường hợp lọc LC (hình L ngược) Phần đặc tuyến giảm nhanh dịng từ hóa cho cuộn L chưa đủ để gầy sụt áp cảm tính Sau với tăng dịng từ hóa cuộn L, sụt áp cảm tính cuộn L ảnh hưởng tăng lên làm cho Uo giảm chậm có độ dốc lớn khơng lọc cuộn L có điện trở chiều

Đường ứng với lọc hình Pgần giống với trường hợp lọc tụ C đặc tuyến chịu ảnh hưởng chủ yếu tụ C

Nhìn chung, độ dốc đặc tuyến ngồi phản ánh điện trở (điện trở trong) chỉnh lưu Do yêu cầu chung đồi với nguồn áp, mong muốn điện trở nhỏ tốt

2.6.4 Ổn định điện áp dòng điện

a - Ổn định điện áp

Nhiệm vụ ổn định điện áp (gọi tắt ổn áp) chiều tải điện áp tần số

lưới điện thay đối, tải biến đổi (nhất bán dẫn) thường gặp thực tế Điện trở nguồn cung cấp yêu cầu nhỏ, để hạn chế ghép kí sinh tầng, thiết bị dùng chung nguồn chỉnh lưu

Việc ổn định điện áp xoay chiều bộổn áp xoay chiều có nhiều hạn chế

nhất điện áp lưới thay đổi nhiều Dùng ổn áp chiều phương pháp

điện từđược sử dụng phổ biển đặc biệt công suất tải yêu cầu không lớn tải tiêu thụ trực tiếp điện áp chiều

Các tiêu bộổn áp là:

- Hệ số ổn áp xác định tỉ số lượng biến thiên tương đối điện áp

đầu vào điện áp đầu giữ tải giá trị không đổi const = R U / dU U / dU = K t ra vào vào đ ô (2-268)

Phân biệt hệ sốổn áp theo đường dây: % U U Δ = K ra

dây hệ sốổn áp theo tải U %

U Δ = K ra tai

Ởđây DUra1 xác định dUvào/ Uvào = 10%

DUra2 xác định DItải = Itmax

const = U dt dU =

R v

t

ra (2-269)

- Hiệu suất: đo tỉ số công suất tải công suất danh định ởđầu vào:

v vào

t

I U

I U =

η (2=270)

- Lượng trơi (lượng khơng ổn định) dịng (điện áp) chiều tải:

DUtrôi = DUvào / Kô.đ

Các dạng ổn áp thực tế chia thành ba lồi chính: ổn áp kiều tham số, ổn áp kiểu bù tuyến tính ổn áp kiểu bù xung

Ổn áp kiểu tham số Nguyên Ií đặc tuyến ổn áp kiểu tham số dùng điôt zener nêu 2.l.3 Ởđây, cần nhắc lại vài nhận xét sau:

+ Khi điện áp vào U1 biến đổi lượng DU1 lớn, từ đặc tuyến điôt ổn áp silic, ta thấy

điện áp ổn định biến đối dịng điện qua điơt Iơ tăng lên lớn Vậy toàn lượng tăng giảm U1 hạ Rhcđiện áp tải không đổi

+ Trường hợp U1 = const có dịng tải tăng gây nên phân phối lại dịng điện Khi Io giảm xuống Kết đòng điện Ir không thay đổi U2 giữ không đổi

Hình 2.138: Mạch dùng nhiều điơt ổn áp mắc nối tiếp cho nhiều mức theo yêu cầu

Bộổn áp tham số có ưu điểm mạch đơn giản, tiết kiệm, khuyết điểm chất lượng ổn áp thấp không thay đổi mức điện áp U2 theo yêu cầu

Ổn áp loại bù dùng khuếch đại có điều khiển (phương pháp bù tuyến tính) Để

nâng cao chất lượng ổn định, người ta dùng ổn áp kiểu bù (cịn gọi ổn áp so sánh hốc ổn áp có hồi tiếp) Tùy theo phương pháp cấu trúc, ổn áp bù có hai dạng kiểu song song kiểu nối tiếp

Sơ đồ khối ổn áp kiểu song song có nguyên lý làm việc loại tương tự ổn áp tham số Trong phần tửổn áp mắc song song với tải thay phần tử điều chỉnh để điều tiết dòng điện giới hạn cần thiết qua điều chỉnh giảm áp điện trở Ro theo xu hướng bù lại: U2 = U1 - URd, đó, điện áp tải giữ khơng đối Bộ tạo điện áp chuẩn đưa Ech vào so sánh với điện áp U2ở so sánh độ lệch chúng khuếch đại nhờ khối Y Điện áp Y

khống chế phần tử điều chỉnh D Sự biến đổi dòng điện tài từ ¸ Itmax gây nên biển đổi tương ứng dịng điện qua phần tửđiều chỉnh từ Idmax¸

Hình 2.139a, b biểu thị sơ đồ khối ổn áp bù mắc nối tiếp, phần tử điều chỉnh D mắc nối tiếp với tải, dịng điện qua tải gần dòng qua D Nguyên lý hoạt động bộổn áp dựa biến đổi điện trở đèn

điều chỉnh D theo mức độ sai lệch điện áp (sau so sánh khuếch

đại) Ví dụ, ngun nhân làm cho U2 biến đối, qua mạch so sánh khuếch

đại Y tín hiệu sai lệch tác động vào đèn điều chỉnh D làm cho điện trở biến

đổi theo chiều hướng Uđ/c hai cực đèn bù lại biến đổi U1 Ta có: U2 = U1 – Uđ/c (h 2.189a,b) có biến đổi chiều U1 Uđ/c, U2 ổn định

Hình 2.139: a) Sơđồ khối bộổn áp nối tiếp dương,

Trong hai sơđồ trên, phần tử điểu chỉnh gây tổn hao chủ yếu lượng bộổn áp làm hiệu suất bộổn áp không vượt 60% Trong sơđồ

mắc song song, công suất tổn hao chủ yếu xác định công suất tổn hao Rđ

và đèn điều chỉnh D là:

Pth = (U1 - U2)(It + ID) + U2ID = (Ut - U2)It + U1ID

Trong sơđồ mắc nối tiếp, công suất tổn hao phần tửđiểu chỉnh định Pth = (Ut - U2)It

Vậy sơđồ nối tiếp có tổn hao sơđồ song song lượng UtIđ nên hiệu

suất cao dùng phổ biến

Ưu điểm sơđồ song song không gây nguy hiểm tải làm ngắn mạch đầu Sơ đồ nối tiếp u cầu phải có thiết bị bảo vệ tải, dòng qua

đèn điều chỉnh qua chỉnh lưu lớn gây hỏng đèn biến áp

Hình 2.140 đưa mạch nguyên lí bộổn áp cực tính âm bù mắc nối tiếp cấu tạo theo sơđồ khối 2.139a nêu

Giả thiết U1 giảm, tức thời U2 giảm, gây nên giảm Uht Điện áp so sánh Ui = Uht - Ech = UBE1 T1 giảm Vì Urc giảm, Ub2 âm nên UBE2 tăng, dịng T2 tăng Do Uđc giảm

Ta có U2 = U1 – Uđc

Nếu gia số giảm Ut Uđc nhau, U2 = const

Nếu dịng tải tăng dẫn đến điện áp U2 giảm tức thời mạch hoạt động tương tự giữổn định U2

Các tụ C1 C3để lọc thêm khử dao động kí sinh, C2để nâng cao chất lượng

ổn định thành phần ổn định biến đổi chậm theo thời gian R2 để thay

đổi mức điện áp (dịch điểm trượt xuống |U2| tăng) Lưu ý: Khi muốn ổn định điện áp cực tính dương, cần thay đổi tranzito loại npn, đổi chiều điơt Dz tụ

hóa sơđồ 2.140

Hệ sốổn định mạch tính theo cơng thức:

) r R // R + ( r r R + A r R = K B E B c v c

ơđ (2-271)

Trong rv, rb, rE điện trở vào, điện trở bazơ điện trở colectơ T2

2 v đ β r R // R + r r + = A

là hệ sốđiểu chỉnh, đó: rđ - điện trở động Dz; R1 R2 - điện trở phân áp;

b2 - hệ số khuếch đại dòng điện T2

Hệ số A nêu lên ảnh hưởng điôt ổn áp, T2 đến chất lượng ổn định: A thường có giá trị l,5 ¸

Điện trở bộổn áp: A r r + B r R A r R r = R c v B c v c E

ra (2-272)

Trong

B r R // R + = B

+ Tăng hệ số khuếch đại cách dùng hay tầng khuếch đại thay T2 tranzito mắc tổ hợp để có b lớn cỡ 103¸ 104

+ Khử độ trôi điện áp việc dùng khuếch đại ghép trực tiếp cách dùng sơ đồ khuếch đại vi sai có bù nhiệt hình 2.141a .Điện áp ổn định D tạo

đưa vào B1 T1: điện áp hồi tiếp đưa vào B2 T2, điện áp mạch khuếch

đại vi sai lấy colectơ T2 (đầu không đối xứng) đưa vào khống chế T3 Do mạch vi sai có độ trơi theo nhiệt độ nhỏ nên chất lượng ổn định tăng lên

Hình 2.141: Các bộổn áp chất lượng cao

a) Sơđồ dùng khuếch đại cân bằng; b) Sơđồ dùng nguồn ổn định phụ

+ Dùng nguồn chiều ổn định phụ để cung cấp cho T1 nguồn ổn định theo biến thiên tải nguồn nên chất lượng ổn định tăng lên

+ Dùng khuếch đại thuật tốn Có thể dùng vi mạch mA 741 thay cho đèn khuếch đại T1 Do vi mạch có hệ số khuếch đại lớn, ổn định cao nên chất lượng bộổn áp tăng Trong sơđồ, D2đểổn định điện áp chiều cho đầu vào không đảo Điện áp mA741 lấy chân đưa vào khống chế T D1 đèn ổn áp có tác dụng định mức điện áp từđầu mA741 vào bazơ tranzito T

Ưu điểm chung ổn áp theo phương pháp bù liên tục chất lượng ổn

định cao cho phép thay đổi mức điện áp dải định Tuy nhiên, hiệu suất lượng thấp (dưới 50%) tổn hao công suất nguồn chiều ổn định tương đối lớn Để nâng cao chất lượng ổn áp đặc biệt dải điều chỉnh

- Ổn áp xung

+ Nguyên lý chung:

Đặc điểm quan trọng ổn áp bù tuyến tính sai lệch điện áp

được đặt liên tục lên tranzito công suất đểđiều khiển, bù lại sai lệch giá tri

điện áp sau bộổn định:

U = Uổn định £ Uvào

với Uvào giá trị nhỏ điện áp đưa tới bộổn định

Ở ổn áp xung, người ta thay tranzito điều khiển chuyển mạch xung Trị số trung bình (1 chiều) điện áp lối điểu chỉnh nhờ việc

đóng hay mở chuyển mạch theo chu kỳ xác định với thời gian đóng hay mở điều chỉnh theo mức độ sai lệch Ura Nếu đặt chuyển mạch điện tử mạch thứ cấp biến áp nguồn, ta nhận ổn áp xung thứ cấp Trong trường hợp ngược lại, mạch sơ cấp, ta có bộổn áp xung sơ cấp

Để giảm nhỏ công suất tổn hao biến áp, người ta chọn tần số làm việc chuyển mạch cao (vài kHz đến vài chục kHz) Bằng cách đó, kích thước, trọng lượng biến áp giảm vài lần hiệu suất lượng chung ổn áp đạt tới 80%

Cặp chuyển mạch điện tử tranzito công suất làm việc chế động xung (hoặc tranzito) Việc điều khiển đóng mở tranzito thực nhờ xung vng góc đưa tới bazơ, có chu kỳ xung không đổi Tồn khả điều khiển tranzito chuyển mạch là:

· Thay đổi độ xung vuông (tương ứng với thời gian mở hay nối mạch tranzito)

theo mức sai lệch Ura nhờđó điều chỉnh ởđiện áp mức ổn định

· Thay đổi độ trống xung vng (tương ứng với thời gian khóa hay ngắt mạch

của tranzito

Thay đổi đồng thời độ rộng độ trống xung điều khiển Tương ứng khả có dạng mạch nguyên lý thực sau (kiểu thứ cấp)

+ Phương pháp thay đổi độ rộng xung:

Sơđồ khối phương pháp cho hình 2.142

Đặc điểm kết cấu phương pháp tranzito chuyển mạch T, cuộn chắn L tải mắc nối tiếp nhau, điôt mắc song song với tải

· Tranzito T làm việc khóa điện tử mở khóa với tần số khơng đổi

(khoảng 20 khz) khối tạo xung nhịp phần điều khiển tạo Phần điều khiển thực việc so sánh điện áp Ura với điện áp chuẩn Ucb (do khối tạo điện áp chuẩn tạo ra), kết sai lệch khối K khuếch đại sau điều chế độ rộng xung

để tạo xung vng có độ rộng thay đổi (tại khối tạo xung điều khiển) trước đưa tới khóa tranzito đểđiều tiết khoảng thời gian mở Trong khoảng thời gian nghỉ

mạch tranzito chuyển từ mở sang khóa bảo vệ tranzito khỏi áp đánh thủng UCEngcmax

Hình 2.142: Ổn áp xung thứ cấp theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung điều khiển

· Một phương án đơn giản đểđiều chế độ rộng xung dùng xung tam

giác có chu kỳ biên độ khơng đổi so sánh với điện áp cần ổn định minh họa hình 2.143

· Việc phân tích chi tiết sơđồ khối hình 2.142 qua giản đồđiện áp địng điện (tìm

phương trình UL(t) IL(t) qua xác định dịng tuyến tính IL(t) DIL) cho phép rút kết luận phương pháp là:

+ Dòng trung bình qua tranzito chuyển mạch (là dịng điện vào) ln ln nhỏ dịng tải: Iv <Ira

Hình 2.l43: Một phương pháp điều chếđộ rộng xung nhờ 1xung chuẩn dạng tam giác

+ Bộ ổn áp nhận lượng mạch vào (Uvào dạng không liên tục chuyển lượng chiều tải dạng liên tục theo thời gian)

- Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung

Sơđồ khối phương pháp cho hình 2.144

Đặc điểm kết cấu phương pháp cuộn chặn L điôt bảo vệ D tải mắc nối tiếp Tranzito chuyển mạch T mắc song song với tải phân cách qua điơt Việc phân tích ngun lý hoạt động tương tự trên, qua rút nhận xét sau :

Hình 2.144: Phương pháp điều chỉnh độ rỗng xung

U

t

Uđ.khiển

+ Do sử dụng tính chất tự cảm cuộn chặn L, có khả nhận Ura > Uvào tỷ số Ura/Uvào ty lệ với T/tkhóa Vì Uo£ tkhóa£ T nên Uvào£ Ura£¥ tức phương pháp cho phép nhận điện áp lớn điện áp vào ổn định hay dải điều chỉnh rộng Điều giải thích tóm tắt có tượng tích lũy lượng từ

trường cuộn L lúc tranzito mở (tương ứng với khoảng thời gian tmở = tx xung) D khóa, ngắt tải khỏi mạch vào Khi tranzito khóa (tương ứng với khoảng thời gian tnghỉ = tkhóa lượng Uvào kết hợp với lượng UL qua điôt (lúc mở) nạp cho tụ C cung cấp Ura cho tải

+ Năng lượng nguồn Uvào liên tục cung cấp cho ổn áp (trên cuộn L) việc truyền lượng tải xảy dạng xung không liên tục

- Phương pháp điều chỉnh đồng thời độ rộng xung độ rỗng xung

Sơđồ khối thực phương án cho hình 2.145

Đặc điểm kết cấu ởđây tranzito chuyển mạch điôt mắc nối tiếp với tải, cuộn chặn L mắc song song với tải phân cách qua điơt Khi tranzito mở, dịng Uvào cung cấp cho cuộn L tích lũy lượng từ trường Điốt lúc khóa ngắt phần trước khỏi mạch tải, tụ C nạp đầy từ trước, phóng điện qua mạch tải, cung cấp Ura

Khi tranzito khóa (ứng với khoảng thời gian khơng có xung điều khiển), L xuất sức điện động tự cảm, chiều ngược lại với Uvào làm điơt D mở giải phóng lượng từ cuộn L nạp cho C cung cấp cho mạch tải

Qua việc phân tích có nhận xét sau:

+ Điện áp UL UC ngược cực tính với Uvào đầu ta nhận điện áp tải ngược cực tính với Uvào hay ổn áp có tác dụng đảo dấu điện áp vào cần ổn

định

+ Điện áp xác định theo hệ thức: Ura / Uvào= - tmở / tkhóa

Vì tmở tkhóa ln biến đổi tỉ lệ ngược (do chu kỳ T số) dải cho phép nhận điện áp £ |Ura| £ ¥ hay phương pháp cho phép điều chỉnh Ura rộng phương pháp trình bày

+ Năng lượng từ mạch vào cung cấp cho ổn áp dạng xung vào ổn áp truyền lượng tải dạng xung

- Phương pháp ổn áp xung sơ cấp

Sơđồ khối thực phương pháp ổn định sơ cấp cho hình 2.146

Hình 2.146: Phương pháp ổn áp xung kiểu sơ cấp

Mạch hình 2.146 hoạt động sau: Điện áp lưới chỉnh lưu trực tiếp mạch cầu tạo nên nguồn chiều đối xứng cỡ± 150V cung cấp cho hai tranzito T1 T2 điều khiển theo kiểu đẩy kéo nhờ hai dãy xung điều khiển ngược pha có tần số khoảng ¸ 50 kHz Các xung điều khiển có độ rộng thay đổi theo quy luật điện áp sai lệch điện áp Ura (giống phương pháp ổn định kiểu thứ cấp nói trên) Nhờ T1 T2 điện áp ± Uo đưa tới biến áp xung tải thứ cấp qua mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, khâu lọc LC, ta nhận

được điện áp ổn định Đặc điểm phương pháp ởđây sử

dụng biến áp xung làm việc tần số cao nên kết cấu gọn tổn hao nhỏ Mạch cách ly để phân cách điện mạch thứ sơ cấp bảo vệ khối điều khiển khỏi ảnh hưởng ổn áp (thường dùng ghép biến áp hay ghép option)

Điểm lưu ý cuối tất phương pháp nêu, có thề thay khóa chuyển mạch tranzito khóa tiristo (xem phần 2.7 tiếp sau) Khi đó, cần

điều chỉnh thời điểm xuất hiệu xung điều khiển mở cho tiristo (thay điều khiển độ

rộng xung vng điều khiển khóa tranzito) nhờ mạch tạo xung điều khiển thích hợp

b – Ổn định dòng điện

Trong thiết bị điện tử có độ xác, độ ổn định cao, yêu cầu ổn

- Để ổn định dòng điện qua mạch tải (khi điện áp nguồn hay trị số tải thay đổi) ta dùng phần tửổn dịng barette Dụng cụ gồm có sợi dây sắt hay vơnfram đặt bóng thủy tinh chứa hiđrơ Khi có địng điện qua barette, sợi dây

được nung nóng làm cho điện trở biến đối Đặc tuyến barette vẽ hình 2.147a Khu vực làm việc barette đoạn AB điểm làm việc barette biến đổi dịng qua khơng đổi

Hình 2.147: Đặc tuyến V-A mạch dùng Barette mạch ổn dòng

Hình 2.147b biểu thị mạch điện dùng barette để ổn định dịng qua Rt giả sử Uv tăng điện trở B tăng (do bị nung nóng hơn), sụt áp B tăng bù lại tăng Uv dòng nối tiếp qua B Rt giữ ổn định Barette đảm bảo ổn định dòng điện với độ xác ± 1% điện áp nguồn biến đổi ± (10-15%) tham số

của phần tử barette cặp giá trị điện áp dòng ứng với điểm A, B, C hình 2.147a

- Tranzito nguồn dịng điện

Hlnh 2.148: Mạch ổn dòng dùng tranzito chếđộđộ khơng bão hịa

khá lớn (là yêu cầu cần thiết đổi với nguồn dòng gần với lý tưởng) điện trở

1 chiều lại nhỏ

Hình 2.148 đưa mạch ổn dòng đơn giản dùng tranzito mắc theo sơđồ EC có hồi tiếp âm dịng điện RE , điện trở tải mắc nối tiểp với tranzito mạch colectơ

· Khi UCE > UCẸbão hòa, dòng điện mạch Ic = Ira» IE gần không thay đổi

khi tranzito bị bão hòa :

E BEO B E E E R U U = R U = I

I ≈ - (2-273)

Điện trở nguồn dịng xác đinh

(R //R )+r +R R β + r = dI dU = r E BE E cE ra i (2-274)

Ví dụ với Ira = 1mA rCE = 100kW

RE = 5kW b = 300

UE = 5V

7.5kΩ mA 25mV 300 I U β r c T

BE = » »

R1 // R2 = 10kW ta nhận giá trị nội trở nguồn

ri = 7,6 MW

· Để tránh ảnh hưởng R1 // R2 làm giảm ri, R2 thay điôt ổn áp Đ2 để

ổn định điện áp UB có tác dụng bù nhiệt cho UBE (h 2.148b)

· Có thể dùng FET loại thường mở (JFET) làm phần tửổn dịng hình 2.148

c, d nội trở nguồn dịng xác định :

ri = rDS + M.Rs = rDS(1 + SRs) (2-275) với rDS điện trở máng - nguồn lúc UGS = S độ dốc (hồ dẫn) đặc tính truyền đạt, FET Thường giá trị nội trở nguồn dùng loại thấp 1¸2 cấp so với loại dùng BST

· Để nâng cao chất lượng ổn định dòng điện Rt người ta sử dụng mạch

ổn dòng kiểu "gương dòng điện" biếu thị hình 2.149 a b

E v E

BEO B E

ra R

.R I R

U U I

I = = - = (2-276)

Do UE tăng 2mV/0C nên việc đưa thêm điơt Đ vào nhánh có R2 bù điện áp UB lên lượng tương ứng (theo nhiệt độ), hay lúc UD» UBEO, rút :

v E

ra I

R R

I = (2-277)

Nghĩa dòng điện mạch tỷ lệ với đòng Iv mạch vào (cũng từ lý mạch có tên “gương dịng điện"

Hình 2.149: Sơđồ gương dòng điện đơn giản

Trong mạch 2.149 b, điôt D thay T1 nối theo kiểu điôt Chế độ

T1 bão hịa UCE1 = UBE1 = UCEbhịa Vì UBE1 = UBE2 nên IB1 = IB2 = IB suy : Iv = b1IB + IB

Ira = b2IB với b1= b2 =b ta có

v v β 2I I

β

I »

+

nghĩa nhánh vào có cân dịng điện; mạch cho khả làm việc RE = Tuy nhiên việc có thêm RE bù sai lệch T1 T2 làm tăng nội trở nguồn dòng

- Nguồn ổn:dòng dùng IC tuyến tính

Một phương pháp khác ổn định dịng điện có sử dụng IC tuyến tính tính cho hình 2.150

Hình 2.150: Nguồn ổn dịng IC tuyến tính

Mạch hình 2.150 cho dịng điện I2 tải khơng phụ thuộc vào điện áp U2 mà chỉđược điều chỉnh điện áp vào U1 chọn U1 = Uchuẩn I2ổn định

Ta xác định dòng I2 Tại nút N có:

0 R U R

U U

3 n

n

ra- - =

Tại nút P có

R U U R

U

U 2 p

2 p

1- + - =

Tại nút A có I

R U U R

U U

2

2 p

2

ra- + - - =

2 2 3 1 3 2

2 2RR U

2R R R 2R R R U R 2R R R 2R I ÷÷ ø çç è ỉ + - + + ÷÷ ø çç è æ + +

= (2-279a)

bằng cách chọn

( 2)

2 R R R R +

= (2-279b)

có

2

1 R /R

U

I = tức I2 không phụ thuộc vào U2 Nếu chọn R2 >> R1

1

R U

I » (2-280)

thì từ (2.279b) có : R2 = R3

Khi đó, điều chỉnh xác R3 đạt trở kháng lớn dòng

điện I2 không phụ thuộc vào điện áp U2 Tuy nhiên I2 có phụ thuộc yếu vào Rt

để khắc phục nhược điểm người ta dùng mạch phức tạp có sử dụng hay nhiều IC tuyến tính, kết hợp việc dùng IC tranzito nguồn dòng:

2.6.5 Bộổn áp tuyến tính IC

Để thu nhỏ kích thước chuẩn hóa tham số ổn áp chiều kiểu bù tuyến tính người ta chế tạo chúng dạng vi mạch, nhờ việt sử

dụng dễ dàng Cục IC ổn áp thực tế bao gồm phần tạo điện áp chuẩn, khuếch đại tín hiệu sai lệch, tranzito điều chỉnh, hạn chế dòng (trong phần lớn ổn áp cố hạn chế dòng)

Các IC ổn áp thường bảo đảm dòng khoảng từ 100mA đến 1A điện áp tới 50V, công suất tiêu tán khoảng 500 - 800 mw Hiện người ta chế tạo IC

ổn

áp cho dòng tới 10A, điện áp từ 2-50V Các loại IC ổn áp điển hình thường dùng là: LM105, LM309, mA723, LM323, LM345, LM350, LM337, LM338, Seri 78Hxx…

Tùy thuộc vào yêu cầu tham số kỹ thuật nhưđiện áp ra, dòng ra, hệ sốổn

định điện áp, khả điều khiền điện áp ra, dải nhiệt độ làm việc, nguồn cung cấp,

độ ổn định theo thời gian v.v Mà người ta chế tạo nhiều loại (có cấu trúc mạch bên trong) khác nhau, với chân giúp cho việc sử dụng thuận tiện

a - Loại IC ồn áp 3 chân nối (h.2.151 (đầu ra, đầu vào đất) Loại thường cho điện áp cốđịnh Đại diện cho loại Seri 7800 hay 7900 Điện áp

bằng số cuối kí hiệu Ví dụ 7805 (ổn áp 5v) ; 7812 (+ 12V) ; 7815 (+ 15V) ; 7818 (+ 18V) ; 7824 (+ 24V)

Tụ điện C = 0,1 mF để cải thiện trình độ giữ cho điện trở mạch đủ

Hình 2.151: Sơđồ nguồn ổn áp dùng IC loại 7805 (họ IC78xx)

Seri 79xx tương tự Seri 78xx cho điện áp âm

b - Loại IC ổn áp bốn chân nối:

(h 2.152): Loại có thêm đầu dùng đểđiều chỉnh (đầu Y)

Loại lc ổn áp thường dùng trường hợp yêu cầu điện áp đầu thay đổi được, cần tinh chỉnh cho thật xác

Hình 2.152: Sơđồ nguồn ồn áp chân nối (loại ,mA 78G)

Hình 2.153a: IC ổn áp có điều chỉnh

Loại cần dùng điện áp điều chỉnh Loại IC thí dụ

như

LM 317 khơng có chân nối đất, mà thay vào đố chân Y Nhờ có phân áp R1, R2.Dòng đầu Adj nhỏ (50 – 100mA) Điện áp R1 1,25V tức dịng qua R1 5mA Điện áp có thểđiều chỉnh khoảng

V R R 1.25 U

1

ra ÷÷

ứ ỗỗ

ố ổ

+

= (2-281)

(Ở mức điện áp chuẩn Uch = 1.25V ống ổn áp kiểu nguồn gương dòng điện tạo ra, nằm bên cấu trúc LM317 có dạng tương tự LM113)

Trong trường hợp cụ thể điện áp cố thể điều chỉnh phạm vi từ 1,25V

đến 25V

d – Để tăng dòng tải đầu người ta mắc thêm tranzito điều chỉnh phối hợp với IC ổn áp (h.2.154a) nâng cao điện áp đầu cách đấu thêm Đz (h.2.154b) khì :

Ura = Uổn + U2

Hình 2.154: IC ổn áp dùng thêm tranzito bổ trợđể tăng dịng sử dụng (a) hay dùng điơt zener để nâng mức Ura (b)

e - Cấu trúc điển hình bên IC ồn áp cho hình 2.155 (loại mA7800,

mA 78G)

· Với loại cấu trúc chân (khơng có chân số 4) điện trở hồi tiếp R1, R2

được chế tạo bên vỏ IC (mA7800) Cịn với loại có cấu trúc chân, cực bazơ T2 để ngỏ để đưa đấu R1, R2 từ ngồi, chọn (hoặc

điều chỉnh) mức điện áp lấy tii chõn :'

ữữ ứ ỗỗ

è æ + =

1 ch

ra R

R U

U (2-282)

Hình 2.155 : Sơđồ cấu trúc điển hình IC ổn áp

Dịng cực bazơ Cặp tranzito điều chỉnh Darìingtơn T’4 T4 trì khơng vượt q giới hạn IBmax (cỡ vàì mA) nhờ tác dụng phân dòng T3 lúc áp hay q dịng Từđó dịng điện lối : Ira£ Iramax = b’b4.Imax

· Bình thường T3 trạng thái khóa nhờ việc chọn R3 R4 thích hợp Khi sụt áp R3 tăng lên dòng đạt tới giá trị UR3³ 0,6v, T3 chuyển sang mở, ngăn ngừa gia tăng tiếp tục dịng I’B4.Từđó mức hạn chế dòng xác định :

3 ramax R

0.6V

I = (2 - 283)

(chú ý mức hạn dịng thích hợp Ura nhỏ, cịn Ura lớn giảm ảnh hưởng R4 R5)

· Công suất nhiệt tiêu tán cực đại T’

4 T4 xác định từ hệ thức

( - - ¯)

= ramax vào ra

t I U U

P

Vì ngun nhân khơng mong muôn, mạch bị chập ( Ura»0) Ira- hay điện áp lối vào tăng cao dẫn tới khả bị nhiệt gây hư hỏng cho T’4 T4 Mạch dùng ĐZ2 R5 có tác dụng bảo vệ T4 khỏi nguyên nhân

- Nếu Uvào - Ura³ Uz nhánh ĐZ2, R5 dẫn dòng, qua phân áp R4.T5đặt điện áp dương lên T3 làm mở dịng R3 chưa đạt tới trị Iramax (và nhờ làm giảm dòng kể điều kiện Ira³ Iramax không thỏa mãn)

2.7 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N

Một ứng dụng quan trọng khác mạch chỉnh lưu có khống chế cấu tạo từ dụng cụ nhiều mặt ghép p-n Các dụng cụ chỉnh lưu có khống chế có cấu trúc dạng bốn lớp bán dẫn công nghệ p-n-p-n xếp liên tiếp

2.7.1 Nguyên lí làm việc, đặc tuyến tham số của tiristo

a - Tiristo chế tạo từ bốn lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2đặt xen kẽ (trên đế N1

điện trở cao, tạo lớp P1++ P2+, sau tiếp N2++ ) Giữa lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp p-n J1, J2,J3 lấy cực anôt (A), katôt (K) cực khống chế G (h.2.156a)

Để tiện cho việc phân tích nguyên lí làm việc tiristo tưởng tượng lớp bán dẫn tiristo chia thành hai cấu trúc tranzito p1n1p2 n1p2n2 hình 2.156b với thơng miền N1 P2 chúng Từ vẽ sơ đồ tương đương hình 2.156c Kí hiệu quy ước tiristo cho hình 2.156d

Hình 2.156: Cấu trúc lớp p-n tiristo (a, b); Sơđồ tương đương (c) kí hiệu quy ước tiristo (d)

b – Đặc tuyến Vôn-Ampe tiristo có hình 2.157 chia thành vùng rõ rệt Trước tiên xiết trường hợp phân cực ngược tiristo với UAK < Đặc tính

lên đột ngột (dòng chế đánh thũng J3 định) Nếu khơng có biện pháp ngăn chặn dịng ngược làm hỏng tiristo Vùng đặc tuyến ngược tiristo trước bịđánh thủng gọi vùng chắn ngược

Hình 2.157: Đặc tuyến von-ampe tiristo

Khi phân cực thuận tiristo (với UAK > 0), xét trường hợp cực G hở mạch (IG = 0), chuyển tiếp J1 J3 lúc phân cực thuận J2 phân cực ngược Khi UAK nhỏ, dòng qua tiristo định chủ yếu dòng ngược J2 Xét chung cho tiristo dịng điện chảy qua tiristo lúc dòng dò thuận Ifx Giá trị điển hình dịng dị ngược (IRx) dị thuận (Ifx) khoảng 100mA Nếu IG= dịng dị thuận giữ nguyên giá tri ban đầu Khi tăng UAK tới giá trị xấp xỉ điện áp

đánh thủng chuyển tiếp J2 Điện áp thuận ứng với giá trị gọi điện áp đánh thủng thuận UBE Nói cách khác, điện áp thuận tăng đến giá trị này, dòng Ico tiristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 Q2 sơđồ tương đương (h.2.156c) mở chuyển sang trạng thái bảo hòa Tiristo chuyển sang trạng thái mở Nội trở

đột ngột giảm đi, điện áp sụt lên cực A K giảm xuống đến giá trị UE gọi

Nếu IG khác 0, dòng IG UGK cung cấp với dịng ngược vốn có tiristo Ico làm cho Q2 mở điện áp UAK nhỏ nhiều giá trị kích mở lúc IG=0 Dịng IG lớn UGK cần thiết tương ứng để tiristo nhỏ (Ở cần nói thêm cho dù từ đầu điện áp UGKđã cung cấp dòng IG lớn dòng mở cực tiểu Q2 điện áp UAK chưa đủ lớn để phân cực thuận Q1 Q2 tiristo chưa mở)

Như hình 2.157 mức dịng khống chế IG tăng từ IG1 đến IG4 tương ứng với mức điện áp UAK giảm xuống từ U1 tới U4 Đây phương pháp kích mở tiristo dịng cực điều khiển Điện áp dẫn thuận UF viết UF = UBE1 + UBE2 = UBE2 + UCE1 Đối với vật liệu silic điện áp bão hịa tranzito silic vào cỡ 0,2v UBE biết vào cỡ 0,7v ; suy UF = 0.9V Trên phần đặc tuyến thuận, phần mà tiristo chưa mở gọi miền chắn thuận, miền tiristo đă mở gọi miền dẫn thuận (h.2.157) Quan sát miền chắn thuận miền chắn ngược tiristo thấy có dạng giống nhưđặc tuyến ngược điơt chỉnh thơng thường

Sau điều kiện kích thích mở kết thúc, muốn trì tiristo ln mở phải

đảm bảo cho dòng thuận IE lớn giá trị định gọi dòng ghim I4 (là giá trị cực tiểu dòng thuận IE) Nếu trình tiristo mở; IG trì giá trị dòng ghim tương ứng giảm dòng lG tăng (h.2.157) Trong sổ tay thuyết minh nhà sản xuất cịn kí hiệu IHC để dòng ghim cực G hở mạch IHXđể dòng ghim đặc biệt cực G K nối điện trở phân cực

đặc biệt

c - Hai cặp tham sốquan trọng cần ý chọn tiristo, tới dòng điện điện áp cực đại mà tiristo làm việc không bịđánh thủng ngược đánh thủng thuận

đã trình bày Điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho tiristo chưa mở theo chiều thuận điện áp thuận, điện áp thường , kí hiệu UOM UFxM trường hợp G nối với điện trở phân cực Với nghĩa tương tự, người ta

định nghĩa điện áp chắn ngược cực đại VRoM VRxM dòng điện thuận cực đại Công suất tổn hao cực đại FaM công suất lớn cho phép tiristo làm việc, điện áp cực khống chế UG mức điện áp ngưỡng cần để mở tiristo UAK =6v

Những tham số vừa nêu thuờng cho sổ tay nhiệt độ

250C Với tiristo làm việc ở chế độ xung tần số cao phải quan tâm đến thời gian đóng mở tiristo tm thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở td thời gian chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng tiristo

2.7.2 Các mạch khống chếđiển hình dùng tiristo

a - Mạch chỉnh lưu có khống chề kiểu pha xung

Hình 2.158 : Mạch khống chế xung đơn giản a) Sơđồ nguyên lí; b) Dạng điện áp Để minh họa hoạt động xét:

Ví dụ : mạch chỉnh lưu có khống chế hình 2.158a với biên độđiện áp xoay chiều

đầu vào 30V, điện trở tải 15W, R1=1kW Hãy xác định loại tiristo cần thiết cho sơ

đồ, tính dịng điện điện áp mở tiristo đặt vào cực G xác định điện áp kích mở đặt vào anôt tiristo

Giải : ĐỂ xác định tiristo thích hợp cho mạch, trước hết cần lưu ý tiristo

phải đảm bảo đóng chưa có xung kích thích đặt vào cực G Nghĩa điện áp chắn thuận (UFxM) phải lớn biên độ cực đại điện áp nguồn (UFxM >30V); chọn tiristo có UFxM = 50V Bây xét tới điều kiện dòng tải cực đại (Ip)

Ứng với điện áp vào cực đại, điện áp tải là:

UK = ev - UAK

t AK v p

R U E

I =

-khi tiristo mở, điện áp cực anôt katôt tiristo UAK điển hình 1V, tính :

Giá trị hiệu dụng cực đại cho phép dòng thuận tiristo C6F 1,6a Như dùng tiristo C6F trường hợp thích hợp Để xác định điện áp dòng cực G, cần sử dụng đặc tuyến Vơn-Ampe nguồn kích thích cực G ứng với độ

xung tiristo C6F vào sổ tay tra cứu biết ứng với độ rộng xung 20ms UG = 0,5v IG = 0,1A

Dịng kích mở cực G vào sơđồ nguyên lí IT = IG + IRL IRL = UG/R1

Do

IT = IG + (UG/R1) = 001mA + (0,5V/kW = 0,51mA

Vậy điện áp kích mở cực G UG 0,5V dịng kích mở cực G IT : 0,51mA Như biết tiristo đóng dịng tải IT nhỏ dòng IH theo sổ tay tra cứu C6F IH = lmA Từ sơ đồ mạch khống chế biết ev = UAK + IHR1 =1v + (1mA.15W) = 1,015V Như tiristo sẽđóng ev hạ xuống nhỏ 1,015V

b - Mạch khống chế pha 900(h.2.159)

Hình 2.159: Mạch khống chế pha 900

· Dịng kích mở cực G lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1 Nếu R1

điều chỉnh đến giá trị điện trở nhỏ tiristo mở đồng thời với nửa chu kì dương đặt vào anơt Nếu R1 điều chỉnh đến giá trị lớn thích hợp tiristo mở nửa chu kì dương lúc ev đến giá trị cực đại Điều chỉnh điện trở R1 khoảng giá trị tiristo mở với góc pha từ – 900 Nếu góc pha 900 mà IG khơng mở tiristo khơng thể mởđược góc pha góc pha 900 dịng IG có cường độ lớn Điôt Đ1 để bảo vệ tiristo nửa chu kì âm nguồn điện đặt vào cực G

Từ hình 2.159 thấy khoảng thời gian tiristo mở, dòng IG chảy qua R1, D1 Rt Bởi tiristo mở viết:

( v D1 G G t)

G

1 I e U U I R

1

R = - - - (2-284)

· Ví dụ với sơ đồ nguyên lí mạch khống phế pha hình 2-159, điện áp nguồn xoay chiều có biên độ 30V, điện trở tải 15W Xác định khoảng điều chỉnh R1 để mở tiristo góc khoảng 5-900 Biết dòng mở cực G 100mA, điện áp cực G 0,5V

Giải : 50 ev = 30sin50 = 30 0,0872 = 2,6V áp dụng biểu thức (2-370) tính :

Rt = (2,6v - 0,7v - 0,5v - 100mA 15)/1OOmA R1= R1min = 1,4V/100mA =14kW

tại 900 e

v = 300, sin900 = 30V tương tự tính R1 = R1max = 288kW

Như để góc mở tiristo mở từ 50 – 900 điện trở R1 phải điều chỉnh từ 14kWđến 288kW

c - Mạch khống chế pha 1800

Hình 2.160: Mạch khống chế pha 1800

Mạch khống chế pha 1800điển hình trình bày hình 2.160 Mạch tương tự

như mạch khống chế pha 900 đã biết ở hình 2.15e chỉ khác thêm vào điơt Đ tụ

thì D1 bị phân cực ngược xung dương đưa vào để kích mở cho tiristo Như cách điểu chỉnh R1 C1 hai làm tiristo mở góc khoảng từ -1800 nửa chu kì dương nguồn điện áp đặt vào tiristo

Hình 2.161: Mạch khống chế pha với điôt chỉnh lưu

Trên sộ sơđồ ngun lí đơn giản hình 2.160 thay đổi đơi chút

kết cấu mạch đểđược dạng điện áp tải theo ý mong muốn (h.2.161)

Điôt D3 mắc thêm vào làm cho tải xuất nửa chu kì âm điện áp nguồn cung cấp Bự khống chế thực nửa chu kỳ dương nguồn

Hình 2162 : Mạch khống chếđảo mắc song song

Trên hình 2.162 trình bày sơ đồ hai chỉnh lưu có khống chế dịng tiristo mắc song song ngược chiều Bằng cách mắc mạch thực khống chế nửa chu kì dương lẫn chu kì âm Trên nêu ví đụđơn giản

2.7.3 Vài dụng cụ chỉnh lưu có cấu trúc lớp

a – Triac

Hình 2.163: Cấu trúc (a) sơđồ tương đương (b) đặc tuyến (c) TRIAC

Cấu tạo, sơ đồ tương dương đặc tuyến Vôn -Ampe triac trình bày hình 2.163 Từ thấy triac tương dương với hai tiristo mắc song song ngược chiều Các cực gọi A1, A2 G.A2đóng vai trị anơt, A1đóng vai trị catơt Khi cực G A1 có điện (+) so với A2 tiristo tương đương Q1 Q2 mở, A1 đóng vai trị anơt cịn A2 đóng vai trị catốt Từ thấy TRIAC có khả dẫn điện theo hai chiều

P2

N1

A2

N2

P1

N4

N3

P3

A1

P2

N1

A2

G

N2

P1

N4

N3

P3

A1

a) b)

Hình 2.164: Khảo sát mạch khống chế dùng TRIAC qua mô

Sơđồ khống chế dùng TRIAC trình bày hình 2.164 Chú ý kí hiệu quy ước TRIAC tổ hợp hai kí hiệu tiristo Trong khoảng nửa chu kì dương điện áp đặt vào, điôt Đ1được phần cực thuận, điôt D2 phân cực ngược cực G dương so với A1 Điều chỉnh R1 khống chế điểm bắt đầu mở TRIAC b- Về mặt cấu tạo ĐIAC hồn tồn giống TRIAC khơng có cực khống chế

G.ĐIAC kích mở cách nâng cao điện áp đặt vào hại cực Kí hiệu mạch

Hình 2.165: Kí hiệu dạng đóng vỏ ĐIAC; TRIAC c – Điốt bốn lớp

Điốt bốn lớp gọi điôt SOV-lay, có cấu tạo tương tự tiristo khơng có cực khống chế G, kích mở cách nâng điện áp hai cực điôt (vượt điện áp mở thuận) Kí hiệu mạch đặc tuyển Vơn -Ampe điơt bốn lớp

được trình bày hình 2.166 ; điện áp mở thuận điôt lớp tương ứng vôi điện áp đánh thủng thuận tinsto Dông cực tiều chày qua để điôt mở gọi dịng mở

(Is)

Hình 2.166: Kí hiệu mạch đặc tuyến điốt bốn lớp

Dòng ghim (IH) điện áp dẫn thuận UF điôt bốn lớp tương tự tiristo Một ứng dụng phổ biến điôt lớp tạo dao

động cưa (sơ đồ ngun lí mạch hình 2.167) Trong tụ C1 nạp

điện trở R1 từ nguồn E Quá trình nạp tiếp điện điện áp hai tụ

điện C1 vượt q giá trị điện áp kích mở cho điơt lớp làm điơt mở, tụ phóng điện nhanh qua nội trở nhỏ điôt làm điện áp tụ C1 giảm xuống Điện áp đặt hai cực điôt giảm Khi đạt mức làm dịng qua điơt nhỏ dịng ghim IH điơt lại khóa tụ C lại bắt đầu nạp Điện áp có dạng cưa hình 2.167 Điện trở R1 sơ đồ phải chọn để điơt mở dịng chạy mạch phải có cường độ dịng mởđiơt Is (Nếu nhỏ Is điơt khơng mở) Nhưng R1 phải đủ lớn để ngăn khơng cho dịng qua điơt giảm xuống giá trị dòng IH tụ C1 phóng điện Nghĩa ngăn ngừa khả điơt đóng sau tụ phóng điện

Ví đụ : Sơ đồ nguyên lí tạo mạch dao động cưa (h.2.167) điơt bốn lớp có tham số sau : Us = 10V ; Us = 1v, Is = 500mA IH = 1,5mA nguồn E =30V Hãy tính giá trị cực đại cực tiểu R1để mạch làm việc bình thường

Giải: Căn vào mạch viết : E = (IR1) + Uc I

U -E =

R c

1

Tại điện áp mở mởđiơt có : Uc = Us Imin = Is ta suy :

40kΩ = A 500.10

10V -30V = I

U -E =

R

s s 1max

Điơt mở hồn tồn ta có Uc = U1 Umax =IH Vậy:

Nếu có điơt lớp ghép song song ngược chiều sau đặt chúng vào vỏ

Chương

KĨ THUẬT XUNG - SỐ

"Kĩ thuật xung - số'' thuật ngữ bao gồm lĩnh vực rộng quan trọng ngành kĩ thuật điện tử - tin học Ngày nay, bước phát triển nhảy vọt kĩ

thuật tự động hóa, mang ý nghĩa khâu then chốt, công cụ thiếu để

giải nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể hướng tới mục đích giảm chi phí lượng thời gian cho trình cơng nghệ hay kĩ thuật, nâng cao độ tin cậy hay hiệu chúng

Trong chương này, thời gian hạn chế, chỉđề cập tới số vấn đề

có tính chất bản, mở đầu kĩ thuật xung - số Việc nghiên cứu chi tiết thực giáo trình Kỹ thuật xung, Kỹ thuật số Xử lý tín hiệu số

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG

3.1.1 Tín hiệu xung tham số

Tín hiệu điện áp hay dịng điện biến đổi theo thời gian (mang nội dung q trình thơng tin đó) có hai dạng bàn: liên tục hay rời rạc (gián đoạn) Tương ứng với chúng, tồn hai loại hệ thống gia cơng, xử lí tín hiệu có đặc

điểm kĩ thuật khác mang ưu, nhược điểm khác hệ thống liên tục (analog) hệ thống rời rạc (digital) Nhiều khi, đặc điểm lịch sử phát triển để

phát huy đầy đủưu loại ta gặp thục tế hệ thống lai ghép kết hợp việc gia cơng xử lí hai loại tín hiệu

Đối tượng chương đề cập tới loại tín hiệu rời rạc theo thời gian gọi tín hiệu xung

Dạng tín hiệu xung thường gặp cho hình 3.1 Chúng dãy xung tuần hoàn theo thời gian với chu kì lặp lại T, xung đơn xuất lần, có cực tính dương, âm cực tính thay đổi

Hình 3.1: Các dạng tín hiệu xung

Hình 3.2 xung vuông thực tế với đoạn đặc trưng: sườn trước,

đỉnh sườn sau Các tham số biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước sau, độ sụt đỉnh

Hình 3.2: Các tham số tín hiệu xung

· Biên độ xung Um xác đinh giá trị lớn điện áp tín hiệu xung có

được thời gian tồn

· Độ rộng sườn trước sườn sau (ttr ts) xác đinh khoảng thời gian tăng thời gian giảm biên độ xung khoảng giá trị 0,l Umđến 0,9Um

·Độ rộng xung tx xác định khoảng thời gian có xung với biên độ mức 0,1Um (hay mức 0,5Um tùy theo chuẩn quy ước)

· Đô sụt đỉnh xung thể mức giảm biên độ xung ởđoạn đỉnh xung

Với dãy xung tuần hồn, cịn có tham số đặc trưng sau (cụ thể xét với dãy xung vuông)

· Chu kì lặp lại xung T (hay tần số xung f = 1/T) khoảng thời gian

điểm tương ứng hai xung

· Thời gian nghỉ tng (h3.1a) khoảng thời gian trống hai xung liên tiếp

· Hệ số lấp đầy g tỉ số độ rộng tx chu kì T T

t

γ= X

từđó có hệ thực : T = tx + tng g<

· Trạng thái có xung (khoảng tx) với biên độ lớn mức ngưỡng UH gọi mức cao hay mức "1', mức UH thường chọn cỡ 1/2 điện áp nguồn cung cấp

· Trạng thái xung (khoảng tng với biên độ nhỏ mức ngưỡng UL) gọi mức thấp hay mức "O" Mức UL chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito, IC)

· Các mức điện áp dải UL < Ura < UH trạng thái cấm Vấn đề sẽđược đề cập kĩ phần

3.1.2 Chếđộ khóa của tranzito

Tranzito làm việc chếđộ khóa hoạt động khóa điện tửđóng mở mạch với tốc độ nhanh (l0-9 + l0-6s), có nhiều đặc điểm khác với chế độ khuếch đại

đã xét chương

a - Yêu cầu cơbản với tranzito chếđộ khóa điện áp đầu có hai trạng thái khác biệt:

§ Ura³ UH Uvào£ UL (3-1)

§ Ura£ UL Uvào³ UH

Chế độ khóa tranzito xác đinh chế độđiện áp hay dòng điện chiều cung cấp từ ngồi qua mạch phụ trợ (khóa thường đóng hay thường mở) Việc chuyển trạng thái khóa thường thực nhờ tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào Cũng có trường hợp khóa tự động chuyển

đổi trạng thái cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khơng cần xung điều khiển (xem phấn mạch tạo xung tiếp sau)

Đểđưa đặc điểm chủ yếu chế độ khóa, hay xét mạch cụ thể hình 3.3