Bài giảng kỹ thuật tương tự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, địi hỏi cơng nghệ luôn phải vận động để phù hợp với qúa trình phát triển Tuy nhiên kiến thức để tính tốn phân tích cấu trúc mạch điện tử cần thiết Để phục vụ cho trình học tập sinh viên làm tài liệu tham khảo, biên soạn giáo trình Mạch điện tử 1, bao gồm tích hợp nội dung kiến thức lý thuyết thực hành mạch điện tử tƣơng tự để bạn đọc tiện tham khảo Bên cạnh hầu hết sau chƣơng có tập ứng dụng (đƣợc đề cập cuối giáo trình) để bạn thuận tiện trình học tập Do thời gian biên soạn có hạn nhƣ trình độ cịn nhiều hạn chế mong đƣợc đóng góp bạn đọc để lần tái sau đƣợc hoàn chỉnh ThS-Nguyễn Vũ Thắng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự Chƣơng I: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CƠ SỞ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm mạch điện tử nhiệm vụ Các mạch điện tử có nhiệm vụ gia cơng tín hiệu theo thuật toán khác đƣợc phân loại theo dạng tín hiệu cần đƣợc xử lý Trong thực tế tín hiệu thƣờng tồn dƣới hai dạng bản: tín hiệu tƣơng tự (anolog) tín hiệu số (digital) Tín hiệu tƣơng tự loại tín hiệu biến thiên liên tục theo thời gian, cịn tín hiệu số loại tín hiệu đƣợc rời rạc hố theo thời gian lƣợng tử hố biên độ Các tín hiệu (kể tín hiệu tƣơng tự tín hiệu số) đƣợc: khuếch đại; điều chế; ghi nhớ; điều khiển; tách sóng; biến dạng mạch điện tử có nhiệm vụ thực thuật tốn Trong nội dung giáo trình đề cập tới mạch điện tử tƣơng tự Đối với tín hiệu tƣơng tự ngƣời ta đặc biệt quan tâm tới tỷ số S/N (Signal/NoiseTín hiệu/Tạp âm) cho tỷ số lớn Để giải vấn đề ngƣời ta thƣờng quan tâm tới hai thơng số chủ yếu biên độ tín hiệu độ khuếch đại tín hiệu Biên độ tín hiệu thể độ xác q trình gia cơng tín hiệu, xác định độ ảnh hƣởng nhiễu tới hệ thống Khi biên độ tín hiệu nhỏ nhiễu lấn át tín hiệu Vì thiết kế hệ thống điện tử cần nâng biên độ tầng đầu Khuếch đại tín hiệu chức quan trọng mạch tƣơng tự, thực trực tiếp gián tiếp thơng qua phần tử hệ thống Trong vài thập kỷ gần với đời khuếch đại thuật toán, mạch tổ hợp mở cho ngành kỹ thuật điện tử nhiều thành công Chúng đảm bảo thoả mãn yêu cầu kỹ thuật mà cịn có độ tin cậy cao giá thành hạ Trong tƣơng lai nhà thiết kế tạo mạch điện tử tổ hợp chíp có chức ngày hồn hảo Su hƣớng phát triển giảm nhỏ kích thƣớc bên mạch chế tạo cách giảm số chủng loại, nhƣng tăng tính phổ biến mạch ứng dụng hay tăng tính sử dụng chủng loại 1.2 Đặc tính tham số diode (Tính dẫn điện, chỉnh lƣu, ổn áp, đặc tuyến Vol - Ampe) Diode bán dẫn phần tử mặt ghép pn Về cấu tạo nguyên lý hoạt động diode đƣợc đề cập giáo trình Linh kiện điện tử Điện tử Trong phần đề cập tới ứng dụng diode thông qua đặc tuyến Vol-Ampe chúng ThS-Nguyễn Vũ Thắng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự Đặc tuyến Vol-Ampe diode đƣợc thể hình 1.1 Đƣờng lý tƣởng IAK Đƣờng thực tế (1) -UAK ng UAK UAK (2) (3) Hình 1.1 Đƣờng đặc tuyến Vol-Ampe diode đƣợc chia làm ba vùng rõ rệt: - Vùng gọi vùng phân cực thuận, dòng điện IAK phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận UAK Giá trị dòng IAK lớn khuếch tán có hƣớng hạt đa số qua chuyển tiếp pn Ứng dụng vùng để làm diode chỉnh lƣu điện áp, dòng điện - Vùng gọi vùng phân cực ngƣợc Giá trị dòng IAK tăng nhỏ cho dù điện áp UAK tăng lƣợng lớn Sở dĩ dòng IAK tăng chậm nhƣ chuyển động hạt thiểu số qua chuyển tiếp pn Ứng dụng vùng để làm mạch chỉnh lƣu điện áp, mạch ghim điện áp - Vùng gọi vùng đánh thủng tƣơng ứng tăng điện áp phân cực ngƣợc cho diode tới giá trị ngƣỡng (UAKng) mà diện tích khơng gian tiếp ráp pn chiếm tồn hai vùng bán dẫn p n Nếu tăng điện áp phân cực ngƣợc vƣợt giá trị điện áp ngƣỡng tiếp ráp pn bị đánh thủng hoàn toàn theo hiệu ứng thác lũ, cấu trúc tiếp ráp pn điốt không tồn Ứng dụng vùng để làm phần tử ổn áp (diode zener) ThS-Nguyễn Vũ Thắng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự 1.3 Đặc tính tham số transistor lƣỡng cực (BJT) 1.3.1 Đặc tính tĩnh phƣơng trình Có hai loại transistor npn pnp mà cấu tạo nguyên lý hoạt động chúng đƣợc nghiên cứu chƣơng trình mơn điện tử linh kiện điện tử Phần nhắc lại số vấn đề chúng Từ trình hoạt động BJT ngƣời ta đƣa họ đặc tuyến quan trọng chúng - Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) giữ tham số đầu cố định - Họ đặc tuyến đầu ra: IC = f(UCE) giữ tham số đầu vào cố định - Họ đặc tuyến truyền đạt: IC = f(IB) giữ tham số đầu cố định Các BJT mắc theo emitter chung (EC), base chung (BC), collector chung (CC) Trong ba cách mắc cách mắc EC đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất, trình khảo sát đặc biệt quan tâm đến cách mắc Để điều khiển BJT dùng dịng emitter IE dịng base IB Nếu dùng dịng IE để điều khiển hệ số khuếch đại BJT đƣợc tính theo biểu thức AN  IC IE (1.1) Trong AN hệ số khuếch đại (KĐ) dòng chiều cách mắc BC AN >1 Vì IE = IB + IC, nên BN AN có mối qua hệ sau: BN  ThS-Nguyễn Vũ Thắng AN  AN ; AN  BN  BN ;  AN  1  BN Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự 1.3.2 Sơ đồ tƣơng đƣơng tín hiệu nhỏ I2 I1 ~ h12U2 h11I1 u1 u2 h22 h11 Hình 1.2 Đối với tín hiệu nhỏ BJT đƣợc coi mạng bốn cực tuyến tính, nên dùng hệ phƣơng trình mạng bốn cực (M4C) tuyến tính để biểu diễn dịng điện, điện áp vào BJT Trong hệ phƣơng trình M4C, để mơ tả cho BJT thƣờng hệ phƣơng trình tham số h hệ phƣơng trình dẫn nạp tham số Y Hệ phƣơng trình tham số h hệ phƣơng trình dẫn nạp tham số Y M4C có dạng sau U  h11I1  h12U  I  h21I1  h22U (1.3) I1  Y11U  Y12U  I  Y21U  Y22U (1.4) Các tham số hij Yij hệ phƣơng trình 1.3 1.4 đƣợc xác định theo bảng sau Bảng 1.1 1.4 hij h11  U1 I1 U  h12  U1 U I 0 h21  I2 I1 U  h22  I2 U I 0 Yij Y11  I1 U1 U 0 Y12  I1 U U 0 Y21  I2 U1 U 0 Y22  I2 U U 0 Đặc tính tham số transistor hiệu ứng trƣờng (FET) 1.4.1 Phân loại đặc tính Để thuận tiện cho việc nghiên cứu ghi nhớ phân loại FET (Field Effect Transistor) theo đồ hình 1.3 ThS-Nguyễn Vũ Thắng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự Theo sơ đồ phân loại hình 1.3 ta thấy có loại transistor hiệu ứng trƣờng (FET) Ký hiệu đặc tuyến chúng đƣợc bảng 1.2 Nếu đặt vào cực cửa G (Gate) cực nguồn S (Source) tín hiệu, làm điện áp UGS thay đổi làm cho điện trở cực máng D (Drain) cực nguồn S thay đổi làm dòng điện cực máng ID thay đổi theo Vậy FET dụng cụ khống chế điện áp Trong thực tế, có nhiều FET đối xứng, nghĩa đổi lẫn cực máng cực nguồn mà tính chất FET không đổi - Trong JFET, cực cửa G nối với kênh máng-nguồn qua mặt ghép pn np Khi đặt điện áp phân cực UGS chiều quy ƣớc (bảng 1.2) diode mặt ghép ngắt, ngƣợc lại đổi chiều UGS diode mặt ghép thơng, dịng cực cửa IG khác khơng - Với MOSFET cực cửa G kênh máng-nguồn đƣợc cách ly lớp SiO2, dịng cực cửa IG ln không FET (FET chuyển tiếp pn) JFET Kênh n ID Kênh có sẵn Kênh p D G UGS FET có cấu trúc kim loại-điện mơi- bán dẫn (MOSFET) Kênh cảm ứng D UDS Kênh n G S Kênh p Kênh n Kênh p S D D D G G G G S S FET tự dẫn D S S FET tự ngắt Hình 1.3: Sơ đồ phân loại FET ThS-Nguyễn Vũ Thắng Đề cƣơng Kỹ thuật tƣơng tự Bảng 1.2: Ký hiệu họ đặc tuyến FET Kênh Loại, ký hiệu UDS Cực tính ID UGS UP Đặc tuyến Truyền đạt JFET kênh n ID n >0 >0 0 0 >0 >0 IDSS IDSS U GS  U p G S MOSFET kênh cảm ứng D p U GS  2U p U GS  2U p U p 2U p UGS Up U DS ID 2U p Up Up U GS