Tài liệu Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện docx

Nội dung chương gồm: - Tổng quan lịch sử phát triển điện tử học - Nghiên cứu hệ thống điện tử phân loại hệ thống điện tử Trong sống hàng ngày gặp thiết bị điện tử dạng điện thoại, máy thu thanh, thu hình, thiết bị âm thanh, dụng cụ gia đình, máy tính, thiết bị điều khiển công nghiệp tự động Điện tử học trở thành tác nhân kích thích thành phần thiếu cho thiết lập phát triển công nghệ đại Kỹ thuật điện tử đề cập đến việc chế tạo ứng dụng cấu kiện điện tử 1.1 Quá trình lịch sử điện tử học Kỷ nguyên điện tử học bắt đầu việc phát minh dụng cụ khuyếch đại Fleming vào năm 1904 đèn chân không ba cực Phát minh phát triển diode tiếp xúc điểm bán dẫn (silicon) Pickard vào năm 1906, mạch máy thu diode đèn ba cực khoảng thời gian từ năm 1907 - 1927, máy thu đổi tần Armstrong vào năm 1920, minh chứng truyền hình vào năm 1925, dụng cụ hiệu ứng trường Lilienfield vào năm 1925, điều chế FM Armstrong vào năm 1933, radar vào năm 1940 Cuộc cách mạng điện tử học bắt đầu vào năm 1947, việc phát minh transistor silicon Bardeen, Bratain, Shockley phòng thí nghiệm hãng điện thoại Bell Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến bắt nguồn từ phát minh đó, chẳng hạn vi mạch đại phát triển nhiều năm từ dụng cụ bán dẫn Cuộc cách mạng việc phát minh máy thu hình màu vào năm 1950 phát minh transistor hiệu ứng trường Shockley vào năm 1952 Sự phát triển vào năm 1956, phịng thí nghiệm Bell phát minh transistor kích dẫn lớp (pnpn), gọi thyristor hay chỉnh lưu có điều khiển bán dẫn (SCR) Cuộc cách mạng điện tử lần thứ hai bắt đầu việc phát triển thyristor thương mại hãng General Electric sản xuất vào năm 1958 Cuộc cách mạng bắt đầu kỷ nguyên ứng dụng điện tử học việc xử lý hay điều hồ cơng suất, gọi điện tử cơng suất Sau đó, nhiều loại dụng cụ bán dẫn công suất khác kỹ thuật biến đổi phát triển Mạch tích hợp (IC) phát minh vào năm 1958, thực đồng thời Kilby hãng Texas Instruments Noyce Moore hãng Fairchild Semiconductor mở đầu giai đoạn cách mạng vi điện tử Phát minh phát minh IC thương mại đầu tiên: khuyếch đại thuật toán, A709, hãng Fairchild Semiconductor vào năm 1968; vi xử lý 4004 hãng Intel vào năm 1971; vi xử lý bit hãng Intel vào năm 1972; chip nhớ gigabit Intel vào năm 1995 Sự tiến triển từ đèn chân không đến vi xử lý thể hình 1.1 Sự phát triển IC liên tục với kết đạt chip mật độ cao với công suất nguồn cung cấp thấp hơn; mức tích hợp mạch thể bảng 1.1 Bảng 1.1: Các mức tích hợp Mốc thời gian Mức độ tích hợp Thập kỷ 1950 Các cấu kiện rời Thập kỷ 1960 Mạch tích hợp mức độ thấp (SSI) 1966 Mạch tích hợp mức độ trung bình (MSI) 1969 Mạch tích hợp mức độ lớn (LSI) 1975 Mạch tích hợp mức độ lớn (VLSI) Thập kỷ 1990 Mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI) Số lượng cấu kiện Chip đến 102 từ 102 đến 103 từ 103 đến 104 từ 104 đến 109 109 1.2 Các hệ thống điện tử Một hệ thống điện tử lắp ráp dụng cụ linh kiện điện tử thành khối xác định tín hiệu vào tín hiệu Bằng cách sử dụng transistor làm dụng cụ tiếp nhận thông tin dạng tín hiệu vào, transistor xử lý tín hiệu, sau tạo tín hiệu Các hệ thống điện tử phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng, chẳng hạn hệ thống thông tin, điện tử y tế, thiết bị đo lường, hệ thống điều khiển, hay hệ thống máy tính Hình 1.2a, sơ đồ khối máy thu FM Antenna có vai trị phần tử nhạy cảm với tín hiệu [cảm biến hay sensor] Tín hiệu vào từ antenna có biên độ nhỏ, thường khoảng V, nên cần phải khuyếch đại biên độ mức công suất hệ thống điện tử trước cung cấp cho loa Sơ đồ khối thiết bị đo hiển thị nhiệt độ hình 1.2b Tín hiệu làm thiết bị đo hiển thị Sensor nhiệt độ tạo mức điện áp nhỏ, thường vào khoảng vài millivolt độ tăng lên 0o (tức 1mV/oC) Cả hai hệ thống nhận tín hiệu vào từ sensor, xử lý tín hiệu, tạo mức tín hiệu để điều khiển phần tử chấp hành [actuator] Một hệ thống điện tử cần phải thông tin với dụng cụ đầu vào đầu Thơng thường, tín hiệu vào dạng tín hiệu điện Các tín hiệu vào lấy từ phép đo đại lượng vật lý chẳng hạn nhiệt độ hay mức chất lõng, cịn tín hiệu sử dụng để làm thay đổi đại lượng vật lý khác độ hiển thị nhiệt độ hay mức chất lõng phần tử phát nhiệt Các hệ thống điện tử thường sử dụng các cảm biến [sensor] để thu đại lượng vào kích thích [actuator] để phát tín hiệu Các cảm biến kích thích thường gọi chuyển đổi [transducer] Ví dụ, loa chuyển đổi dùng để biến đổi tín hiệu điện tử thành âm Các cảm biến: Có nhiều loại cảm biến, bao gồm: - Các nhiệt trở [thermistor] hay nhiệt ngẫu [thermocouple] dùng để đo nhiệt độ - Các cấu kiện quang transistor hay quang diode dùng để đo ánh sáng - Các định cở sức căng vật liệu áp điện dùng để đo lực - Các điện kế, cảm biến điện cảm, mã hố vị trí tuyệt đối dùng để đo độ dịch chuyển - Các máy phát tốc, gia tốc kế, cảm biến theo hiệu ứng Doppler để đo độ dịch chuyển - Các microphone để đo âm Các kích thích hay phần tử chấp hành: Các kích thích tạo đại lượng khơng điện từ tín hiệu điện Có nhiều kiểu kích thích gồm: - Các phát nhiệt điện trở để tạo nhiệt - Các diode phát sáng [LED] đèn chiếu sáng để điều khiển độ sáng - Các cuộn dây kim loại tạo từ tính có dịng điện chạy qua [solenoid] để tạo lực - Các đồng hồ đo để thị độ dịch chuyển - Các động điện để tạo chuyển động hay tốc độ - Loa chuyển đổi siêu âm để tạo âm 1.3 Tín hiệu điện tử ký hiệu Các tín hiệu điện tử phân chia thành hai loại: tín hiệu tương tự [analog] tín hiệu số [digital] Tín hiệu tương tự có dãi biên độ thay đổi liên tục theo thời gian, mơ tả hình 1.3a Tín hiệu số có mức điện áp gián đoạn theo thời gian, thể hình 1.3c Một tín hiệu số có hai giá trị, tương ứng với trạng thái logic nhị phân (cho mức cao) trạng thái logic nhị phân (cho mức thấp) Để có biến thiên thích hợp theo giá trị thành phần, nhiệt độ, nhiễu (các tín hiệu bên ngồi), trạng thái logic thường gán theo mức điện áp khoảng từ đến 5V Trạng thái logic gán theo mức điện áp khoảng từ đến 0,8V Tín hiệu cảm biến thường có dạng tương tự, kích thích thường địi hỏi tín hiệu vào tương tự tín hiệu mong muốn Tín hiệu vào tương tự biến đổi thành dạng số ngược lại Các mạch điện tử thực việc biến đổi gọi biến đổi tương tự - số (A/D) số - tương tự (D/A) Các biến đổi tương tự - số: Bộ biến đổi A/D biến đổi tín hiệu tương tự thành dạng số cho giao tiếp tín hiệu tương tự số Xét điện áp vào tương tự hình 1.4a Tín hiệu vào lấy mẫu khoảng thời gian tuần hoàn xác định theo khoảng thời gian lấy mẫu Ts, số nhị phân n-bit (b1b2 bn) gán cho mẫu hình 1.4b, với n = Số nhị phân n-bit phần nhị phân tương ứng với tỷ số điện áp vào chưa biết v1 điện áp đầy thang VFS biến đổi Đối với n = 3, mổi phần nhị phân VFS/2n = VFS/8 Điện áp biến đổi A/D 3-bit biểu diễn hình 1.4c Mối quan hệ vào - thể hình 1.4c, cho thấy điện áp vào tăng lên từ đến mức đầy thang, mức nhị phân tăng lên từ 000 đến 111 Tuy nhiên, số nhị phân không đổi khoảng điện áp vào VFS/2n (= VFS/8 với n = 3), mà bit có nghĩa thấp (LSB) biến đổi A/D Do vậy, điện áp vào tăng, mức nhị phân cho sai số âm sau sai số dương, hình 1.4d Sai số gọi sai số lượng tử hố, giảm cách tăng số lượng bit n Vậy, sai số lượng tử xác định theo mức điện áp thấp mà LSB mức nhị phân thay đổi từ đến Sai số lượng tử gọi độ phân giải biến đổi, tính từ biểu thức: VLSB Verror VFS/2n đó: VFS mức điện áp đầy thang biến đổi Ví dụ, VLSB biến đổi - bit là: (1.1) VLSB VFS/2n 5/28 19,53mV 20mV Các biến đổi số - tương tự: Bộ biến đổi D/A lấy tín hiệu vào dạng nhị phân tạo điện áp dòng dạng tương tự (hay liên tục) Sơ đồ khối biến đổi D/A n - bit gồm số nhị phân (b1b2 bn) hình 1.5 Bộ biến đổi D/A tạo phần nhị phân mà nhân với mức điện áp đầy thang VFS để có mức điện áp biểu diễn bằng: Vo ( b1 2-1 b2 2-2 b3 2-3 bn 2-n ) VFS đó: số nhị phân thứ i bi = bi = b1 bit có ý nghĩa (MSB) Ví dụ, với VFS = 5V, n = 3, từ số nhị phân b1b2b3 = 110, phương trình (1.2) cho: (1.2) Vo ( 2-1 2-2 2-3 ) 5V 3,75V Ký hiệu: Một tín hiệu tương tự thường biểu diễn ký hiệu với số dịng, chữ viết hoa chữ viết thường, tuân theo biểu diễn quy ước bảng 1.2 Ví dụ, xét mạch hình 1.6a, đầu vào mạch có điện áp dc VDC = 5V, điện áp ac vab = 2sin t Các mức điện áp tức thời có hình 1.6b Các quy định ký hiệu điện áp dòng điện sau: VDC, IDC giá trị chiều (dc): biến số viết hoa số dòng viết hoa VDC = 5V; IDC = VDC / RL = 5mA vab , ia giá trị xoay chiều (ac) tức thời: biến viết thường số dòng viết thường vab = vac = 2sin t; ia = 2sin t mA (đối với RL = 1k ) vAB, iA giá trị tức thời tổng: biến viết thường số dòng viết hoa vAB = VDC + vab = + 2sin t; iA = IDC + ia = 5mA + 2sin t mA (với RL = 1k ) Vab, Ia giá trị biên độ tổng: biến viết hoa, số dòng viết thường Vab 52 ( ) 5,20V ; I a Bảng 1.2: Cách xác định ký hiệu số Định nghĩa Giá trị chiều (dc) tín hiệu Giá trị xoay chiều (ac) tín hiệu Giá trị tức thời tồn tín hiệu (cả dc ac) Các biến số phức pha hay giá trị hiệu dụng tín hiệu 52 ( ) 5,20 mA Đại lượng Chữ in hoa Chữ in thường Chữ in thường Chữ in hoa Chỉ số Chữ in hoa Chữ in thường Chữ in hoa Chữ in thường Ví dụ VD vd vD Vd 1.4 Phân loại hệ thống điện tử Hình thái việc xử lý tín hiệu tạo hệ thống điện tử tuỳ thuộc chất tín hiệu vào, yêu cầu phát kích thích, u cầu chức tồn Tuy nhiên, có số chức thông dụng số lượng lớn hệ thống Các chức gồm khuyếch đại, cộng trừ tín hiệu, tích phân vi phân tín hiệu, lọc Một vài hệ thống yêu cầu hàng loại hoạt động chẳng hạn phép đếm, định thời, thiết lập, thiết lập lại, định thực Ngồi ra, u cầu tạo tín hiệu sin hay dạng tín hiệu khác hệ thống Các hệ thống điện tử có nhiều ứng dụng lĩnh vực tơ, thiết bị nghe nhìn gia đình, thiết bị thơng tin công sở, thiết bị y tế, nhiều lĩnh vực khác, giúp người trì phong cách sống công nghệ cao [high - tech] Các hệ thống điện tử thường phân loại theo kiểu ứng dụng: * Điện tử ô tô * Điện tử thông tin * Điện tử dân dụng * Điện tử công nghiệp * Điện tử đo lường * Cơ điện tử * Điện tử y tế * Điện tử công sở Lĩnh vực ngành điện tử phân chia thành ba vùng riêng biệt tuỳ thuộc vào loại tín hiệu việc xử lý tín hiệu yêu cầu hệ thống điện tử Điện tử tương tự đề cấp chủ yếu hoạt động ứng dụng transistor dụng cụ khuyếch đại Các tín hiệu vào lấy dãi liên tục giá trị biên độ theo thời gian Chức điện tử tương tự truyền dẫn xử lý thơng tin chứa tín hiệu vào tương tự với mức nhiễu thấp Điện tử số đề cập chủ yếu hoạt động ứng dụng transistor dụng cụ chuyển mạch kín [on] hở [off] Cả tín hiệu vào tín hiệu tín hiệu xung không liên tục xuất thời điểm cách thời gian Chức điện tử số truyền dẫn xử lý thông tin chứa tín hiệu vào số với lượng sai số thấp tốc độ nhanh Điện tử công suất đề cập nguyên lý hoạt động ứng dụng dụng cụ bán dẫn công suất, bao gồm transistor công suất chuyển mạch "đóng" "mở" để điều khiển chuyển đổi nguồn điện Điện tử tương tự / điện tử số sử dụng để tạo tín hiệu điều khiển cho chuyển mạch cơng suất để nhận chiến lược điều khiển mong muốn (tức ac/dc, ac/ac, dc/ac, hay dc/dc) với hệ số biến đổi lớn độ méo dạng sóng thấp Tín hiệu vào hệ thống điện tử cơng suất điện áp (hoặc dịng) nguồn cung cấp dc ac Điện tử cơng suất có nội dung trạng thái đặc tính nguồn cung cấp thông tin chứa tín hiệu Ví dụ, mạch điện tử cơng suất tạo nguồn cung cấp ổn định 12V cho hệ thống tương tự 5V cho hệ thống số, từ nguồn cung cấp 120V hay 220V Các mạch vi điện tử có khả tạo xử lý tín hiệu điều khiển tốc độ cao, nên điện tử cơng suất có khả tạo điều khiển mức công suất lớn với hiệu suất cao, khoảng từ 94% đến 99% Nhiều nguồn điện áp ứng dụng điện tử công suất tạo từ việc kết hợp điện tử công suất - phần tử chấp hành, với vi điện tử - phần tử điều khiển Ngồi ra, điện tử cơng suất bật mơn học riêng có thay đổi vấn đề xử lý điều hồ cơng suất cho việc điều khiển nguồn công nghiệp tự động Nhiều hệ thống điện tử sử dụng hai kỹ thuật tương tự số Mỗi phương pháp thực có ưu điểm nhược điểm tóm tắt sau: - Nhiễu thường có mạch điện tử Nhiễu xác định tín hiệu từ bên xuất nhiễu loạn điện tử nhiệt điện trở, cuộn cảm hay tụ ghép tín hiệu từ hệ thống khác, hay từ nguồn cung cấp khác Nhiễu bổ sung trực tiếp vào tín hiệu tương tự nên ảnh hưởng đến tín hiệu mơ tả hình 1.7a Vì vậy, nhiễu khuyếch đại tầng khuyếch đại nối tiếp Do tín hiệu số có hai mức (cao thấp), nên nhiễu khơng ảnh hưởng đến tín hiệu số, mơ tả hình 1.7b, nên nhiễu bị loại bỏ cách hiệu khỏi tín hiệu số - Một mạch tương tự cần phải có vài cấu kiện chuyên dụng so với mạch số để thực chức cho Tuy nhiên, mạch tương tự thường yêu cầu tụ điện hay cuộn cảm có giá trị lớn mà khơng thể chế tạo vi mạch - Mạch số dễ chế tạo so với mạch tương tự dạng vi mạch (các IC), phức tạp so với mạch tương tự Tuy nhiên, mạch số thường cho chất lượng tốc độ xử lý tín hiệu cao - Các hệ thống tương tự chế tạo để thực chức hay hoạt động cụ thể, hệ thống số thích ứng với nhiều loại nhiệm vụ hay người dùng khác - Tín hiệu từ sensor tín hiệu đưa đến kích thích hệ thống điện tử thường tín hiệu tương tự Nếu tín hiệu vào có biên thấp cần phải xử lý tần số cao, cần phải sử dụng kỹ thuật tương tự Để hiệu thiết kế chế tạo thường sử dụng hai phương pháp tương tự số 1.5 Các tiêu kỹ thuật hệ thống điện tử Một hệ thống điện tử thường thiết kế để thực chức hay hoạt động Hiệu suất hệ thống điện tử quy định hay đánh giá theo thơng số điện áp, dịng điện, trở kháng, công suất, thời gian làm việc, tần số đầu vào đầu hệ thống Các thông số làm việc bao gồm tiêu độ, độ méo, tiêu tần số, thơng số dc tín hiệu bé Các thơng số độ: Các thông số độ nghĩa tín hiệu mạch tạo theo đáp ứng tín hiệu vào quy định, thường tín hiệu xung lặp lại, mơ tả hình 1.8a Tín hiệu thường xét thơng qua thời gian trễ [delay time] td, thời gian tăng [rise time] tr, thời gian mở [on time] ton, thời gian giảm [fall time] tf, thời gian ngưng [off time] toff chu kỳ, hình 1.8b Tuỳ thuộc vào hệ số suy giảm mạch mà đáp ứng biểu vượt mức trước thiết lập vào trạng thái ổn định thể đường đứt nét hình 1.8b Các khoảng thời gian liên quan với tín hiệu định nghĩa sau: * Thời gian trễ td khoảng thời gian trước mạch đáp ứng với tín hiệu vào * Thời gian tăng tr khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu đầu tăng lên từ 10% đến 90% giá trị cuối tín hiệu (mức cao) * Thời gian mở ton khoảng thời gian mà mạch chuyển sang mở hồn tồn có chức theo chế độ thông thường mạch * Thời gian giảm tf khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu giảm từ 90% xuống 10% giá trị ban đầu (mức cao) tín hiệu * Thời gian ngưng toff khoảng thời gian để mạch ngưng hoàn toàn Như vậy, chu kỳ chuyển mạch T là: T t d t r t on tf t off (1.3) tần số chuyển mạch f = 1/T Các khoảng thời gian giới hạn tốc độ chuyển mạch lớn fmax mạch Ví dụ, tần số chuyển mạch lớn mạch có td = s tr = tf = s là: f 1/ (t d t r tf ) 1/5 s 200kHz Độ méo dạng: Khi truyền qua tầng khác phạm vi hệ thống điện tử, tín hiệu thường bị méo dạng Độ méo dạng lấy theo nhiều dạng biến đổi dạng, biên độ, tần số, pha tín hiệu Một số ví dụ méo dạng mơ tả hình 1.9: hình 1.9b, dạng sóng sin hình 1.9a, bị xén giới hạn mức nguồn cung cấp, hình 1.9c, méo dạng xuyên tâm vơ hiệu mạch gần qua mức 0, cịn hình 1.9d, méo hài đặc tính phi tuyến dụng cụ điện tử Một tín hiệu vào sin có tần số quy định thường đưa đến đầu vào mạch điện tử, sau thành phần hài tín hiệu đo Độ méo dạng quy định theo độ méo hài tổng [total harmonic distortion - THD], tỷ số giá trị hiệu dụng thành phần hài giá trị hiệu dụng thành phần (tại tần số tín hiệu vào sin) THD cần phải nhỏ Các thông số tần số: Khoảng tần số tín hiệu tín hiệu điện tử biến thiên rộng, tuỳ thuộc vào ứng dụng, mô tả bảng 1.3 Bảng 1.3: Độ rộng băng tần tín hiệu điện tử Loại tín hiệu Độ rộng băng tần Dãi tín hiệu địa chấn 1Hz đến 200Hz Dãi tín hiệu điện tâm đồ 0,05Hz đến 100Hz Dãi tín hiệu âm tần 20Hz đến 15kHz Dãi tín hiệu video dc đến 4,2MHz Dãi tín hiệu radio AM 540kHz đến 1600kHz Dãi tín hiệu radar đến 100MHz Dãi tín hiệu truyền hình VHF 54MHz đến 60MHz Dãi tín hiệu radio FM 88MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu truyền hình UHF 470MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu điện thoại di động 824MHz đến 891,5MHz Dãi tín hiệu truyền hình vệ tinh 3,7GHz đến 4,2GHz Dãi tín hiệu thơng tin vi ba đến 50GHz Các thông số tần số tức đồ thị tín hiệu hàm số tần số tín hiệu vào Đồ thị điển hình hệ thống hình 1.10a, có dạng hình 1.10b Đối với tín hiệu có tần số thấp fL cao fH, tín hiệu bị suy giảm, tín hiệu có tần số khoảng fL fH, tần số tín hiệu không đổi Dãi tần số từ fL đến fH gọi độ rộng băng tần [bandwidth - BW] mạch, tức là: BW = fH - fL Một hệ thống với độ rộng băng tần thể hình 1.10b, gọi hệ thống có đặc tính thơng dãi Nếu fL = 0, hệ thống gọi có đặc tính dãi thơng thấp Nếu fH = , hệ thống xem có đặc tính dãi thơng cao Đối với tín hiệu có tần số làm việc phạm vi dãi tần độ rộng băng tần, hệ số khuyếch đại điện áp băng xác định theo: Vout (1.4) Amin Vin đó: Vin Vout giá trị hiệu dụng (rms) điện áp vào điện áp tương ứng Trở kháng vào xác định theo: Vin (1.5) Z in I in đó: Iin giá trị hiệu dụng dòng vào mạch Trở kháng vào Zin thường xem điện trở vào tín hiệu nhỏ Ri, tín hiệu gần không phụ thuộc tần số dãi tần số băng Hệ số khuyếch đại điện áp (tỷ số điện áp vOUT điện áp vào vIN) thường quy định Nếu quan hệ vOUT - vIN tuyến tính, thể hình 1.11a, mạch làm việc điểm tĩnh - Q, hệ số khuyếch đại điện áp tính bởi: vout AV (1.6) vin AV thường gọi hệ số khuyếch đại điện áp tín hiệu lớn Đặc tuyến transistor khơng tuyến tính, thể hình 1.11b, mạch làm việc điểm làm việc tĩnh, điểm Q, tín hiệu vào tạo thay đổi khoảng nhỏ quan hệ vOUT - vIN gần tuyến tính Nên hệ số xem hệ số khuyếch đại tín hiệu nhỏ, Av, biểu diễn bằng: vout (1.7) vin Các mạch điện tử, mạch khuyếch đại thường làm việc khoảng tuyến tính đặc tuyến Đối với tần số làm việc phạm vi BW mạch, Av = Amin, đó, Amin hệ số khuyếch đại tần số trung bình khuyếch đại Av Tóm tắt nội dung chương 1: - Từ phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên, đèn chân không vào năm 1904, lĩnh vực điện tử học có tiến triển nhanh Các mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI), có 109 cấu kiện chip - Một hệ thống điện tử bao gồm dụng cụ linh kiện điện tử dùng để xử lý tín hiệu điện tử, thực việc giao tiếp cảm biến đầu vào kích thích đầu - Các cảm biến biến đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, ngược lại kích thích biến đổi tín hiệu điện thành đại lượng vật lý Các cảm biến kích thích thường gọi chuyển đổi - Có hai loại tín hiệu điện tử: tương tự số Tín hiệu tương tự biến đổi thành tín hiệu số ngược lại - Ký hiệu chữ thường dùng để biểu diễn đại lượng tức thời, ký hiệu chữ in hoa dùng cho giá trị dc hiệu dụng (rms) Chỉ số dòng chữ in thường dùng để biểu diễn đại lượng rms ac tức thời, số dòng chữ in hoa dùng cho giá trị tổng, mà bao gồm hai đại lượng ac dc - Điện tử học phân loại thành ba lĩnh vực: tương tự, số, điện tử công suất Việc phân loại trước hết dựa vào kiểu xử lý tín hiệu Các hệ thống điện tử thường phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng chẳng hạn điện tử y tế, điện tử dân dụng, v v - Các thông số dùng để mô tả chức mạch hệ thống điện tử thường bao gồm thông số độ, độ méo dạng, thông số tần số, thông số tín hiệu lớn bé Nội dung chương bao gồm: - Nhận dạng loại vật liệu dùng để chế tạo dụng cụ bán dẫn - Định nghĩa liên kết đồng hố trị - Mơ tả trình pha tạp để tạo vật liệu bán dẫn N bán dẫn P - Giải thích dịng điện chảy vật liệu bán dẫn có pha tạp Các dụng cụ bán dẫn cấu kiện thiết bị điện tử Các dụng cụ bán dẫn thông dụng diode (được dùng để chỉnh lưu), transistor (được dùng để khuyếch đại), vi mạch (dùng để chuyển mạch khuyếch đại) Chức dụng cụ bán dẫn để điều khiển điện áp hay dòng điện để có số kết mong muốn Các ưu điểm dụng cụ bán dẫn bao gồm sau: - Kích thước trọng lượng nhỏ - Tiêu thụ công suất thấp mức điện áp thấp - Hiệu suất cao - Độ tin cậy cao - Có khả làm việc môi trường khắc nghiệt - Hoạt động có nguồn cung cấp - Sản xuất số lượng nhiều kinh tế Các nhược điểm dụng cụ bán dẫn gồm có: - Nhạy cảm mạnh thay đổi nhiệt độ - Nhiều cấu kiện chưa ổn định - Dể bị đánh thủng (do vượt giới hạn công suất, mắc ngược cực tính điện áp làm việc, nhiệt hàn vào mạch) 2.1 Các chất bán dẫn: Germanium Silicon Các vật liệu bán dẫn có đặc tính nằm đặc tính chất cách điện chất dẫn điện Ba nguyên tố bán dẫn carbon (C), germanium (Ge), Silicon (Si) Trong thích hợp cho việc chế tạo dụng cụ bán dẫn Ge Si Germanium ngun tố dịn có màu xám - trắng tìm thấy vào năm 1886 Dioxide germanium dạng bột, lấy từ tro loại than đá đó, khử hố chất để thành dạng chất rắn germanium nguyên chất Silicon tìm thấy vào năm 1823 Silicon có nhiều thành phần võ trái đất dạng hợp chất có màu trắng hay hay đơi hợp chất có màu, dạng dioxide Silicon Dioxide Silicon (Silica) tìm thấy nhiều cát, thạch anh, đá Sau khử hố chất thành Silicon ngun chất có dạng rắn Silicon vật liệu bán dẫn sử dụng thông dụng Khi có vật liệu nguyên chất hay vật liệu bản, vật liệu cần phải xử lý để tạo đặc tính cần thiết cho dụng cụ bán dẫn Theo mơ hình ngun tử, tâm nguyên tử nhân, mà bao gồm proton neutron Các proton có điện tích dương cịn neutron khơng mang điện tích Các electron quỷ đạo Triac sử dụng làm chuyển mạch AC (hình 7.12); sử dụng để điều khiển mức công suất AC đưa đến tải (hình 7.13) Các triac thích hợp với tất mức cơng suất đưa đến tải Khi triac sử dụng để thay đổi lượng công suất AC truyền đến tải, cần phải có dụng cụ kích khởi chuyên dụng để đảm bảo chức triac thời điểm thích hợp triac khơng nhạy cảm tín hiệu cổng theo chiều ngược Các triac có số nhược điểm so với SCR Các triac có mức dòng định mức cao vào khoảng 25A, SCR có mức dịng định mức cao vào khoảng 1400A Các triac có thơng số điện áp lớn 500V so với 2600V SCR Các triac chế tạo với tần số thấp (50 đến 400Hz) SCR làm việc lên đến mức tần số 30 000Hz Các triac khó sử dụng làm chuyển mạch công suất tải điện cảm Câu hỏi mục 7.2: Sự khác triac SCR ? Triac cấu tạo ? Vẽ ghi tên điện cực ký hiệu mạch triac Một số ứng dụng triac ? So sánh ưu, nhược điểm triac SCR 7.3 Các diode kích khởi hai chiều - DIAC Các diode kích khởi hai chiều sử dụng mạch triac triac có đặc tính kích dẫn khơng đối xứng; tức triac có độ nhạy cảm khơng mức dịng cổng chảy theo chiều ngược Dụng cụ kích khởi thường sử dụng nhiều diac (diode AC) Diac có cấu tạo tương tự transistor, có ba lớp pha tạp xen kẽ (hình 7.14), khác cấu tạo nồng độ pha tạp hai bên tiếp giáp diac Các điện cực gắn vào hai lớp phía ngồi Do có hai điện cực, nên diac đóng vỏ giống diode tiếp giáp PN Cả hai tiếp giáp có mức pha tạp nhau, nên diac có tác động dẫn dòng bất chấp chiều dòng chảy Một hai tiếp giáp phân cực thuận tiếp giáp lại phân cực ngược Tiếp giáp phân cực ngược điều khiển mức dòng chảy qua diac Diac biểu hai tiếp giáp PN mắc nối tiếp đối đầu (hình 7.15) Diac trì trạng thái ngưng dẫn mức điện áp đặt vào theo hai chiều đủ cao để làm cho tiếp giáp phân cực ngược diac bị đánh thủng điện áp bắt đầu dẫn điện Quá điện áp đánh thủng [break over] mức điện áp mà trạng thái dẫn xuất hiện, tức diac chuyển sang dẫn dòng tăng lên đến giá trị giới hạn điện trở nối tiếp mạch Ký hiệu mạch ddiac hình 7.16, tương tự ký hiệu triac khác diac khơng có cực cổng Các diac thường sử dụng làm dụng cụ kích dẫn cho triac Ở mổi thời điểm diac chuyển sang dẫn cho dòng chảy qua cực cổng triac, nên làm cho triac dẫn Diac dùng chung với triac để tạo thành mạch điều khiển tín hiệu AC tồn kỳ Hình 7.17, mạch điều khiển pha tồn kỳ thay đổi Biến trở R1 tụ điện C1 tạo thành mạch dịch pha Khi điện áp tụ C1 đạt đến mức điện áp đánh thủng diac, C1 xả phần lượng thơng qua diac vào cực cổng triac, tức tạo xung để kích dẫn triac sang trạng thái dẫn Mạch dùng để điều khiển đèn, thiết bị toả nhiệt, tốc độ động điện công suất thấp Câu hỏi mục 7.3: Các diac sử dụng mạch ? Cấu tạo diac ? Giải thích nguyên lý hoạt động diac mạch Vẽ ký hiệu mạch diac Vẽ sơ đồ mạch điều khiển pha toàn kỳ diac triac 7.4 Đo thử thyristor Giống dụng cụ bán dẫn khác, thyristor hư hỏng Có thể đo thử thyristor thiết bị đo thử hay đồng hồ đo điện trở [ohmmeter] Để sử dụng thiết bị đo thử đo thử thyristor, cần phải tham khảo sách hướng dẫn cách đo để đặt chuyển mạch thích hợp đọc số thị tương ứng Đồng hồ đo điện trở phát đa số hư hỏng thyristor Bằng đồng hồ đo điện trở phát thông số phụ hay dụng cụ nhạy áp, cho thị tốt trạng thái thyristor Đo thử SCR Ohmmeter Xác định cực tính hai dây đo ohmmeter Dây đỏ que đo dương, dây đen que đo âm Nối hai dây đo ohmmeter vào thyristor: que dương vào cathode, que đo âm vào anode Giá trị điện trở đọc lớn 1M Đảo ngược hai que đo, âm vào cathode que dương vào anode Điện trở lại cao 1M Với hai que đo ohmmeter nối bước 3, ngắn mạch cực cổng với anode (chạm cực cổng với cực anode) Điện trở giảm xuống thấp 1M Loại bỏ ngắn mạch cổng anode Nếu sử dụng thang đo điện trở thấp ohmmeter, điện trở trì giá trị nhỏ Nếu sử dụng thang đo điện trở cao trị số điện trở trở mức 1M Ở thang đo điện trở cao hơn, ohmmeter không đủ mức dòng cung cấp để giữ chốt cổng (đã chuyển sang dẫn) loại bỏ ngắn mạch Tháo que đo ohmmeter khỏi SCR lặp lại phép đo Do số ohmmeter không cho kết rõ ràng bước 5, nên bước đủ Đo thử triac ohmmeter Xác định cực tính hai que đo ohmmeter Nối que đo dương với MT1 que đo âm với MT2 Điện trở phải có giá trị cao Với hai que đo mắc bước 2, ngắn mạch cổng với MT1 Điện trở giảm xuống Loại bỏ ngắn mạch Mức điện trở thấp Ohmmeter khơng đủ mức dịng cung cấp để giử triac chốt cần mức dòng cổng lớn Tháo hai que đo nối lại rõ bước Điện trở đọc đồng hồ đo trở lại mức cao Ngắn mạch cổng với MT2 Điện trở đọc đồng hồ giảm xuống Tháo ngắn mạch Điện trở thấp trì Tháo mạch đo đảo ngược hai que đo, que đo âm với MT1 que đo dương với MT2 Điện trở đo cao Ngắn mạch cổng với MT1 Điện trở đo giảm xuống 10 Tháo bỏ ngắn mạch điện trở thấp trì 11 Tháo hai que đo mắc lại theo kiểu Điện trở lại mức cao 12 Ngắn mạch cổng với MT2 Điện trở giảm xuống 13 Tháo bỏ ngắn mạch Điện trở thấp trì 14 Tháo mạch đo nối lại hai que đo Điện trở đo cao Đo thử diac Ohmmeter Việc đo thử diac ohmmeter, trị số điện trở thấp theo hai chiều thị diac khơng hở mạch (có khiếm khuyết) Điều không cho biết dụng cụ bị ngắn mạch Cách đo thử diac cần phải thiết lập mạch riêng để kiểm tra điện áp hai cực (hình 7.18) Câu hỏi mục 7.4: Cho biết trình tự đo thử SCR ohmmeter Cho biết trình tự đo thử triac ohmmeter Cho biết trình tự đo thử diac ohmmeter Tóm tắt nội dung chương - Các thyristor bao gồm SCR, triac, diac - SCR điều khiển dòng điện chảy theo chiều tín hiệu cổng dương - SCR chuyển sang ngưng dẫn cách giảm điện áp anode - cathode - SCR dùng để điều khiển dòng điện mạch AC DC - Ký hiệu mạch SCR là: - Triac thyristor ba cực hai chiều - Triac điều khiển dịng theo hai chiều tín hiệu cổng dương tín hiệu cổng âm - Ký hiệu mạch triac là: - Các SCR xử lý mức dòng lên đến 1400A so với 25A triac - Các SCR có thơng số điện áp làm việc lên đến 2600V so với 500V triac - Các SCR làm việc tần số lên đến 30 000Hz so với 400Hz triac - Do triac có đặc tính kích dẫn không đối xứng, nên triac cần phải sử dụng diac - Diac diode kích dẫn hai chiều - Ký hiệu mạch diac là: - Diac thường sử dụng nhiều làm dụng cụ kích dẫn cho triac - Các thyristor đo thử thiết bị đo hay đồng hồ đo điện trở Câu hỏi chương Có khác diode tiếp giáp PN SCR ? Sau SCR kích dẫn, điện áp nguồn cung cấp anode có tác dụng lên dòng anode chảy qua SCR ? Điện trở tải có tác dụng đến dịng anode chảy qua mạch SCR ? Giải thích trình tự kiểm tra SCR Tại phải sử dụng diac mạch cổng triac ? Nội dung chương bao gồm: - Giải thích tầm quan trọng vi mạch - Các ưu, nhược điểm vi mạch - Các thành phần vi mạch - Bốn quy trình chế tạo vi mạch - Các kiểu vỏ vi mạch - Liệt kê họ vi mạch Có thể chế tạo transistor dụng cụ bán dẫn khác để giảm kích thước mạch điện tử, có kích thước nhỏ tiêu thụ nguồn cung cấp thấp Hiện nay, thực việc mở rộng nguyên lý hoạt động dụng cụ bán dẫn để hồn thiện mạch chẳng khác cấu kiện cụ thể Mục tiêu vi mạch phát triển dụng cụ đơn để thực chức chuyên dùng, chẳng hạn khuyếch đại, chuyển mạch, loại bỏ khác biệt cấu kiện mạch Các yếu tố làm cho vi mạch trở nên thơng dụng: - Các vi mạch có độ tin cậy cao mạch phức tạp - Các vi mạch thích hợp với thiết bị cần tiêu thụ cơng suất thấp - Các vi mạch thường có kích thước trọng lượng nhỏ - Các vi mạch chế tạo tốn - Các vi mạch thường đa dạng giải pháp tốt cho vấn đề hệ thống 8.1 Giới thiệu vi mạch Mạch tích hợp [ intergrated circuit - IC ] toàn mạch điện tử chứa vỏ có kích thước khơng lớn so với kích thước transistor cơng suất thấp thơng thường (hình 8.1) Mạch điện tử bao gồm diode, transistor, điện trở, tụ điện Các vi mạch chế tạo theo công nghệ vật liệu dùng để làm transistor dụng cụ bán dẫn khác Ưu điểm bật IC kích thước nhỏ Một IC chế tạo mẩu [chip] vật liệu bán dẫn có kích thước khoảng phần tám inch vng (0,75cm2) Do có kích thước nhỏ IC mà IC dùng nhiều quân chương trình nghiên cứu khơng gian Các vi mạch làm biến đổi máy tính từ máy tính để bàn đến thiết bị đo cầm tay Các hệ thống máy tính trước có kích thước tồ nhà, nhờ có vi mạch mà kích thước máy tính thơng dụng kiểu máy tính xách tay Do kích thước nhỏ, vi mạch tiêu thụ mức công suất thấp hoạt động tốc độ cao so với mạch transistor thông thường Thời gian di chuyển điện tử giảm xuống mắc trực tiếp linh kiện bên vi mạch Các vi mạch có độ tin cậy cao so với mạch lắp trực tiếp cấu kiện bán dẫn rời Ở vi mạch, linh kiện bên mắc cố định với Tất linh kiện chế tạo đồng thời nên giảm độ sai lệch Sau vi mạch tạo ra, vi mạch đo thử trước đóng vỏ Nhiều vi mạch sản xuất đồng thời nên tiết kiệm đáng kể chi phí Các hãng sản xuất thường cung cấp đầy đủ vi mạch tiêu chuẩn Các vi mạch chuyên dụng chế tạo theo tiêu kỹ thuật có giá thành cao số lượng Các vi mạch làm giảm số lượng cấu kiện cần thiết để chế tạo thiết bị điện tử, nên giảm chi phí sản xuất giảm giá thành thiết bị điện tử Các vi mạch có số nhược điểm, chẳng hạn khơng thể xử lý mức dòng áp lớn Mức dòng cao tạo nhiệt gây hư hỏng vi mạch Mức áp cao đánh thủng cách điện phần tử khác bên IC Phần lớn vi mạch dụng cụ công suất thấp, điện áp nguồn cung cấp từ đến 15V, với mức dịng vào khoảng milliampe, tức có mức cơng suất tiêu thụ nhỏ 1W Chỉ có loại cấu kiện có vi mạch diode, transistor, điện trở tụ điện Diode transistor chế tạo dễ dàng Các điện trở làm tăng kích thước có giá trị điện trở cao Các tụ điện cần khoảng cách lớn so với điện trở có kích thước tăng tăng điện dung tụ điện Các vi mạch sửa chữa hư hõng, cấu kiện bên tách rời được, nên khó nhận dạng mạch cụ thể để thay cấu kiện riêng biệt Lợi nhược điểm chổ có đơn giản hố nhiều bảo dưỡng hệ thống phức tạp mức độ cao, tức giảm thời gian cần thiết cho người bảo dưỡng thiết bị điện tử sử dụng Khi xét toàn yếu tố, ưu điểm có nhiều ảnh hưởng nhược điểm Các vi mạch giảm kích thước, trọng lượng, giá thành làm tăng độ tin cậy thiết bị điện tử Khi mạch lắp vi mạch trở nên phức tạp chúng trở nên có khả thực nhiều chức Câu hỏi mục 8.1: Định nghĩa mạch tích hợp Các ưu điểm vi mạch ? Các nhược điểm vi mạch ? Các loại cấu kiện có vi mạch ? Trình tự sửa chữa vi mạch hỏng ? 8.2 Kỹ thuật chế tạo vi mạch Các vi mạch phân loại theo kỹ thuật chế tạo Các kỹ thuật chế tạo thông dụng là: Kỹ thuật nguyên khối [monolithic], kỹ thuật màng mõng, kỹ thuật màng dày, kỹ thuật lai [hybrid] Các vi mạch nguyên khối chế tạo theo kiểu chế tạo transistor có bổ sung vài công đoạn Các vi mạch chế tạo bắt đầu mẫu silicon trịn đường kính từ đến 10cm dày khoảng 0,025cm, dùng làm đế mà vi mạch hình thành Nhiều vi mạch tạo thành lúc mẩu silicon đó, hàng trăm vi mạch tuỳ theo kích thước mẩu Thơng thường, tất vi mạch mẩu có kích thước, loại vi mạch chứa số lượng loại cấu kiện Sau chế tạo, vi mạch đo thử mẩu Sau đó, mẩu cắt thành chip riêng Mỗi chip tương ứng với vi mạch toàn chứa tất cấu kiện đường nối mạch Từng chip chuyển đến phận đo thử - kểm tra chất lượng đạt yêu cầu, lắp vào vỏ Mặc dù số lượng lớn vi mạch chế tạo đồng thời lượng sử dụng được, xem hệ số sử dụng Hệ số sử dụng số lượng vi mạch sử dụng lớn so với số lượng vi mạch bị loại bỏ Các vi mạch màng mõng tạo bề mặt đế thuỷ tinh gốm cách điện, thường có diện tích nhỏ 5cm2 Các cấu kiện (điện trở tụ điện) tạo màng kim loại cực mõng lớp oxide đặt đế Các dãi kim loại mõng sau đặt để kết nối cấu kiện với Các diode transistor chế tạo dụng cụ bán dẫn rời gắn vào vị trí thích hợp Các điện trở tạo kết tủa tantali hay nichrome (hợp kim niken crom) bề mặt đế theo dãi mõng có độ dày 2,5 m Trị số điện trở xác định theo độ dài, độ rộng, độ dày mổi dãi Các dây dẫn điện làm kim loại có điện trở suất thấp vàng, bạch kim, nhơm Quy trình chế tạo tạo điện trở có độ xác khoảng 0,1%, nhận độ xác điện trở lên đến 0,01% Độ xác quan trọng cho việc hoạt động xác mạch điện tử cụ thể vi mạch Các tụ màng mõng gồm hai lớp kim loại mõng tách rời lớp dioxide cực mõng Lớp kim loại đặt phiến đế, sau bao phủ lớp oxide hình thành lớp kim loại để làm lớp điện môi Điện môi tạo thành từ vật liệu cách điện oxide tantalum, oxide silicon, hay oxide nhơm Bản cực phía làm vàng, tantalum, platinum (bạch kim), đặt lớp điện môi Trị số điện dung nhận cách điều chỉnh diện tích cực thay đổi độ dày, loại chất làm điện môi Các chip diode transistor chế tạo theo kỹ thuật nguyên khối, lắp đặt cố định phiến đế, sau kết nối điện với mạch màng mõng dây nối cực mãnh Các vật liệu sử dụng làm cấu kiện dây dẫn đặt đế sử dụng quy trình bốc thổi Quy trình bốc đòi hỏi phải đặt vật liệu đế đưa vào lị nung chân khơng nung vật liệu bốc Đối với cấu trúc màng dày, điện trở, tụ, dây dẫn hình thành phiến đế theo quy trình in ảnh Ảnh chạy dây tốt đặt đế mực kim loại dán vào ảnh Ảnh đóng vai trị mặt nạ Phiến đế mực sau nung lên đến nhiệt độ 600oC để làm rắn mực Các tụ màng dày có giá trị thấp (vào khoảng picofara) Khi cần tụ có giá trị cao phải sử dụng tụ rời Các cấu kiện chế tạo theo cấu trúc màng dày có độ dày 25 m Các cấu kiện màng dày tương tự cấu kiện rời thông thường Các vi mạch lai tạo thành cách dùng tất kỹ thuật chế tạo nguyên khối, màng mõng, màng dày cấu kiện rời Điều cho phép chế tạo mạch phức tạp mật độ cao cách dùng mạch nguyên khối, đồng thời có lợi trị số sai số cấu kiện xác kỹ thuật màng mõng màng dày Sử dụng cấu kiện rời để xử lý mức cơng suất tương đối cao Nếu có mạch có vi mạch lai giá rẽ Phí tổn cấu trúc vi mạch lai lắp đặt cấu kiện chạy dây, đóng vỏ cho dụng cụ Do mạch lại sử dụng linh kiện rời, nên vi mạch lai có kích thước lớn nặng có độ tin cậy thấp so với vi mạch nguyên khối Câu hỏi mục 8.2: Các phương pháp sử dụng để chế tạo vi mạch ? Giải thích quy trình chế tạo vi mạch theo kỹ thuật nguyên khối Các điểm khác quy trình chế tạo vi mạch màng mõng màng dày ? Vi mạch lai chế tạo ? Điều định phương pháp sử dụng chế tạo vi mạch ? 8.3 Đóng gói vi mạch Các vi mạch lắp vỏ để tránh ẩm, bụi, chất xâm thực khác Thông dụng kiểu vỏ hai hàng chân [Dual - Inline Package hay viết tắt DIP] Vi mạch sản xuất theo nhiều kiểu để thích hợp với nhiều loại vi mạch khác nhau: tích hợp mức độ thấp [Small-Scale Integration hay SSI], tích hợp mức độ trung bình [Medium-Scale Ingrration hay MSI], tích hợp mức độ cao [Very Large-Scale Integration hay VLSI] (hình 8.2) Vỏ làm gốm nhựa Vỏ nhựa rẽ tiền nên thích hợp với ứng dụng nhiệt độ làm việc thấp khoảng từ 0oC đến 70oC Các vi mạch có vỏ gốm đắt tiền cho phép bảo vệ tốt chống lại độ ẩm hư hỏng khác Ngoài ra, có khoảng nhiệt độ làm việc rộng (- 55oC đến + 125oC) Các vi mạch vỏ sứ thường khuyến nghị sử dụng ứng dụng công nghiệp, quân sự, nghiên cứu không gian Vi mạch DIP chân loại nhỏ, gọi DIP mini dụng cụ có số đầu vào đầu nhất, chủ yếu vi mạch nguyên khối Vi mạch vỏ dẹt nhỏ mõng so với vi mạch DIP nên sử dụng chổ hạn chế không gian, chế tạo kim loại gốm nhiệt độ làm việc khoảng từ - 55oC đến + 125oC Sau vi mạch đóng vỏ, vi mạch đo thử để đảm bảo vi mạch đáp ứng tất thông số điện Việc đo thử thực dãi nhiệt độ rộng Câu hỏi mục 8.3: Các chức việc đóng gói vi mạch ? Loại vỏ vi mạch thường sử dụng nhiều ? Các loại vật liệu dùng để đóng gói vi mạch ? Các ưu điểm vi mạch vỏ sứ ? Ưu điểm vi mạch dạng phẳng ? Tóm tắt nội dụng chương 8: - Các vi mạch trở nên thơng dụng do: * Có độ tin cậy mạch phức tạp * Tiêu thụ công suất thấp * Nhỏ nhẹ * Tiết kiệm việc chế tạo * Cho giải pháp tốt thiết bị điện tử - Các vi mạch xử lý mức dịng áp lớn - Chỉ có diode, transistor, điện trở tụ vi mạch - Không thể sửa chữa vi mạch mà thay vi mạch - Các vi mạch chế tạo kỹ thuật nguyên khối, màng mõng, màng dày, lai ghép - Dạng vỏ vi mạch thông dụng DIP (vỏ hai hàng chân) - Vỏ vi mạch làm sứ nhựa, thông dụng vỏ sứ Câu hỏi chương 8: Các cấu kiện có vi mạch lai ? Từ "chip" hiểu ? Trong việc chế tạo vi mạch phương pháp chế tạo ngun khối, điều vấn đề khó chế tạo điện trở tụ điện ? Nội dung chương bao gồm: - Ba loại cấu kiện bán dẫn tác động ánh sáng - Phân loại dãi tần số ánh sáng - Nguyên lý hoạt động cấu kiện nhạy sáng bản, ứng dụng - Nguyên lý hoạt động cấu kiện phát sáng bản, ứng dụng - Tên điện cực cấu kiện quang điện tử ký hiệu mạch liên quan - Nhận biết dạng vỏ cấu kiện quang điện tử Các cấu kiện bán dẫn nói chung, diode bán dẫn nói riêng có nhiều cơng dụng quan trọng quang điện tử Trong đó, dụng cụ chế tạo để tương tác với phát xạ điện từ (năng lượng sáng) theo dãi ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại Ba loại cấu kiện tương tác với ánh sáng: - Các dụng cụ dò ánh sáng - Các dụng cụ biến đổi ánh sáng - Các dụng cụ phát xạ ánh sáng Vật liệu bán dẫn kỹ thuật pha tạp dùng để xác định bước sóng liên quan dụng cụ 9.1 Các nguyên lý ánh sáng Ánh sáng xạ điện từ mà mắt người nhìn thấy Ánh sáng truyền khơng gian dạng tương tự sóng vơ tuyến, nên ánh sáng đo theo độ dài bước sóng Ánh sáng truyền tốc độ 300 000 000m/s chân không Vận tốc truyền ánh sáng giảm xuống truyền qua kiểu môi trường khác Dãi tần ánh sáng từ 300 đến 300 000 000 gigahertz, có băng tần nhỏ mắt người nhìn thấy Vùng nhìn thấy mở rộng từ khoảng 400 000GHz đến 750 000GHz Ánh sáng hồng ngoại nằm khoảng 400 000GHz tử ngoại nằm khoảng 750 000GHz Sóng ánh sáng khoảng cao dãi tần số có lượng lớn so với sóng ánh sáng khoảng thấp Câu hỏi mục 9.1: Ánh sáng ? Dãi tần số ánh sáng mắt người nhìn thấy ? Ánh sáng hồng ngoại ? Ánh sáng tử ngoại ? Loại sóng ánh sáng có lượng cao ? 9.2 Các dụng cụ nhạy sáng Tế bào quang dẫn [photo cell] dụng cụ quang điện lâu đời Thuộc loại cấu kiện nhạy sáng, nên photo cell có điện trở nội thay đổi theo thay đổi cường độ sáng Sự thay đổi điện trở khơng tuyến tính với cường độ sáng chiếu vào photo cell Photo cell chế tạo vật liệu nhạy sáng chẳng hạn cadmium sulfide (CdS) cadmium selenide (CdSe) Hình 9.1a, hình dạng photo cell Vật liệu nhạy sáng đặt đế cách điện thuỷ tinh hay sứ dạng hình chữ S độ dài tiếp xúc lớn Photo cell có độ nhạy sáng cao so với dụng cụ khác Điện trở thay đổi từ vài trăm M đến vài trăm Photo cell hiệu ứng dụng chiếu sáng thấp, chịu điện áp làm việc cao từ 200V đến 300V với mức tiêu thụ công suất thấp cao 300mW Nhược điểm photo cell đáp ứng chậm với thay đổi ánh sáng Ký hiệu mạch photo cell với chiều mũi tên cấu kiện nhạy sáng Đôi sử dụng chữ Hy lạp lambda ( ) để ký hiệu cấu kiện nhạy sáng (hình 9.1b) Photo cell sử dụng đồng hồ đo ánh sáng chụp ảnh, dị lệnh máy tính, đóng mở cửa tự động, loại thiết bị đo thử khác để đo cường độ ánh sáng Tế bào quang điện có lớp chắn (pin mặt trời - Solar cell) biến đổi trực tiếp lượng sáng thành lượng điện Tế bào quang điện ứng dụng nhiều việc biến đổi lượng sáng thành lượng điện Vế chất, tế bào quang điện cấu kiện tiếp giáp PN chế tạo từ vật liệu bán dẫn mà thông dụng từ silicon Hình 9.2a, cấu tạo tế bào quang dẫn Hai lớp vật liệu bán dẫn P N tạo thành tiếp giáp PN gắn đế kim loại, tiếp xúc kim loại đóng vai trò tiếp xúc điện, chế tạo có diện tích bề mặt lớn Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt solar cell, truyền nhiều lượng sáng đến nguyên tử vật liệu bán dẫn Năng lượng sáng làm bật điện tử hố trị khỏi quỷ đạo nó, tạo điện tử tự Các điện tử gần vùng nghèo thu hút phía vật liệu N, tạo nên mức điện áp nhỏ ngang qua tiếp giáp PN Điện áp tăng lên theo độ tăng cường độ sáng Tuy nhiên, khơng phải tồn ánh sáng chiếu vào solar cell tạo điện tử tự Trong thực tế, solar cell dụng cụ có hiệu suất đỉnh khoảng từ 15% đến 20% Solar cell có mức điện áp phát thấp vào khoảng 0,45V, 50mA, nên cần phải mắc nhiều solar cell theo mạch nối tiếp song song để có mức điện áp dịng điện phát theo yêu cầu Các ứng dụng gồm: đồng hồ đo độ sáng cho thiết bị chụp ảnh, giải mã đường âm thanh, làm nguồn pin nạp vệ tinh Ký hiệu mạch solar cell hình 9.2b Cực dương có dấu cộng (+) Photodiode sử dụng tiếp giáp PN có cấu tạo tương tự solar cell, sử dụng theo phương pháp photo cell sử dụng ánh sáng làm thay đổi điện trở Photodiode cấu kiện bán dẫn chế tạo chủ yếu silicon theo hai phương pháp Phương pháp thứ tiếp giáp PN đơn giản (hình 9.3) Phương pháp thứ hai đặt lớp bán dẫn nguyên chất [intrinsic] (chưa pha tạp) vào vùng bán dẫn P N (hình 9.4) tạo thành photodiode PIN Photodiode kiểu tiếp giáp PN hoạt động theo nguyên lý tế bào quang dẫn ngoại trừ photodiode sử dụng để điều khiển dịng điện chảy qua mà khơng phải tạo dòng điện Điện áp phân cực ngược đặt ngang qua photodiode tạo nên vùng nghèo rộng Khi lượng sáng chiếu vào photodiode, tức chiếu vào vùng nghèo tạo điện tử tự Các điện tử thu hút đầu dương nguồn phân cực, tức tạo nên dòng điện nhỏ chảy qua photodiode theo chiều ngược Khi lượng sáng tăng lên điện tử tự tạo nhiều hơn, tức tạo dòng điện lớn Photodiode PIN có lớp bán dẫn (nguyên chất) hai vùng bán dẫn P N nên mở rộng vùng nghèo cách hiệu Vùng nghèo rộng cho phép photodiode PIN đáp ứng với tần số ánh sáng thấp Các tần số ánh sáng thấp có lượng yếu nên cần phải làm thủng sâu vào vùng nghèo trước tạo điện tử tự Vùng nghèo rộng cho độ thay đổi điện tử tự tạo lớn Photodiode PIN có hiệu suất cao dãi tần rộng Photodiode PIN có điện dung nội thấp lớp bán dẫn ròng, cho phép đáp ứng nhanh thay đổi ánh sáng, có đáp ứng nhanh số cấu kiện nhạy quang Nhược điểm có mức dịng tạo thấp so với cấu kiện nhạy quang khác Hình 9.5a, dạng vỏ thơng dụng photodiode có cửa số kính lượng sáng chiếu vào photodiode Hình 9.5b, ký hiệu mạch hình 9.6, mạch phân áp dùng photodiode Phototransistor có cấu tạo giống transistor khác với hai tiếp giáp PN, có tương đồng với transistor NPN tiêu chuẩn, sử dụng photodiode có dạng vỏ giống photodiode ngoại trừ phototransistor có ba điện cực (emitter, base, collector) Hình 9.7a, mạch tương đương, dẫn điện transistor tuỳ thuộc vào dẫn điện photodiode Cực base sử dụng, sử dụng dùng để điều chỉnh điểm chuyển sang dẫn transistor Phototransistor tạo mức dòng cao so với photodiode; đáp ứng với thay đổi ánh sáng không nhanh so với photodidode Đó trả giá tốc độ để có mức dịng cao Các ứng dụng gồm máy đo tốc độ góc ánh sáng, điều khiển ánh sáng chụp ảnh, báo chảy, đếm sản phẩm, thiết bị định vị Hình 9.7b, ký hiệu mạch phototransistor, hình 9.8, mạch ứng dụng điển hình Câu hỏi mục 9.2: Giải thích ngun lý hoạt động tế bào quang dẫn Giải thích chức solar cell Sự khác hai loại photodiode ? Phototransistor có cải thiện so với photodiode ? Ký hiệu mạch tên điện cực tế bào quang dẫn, solar cell, photodiode, phototransistor 9.3 Các dụng cụ phát sáng Các dụng cụ phát sáng phát ánh sáng có dịng điện chảy qua, biến đổi lượng điện thành lượng sáng Diode phát quang [Light - Emitting Diode hay LED] dụng cụ phát quang bán dẫn thông dụng Là dụng cụ bán dẫn bền khơng có sợi đốt gây hư hỏng đèn thông thường Diode tiếp giáp PN phát ánh sáng có dịng điện chảy qua Ánh sáng tạo điện tử tự kết hợp với lỗ trống nên giải phóng lượng dôi dư dạng ánh sáng Tần số ánh sáng phát định loại vật liệu bán dẫn dùng để chế tạo diode Các diode thông dụng không phát ánh sáng sử dụng vật liệu bao bọc (vỏ) không suốt LED diode tiếp giáp PN đơn giản phát sáng có dịng điện chảy qua tiếp giáp Ánh sáng nhìn thấy LED đóng gói vật liệu gần suốt Tần số ánh sáng phát tuỳ thuộc vào vật liệu dùng để chế tạo LED Gallium arsenide (GaAs) tạo ánh sáng vùng hồng ngoại, ánh sáng khơng nhìn thấy mắt người Gallium Arsenide Phosphide (GaAsP) phát ánh sáng đỏ nhìn thấy Bằng cách thay đổi nồng độ phosphide tạo ánh sáng có tần số khác Hình 9.9, cấu tạo LED Lớp bán dẫn P làm mõng để có lượng sáng đưa vào gần với tiếp giáp PN cần phải truyền qua khoảng cách ngắn Sau LED tạo thành, lắp vào vỏ chế tạo để có phát sáng tốt Hình 9.10, vài dạng LED thông dụng Phần lớn LED có thấu kính để hội tụ tăng cường ánh sáng Vỏ đóng vai trị lọc theo màu để làm tăng ánh sáng phát tự nhiên Trong mạch, LED mắc theo phân cực thuận để phát ánh sáng (hình 9.11) Phân cực thuận cần phải có điện áp lớn 1,2V để có dịng thuận chảy qua LED Do LED dễ bị hỏng vượt mức dòng áp, nên cần phải mắc điện trở nối tiếp để hạn dòng Ký hiệu mạch LED hình 9.12a, cịn mạch phân cực cho LED hình 9.12b Điện trở nối tiếp (RS) dùng để giới hạn mức dòng thuận (IF) theo điện áp đặt vào mạch Hình 9.13, LED lắp theo dạng hiển thị bảy đoạn dùng để làm thị chữ số Hình 9.14, LED sử dụng dạng liên kết với photodiode để tạo thành ghép quang [optical coupler] Cả hai dụng cụ chứa vỏ Bộ ghép quang bao gồm LED phototransistor Hai dụng cụ ghép với tia sáng tạo LED Tín hiệu đưa vào LED thay đổi dẫn đến làm thay đổi lượng ánh sáng phát Phototransistor chuyển đổi lượng ánh sáng khác trở lại thành tín hiệu điện Bộ ghép quang cho phép mạch truyền tín hiệu đến mạch khác đồng thời cho độ cách ly điện cao Câu hỏi mục 9.3: Giải thích LED khác với diode thông dụng LED phát màu ánh sáng khác ? Ánh sáng phát tăng cường qua vỏ LED ? Vẽ ghi tên cực ký hiệu mạch LED Chức ghép quang ? Tóm tắt nội dung chương 9: - Các dụng cụ bán dẫn tương tác với ánh sáng phân chia thành dụng cụ dò sáng, dụng cụ chuyển đổi ánh sáng, hay dụng cụ phát sáng - Ánh sáng phát xạ điện từ nhìn thấy mắt người - Dãi tần ánh sáng là: + Ánh sáng hồng ngoại: thấp 400 000GHz + Ánh sáng nhìn thấy: từ 400 000GHz đến 750 000GHz + Ánh sáng tử ngoại: cao 750 000GHz - Các dụng cụ nhạy sáng bao gồm photo cell, solar cell, photodiode, phototransistor - Các dụng cụ phát sáng có LED - Bộ ghép quang kết hợp dụng cụ nhạy sáng dụng cụ phát sáng - Các ký hiệu mạch dụng cụ nhạy sáng là: - Ký hiệu mạch LED là: Câu hỏi chương 9: Dụng cụ nhạy sáng có đáp ứng thời gian nhanh thay đổi cường độ sáng ? Dụng cụ thích hợp với nhiều ứng dụng hơn: photodiode hay phototransistor ? Tại ? Mức dòng chảy qua LED ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng phát ? Nội dung chương bao gồm: - Giải thích chức nguồn cung cấp - Vẽ sơ đồ khối mạch phận nguồn cung cấp - Mô tả ba kiểu mạch chỉnh lưu khác - Giải thích chức lọc - Mô tả hai kiểu ổn định điện áp nguyên lý hoạt động ổn định điện áp - Giải thích chức mạch nhân áp - Nhận dạng dụng cụ bảo vệ điện áp dòng điện Nguồn cung cấp dùng để cung cấp điện áp cho mạch khác Nguyên lý nguồn cung cấp Chức nguồn cung cấp chuyển đổi dòng xoay chiều (AC) thành dịng chiều (DC) Nguồn cung cấp tăng hay giảm mức điện áp AC đầu vào biến áp Khi điện áp AC đạt mức yêu cầu biến đổi thành điện áp DC thông qua trình gọi chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu cịn tín hiệu AC gọi tín hiệu gợn Gợn loại bỏ mạch lọc Để đảm bảo mức điện áp mức khơng đổi phải sử dụng mạch điều hồ (hay ổn định) điện áp Mạch ổn định điện áp giữ mức điện áp mức không đổi 10.1 Biến áp Biến áp sử dụng nguồn cung cấp để cách ly nguồn cung cấp khỏi nguồn điện áp AC; ngồi cịn dùng để tăng điện áp cần mức điện áp cao hay giảm điện áp yêu cầu mức điện áp thấp Nếu sử dụng biến áp nguồn cung cấp, nguồn cung cấp AC mắc đến phía sơ cấp biến áp để cách ly mạch điện khỏi nguồn cung cấp AC Khi lựa chọn biến áp, mối quan tâm thông số định mức nguồn phía sơ cấp Các mức sơ cấp thông dụng 110V đến 120V 220V đến 240V Quan tâm tần số nguồn AC Một số tần số 50Hz đến 60Hz, 400Hz, 10 000Hz Mối quan tâm thứ ba thơng số định mức điện áp dịng thứ cấp nguồn cung cấp Cuối khả xử lý công suất, hay thông số định mức Volt - Ampere, mức công suất phân bố đến cuộn thứ cấp biến áp; cho theo đơn vị Volt - Ampere tải nối với cuộn thứ cấp Câu hỏi mục 27.1: Tại phải sử dụng biến áp nguồn cung cấp ? Biến áp mắc nguồn cung cấp ? Điều quan trọng xem xét chọn biến áp cho nguồn cung cấp ? Biến áp lựa chọn ? 10.2 Mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu phận trung tâm nguồn cung cấp, có chức chuyển đổi điện áp AC đầu vào thành điện áp DC Có ba loại mạch chỉnh lưu sử dụng nguồn cung cấp: chỉnh lưu bán kỳ, chỉnh lưu toàn kỳ, chỉnh lưu cầu Hình 10.1, mạch chỉnh lưu bán kỳ Diode lắp nối tiếp với tải, diode nên dòng điện chảy mạch theo chiều Hình 10.2, mạch chỉnh lưu bán kỳ bán kỳ dương sóng sin Diode phân cực thuận cho dòng điện chảy qua tải Bán kỳ dương chu kỳ song sin có tải Hình 10.3, mạch chỉnh lưu bán kỳ với bán kỳ âm sóng sin Lúc này, diode bị phân cực ngược nên khơng dẫn, khơng có dịng chảy qua tải, khơng có sụt áp tải Mạch chỉnh lưu bán kỳ làm việc bán kỳ chu kỳ tín hiệu vào Tín hiệu dãy xung dương hay âm tuỳ theo chiều diode mắc mạch Tần số xung tần số tín hiệu vào Tần số xung gọi tần số gợn Cực tính đầu tuỳ thuộc vào cách mắc diode mạch (hình 10.4) Dòng chảy qua diode từ anode đến cathode Cực tính nguồn cung cấp đảo ngược cách đảo ngược diode Bộ chỉnh lưu bán kỳ có nhược điểm lớn dòng điện chảy bán kỳ mổi chu kỳ Để khắc phục nhược điểm đó, thể sử dụng chỉnh lưu tồn kỳ Hình 10.5, mạch chỉnh lưu tồn kỳ Mạch cần phải có hai diode biến áp điểm Điểm nối đất Hai mức điện áp hai đầu cuộn thứ cấp biến áp lệch pha 180o Hình 10.6, mạch chỉnh lưu toàn kỳ toàn bán kỳ dương tín hiệu vào Đầu anode diode D1 dương, đầu anode diode D2 âm, D1 phân cực thuận nên dẫn điện, D2 phân cực ngược nên ngưng dẫn Dòng điện chảy qua D1 qua tải, điểm biến áp đến đầu cuộn thứ cấp biến áp, cho phép bán kỳ dương chu kỳ tín hiệu vào cung cấp cho tải Hình 10.7, mạch chỉnh lưu tồn kỳ bán kỳ âm chu kỳ tín hiệu Anode D2 trở nên dương, anode D1 trở nên âm Diode D2 lúc phân cực thuận nên dẫn điện Diode D1 phân cực ngược nên ngưng dẫn Dòng điện chảy từ đầu cuộn thứ cấp qua D2, qua tải đến điểm cuộn thứ cấp biến áp Ở mạch chỉnh lưu tồn kỳ, dịng điện chảy hai bán kỳ, tức tần số gợn gấp hai lần tần số tín hiệu vào Có nhược điểm mạch chỉnh lưu tồn kỳ điện áp nửa mức điện áp mạch chỉnh lưu bán kỳ biến áp Cách khắc phục sử dụng mạch chỉnh lưu cầu Hình 10.8, mạch chỉnh lưu cầu diode lắp để dòng điện chảy theo chiều qua tải Hình 10.9, dịng điện chảy bán kỳ dương chu kỳ tín hiệu vào Dịng chảy từ đầu phía phía thứ cấp biến áp qua diode D2, qua tải, qua diode D2 đến đầu cuộn thứ cấp biến áp Tồn điện áp sụt tải Hình 10.10, dòng điện chảy bán kỳ âm tín hiệu vào Đầu cuộn thứ cấp âm, cịn đầu dương Dịng điện từ phía cuộn thứ cấp chảy qua diode D3, qua tải diode D1 đến đầu phía cuộn thứ cấp Lưu ý rằng, dòng điện chảy qua tải theo chiều bán kỳ dương Một lần nửa, toàn điện áp sụt tải Mạch chỉnh lưu cầu loại mạch chỉnh lưu toàn kỳ, mạch làm việc hai bán kỳ dạng sóng sin đầu vào Ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu mạch khơng cần phải có cuộn thứ cấp điểm Mạch chỉnh lưu cầu làm việc không cần phải có biến áp Biến áp sử dụng để tăng giảm điện áp để cách ly Tóm lại điểm khác chỉnh lưu là: Các ưu điểm mạch chỉnh lưu bán kỳ đơn giản giá thành thấp, cần diode biến áp, hiệu suất thấp, sử dụng nửa tín hiêụ vào Bộ chỉnh lưu bán kỳ giới hạn ứng dụng mức dịng thấp Bộ chỉnh lưu tồn kỳ có hiệu suất cao chỉnh lưu bán kỳ, làm việc hai bán kỳ sóng sin Tần số gợn cao chỉnh lưu toàn kỳ nên dễ lọc Nhược điểm cần phải có biến áp điểm Mức điện áp chỉnh lưu toàn kỳ thấp so với mức điện áp chỉnh lưu bán kỳ với biến áp cuộn dây điểm Mạch chỉnh lưu cầu làm việc khơng cần biến áp Tuy nhiên, biến áp cần phải có để tăng giảm điện áp Mức điện áp mạch chỉnh lưu cầu cao mức điện áp mạch chỉnh lưu toàn kỳ bán kỳ Nhược điểm mạch chỉnh lưu cầu cần bốn diode, diode không đắt so với biến áp chỉnh lưu điểm Câu hỏi mục 10.2: Chức mạch chỉnh lưu nguồn ? Ba cấu hình để mắc mạch chỉnh lưu nguồn cung cấp ? Các điểm khác nguyên lý hoạt động ba cấu hình ? Các ưu điểm mạch chỉnh lưu so với mạch chỉnh lưu khác ? Cấu hình mạch chỉnh lưu cho lựa chọn tốt ? Tại ? 10.3 Mạch lọc Tín hiệu mạch chỉnh lưu điện áp DC dạng xung, khơng thích hợp cho hầu hết mạch điện tử, vậy, phải có mạch lọc sau mạch chỉnh lưu nguồn cung cấp DC Mạch lọc biến đổi điện áp DC dạng xung thành điện áp DC dạng phẳng Mạch lọc đơn giản tụ mắc ngang qua đầu mạch chỉnh lưu (hình 10.11) Hình 10.12, so sánh tín hiệu mạch chỉnh lưu khơng có có bổ sung tụ lọc Tụ lọc có tác dụng đến mạch theo cách sau: Khi anode diode dương, dòng chảy mạch, đồng thời tụ nạp theo cực tính hình 10.11 Sau thời điểm 90o tín hiệu vào, tụ nạp hoàn toàn đến mức điện áp đỉnh mạch Khi tín hiệu vào bắt đầu giảm xuống theo chiều âm, tụ xả thông qua tải Điện trở tải định tốc độ tụ xả số thời gian RC Hằng số thời gian xả dài so với chu kỳ, nên chu kỳ kết thúc trước tụ xả Như vậy, sau phần tư chu kỳ thứ nhất, dòng chảy qua tải cung cấp việc tụ xả điện Khi tụ xả điện áp tích trữ tụ giảm, trước tụ xả hồn tồn, chu kỳ sóng sin xuất hiện, làm cho anode diode lại trở nên dương, cho phép diode dẫn, nên tụ nạp lại chu trình lặp lại Kết cuối xung phẳng đầu mức điện áp thực tế tăng lên (hình 10.13) ... Các hệ thống điện tử thường phân loại theo kiểu ứng dụng: * Điện tử ô tô * Điện tử thông tin * Điện tử dân dụng * Điện tử công nghiệp * Điện tử đo lường * Cơ điện tử * Điện tử y tế * Điện tử công... vậy, lỗ trống hạt tải điện đa số điện tử hạt tải điện thiểu số Bởi hạt tải điện đa số mang điện tích dương, nên vật liệu tạp gọi vật liệu dạng P Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng P, làm cho lỗ... dòng điện chảy vật liệu bán dẫn ? Điều định độ dẫn điện vật liệu bán dẫn ? Tóm tắt nội dung chương 2: - Có nhiều loại vật liệu bán dẫn với đặc tính dẫn điện nằm khoảng đặc tính dẫn điện vật liệu