Tài liệu Bài giảng nguyên lí điện tử 1 doc

Người biên soạn: Nguyễn Đình Long Thái Nguyên 2009 Chương I CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TRONG MẠCH TUYẾN TÍNH 1.1. Các đại lượng cơ bản 1.1.1. Điện áp, dòng điện và công suất Điện áp và dòng điện là hai đại lương cơ bản của một mạch điện, chúng cho biết trạng thái về điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau cuả mạch điện và như vậy chúng còn được gọi là các thông số cơ bản của một mạch điện. Điện áp: Khái niệm điện áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lý. Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau. Thường chọn một điểm nào đó của mạch để làm điểm gốc có điện thế bằng không (điểm đất). Khi đó điện thế của mọi điểm khác trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp tại điểm đó. Một cách tổng quát điện áp giữa hai điểm A và B được kí hiệu là U AB được xác định bởi U AB =V A -V B với V A , V B là điện thế của điểm A, B so với điểm gốc. Dòng điện: Khái niệm dòng điện là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất do tác động của trường hay do tồn tại một gradien nồng độ theo hạt trong không gian. Dòng điện trong mạch có chiều chạy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp và như vậy có chiều ngược chiều với chiều của điện tử. Công suất: là công mà dòng điện sản ra trên đoạn mạch trong một đơn vị thời gian. Do đó công suất P được sinh ra bởi dòng điện I khi chảy giữa 2 điểm của đoạn mạch có điện áp đặt vào U sẽ là: Error! Objects cannot be created from editing field codes. (1.1) Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình trong một khoảng thời gian T đã cho. Giá trị này gọi là công suất hiệu dụng và bằng: ∫ = T eff dttP T P 0 )( 1 (1.2) 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính Các phần tử tuyến tính là R, L, C 2 1. Định nghĩa điện trở: Tỉ số giữa điện áp ở hai đầu và dòng điện chạy qua một phần tử là một hằng số và hằng số đó gọi là điện trở của phần tử. R= I U (1.3) 2. Định nghĩa tự cảm: tỉ số điện áp giữa hai đầu phần tử chia cho đạo hàm của dòng điện theo thời gian qua phần tử ấy thì đại lượng ấy cuàng là một hằng số và hằng số đó gọi là tự cảm. L= dt di U (1.4) 3. Điện dung: Nghịch đảo tỉ số giữa điện áp giữa hai đầu phần tử và tích phân của dòng điện là một hằng số và hằng số đó gọi là điện dung ∫ = idt U C 1 (1.5) 4. Mạch tuyến tính là mạch chỉ gồm các phần tử tuyến tính. Một mạch tuyến tính có các tính chất sau: - Đặc tuyến Vôn – Ampe (thể hiện quan hệ U(i) là một đường thẳng - Tuân theo nguyên lý chồng chất. Tác động tổng cộng bằng tổng các tác động riêng rẽ lên nó - Không phát sinh thành phần tần số lạ khi làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) 1.2. Các đặc trưng của mạch RC và mạch RLC 1.2.1. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch RC nối tiếp lối ra trên tụ điện và có điện áp lối ra tỉ lệ với tích phân điện áp lối vào u r = ∫ dtu RC v 1 (1.6) u v R u r C i Hình 1.1 Mạch tích phân 3 ta có u v = u R +u C u C = ∫ idt C 1 điều kiện đồi với mạch tích phân là U C << U R (hay ωRC>>1) Khi đó ta có U V ≈ U R i= R U R U V R = u r =u C = ∫ idt C 1 = ∫ dtu RC v 1 1.2.2. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch đối với mạch vi phân ta có điều kiện UR << UC ( hay ωRC<<1) chứng minh tương tự như mạch tích phân ta cũng có biểu thức sau: U r =RC dt du v Uv UrR C 4 Hình 1.2 Tín hiệu lối vào a) và lối ra b) tương ứng của mạch tích phân a b Hình 1.3. Mạch vi phân 1.2.3. Đặc trưng dừng của mạch RC a) Định nghĩa Một mạch tuyến tính nói chung là có hai lối vào và hai lối ra. Điện áp vào là hình sin thì sau một thời gian ở lối ra xuất hiện một điện áp điều hoà có tần số cùng với điện áp lối vào. Nghĩa là trong mạch xuất hiện một trạng thái dừng Một điện áp điều hoà được biểu diễn dưới dạng phức u(t)= tj eU ω  U  là biên độ phức U  =Ue j ϕ ta có u 1 (t) = tj eU ω 1  1 U  =U 1 e j ϕ 1 u 2 (t)= tj eU ω 2  2 U  =U 2 e j ϕ 2 1 2 U U A    = gọi là đặc trưng dừng của mạc00h thay các biểu thức ở tử và mẫu ta được ϕ ϕ ϕ j j j Ae eU eU A == 2 2 1 2  A= 1 2 U U cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng tần số của mạch ϕ = ϕ 2 - ϕ 1 cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng pha (nó là độ lệch pha giữa tín hiệu lối ra so với tín hiệu lối vào) đặc trưng dừng trước hết trong mạch phải có trạng thái dừng. Đặc trưng dừng là đặc trưng của hai tần số và pha. b) Lối ra trên tụ điện Ta có tj eIR ω  tjtj eUeI Cj ϖω ϖ 1 1  = + IR  1 1 UI Cj  = ϖ Cj I U ϖ   = 2 1 2 U U A    = = 2 )(1 1 1 1 CR CRj CRj ω ω ω + − = + 5 u 1 u 2 u 1 R u 2 C i Hình 1.4. Mạch RC lối ra trên tụ điện A= * .AA  = 2 )(1 1 RC ω + tgϕ = -ϖRC ϕ=-arctg(ϖRC) ϖ*c gọi là tần số giới hạn về phía tần số cao. tại đó A giảm đi 2 lần và khi đó coi như tín hiệu được bào toàn. A = 2 1 => ϖ*c = RC 1 từ 0 - ϖ*c gọi là khoảng truyền của mạch. tức là trong khoảng đó thì tín hiệu không bị mất mát, biên độ của tín hiệu gần như được bảo toàn. mạch này là mạch lọc thông thấp (chỉ cho tần số thấp đi qua) c) Lối ra trên điện trở Tương tự như trên ta chứng minh được đặc trưng tần số và đặc trưng pha như sau: 2 )(1 RC RC A ϖ ϖ + = RC crctg ω ϕ 1 = 6 ϖ * c 1 2 1 A 0 ϖ ϖ - ϕ 0 u 1 u 2 R C Hình 1.5. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên tụ điện Hình 1.6. Mạch RC lối ra trên tụ điện mạch lọc này cho tần số cao đi qua (không hoặc ít cho tần số thấp đi qua) gọi là mạch lọc tần số thấp hay mạch lọc thông cao. d) Ví dụ1 Cho mạch điện RC lối ra trên R. biết R =1K, C=1nF. Tìm tần số tại đó tín hiệu lối ra bằng 0.8 tín hiệu lối vào. 1.2.4. Đặc trưng quá độ của mạch RC 1) Định Nghĩa Đặc trưng quá độ của mạch (người ta còn gọi là đáp ứng xung) cho biết tín hiệu lối ra của mạch khi lối vào tác dụng một tín hiệu nhảy bậc. h(t) =u 2 (t)/u 1 (t) u 2 (t) là tín hiệu lối ra u 1 (t) là tín hiệu nhảy bậc tín hiệu nhảy bậc đơn vị δ(t-t 0 ) =      1 0 2) Đặc trưng quá độ lối ra trên tụ điện u R + u C =δ(t) u R =iR u C = ∫ idt C 1 => i= dt du C C R dt du C C +u C =δ(t) Đây là phương trình vi phân 7 ϖ 2 π ϕ 0 ϖ * t 1 2 1 A 0 ϖ Khi t<t 0 Khi t>=t 0 δ(t) R u c C Hình 1.7. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên điện trở Hình 1.8 Đặc trưng quá độ của mạch RC giải phương trình này ta được u C (t)=u C T (t) + u C * (t) (nghiệm riêng cộng với nghiệm tổng quát) tìm nghiệm tổng quát u C T (t) để tìm nghiệm tổng quát ta cho vế phải bằng 0 khi đó ta có RC dt u du C C −= đặt τ =RC là hằng số thờì gian của mạch u T C (t)= Ae t τ − nghiệm riêng của phương trình vi phân có vế phải là u C * (t) =1 => u C (t) = Ae t τ − +1 tại t=0 u c (0) =0 => A=-1 vậy h(t) = u C (t) =1- e t τ − t=0 h(t) =0 t=∞ h(t) =1 lối ra sau một thời gian mới nhảy bậc đơn vị 3) Đặc trưing quá độ lối ra trên điện trở h(t) =u R (t) =1 –u C (t) => h(t) = e t τ − t=0 h(t) =1 t=∞ h(t) =0 1.2.5. Sự truyền tín hiệu vuông góc qua mạch RC a) Lối ra trên R Xét một tín hiệu vuông góc có thời gian kéo dài của xung là t ’ . để đơn gian ta coi biên độ là 1V Trong khoảng 0<t<t ’ u 1 (t) =δ(t) u R (t) =h(t) = e t τ − 8 u 1 u 2 R C t ’ Hình 1.9. Tín hiệu vuông góc qua mạch RC lối ra trên điện trở t>t ’ => u 1 (t) =δ(t)- δ(t-t ’ ) u R (t) = h(t) –h(t-t ’ ) = e t τ − - e tt τ ' − − =-(1 - e t τ ' − ) τ ' tt e − − trường hợp t ’ >> τ thì tín hiệu lối ra biến thành hai xung kim nếu t ’ nhỏ thì tín hiệu lối ra gần giống với tín hiệu lối vào. b) Lối ra trên tụ điện * 0<= t <=t ’ => u 1 (t) = δ(t) u c (t) =h(t) = 1- e t τ − * t>=t ’ => u c (t) =h(t) – h(t-t ’ ) =1 - e t τ − - 1 + τ ' tt e − − = τ ' tt e − − - e t τ − Nếu τ nhỏ thì lối ra gần giống với lối vào, biến dạng ít ngược lại 1.2.6. Đặc trưng dừng của mạch RLC mắc nối tiếp - Cộng hưởng điện áp e(t) = Ecosωt = tj eE ω  9 t ’ t ’ 1- e t τ ' − -(1- e t τ ' − ) u 1 R u c C t ’ t u c (t) Hình 1.10. Tín hiệu vuông góc qua mạch RC lối ra trên tụ điện sau một thời gian trong mạch xuất hiện dòng hình sin i(t) có tần số cùng với tần số của ngoại lực i(t) = Icos(ωt -ϕ) = tj eI ω  ∫ =++ tj eEidt C Ri dt di L ω  1 tjtjtjtj eEeI Cj eIRejIL ωωωω ω ω  =++ 1 EI C LjR  =−+ )] 1 ([ ω ω Z E I    = 22 ) 1 ( C LR E I ω ω −+ = tgϕ= R C L ω ω 1 − tại tần số LC 1 0 = ω thì xảy ra cộng hưởng khi đó I=E/R hệ số phẩm chất Q = C L R 1 Q thông thường lớn hơn 1 và nó thường nhận giá trị 10 – 80 tại giá trị cộng hưởng U C =U L ≈ QE (R<<ωL) 2 0 0 2 max )(1 1 ω ω ω ω −+ = Q I I Q càng lớn thì độ cong cộng hưởng càng hẹp ∆ω =ω * C - ω * t ≈ ω 0 /Q đây là mạch lọc dải lấy một số lân cận ω 0 . gọi là mạch lọc dải hẹp Ứng dụng của mạch này là chọn tần số lấy tín hiệu từ máy thu. 10 ω * C ω * t ω 0 ω I/I max 1 Q 2 > Q 1 Q 1 Hình 1.11 Mạch RLC nối tiếp [...]... tiếp Mạch khuếch đại có hồi tiếp được chia làm 4 loại 30 U1K U1 U U1ht Kht U1 U2 U1ht 2 U2ht K U1K U2K U1 U U1ht Kht Kht U2ht b a U1K U2K K U1K U2K K U2ht 2 K U2K U1 U2 U1ht c Kht U2ht d Hình 2 .18 Các loại mạch hồi tiếp a) Hồi tiếp nối tiếp điện áp: Tín hiệu hồi tiếp đưa về đầu vào nối tiếp với tín hiệu vào và tỉ lệ với điện áp ở đầu ra (hình 2 .12 a) b) Hồi tiếp song song điện áp:Tín hiệu hồi tiếp đưa... ngược và dòng rất lớn 21 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm kỹ thuật của các diode loại này cùng các sơ đồ ứng dụng của nó có thể xem thêm trong các giáo trình vật liệu, linh kiện bán dẫn • Điốt có thể ứng dụng trong các bộ hạn chế biên độ hay dịch mức điện áp một chiều cho các tín hiệu a b Hình 2 .10 a) bộ hạn chế dưới b) bộ hạn chế trên 2 .1. 2 Transistor lưỡng cực 2 .1. 2 .1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động... k2π => K K = - K’.K −  K’ = K >1 => K’= K có hệ số khuếch đại chỉ phụ thuộc vào mạch hồi tiếp 2.4.4 Độ ổn định cho bộ khuếch đại K’ = K 1 + K K ht dK’= (1 + K K ht )dK − KK ht dK dK = 2 (1 + K K ht ) 2 (1 + KK ht ) dK / K dK ' = 1 + K K ht K' 32 ht lúc đó mạch khuếch...Chương 2 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2 .1 Giới thiệu một số dụng cụ chất bán dẫn cơ bản Dụng cụ chất bán dẫn sẽ được học trong giáo trình Cấu kiện điện tử và vi mạch Do vậy trong phạm vi môn học này chỉ giới thiệu sơ lược về hai loại điển hình đó là điốt và Transistor 2 .1. 1 Điốt 2 .1. 1 .1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điốt Sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại p và n tạo... ) I d = I s eU d / UT − 1 (4 .1) Trong đó I S là dòng bão hoà hay dòng nhiệt khi diode được phân cực ngược K là hằng số Boltzmann (1, 38 .10 -23 [J/K]; T là nhiệt độ K; e0 là điện tích của điện tử bằng 1, 6 10 -19 C; UT ≡ KT e0 gọi là thế nhiệt Tại nhiệt độ phòng UT cỡ 25,5 mV 13 Khi đặt giữa A và K một điện áp UAK> 0 thì điốt cho dòng đi qua và gọi là phân cực thuận ngược lại nếu đặt điện áp U AK >IB0 nên UBE0 =Ip.R2 ≈ Vcc –Ip.R1 Ta thấy rằng UBE0 không phụ thuộc vào các tham số của Transistor và nhiệt độ nên ổn định IP càng lớn thì UBE0 càng ổn định, nhưng khi đó R1,R2 phải có giá trị nhỏ Thường chọn Ip=(0.3÷ 3)IBmax IBmax... trình bày trên hình 2 .1. a Nguyên tắc hoạt động của các dụng cụ bán dẫn đều dựa trên việc ứng dụng các tính chất của lớp tiếp giáp này p EJ n Lớp tiếp giáp khi chưa có phân cực K A (a) Engoài Engoài EJ EJ p (b) + - n p n - Lớp tiếp giáp khi phân cực thuận (c) Ep-n= Engoài- EJ + Lớp tiếp giáp khi phân cực ngược Ep-n= Engoài+ EJ Hình 2 .1 Lớp tiếp giáp p–n và cấu tạo của diode bán dẫn 11 Do có sự chênh lệch... bán dẫn có ký hiệu như hình 2 .1. a chỉ ra, trong đó cực nối với miền p gọi là Anode (A) còn cực nối với miền n gọi là Kathode (K) Ge I(mA) - Si GaAs 40 + - + 30 20 10 -30 -20 0 -10 2 0,2 0,4 0,6 0,8 UAK (V) 6 µA Hình 2.2 Đặc trưng V-A của diode bán dẫn Sự phụ thuộc của dòng I d qua diode vào thế đặt trên nó U d = UAK được tính theo công thức: ( ) I d = I s eU d / UT − 1 (4 .1) Trong đó I S là dòng bão... d) DS mà đầu vào không có Tức là khi Uvào chỉ có thành phần tần số ω thì ở đầu ra Ura có các thành phần nω (với n =1, 2,…) với các biên độ tương ứng là Un Lúc đó hệ số méo phi tuyến do tầng khuếch đại gây ra là γ 26 γ = (U2 + U3 + + Un ) % 2 2 2 1/ 2 U 1 e) γ càng nhỏ càng tốt, thường γ . Cj ϖω ϖ 1 1  = + IR  1 1 UI Cj  = ϖ Cj I U ϖ   = 2 1 2 U U A    = = 2 ) (1 1 1 1 CR CRj CRj ω ω ω + − = + 5 u 1 u 2 u 1 R u 2 C i Hình 1. 4. Mạch. máy thu. 10 ω * C ω * t ω 0 ω I/I max 1 Q 2 > Q 1 Q 1 Hình 1. 11 Mạch RLC nối tiếp Chương 2 LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG 2 .1. Giới