2. Transistor trường MOSFET loại có kênh tạo sẵn
5.7. Công tắc ánh sáng
Cá c chuyển động cơ học có thể xá c định chính xá c bằng cá c cảm biến quang điện. Cá c loạ i cảm biến này thư ờng đư ợ c cấu tạ o bằng một diode hồng ngoạ i và một photo transistor trong cù ng một vỏ bọc.
Công tắc ánh sáng thông suốt (Transmissive Switches): hình 5.16 a cho thấy cấu trúc của công tắc á nh sá ng thông suốt. LED hồng ngoạ i và phototransistor đư ợ c đặt đối diện nhau, tất cả cá c nguyên nhân làm giảm hoặc mất á nh sá ng đều bị phá t hiện và cho ta một tín hiệu điện ở ngõ rạ
a) b) c) Hình 5.16: Ký hiệu công tắc ánh sáng thông suốt (a), cảm biến chuyển động
quay (b), phát hiện vật liệu bị đứt (c).
Vật liệu Đ ĩa quay
Hình 5.15: Sơ đồ điều khiển dòng một chiều dùng mạch ghép quang 4N25 +5V 300 I1 10mA X Y 4N25 22K 10K +24V T1 1N914 2N4410 I2 350mA T2 1K MJE230 CD 4089 10K
Công tắc á nh sá ng thông suốt đư ợ c ứng dụng trong công nghiệp để xá c định chuyển động của bá nh ră ng, chuyển động quay (hình 5.16 b); chuyển động của bă ng kim loạ i, phá t hiện dây hoặc phim bị đứt (hình 5.16 c) ...
Công tắc ánh sáng phản chiếu:LED hồng ngoạ i và photo transistor đặt song song cạ nh nhau (hình 5.17 a), á nh sá ng từ LED đư ợ c chiếu lên vật cần giá m sá t, á nh sá ng phản xạ từ vật sẽ đư ợ c photo transistor nhận biết.
Công tắc á nh sá ng phản chiếu đư ợ c ứng dụng phổ biến trong công nghệ tự động: giá m sá t chuyển động, tự động đóng gói bá nh kẹọ... Hình 5.17 b cho thấy mạ ch điện đơn giản ứng dụng công tắc phản chiếụ Bộ phận cảm biến dù ng CNY 70, túi đóng kẹo đư ợ c CNY 70 giá m sá t, khi phần vật liệu đi qua cảm biến là phần túi trong sẽ phản xạ á nh sá ng Q1 dẫn bã o hoà, UR3lớ n, Q2 dẫn có dòng qua rơle RL. Khi phần vật liệu đi qua cảm biến có màu đen sẽ không phản xạ á nh sá ng, photo transistor không nhận đư ợ c á nh sá ng, nội trở của nó lớ n, UR2nhỏ, Q1 khoá dẫn đến Q2 khoá , rơ le không có dòng qua, tiếp điểm của rơle sẽ khống chế những mạ ch điện tư ơng ứng.
5.8. Điện trở quang (Light dependent resistor– LDR)
Đ iện trở quang (LDR) có thể còn có tên tiếng anh khá c: Photoresistor, Photoconductor, Photoconductive cells....
Vật phản chiếu á nh sá ng
a) b) Hình 5.17: Ký hiệu công tắc ánh sáng phản chiếu (a),
mạch điện ứng dụng công tắc phản chiếu (b).
+12v CNY 70 R1 560Ω R2 120 KΩ R3 470Ω R4-10KΩ RL Q1 B 516 Q2 BC238 a) b) Hình 5.18: Cấu tạo (a), ký hiệu của LDR (b)
Đ iện trở quang là một linh kiện bá n dẫn thụ động không có lớ p chuyển tiếp P-N. Vật liệu dù ng để chế tạ o điện trở quang là CdS (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (Zinc Sulfid) hoặc cá c tinh thể hỗn hỗn hợ p khá c.
Khi đư ợ c chiếu sá ng, á nh sá ng đã cung cấp cho cá c điện tử một nă ng lư ợ ng: E= h f
h: hằng số Planck f: tần số của á nh sá ng.
Khi E đư ợ c cung cấp lớ n hơn dải cấm, cá c điện tử nhảy từ dải hoá trị lên dải dẫn điện làm cho cá c hạ t mang điện tích sinh ra thêm dẫn đến độ dẫn điện của vật liệu bá n dẫn gia tă ng, điện trở của LDR giảm. Đ ộ dẫn điện của điện tích đư ợ c tính như sau: σ= e(nμn+ pμp)
e: điện tích của điện tử 1,6. 10-19C n,p: mật độ của điện tử và lỗ trống
μn,μp:độ linh động của điện tử, lỗ trống.
Các đặc trưng kỹ thuật của điện trở quang
Đ iện trở quang thư ờng đư ợ c đặc trư ng bởi cá c thông số sau: Thông số giớ i hạ n
- Công suất tiêu thụ: Pt - Đ iện thế làm việc: Ua - Nhiệt độ xung quanh: TU Đ ặc trư ng kỹ thuật (TU = 25oC)
- Đ iện trở tối (1 phút sau khi tối): R0 - Đ iện trở sá ng (khi EV = 1000 lux): R1000 - Bư ớ c sóng có độ nhạ y cao nhất: λSmax
- Thời gian cần để điện trở giảm từ R0xuống 65% của R1000: tt Đ iện trở(Ω) EV(lux) 105 104 103 0 10 100 1000 Hình 5.19: Đặc trưng điện trở- cường độ chiếu sáng của LDR
Ví dụ: RPY 64 là điện trở quang đư ợ c từ vật liệu CdS (Cadmium sulfid) có cá c thông số: Pt 50 mW Ua 100 V TU -40 đến +75 oC R0 ≥106 Ω R1000 3.500 Ω λSmax 0,50 μm tt 30 đến 50 ms
Quang trở đư ợ c ứng dụng rộng rã i trong cá c mạ ch điện: tự động đóng mở đè n chiếu sá ng; công tắc á nh sá ng; tự động điều chỉnh contrast của TV; End stop trong cá c má y ghi âm ...
Mạ ch điện hình 5.20 dù ng để tự động bá o chá ỵ
Hộp cảm biến khói hình 5.20 a, trong hộp có cảm biến á nh sá ng dù ng LDR và đè n chiếu sá ng L. Đ è n chiếu sá ng vừa là nguồn sá ng vừa là nguồn nhiệt, nó tạ o sự đối lư u lôi cuốn không khí từ đá y hộp lên đỉnh hộp. Giữa đè n L và LDR đư ợ c ngă n cá ch nhau bởi vá ch ngă n G, không cho á ng sá ng chiếu trực tiếp lên LDR. Bên trong hộp sơn đen.
a) b)
Hình 5.20: Hộp cảm biến khói (a), mạch báo động cháy dùng LDR (b)
+24v Bell B VR 470KΩ R1 1 KΩ LDR R2 1KΩ R3 1KΩ SCR L G LDR
Mạ ch tự động bá o chá y hình 5.20 b. Bình thư ờng không có á nh sá ng chiếu vào LDR, RLDR= R0có trị số lớ n, điện á p trên VR nhỏ, Q1 khoá , SCR ở trạ ng thá i khoá , chuông B không kêụ Khi xảy ra chá y không khí lù a vào trong hộp có khói, cá c hạ t khói sẽ phản chiếu á nh sá ng lên trên bề mặt LDR làm điện trở của LDR giảm, điện á p trên VR tă ng, Q1 dẫn, SCR dẫn làm cho chuông kêụ
5.9. Sợ i quang
5.9.1. Khái niệm về sợi quang
Những đòi hỏi kỹ thuật trong mạ ng thông tin ngày càng cao, khoảng cá ch và vận tốc truyền tin luôn gia tă ng. Ngoài ra trong công nghiệp có những đòi hỏi khắc nghiệt mà mạ ng thông tin phải đá p ứng: hoạ t động trong môi trư ờng nhiệt độ cao, chịu đư ợ c độ ẩm và một số chất lỏng, nhiễu điện từ lớ n ... Trong những trư ờng hợ p như vậy sợ i quang là môi trư ờng truyền tin tốt nhất.
Thông số của một số loạ i cá p truyền tin cho thấy trên bảng 5.4.
Bảng 5.4: So sánh thông số của một số loại cáp truyền tin
Loạ i cá p truyền tin Nhậy vớ i điện từ trư ờng Phá t ra điện từ trư ờng Tốc độ dữ liệu (Mbit/s) Khoảng cá ch (Km) Tốc độ dữ liệu x khoảng cá ch (Gb-km/s)
Đ ôi dây xoắn cao lớ n 1 2 0,002
Cá p đồng trục ít nhỏ 10 1 0,01
Sợ i đa mode không không 600 2 1,2
Sợ i đơn mode không không 2000 100 200
5.9.2. Cấu tạo và nguyên tắc truyền ánh sáng trong sợi quang
Sợ i quang là một phư ơng tiện truyền dẫn. Nó đư ợ c cấu tạ o bởi môi trư ờng thứ nhất kích thư ớ c rất nhỏ và có chỉ số khúc xạ nA gọi là tâm quang. Bao xung quanh tâm quang là một lớ p vỏ (hay còn gọi là á o) của sợ i quang có chỉ số khúc xạ nB.
Trong sợ i quang cá c tia sá ng đư ợ c truyền theo cá c góc hoặc theo cá c mốt khá c nhaụ Có hai loạ i sợ i quang chính là sợ i quang đơn mốt và sợ i quang đa mốt (hình 5.21).
Trong cá c sợ i quang đơn mốt thì đư ờng kính của tâm và độ mở số đủ nhỏ đểtia sá ng chỉ truyền theo một mốt – truyền thẳng.
Sợ i quang đa mốt chia làm hai loạ i: loạ i có chiết xuất thay đổi đột ngột (nhảy bậc) và loạ i có chiết suất thay đổi theo kiểu gradient.
và á o thì chiết suất thay đổi đột ngột từ nA đến nB. Tia sá ng khi đến lớ p phân cá ch bị phản xạ toàn phần.
Loạ i sợ i quang có chiết suất gradient có tâm đư ợ c tạ o thành từ vật liệu không đồng nhất và có chiết suất giảm dần đều đặn từ trục của sợ i quang đến mặt phân cá ch sao cho tạ i mặt phân cá ch chiết suất lớ n hơn chiết suất của vỏ.
Sự suy hao truyền dẫn A (dB/km) trong sợ i quang phụ thuộc vào bư ớ c sóng của á nh sá ng truyền dẫn trong sợ i quang (hình 5.22). Sự suy hao này có ba miền đặc trư ng suy hao nhỏ nhất, gọi là ba cửa sổ: cửa sổ 1 cóλ= 0,85μm, cửa sổ 2 cóλ= 1,3μm, cửa sổ 2 cóλ= 1,55μm.
Hình 5.21. Các loại sợi quang tiêu biểu
Chiết xuất Nhẩy bậc r nB nB nA nA Đ a mốt nhảy bậc
Mốt truyền Hiệu nă ng tiêu biểu
10 đến 100 MHz-Km 5 đến 10 dB/Km a 0 r nB nA Gradient Đ a mốt gradient 200 MHz đến 1GHz-Km 4 đến 1 dB/Km a 0 10GHz-Km 0,2 đến 0,5 dB/Km r nB nA Nhẩy bậc Đ ơn mốt a 0
5.9.3. Góc mở và công suất phun
1. Góc mở
Cá c tia sá ng ở giữa sợ i quang đa mốt đư ợ c truyền đi nhờ sự phản xạ ở mặt phân cá ch giữa tâm vớ i vỏ. Chỉ cá c tia sá ng có góc tớ i có thể so sá nh đư ợ c vớ i cá c góc tớ i hạ n θCR là đư ợ c phản xạ toàn phần (hình 5.23). Góc tớ i hạ n đư ợ c xá c định từ cá c hệ thức sau đây:
A B A CR n n n 2 2 2 2 2 arcsin − =
Hệ thức giữa góc tớ i của cá c tia tớ i xuyên vào tâm của cá c sợ i quang và góc tớ i hạ nθCRlà: Sinθ = nAsinθCR.
Góc đặc thu quang = 2θmax.
0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 λ (μm) A dB/km Cửa sổ 1 0,85μm Cửa sổ 2 1,3μm Cửa sổ3 1,55μm 60 10 5
Hình 5.22: Sự suy giảm theo bước sóng của sợi quang
nB nA θCR Góc đặc thu quang
Đ ộ mở số ON của một sợ i quang là sin của góc mở cực đạ i θmax mà đối vớ i góc này thì tất cả cá c tia sá ng sẽ đư ợ c phản xạ ở mạ ch phân cá ch giữa tâm và vỏ. Như vậy:
ON=Sinθmax , ON= nθsinθCR
ON= nA +nB nA −nB
2. Công suất phun
Nếu mặt phá t xạ nhỏ hơn hoặc bằng mật cắt ngang của tâm và tiếp xúc tốt vớ i nó thì công suất liên kếtφC trong sợ i quang vớ i chiết suất nhảy bậc sẽ
đư ợ c tính như sau: 2
0 2 2 4 De R ON C = .
Trong đó: De là đư ờng kính của mặt phá t xạ . R0là nă ng lư ợ ng chiếu sá ng trong trục. Nếu đư ờng kính của tâm Dc < De thì:
2 0 2 2 4 Dc R ON C =
5.9.4. Các đặc trưng của sợi quang
1. Sợi quang đa mốt với chiết suất nhảy bậc
- Đ ư ờng kính của tâm: 100 đến 200μm. - Lớ p vỏ đến 600μm
- Kích thư ớ c chuẩn: 100x400μm
- Số mốt liên tiếp đư ợ c truyền trong sợ i quang là rất lớ n. Sự tá n sắc này hạ n chế bă ng truyền trong khoảng giữa 10 và 100MHz.km vớ i độ mất má t từ 5 đến 10 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,16 đến 0,20
2.Sợi quang đa mốt với chiết suất thay đổi gradient
- Đ ư ờng kính của tâm: 50μm. - Lớ p vỏ: 125μm
- Cá c tia sá ng chiếu xiên đư ợ c truyền đi nhanh hơn cá c tia sá ng ở gần tâm khi đư ờng truyền càng dàị Như vậy độ tá n sắc có thể đư ợ c giảm bớ t giữa cá c mốt.
- Giải thông có thể đạ t đến 200MHz.km đến 1GHz.km vớ i độ mất má t từ 0,2 đến 0,5 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,25 3.Sợi quang đơn mốt
- Đ ư ờng kính của tâm: 5 đến 8μm. - Lớ p vỏ: 125μm
- Đ ư ờng mở số đư ợ c thu nhỏ (0,03) vì chỉ có một mốt đư ợ c truyền trong sợ i quang. Vì vậy sợ i quang này không có độ tá n sắc về mốt.
- Giải thông lớ n nhất có thể đạ t đến 10 GHz.km vớ i độ mất má t từ 1 đến 4 dB/km.
- Đ ộ mở số: 0,25
4. Các cửa sổ đã được sử dụng
Cá c sợ i quang đa mốt chủ yếu đư ợ c sử dụng để truyền á nh sá ng trong cá c cửa sổ thứ nhất. Còn cá c sợ i quang đơn mốt đư ợ c dù ng để truyền cá c loạ i á nh sá ng trong cá c cửa sổ thứ hai và thứ bạ
Câu hỏi ôn tập
1. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, cá c thông số đặc trư ng cho LED?
2. Đ iều kiện bức xạ , cơ chế bức xạ laser, đặc trư ng kỹ thuật của diode laser? ứng dụng của diode laser?
3. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, ứng dụng của photo diode, photo BJT, photo FET, photo thyristor?
4. Cấu tạ o, nguyên lý làm việc, ứng dụng của opto couplers, công tắc á nh sá ng, điện trở quang?
5. Cấu tạ o, nguyên tắc truyền á nh sá ng của cá c loạ i sợ i quang? Cá c đặc trư ng của sợ i quang? So sá nh ư u, như ợ c điểm của sợ i quang và cá c loạ i cá p thông tin khá c dù ng trong quá trình truyền tin?
6. Phân tích nguyên lý là việc của một số mạ ch điện: tự động đóng cắt đè n chiếu sá ng, mạ ch tự động bá o đứt sợ i dù ng trong má y dệt, mạ ch tự động bá o động khi phá t hiện chá ỵ
8. Tra cứu, cho biết loạ i và thông số của cá c loạ i linh kiện sau: V130ZA1, V150LA5, T533N, T1503N,
Chương 6
Vi mạch (Intergrated circuit- IC)
6.1. Khái niệm về vi mạch (IC)
Vi mạch (IC – Intergated Circuit) là một mạch điện tử thực hiện một chức năng nào đó (function device) mà các thành phần tích cực và thụ động đều được chế tạo tích hợp trên một đế, đế này có thể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện.
Những vi mạch đầu tiên được sản xuất ngay từ năm 1959 theo công nghệ lưỡng cực “bipolar” và đến năm 1962 bắt đầu theo công nghệ MOS. Cho đến nay, mật độ tích hợp không ngừng được nâng caọ Hình 6.1 cho thấy sự tăng trưởng nhanh chóng mật độ tích hợp này trên từng loại vi mạch.
Micro 32bít Micro 16bít Micro – processor 8bít RAM 4M RAM 1 RAM 256K RAM 64K RAM 16K RAM 4K Má y tính Số lư ợ ng Tranzito mạ ch 107 106 105 104 103 102 10 1 1960 65 70 75 80 85 90 95 Nă m
Người ta thấy rằng, vào thời kỳ đầu, cứ mỗi năm mật độ này tăng lên gấp đôi, sau đó tốc độ này giảm đi đôi chút cứ sau hai năm nó lại tăng gấp đôị Đến năm 1990 thì đã đạt tới 107 linh kiện trong một vi mạch. Cũng trong thời gian này, giá thành trên một đơn vị thông tin của transistor trong các vi mạch ULSI giảm từ 1 đến 104. Đồng thời đường kính của thanh đơn tinh thể silic cũng tăng từ 25,4 mm tới 250mm và diện tích bề mặt của nó cũng tăng từ 490 đến 10000mm2.
Kỹ thuật quang khắc cũng ngày một tinh xảo hơn. Chẳng hạn 1985 kỹ thuật quang khắc chỉ đạt 2àm thì đến năm 1988 nó đạt tới 1àm, năm 2000 đạt tới 0,4
àm trên đơn tinh thể silic. Với công nghệ MOS cho phép tạo được những vi mạch có mật độ caọ
Mức độ phức tạp trong từng loại vi mạch cho thấy trên bảng 6.1.
Bảng 6.1: so sánh mức độ phức tạp trong từng loại vi mạch
Loại IC
Số lượng chức năng Số lượng transistor Diện tích bề mặt của mỗi vi mạch
SSI 2 đến 20 100 3 mm2
MSI 20 đến 100 500 8 mm2
LSI 100 đến 50 000 100 000 20 mm2
VLSI 50 000 đến 100 000 250 000 40 mm2
ULSI 100 000 đến 4 000 000 1triệu đến 4 triệu 70 mm2đến 150 mm2
SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mô nhỏ
MSI: Medium scale integration: Tích hợp qui mô trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp qui mô lớn
VLSI: Verry large scale integration: Tích hợp qui mô rất lớn ULSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mô khổng lồ
6.1.1. Ưu, nhược điểm của vi mạch
So với các linh kiện rời, vi mạch có rất nhiều ưu điểm. Đó là: - Giá thành rất rẻ do sản xuất hàng loạt.
- Sự tiến bộ của công nghệ vi mạch cho phép rút gọn số lượng các vi mạch cho cùng một chức năng.
- Độ tin cậy tốt: tỉ lệ hư hỏng dưới 0,15/106 giờ/mạch. - Tiêu thụ năng lượng càng ngày càng được giảm bớt.
- Thoả mãn độ ổn định ở nhiệt độ caọ
- Tuổi thọ caọ Tuổi thọ trung bình t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là : n t t t t 1 ... 1 1 1 2 1 + + + = . Nếu t1= t2=…= tnthì n t t= i
Vậy nếu một transistor có tuổi thọ là 108h, thì một thiết bịchế tạ o bằng linh kiện rời gồm 500000 transistor sẽ chỉ có tuổi thọ 200
10 . 5 10 5 8 = giờ. Khi dù ng IC do cá c thành phần trong IC đư ợ c chế tạ o đồng thời và cũng cù ng phư ơng phá p, nên tuổi thọ IC xấp xỉtuổi thọ một transistor.
Tuy nhiên vi mạ ch cũng có như ợ c điểm:
- Trang bị cho nghiên cứu và sản xuất cá c vi mạ ch mớ i rất caọ