1. Transistor một tiếp giáp (UJT)
Cấu tạo và ký hiệu
UJT là transistor một tiếp giáp (Uni-junction Transistor) tức UJT là một linh kiện có một chuyển tiếp đơn, giống nh Diod Tuy nhiờn, cấu trỳc chi tiết của nú lại khỏc. Nú gồm một phiến bỏn dẫn silic loại N (hay P) hai đầu gắn điện cực gọi là cực base 1 và base 2. Trờn phiến bỏn dẫn này, gần hơn với base 2 có một chuyển tiếp P-N nh− chỉ ra ở hỡnh dới đõ Điện cực thứ 3 đợc gọi là “emitter”.
Ký hiƯu cđa Transistor một tiếp giáp UJT (hỡnh a là cấu tạo và ký hiệu của UJT loại P, hỡnh b biĨu diƠn loại N)
Trở khỏng giữa base 1 và base 2 đợc đo khi dũng emitter = 0 đợc gọi là trở khỏng giữa các base” RBB và cú giỏ trị điển hỡnh khoảng 5K 10 KΩ.
b. Nguyờn tắc hoạt động
Hỡnh bờn chỉ ra mạch tơng đơng đơn giản của UJT với cực Base loại N. Trở kháng RBB đợc phõn đụi bởi chuyển tiếp P-N (biểu thị bởi diode) thành 2 điện trở RB1 và RB2 , mà tỉng của nó bằng RBB .
Trong chế độ hoạt động thụng thờng, điện ỏp VBB đ−ỵc cung cấp cho base 1 và base 2, với base 2 dơng hơn so với 1. Khi khụng cú dũng IE , phiến bán dẫn sẽ hoạt động giống nh một bộ phõn ỏp đơn giản và cú một phần điện ỏp xỏc định của VBB xuất hiƯn trên RB1. Tỷ số n đợc gọi là tỷ số cõn bằng nội và giỏ trị của nú khoảng 0,5 đến 0,9 . Tỷ số này đợc cho bởi: 2 1 1 B B B R R R n + =
Điện ỏp VBB khiến cathode của diode của dơng hơn so với B1 và cú giỏ trị điện thế n.VBB . Nếu điện ỏp emitter VE nhỏ hơn giỏ trị này, chuyển tiếp sẽ đợc phõn cực ngợc và chỉ cú một dũng emitter ngợc nhỏ chảy quạ
Nếu VE lớn hơn (nVBB + VD) , với VD là điƯn áp ng−ỡng cđa chun tiếp, thỡ diode sẽ đợc phõn cực ngợc và cú một dòng emitter thuận IE chảy qu Dũng này do cỏc lỗ trống khuếch tỏn vào phần thấp hơn của thanh bỏn dẫn và làm tăng độ dẫn (do số lợng cỏc hạt dẫn tự do tăng). Điều này khiến cho điện trở RB1 giảm. Khi RB1 giảm, điện ỏp n.VBB cịng giảm, bởi thế cú sự gia tăng điƯn áp thn qua diode và tất nhiờn dũng qua diode cũng tăng. Quỏ trỡnh tớch luỹ này tiếp tục cho đến khi đạt đến giỏ trị dòng IE tức đạt đến trạng thỏi bÃo hoà của thanh bỏn dẫn tại miền RB1 . Bắt đầu từ cỏc điều kiện này, điện áp VE , mà cú giỏ trị nhỏ nhất Vv (điện ỏp điểm trũng), bắt đầu tăng khi dũng tăng, giống
Vùng trở kháng âm
Vùng bão hoà
1 2
Kỹ tht điƯn tư 60
nh đặc tuyến thụng thờng của diod
Đặc trng của đặc tuyến dũng/ỏp của UJT nh chỉ ra ở hỡnh bờn. Từ đờng cong này ta thấy UJT có 3 miỊn làm viƯc:
Vùng 1: 0 < VE < VP : dũng IE là rất nhỏ và trở khỏng vào rất ca
Vùng 2: VP < VE < Vv : trở khỏng vào là õm, cú nghĩa một sự gia tăng dũng sẽ khiến cho điện
ỏp giảm.
Vùng 3: VE > Vv : trở khỏng vào lại trở nờn dơng và cú giỏ trị tơng tự với trở kháng cđa
diode khi dẫn. Cỏc điểm đặc trng: VP đợc gọi là điện ỏp đỉnh và bằng: VP = n.VB2B1 + VD = n.VBB + VD. Vv : điện ỏp điểm trũng. Iv : dũng điện điểm trũng.
Transistor UJT đợc dựng chủ yếu trong cỏc mạch chuyển mạch, định thời, mạch trigger và mạch tạo xung.
c. Một số mạch ứng dơng cđa UJT
Mạch tạo xung răng c−ạ
Giả thiết tại thời điểm bắt đầu của chu kỳ, tụ C đà phúng hết điện. Khi này chuyển tiếp emitter bị phõn cực ngợc do điện ỏp trờn R1 > 0. Vỡ vậy, tơ sẽ nạp qua R3 với hằng số thời gian R3.C . Khi điƯn ỏp trờn C đạt tới điện ỏp đỉnh của UJT, UJT bắt đầu dẫn, cho phộp tụ điện phúng qua RB1 và R1 và giảm xuống điện ỏp nhỏ nhất rất gần điện ỏp điểm trũng. Tại thời điểm này, UJT lại khoỏ (ngắt) và bắt đầu chu kỳ kế tiếp.
Cỏc tớn hiệu tại cỏc điểm khỏc nhau của mạch đợc chỉ ra ở hỡnh trờn
Nh thấy trong hỡnh, tụ điện phúng tạo nờn xung dơng qua R1 và xung õm qua R2, mà chu kỳ cđa xung phơ thc hằng số thời gian (R1+RB1).C .
Thành phần điƯn áp 1 chiỊu dc cđa VR1 và VR2 đợc xỏc định bởi dũng tĩnh, dũng này chảy qua 2 điện trở này khi khụng cú tớn hiệu vào trờn Emitter. Biờn độ của xung VB1và VB2 có thĨ khác nhau vỡ chỳng đợc xỏc định bởi cỏc điện trở R1, R2, RB2
Tần số f cđa tín hiƯu (nếu hằng số thời gian phúng là rất nhỏ so với hằng số nạp) sẽ đợc biểu diễn bởi ( chú ý T = T1 + T2 ≈ T1):
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực Kỹ tht điƯn tư 61 ) 1 ln( . . 1 3C n R f − − =
Từ quan hƯ này cú thể thấy tần số sẽ khụng phụ thuộc điện áp nguồn cung cấp.
Bộ tạo xung vuụng.
Tại thời điểm bắt đầu của chu kỳ, giả thiết C phúng hết và do vậy UJT ngắt. Sau đú tụ C sẽ nạp điện qua R3 và D1 cho đến khi điện ỏp trờn nú đạt tới giỏ trị điện ỏp đỉnh. Tại thời điểm này, UJT bắt đầu dẫn và đợc nối với nguồn cung cấp qua R3. Tụ điện C, lỳc này cỏch ly với UJT do D1, sẽ phóng điƯn qua R4.
Khi điện ỏp qua R4//C rơi xuống mức điện ỏp trũng, UJT sẽ ngắt và chu kỳ lại bắt đầ Tớn hiệu tại cỏc điểm khỏc nhau đợc vẽ ở hỡnh trờn.
Chu kỳ T cđa tín hiƯu là hàm cđa hằng số thời gian phúng và nạp của tụ C. Bởi thế, nó phơ thc vào C, R3, R4 nh− sau: + − − = Vv V C R V E Vv E C R T P P ln . . 4 ln . . 3 + − ≈ Vv V C R n C R 4. .ln P 1 1 ln . . 3
2. PUT (Programmable UJT - UJT điều khiển đợc)
Cấu tạo và ký hiệu
PUT gồm 3 chun tiếp và 3 cực: anode A; cathode K và cực cửa gate G. Cấu trỳc bờn trong và ký hiƯu cđa PUT đợc thể hiện nh hỡnh trờn.
Vùng trở
khỏng õm Vựng bão hoà
Kỹ tht điƯn tư 62
b. Nguyờn tắc hoạt động
Điều kiện dẫn của PUT hay là dũng dẫn giữa anode và cathode sẽ phụ thuộc vào điện ỏp trên cực cưa G. Cực cửa là cực điều khiển của PUT. PUT hoạt động giống nh− một UJT, nh−ng khác ở điểm là : dũng bắt đầu của PUT cú thể đợc thiết lập nhờ cỏc linh kiện bờn ngoà
Trong chế độ hoạt động thụng thờng của PUT, sẽ cú một điện ỏp cố định VGK giữa cực G và Cathod Khi điện ỏp anode VAK thay đỉi sẽ có 3 vùng hoạt động sau:
Vùng khoá: VAK nhỏ hơn điện ỏp VP - điện ỏp đỉnh (VP ≈ VGK – 0.5 V) Trong miền này, dũng anode rất nhỏ.
Vùng điƯn trở âm: nếu VAK > VP ; IA sẽ tăng; điện trở giữa A và K giảm và VAK cũng giảm. Vựng bÃo hoà: lỳc này, VAK cao hơn điện ỏp trũng Vv ; trở khỏng giữa A và K cú giỏ trị dơng. PUT duy trỡ dẫn cho đến khi dòng anode IA giảm thấp hơn dũng điểm trũng Iv.
c. Các ứng dơng cđa PUT.
Các ứng dụng điển hỡnh của PUT tơng tự nh UJT. Ta chỉ xột ứng dụng tạo mạch chia tần. Xột mạch trong hỡnh trờn. Đoạn A là thể hiện mạch bội ỏp. Điện ỏp trờn C2 sẽ gấp đụi điện ỏp
vàọ Khi nối một PUT vào mạch (đoạn B) cho phép C2 có thể phóng điƯn khi đạt đến điƯn áp ng−ỡng cđa PUT. Do sự phúng điện sẽ cú một xung điện ỏp trờn R và tần số của xung điện ỏp ra này tỷ lƯ với tần số cđa tín hiƯu vàọ
3. Chỉnh l−u có điỊu khiĨn SCR (Silicon Controlled Rectifier)
Cấu tạo và ký hiƯu
SCR gồm 3 chun tiếp và có 3 cực: Anode A; cathode K; cực cửa G. SCR (chỉnh l−u cú điều khiển) cũn đợc gọi là thyristor. SCR là một linh kiƯn điƯn tư cú hai trạng thỏi hoạt động ổn định.
Trạng thỏi ngắt OFF, dũng qua là rất nhỏ và SCR có thĨ xem nh− hở
mạch.
Trạng thỏi bật ON, dòng rất lớn (giới hạn bởi điện trở ngoài), và SCR thực
chất là ngắn mạch.
b. Nguyờn tắc hoạt động
Hoạt động của SCR đợc mụ tả nh sau:
Một xung dũng điện trờn cực cưa G sẽ điỊu khiĨn trạng thỏi bắt đầu dẫn giữa anode và cathod
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 63
Giảm dũng anode xuống dới giỏ trị ngỡng duy trỡ, hay đảo ngợc phõn cực giữa anode và cathode sẽ đa SCR vào trạng thỏi ngắt.
Hỡnh trờn chỉ ra đặc tuyến dũng/ỏp cho 1 SCR khi khụng cú tớn hiệu trờn cực cửa G và điện ỏp ngỡng thủng phụ thuộc vào dũng cực cửa IG.
Ta có thể thấy rằng, trong miỊn phân cực ngợc SCR sẽ hoạt động giống nh− một Diodẹ Trong miền phõn cực thuận (anode dơng hơn so với cathode), ban đầu chỉ cú một dũng điện nhỏ chảy qua SCR trong trạng thỏi mở thụng. Khi điện ỏp phõn cực thuận tăng lờn và đạt đến giỏ trị “ng−ỡng thđng” VB0 (break-over) thỡ dũng bắt đầu tăng nhanh, điện ỏp VAK qua SCR giảm đột ngột xuống một giá trị thấp gọi là điện áp “ng−ỡng thn” VAK0 . Khi mà SCR dẫn, nó sẽ có mức trở khỏng rất nhỏ và điện ỏp qua nú rất nhỏ (khoảng vài Volt), ớt phụ thuộc vào dũng điện.
Tỏc dụng của cực cửa G là điều khiển điện ỏp ngỡng đánh thđng” VB0 .
4. DIAC và TRIAC.
ạ DIAC
DIAC là một linh kiện gồm 2 phần PNPN kết nối song song-đối nhau, xem hỡnh bờn.
Cú hai điểm khỏc biệt của DIAC so với SCR là:
DIAC dẫn khụng cần điện ỏp đa vào cực cửa mà chỉ cần đạt điện ỏp ngỡng giữa cực T1 và T2.
DIAC có thĨ dẫn theo cả hai h−ớng.
Những đặc trng này đợc chỉ ra trờn đờng cong dũng/ỏp của hỡnh dới đõ
Trong đoạn (1) của đặc tuyến (-VB0 ữ VB0), DIAC sẽ hoạt động nh một chuyển mạch với cả hai chiỊu phõn cực thuận và nghịch. Khi điện ỏp vợt qua giỏ trị ngỡng đỏnh thủng VB0 , dòng bắt đầu tăng nhanh và điện ỏp giảm xuống giỏ trị Vm.
Trong đoạn (2) của đặc tuyến (-VB0 ữ -Vm hoặc Vm ữ VB0), điện ỏp sụt xuống trong khoảng thời gian ngắn, trong khoảng thời gian này, DIAC cú điện trở õm. Nếu điện ỏp đặt vào DIAC giảm
SCR ngắt SCR dẫn
Kỹ thuật điƯn tư 64
xuống nhỏ hơn Vm, DIAC sẽ quay trở lại trạng thỏi hở mạch (ngắt).
Hỡnh trờn là sơ đồ một bộ tạo dao động đơn giản sư dơng DIAC.
Với mạch này, tụ sẽ nạp qua R1 trong khoảng t1. Khi điện ỏp trờn tụ bằng với VB0 DIAC sẽ bắt đầu dẫn. Lỳc này, tụ sẽ phúng qua R2 và DIAC ; điện ỏp trờn tụ giảm xuống giỏ trị Vm. Khi này , DIAC chuyển về trạng thỏi hở mạch (ngắt). Chu kỳ lại tiếp tục.
b. TRIAC
Cấu tạo và ký hiệu
Hỡnh dới đõy cho thấy TRIAC về mặt cấu tạo tơng đơng nh 2 SCR mắc song song, một kiĨu P và một kiĨu N. Tuy nhiờn, TRIAC khỏc biệt so với SCR ở khả năng dẫn theo hai hớng.
Nguyờn tắc hoạt động
Đặc tuyến dũng/ỏp đợc thể hiện ở hỡnh trờn.
Khi khơng có tín hiƯu vào cực cưa G, TRIAC sẽ luụn ngắt, vỡ luụn cú một diode phõn cực ngợc: nếu VMT2 > VMT1 , chuyển tiếp N2P1 sẽ đảm bảo trạng thỏi ngắt; cũn nếu VMT1> VMT2 chuyển tiếp N2 P2 sẽ đảm bảo cho trạng thỏi ngắt.
TRIAC sẽ dẫn khi điện ỏp giữa MT1 và MT2 vợt quỏ giỏ trị ngỡng VB0. Cũng giống nh− SCR, giỏ trị ngỡng VB0 có thể đợc điều khiển bởi dũng trờn cực cửa G. Sự dẫn có thể theo hai hớng: khi MT1 dơng hơn MT2 thỡ P2N2P1N1 sẽ tạo đờng dẫn, cũn khi MT2 dơng hơn so với MT1 thỡ dũng sẽ chảy qua P1N2P2N4
Chơng IV: Vi mạch tớch hợp và Khuếch đại thuật toỏn Chơng IV vi mạch tớch hợp và khuếch đại thuật toán vi mạch tớch hợp 1. Định nghĩa và phõn loại vi mạch
Vi mạch là những linh kiện điện tử cú một chức năng xỏc định và đợc chế tạo bằng một cụng nghệ riờng. Vi mạch hiện đại thờng đa năng và cú thể sử dụng linh hoạt trong nhiều thiết bị điện tử khỏc nhau
Ngời ta phõn loại theo một số tiêu chí sau:
+ Phõn loại theo bản chất của tớn hiệu điện vào / ra của vi mạch + Phõn loại theo mật độ tớch hợp
+ Phõn loại theo cụng nghệ chế tạo
Phõn loại vi mạch theo bản chất của tớn hiệu vào / ra
Nh− đã biết, tớn hiệu điện đợc phõn thành 2 loại là tớn hiệu tơng tự và tớn hiệu số. + Tớn hiệu tơng tự (analog) là tớn hiệu cú biờn độ biến thiờn liờn tục theo thời gian
+ Tín hiƯu số (digital) là tín hiệu cú biờn độ ở một trong hai gớa trị hữu hạn mang ý nghĩa logic 0 hc 1, ứng với 2 mức thấp và ca Tớn hiệu số giỏn đoạn theo thời gian.
Nếu ký hiệu X, Y là tín hiƯu vào và ra cđa vi mạch, theo bản chất của tớn hiệu vào / ra này ta sẽ có cỏc loại vi mạch sau:
Tín hiƯu vào Tín hiƯu ra Loại vi mạch
T−ơng tự T−ơng tự T−ơng tự
Số Số Số
T−ơng tự Số ADC / bộ biến đổi tơng tự sang số Số T−ơng tự DCA / bộ biến đổi số sang tơng tự
b. Phõn loại theo mật độ tớch hợp
Mật độ tớch hợp đợc định nghĩa là tổng cỏc phần tử tớch cực (transistor) hc cỉng logic chứa trờn một đơn vị diện tớch của màng tinh thể bỏn dẫn trong vi mạch
ví dơ:Bộ vi xư lý Pentium III cđa Intel có mật độ tớch hợp là 9triệu transistor trờn 1 inch vuông Bộ vi xư lý Pentium IV của Intel cú mật độ tớch hợp là 24triệu transistor trờn 1 inch vuụng Mức tớch hợp đợc định nghĩa là tổng số những phần tử tớch cực hoặc cổng logic trờn mảng tinh thĨ bán dẫn cđa vi mạch
Những thụng số trờn phần nào cho thấy độ phức tạp của mạch. Phõn loại theo mức độ tớch hợp ta cú cỏc loại vi mạch nh trong bảng sau:
Loại mạch Số transistor
Số cổng logic
Ví dụ
SSI – Vi mạch cỡ nhỏ Hàng chơc 1 - 10 Cổng logic, flip-flop
MSI Vi mạch cỡ trung bỡnh Hàng trăm 10 - 100 Cỉng logic, bộ đếm, thanh ghi dịch, bộ giải mÃ, bộ nhớ cỡ nhỏ
LSI – Vi mạch cỡ lớn Hàng nghỡn 100 - 1000 Bộ nhớ cỡ lớn, bộ vi xư lý 4 hc
8 bit
VLSI - Vi mạch cỡ rất lớn Hàng vạn > 1.000 Bộ vi xử lý 16 hc 32 bit, bộ điều khiển vào/ra 8086, Z8000 ULSI – Vi mạch cỡ cực lớn Hàng triƯu > 10.000 Bộ vi xư lý 64 bit trở lên
4. Phõn loại theo cụng nghệ chế tạo
IC có thể chia ra làm 4 loại: IC màng mỏng/ màng dày; IC khối rắn; và IC lai Dới đõy là cỏc hớng phỏt triển vi mạch theo cụng nghƯ chế tạo
Vi mạch màng mỏng / màng dày Vi mạch màng mỏng / màng dày Vi mạch màng mỏng / màng dày Vi mạch màng mỏng / màng dày
Cỏc IC loại này đợc chế tạo bằng cỏch lắng đọng những vật liệu nhất định trờn một đế cỏch điện (vớ dụ nh gốm, sứ..). Sau hàng loạt cỏc quỏ trỡnh tạo mask trờn đế tạo thnàh điện trở, điƯn dung hay điƯn cảm. Cỏc linh kiện tớch cực nh diode, transistor sẽ đợc chế tạo theo cỏch thụng th−ờng với kích th−ớc nhỏ (th−ờng là FET). Mạch này cho độ tớch hợp khỏ cao nhng khụng bằng loại đơn khối, tuy nhiờn lại cú khả năng chịu đựng điện ỏp và nhiệt tốt hơn. IC màng mỏng và màng dày đợc sử dụng cho cỏc mạch đũi hỏi độ chớnh xỏc cao
Vi mạch bỏn dẫn đơn khối Vi mạch bỏn dẫn đơn khối Vi mạch bỏn dẫn đơn khối Vi mạch bỏn dẫn đơn khối