khảo sát đặc tính opamp. ứng dụng lắp ráp máy phát sóng đơn giản

+ Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong thiết kế hệ thống điện tử... L

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA: VẬT LÝ

–¯²¯—

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

TP.HCM THÁNG 5 NĂM 2010

LỜI CẢM ƠN

Quá trình thực hiện luận văn chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn Song, để hoàn thành tốt luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quý Thầy, Cô trong khoa và các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan

Vì vậy, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến:

- Thầy Cao Anh Tuấn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn ủng hộ và động viên em ngay từ những ngày đầu tiên bắt đầu làm đề tài Giúp em vượt qua những

bỡ ngỡ ban đầu cũng như sửa chữa cho em những sai sót và cung cấp cho em những tài liệu cần thiết, giải đáp những thắc mắc của em

- Quý Thầy, Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để giúp

em hoàn thành luận văn

- Các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan đã cung cấp tài liệu, cũng như giúp em trong việc giải thích một số vấn đề còn đang vướng mắc

- Gia đình, bạn bè luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

TP.HCM, tháng 05 năm 2010

Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Trang

LỜI NÓI ĐẦU

Nội dung của luận văn này liên quan đến các khái niệm cần thiết cho quá trình lắp ráp một máy phát sóng và cách lắp ráp chiếc máy này sao cho đơn giản, ít tốn kém lại hữu ích cho quá trình thực hành của sinh viên sư phạm vật lý Tuy vậy, máy vẫn hội tụ được các yếu tố cần thiết cho việc thực hành có hiệu quả

Luận văn này gồm các phần sau:

- Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp

nghiên cứu và kết quả nghiên cứu

- Phần lý thuyết:

Chương I: Tìm hiểu về chất bán dẫn:

+ Các hiện tượng tiếp xúc: kim loại - bán dẫn, P - N, kim loại - điện môi - bán dẫn + Điôt bán dẫn: Cấu tạo, kí hiệu, chức năng, nguyên lý làm việc, các loại điôt + Transistor: Transistor lưỡng cực, transistor trường có cực cửa tiếp giáp, transistor trường có cực cửa cách ly

Chương II: Giới thiệu chung về mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp:

+ Mạch khuếch đại: tìm hiểu nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại và các chế độ làm việc của nó

+ Mạch hồi tiếp: định nghĩa và tìm hiểu hai loại hồi tiếp âm, hồi tiếp dương

Chương III: Tìm hiểu về linh kiện điện tử OPAMP

+ Trước tiên là về lịch sử ra đời, chức năng, cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý hoạt động

và đặc tính - thông số của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng là như thế nào?

+ Thông qua một số cách mắc hồi tiếp để tìm ra các công thức tính khá chính xác áp dụng vào thực tế: mạch khuếch đại đảo pha, mạch khuếch đại không đảo, mạch đệm

+ Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong thiết kế hệ thống điện tử

Chương IV: Mạch dao động

+ Tìm hiểu về mạch tạo dao động điều hòa: mạch tạo sóng sin âm tần, mạch tạo sóng sin cao tần

+ Tìm hiểu về mạch tạo sóng vuông, sóng răng cưa và tam giác

Chương V: Xử lý tín hiệu

+ Tìm hiểu phép phân tích chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn

+ Phép tích phân tính hiệu sóng vuông, sóng răng cưa

- Phần thực hành:

Chương VI: Lắp ráp máy phát sóng

+ Khảo sát thực nghiệm OPAMP + Lắp ráp mạch nguồn và mạch phát sóng

Trong luận văn này, tôi cố gắng chỉ đưa vào những kiến thức nào thật đơn giản và cần thiết, dễ hiểu nhất cho quá trình thực hiện lắp ráp Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian gấp rút và chỉ mới ở mức độ tìm hiểu, nên chắc chắn rằng luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được nhiều góp ý từ quý Thầy, Cô và các bạn

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong giao tiếp hàng ngày, chúng ta luôn phải truyền đi tiếng nói, âm thanh, hình ảnh; chúng ta trao nhận tín hiệu, tin tức cho nhau Chẳng phải đi đâu xa, chỉ cần dành 10 phút mỗi ngày để ngồi trước màn hình máy tính, hay tối tối quây quầy bên gia đình trước chiếc ti vi nhỏ của mình là bạn đã có thể biết được thế giới xung quanh đang diễn ra những vấn đề gì Thậm chí chỉ cần một chiếc radio nhỏ bằng bàn tay, bạn cũng đã có thể biết được những điều tương tự.Thay vì mất công chờ đợi những cánh thư đi - về để biết tin tức một người bạn, một người thân ở cách

ta hàng nghìn km, bạn chỉ cần nhấc chiếc điện thoại nhỏ xinh của mình lên là đã có thể nghe được giọng nói và cả hình ảnh của người mà bạn đang mong tin

Tại sao chúng ta lại làm được những điều kỳ diệu ấy?

Đó là bởi vì chúng ta đang được hưởng những thành tựu của các ngành khoa học, trong đó có điện tử

Quả thật vậy, ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh Những sản phẩm điện tử tràn lan khắp nơi với trình độ ngày càng tinh vi, hiện đại, thiết kế thon gọn hơn Chính vì vậy, kỹ thuật điện tử đã gây ra những chuyển biến thần kỳ trong ngành vô tuyến điện tử, bên cạnh đó nó còn trở thành một phương tiện kỹ thuật thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khác Nó hầu như chi phối đến mọi mặt đời sống của con người

Từ lâu, sinh viên thuộc các ngành kỹ thuật đã rất quen thuộc với bộ môn vô tuyến điện tử Bởi vì, nó là một môn học, là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong quá trình đào tạo các kỹ thuật viên, công nhân có tay nghề và thậm chí là những thợ sửa chữa muốn nâng cao hiểu biết về lĩnh vực điện tử

Riêng tôi - là một trong số những sinh viên khoa Vật Lý trường ĐHSP TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thấy rằng những gì được tìm hiểu qua sách vở, qua khảo sát trên lý thuyết mà chưa được thực hành nhiều, chưa

được làm quen và sử dụng những linh kiện điện tử cơ bản, là một điều rất hạn chế đối với sinh viên sư phạm, so với thế giới ngập tràn các thiết bị điện tử ngày nay

Chính vì lý do đó, tôi đã chọn đề tài: "Khảo sát đặc tính OPAMP Ứng dụng: lắp

ráp máy phát sóng đơn giản" để làm luận văn tốt nghiệp Một mặt, giúp tôi tiếp

cận được các linh kiện điện tử và hiểu được các đặc tính của chúng, mà có thể trong quá trình học thậm chí tôi chưa được nhìn thấy Mặt khác, giúp tôi hiểu được phần nào rõ hơn các vấn đề mà trước đây tôi đã được khảo sát trên lý thuyết

2 Mục đích nghiên cứu

Trong suốt quá trình được học tại trường ĐHSP, tôi đã được làm quen với các máy móc về vô tuyến điện tử thông qua các buổi thực hành Tôi nhận thấy rằng, với số lượng sinh viên đông, số máy móc còn hạn chế, lại rất nhạy cảm dễ bị hư hỏng, là một trở ngại không tránh khỏi trong phòng thí nghiệm vô tuyến điện tử Trong điều kiện khó khăn đó, không cho phép sinh viên hoàn thành tốt việc thực hành các kiến thức đã học Mặt khác, việc mua các máy móc hoàn toàn mới với chi phí cao và không thể mua ngay để trang bị kịp thời

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, tôi quyết định thực hiện đề tài này nhằm lắp ráp được một chiếc máy phát sóng đơn giản với linh kiện chính là OPAMP Ngoài ra, các linh kiện sử dụng trong đề tài này đều thông dụng, dễ tìm kiếm trên thị trường và giá thành lại rẻ, với mong muốn góp một phần sức nhỏ bé vào việc cải thiện một phần nhỏ nào đó điều kiện thực hành cho các bạn sinh viên khóa sau Đồng thời giúp ích cho việc sử dụng chiếc máy này trong quá trình giảng dạy tại trường trung học phổ thông, minh họa các dạng sóng điện cho học sinh tương lai của tôi

3 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, chúng tôi dùng phương pháp nghiên cứu như sau:

- Đầu tiên là khảo sát trên lý thuyết thông qua sách vở, các giáo trình, các trang web về điện tử về các vấn đề cần thiết cho quá trình lắp ráp máy phát sóng

Cụ thể là:

+ Các linh kiện điện tử cơ bản: điôt, transistor,…

+ Mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại

+ Tìm hiểu về linh kiện chính của mạch: OPAMP

+Tìm hiểu về mạch dao động

- Làm quen với một số linh kiện điện tử, các cách mắc mạch đơn giản, sau đó tiến hành lắp ráp một số mạch tạo sóng , rồi so sánh để tìm ra mạch tạo sóng nào ưu việt nhất

- Từ những kết quả đạt được ở trên, cho phép chúng tôi lắp ráp một máy phát sóng đơn giản mà hiệu quả của nó sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm

5 Kết quả nghiên cứu

Dựa vào những gì chúng tôi đã tìm hiểu trên phương diện lý thuyết và thông qua quá trình thực hành Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơn giản dùng linh kiện chính là OPAMP và tìm ra được mạch nào là tối ưu nhất trong

số những mạch đó

Mạch tạo sóng này tạo ra được các dạng sóng sin, vuông, tam giác, có thể thay đổi được biên độ hoặc tần số, hoặc cả biên độ và tần số

Chương I – BÁN DẪN

1.1 Các hiện tượng tiếp xúc

1.1.1 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn

Trong chất bán dẫn công thoát của electron nhỏ hơn công thoát của electron trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại dễ hơn electron từ kim loại sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc Etx , không cho electron từ bán dẫn N tiếp tục sang kim loại Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N Khi đặt một điện trường ngoài vào tiếp xúc kim loại – bán dẫn, sẽ cho dòng điện từ kim loại qua bán dẫn N Lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao

Hình 1 1: Tiếp xúc kim loại - bán dẫn

1.1.2 Tiếp xúc P – N:

Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số

Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc Etx (nhỏ) Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P- N

sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn

Khi đặt tiếp xúc P - N vào điện trường ngoài:

- Engoài ngược chiều với Etx: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại Cho dòng điện I qua từ P sang N

- Engoài cùng chiều Etx: không có dòng điện I qua tiếp xúc P - N từ N sang P

1.1.3 Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn

Xét lớp điện môi SiO2, khi chưa đặt điên áp ngoài vào hai cực AB thì không xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong khi gần kim loại có điện tích âm

Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO2 hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua

P vào loại N, có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được

Diốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao

Ở đây ta xét điôt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N

áp đặt vào hai đầu điôt, Ud là điện áp ngưỡng của điôt (điện áp rơi)

Chế độ thuận: là chế độ có UAK > UD

Điôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): rd=dU/dI (cỡ vài ohm), trong chế độ thuận:

UAK = UD + rdi tức là điôt tương đương với điện trở rd mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động

UD

Chế độ ngược: đối với UAK ≤ UD.

Dòng cực nhỏ cỡ vài nano ampe chảy qua điôt Điện trở điôt lúc này cỡ vài chục mêga ôm Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua Trong chế độ ngược, điôt tương đương công tắc hở mạch

1.2.3 Phân loại điôt

Người ta có thể phân loại điôt tùy theo quan điểm khác nhau:

- Theo đặc điểm cấu tạo: điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt

- Theo vật liệu sử dụng: điôt Ge, điôt Si

- Theo tần số sử dụng: điôt cao tần, điôt tần số thấp

- Theo công suất: điôt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ

K

A

- Theo nguyên lý hoạt động: điôt chỉnh lưu, điôt ổn áp (Zener), điôt biến dung (Varicap), điôt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel)

- Transistor NPN: UBE > 0

- Transistor PNP : UBE < 0 Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau:

Chọn một loại transistor loại PNP

Hình 1 6: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP

Khi K1 đóng, K2 mở: có nguồn EB, không có nguồn ECC Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B Khi qua vùng B: một số ít lỗ trống tái hợp được với electron từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên dòng điện IB. Vậy chỉ có dòng IB, không có dòng IC ở nguồn ECC

Khi K1 mở, K2 đóng: có nguồn ECC, không có nguồn EB Lúc này CE coi như gồm hai điôt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điôt này mắc ngược chiều nhau nên

không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò Ico rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra

Khi K1 đóng,K2 đóng: Nhờ nguồn EB, lỗ trống từ E sang vùng B:

- Số ít kết hợp với electron trong lớp B

- Tại B: lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số

Do độ dày của vùng B rất nhỏ, phần lớn lỗ trống chưa kịp tái hợp với electron thì đã đến lớp tiếp giáp BC Ở đây, lỗ trống gặp điện trường mạnh tăng tốc

và cuốn lỗ trống sang vùng C Sang vùng C, lỗ trống là hạt dẫn điện đa số nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC qua CE

Đối với Transistor NPN thì ta đổi cực của nguồn

IE = IB + ICTrong đó: IB << IC

, αluôn luôn nhỏ hơn 1

Để đánh giá mức độ điều khiển dòng IB lên dòng IC người ta đưa ra hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh:

β =

C

B

I I

Trên đây là transistor hoạt động ở chế độ tĩnh Nếu bây giờ ta đặt vào mạch cực phát một nguồn tín hiệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng thay đổi làm cho IB biến thiên, kéo theo IE cũng biến thiên, và IC thay đổi

Đặt ở cực góp một tải RC lớn, khi dòng IC biến thiên sẽ tạo ra trên RC một điện áp biến thiên nhưng biên độ lớn hơn nhiều (nhờ RC khá lớn).Ta nói rằng transistor đã khuếch đại tín hiệu

c Các chế độ làm việc:

Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bão hòa, chế độ khuếch đại

* Chế độ khóa và dẫn bão hòa:

Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

Hình 1 7: Sơ đồ mạch điện ở chế độ khóa điện tử của transistor loại NPN

Khi K mở: tiếp xúc EB bị phân cực ngược, electron từ E không qua được vùng B nên IB = 0, và transistor khóa, không có dòng IC qua tải Rt

Khi K đóng: Dòng IB khác 0 Với UBE = 0.6V (Si), nếu ta chọn R1, R2, ECC,

lúc này transistor mở bão hòa Khi đó ta có:

UCE = 0V, IC =

C

CC

R E

* Chế độ khuếch đại:

Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ:

Hình 1 8: Mạch điện ở chế độ khuếch đại của transistor loại NPN

Lúc này nguồn phân cực EB có chiều như hình vẽ để tiếp xúc BE được phân cực thuận Dòng IB sẽ điều khiển dòng IC

Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương ứng ở mạch ra ở cực C.Dòng IC qua Rt gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE (chính là VC)

được tính theo công thức trên IC tăng làm VC giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra

VC ngược pha với điện áp vào

1.3.2 Phân cực cho Transistor:

Phân cực cho Transitor là tạo ra điện áp phân cực cho tiếp giáp BE nhằm để tiếp xúc BE được phân cực thuận, để transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại,

I

U

E −

UBE thường được chọn trong khoảng từ 0.6V đến 0.7V

b Phân cực cho transistor dùng điện áp phản hồi

Mắc điện trở RB từ chân C về chân B

RB =

B

BE CE

I

U

U −

c Phân cực cho transistor dùng cầu chia thế

Cầu chia thế gồm R1, R2 sẽ xác định điện thế VB Lúc này:

UBE = UB = R2.I = R2

2

1 R R

E CC

+

d Dùng cầu chia thế có bổ chính nhiệt:

Ngoài R1,R2 như trên, chân E được mắc xuống Masse qua một điện trở RE có tác dụng bổ chính nhiệt

Ngoài ra người ta còn mắc song song với RE một tụ CE để nối tắt dòng tín hiệu từ E xuống masse, thường chọn CE có dung kháng ZC <<RE

1.3.3 Mạch khuếch đại cơ bản

Tùy theo cách đặt tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra, transistor có thể mắc theo

ba kiểu mạch: cực gốc chung, cực phát chung, cực góp chung

Chúng ta lần lượt mắc một transistor PNP theo ba sơ đồ đó, và xét các yếu tố:

- Pha giữa điện áp ra và điện áp vào

Tiếp giáp EB được phân cực thuận, còn tiếp giáp BC được phân cực ngược.C1, C2 là tụ điện liên lạc tín hiệu với tầng trước và tầng sau

Tín hiệu tới được đưa vào giữa hai cực phát – gốc (E – B), tín hiệu ra lấy giữa hai cực gốc – góp (B – C)

Cực gốc B chung cho cả mạch vào và mạch ra, nên gọi là mạch cực gốc chung

Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: Điện áp dương của tín hiệu hợp với điện áp dương của nguồn E1 , làm cực phát có điện áp dương hơn trước

so với cực gốc UBE tăng làm cho tiếp giáp EB phân cực thuận bởi điện áp lớn hơn, do đó IE tăng lên, làm dòng IC tăng, sụt áp trên R2 tăng, điện áp

UC giảm, nghĩa là dương lên, nên điện áp ra dương hơn

- Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: Điện áp âm của tín hiệu làm giảm điện

áp dương của nguồn E1, làm cho UE bớtdương hơn so với cực gốc nên

UBE giảm, làm cho IE giảm, kéo theo IC giảm Sụt áp trên R2 giảm, điện

áp UC tăng lên, nghĩa là âm hơn, làm cho tín hiệu ra âm đi

Như vậy, trong mạch cực gốc chung: điện áp ra đồng pha với điện áp vào Dựa vào tính toán, người ta cũng tính được trở kháng vào và trở kháng ra, độ tăng dòng, độ tăng áp, độ tăng công suất của transistor

R I

Ku lớn trong khoảng từ vài trăm đến một nghìn

- Độ tăng công suất:

R I

R I

Cực phát E tham gia cả mạch vào và mạch ra, nên mạch này gọi là mạch cực phát chung

Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: điện áp dương của tín hiệu làm cho

UB bớt âm hơn UBE giảm, IB và IC đều giảm Sụt áp trên R2 giảm đi, làm cho UC tăng, tức là làm UC âm hơn

- Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: điện áp âm của tín hiệu phối hợp với điện áp âm ở cực gốc làm cho UB âm hơn UBE tăng lên, IBvà IC đều tăng Sụt áp trên R2 tăng, làm cho UC giảm, tức là UC dương lên

Như vậy điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau Qua đây ta thấy, UBE thay đổi thì IB,IE thay đổi, và IC cũng thay đổi theo

C

I I

R I

Ku có giá trị trong khoảng vài tăm đến vài nghìn

- Độ tăng công suất:

R I

R I

Ku có giá trị trong khoảng 1000 – 10000

Mạch cực phát chung là kiểu mạch được dùng phổ biến nhất vì Ki, Ku,Kp đều lớn và hơn nữa R1, R2 không quá chênh lệch như mạch cực gốc chung Nên trong máy thông dụng thường ghép tầng theo kiểu điện trở điện dung, vừa gọn nhẹ, vừa

dễ lắp ráp, điều chỉnh

c Mạch cực góp chung:

Sơ đồ như hình vẽ

Hình 1 14: Mạch cực góp chung

Cực góp vừa tham gia mạch vào, vừa tham gia mạch ra, nên gọi là mạch cực góp chung Tiếp giáp EB được phân cực thuận, tiếp giáp BC được phân cực ngược Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch:

- Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp ít âm hơn nên

UBE giảm, dòng phát IE giảm, sụt áp trên R2 giảm, UE bớt âm hơn, nghĩa

là dương hơn trước khi có tín hiệu vào

- Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp âm hơn trước, UBE

tăng,làm cho IE tăng, sụt áp trên R2 tăng lên nên UE càng âm hơn

Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào

- Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục

Mạch cực góp chung thường chỉ dùng ở tầng khuếch đại âm tần đầu cho các máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa Nó còn dùng trong tầng đệm thay biến áp giữa hai tầng mạch cực phát chung vì nó có trở kháng vào lớn dễ phối hợp với trở kháng vào nhỏ của transistor sau

d So sánh giữa ba cách mắc:

chung

Mạch cực phát chung

Mạch cực góp chung

Pha giữa tín hiệu

b Điện áp cực đại cho phép

Đó là các điện áp không được vượt quá để không gây đánh thủng các chuyển tiếp P – N tương ứng

c Công suất tiêu tán cực đại cho phép

Khi làm việc trong một tầng khuếch đại nào đó, để không phá hỏng transistor, công suất tức thời tiêu tán trên transistor nhất thiết không được vượt quá giá trị PCmax

1.4 Transistor trường (FET)

1.4.1 Cấu tạo

Transistor trường gồm một thanh bán dẫn loại N hoặc P (kênh N hoặc kênh

P) được cấy vào khoen chất bán dẫn loại P (hoặc N), có ba cực:

- Cực nguồn S (Source): cực này được coi như nguồn cung cấp hạt dẫn điện cơ bản

- Cực máng D (Drain): đây là cực thu hút hạt dẫn điện cơ bản

- Cực cổng G (gate): nằm ở giữa thanh, đây là một loại bán dẫn khác

1.4.2 Transistor trường có cực cửa tiếp giáp(JFET)

a Cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ

b Hoạt động

Ta xét loại JFET kênh N:

Để cho transistor trường hoạt động, người ta phân cực cho các lớp tiếp giáp như hình vẽ Giữa nguồn và máng có mắc thêm nguồn UDS Khi đó electron bắt đầu chuyển động từ nguồn về máng qua kênh dẫn, tạo nên dòng điện máng IDS (hay ID)

Kí hiệu

Hình 1 15: Cấu tạo JFET kênh P

Hình 1 16: Cấu tạo JFET kênh N

Đặt một điện áp phân cực ngược UGS ở hai mặt tiếp xúc cổng G và kênh, sẽ tạo thành một vùng hiếm electron ở kênh, vùng nghèo hạt mang điện tăng lên làm

thu hẹp tiết diện của kênh dẫn, và tiết diện của kênh dẫn bị nghẽn lại

Điện trở suất của kênh dẫn khá lớn nên khi chạy qua kênh dẫn, dòng ID sẽ gây ra một sự phân bố điện thế dọc theo chiều dài của kênh Các điểm trong kênh có

vị trí càng gần cực D (tức là càng xa cực S) sẽ có điện thế càng cao, do đó tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N tăng dần theo hướng từ cực S tới cực D Vì vậy bề dày của vùng nghèo cũng tăng dần theo hướng đó Nói cách khác: kênh dẫn

có tiết diện giảm dần : ở gần cực D kênh dẫn là hẹp nhất

Nếu giữ UDS không đổi, tăng dần UGS:tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N sẽ càng tăng: vùng nghèo càng mở rộng, kênh dẫn càng thu hẹp Do đó điện trở kênh dẫn càng tăng và dòng máng ID càng giảm Còn dòng giữa cực G và

cực S chỉ là dòng ngược của chuyển tiếp P – N, thường rất nhỏ không đáng kể

Nếu UGS tiếp tục tăng thì kênh DS sẽ bị nghẽn hoàn toàn: ID = 0 Vậy ID phụ thuộc UGS Ta có: Đặc tuyến truyền đạt: ID = f(UGS), khi UDS = const

Nếu UGS = 0, UDS tăng dần từ 0:

+ Khi UDS còn nhỏ, phân bố điện thế do UDS gây ra trên điện trở kênh dẫn ảnh hưởng chưa đáng kể đến chiều dày vùng nghèo và tiết diện của kênh, vì vậy kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở thông thường với giá trị hầu như không đổi :

điện áp tăng khiến dòng điện tăng theo

+ UDS lớn dần: vùng nghèo ngày càng mở rộng lấn sâu vào kênh dẫn, thu hẹp tiết diện của kênh làm cho điện trở kênh tăng và dòng ID tăng chậm lại

+ Khi UDS = Up : vùng nghèo mở rộng đến tới mức choán hết tiết diện của kênh tại vùng gần cực D, nghĩa là kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực máng.Up là điện

áp thắt

+ Khi UDS > UP: vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền kênh bị thắt trải dài về phía cực nguồn S, làm cho điện trở kênh dẫn càng tăng Vì vậy tuy UDS tăng nhưng dòng ID hầu như ít thay đổi và đạt giá trị bão hòa

+ Khi UDS quá lớn: xảy ra hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N

Vậy ID phụ thuộc UDS. Ta có đặc tuyến máng: ID = f(UDS), khi UGS = const

1.4.3 Transistor trường có cực cửa cách ly (MOSFET)

a Cấu tạo:

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ

B hay SS

S

D

G Cực nền

SS hay B

Cực D

Cực G Lớp SiO 2

Cực S

Kênh N Lớp nền

P

B hay SS

Hình 1 17: Cấu tạo MOSFET kênh P

Hình 1 18: Cấu tạo MOSFET kênh N

Đó là một thanh bán dẫn loại N hay P dùng làm nền, nối ra ngoài bằng cực B hay cực S Phía trên thanh nền có một kênh bán dẫn loại P hay N mỏng, hai đầu kênh dẫn được nối ra hai cực nguồn S và máng D Phía trên kênh bán dẫn là một lớp cách điện bằng SiO2, được nối ra ngoài bằng cực cổng G, cách điện với các cực kia

b Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N

Để phân cực cho MOSFET người ta đặt một điện áp UDS>0 Ban đầu dưới tác dụng của UDS, qua kênh dẫn và cực máng có dòng điện ID, tạo bởi hạt dẫn đa số

của kênh

Đặt điện áp âm phân cực ở cổng G :UGS<0, các điện tích âm tích tụ trên cực

G, các điện tích dương sẽ tích tụ ở cực đối diện, tức là trong kênh dẫn (lớp SiO2đóng vai trò điện môi của tụ) Các điện tích dương này sẽ tái hợp với điện tử, làm giảm nồng độ hạt dẫn vốn có trong kênh, khiến điện trở của kênh tăng và dòng máng ID giảm.Càng tăng trị số của UGS dòng ID càng giảm Chế độ làm việc như vậy

gọi là chế độ làm nghèo hạt dẫn

Nếu đặt lên điện áp dương phân cực ở cổng G, UGS>0, quá trình xảy ra ngược lại, càng tăng trị số UGS, nồng độ hạt dẫn trong kênh càng tăng thêm, điện trở kênh càng giảm.Và dòng ID càng tăng Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ làm

giàu

* Nhận xét:

Ngay khi UGS = 0, MOSFET kênh có sẵn đã có dòng máng ,ban đầu ID khác 0.Tùy cực tính của UGS mà MOSFET hoạt động ở chế độ giàu hay chế độ nghèo, dùng giá trị của UGS để điều khiển dòng ID tăng hay giảm

Ta có đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh có sẵn loại N

như hình vẽ:

1.4.4 Cấu tạo và hoạt động của MOSFET loại kênh cảm ứng

a Cấu tạo

Trên cùng một nền bán dẫn P hay N, trên đó có hai cực nguồn S và máng D bằng chất bán dẫn N hay P, nhưng hai cực này tách biệt nhau không nối với nhau

như MOSFET loại kênh có sẵn

Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ

Hình 1 19: MOSFET kênh P

Hình 1 20: MOSFET kênh N

B hay SS hay G 2

S

D

G 1

Kí hiệu

b Hoạt động:

Xét hoạt động của MOSFET kênh N

Đặt điện áp dương phân cực ở cực G: UGS > 0, các điện tích dương thu nhận các electron tự do từ cực nguồn S của chất bán dẫn N, tạo thành một kênh bán dẫn

N ngay dưới lớp SiO2 làm cho dòng máng – nguồn ID tăng lên

Đặt điện áp âm phân cực ở cực cửa : UGS = < 0, không có dòng cực máng ID

do tồn tại hai tiếp giáp P – N mắc đối nhau Do đó không tồn tại kênh nối máng – nguồn

Chương II – MẠCH KHUẾCH ĐẠI VÀ MẠCH HỒI TIẾP

2.1 Mạch khuếch đại

Một mạch khuếch đại thường gồm nhiều tầng, mỗi tầng gồm một số linh kiện, có thể phân loại theo nhiệm vụ của nó:

- Khuếch đại điện áp

- Khuếch đại công suất

- Khuếch đại dòng một chiều( các tín hiệu một chiều) Hoặc phân loại theo dải tần hoạt động:

- Khuếch đại tần số thấp ( vài Hz đến vài chục Hz)

- Khuếch đại tần số cao ( vài chục KHz đến vài ngàn MHz) Hoặc phân loại theo chế độ hoạt động:

- Khuếch đại hạng A: điểm làm việc nằm trên phần thẳng của đặc tuyến, khuếch đại trung thực, dùng trong mạch khuếch đại điện áp Khuyết điểm: hiệu suất thấp do dòng I tiêu thụ lớn

- Khuếch đại hạng B: điểm làm việc nằm ở gốc của đặc tuyến nên có một phần nhỏ đặc tuyến nằm trên đoạn cong ở gốc Dùng trong các mạch khuếch đại công suất, hiệu suất lớn hơn nhiều ở chế độ A, có tín hiệu đến mạch thì dòng I mới đáng kể

- Khuếch đại hạng C: điểm hoạt động nằm xa gốc của đặc tuyến, biên độ tín hiệu phải lớn mạch mới khuếch đại được, hiệu suất lớn hơn ở chế độ B, độ méo dạng đáng kể

Khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng của nguồn cung cấp một chiều (không chứa đựng thông tin) được biến đổi thành dạng năng lượng xoay chiều (có quy luật biến đổi mang thông tin cần thiết)

2.2 Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại:

Phần tử điều khiển (transistor) có điện trở thay đổi theo sự điều khiển của điện áp hay dòng điện đặt tới cực gốc của nó,qua đó điều khiển quy luật biến đổi

dòng điện của mạch ra Tại lối ra người ta nhận được một điện áp biến thiên cùng

quy luật với tín hiệu vào nhưng độ lớn được tăng lên nhiều lần

Giả thiết điện áp đặt vào cực B có dạng hình sin Ta thấy điện áp, dòng ra ở mạch tỉ lệ với điện áp, dòng điện của tín hiệu vào Cụ thể là:

- Dòng điện ra coi như là tổng đại số của hai thành phần: thành phần một chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành phần xoay chiều do tín hiệu xoay chiều VS

Minh họa như hình vẽ:

2.3.1 Chế độ A:

Chọn điện áp phân cực sao cho điểm tĩnh Q nằm ở khoảng giữa đoạn MN trên đường tải xoay chiều (M,N lần lượt là giao điểm của đường thẳng tải với đặc tuyến ra ứng với dòng cực đại Imax, và dòng cực tiểu Imin)

Xem hình vẽ

Hình 2 2: Điểm làm việc ở chế độ A

Đặc điểm của chế độ này là:

- Khuếch đại trung thực, vùng làm việc gây ra méo nhỏ nhất

- Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác 0, nghĩa là ngay ở trạng thái tĩnh, tầng khuếch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kể Biên độ dòng và áp xoay chiều lấy

ra (Icm, UCEm) tối đa chỉ bằng dòng và áp tĩnh Vì vậy chế độ A có hiệu suất thấp Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ

2.3.2 Chế độ B

Chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với điểm D hoặc điểm N Ta nói phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B

Xem hình vẽ

Hình 2 3: Điểm làm việc ở chế độ B (a) cùng dạng sóng tương ứng của dòng điện (b) và điện áp (c)

Đặc điểm của chế độ này:

- Khi dòng điện vào hoặc điện áp vào có dạng hình sin thì dòng điện ra hoặc điện áp ra chỉ còn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nói cách khác: méo phi tuyến trầm trọng

- Ở trạng thái tĩnh, dòng ICQ gần bằng 0, do đó năng lượng tiêu thụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ.Chỉ ở trang thái động, dòng điện mới tăng dần theo biên độ tín hiệu vào Do đó, năng lượng tiêu thụ cũng tỉ lệ với biên độ tín hiệu xoay chiều lấy

ra Như vậy chế độ B có hiệu suất cao

Chế độ B thường dùng trong các tầng khuếch đại công suất ( các tầng cuối của thiết bị khuếch đại) Để khắc phục méo phi tuyến, nó đòi hỏi mạch phải có hai 2

vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong hai nửa chu kì (mạch push- pull)

Trên thực tế người ta còn dùng chế độ AB: Điểm Q chọn trên điểm N và gần

điểm này Lúc đó phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm méo phi tuyến nhưng hiệu suất kém hơn ở chế độ B

2.3.3 Chế độ khóa (còn gọi là chế độ đóng mở hay chế độ D)

Tầng khuếch đại làm việc ở một trong hai trạng thái đối lập: trạng thái khóa (hoặc trạng thái tắt) khi Q nằm dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hòa (hoặc trạng thái mở) khi Q nằm phía trên điểm M (gần điểm C) Chế độ thường gặp ở các mạch xung

2.4 Mạch hồi tiếp

2.4.1 Định nghĩa

Hồi tiếp là hiện tượng đưa tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại (hoặc tầng khuếch đại) ngược trở về ngõ vào, nghĩa là trái với đường truyền thông thường của quá trình khuếch đại

Hình 2 4: Mạch hồi tiếp 2.4.2 Phân loại

Gọi K là hệ số khuếch đại khi chưa có hồi tiếp, K’ là hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp

- Nếu K’< K : Tín hiệu ra ngược pha tín hiệu vào Ta có hồi tiếp âm Tuy

hệ số khuếch đại K’ giảm nhưng dải thông được mở rộng cả hai phía fthấp, fcao

- Nếu K’ > K: Tín hiệu ngã ra đồng pha tín hiệu ngã vào gọi là hồi tiếp dương

Hệ số khuếch đại K’ tăng nhưng mạch khuếch đại kém ổn định Trong trường hợp K’ rất lớn thì mạch khuếch đại trở thành mạch dao động

* Nhận xét:

Hồi tiếp âm rất thông dụng trong các mạch khuếch đại Nó cải thiện nhiều tính năng của mạch Trái lại hồi tiếp dương thường làm bộ khuếch đại giảm sút chất lượng, thậm chí phá hỏng trạng thái ổn định của nó, do đó rất cần tránh Hồi tiếp dương chỉ được dùng trong các mạch dao động mà thôi

ra

U β

Chương III - OPAMP

3.1 Giới thiệu chung – lịch sử

Đây là một loại mạch hết sức phổ biến và rất vạn năng trong số các mạch tích hợp tuyến tính Nó được coi là “viên gạch cơ bản” để xây dựng nên nhiều hệ thống điện tử tuyến tính (hoặc không tuyến tính) phức tạp Khuếch đại thuật toán là một bộ khuếch đại nối tầng trực tiếp, có hệ số khuếch đại rất lớn, thường sử dụng các mạch liên kết ngược để khống chế các đặc trưng, đồng thời để thỏa mãn các chức năng nhất định

Từ khi mới ra đời, mạch khuếch đại thuật toán được thiết kế để thực hiện các phép tính bằng cách sử dụng điện áp như một giá trị tương tự để mô phỏng các đại lượng khác Đây là thành phần cơ bản trong các máy tính tương tự, trong đó mạch khuếch đại thuật toán sẽ thực hiện các thuật toán như Cộng, Trừ, Tích phân và Vi phân v.v Tuy nhiên, mạch khuếch đại thuật toán lại rất đa năng, với rất nhiều ứng dụng khác ngoài các ứng dụng thuật toán

Trong khi các mạch khuếch đại thuật toán đầu tiên phát triển trên các đèn điện tử chân không, giờ đây chúng thường được sản xuất dưới dạng mạch tích hợp gọi là các IC, mặc dù vậy, những phiên bản lắp ráp bằng linh kiện rời cũng được sử dụng nếu cần những tiện ích vượt quá tầm của các IC

Những mạch khuếch đại thuật toán tích hợp đầu tiên được ứng dụng rộng rãi

từ cuối thập niên 1960 và ngày càng tốt hơn Những thiết kế tốt hơn đã được giới thiệu, một số dựa trên transistor hiệu ứng trường FET (cuối thập niên 1970) và transistor hiệu ứng trường có cổng cách điện MOSFET (đầu thập niên 1980)

3.2 Chức năng

Khuếch đại thuật toán (KĐTT), còn gọi là OPAMP (viết tắt từ Operational Amplifier) là một bộ khuếch đại DC, có hệ số khuếch đại Av rất cao và thường được chế tạo dưới dạng tích hợp (IC)

Khuếch đại thuật toán thường được dùng để thực hiện các thuật toán trong máy tính tương tự cho nên nó có tên gọi như vậy Ngày nay, KĐTT được ứng dụng

trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, với tầm tần số rộng từ DC đến hàng GHz như: tạo dao động, hạn chế, so sánh,…

3.3 Cấu tạo

3.3.1 Cấu tạo

Các mạch khuếch đại thuật toán thực nghiệm, được lắp ráp bằng các transistor, các đèn điện tử chân không hoặc những linh kiện khuếch đại khác, được trình bày dưới dạng những mạch linh kiện rời rạc hoặc các mạch tích hợp đã tỏ ra rất tương hợp với những linh kiện thực sự

Hình 3 1:Cấu trúc cơ bản của một bộ KĐTT

Ngõ vào là tầng khuếch đại vi sai, tiếp theo là các tầng khuếch đại trung gian (có thể là tầng đệm hoặc khuếch đại vi sai), tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực

DC ở ngõ ra, cuối cùng là tầng đệm để khuếch đại dòng và có trở kháng ra thấp, tạo tín hiệu bất đối xứng ở ngõ ra Các tầng khuếch đại đều ghép trực tiếp với nhau

Hình 3 2: Sơ đồ chân thực tế của OMAMP

OPAMP gồm có 8 chân, ta chỉ quan tâm đến 5 chân trong số đó:

Dịch mức

DC

Đệm ngõ