Kỹ thuật mạch tương tự - Chương 1 ppsx

b Phân loại Do đặc trung chính của điện trở là cản trở dòng điện nên khi dòng điện chạy qua nó sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng , cụ thể ở đây là điện năng theo phương trình P = I2R Với

Phần 2:

Kỹ thuật mạch tương tự

Mục lục

Chương 1 Các linh kiện điện tử cơ bản 4

1.1 Linh kiện tích cực : 4

1.2 Linh kiện thụ động: 6

1.2.1 Điện trở : 6

1.2.2 Tụ điện 8

1.2.3 Cuộn cảm 11

1.3 Linh kiện bán dẫn 12

1.3.1 Giới thiệu về chất bán dẫn 12

1.3.2 Các ứng dụng của chất bán dẫn 14

1.4 Kết luận 21

Chương 2 Mạch khuếch đại 22

2.1 Khái niệm và phân loại khuếch đại 22

2.2 Các thông số cơ bản của mạch khuếch đại 23

2.2.1 Hệ số khuếch đại 23

2.2.2 Đặc tính biên độ tần số và pha tần số 23

2.2.3 Đặc tính biên độ 25

2.2.4 Hiệu suất η của mạch khuếch đại: 26

2.2.5 Trở kháng vào, trở kháng ra của mạch khuếch đại .26

2.3 Khuếch đại tần thấp dùng transistor 28

2.3.1 Khuếch đại mắc Emitơ chung .28

2.3.2 Khuếch đại mắc bazơ chung 32

2.3.3 Khuếch đại colectơ chung .33

2.3.4 Khuếch đại dùng transistorr trường FET .34

2.3.5 Ví dụ xây dựng mạch khuếch đại mắc Emito chung .37

2.3.6 Một số cách mắc transistor đặc biệt dùng trong khuếch đại 40

2.4 Khuếch đại dùng vi mạch thuật toán 41

2.4.1 Vi mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp) 41

2.4.2 OpAmp lý tưởng và thực tế: 41

2.4.3 Mạch khuếch đại: 43

2.4.4 Mạch cộng trừ: 45

2.4.5 Mạch vi tích phân: 48

2.4.6 Bài tập: 50

2.5 Khuếch đại công suất 51

2.5.1 Tầng khuếch đại công suất đơn dùng biến áp làm việc ở chế độ A 52

2.5.2 Khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp 53

2.5.3 Khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp 56

Chương 3 Mạch dao động 59

3.1 Mạch dao động tạo xung 59

3.1.1 Đa hài tạo xung vuông .59

3.1.2 Mạch tạo xung tuyến tính 59

3.2 Mạch dao động tạo sin 59

3.2.1 Khái niệm chung 59

3.2.2 Tạo dao động hình sin LC ghép hỗ cảm 61

3.2.3 Tạo dao động hình sin kiểu 3 điểm 63

3.2.4 Tạo dao động RC 67

Chương 4 Mạch nguồn 70

4.1 Nguồn chỉnh lưu 70

4.1.1 Mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ: 70

4.1.2 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ: 72

4.1.3 Mạch chỉnh lưu cầu: 74

4.1.4 Chỉnh lưu bội áp 75

4.1.5 Lọc san bằng 76

4.2 Nguồn ổn áp 1 chiều tuyến tính 76

4.2.1 Các tham số ổn áp một chiều 77

4.2.2 Ổn áp một chiều bù tuyến tính .77

4.2.3 Các IC ổn áp tuyến tính 80

4.2.4 Nguyên lý ổn áp xung .82

Chương 1 Các linh kiện điện tử cơ bản

- Nguồn dòng cố định: cho dòng ra ổn định và không thay đổi

- Nguồn dòng phụ thuộc: cho dòng ra tỷ lệ với một áp điều khiển đầu vào

- Nguồn chính xác hơn có thể ráp bằng OpAmp

Hình 1.1.1.2 Sơ đồ mạch nguồn dòng dung OpAmp

- Các nguồn dòng cố định có thể dùng các IC tạo dòng chuyên nghiệp

Hình 1.1.2.1 Sơ đồ mạch nguồn áp 1.1.3 So sánh

- Nguồn áp lý tưởng có trở kháng nguồn là 0 Ohm, còn thực tế thì rất nhỏ, dưới 1 Ohm

- Nguồn dòng ngược lại có trở kháng nguồn là vô cùng lớn (lý tưởng)

- Trong trường hợp nguồn áp được làm từ một số transistor, ở tần số thấp, điện trở nguồn cỡ vài Mega Ohm

- Về nguyên tắc, tải của nguồn dòng không được là một giá trị vô cùng lớn

và tải của nguồn áp kô đc là ngắn mạch

b) Phân loại

Do đặc trung chính của điện trở là cản trở dòng điện nên khi dòng điện chạy qua

nó sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng , cụ thể ở đây là điện năng theo phương trình

P = I2R Với P : Công suất tổn hao trên điện trở (W)

I : Cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A)

R : Trở kháng của điện trở (Ω) Chính vì vậy khi phân loại điện trở trên thực tế ngưởi ta phân loại theo công suất tiêu thụ tối đa của điện trở :

- Điện trở công suất lớn ( > 1W)

- Điện trở công suất trung bình (1/4W-1W)

- Điện trở công suất nhỏ (1/8W – 1/4W) Tuy nhiên, do ứng dụng thực tế và do cấu tạo riêng của các vật chất tạo nên điện trở nên thông thường, điện trở được chia thành 2 loại:

- Điện trở: là các loại điện trở có công suất trung bình và nhỏ hay là các điện trở chỉ cho phép các dòng điện nhỏ đi qua

- Điện trở công suất: là các điện trở dùng trong các mạch điện tử có dòng điện lớn đi qua hay nói cách khác, các điện trở này khi mạch hoạt động

sẽ tạo ra một lượng nhiệt năng khá lớn Chính vì thế, chúng được cấu tạo nên từ các vật liệu chịu nhiệt

c) Cách xác định giá trị điện trở:

Cách đọc giá trị các điện trở này thông thường cũng được phân làm 2 cách đọc, tuỳ theo các ký hiệu có trên điện trở Dưới đây là hình về cách đọc điện trở theo vạch màu trên điện trở

Hình 1.2.1.1 Bảng các vạch màu trên thân trở

Đối với các điện trở có giá trị được định nghĩa theo vạch màu thì chúng ta có 3

loại điện trở: Điện trở 4 vạch màu và điện trở 5 vạch màu và 6 vạch màu Loại

điện trở 4 vạch màu và 5 vạch màu được chỉ ra trên hình vẽ Khi đọc các giá trị

điện trở 5 vạch màu và 6 vạch màu thì chúng ta cần phải để ý một chút vì có sự

khác nhau một chút về các giá trị Tuy nhiên, cách đọc điện trở màu đều dựa trên

các giá trị màu sắc được ghi trên điện trở 1 cách tuần tự:

¾ Đối với điện trở 4 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ giá trị sai số của điện trở

¾ Đối với điện trở 5 vạch màu

- Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 4: Chỉ hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở

- Vạch màu thứ 5: Chỉ giá trị sai số của điện trở

¾ Ví dụ Như trên hình vẽ, điện trở 4 vạch màu ở phía trên có giá trị màu lần lượt là:

xanh lá cây/xanh da trời/vàng/nâu sẽ cho ta một giá trị tương ứng như bảng màu lần lượt là 5/6/4/1% Ghép các giá trị lần lượt ta có 56x104Ω=560kΩ và sai số điện trở là 1%

Tương tự điện trở 5 vạch màu có các màu lần lượt là: Đỏ/cam/tím/đen/nâu sẽ tương ứng với các giá trị lần lượt là 2/3/7/0/1% Như vậy giá trị điện trở chính

là 237x100=237Ω, sai số 1%

a) Khái niệm và đặc trưng vật lý

Tụ điện theo đúng tên gọi chính là linh kiện có chức năng tích tụ năng lượng điện Chúng thường được dùng kết hợp với các điện trở trong các mạch định thời bởi khả năng tích tụ năng lượng điện trong một khoảng thời gian nhất định Đồng thời tụ điện cũng được sử dụng trong các nguồn điện với chức năng làm giảm độ gợn sóng của nguồn trong các nguồn xoay chiều, hay trong các mạch lọc bởi chức năng của tụ nói một cách đơn giản đó là tụ ngắn mạch (cho dòng điện đi qua) đối với dòng điện xoay chiều và hở mạch đối với dòng điện

1 chiều.

Để đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng điện của tụ điện, người ta đưa

ra khái niệm là điện dung của tụ điện Điện dung càng cao thì khả năng tích trữ năng lượng của tụ điện càng lớn và ngược lại Giá trị điện dung được đo bằng đơn vị Fara (kí hiệu là F) Giá trị F là rất lớn nên thông thường trong các mạch điện tử, các giá trị tụ chỉ đo bằng các giá trị nhỏ hơn như micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF)

c) Cách nhận biết các loại tụ điện

¾ Tụ phân cực : thường là các tụ điện một chiểu

™ Tụ hóa :

- Tụ hóa là một loại tụ có phân cực Chính vì thế khi sử dụng tụ hóa yêu cầu người sử dụng phải cắm đúng chân của tụ điện với điện áp cung cấp Thông thường, các loại tụ hóa

thường có kí hiệu chân cụ thể cho người sử Hình 1.2.2.1 Tụ hóa

dụng bằng các ký hiệu + hoặc - tương ứng với chân tụ

- Có hai dạng tụ hóa thông thường đó là tụ hóa có chân tại hai đầu trụ tròn của tụ (tụ có ghi 220μF trên hình ) và loại tụ hóa có 2 chân nối ra cùng 1 đầu trụ tròn (tụ có ghi giá trị 10μF trên hình )

- Trên các tụ hóa, người ta thường ghi kèm giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được Nếu trường hợp điện áp lớn hơn so với giá trị điện áp trên

tụ thì tụ sẽ bị phồng hoặc nổ tụ tùy thuộc vào giá trị điện áp cung cấp

Thông thường, khi chọn các loại tụ hóa này người ta thường chọn các loại

tụ có giá trị điện áp lớn hơn các giá trị điện áp đi qua tụ để đảm bảo tụ hoạt động tốt và đảm bảo tuổi thọ của tụ hóa

™ Tụ Tatanli

Tụ Tantali cũng là loại tụ hóa nhưng có điện

áp thấp hơn so với tụ hóa Chúng khá đắt nhưng nhỏ thường được dùng khi yêu cầu về

tụ có điện dung lớn nhưng kích thước nhỏ

Các loại tụ Tantali hiện nay thường ghi rõ trên

nó giá trị tụ, điện áp cũng như cực của tụ Các loại tụ Tantali ngày xưa sử dụng mã màu để phân biệt Chúng thường có 3 cột màu

Hình 1.2.2.2 Tụ Tantali

(biểu diễn giá trị tụ, một cột biểu diễn giá trị điện áp) và một chấm màu đặc trưng cho số các số không sau dấu phẩy tính theo giá trị μF Chúng cũng dùng mã màu chuẩn cho việc định nghĩa các giá trị nhưng đối với các điểm màu thì điểm màu xám có nghĩa là giá trị tụ nhân với 0,01; trắng nhân 0,1 và đen là nhân 1 Cột màu định nghĩa giá trị điện áp thường nằm ở gần chân của tụ và có các giá trị như sau:

¾ Giá trị thứ 3 là giá trị 10x của

tụ Giá trị của tụ được đọc theo chuẩn là giá trị picro Fara (pF) Hình 1.2.2.3 Tụ kẹo & tụ gốm

Ví dụ: tụ ghi giá trị 102 thì có nghĩa là 10 và thêm 2 số 0 đằng sau

=1000pF = 1nF chứ không phải 102pF

™ Tụ dùng màu để xác định giá trị

Sử dụng chủ yếu trên các tụ loại polyester trong rất nhiều năm Hiện nay các loại tụ này đã không còn bán trên thị trường nữa nhưng chúng vẫn tồn tại trong khá nhiều các mạch điện tử cũ

Màu được định nghĩa cũng tương tự như đối với màu trên điện trở 3 màu trên cùng lần lượt chỉ giá trị tụ tính theo pF, màu thứ

4 là chỉ dung sai và màu thứ 5 chỉ ra giá trị điện áp

Ví dụ : tụ có màu nâu/đen/cam có nghĩa là 10000pF= 10nF= 0.01uF

Chú ý rằng ko có khoảng trống nào giữa các màu nên thực tế khi có 2 màu cạnh nhau giống nhau thì nó tạo ra một mảng màu rộng Ví dụ Dải đỏ rộng/vàng= 220nF=0.22uF

¾ Tụ xoay và tụ chặn :

- Tụ xoay : thường được sử dụng trong các

mạch điều chỉnh radio Chúng thường có các giá trị rất nhỏ, thông thường nằm trong khoảng

từ 100pF đến 500pF

Rất nhiều các tụ xoay có vòng xoay ngắn nên chúng không phù hợp cho các dải biến đổi rộng như là điện trở hoặc các chuyển mạch xoay

Chính vì thế trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong các mạch định thời hay các mạch điều chỉnh thời gian thì người ta thường thay các tụ xoay bằng các điện trở xoay và kết hợp với 1 giá trị tụ điện xác định

- Tụ chặn : là các tụ xoay có giá trị rất nhỏ

Chúng thường được gắn trực tiếp lên bản mạch điẹn tử và điều chỉnh sau khi mạch đã được chế tạo xong Tương tự các biến trở hiện này thì khi điều chỉnh các tụ chặn này người ta cũng dùng các tuốc nơ vít loại nhỏ để điều chỉnh Tuy nhiên do giá trị các tụ này khá nhỏ nên khi điều chỉnh, người ta thường phải rất cẩn thận và kiên trì vì trong quá trình điều chỉnh có sự ảnh hưởng của tay và tuốc nơ vít tới giá trị tụ

Các tụ chặn này thường có giá trị rất nhỏ, thông thường nhỏ hơn khoảng 100pF Có điều đặc biệt là không thể giảm nhỏ được các giá trị tụ chặn về 0 nên chúng thường được chỉ định với các giá trị

tụ điện tối thiểu, khoảng từ 2 tới 10 pF

1.2.3 Cuộn cảm

a) Khái niệm và đặc trưng vật lý

Cuộn cảm là một phần tử thụ động trong mạch điện có tính chất ngăn cản dòng điện xoay chiều đối với dòng điện một chiều thì cuộn cảm lúc đó được coi đơn giản như một đoạn dây nối (ngắn mạch)

Tính chất của cuộn cảm : Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ

Hình 1.2.3.1 Quy tắc bàn tay trái

Thực tế, trong các đường dây điện thẳng bình thường, khi có dòng điện chạy qua thì xung quanh đường dây xuất hiện một từ trường, chiều của từ trường này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái:

Để tăng từ trường lên, chúng ta cuộn các đoạn dây thành vòng, nhờ đó mà các từ trường kết hợp lại với nhau tạo nên cuộn cảm có từ trường mạnh hơn rất nhiều

Khi cung cấp cho cuộn cảm một dòng điện chạy qua nó thì trong cuộn cảm xuất hiện một từ trường Hình ảnh minh hoạ sau sẽ nói lên điều đó:

Trị số của cuộn cảm phụ thuộc vào dòng điện, số vòng dây và cấu tạo của cuộn cảm

Đơn vị đo : Henri (H)Tuy nhiên trên thực tế các cuộn cảm thường

có giá trị rất nhỏ nên đơn vị hay được sử dụng là mH = 10-3 H

Hình 1.2.3.2 Từ trường của cuộn dây b) Phân loại:

Cuộn cảm được phân thành 2 loại chính:

¾ Cuộn cảm có điện dung biến đổi

¾ Cuốn cảm có điện dung xác đinh Thực tế hiện nay trên thị trường linh kiện điện tử các cuộn cảm thường không có trị số

chính xác vì vậy trong các ứng dụng thu phát Radio (RF) cần các cuộn cảm có độ

chính xác cao nhiều khi ta phải tự cuốn lấy cuộn cảm

Hình 1.2.3.4 Một số hình ảnh nam châm điện

• Micro điện động, loa điện động

Chất bán dẫn ( Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất

cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính

dẫn điện ở nhiệt độ phòng Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa

là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện

khác sẽ không dẫn điện

b Vùng năng lượng trong chất bán dẫn

Tính chất dẫn điện của các vật liệu rắn được giải thích nhờ lý thuyết vùng năng

lượng Như ta biết điện tử tổn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián

đoạn (các trạng thái dừng) Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại

với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này bị phủ lên nhau, và trở thành

các vùng năng lượng và sẽ có ba vùng chính

Hình 1.3.1.1 Các vùng năng lượng của chất rắn

• Vùng hóa trị (valence band): Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng

lượng, là vùng mà điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động

• Vùng dẫn (Conduction band): Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà

điện tử sẽ linh động (như các điện tử tự do) và điện tử ở vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên vùng dẫn

Tính dẫn điện tăng khi mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng

• Vùng cấm (Forbidden band): Là vùng nằm giữa vùng hóa trị và vùng dẫn, không

có mức năng lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm Nếu bán dẫn pha tạp, có thể xuất hiện các mức năng lượng trong vùng cấm (mức pha tạp)

Khoảng cách giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm (Band Gap) Tùy theo độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ

mà chất có thể là dẫn điện hoặc không dẫn điện

Như vậy, tính dẫn điện của các chất rắn và tính chất của chất bán dẫn có thể lý giải

một cách đơn giản nhờ lý thuyết vùng năng lượng như sau:

• Kim loại có vùng dẫn và vùng hóa trị phủ lên nhau (không có vùng cấm) do đó

luôn luôn có điện tử trên vùng dẫn vì thế mà kim loại luôn luôn dẫn điện

• Các chất bán dẫn có vùng cấm có một độ rộng xác định Ở không độ tuyệt đối (0

K) mức Fermi nằm giữa vùng cấm, có nghĩa là tất cả các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị, do đó chất bán dẫn không dẫn điện Khi tăng dần nhiệt độ, các điện tử sẽ

nhận được năng lượng nhiệt (k B T với k B là hằng số Boltzmann) nhưng năng lượng này chưa đủ để điện tử vượt qua vùng cấm nên điện tử vẫn ở vùng hóa trị

Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, sẽ có một số điện tử nhận được năng lượng lớn hơn năng lượng vùng cấm và nó sẽ nhảy lên vùng dẫn và chất rắn trở thành