Bài giảng Kỹ thuật điện tử ( Nguyễn Duy Nhật Viễn )

Kỹ thuật điện tử Nguyễn Duy Nhật Viễn .Chương 5 Kỹ thuật xung cơ bản

Kỹ thuật ñiện tử

Nguyễn Duy Nhật Viễn ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðÀ NẴNG

Chương 5: Kỹ thuật xung cơ bản.

Chương 6: Kỹ thuật số cơ bản.

ðiện áp, dòng ñiện và các ñịnh luật cơ bản

Lịch sử phát triển

1884, Thomas Edison phát minh ra ñèn ñiện tử

1948, Transistor ra ñời ở Mỹ, 1950, ứng dụng

transistor trong các hệ thống, thiết bị.

1960, mạch tích hợp (Integrated Circuit) ra ñời.

1970, Tích hợp mật ñộ cao

Linh kiện ñiện tử thông dụng

varicap hoặc varactor)

LED 7 ñọan

ðiện áp, dòng ñiện và các ñịnh luật cơ bản

ðiện áp giữa hai ñiểm A và B trong mạch ñược xác ñịnh: UAB=VA-VB.

Với VA và VB là ñiện thế ñiểm A và ñiểm B so với masse.

ðơn vị ñiện áp: Volt (V).

Dòng ñiện:

Dòng dịch chuyển có hướng của các hạt

mang ñiện trong vật chất.

Chiều dòng ñiện từ nơi có ñiện thế cao ñến

Kirchoff’s Voltage Law (KVL):

vòng bằng 0

ΣΣV=0

Gustav Kirchoff

Kirchoff’s Current Law (KCL):

bằng 0

ΣI=0.Σ

Kỹ thuật ñiện tử

Nguyễn Duy Nhật Viễn

Chương 2 Diode và ứng dụng

Tính dẫn ñiện của vật chất có thể thay ñổi

theo một số thông số của môi trường như

nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất …

Dòng ñiện là dòng dịch chuyển của các hạt mang ñiện

Vật chất ñược cấu thành bởi các hạt mang ñiện:

ρ↓ ρ↓

Chất cách ñiện Chất bán dẫn

 Vùng hóa trị: Liên kết hóa trị giữa ñiện tử và hạt nhân.

 Vùng tự do: ðiện tử liên kết yếu với hạt nhân, có thể di chuyển.

 Vùng cấm: Là vùng trung gian, hàng rào năng lượng ñể chuyển ñiện tử từ vùng hóa trị sang vùng tự do

Chất bán dẫn thuần: n=p.

 Pha thêm chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn Mendeleev

vao chất bán dẫn thuần, ví dụ Phospho vào Si.

 Nguyên tử tạp chất thừa 1 e lớp ngoài cùng liên kết yếu với hạt

nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một năng lượng yếu

 p>n

Chưa phân cực cho diode

Hiện tượng khuếch tán

Âm nguồn thu hút hạt mang ñiện tích dương (lỗ trống)

Dương nguồn thu hút các hạt mang ñiện tích âm (ñiện tử)

Vùng trống càng lớn hơn.

Gần ñúng: Không có dòng ñiện qua diode khi phân cực ngược.

Dòng ñiện này là dòng ñiện của các hạt thiểu số gọi là dòng trôi.

Giá trị dòng ñiện rất bé.

E

Nguồn 1 chiều tạo ñiện trường

E như hình vẽ.

ðiện trường này hút các ñiện

tử từ âm nguồn qua P, qua N

về dương nguồn sinh dòng ñiện theo hướng ngược lại

Ing -e

Phân cực thuận cho diode

Âm nguồn thu hút hạt mang

ñiện tích dương (lỗ trống)

Dương nguồn thu hút các hạt

mang ñiện tích âm (ñiện tử)

Vùng trống biến mất.

Dòng ñiện này là dòng ñiện của các hạt ña số gọi là dòng khuếch tán.

Giá trị dòng ñiện lớn.

E

Nguồn 1 chiều tạo ñiện trường

E như hình vẽ.

ðiện trường này hút các ñiện

tử từ âm nguồn qua P, qua N

về dương nguồn sinh dòng

ñiện theo hướng ngược lại

Ith -e

Dòng của các hạt mang ñiện ña số là dòng khuếch tán Id, có giá trị lớn.

Id=IseqU/kT

Với

ðiện tích: q=1,6.10 -19 C.

Hằng số Bolzmal: k=1,38.10 -23 J/K.

Nhiệt ñộ tuyệt ñối: T ( 0 K).

ðiện áp trên diode: U.

Dòng ñiện ngược bão hòa: IS chỉ phụ thuộc nồng ñộ tạp chất, cấu tạo các lớp bán dẫn mà không phụ thuộc U (xem như hằng số).

Dòng của các hạt mang ñiện thiểu số là dòng

trôi, dòng rò Ig, có giá trị bé.

Vậy:

Khi phân cực cho diode (I,U≠0):

ðặc tuyến tĩnh và các tham số của diode

Phương trình ñặc tuyến Volt-Ampe của diode:

I=Is(eqU/kT-1)

ðoạn AB (A’B’): phân cực thuận,

U gần như không ñổi khi I thay ñổi.

Ge: U~0.3V Si: U~0.6V.

ðoạn làm việc của diode chỉnh lưu

ðoạn CD (C’D’): phân cực ngược,

U gần như không ñổi khi I thay ñổi ðoạn làm việc của diode zener

ðiện trở một chiều: Ro=U/I

Dòng ñiện tối ña: IAcf

Hệ số chỉnh lưu: Kcl=Ith/Ing=Rng/Rth.

Bộ nguồn 1 chiều

Mạch lọc tụ C Ổn áp bằng diode zener

Kỹ thuật ñiện tử

Nguyễn Duy Nhật Viễn

Chương 3 BJT và ứng dụng

Phương pháp ghép các tầng khuếch ñại

Mạch khuếch ñại công suất

Cấu tạo BJT

BJT (Bipolar Junction Transistors)

Cho 3 lớp bán dẫn tiếp xúc công nghệ liên tiếp

nhau.

Các cực E: Emitter, B: Base, C: Collector.

ðiện áp giữa các cực dùng ñể ñiều khiển dòng

E

Ký hiệu

B C

Chiều dòng, áp của các BJT

B

C E

IE IC

IB-

+

VBE VBC

+ -

+

- VCE

B

C E

IE IC

IB-

+

VEB VCB

+ - + VEC -

IB

Vùng bão hòa

Vùng c t IB= 0

Các tham số của BJT

z21: Trở kháng thuận của BJT khi hở mạch ngõ ra.

BJT khi ngắn mạch ngõ ra

y22: Dẫn nạp ra của BJT khi ngắn mạch ngõ vào

h12: Hệ số hồi tiếp ñiện

áp của BJT khi hở mạch ngõ vào

dòng ñiện của BJT khi ngắn mạch ngõ ra

h22: Dẫn nạp ra của BJT khi hở mạch ngõ vào

Chú ý khi phân cực cho chế ñộ khuếch ñại:

Vì tiếp xúc B-E như một diode, nên ñể phân cực cho BJT, yêu cầu VBE≥Vγ.

ðường tải tĩnh và ñiểm làm

việc tĩnh của BJT

trên ñặc tuyến tĩnh của

BJT Quan hệ: IC=f(UCE)

trên ñường tải tĩnh ứng

với khi không có tín hiệu

Giao ñiểm giữa ñường tải

tĩnh với ñặc tuyến BJT của

Phân cực bằng dòng cố ñịnh

Tính ổn ñịnh nhiệt

ñiểm làm việc di chuyển từ A sang A’ BJT dẫn càng mạnh, nhiệt ñộ trong BJT càng tăng, càng làm IC tăng lên nữa

trường, ñiểm làm việc có thểsang A’’ và tiếp tục

hiệu ra bị méo

làm hỏng BJT

A A’

Tìm IB, IC, VCEvà công suất tiêu tán của BJT.

A(6V,4mA)

6

40µA 4

Phân cực bằng ñiện áp hồi tiếp

Áp dụng KLV cho vòng I:

IB=(UCE-UBE)/RB

Áp dụng KLI cho nút C:

I=IB+IC=IE

Áp dụng KLV cho vòng II:

 UCE giảm xuống UCEA’.

 Mà IB=(UCE-UBE)/RB Nên IB

và UBE giảm, dẫn ñến ICgiảm trở lại.

 ðiểm làm việc từ A’ lại trở

về A.

 Mạch ổn ñịnh nhiệt.

Phân cực bằng ñiện áp hồi tiếp

Hồi tiếp:

Hồi tiếp dương:

Hồi tiếp âm:

Phân cực bằng ñiện áp hồi tiếp

cách lấy ñiện áp UCE ñưa về

 Tụ C gọi là tụ thoát tín hiệu xoay chiều.

 Tín hiệu ñưa về thoát xuống masse theo tụ C mà không ñược ñưa về cực B của BJT

1

,

B B B B ng B B B B CC hm B

R R R R R R R R R V U V

+

=

= +

=

=

Phân cực tự ñộng

 Khi nhiệt ñộ tăng, IC tăng từ ICA

sang ICA’, ñiểm làm việc di

chuyển từ A sang A’ IC tăng

Mạch khuếch ñại dùng BJT

Các cách mắc mạch BJT

E-C (Emitter Common).

vào

ra

E B C

Mô hình Π:

Quy tắc vẽ sơ ñồ tương ñương tín

hiệu xoay chiều

ðối với tín hiệu xoay

R4

R3

R2 AC

 RC: Tải cực C.

 RE: Ổn ñịnh nhiệt.

 Rt: ðiện trở tải.

 en, Rn: Nguồn tín hiệu và ñiện trở trong của nguồn.

 C1, C2: Tụ liên lạc, ngăn thành phần 1 chiều, cho tín hiệu xoay chiều ñi qua.

 CE: Tụ thoát xoay chiều, nâng cao hệ số khuếch ñại toàn mạch.

Mạch khuếch ñại E-C

Sơ ñồ tương ñương

Mạch khuếch ñại E-C

Hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Gọi KIlà hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Ta có:

V t

v t C I

v v B v v B v v

v

t

t C B t t C B t t

r

r R

R R R K

R r i i r i R i

u

R

R R i i R R i R

.

//

//

.

β

β β

i

idòngvào

dòngra

Mạch khuếch ñại E-C

Hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Gọi KU là hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Ta có:

n v

t I n v v

t t U

n v v n

v

n v

t t r

RR

RKRRi

RiK

RRienRR

ei

Riu

+

=+

=

+

=

⇒+

=

=

.)(

)(

n

r U

e

u ápvào

Mạch khuếch ñại E-C với KI, KU có dấu âm nên tín hiệu ngõ ra ngược pha với tín hiệu ngõ vào.

ðiện trở vào và ñiện trở ra của mạch E-C có giá trị trung bình trong các sơ ñồ khuếch ñại.

chiều, cho tín hiệu

xoay chiều ñi qua

Hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Gọi KI là hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Ta có:

v t C I

v v E v v E v v v

t

t C E t t C E t t r

r R R R R K

R r i i r i R i u

R R R i i R R i R i u

).

//

(

.

.

//

//

.

α

α α

i

idòngvàodòngra

Mạch khuếch ñại B-C

Hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Gọi KUlà hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Ta có:

n v

t I n v v

t t U

n v v n

v

n v

t t

r

RR

RKRRi

RiK

RRienRR

ei

=

+

=

⇒+

=

=

.)(

)(

n

r U

e

u ápvào

ápra

KI~1 nhưng Rt>>Rv, Rnnên KU>1 : mạch khuếch ñại ñiện áp.

Mạch khuếch ñại B-C

Hệ số khuếch ñại công suất:

KP=KU.KI

Pha của tín hiệu:

KI>0 nên tín hiệu ngõ

ra cùng pha tín hiệu ngõ vào

Mạch khuếch ñại B-C

Nhận xét:

Mạch khuếch ñại B-C có biên ñộ Ki<1, KU>1

nên mạch không khuếch ñại dòng ñiện, chỉ

khuếch ñại ñiện áp.

Mạch khuếch ñại B-C với KI, KU có dấu

dương nên tín hiệu ngõ ra cùng pha với tín

hiệu ngõ vào.

ðiện trở vào của mạch B-C có giá trị nhỏ nhất

trong các sơ ñồ khuếch ñại.

Mạch khuếch ñại C-C

Sơ ñồ mạch

Tác dụng linh kiện:

RB1, RB2: Phân cực cho BJT Q

Hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Gọi KIlà hệ số khuếch ñại dòng ñiện:

Ta có:

v t E I

v v B v v B v v

v

t

t E B t

t E E t t

r

r R

R R R K

R r i i r i R i

u

R R R i i

R R i R

i

u

).

.

//

) 1 ( //

i

idòngvào

dòngra

Mạch khuếch ñại C-C

Hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Gọi KU là hệ số khuếch ñại ñiện áp:

Ta có:

t I t

t U

n v v n

v

n v

t t r

RR

RKRRi

RiK

RRienRR

ei

Riu

+

=+

=

+

=

⇒+

=

=

.)(

)(

n

r U

e

u ápvào

ápra

KI~(1+β), Rv~rv~(1+β)RE//Rt>>Rn nên KU~1: không khuếch ñại ñiện áp

Mạch khuếch ñại C-C với KI, KU có dấu dương nên tín hiệu ngõ ra cùng pha với tín hiệu ngõ vào.

ðiện trở vào của mạch C-C có giá trị lớn nhất trong các sơ ñồ khuếch ñại Mạch này dùng phối hợp trở kháng rất tốt.

Phương pháp ghép các tầng khuếch ñại

Ghép tầng

thành tín hiệu rất lớn ở ñầu ra Không thể dùng 1 tầng khuếch ñại mà phải dùng nhiều tầng

tầng

Ghép tầng bằng tụ

Ghép tầng bằng biến áp

kháng và thay ñổi cực tính qua các cuộn dây

Chế ñộ B:

kỳ của tín hiệu vào

Chế ñộ AB:

Chế ñộ C:

Khuếch ñại công suất chế ñộ A

Nhược: Yêu cầu ñiện trở tải phải lớn thì công

suất ra mới lớn Dùng cho mạch công suất nhỏ.

Khắc phục: ðể phối hợp trở kháng, sử dụng

biến áp.

biến áp

R: ðảm bảo chế ñộ làm việc cho Q1 và Q2 Mỗi bán kỳchỉ có 1 trong hai BJT dẫn

Khuếch ñại công suất chế ñộ AB

Mạch ñẩy kéo dùng BJT cùng loại

không biến áp

Mạch ñẩy kéo dùng BJT khác loại

Kỹ thuật ñiện tử

Nguyễn Duy Nhật Viễn

Chương 4 OPAMP và ứng dụng

Nội dung

Khái niệm OPAMP

Ứng dụng

OPAMP (Operational Amplifier)

Khuếch ñại: Biến ñổi tín hiệu ngõ vào thành tín

hiệu ngõ ra cùng dạng nhưng có biên ñộ lớn

hơn.

Khuếch ñại thuật toán: bộ khuếch ñại ñược sử

dụng với mục ñích thực hiện phép tính toán học.

OPAMP là một mạch tích hợp IC (Integrated

Circuit) tuyến tính (cho tín hiệu tương tự).

IC tích hợp nhiều linh kiện thành một mạch thực

hiện một chức năng nhất ñịnh.

OPAMP

• i(+), i(-): dòng vào OP-AMP ở ngõ vào không ñảo và ñảo.

• vid: ñiện áp vào giữa hai ngõ vào không ñảo và ñảo của OPAMP.

• +VS, -VS: nguồn DC cung cấp, thường là +15V và –15V

• Ri: ñiện trở vào

• A : ñộ lợi của OPAMP Với OPAMP lý tưởng, ñộ lợi bằg vô cùng.

• RO: ñiện trở ra của OPAMP, lý tưởng bằng 0.

• vO: ñiện áp ra; vO= AOLvid trong ñó, AOLñộ lợi ñiện áp vòng hở

+VS

-VS

vidInverting

RiN

Mạch khuếch ñại không ñảo

vin: ñiện áp vào.

vo: ñiện áp ra.

RF: ñiện trở hồi tiếp.

R1: ñiện trở lấy tín hiệu.

vin+

+ -

iLN

RF: ñiện trở hồi tiếp

R1: ñiện trở lấy tín hiệu

vin+

+ -

v1

+ -

vF+

_

v+_

iLN

Mạch cộng ñảo

v1-vn: các nguồn tín hiệu vào.

iC i(-)

Khái niệm

rạc theo thời gian

biên ñộ xung trên mức 0.5Um

lại biên ñộ của nó

Thời gian nghỉ tng: thời

gian trống giữa hai xung

Ura=+Ec.

RT nhỏ nhất khi RT=RC Lúc này, Ura=Ec/2 Chọn UH≤ Ec/2

Với BJT Si, chọn Ul=0.4V.

Khi Uvào≥ UHtransistor ở trạng thái dẫn bão hòa (Ura~0.2V)

Ura<UL thoả mãn.

UCEbh thực tế không thể giảm

ñược, muốn SL tăng, cần tăng

1 1

1 0

0 1

0 1

1 0

Qn Qn

0 0

Qn+1 Qn+1

Sn Rn

Bảng trạng thái

Trigger Schmitt dùng BJT

Khi Uvào <Uv dẫn thì Q1 tắt,

thấp

R4

Q2 Q1

R3

R1 R2

Ura VCC

Uvào

Trigger Schmitt dùng OPAMP:

Mạch không ñồng bộ

1 trạng thái ổn ñịnh

ða hài ñợi dùng BJT

R3

R1 R2

Ur VCC

Uv C

Uv

t

t t Ur

V B2

V B1

0.6V Vcc-0.6V Vcc 0.6V

ða hài ñợi dùng OPAMP

ða hài hai trạng thái không ổn ñịnh

ngược lại

ða hài dùng OPAMP

lại, ñiện áp trên tụ giảm ñến

khi =UP, mạch lại thay ñổi

trạng thái

R C

ðại số logic

tổng hợp các thiết bị và mạch số.

tóan logic) giữa các biến logic (chỉ nhận 1

trong 2 giá trị là “0” hoặc “1”).

1 0

1

1 1

0

0 0

0

FORY

1

0 0

1

0 1

0

0 0

0

FANDY

X

x y

0 0

1

0 1

0

1 0

0

FNORY

1

1 0

1

1 1

0

1 0

0

FNANDY

1

1 0

1

1 1

0

0 0

0

FXORY

1

0 0

1

0 1

0

1 0

0

FXNORY

X

Tối giản hàm logic

Biểu diễn hàm logic

F( , , )= + + + + +

Tối giản hàm logic bằng ñịnh lý

khi không xác ñịnh ñược phương hướng

) , ,

(

) , ,

(

) , ,

(

) , ,

(

) , ,

(

x z z y x

F

z x z x z z y x

F

z x z z y x

F

z x z y z y z y x

F

z y x z y x z y x z y x z y x z y x z y x

F

+

=

+ +

=

+

=

+ +

=

+ + + + +

1 1 0 0 1

1 0 1 0 0

AB AB AB AB AB C

Lân cận

Lân cận

Không lân cận

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

1 0

10 11 01 00

xy z

10 11 01 00

10 11 01 00

xy zt

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

biến

không ñổi trong nhóm và bỏ ñi những biến có giá trị thay ñổi

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

theo ví dụ 1:

(ñề bài ñã cho sẵn).

Hàm 3 biến, ta có bìa Karnaugh như sau:

z y x z y x z y x z y x z y x z y x z y x

F ( , , ) = + + + + +

1 0

10 11 01 00

xy z

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

Ban ñầu, ta lập bảng sau:

1 1 1 1

1 0 1 1

1 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 0

0 1 0

1 1 0 0

0 0 0

F Z Y X

z x z x z x z x z x z x z y x

F ( , , ) = + + + + +

1 1 1 1 1

1 1 0

10 11 01 00 xy z

Chú ý: Ta thấy rằng, nếu biến không ñảo sẽ tương ứng với trị bằng 1 và nếu biến ñảo thì tương ứng với trị bằng 0

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

F=A+B.

Trong nhóm A: x=1 không ñổi, ta giữ nguyên; y, z thay ñổi bị

loại, vậy, A=x;

Trong nhóm B: z=1 không ñổi, ta giữ nguyên; x, y thay ñổi bị

loại, vậy, B=z;

Vậy, F= A+B=x+z.

1 1 1 1 1

1 1 0

10 11 01 00 xy

B

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

tích nên chỉ lưu ý ñến những giá trị bằng 1 của hàm logic

ứng với ñảo

những biến thay ñổi

Tối giản hóa bằng bìa Karnaugh

t z y x t z y x t z y x t z y x t z y x t z y x t z y x t z y

1 1

11

1

01

1 1 1 1

00

10 11 01 00

t z x C

t y x B

t z A

.

.

.

.

+ + +

= + + +