Kỹ thuật xung - Chương 3

Mục đích của bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành cá

CHƯƠNG 3

CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

Các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh kiện chuyển mạch vì chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt và vùng dẫn Ở vùng tắt, các linh kiện chuyển mạch được xem như không dẫn điện/dẫn điện ở vùng phân cực nghịch/bão hòa Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động các mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững về cấu trúc và bản chất lý thuyết của những linh kiện trên

Khảo sát các phần tử ở 2 chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ

I CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

1 Diode

Đường Đặc Tính Của Diode và mạch tương đương

Quan hệ Volts – Amperes của Diode được mô tả như sau:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

= 0 nkT 1

qv D

D

e I

Các số hạng trong phương trình được định nghĩa như sau :

iD : Dòng qua diode (A)

vd : Hiệu điện thế rơi trên Diode (V)

Io : Dòng bão hòa ngược

q : Điện tích electron, 1,6.10-19 J/V ( C )

k : Hằng số Boltzmann , 1,38.10-23 J/ok

T : Nhiệt độ tuyệt đối (oK)

n : Hằng số kinh nghiệm , 1 ≤ n ≤ 2

Ở nhiệt độ phòng (300oK)

VT = k.T/q = 25 (mV)

Do đó phương trình (1) có thể viết lại là

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

−

D nV v

Phương trình (2) cho ta thấy:

Nếu v D ≤ V T thì dòng iD là dòng bão hòa nghịch -Io , I0 hầu như không phụ thuộc điện áp phân cực nghịch

Tùy theo cách chế tạo I0 ≈ nA đối với Si và I0 ≈ μA đối với Ge

I0 rất nhạy với nhiệt độ: tăng 2 lần khi T tăng 60C đối với Si, va khi T tăng

100C đối với Ge

Mạch tương đương diode phân cực nghịch là

Hoặc

nếu v D > V T và hoạt động ở nhiệt độ 25oC thì dòng điện thuận của Diode được giản lược như sau:

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

D nV v

Những phương trình trên được minh họa ở hình sau cho cả hai vật liệu Sillicon và Germanium

Hình 3.1: Đặc tuyến Volts- Amperes

R Io

Đặc tuyến thực của Diode có dạng hàm mũ Khi phân cực thuận mối nối p-n,

ở bên phải đặc tuyến V-A, thì điện trở tiếp xúc của chất liệu bán dẫn tỉ lệ thuận với điện trở thuận Khi phân cực nghịch mối nối p-n, bên trái đặc tuyến V-A, thì dòng điện rỉ Io tỉ lệ nghịch với điện trở nghịch Khi Diode chịu một điện áp ngược lớn sẽ làm phá hủy tiếp giáp p-n

Điện áp rơi trên Diode khi được phân cực thuận là

Vγ = 0,1v đến 0,3v (chọn 0,2v) , Đối với Diode loại Ge

Vγ = 0,6v đến 0,8v (chọn 0,7v) , Đối với Diode loại Si

Mạch tương của Diode khi được phân cực thuận là:

rd : Điện trở động

rd = nVT / (iD + Io) ≈ nVT / iD Diode lý tưởng có rd = 0 và Vγ = 0

Trong khi sử dụng diode P-N làm chuyển mạch ở chế độ xác lập phân cực thuận, tùy trường hợp ta có thể xem như

2 Diode ổn áp bán dẫn (diode zener)

a Đại cương

Hình 3.2 Mối nối P-N được chế tạo đặc biệt để có đặc tuyến V-A như hình vẽ

N

P

A

K

Si + pha tạp chất đặc biệt

r d

V γ

Diode lý tưởng

A

A

A

K

K

A

r d

V γ

V γ

V γ

V z

I zmin

I ZMax

I 0

V Dz

I Dz

A

K

Khi phân cực thuận

Diode Zener hoạt động như diode nắn điện Si bình thường Vγ = 0.6V

Khi phân cực nghịch

Khi V < VZ thì Izener = I0 dòng bão hòa

Khi V > VZ thì VD = VZ

Các giá trị giới hạn

Sử dụng diode Zener ta phải quan tâm đến

• VZ

• PZmax hay IZmax (dòng tối đa qua zener)

Nhà sản xuất thường cho PZmax

Thông thường VZ = 2÷200V

PZmax = 0.5W ÷ 100W

Chú ý

Khi sử dụng diode zener luôn luôn phải có điện trở hạn chế dòng (điện trở xác định dòng)

Hình 3.3

L L

Z

I I

V V

R

2 0 +

−

=

Từ đó tính được công suất trên zener là

Z L

Z

R

V V

⎠

⎞

⎜

⎝

0.2.I L

b Mạch tương đương

Từ đó ta có mạch tương đương như sau:

Hình 3.4

I

V

R Z

Δ

Δ

=

3 Transistor

Transistor thuộc họ linh kiện ba cực, bao gồm hai bán dẫn loại p và một bán dẫn loại n đối với loại PNP, hai bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p đối với loại NPN

Sơ đồ ký hiệu của Transistor được mô tả ở hình 1.8

Chiều dòng điện được qui ước theo chiều của mũi tên

Ký hiệu

B E

C

NPN

Ký hiệu

B C

E

PNP

Hình 3.5

I

V

ΔI

ΔV

V γ

V z

V γ

Mô hình PCN

Mô hình PCT Vz

Rz

Đường cong đặc tính của Transistor được biểu diễn như sau

Hình 3.6 Đường đặc tính này là đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số ngõ vào là dòng iB và vBE theo quan hệ như sau iB = f(vBE) và thông số ngõ ra là iC và vCE theo quan hệ như sau iC = f(vCE)

Nhìn trên đường đặc tính ta có thể phân thành ba vùng làm việc của Transistor như sau :

Vùng tắt

Transistor rơi vào vùng hoạt động này khi thõa mãn điều kiện sau: Mối nối

BE phải được phân cực nghịch Khi đó, các thông số ngõ ra là dòng iC gần như bằng 0 và điện áp vCE gần bằng VCC

`

Hình 3.7 Transistor được xem là tắt hoàn toàn nếu IE = 0

I E = 0 B

C E

I CO

C

Vcc Vcc

Vout = Vcc neu R L >> Rc Rb

E Rc Rc

Xét trường hợp khi IB = 0 transistor có tắt không?

Đối với transistor, có quan hệ

IC = -αIE + ICo

IB + IC = IE Khi IB = 0

α

−

=

→

1

CO C

I I

• Nếu BJT thuộc họ Ge: α≈ 1 → IC rất lớn: không tắt

Để BJT tắt ta phải cưỡng bức bằng cách phân cực nghịch mối nối BE

• Nếu BJT thuộc họ Si: α≈0→ IC = ICO :tắt

Vùng khuếch đại

Transistor hoạt động trong vùng khuếch đại khi mối nối BE được phân cực thuận (VB > VE ) và mối nối BC được phân cực nghịch (VC >VB)

Ở chế độ này thì IB = β IC

Với β là hệ số độ lợi dòng DC, giá trị điển hình của β biến thiên trong phạm vi từ 20 đến 800 tùy theo loại Transistor

Vùng khyếch đại đã được khảo sát trong các tài liệu về điện tử 1, 2 Trong phần chuyển mạch sẽ chỉ khảo sát ở 2 chế độ tắt và bão hòa

Vùng bão hòa

Transistor làm việc ở vùng bão hòa cần thõa mãn các điều kiện sau:

• Mối nối BC và mối nối BE đều được phân cực thuận

Hình 3.8

B

C E

Vcc

Rc

C

Rb

Rc Vcc

Vout = 0

Transistor rơi vào vùng bão hòa khi ngõ vào phải được cung cấp tín hiệu đủ lớn sao cho điện áp tại cực nền (VB) lớn hơn một mức ngưỡng để Transistor phân cực bão hòa Mức điện áp ngưỡng này là VBEsat , nó có trị số tùy thuộc vào từng loại chất bán dẫn

• VBEsat = 0,7V đến 0,8V , Transistor loại Si

• VBEsat = 0.3V , Transistor loại Ge

Khi sử dụng ở chế độ chuyển mạch, Transistor thông thường mắc theo dạng E chung ( mắc CE )

Khảo sát một dạng mạch mắc CE làm việc ở chế độ bão hòa

Hình 3.9

Ở trạng thái bão hòa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V

ICsat được tính theo công thức sau : ICsat =

Rc

V

V CC − CEsat

Khi đã có dòng điện tải IC , ta phải tính dòng điện cần thiết cấp cho cực nền

B, nhằm chọn trị số RB thích hợp Ta xác định IBsat theo biểu thức :

β

1 ICsat Trườnghợp cần cho Transistor làm việc ở chế độ bão hòa sâu, thì có thể tính

IB theo công thức: IBsat =

β

Csat

I k ,Trong đó, k là hệ số bão hòa sâu (k =

2 ÷ 5)

Khi Transistor bão hòa, các giá trị IBsat và ICsat , đều do mạch ngoài quyết định

Ta có thể xác định RB theo công thức sau

RB =

Bsat

BEsat

I

V

V −

Rb

0

Vbb

0

Vcc Rc

4 OpAmp (Operational-Amplifier)

Op-amp là loại linh kiện được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực điện tử Gần như mọi chức năng trong lĩnh vực này đều có thể dùng Op-amp để thực hiện Chẳng hạn, thực hiện các phép tính: Cộng, trừ , tích phân trong máy tính tương tự, làm thành phần nồng cốt trong các mạch khuếch đại, mạch đo, bộ dao động, mạch tạo âm, mạch cảm biến

Op-amp là loại linh kiện được tích hợp, gồm hai ngõ vào: Đảo và không đảo, một ngõ ra Op-amp hoạt động được phải cần cung cấp cặp nguồn điện áp đối xứng dương và âm, điểm giữa của cặp nguồn này được xem là mass (0V) Do vậy, tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán có thể biến đổi cả về phía dương hay phía âm so với mass

Ký hiệu và sơ đồ tương đương của OpAmp như sau:

Hình 3.10 Mô hình gồm một nguồn áp phụ thuộc (phụ thuộc vào điện áp ngõ vào), trở kháng ngõ vào (Rin) và trở kháng ngõ ra (Ro)

Điện áp vào vi sai vd = v+ - v-

Trở kháng ngõ vào của Op-amp tương đương như một điện trở

Điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào, và ta biểu thị hệ số tỉ lệ này là độ lợi vòng hở (G) Vì vậy, điện áp ngõ ra khuếch đại G lần điện áp vào

vi sai và được xác định theo công thức sau:

vo = G (v+ - v-) = G vd

Op-amp lý tưởng có những đặc điểm như sau:

Trở kháng ngõ vào, Rin = ∞

Trở kháng ngõ ra, Ro = 0

Độ lợ vòng hở, G → ∞

Băng thông BW → ∞

vo = 0, khi v+ = v-

Vì G → ∞, do đó phương trình (*) được viết lại như sau: v+ - v- = 0 → v+ = v -Bởiđiện trở ngõ vào Rin → ∞, nên dòng điện chạy vào hai ngõ vào đảo và không đảo là zero i = i = 0

-Vcc

V+

V-Vout

+

V+

V-Tùy thuộc điện áp ở hai ngõ vào này so sánh với nhau mà Op-amp sẽ làm việc một trong hai trạng thái sau:

• Nếu v+ > v- thì vo = +V, gọi là trạng thái bão hòa dương

• Nếu v+ < v- thì vo = -V, gọi là trạng thái bão hòa âm

Hai trạng thái bão hòa này tương đương với ngõ ra của Op-amp ở hai mức điện áp cao và điện áp thấp, để tạo ra các xung điện

Đặc tuyến truyền được thể hiện như sau

Hình 3.11

II CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ

Trong phần này chủ yếu nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong quá trình chuyển mạch (lúc quá độ) Sẽ không đi quá sâu về bản chất vật lý mà chủ yếu nêu hiện tượng và đề ra biện pháp cải thiện dạng sóng ra

1 Diode bán dẫn PN

a Đại cương

Hình 3.12

Do ảnh hưởng của hạt tải điện thiểu số trong thời gian T1 nên diode chưa tắt hoàn toàn, dạng của dòng điện như hình bên

V V I D

t

V v

+V

-V 0

t

I D

T

R

R

V

+ 0

T

R

R

V

−

I 0

T 1 T 2

Aûnh hưởng do hat tải điện thiểu số

Aûnh hưởng do điện dung CD

R L

Thời gian T1 khoảng 0.1μs và tăng khi

t

R

V lớn

T2 gấp vài lần T1

b Cải thiện

• Tốt nhất nên dùng diode chuyển mạch (switching diode)

• Nếu không, thêm tụ C (thường do nhà chế tạo cung cấp thông số) để giảm ảnh hưởng của tụ Cd như sau

Hình 3.13

2 Transistor 2 mối nối

Quá trình quá độ xảy ra trong BJT là phức tạp Ở đây chỉ khảo sát các yếu tố gây nên sự méo dạng của xung ra

a Thời gian chuyển mạch

Hình 3.14

Thời gian mở (3) bao gồm

• Thời gian trễ td (1) là thời gian cần thiết để Vv tăng từ 0 đến Vγ

t

V r

t

V v

V 1

-V 2 0

t

I B

V 1

-V 2 0

t

I C

1

0.9ICbh

2 3

4 5 6 0.1I Cbh

ICbh

Cd

C RL

V V

V 1

-V2

0

Rc Vcc

Rb

Thời gian tắt (6) bao gồm

• Thời gian tồn trữ tS (4), thời gian cần thiết để xả điện tích thừa khi bão hòa Bão hòa càng sâu thì tS càng lớn

• Thời gian xuống tf (5) chủ yếu do ảnh hưởng điện dung CV ngõ vào của BJT

b Cải thiện sóng ra

• Sử dụng BJT chuyển mạch, hay BJT cao tần có fT cao

• Có thể cải thiện thời gian trễ td nếu VV là dạng sóng vuông sắc cạnh

• Cải thiện tr và tf Ngoài việc VV là sóng vuông có cạnh lên và cạnh xuống sắc cạnh ta có thể dùng tụ tăng tốc (speed up capacitor) mắc song song với RB (giống ý niệm cầu phân áp)

Hình 3.15 Giá trị của Cb cỡ vài pF và thường được nhà sản xuất cung cấp

• Cải thiện thời gian tồn trữ tS bằng cách không cho BJT bão hòa sâu, nội dung của PP này là

Khi BJT bão hòa, cả 2 mối nối BC và BE đều phân cực thuận, như vậy

VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ Mắc thêm 1 mạch ghim điện áp (sẽ học ở chương 4) như sau

0

Vcc

Rb

Cb

Cv

0 Rc

Hình 3.16 Mạch ghim có tác dụng ngăn không cho VBC tăng quá làm cho BJT bão hòa sâu

Ngoài ra còn sử dụng diode Schottky hay transistor Schottky để tăng tốc độ chuyển mạch

0.3V

Bài tập chương 3

1 Cho mạch như sau

IB = 0.2mA

a Xác định βmin để BJT bão hòa

b Nếu thay RC = 220 và sử dụng transistor có βmin=60 tại IC = 50mA Mạch có bão hòa không

2 Nếu BJT của bài 1 cóβmin=60, ICo = 50nA, RC = 1K

Tìm công suất nhiệt của BJT khi

a BJT tắt

b BJT bão hòa

c VCE =2V

3 Tìm quan hệ Y theo A, B Biết diode có Vγ = 0 , 6 ;r D = 0

Rb

0

Vcc=10V Rc=1K

(a)

0

R

A

(b) A

B

+5V

Y R

4 Tìm quan hệ Y theo A, B biết BJT là loại Si, Vγ = 0.6, β = 100

(a)

A

Y

0

10K

Vcc=+5V Rc=1K

(b)

10K A

0

Vcc=+5V Rc=1K

10K B

Y

(c) 10K

Rc=1K Rc=1K

0

B

0

A 10K

Vcc=+5V

Y