Giáo trình điện tử cơ bản chuẩn

http:123link.proSFtFSsPrLỜI NÓI ĐẦUGiáo Trình Điện tử cơ bản do tập thể giáo viên bộ môn Kỹ Thuật Điện Điện Tử,Khoa Cơ Điện Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà Đồng Nai biên soạnvà biên dịch. Giáo trình này được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên các khốingành kỹ thuật và các ngành có liên quan đến kỹ thuật. Nội dung giáo trình đề cặp mộtcách có hệ thống và tổng hợp các kiến thức cơ bản và hiện đại làm nền tảng cho việchọc tập các môn chuyên ngành. Giáo trình được biên soạn bổ sung và hiệu đính với sự hổ trợ của các bạn đồngnghiệp và dựa trên các tài liệu tham khảo đó là các bài giảng của thầy Phan Như QuânTrường Đại Học Lạc Hồng, cô Trương Thị Bích Ngà và thầy Nguyễn Đình PhúTrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM và các đại học khác của Mỹ. Giáo trình này, chúng tôi đã hệ thống lại toàn bộ các mạch điện điện tử căn bảnnhất, sắp xếp trình tự logic hợp lý xuyên suốt toàn bộ quá trình, dẫn dắt sinh viên vàothế giới kì diệu của nguyên tử và làm quen với các cặp điện tử và những lỗ trống lànhững phần tử bé nhỏ nhất trừu tượng nhất, cấu hình trên những tinh thể chất rắn tạothành những linh kiện bán dẫn

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

HUỲNH ĐỨC CHẤN

Tháng 07/2014

Trang 2

3

LỜI NÓI ĐẦU

Giáo Trình Điện tử cơ bản do tập thể giáo viên bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, Khoa Cơ Điện- Điện Tử, Trường Đại Học Lạc Hồng, Biên Hoà- Đồng Nai biên soạn

và biên dịch Giáo trình này được sử dụng làm tài liệu học tập cho sinh viên các khối ngành kỹ thuật và các ngành có liên quan đến kỹ thuật Nội dung giáo trình đề cặp một cách có hệ thống và tổng hợp các kiến thức cơ bản và hiện đại làm nền tảng cho việc học tập các môn chuyên ngành

Giáo trình được biên soạn bổ sung và hiệu đính với sự hổ trợ của các bạn đồng nghiệp và dựa trên các tài liệu tham khảo đó là các bài giảng của thầy Phan Như Quân Trường Đại Học Lạc Hồng, cô Trương Thị Bích Ngà và thầy Nguyễn Đình Phú Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM và các đại học khác của Mỹ

Giáo trình này, chúng tôi đã hệ thống lại toàn bộ các mạch điện điện tử căn bản nhất, sắp xếp trình tự logic hợp lý xuyên suốt toàn bộ quá trình, dẫn dắt sinh viên vào thế giới kì diệu của nguyên tử và làm quen với các cặp điện tử và những lỗ trống là những phần tử bé nhỏ nhất trừu tượng nhất, cấu hình trên những tinh thể chất rắn tạo thành những linh kiện bán dẫn

Nội dung quyển sách được chia thành các chương sau:

Chương 1: Cấu tạo chất, giới thiệu cho sinh viên cấu trúc vật liệu bán dẫn là

phần tử nhỏ nhất làm đều vĩ đại nhất, sự vận hành chuyển tiếp của P-N quá trình trao đổi năng lượng và trung hòa của điện tử và lổ trống làm nên những đặc tính dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P-N, đây là thành phần cốt lõi của linh kiện bán dẫn

Chương 2: Diode bán dẫn, giới thiệu các linh kiện bán dẫn có cấu tạo cơ bản

trên chuyển tiếp P-N và các mạch ứng dụng thực tế của diode

Chương 3: Transistor lưỡng cực (BJT), giới thiệu linh kiện bán dẫn có 3 cực

tính, đó là transistor lưỡng cực và các mạch phân cực cho BJT Đây là linh kiện bán dẫn chính của các mạch điện tử và các mạch đều khiển sau này

Chương 4 : Tham số H và mạch tương đương của transistor, giới thiệu các

mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, là thành phần cốt yếu trong tất cả các hệ thống mạch khuếch đại âm tần, các hệ thống tương tự và số, các hệ thống điều khiển tự động, công nghệ viễn thông và tự động hóa

Chương 5: Transistor hiệu ứng trường (FET), giới thiệu linh kiện được ứng

dụng rộng rãi và đặc biệc trong việc chế tạo vi mạch hiện đại có kích thước nhỏ cỡ nanô mét đó là transistor trường FET Họ linh kiện FET, MOSFET là linh kiện thống lĩnh trong công nghệ kỹ thuật số trên thế giới hiện nay

Chương 6: Ghép tầng, giới thiệu các mạch khuyếch đại tín hiệu nhỏ, các dạng

ghép tầng khuếch đại cơ bản của một hệ thống khuếch đại là thành phần cốt yếu trong

Trang 3

4

tất cả các hệ thống mạch khuếch đại âm tần, các hệ thống tương tự và số, các hệ thống điều khiển tự động, công nghệ viễn thông và tự động hóa

Chương 7: Khuếch đại thuật toán OP-AM, giới thiệu tổ hợp của các mạch

khuếch đại vi sai, mạch khuếch đại trung gian mạch phối hợp trở kháng ngõ ra để hình thành mạch khuếch đại thuật toán OP-AM Các Mạch ứng dụng OP-AM như: Mạch khuếch đại đảo, mạch khuếch đại không đảo, mạch cộng, mạch vi phân, mạch tích phân…

Cuốn sách là nền tảng cho các môn học điện tử cơ bản, điện tử công suất, thiết kế

vi mạch, mạch điều khiển và các môn chuyên ngành của năm cuối Theo chương trình đào tạo hệ tín chỉ, giờ học sinh viên phải gấp đôi số giờ học trên lớp vì vậy khi biên soạn cuốn sách này chúng tôi đã đúc kết tổng hợp và cô đọng các ý chính và logic để từng bước hướng dẫn sinh viên có thể củng cố bài giảng Phần bài tập có trong từng chương mục sẽ giúp sinh viên tự đánh giá kết quả tự đọc hiểu của mình, củng cố thêm kiến thức nền tảng vô cùng quan trọng trong tương lai

Thay mặt nhóm biên soạn, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất đến các đồng nghiệp ở bộ môn Kỹ Thuật Điện- Điện Tử, đặc biệt là giảng viên Phan Như Quân và các giáo viên khoa Cơ Điện-Điện Tử, các cựu sinh viên đã giúp đỡ tư vấn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho việc hoàn thành cuốn sách này

Do thời gian hạn chế, chắc chắn cuốn sách này không tránh khỏi những sơ suất nhỏ Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các bạn đọc để khi tái bản

Trang 4

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC Alternative Curent Dòng điện xoay chiều

ACLL Alternative Curent

BJT Bipolar junction transistor Transistor lưỡng cực

BPF Band-pass filter Mạch lọc thông dải

BSF Band-stop filter Mạch lọc dải triệt

CB Common base Mạch khuếch đại chung cực nền

CC Common colletor Mạch khuếch đại chung cực thu

CD Diffusion capacitance Điện dung khuếch tán

CD Common Drain Mạch khuếch đại chung cực máng

CE Common Emitter Mạch khuếch đại chung cực phát

CS Common Sourse Mạch khuếch đại chung cực nguồn

CG Common Gate Mạch khuếch đại chung cực cổng

D_MOSFET Depletion_MOSFET MOSFET kênh có sẵn

DC Direct Curent Dòng điện một chiều

DCLL Direct Curent Load Line Đường tải một chiều

Trang 5

IR Reverse curent Dòng điện ngược

IS Saturation curent Dòng điện bảo hòa

JFET Juncition Field effect

transistor

Transistor trường tiếp xúc

LED Light Emitter Diode Diode phát quang

MOSFET Metal oxide

Trang 6

7

PCmax Công suất tiêu tán cực đại tại cực C

PDmax Công suất cực đại của diode

trr Reverse recover time Thời gian khôi phục ngược

VF Forward Voltage Điện áp thuận

Vm Peak voltage (Max

Voltage)

Điện áp đỉnh

Vo Output voltage Điện áp ngõ ra

VP Pinch off voltage Điện áp thắt kênh

Vth Threshold voltage Điện áp ngưỡng

Vth Thevenin voltage Điện áp tương đương thevenin

VZ Zener Voltage Điện áp Zener

Trang 7

8

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN 19

1.1 Cấu tạo chất 19

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử 19

1.1.2 Các loại vật liệu điện 19

1.1.3 Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn điện 19

1.2 Chất bán dẫn 20

1.2.1 Chất bán dẫn là gì 20

1.2.2 Chất bán dẫn loại N (Negative: âm) 20

1.2.3 Chất bán dẫn loại P (Positive: dương) 21

CHƯƠNG 2: DIODE BÁN DẪN 23

2.1 Diode bán dẫn 23

2.1.1 Hình dáng, cách thử diode 23

2.1.2 Cấu tạo và ký hiệu 24

2.1.3 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của Diode 24

2.1.4 Chuyển tiếp P-N ở trạng thái đánh thủng 25

2.1.5 Đặc tuyến Volt- Ampere 25

2.2 Các tham số của diode 25

2.2.1 Điện trở một chiều 25

2.2.2 Điện trở xoay chiều (điện trở vi phân) 26

2.2.3 Một vài tham số giới hạn khác 26

2.2.4 Tham số vài loại diode chỉnh lưu 26

2.3 Phân cực Diode 26

2.3.1 Phân cực ngược 26

2.3.2 Phân cực thuận 27

2.4 Các phương trình đường tải của diode 27

2.4.1 Đường tải tĩnh (DCLL: DC Load Line) 27

2.4.2 Đường tải động (ACLL: AC Load Line) 28

2.5 Một số mạch ứng dụng của diode 28

2.5.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 28

2.5.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có tụ lọc 29

2.5.3 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ 30

2.5.4 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ có tụ lọc 30

2.5.5 Mạch chỉnh lưu cầu (chỉnh lưu toàn kỳ) 31

2.5.6 Mạch chỉnh lưu cầu (chỉnh lưu toàn kỳ) có tụ lọc 32

Trang 8

9

2.5.7 Mạch nhân đôi điện áp 32

2.5.8 Mạch xén mức trên 33

2.5.9 Mạch xén hai mức 33

2.5.10 Mạch ghim mức 33

2.6 Các loại diode khác 41

2.6.1 Diode Zener 41

2.6.2 Các thông số đặc trưng của Diode Zener 42

2.6.3 Diode quang: (Photo diode) 43

2.6.4 Diode phát quang LED: (Light emitting diode) 44

2.6.5 Diode tách sóng 44

2.6.6 Diode biến dung: (Varicap) 45

CHƯƠNG 3: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT: Bipolar Junction Transistor) 58 3.1 Cấu tạo của transistor 58

3.1.1 Cấu tạo, ký hiệu 58

3.1.2 Nguyên lý làm việc của transistor loại NPN 58

3.1.3 Nguyên lý làm việc của transistor loại PNP 59

3.1.4 Hình dáng và cách thử 60

3.1.5 Đặc tính kỹ thuật của transistor 61

3.1.6 Các thông số kỹ thuật của transistor 63

3.2 Mạch phân cực cho transistor và yêu cầu ổn định 64

3.2.1 Yêu cầu ổn định điểm làm việc 64

3.2.2 Các tham số ảnh hưởng đến điểm làm việc do nhiệt độ 64

3.2.3 Các mạch phân cực cho transistor 66

3.2.4 Thiết kế mạch cho BJT hoạt động tối ưu (Max_Swing) 69

CHƯƠNG 4: MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 98

4.1 Tham số H và mạch tương đương của transistor 98

4.1.1 Tham số H 98

4.1.2 Mạch tương đương của Transistor 99

4.2 Ba mạch ráp cơ bản của transistor 100

4.2.1 Mạch khuếch đại dùng transistor ghép kiểu CE 100

4.2.2 Tính toán các thông số xoay chiều trong mạch 100

4.2.3 Mạch khuếch đại dùng transistor ghép kiểu CB 101

4.2.5 Mạch khuếch đại dùng transistor ghép kiểu CC 102

CHƯƠNG 5: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) 123

Trang 9

10

5.1 Transistor hiệu ứng trường 123

5.1.1 Phân loại và các điểm cơ bản (FET: Field Effect Transistor) 123

5.1.2 Ký hiệu 123

5.2 Cấu tạo của JFET 123

5.2.1 Đặc tính 124

5.2.2 Đặc tuyến ra: ID = f (VDS) 124

5.2.3 Đặc tuyến truyền dẫn: ID = f (VGS) 125

5.3 Phân cực cho FET 125

5.3.1 Đường tải tĩnh 125

5.3.2 Phân cực kiểu thiên áp cực cửa UGS < 0 126

5.3.3 Phân cực kiểu tự cấp thiên 127

5.3.4 Phân cực kiểu cầu phân áp 127

5.4 Mạch tương đương FET và ba mạch cơ bản 128

5.4.1 Mạch tương đương FET 128

5.4.2 Ba mạch cơ bản của FET 129

CHƯƠNG 6: MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP LIÊN TẦNG 153

6.1 Tổng quan 153

6.2 Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại ghép tầng 154

6.3 Mạch khuếch đại ghép bằng tụ liên lạc (ghép RC) 154

6.3.1 Giới thiệu 154

6.3.2 Khảo sát các thông số của mạch ở chế độ AC 155

6.3.3 Đáp ứng tần số của mạch ghép RC 157

6.3.4 Ưu và nhược điểm của mạch khuếch đại ghép tầng RC 157

6.4 Mạch khuếch đại ghép trực tiếp 157

6.4.1 Ưu và nhược điểm của mạch ghép tầng trực tiếp 158

6.4.2 So sánh đáp ứng tần số của mạch ghép tầng 159

6.5 Khuếch đại ghép Darlington 171

6.5.1 Giới thiệu 171

6.5.2 Phân tích mạch ở chế độ DC 173

6.5.3 Phân tích mạch ở chế độ AC 175

6.6 Mạch khuếch đại ghép vi sai 177

6.6.1 Đặc điểm của mạch khuếch đại vi sai cơ bản ở trạng thái cân bằng177 6.6.2 Phân cực mạch ở chế độ DC 178

6.6.3 Khảo sát thông số của mạch ở chế độ AC 179

CHƯƠNG 7: MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 194

7.1 Khái niệm khuếch đại thuật toán (Opamp: Operational Amplifier) 194

Trang 10

11

7.2 Đặc tính và các thông số của Opamp lý tưởng 195

7.3 Các mạch ứng dụng của Opamp 197

7.3.1 Khuếch đại đảo 197

7.3.2 Khuếch đại không đảo 197

7.3.3 Mạch cộng đảo 198

7.3.4 Mạch cộng không đảo 198

7.3.5 Mạch tích phân 199

7.3.6 Mạch vi phân 200

7.3.7 Mạch tạo hàm mũ 200

7.3.8 Mạch tạo hàm logarit 201

Tài liệu tham khảo 209

Phụ lục 210

Trang 11

12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo nguyên tử .19

Hình 1.2: Cấu tạo nguyên tử của silicium và gemanium 20

Hình 1.3: Chất bán dẫn tinh khiết Silicium 20

Hình 1.4: Chất bán dẫn loại N 21

Hình 1.5: Chất bán dẫn loại P .21

Hình 2.1: Hình dạng và ký hiệu của diode đơn .23

Hình 2.2: Hình dạng và ký hiệu của diode đôi .23

Hình 2.3: Hình dạng và ký hiệu của diode cầu .23

Hình 2.4: Cấu tạo và ký hiệu diode 24

Hình 2.5: Đặc tuyến Volt – Ampre của diode 25

Hình 2.6: Phân cực ngược diode 27

Hình 2.7: Phân cực thuận diode .27

Hình 2.8: Đường tải tĩnh và động .28

Hình 2.9: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu ½ chu kỳ không có tụ lọc .29

Hình 2.10: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu ½ chu kỳ có tụ lọc .29

Hình 2.11: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ .30

Hình 2.12: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ có tụ lọc .31

Hình 2.13: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu cầu 31

Hình 2.14: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu cầu có tụ lọc 32

Hình 2.15: Mạch và dạng sóng nhân đôi điện áp 32

Hình 2.16: Mạch và dạng sóng xén mức trên .33

Hình 2.17: Mạch và dạng sóng xén 2 mức .33

Hình 2.18: Mạch và dạng sóng ghim mức .34

Hình 2.19: Mạch chỉnh lưu diode .34

Hình 2.20: Dạng sóng ngõ ra trên tải 35

Hình 2.21: Dạng sóng dòng điện qua diode 36

Hình 2.22: Mạch điện và dạng sóng chỉnh lưu .37

Hình 2.23: Đường đặc tuyến tĩnh và động của diode .39

Hình 2.24: Mạch chỉnh lưu diode cầu có tụ lọc .39

Hình 2.26: Mạch chỉnh lưu diode cầu không có tụ lọc 40

Hình 2.28: Mạch chỉnh lưu diode cầu có tụ lọc .41

Hình 2.29: Đặc tuyến của diode zener .42

Trang 12

13

Hình 2.30: Ký hiệu và hình dạng của Diode quang 43

Hình 2.31: Ký hiệu và hình dạng của Diode phát quang .44

Hình 2.32: Ký hiệu của Diode tách sóng .44

Hình 2.33: Ký hiệu và cấu tạo của Diode biến dung .45

Hình 2.34: Phân cực cho diode biến dung .45

Hình 2.35: Mạch diode zener 46

Hình 2.36: Mạch ổn áp bằng diode zener .46

Hình 2.39: Mạch ổn áp song song dùng zener 49

Hình 3.1: Cấu tạo và ký hiệu của BJT .58

Hình 3.2: Mạch thí nghiệm transistor .59

Hình 3.3: Mạch thí nghiệm và sơ đồ tương đương của transistor .59

Hình 3.4: Hình dáng các loại transistor 60

Hình 3.5: Mạch điện thí nghiệm và đặc tuyến ngõ vào của BJT 62

Hình 3.6: Đặc tuyến ngõ ra của BJT 62

Hình 3.7: Dòng ngược collector ảnh hưởng theo nhiệt độ 64

Hình 3.8: Mạch điện thí nghiệm về thong số S 65

Hình 3.9: Mạch phân cực định dòng IB 66

Hình 3.10: Mạch phân cực cầu phân áp 67

Hình 3.11: Mạch phân cực hồi tiếp collector 68

Hình 3.12: Mạch BJT hoạt động tối ưu không có RE .69

Hình 3.13: Mạch BJT hoạt động tối ưu tải có RE+ RC 70

Hình 3.15: Phương trình đường tải DC 72

Hình 3.16 : Mạch phân cực định dòng IB 72

Hình 3.17: Phương trình đường tải DC 73

Hình 3.20: Mạch dao động đa hài .75

Hình 3.24: Mạch transistor dẫn bão hoà .77

Hình 3.25: Mạch kích optor .77

Hình 3.26: Mạch đóng ngắt 77

Trang 13

14

Hình 3.27: Mạch đóng mở transistor bằng quang trở .78

Hình 3.28: Mạch khuếch đại tín hiệu DC .79

Hình 3.29: Mạch khuếch đại tín hiệu DC .81

Hình 4.1: Sơ đồ khối mạng 2 cửa .98

Hình 4.2: Mạch tương đương kiểu Hybrid .99

Hình 4.3: Mạch tương đương kiểu vật lý 99

Hình 4.4: Mạch CE và sơ đồ tương đương ghép kiểu CE .100

Hình 4.5: Mạch CB và sơ đồ tương đương ghép kiểu CB 101

Hình 4.6: Mạch CC và sơ đồ tương đương ghép kiểu CC 102

Hình 4.7: Mạch khuếch đại CE 104

Hình 4.9: Sơ đồ tương tương tín hiệu nhỏ .105

Hình 4.14: Mạch khuếch đại CB 108

Hình 4.16: Mạch khuếch đại CC 109

Hình 5.1: Phân loại FET .123

Hình 5.2: Ký hiệu các loại FET .123

Hình 5.3: Cấu tạo JFET 124

Hình 5.4: Mạch điện của JFET .124

Trang 14

15

Hình 5.5: Đặc tuyến làm việc của JFET .124

Hình 5.6: Họ đặc tuyến của JFET 125

Hình 5.7: Mạch phân cực của FET .125

Hình 5.8: Đồ thị đường tải tĩnh DC của FET 126

Hình 5.9: Mạch phân cực kiểu thiên áp cực cửa UGS<0 .126

Hình 5.10: Mạch phân cực kiểu tự cấp thiên .127

Hình 5.11: Mạch phân cực kiểu cầu phân áp 127

Hình 5.12: Mô hình tương đương của FET dạng nguồn dòng 128

Hình 5.13: Mô hình tương đương của FET dạng nguồn áp 129

Hình 5.14: Mạch CS 129

Hình 5.15: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ .129

Hình 5.16: Mạch CD 130

Hình 5.18: Mạch CG 132

Hình 5.20: Mạch phân cực cho FET 133

Hình 5.21: Đồ thị đặc tuyến của FET 2SK30A 133

Hình 5.28: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ trường hơp không có tụ CS 139

Hình 5.29: Khuếch đại CS .139

Hình 5.30: Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ 140

Hình 5.35: Khuếch đại CD 143

Hình 6.1: Sơ đồ khối của mạch khuếch đại .153

Trang 15

16

Hình 6.2: Ảnh hưởng của sự gia tăng tần số khuếch đại đến tần số cắt và băng tần

của mạch khuếch đại 154

Hình 6.3: Mạch khuếch đại ghép RC 155

Hình 6.5: Đáp ứng tần số của mạch ghép RC 157

Hình 6.6: Mạch khuếch đại ghép trực tiếp 158

Hình 6.7: Đáp ứng tần số của mạch ghép tầng trực tiếp 158

Hình 6.8: Đáp ứng tần số của mạch khuếch đại: a Ghép R-C; b Ghép trực tiếp .159 Hình 6.9: Mạch ghép tầng CE-CE .160

Hình 6.11: Đồ thị đường tải DCLL và ACLL .161

Hình 6.12: Mạch ghép tầng CE-CE .163

Hình 6.14: Mạch ghép CE- CC 164

Hình 6.16: Mạch ghép CE- CC 166

Hình 6.18: Mạch ghép hỗn hợp 167

Hình 6.26: a Hai transistor ghép Darlington; b Transistor tương đương 172

Hình 6.27: Transistor tương đương của mạch ghép Darlington .172

Hình 6.28: Mạch khuếch đại ghép Darlington: a Mạch khuếch đại ghép Darlington chung C E; b Mạch phân cực cầu phân áp; c Mạch tương đương; d Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ 174

Hình 6.29: Mạch ghép Darlington .176

Hình 6.31: Mạch khuếch đại ghép vi sai 177

Hình 6.32: Phân cực CD của mạch khuếch đại vi sai 179

Hình 6.33: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch vi sai với tín hiệu vào là cách chung .179

Trang 16

17

Hình 6.34: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch vi sai với tín hiệu vào là vi

sai 180

Hình 6.35: Mạch khuếch đại vi sai với nguồi dòng .181

Hình 6.36: Mạch ghép vi sai .182

Hình 6.38: Mạch ghép vi sai .183

Hình 6.40: Mạch vi sai và Darlington 184

Hình 6.42: Mạch vi sai và Darlington 186

Hình 7.1: Sơ đồ khối mạch khuếch đại thuật toán .194

Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại thuật toán 194

Hình 7.3: Ký hiệu Opamp .195

Hình 7.4: Hình dạng và sơ đồ chân của opamp 195

Hình 7.5: Đặt tuyến truyền đạt của opamp …196

Hình 7.6: Mạch khuếch đại đảo .197

Hình 7.7: Mạch khuếch đại không đảo .197

Hình 7.8: Mạch khuếch đại cộng đảo .198

Hình 7.9: Mạch khuếch đại cộng không đảo .198

Hình 7.10: Khi cho nguồn V1 tác động, hai nguồn V2,V3 =0 .199

Hình 7.11: Mạch tích phân 199

Hình 7.12: Mạch vi phân 200

Hình 7.13: Mạch tạo hàm mũ 200

Hình 7.14: Mạch tạo hàm logarit .201

Trang 17

18

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Đo điện trở thuận và nghịch của diode 24

Bảng 2.2: Bảng tham chiếu một vài loại diode 26

Bảng 2.3: Bảng tham chiếu một vài loại diode zener .43

Bảng 2.4: Giá trị đo của diode quang 44

Bảng 2.5: Giá trị điện áp làm việc của LED .44

Bảng 3.1: Bảng đo giá trị điện trở của transistor .61

Bảng 4.1: Các thông số mạng 2 cửa 98

Trang 18

19

CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU BÁN DẪN 1.1 Cấu tạo chất

1.1.1 Cấu tạo nguyên tử

Vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử Nguyên tử có hạt nhân nằm giữa mang điện tích dương và một hoặc nhiều electron mang điện tích âm bao quanh nhân Điện tích của electron là: e = -1,6.10-19 Culông [1], [2]

a Nguyên tử trung hòa b Ion dương c Ion âm

Hình 1.1: Cấu tạo nguyên tử

Bình thường nguyên tử trung hòa về điện, xem hình 1.1a

Nếu nguyên tử bị mất electron nguyên tử trở thành ion dương, xem hình 1.1b

Nếu nguyên tử nhận electron nguyên tử trở thành ion âm, xem hình 1.1c

1.1.2 Các loại vật liệu điện

1.1.2.1 Chất dẫn điện

Các chất mà nguyên tử chỉ có một hay hai electron ở lớp ngoài cùng [1], [3]

Ví dụ 1.1 : Bạc, đồng, vàng, nhôm

1.1.2.2 Chất cách điện

Các chất mà nguyên tử đã có đủ tám electron ở lớp ngoài cùng

Ví dụ 1.2: Thủy tinh, sành, cao su, giấy

1.1.2.3 Chất bán dẫn

Các chất mà nguyên tử chỉ có bốn electron ở lớp ngoài cùng

Chất bán dẫn điện có điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng lại nhỏ hơn chất cách điện

Ví dụ 1.3: Silicium, gecmanium

1.1.3 Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn điện

ZGemanium = 32: tương ứng cấu hình: 1s22s22p63s23p64s23d104p2

Lớp ngoài cùng (lớp 4) có 4e

ZSilicium = 14: tương ứng cấu hình: 1s22s22p63s23p2

Lớp ngoài cùng (lớp 3) có 4e

Trang 19

20

Hình 1.2: Cấu tạo nguyên tử của silicium và gemanium

Các nguyên tử liên kết nhau nhờ electron lớp ngoài cùng Trong khối bán dẫn tinh khiết các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết cộng hóa trị với nhau Để đạt được cấu hình bền vững (8 electron lớp ngoài cùng) thì 4 electron của mỗi nguyên tử sẽ nối với 4 electron của 4 nguyên tử xung quanh Như vậy chất bán dẫn điện tinh khiết có điện trở rất lớn [1], [4]

Hình 1.3: Chất bán dẫn tinh khiết Silicium

1.2.2 Chất bán dẫn loại N (Negative: âm)

Để tạo ra chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn âm) người ta pha thêm vào chất bán dẫn tinh khiết các chất có cấu tạo nguyên tử với 5 electron ở lớp ngoài cùng hoá trị 5 như:

Trang 20

21

Photphore hay Asenic các nguyên tử của chất photphore có 5 electron lớp ngoài cùng

sẽ liên kết với 4 electron của 4 nguyên tử Si khác nhau, còn lại 1 electron không liên kết sẽ trở thành 1 electron tự do như hình 1.4 [1], [2], [7]

Pha nhiều nguyên tử photphore vào silicium thì sẽ càng nhiều electron tự do

Hình 1.4: Chất bán dẫn loại N

1.2.3 Chất bán dẫn loại P (Positive: dương)

Để tạo ra chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn dương) người ta pha thêm vào chất bán dẫn tinh khiết các chất có cấu tạo nguyên tử với 3 electron ở lớp ngoài cùng hoá trị 3 như: Bore hay Indium các nguyên tử của chất indium có 3 electron lớp ngoài cùng nên khi liên kết với 4 electron của 4 nguyên tử Si khác nhau, sẽ có một có một liên kết thiếu 1 Chỗ thiếu electron này gọi là lỗ trống, lỗ trống của liên kết thiếu electron sẽ dễ dàng nhận 1electron tự do như hình 1.5 [1], [2], [6]

Pha nhiều bore, indium vào silicium thì sẽ càng nhiều lỗ trống

Trang 21

22

BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu 1.1: Chất cách điện là gì? Cho ví dụ?

Câu 1.2: Chất dẫn điện là gì? Cho ví dụ?

Câu 1.3: Chất bán dẫn là gì? Cho ví dụ?

Câu 1.4: Thế nào là chất bán dẫn loại N?

Câu 1.5: Thế nào là chất bán dẫn loại P?

Câu 1.6: Hãy cho biết các chất sau đây là chất bán dẫn loại P hay N?

Trang 22

23

CHƯƠNG 2: DIODE BÁN DẪN 2.1 Diode bán dẫn

Hình 2.2: Hình dạng và ký hiệu của diode đôi

- Diode cầu :(bridge)

Hình 2.3: Hình dạng và ký hiệu của diode cầu

- Đo R nghịch: bằng cách đổi ngược đầu hai que

đo

Trang 23

24

Bảng 2.1: Đo điện trở thuận và nghịch của diode

Trong phép đo thử diode, ta có các trường hợp sau:

Điện trở thuận và nghịch cách xa nhau như bảng ⇒ diode tốt

Điện trở thuận và nghịch = 0 Ω ⇒ diode nối tắt

Điện trở thuận và nghịch = ∞ Ω ⇒ diode bị đứt (hở mạch)

2.1.2 Cấu tạo và ký hiệu

Hình 2.4: Cấu tạo và ký hiệu diode

Vùng P có nhiều lỗ trống, vùng N có nhiều electron Khi nối nhau sẽ có vài

electron từ vùng N qua mối nối P-N tái hợp với lỗ trống của vùng P

P và N đang trung hoà về điện, vùng N gần mối nối P-N bị mất electron nên có

điện tích dương, vùng P gần mối nối P-N nhận thêm electron nên có điện tích âm

Hiện tượng này tiếp diễn cho tới khi điện tích âm vùng P đủ lớn đẩy electron vùng N

không cho qua mối nối P-N nữa [1], [2]

Sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối P-N gọi là hàng rào điện áp Điện áp

thuận hàng rào có giá trị 0.3V hay 0.7V

2.1.3 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của Diode

1

qU nKT

Trong đó: iD: Dòng điện trong Diode (A)

U: Hiệu điện thế ở hai đầu Diode (V)

IDS: Dòng điện bão hòa ngược (A)

q: Điện tích electron 1,6.10-19 J/V

K: Hằng số Bolzman 1,38.10-23 J/0K

N: Hằng số có giá trị trong khoảng (1÷2) phụ thuộc vào loại bán dẫn

Trang 24

nV nkT

Ở nhiệt độ T=3000K, tương ứng t=270C, ta có VT≈25÷26mV Khi đó điện trở động

của Diode được tính bởi phương trình:

2.1.4 Chuyển tiếp P-N ở trạng thái đánh thủng

Phân cực ngược chuyển tiếp P-N, nếu điện áp ngược đạt tới UB (Break) khá lớn thì

dòng điện ngược tăng vọt Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng

2.1.5 Đặc tuyến Volt- Ampere

Dòng điện ngược rất nhỏ cở µA, khi điện áp ngược tăng thì dòng ngược tăng dần,

và khi đạt đến giá trị Ur thì dòng ngược tăng vọt Nếu không có biện pháp hạn chế

dòng ngược thì vượt quá công suất cho phép sẽ phá hỏng Diode

Hình 2.5: Đặc tuyến Volt – Ampre của diode

Trong đó: Ur: Điện áp phân cực ngược cực đại của diode; Vdmax: Điện áp phân cực

thuận cực đại của diode; Vf : Điện áp ngưỡng của diode

2.2 Các tham số của diode [1], [2]

Trang 25

Phương trình (2.10) nghĩa là rd giảm khi dòng thuận tăng

Khi phân cực ngược, I ≈ 0, ng

2.2.3 Một vài tham số giới hạn khác

Điện áp ngược cực đại cho phép Ungmax

Dòng điện thuận cực đại cho phép Imax

Công suất cực đại cho phép Pmax

Tần số cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax

2.2.4 Tham số vài loại diode chỉnh lưu

Bảng 2.2: Bảng tham chiếu một vài loại diode

2.3 Phân cực Diode [1], [4]

2.3.1 Phân cực ngược

Điện tích âm của nguồn hút lỗ trống của vùng P, điện tích dương của nguồn hút

electron của vùng N, làm lỗ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên

hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống càng khó khăn Tuy nhiên vẫn có một

dòng điện nhỏ cở µA (dòng rò) từ vùng N sang vùng P Hiện tượng này là do trong

bán dẫn P có một ít electron và trong bán dẫn N có một ít lỗ trống gọi là hạt thiểu số,

Trang 26

27

những hạt thiểu số này sẽ tái hợp và tạo thành dòng điện rò hay dòng bão hoà ngược IDS (saturate)

Hình 2.6: Phân cực ngược diode

Khi đó dòng tổng hợp qua vùng nghèo 1

qU kT

Điện tích âm của nguồn đẩy electron của vùng N, điện tích dương của nguồn đẩy lỗ

trống của vùng P, làm lỗ trống và electron hai bên mối nối càng gần nhau Khi lực đẩy

đủ lớn thì electron từ N sẽ sang P và tái hợp với lỗ trống vùng P

Hình 2.7: Phân cực thuận diode

Khi vùng N mất electron sẽ mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo điện tích âm

của nguồn lên thế chổ, khi vùng P nhận electron sẽ mang điện tích âm thì cực dương của nguồn kéo electron từ vùng P về Như vậy đã có một dòng electron chạy từ cực âm của nguồn qua diode từ N sang P về cực dương của nguồn, nói cách khác có dòng điện qua Diode chiều từ P sang N

Dòng tổng hợp qua chuyển tiếp P-N: 1

2.4 Các phương trình đường tải của diode [1], [3]

2.4.1 Đường tải tĩnh (DCLL: DC Load Line)

V = − +

Trang 27

28

1 1

1

R

V V

2.4.2 Đường tải động (ACLL: AC Load Line)

Khi vS thay đổi theo thời gian, tụ C ngắn mạch:

i D = DQ + d

Trong đó: vD, iD:điện áp và dòng điện tổng (gồm có thành phần ac và dc)

VDQ, IDQ: điện áp và dòng điện một chiều

vd (t), id (t): điện áp và dòng điện xoay chiều

2.5 Một số mạch ứng dụng của diode [1], [2], [7]

2.5.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

Ví dụ 2.1: Cho mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ như hình 2.9 Hãy vẽ dạng sóng Vi và V0?

Giải thích:

Bán kỳ dương: D dẫn điện, U0ut =IR L =U i −U D ≈U i

Bán kỳ âm: D khoá, U0ut =IR L = 0

Trang 28

29

Hình 2.9: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu ½ chu kỳ không có tụ lọc

Điện áp trung bình DC trên tải:

2

2 0 0

2.5.2 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có tụ lọc

Ví dụ 2.2: Cho mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ có tụ lọc như hình 2.10 Hãy vẽ dạng

sóng ngõ vào Vi và dạng sóng ngõ ra V0?

Giải thích:

Bán kỳ dương: Diode D dẫn điện, tụ C có Z C <R L nên nạp điện

Bán kỳ âm: D khoá, tụ C xã điện qua RL

Hình 2.10: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu ½ chu kỳ có tụ lọc

Trang 29

30

2.5.3 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ

Ví dụ 2.3: Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ như hình 2.11 Hãy vẽ dạng sóng Vi và V0?

và hãy tính điện áp trung bình DC trên tải?

Giải thích:

Bán kỳ dương: D1 dẫn điện, D2 khoá U0ut =IR L =U2−U D1 ≈U2

Bán kỳ âm: D1 khoá, D2 dẫn điện U0ut =IR L =U3−U D2 ≈U3

Hình 2.11: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu toàn chu kỳ

2

2 0 0

Bán kỳ dương: D1 dẫn điện, D2 khoá, tụ C nạp qua D1, C ở sườn tăng và xã nhanh

qua C RL ở sườn giảm của điện áp

Bán kỳ âm: D1 khoá, D2 dẫn điện, tụ C nạp qua D2, C ở sườn tăng và xã nhanh qua

C, RL ở sườn giảm của điện áp

Trang 30

31

Hình 2.12: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ có tụ lọc

2.5.5 Mạch chỉnh lưu cầu (chỉnh lưu toàn kỳ)

Ví dụ 2.5: Cho mạch chỉnh lưu cầu như hình 2.13 Hãy vẽ dạng sóng Vi và V0? và

hãy tính điện áp trung bình DC trên tải?

Giải thích:

Bán kỳ dương: có 2 Diode dẫn điện, 2 Diode khoá : U0ut =U2−2U D ≈U2

Bán kỳ âm: có 2 Diode dẫn điện, 2 Diode khoá : U0ut =U2 −2U D ≈U2

Hình 2.13: Mạch và dạng sóng chỉnh lưu cầu

2

2 0 0

Trang 31

32

2.5.6 Mạch chỉnh lưu cầu (chỉnh lưu toàn kỳ) có tụ lọc

Ví dụ 2.6: Cho mạch chỉnh lưu cầu có tụ lọc như hình 2.14 Hãy vẽ dạng sóng ngõ

2.5.7 Mạch nhân đôi điện áp

Ví dụ 2.7: Cho mạch nhân đôi điện áp như hình 2.15 Hãy vẽ dạng sóng Vi và V0? Giải thích:

Bán kỳ âm: D1 dẫn, D2 khoá, tụ C1 nạp đầy giá trị U2m

Bán kỳ dương: D1 khoá, D2 dẫn, tụ C1 xã qua C2 và D2 , tụ C2 nạp đầy giá trị

V2m+Vc1=2V2m

Hình 2.15: Mạch và dạng sóng nhân đôi điện áp

Trang 32

33

2.5.8 Mạch xén mức trên

Ví dụ 2.8: Cho mạch xén mức trên như hình 2.16 Hãy vẽ dạng sóng ngõ vào và ra?

Giải thích:

Bán kỳ dương: khi U2m > E, D dẫn điện, U 0ut = +E U D ≈ E

Bán kỳ âm: D khoá, U0ut = -U2

Hình 2.16: Mạch và dạng sóng xén mức trên.

2.5.9 Mạch xén hai mức

Ví dụ 2.9: Cho mạch xén hai mức như hình 2.17 Hãy vẽ dạng sóng ngõ vào và ra?

Giải thích:

Bán kỳ dương: khi U2 > E1, D1 dẫn điện, D2 khoá U0ut =E1+U D ≈ E1

Bán kỳ âm: khi -U2 < -E2, D1 khoá, D2 dẫn điện U0ut =E2 +U D ≈E2

Hình 2.17: Mạch và dạng sóng xén 2 mức

2.5.10 Mạch ghim mức

Ví dụ 2.10: Cho mạch ghim mức dùng để phục hồi mức điện áp DC như hình 2.18

Hãy vẽ dạng sóng ngõ vào và ra?

Giải thích:

Bán kỳ âm: D dẫn điện, tụ C nạp đầy giá trị U C = +E U2, U 0ut = −E U D ≈ E

Bán kỳ dương: D khoá, tụ C xã qua R

U = IR U= +U =U + +E U = U + E

Trang 33

34

Hình 2.18: Mạch và dạng sóng ghim mức

Ví dụ 2.11: Diode D có điện áp ngưỡng Uγ = 0.2V và RL = 9Ω, ri = 1Ω, rd không đáng kể Áp vào Ui có dạng sin, biên độ 1V Hãy vẽ dạng sóng và xác định áp trên tải UL(t) Xác định UL(ωt=π/2) [1], [6]

Trang 34

35

Hình 2.20: Dạng sóng ngõ ra trên tải

Ví dụ 2.12: Cho mạch như hình vẽ, biết Ui= 10sinωt (V), dòng bão hoà ngược Is =

10-6mA Dùng phép biến đổi Thevenil để giải mạch, vẽ dạng sóng của dòng điện qua diode?

R

U U R R

U U

Th

Th D Th Th

D Th

D

2

sin432

Trang 35

36

Tại các thời điểm 0; ;

3 2

ω = ta có các đường tải AB, CD, EF như hình vẽ

Ngoài quan hệ này, i và UD còn phụ thuộc vào nhau theo đặc tính của Diode

Hình 2.21: Dạng sóng dòng điện qua diode

Ví dụ 2.13: Một diode có dòng ngược bão hoà IS =30µA Hãy xác định điện trở động rD của diode theo chiều thuận và theo chiều ngược ở nhiệt độ 1250C với điện áp phân cực là 0.2V

Giải

Đối với cả 2 trạng thái dẫn và ngắt ta luôn có:

1

D qU KT

1,6.10

291,38.10 125 273

D

U KT

−

+( 29 )

Trang 36

D D

276.03172910.3029

10.30

2 sin 2

1 4

2

2 cos 1 2

sin 2

m

I I

t t

I t d t I

t d t I

ωπω

ωπ

ωωπ

π π

π

Trang 37

38

( ) A

I I

254002

23002

4

2

=+

=

⇒

Ví dụ 2.15: Cho mạch điện như hình vẽ Cho biết đặc tuyến Volt-Ampere của diode

có phương trình hàm mũ như sau: ( )

a Vẽ đặc tuyến đường tải tĩnh

b Vẽ đặc tuyến đường tải động

c Tính điện trở động rD của Diode

d Tính điện áp trên tải U L (t)

Giải

Đặc tuyến đường tải tĩnh:

E = 10V, u(t) = 0, tụ C hở mạch

D D

R

E U R

4 , 0

1 4

, 0

10 4

, 0

t u t

,

0

D D

U t u t

i = − +

( ) ( )

25 , 0 25

,

0

D D

U t u t

i = − +

Trang 38

39

Hình 2.23: Đường đặc tuyến tĩnh và động của diode

Lưu ý: khi u t i( )= , đường thẳng này cũng đi qua điểm làm việc tĩnh Q 0

Điện trở động của diode

1 10

1

1 Π

=

=ω

uF

1000 20

1

Trang 39

Ví dụ 2.18: Cho mạch như hình vẽ, Diode có điện trở r Tìm áp trung bình trên R

Hình 2.26: Mạch chỉnh lưu diode cầu không có tụ lọc

Giải

2

2 0 0

I

Ví dụ 2.20: Thiết kế mạch chỉnh cầu như hình vẽ

Trang 40

2.6.1.1 Ký hiệu và cấu tạo

Diode Zener có ký hiệu

Pha với nhiều tạp chất nên có VR max thấp gọi là hiệu thế Zener VZ:

VZ = 3 ÷ 30v DC

Làm bằng vật liệu chịu nhiệt cao, nên khi dòng điện tăng cao Zener vẫn làm việc được Zener thường được dùng trong các mạch ổn áp công suất nhỏ

2.6.1.2 Tính chất và đặc tuyến:

Ở chế độ phân cực thuận, zener có đặc tính như diode thường

Khi hiệu thế qua zener VZ = VR max, ta gọi hiệu thế này là hiệu thế ổn định của zener, khi VD = VZ, dòng điện tăng lên cao nhưng VZ vẫn không đổi, người ta lợi dụng tính chất này của zener để làm mạch ổn áp

Định dạng
Số trang	225
Dung lượng	5,14 MB