GT điện tử cơ bản các phần tử tích trữ năng lượng

Ñeå giaûi thích tính chaát thôøi gian cuûa ñaùp öùnh maïch, ta phaûi ñöa theâm vaøo hai phaàn töû môùi laø tuï ñieän vaø cuoän caûm.. Vôùi MOSFET ta coù ñieän dung lieân cöïc C GS nhö [r]

GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Ch10 CÁC PHẦN TƯ ÛTÍCH TRỬ NĂNG LƯỢNG

8.1 Đại Cương

Ở các chương trên, ta xét kết quả dáp ứng ngõ ra theo tác động ngõ vào trong thời gian xảy ra nhanh vô hạn, hoặc xét trong chế độ tĩnh Trong thực tế, đáp ứng của mạch điện còn tuỳ thuộc thời gian, và thời gian trể đó thường có ý nghĩa quan trọng như sẽ xét đến sau đây.

Thí dụ, xét mạch trể và sự quan trọng của thời gian trong biểu thị đáp ứng của mạch gồm hai mạch ĐẢO (Inverter – Not) ở H 8.1 sau

H.8.1 Đáp ứng ngõ ra là đáp ứng lý tưởng, đáp ứng trể có dạng như H 8.2

voB voA

vi

Đáp ứng thực tế- Đáp ứng quan sát:

vi

voA Đáp ứng lý tưởng ( mong muốn)

Đáp ưng quan sát

voB

Đáp ứng lý tưởng

Đáp ứng quan sát

Trể

C GS

S Chú ý: Với BJT có hai tụ liên cực C be và C bc

kênh n

p Silicon

Oxid

Kim loạiï

n

n

8.2 Tụ điện

1 Tụ điện

Trị số điện dung A

: hằng số điện môi tương đối

A tiết diện bảng kim loại ( m 2 )

d khoảng cách hai bảng cực(m) d

Đặc tính của tụ điện

Tụ điện là linh kiện tích trử năng lượng, là linh kiện nhớ ( memory device)

-

-Đ i ệ n m ô i

Various types of capacitor

A capacitor is an electronic device for storing charge Capacitors can be found

in almost any complex electronic device They are second only to resistors in their There are many different types of capacitor but they all work in

essentially the same way A simplified view of a

• Ảnh hưởng điện trường và thông lượng

7

• Điện dung cổng MOSFET

• Điện dung cổng – kênh được tính gần đúng:

• trong đó là hằng số điện môi của oxid silic , d

là bề dày của lớp oxid silic, L là độ dài kênh, và W là độ rộng kênh Tích số WL là điện tích cổng.

• Vì số điện tích của cổng trải dài kênh nên ta có

C

d





• Thí dụ: Hảy tính trị số điện dung CGS của các MOSFET có kích thước sau ( hình) , tất cả cùng có Cox = 4fF/

• Các MOSFET M3, M4, M5 : có trị sô điện dung là 48 fF, vì đều có cùng điện tích 12 ,

8.4 Mạch RC nối tiếp

Phân tích mạch RC sau ( H.8.5)

Áp dụng KVL cho:

i(t)

+

R

Cuộn dây có tính tích trử năng lượng điện, cuộn dây là linh kiện nhớ.

Chú ý: Tụ điện có tính nhớ theo điện thế

Cuộn cảm có tính nhớ theo dòng điện

E  Li

13

• Tự cảm do dây nối

• Điện dung và cuộn cảm dây nối trong IC

14

• Với các hình dạng trên , ta lần lượt có:

• và cả hai cách nối cho:

• Thí dụ: Xét cách kết nối trong IC theo hình 27, có W

= 2 , G = 0,1 , và Hảy tính điện

dung và tự cảm trên đơn vị chiều dài

Tính được theo công thức (9.53) và (9.54) trên:

• Áp dụng hai công thức (9.55) và (9.56) lần lược tính

được kết quả sau:

8.4 Mạch RC

Phân tích mạch RC sau ( H.8.5)

Áp dụng KVL cho:

1 Nghiệm thuần nhất ( tự do)

2 Nghiệm xác lập ( cưỡng bức)

Giải phương trình có vế sau:

Có thể thay thế vc(t) và và giải tìm trị số của A, hoặc có thể lý luận ở chế độ xác lập (hay chế độ dừng) khi t  vô hạn hay dvc(t) / dt 0, nên cho:

pt t ctd

Vậy nghiệm tổng cộng:

Xác định A:

Thay vào lại v c (t) được:

Xác định trị số dòng điện:

Điện thế qua điện trở R:

t I

• Tụ nạp điện (Charging a Capacitor)

21

Đường cong nạp

22

• Đường cong nạp – xã (tích - phóng)

8.5 Mạch RL

Tương tự như phân tích mạch RC, ta có:

Ta có nghiệm thuần nhứt (tự do):

vI

iL(t) Li(t)

R

-+ vL

t Ltd

8.5 Truyền trể và mạch số

Xét mạch logic gồm hai cổng đảo

Ta có mạch tương đương 01 tại B:

Giả sử v B (0) =0 khi t =0 và t > 0

Áp dụng công thức điện thế hai

đầu tụ C GS :

voB voA

vi

Vo2 +

Vs Vs

vo1

viB VI

=Vs

vI

vB CGS

Tìm thời gian lên t r để v B = V OH

Hay v B

v OH Tính t r :

5 0,16

Thời gian xuống t f khi 10

Mạch tương đương khi 1  0 tại B

Do MOSFET dẫn, tụ xã ta có mạch:

Thời gian trể t f khi v B giảm đến V OL cho:

RON CGS vB

-+ -

-VTH

vB CGS

i(t)

+ RTH

Thí du 2ï:

Cho mạch gồm hai cổng Inverter nối tiếp nhau như ở hình 8.1, nhưng

lần lượt tính được:

Với MOSFET có: R L = 10k , R ON = 10k , V S = 5 V, C GS = 100 fF, V OL = 1 V, V OH = 4V.

Thí dụ 2: Ảnh hưởng độ dài dây nối trong chip VLSI

Giả sử dây nối giữa hai cổng INVERTER đối nhau và dài 1 cm Kết quả

dây nối dài tạo nên tụ điện và điện trở Thời gian trể RC này lớn thời gian trể RC của các Inverter nối nhau với dây ngắn hơn.

Xét mạch sau:

RON

vo1

RON CGS1

vc +

8.6 Trạng thái và nhớ

Nhớ lại mạch RC cho:

Lưu ý, điện thế tụ điện tại là độc lập với dạng của điện thế vào trước t = 0 Thay vào đó, nó chỉ phụ thuộc vào điện thế tụ điện tại t = 0, và điện thế vào ở

Trạng thái là tóm tắt những ngõ vào xác đáng đã qua ( quá khứ) để dự

đoán tương lai.

Với:

q = CV

với tụ điện tuyến tính , điện thế tụ điện V cũng là biên trạng thái

thực tế là biến trạng thái

Trở lại biểu thức của mạch RC:

Tóm tắt ngõ vào xác đáng quá khứ để dự đoán tương lai

0

t  0

t 

       

0 , 0

Ta thường quan tâm đến đáp ứng mạch vơiù:

Trạng thái zero v C (0) = 0

Ngõ vào zero v I (t) = 0

Tương ứng:

Đáp ứng trạng thái zero hoặc ZSR (Zero state response):

Đáp ứng vào Zero hoặc ZIR ( Zero input response):

Store M

dout

3 Thiết kế phần tử nhớ

A Mạch thử lần đầu

storage node dOUTdIN

C

=0 store

storage node dOUTdIN

OH L

Mạch thử lần hai

Để cô lập tụ với với mạch đọc trị số nhớ, mạch buffer thêm vào rất có lợi

R IN >> R L ,

Mạch tốt hơn, nhưng còn chưa hoàn hảo.

Để tránh tụ bị rĩ ta mắc thêm R P :

buffer

=0

dOUT dIN

Rp

C Mạch thử lần ba- Bộ nhớ tĩnh

Để khắc phục sự rỉ của tụ, ta cùng hồi tiếp và công tắc đảo storage

buffer + refresh

Khi ngõ ra phần tử nhớ lên mức 1, công tắc đóng và cho một dòng điện tích nhỏ vào nút storage để bù sự rỉ của tụ Vì nó nạp điện vào nút nên công tắc này được gọi là công tắc nạp (trickle switch) Điện trở ON của công tắc nạp lớn hơn điện trở công tắc nhớ, để ngõ vào nạp có thể dễ dàng làm tăng năng suất bởi ngõ vào dIN.

Giá trị bên ngoài không ảnh hưởng đến nút nhớ.

Bộ nhớ được gọi là phần tử nhớ tĩnh 1-bit hay mạch chốt-D tĩnh.

D Mạch thử thứ tư

Để cô lập ngõ ra với tải bằng cổng dảo

buffer + decoupled refresh

dOUT /store

store dIN

*

CM

Sơ đồ RAM ( dung lượng C = 2 m X2 n )

Vài mạch logic tuần tự

Mạch logic tuần tự là mạch không chỉ tuân theo các định luật đại số Boole, mà còn phải tuân theo trạng thái quá khứ (trước đó) của mạch  Tính nhớ( lưu trử trạng thái) Các mạch logic tuần tự thường gặp là: RS flip-Flop, JK Flip-Flop, T-Flip-Flop, D – Flip Flop…

Q

Q R

Mạch SR-FlipFlop và bảng trạng thái

Outputs Inputs

Q

0 1 0 0

Present state Reset

Set Disallowed

Giản đồ thời gian RS flip-flop

0 0 0 0 0 0 0 1 0

0 0 1 0 0 1 0 0 0

1 1 0 0 0 0 0 1 1

S

Q

Flip-flop

is set

CLK

Mạch chốt(Data latch) và giản đồ thời gian

Enable

D Q

Enable

D

E

Q R

S

Q

Q E

D Q

• JK- Flip Flop

4027

S 7 J

6 CP

3 K

5

R 4

QN 2

Q 1

Ký hiệu xung kích ( xung nảy)

• Nảy bằng mức cao của xung:

• Do có mắc các cổng ở ngõ vào như sau:

a.Nảy ở cạnh lên: b.Nảy bởi cạnh xuống

ký hiệu linh kiện

0 1 0 1

3 K

5

R 4

QN 2 Q1

CK

J

6 CP

3 K

5

R 4

QN 2

Q 1

S D

CP

R QN

CP

R QN Q

trong thiết kế các mạch đếm ( counter)

( xem lại chương 8 IC)

T-FF

0 Qn

Sơ đồ chân các IC FlipFlop thường gặp

Flip-Flop Types with State Tables

trạng thái và giản đồ thời gian

3-bit binary counter

Functional representation of binary counter

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 1 0 1 0

Mạch đếm không đồng bộ

• Dạng sóng mạch đếm

Q1 Q0

Q2S

R Q

0

CLK CLR

Q2

Q3

Clock

• IC đếm thường gặp

• Đếm 10 Đếm 12 Đếm 16

3.Mạch ghi dịch song song 4 – bit

• IC Ghi dịch thông dụng

vào song song-ra nối tiếp Phổ dụng

Sơ đồ RAM dùng MOS

• IC RAM

DRAM ( Dynamic RAM-Dynamic MOS cell)

• Khác với SRAM ( Static RAM) gồm 1 tế bào nhớ là FlipFlop MOS.

• DRAM 1 tế bào nhớ là 1 tụ MOS , khi nạp đầy là mức cao, khi xã hết là ở mức thấp.

Word line D

C T

7.Cấu trúc 1 hệ thống nhận và điều khiển

User

Sensor signals

To displays

To actuators

systems

Microcomputer

Cấu trúc bên trong DRAM

• Sơ đồ DRAM Row decoders

Row clock Column clock Address demultiplexer

Data out

A i

Data in Ao

Write signal WE

write signals RAS,CAS clock generator

CAS column clock

RAS Row clock signal

Memory array

Sense Amp.

Memory array

Column decoder Write

timing

Cách đọc tên ghi trên IC

• Mã số IC (2) loại linh kiện

(4) loại vỏ

(3) Dãi nhiệt độ (1)

Tên hãng

(7) Chử tắt (6)Tuần lễ của năm

uA 741 C N

F 95 16 1

9

2 3 4

8 13

14

7 6

5

TL,TIL,SN Texas Intruments;

LM-National Semiconductor Corp.

MC, MOC - Motorola

ICM – Intersil

BB – BurrBrown

NE, SE Signetics

(4) Loại vỏ:

D plastic dual-in-line package ( DIL,

DIP)

FH, FK ceramic chip carrier

FN plastic chip carrier

J, JD, JG ceramic dual-in-line

LP, LU plastic plug-in

N, P plastic dual-in-line

U , W ceramic flat