Lý thuyết mạch điện tử và tự động thiết kế mạch bằng máy tính

Đây vẫn chưa phải là giai đ oạn cuôi c ùn g của việc sân xuất ra s ản phẩm... 3- Tôi ưu hoá mạch điện tử đê có thỏ n h ặ n được các mạch diện với các chì tiêu tôi ưu.. - Cách thức liên h

LỜI NÓI »ẦU

T r o n g n h ữ n g n a m g á n đ â y sự phát triổn n h ư vũ b ă o c ủ a cá c c ổ n g n gh ệ sán xuất

mớ i đà k é o t h e o sự xuất hiện c ủ a m ộ t loạt cấ c k ic u linh kiện với m ộ t s ố tính chất và

c h ứ c n ă n g mơi Đ i ề u này đ ã c h o p h é p ỉhiốỉ kê c á c thiết bị diộn lử vơi cá c yỏu c ẩu về

tí nh luiim kỹ t h u ậ t c a o hơn và d o đ ổ c ũ n g phức lạp hơn Sự tien h ộ n à y d ẫ n đốn nh ữn g

m â u t h u ẫ n k h ô n g thố tránh k h ỏ i giữa y ê u cầu vổ th ực tố v à đ òi hói về p h ư ơn g pháp, thiết

bị và p h ư ơ n e ti ện t r onu q u á trì nh t h i í t k í Sự phất trien và lien h ộ c ủ a q u á trình thiết k ế chi c ố llìe d ư ợ c thực hiộn I1ÍU nó đ ư ợ c đ ồ n g h ộ với viộc ứ n g d ụ n g và phái Ilion các

p h ư ơ n g p h á p li en tien d ựa trôn n h ữ n g t h à n h tựu vổ lý t h u y ế t c ũ n g n h ư việc á p d ụ n g các

t h à n h q u á mới n hấ t của n g à n h kỹ thuật lính

Lý t h u y ế t m ạ c h đ i ệ n tử là m ộ t t r o n g cấc m ô n h ọ c c ơ s ơ n h ằ m t r an g bị cá c k i í n thức vổ lý t hu y ế t c h o sinh viên t h u ộc n g à n h v ỏ l u y ế n điộĩì lử c ũ n g đ a trái qu a m ộ t số

th a y đổi đ á n il ko de c ó the đ á p ứng đ ư ợ c cá c n hu c ầ u vổ thiết kố vơi một loạt các

p h ư ơ n g p h á p mớ i đư ợc sử d ụ n g tr on g q u á trình phùn lích, tối ưu và t ổ n g hợp các m ạ c h

đ iệ n lứ Một n g u y ỏ n n ha n q u a n t r ọ n g c ổ vai t rò th ú c đ á y q u á trình phái Irien c ủ a lý

t l ui yí t m ạ c h đ i ẹ n íử về p h ư ơ n g p h á p đ ỏ là sự lien b ộ vượt bạc của n gà n h c ỏ n g lìghẹ

ỉ h ỏ n u tin m à cụ Ihổ là ứng d ụ n g củ a c á c p h ư ơ n g p h ấ p lính t r o n é lĩnh vực ih ií l ke’mạch

Tài liộu n à y n h ằ m m ụ c đ íc h đư a ra một s ổ p h ư ơ n g p h ấ p mới đư ợc sứ chint: t r o n é

q u á trình thiốl k í m ạ c h đ iệ n tử m à tập Irunii chú y í u v à o c á c m ạ c h lích cực c ỏ c hứ a các đòn bấn d ẫ n l ư ỡ ng cực, đ è n h á n d ẫ n tr ư ừn a, k h u ếc h đại thuậ! loan v.v T r ô n a lài liệu CÙ11U de c ập t ư ơ n g đối chi ti í l đ ế n m ộ t sổ thuật t oá n đ ư ợ c sử d u n g t r o n é q u á trình ihiốt

ke m ạ c h đ ế uiííp hạn đ ọ c là m q u e n với m ộ t h ư ớ n g mới t r o n g q u á trình ihiốt k í m ạ c h đ ố

là lự đ ộ i m ho á q u á trình i h i í t kố m ạ c h đ i ệ n lử billig m á y tính

Tài liệu h a o g ố m 6 c hư ơ n g C h ư ơ n g I đ ư a ra c á c k i ế n thức cơ hàn t rong lĩnh vực điộn lử n h ằ m u i ú p bạn đ ọ c n a m hái lại c á c kiến thức ban đ ầ u C h ư ơ n g 11 SC giới thiộu một loạt m ỏ p h ó n g c ủa cá c m ạ c h đ i ệ n lử nói c h u n g c ũ n g n h ư c á c linh kiện điộn tử n h ư

t rans ist or , tliocl, và k h u ế c h đại thuật toá n Cá c m ỏ p h ó n g n à y sè đ ổ i m m ộ t vai trò hốt sức

q u a n Irọng t roi m q u á trình t h i í t k ế l ự đ ộ n g Q u a c h ư ơ n g III và c h ư ơ n g IV hạn đ ọ c sè làm q u e n vơi c á c khái n i ệ m, p h ư ơ n g p h á p và m ột loại t h uậ t t o á n d ù n g đổ phân tích

mạ c h C h ư ơ n g V giới t hi ệ u c á c p h ư ơ n g p h á p p hâ n tích m ạ c h phi l u y e n c u n g n h ư ihuật

t oá n tiling do p hâ n tích c á c m ạ c h đ i ệ n c ó tính chất phi l uyến C h ư ơ n g VI đ ưa ra c á c kiến thức c ơ hàn về đ ộ n h ạy , đ ộ ổ n đ ị n h c ủ a cá c t h a m s ố c ủ a m ạ c h và c á c p h ư ơ n g p h á p d ù n g

đỏ xác đị nh đ ộ n h ạ y c ủ a c á c t h a m số T r o n g c h ư ơ n g này c ũ n g xây d ự n g c á c thuật loan

d ù n g đổ x ác đ ị n h đ ộ n h ạ y c ủ a m ạ c h t h ô n g q u a m á y tính

C u ố n sách c ó thế đ ư ợ c d ù n g đe là m lài liệu c h o c á c sinh vieil, cao h ọ c chLiycn

n gà n h v ỏ t uyế n đ i ệ n c ũ n g n h ư làm tài liệu t h a m k h ả o c h o c á c kv S Ư q u a n l â m đốn q u á trình thiết k ế tự đ ộ n g b ằ n g m á y tính

T r o n g q u á trình b iổn soạn tài liộu, t ác giả đ ã n h ậ n d ư ợ c rất n h i ề u V k iế n d ó n g

g ó p q u ý b á u c ủ a cá c đ ổ n g n g h i ệ p và đ ư ợc N h à xuất hán k h o a h ọ c và kỹ thuật t ạ o d i c u kiộn đổ c u ố n s á c h c ó thể p h á t hà nh k ịp thời và đạt chất l ượng lốt T á c già xin hày tó lời

NHỮNG KHÁI NIỆM ■ co BẢN

1.1 THIẾT KẼ TRONG ĐIỆN TỬ, CÁC GIAI ĐOẠN

T h i ẻ t kê là một t ừ được sử d ụ n g trong r ấ t n hi ề u lĩnh vực của quá t rì n h t hi ế t kế: thi ết

kê máy, t h i ế t kê các công t r ì n h xây d ựn g v.v Tuy vậy ỏ t r o n g mỗi c h u y ê n n g à n h việc t h i ế t kê

m a n g n h i ề u n é t đặc t rư n g khác n ha u Mặc dù ma n g tí nh c h ấ t đa d ạ n g n h ư n g vẫn có t h ể th ảy dược nét đặc t r ư n g n h ấ t tr ong công việc thiêt kế, đó là việc giải quyết một loạt các v â n để phức

t ạ p được đ ư a r a bát nguồn t ừ các yêu cầu vê kỹ t h u ậ t , kin h t ế với k ết q u ả là các tài liệu chi tiết

p hục vụ cho v ấn đê được đ ặ t ra Các tài liệu này thôn g t h ư ờn g được gọi là (proekt) và bao gồm các t í n h to án chi tiết, các b ả n vẽ, lòi giải thích, ng uy ên v ậ t liệu, má y móc t hi ết bị c ùn g nhiều

v ấ n đê có liên q u an Tr ên cơ sở của tài liệu n ày cá n h â n hoặc đơn vị khác có t hẻ xảy dự ng hoặc

c h ế tạo r a đôi t ượ ng đả được t h i ế t kê và tổ chức việc s ả n x u ấ t h à n g loạt các đôi tượng đó

Khác VỚI một sô n g à n h n h ư xây dựng và chê tạo máy, thi êt kê tr ong kỹ t h u ậ t điện tử

m a n g nh iê u n é t đặc t r ư n g x u ấ t p h á t từ một sô* yêu cầu và đặc điểm của chuyên ngành Có t hể

í hay r ằ n g công việc t hi ế t kê t r o n g điện t ử không đơn t h u ầ n được thực hiện qua các b ả n vẽ, sách

t r a cứu và q u a việc t í nh toán các con sô v.v và càng k hô n g t h ẻ th ự c hiện t rê n các b à n giây Ngoài các công việc t í nh toán cần thiết, việc t hi ết kê trong điện tử còn liên q ua n c h ặ t chè đến các t hực nghiệm, đo đạc, kiểm t r a t r ê n M ak et tr ong các p h ò n g t hí ng hi ệ m với các thi êt bị đo lường h iệ n đại v.v

Lĩnh vực t h i ế t k ế t ro ng n h ữ n g n ă m gần đây đã có n h i ề u sự t h a y dổi lớn cả về phương

p h á p lẫn công nghệ, đặc biệt t r o n g lình vực điện tử Các t h a y đối n ày chịu ả n h hưởng lỏn của

sự p h á t t r i ể n m ạ n h mẽ và liên tục của các phương p h á p tí nh, kỹ t h u ậ t tin học, sự t ự động hoá

tr ong q u á t r ì n h s ả n x u ấ t v.v Một tr on g n h ữ n g yếu tô' có ý n g h ĩ a q u y ế t định đó là việc ứ ng d ụn g

má y t í n h khi giải q u y ế t các v ấn để đòi hỏi nh iề u p hép tí nh lốn và phức tạp Với sự giúp đỡ của

má y tí nh, các bài t o á n n ày t h ô n g thư ờ ng được tiến h à n h t r ê n các mô h ì n h to án học của đôi tượng cần t h i ế t k ế m à không c ầ n xây dự ng các M a k e t của đổi tượng Mặc dầu vậy công việc thiết kê t ro ng n g à n h điện tử v ẫ n khô ng mâ't đi các n é t đặc t r ư n g c ủ a nó Sự cần t h i ê t của việc tiến h à n h t hực ng hi ệm, c h ế t ạ o ng uy ên m ẫ u của đôi tư ợng c ầ n t h i ế t kê, k hả n ă n g của các

6 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN ĩử VÀ TỤ Đ Ộ N G THIẾT KỀ M Ạ C H BANG m á y t í n h

c h u y ê n gia trong việc sử d ụ n g các t hi ế t bị do phức t ạ p cũ n g n h ư n h u cầu về sự t r a n g bị các kiến thức cơ bản vê lý t h u y ế t và thực h à n h v.v vẫn sẽ q u y ết định các đặc tr ưn g cơ b ả n của việc t hi ết kẻ trong lĩnh vực điện tử t r ong tương lai

Tr ên q ua n điểm kỷ t h u ậ t , quá t r ì n h t hi êt kê có t hể được chia l à m ba giai đoạn chính: thi ết kẻ vê chức nàng, thiết kẻ vê cấu trúc và t h i ế t kê vê công nghệ Các khái niệm này củng được sử d ụ n g trong các lĩnh vực khác của các n gà n h kỹ t huậ t

Thiết k ế chức n ả n g bao gồm việc chọn lựa n gu yên lý là m việc củ a t hi ế t bị, xác định các

p h ầ n tử cấu t h à n h nên t h i ế t bị và cách liên hệ, nôi kết cú a p h ầ n tử n à y với n hau Nói cách khác đây là qu á t r ì n h chọn lựa mạch n gu yên lý làm việc c ủ a t h i ế t bị T h i ế t kê chức n ă n g còn bao gồm việc t ính toán n h ằ m đ ạ t được các chỉ sô kỹ t h u ậ t c ầ n t h i ế t của thiêt bị, việc kiêm

n g h iệ m mạch t rên thực tế, đo đạc với mục đích chử ng mi nh k h ả n à n g của t hi ế t bị so với các tiêu c h u ẩ n được đặt ra

Thiết k ế cấu trúc n h ằ m mục đích đưa ra các giải p h á p vê cấu t r ú c cho toàn bộ t hi ê t bị

c ũ n g n h ư của các p h ầ n tứ cơ học, mạ ch in, panel v.v

Thiết k ế về công nghệ cho phép giải quyết v ấ n đê chê tạo các linh kiện, các p h ầ n tủ

c h u y ê n d ụ n g tr o ng điểu kiện s ản xuất Thi ết kê vê công n gh ệ củ ng bao gồm việc chọn lựa các

ph ươn g tiện, má y móc cần t h i ế t cho qu á t r ì n h s ản x u ấ t c ũn g n h ư các chê độ làm việc của các

t h i ế t bị này và chi ra các ph ương p h á p kiểm t r a c h ấ t lượng s ả n p h ẩ m v.v

Ở đây c hú n g ta chỉ đề cập đến một giai đoạn t rong q u á t r ì n h t h i ế t kê đó là t hi ét ké về chức n ả n g của các t h i ế t bị diện tử Bản t h ả n t h i ế t kê chức n ă n g lại có t h ể chia làm một sô giai đoạn:

- Đưa ra các yêu c ầu vê kinh tê - kỷ t h u ậ t của t hi ết bị

Các giai đo ạn n ày có thê được biểu diễn t hôn g q u a sơ đồ ỏ h ì n h 1 1

Giai đoạn đầu của q u á t r ì n h t hi ế t kê chức n ă n g p hải đ ưa r a các yêu cầu vê kỹ t h u ậ t cùa t hi ế t bị và t h o ạ t n h ì n q u a có t hê được xem là công việc tương đôi dễ dàng Tuy vậy để có

t h ê đ ưa r a được n h ữ n g yêu cầu hợp lý, cần phải đòi hỏi một t r ì n h độ c h u ỵ ê n môn cao và kinh

n g hi ệ m làm việc p ho ng phú Trong khi các yêu cầu được đ ặ t r a n ế u q u á cao so VÓI mức cần

t h i ế t sẽ là m phức tạp và gây khó k h ă n t h ê m r ấ t n h i ê u cho q u á t r ì n h t h i ê t kê và chè tạo c ũ n g

n h ư làm cho giá t h à n h s ả n p h ẩ m lên cao thì việc đưa ra n h ữ n g yên c ầ u q u á t h ấ p sẽ làm giảm

c h ẵ t lượng c ủng n h ư giá trị thực của t hi ế t bị

Chương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BÀN 7

H ìn h 1.1

Giai đoạn t ổ ng hợp có n h i ệ m vụ đưa ra n h ữ n g ngu yên tắc c h u n g trong việc xây dựng thiết bị, các p h ầ n t ử c ấ u t h à n h n ên t h i ế t bị củng n h ư cách thức liên hệ giữa các p h ầ n từ này Nói một cách tông q u á t , giai đ o ạ n này n h ằ m mục đích dưa ra mạch nguyên lý c h u n g m à t rên

cơ sở đó có t h ể đáp ứ n g được các yêu c ầu về kỹ t h u ậ t được đ ặ t ra

Giai đoạn p h â n tích m ạ c h th ô ng t hư ò n g t hực hiện việc n gh iê n cứu chi ti ết vể lý t h u y ế t song song với các p h é p t í nh c ầ n thiết, kiểm t r a về thực nghiệm t r ê n mạch đã được t ổ ng hợp trước đó và xác đ ị nh giá trị c h í n h xác, ch ê độ làm việc của các p h ầ n tử q u a đó đ ưa r a đ á n h giá

vê kết quả đạt được N h ư vậy giai đoạn n à y có t h ể được chia làm n h i ề u giai đ oạn nhỏ, đó là:

- Xây d ựn g mô h ì n h vê lý t h u y ế t (toán học) và thực n ghi ệm (vật lý)

- P h â n tích mạch

- Đ á n h giá kết quả

8 LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VẢ ĩự Đ Ộ N G THIẾT KỀ M Ạ C H BANG M ÁY TÌNH

Giai đoạn chê tạo được tiên h à n h sau khi các kết quả n h ậ n được thoà m ã n các yêu cầu

đã được đ ặ t ra, t uy nhiên, t r ê n thực kết quá t hu được lần đẩu thông thường c h ư a t h ể đ áp ung

được các yêu cầu đã dặt ra và do đỏ cần phải tiên h à n h giai đoạn tối ưu hoá Mục đích của giai

đoạn này là n h ầ m diều ch ỉn h lại các t hông sô của mạch đê có the đạt được kết quả tôi ưu gần

VỚI yêu cầu được đư a ra n h ấ t t ro ng n h ữ n g điểu kiện xác định Tôi líu hoá có t he được tiên h à n h

t r ê n một hoặc nh iề u t hông sô của mạch, t hông thường đây là các thô ng số có ả n h hường nhiều

n h ấ t đên các chỉ tiêu kỹ t h u ậ t củ a mạch n h ư độ ôn định, an toàn, giá t h à n h , khôi lượng, kìeh

thước v.v Có hai ph ươn g p h á p được d ùn g đê tôi ưu hoá mạch: tối ưu hoá th a n h p h ầ n và toi ưu

hoá câu trúc Tr ong khi tôi líu hoá t h à n h p h ầ n dược thực hiện t hông qua việc t h a y đổi giá trị

r ủ a các p h ầ n tử c ũn g n h ư chê độ làm việc của mạch, thì tôi ưu hoá câu trúc đòi hỏi p h ải tông

hợp lại mạ ch và n ghiê n cứu lại một lần nữa

S au khi kết quả của q u á trì nh tôi ưu hoá được đ á n h giá tôt sẻ chuyên s a n g giai đoạn

c h ế tạo t h ử sản p h ẩ m m ầ u (prototype) Đây vẫn chưa phải là giai đ oạn cuôi c ùn g của việc sân

xuất ra s ản phẩm Tr ong n hi ề u tr ường hợp, s ản p h ẩ m mẫ u vẫn có t h ể ch ưa thoả mã n yêu cầu

đ ặ t ra s au khi tiến h à n h t h ử ng hi ệ m một cách toàn diện t rê n sản phẩm Điêu này có t he phát

s in h do việc sử d ụ n g các mô ph ỏn g vặt lý và toán học với độ chính xác c h ưa cao, chưa tí nh hêt

các ả n h hưởng bên ngoài đến s ả n p h à m tr ong điếu kiện làm việc thực t ế t r o ng các mồ phỏng

toá n học Các yếu tô này có t h ế là điện d u n g ký sinh giữa các p h ầ n tử, độ cảm ứ n g giữa các dày

d ẫ n v.v Việc t h ử ng hi ệ m độ tin cậv của t hi ết bị nh iề u lúc cũng làm cho s ản p h ẩ m cần được

điều c hỉ nh lại N h ư vậy giai đ oạ n cuối cùng: hoàn t h à n h giai đoạn kỹ t h u ậ t (bản vẽ, mạ ch điện,

các t hông sô của các p h ầ n tử cấu t h à n h nên mạch (thiêt bị), phương p h á p s ản x uât , kiêm t r a và

p h á t hiện hóng hóc) và s an x u ất s ản p h à m h à n g loạt sẽ dược tiên h à n h sau khi t ấ t cá các giai

đoạn trước đều cho kết quả thoả mã n yêu cầu đặt ra

Có t h ể n h ặ n t h ấ y r ằ n g khôi lượng công việc của thi êt ké t h ậ t lớn và phức t ạp do đó với

các phương p h á p đơn sơ sử d ụ n g trước đây, việc giải quyêt một cách đầy đủ và n h a n h chóng các

còng việc n à y là h ết sức phức t ạ p và khó khăn Trong n h ữ n g n ă m gần đây, nhờ việc ứng d ụng

các phương p h á p thi ết kẻ và công nghệ mới với sự trợ giúp của máy tính, một loạt các công việc

c ủ a quá t r ì n h thi êt kê n h ư c h u ẩ n bị tài liệu, làm mạch in, các tính toán phức tạp, chương trì nh

điểu khiển, p h á t hiện và kiêm t r a hòng hóc đả được thực hiện và làm cho q u á t r ì n h thi ẻt kê

được tự động hoá với c hất lượng s ả n p h ẩ m cao hơn, thòi gian thi ết kê s ả n p h ẩ m được r ú t ngàn

một cách đ á n g kể

Lý t h u y ế t mạch điện tử n h à m giải quyết các bài toán cụ thê sau:

1- N gh iê n cứu và xây d ựn g các phương p h á p ứng d ụ n g mới t h u ậ n tiện cho việc xác

đ ị n h (ph ân tích) các t í n h c h ấ t cơ bản, các đặc t í nh và t h a m số của các mạ ch điện tử Đó là hệ sô

k h uế ch đại của điện áp, dòng điện và công s u ấ t của toàn mạch củng n h ư t ừn g p h ầ n c ủ a mạch,

h à m t r u y ề n cua mạ ch dưới tác d ụ n g của tín hiệu đ ầu vào, chê độ làm việc tĩ nh c ủn g n h ư sự ôn

đ ị nh của mạch, độ n h ạ y của mạ ch đôi với một sô' yếu t ố n h ư sự t h a y đổi giá trị của một số p h ầ n

tử của mạ c h v.v

Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN 9

2- Xây d ự n g cấu trúc cũng n h ư xác định giá trị các p h ầ n tử của mạ ch n h à m đ á p ứ ng các đặc tính đã dược xác định trước (quá t r ì nh tống hợp)

3- Tôi ưu hoá mạch điện tử đê có thỏ n h ặ n được các mạch diện với các chì tiêu tôi ưu

Tài liệu n à y chí đế cập các vấn đề liên q u a n đến các phương p h á p p h â n tích các mạ ch diện tử (các mạ c h tương tự) làm việc tr ong chê dộ t uyế n tính, c h ế độ phi tuyến, các p h ư ơ n g

p há p xác định độ n h ạ y của mạch củng n h ư tôi ưu hoá các mạch điện tử Lĩnh vực tông hợp các mạch điện tủ đòi hòi một kinh nghiệm làm việc phong p h ủ củng n hư k h ã n ă n g c hu yên môn s âu sác hơn và c h ú n g tỏi hy vọng sẽ giới t hi ệu với các bạn tr ong các tài liệu tiếp theo Bẽn c ạ n h

p h an lý t h u y ế t c h u ng , một điều cần lưu ý là tr ọng t â m của cuôn sách này sè cho p hé p độc giả làm q uen VỚI một sô phương p h á p hiện đại đê giải các bài toán p h â n tích, tôi ưu v.v - sử d ụ n g các t h u ậ t toán, p h ư ơ n g p h á p t í nh thông qua máy tính P h ầ n tiếp theo của chương I sè để cập đến một sô khái n i ệ m cơ b ản trong kỹ t h u ậ t mạch điện tư

Tr ên thực tê các mạch điện tử c hí nh là cách liên kết của các linh kiện điện tử (điện trỏ,

tụ điện, cuộn cảm, đ è n b á n d ẫ n v.v) theo một cấu trúc n h ấ t định Sự liên kết của các l i nh kiện này luôn n h ằ m mục đích tạo r a một mạch diện vối một sô yêu cầu kỷ t h u ậ t c ần đ ạt đ ến (hệ sô khuếch đại dòng, hệ sô k hu ếc h đại điện áp V.V.) Cách thức liên hệ giừa các p h ầ n tử t r o n g mạch được biêu diễn t r ê n b ả n vẽ q u a sơ đồ ngu yên lý của mạch điện tương ứng Q u a mạch n g u y ê n lý

ta có t h ê n h ậ n được các thôn g tin sau:

- T h a m sô c ù a các p h ầ n tử trong mạch

- Cách thức liên hộ giữa các phần tử đó

1.2 CÁC PHẤN TỬ VÀ MẠCH ĐIỆN

+ 12vR2

10 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN ĩừ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG m á y t í n h

H ìn h 1.2 b

H ì n h 1.2 a và 1.2 b đ ư a r a hai sơ đồ nguyên lý của mạ c h điện tử Hình 1.2 a biểu diễn

sơ đồ n g u v ê n lý của mạ ch t i ên k h uế ch đại của các máy q u a y đĩa t r ê n thực tê Trên sơ đồ này có

t h ể xác đ ị n h được các loại p h ầ n tử t h a m gia vào mạch điện, gì á trị của các p h ầ n tử đó và cách

t hứ c liên hệ giữa các p h ầ n t ử này Hình 1.2b đưa ra sơ đồ n g u y ê n lý của bộ lọc điện tử tích cực

có s ử d ụ n g k h u ế c h đại t h u ậ t t o á n với các hồi tiếp âm Khác với mạ ch ng uy ên lý t rên, t r ê n sơ dồ

n à y chỉ ký hiệu các p h ầ n t ử c ủ a mạch và cách liên kết giữa c h ú n g mà không đưa ra các giá trị

cụ thế Các giá trị này được đ ư a r a ở các b ả n liệt kê riêng

C ủ n g cần phải n h ắ c lại r ằng , th ôn g thường t r ê n sơ đồ n g u y ê n lý chỉ đưa ra các p h ầ n tử

(linh kiện) được lắp r áp t r o ng t h i ế t bị Một số yếu tố k hô n g được vẽ t r ê n sơ đồ n g u y ê n lý, tuy

vậy, t r o n g n h i ề u tr ườn g hợp c ủ n g ả n h hưởng đến sự làm việc củ a mạch Các yếu tô đó là các đại lượng ký s inh n h ư đi ện tr ỏ c ủ a các c h ấ t cá c h đ iệ n, đ i ệ n t r ở và hỗ c ả m c ủ a các d â y d â n

c ủ n g n h ư các đ ư ờ n g d ẫ n đ i ệ n t r ê n m ạ c h in, đ i ệ n d u n g k ý s i n h g iữ a các p h ầ n t ử của

m ạ c h đ i ệ n , đ i ệ n d u n g r i ê n g c ủ a các c u ộ n cả m, đ è n b á n d ẫ n , các m ạ c h IC v.v Các p h ầ n

t ử n à y m ặ c d ầ u k h ô n g được đ ư a vào m ạ c h n g u y ê n lý đ ể t r á n h g ây r a sự phức t ạ p trong mạch, t u y vậy, khi t hi ế t kê luô n luôn phải được lưu ý bài vi sự có m ặ t của c h ủ n g có t h ể làm cho

mạ c h k h ô n g làm việc h o à n t o à n theo ý muôn của người t h i ế t kế, t ro ng một vài t r ườ ng hợp

c h ú n g có t h ể làm cho t h i ế t bị l à m việc không được ổn đ ị n h h a y gây ra q uá t rì n h t ự kích của mạch

Các linh kiện ( p h ầ n tử) củ a mạch củng n h ư chí nh b ả n t h â n các mạ c h do các p h ầ n tử

n ày c ấ u t h à n h n ên có t h ể chi a làm các loại sau: t h ụ động và tích cực, t u y ế n t í nh và không

t u y ế n tí nh , ha i cực và n h i ề u cực

1.2.1 P h ầ n tử th ụ đ ộ n g và t íc h cực

T í n h t h ụ động h a y t í n h tích cực c ủa một p h ầ n tử được đ á n h giá qua k h ả n ă n g t iêu t h ụ

h ay p h á t s i n h n ă n g lượng của p h ầ n tử đó T r ê n q u a n điểm này, p h ầ n tử t h ụ động là các p h ầ n

tử chỉ có t h ể t i êu t h ụ n ă n g lượng Các p h ầ n t ử n àv có t h ể là đi ện t r ỏ R t ụ điện với điện d u n g c điện c ả m c ủ a cuộn cảm L, diod b á n d ẫ n v.v Hình 1.3 đưa r a mộ t sô ký hiệu h a y d ù n g t r ê n các

mạ ch n g u y ê n lý của các p h ầ n t ử này

Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c ơ BÀN

E

(d)

Các p h ầ n tử ma n g t í n h k h á n g điện lý tưởng thuộc loại điện c ả m và điện d u n g chỉ tiêu

t hụ các n ă n g lượng ma n g t í n h k h á n g điện tr ong khi các p h ầ n t ử k h á n g điện t r ê n thực tê tiêu

t h ụ cả hai loại n ă n g lượng: n ă n g lượng k h á n g và n à n g lượng thự c (tích cực) do sự tồn tại của

diện trỏ t rong các p h ầ n tử này

Khac với các p h ầ n t ử t h ụ động, các p h ầ n tử tích cực có t h ể p h á t sinh ra n à n g lượng, h ay nói cách khác các p h ầ n tử n à y là các nguồn n ă n g lượng điện: n g u ồ n điện áp hoặc nguồn dòng Nguồn điện áp lý tương luôn d ả m bảo giữa hai cực của nó một s u ấ t điện động với một giá trị không đôi E m à không ph ụ t h u ộ c vào giá trị của dòng điện ch ạy q u a nó (hình 1.4 a), điểu đó có nghĩa là các nguồn điện áp lý tư ởng luôn có điện trở tr ong b ằ n g k hông Chiều của điện áp được biêu diễn n h ư hình vẽ Nguồn d òn g lý tưởng luôn p h á t sinh ra mộ t d ò n g diện có giá trị J k h ô n g dổi và không p h ụ thuộc vào giá trị của điện trở được nôi t r o ng mạch N h ư vậy có t h ể xem r ằ n g giá trị điện t rỏ trong của n g u ồ n điện lý t ưởng là vô cùng lớn

Các nguồn điện áp và dòng điện t rê n thực tế, tuy vậy luôn t i ê u t h ụ n ă n g lượng ỏ một mức độ n h ấ t định N gu yên n h â n của hiện tượng n ày là sự có m ặ t củ a điện trở t r o ng ở các nguồn n ă n g lượng này Sơ đồ của nguồn điện áp và dòng điện t r ê n thực tê được biểu di ễn ỏ hình 1.4 c, d

Tiêu c h u ẩ n để đ á n h giá một p h ầ n tử là t h ụ động hay tích cực n h ư ở t r ê n cho đ ên báy giờ có t hể nói không đáp ứ ng được các yêu cầu tr ong điện tử T r o n g kỹ t h u ậ t đi ện tử h i ệ n n a y

đ ang sử d ụ n g một tiêu c h u ẩ n mới, đó là k hả n ă n g của p h ầ n t ử có t h ể làm giảm hoặc t ă n g công

12 LÝ ĨH U YỀ Ĩ M ẠCH ĐIỆN ĩ ù V À Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

su ất củ a tín hiệu được t r u y ề n q ua nó Kha n ă n g n à y được biếu diễn th ô ng qua hộ sô k hu ếc h đại công s u ấ t , một dại lượng được xác định bởi tý sô giữa công s uất đ ầu ra P ra và công s u ấ t đ á u vào

i \ ao: Kị, = P vao/ P ra Các đèn điện tứ, đèn bán dẫn mạ ch k h uế ch đại toán tứ và IC là các p h ầ n từ tích cực do c h ún g có kha n ă n g kh uếch đại công s uấ t cùa tín hiệu điện t r u y ề n q u a hoặc các

p h ầ n tứ này có t hể tự tạo ra được các dao động Đôi với các p h ầ n t ủ tích cực thì Kp > 1 Chính nhò n h ữ n g t í nh c h ấ t này c ủ a đèn điện từ và đèn b á n d ẫ n mà n gày nay đã đ ạ t được r ấ t nhiều

t h à n h t ự u vĩ đại t ro ng kỹ t h u ậ t điện tử Các mạch điện có chứa các p h ầ n tứ tích cực được gọi là các m ạ c h điện tích cực C ù n g ở tr ong n hóm này còn có các Rơle điện tử bởi vì mạ ch điện của các loại Rơle n ày tiêu t h ụ một lượng n à n g lượng rất nhỏ tr on g khi lại có k hả n ă n g đóng mỏ một lượng công s u ấ t r ấ t lớn Ngoài các p h ầ n tử kể t rê n ỏ t ro ng nhóm các p h ầ n t ử tích cực còn có Thiryctor, các thiết bị k huếch đại điện tử

Điện trỏ, cuộn cảm, tụ diện, biến áp và một p h ầ n lớn trong sô các diod dược liệt vào loại

p h ầ n tử t h ụ động Ngu vê n n h â n là các p h ầ n tử n à y làm giảm công s u ấ t của các tín hiệu đi qua c húng Ở các p h ầ n tử n ày ta luôn có Kp < 1 Tuy vậy có một vài loại diod lại được xem như các p h ầ n tử tích cực n h ư Tunel diod v.v bởi vì các p h ầ n tử n ày cũng có k hà n ă n g l à m phát

s in h các dao động điện

1.2.2 P h ầ n tử t u y ế n tín h và k h ô n g t u y ế n tín h

Các linh kiện điện tử có t h ể được chia làm hai loại - t u y ế n t í n h và kh ôn g t u y ế n tí nh

p hụ thu ộc vào đặc tu yế n Volt-Ampe của các linh kiện đó Đặc tuy ến Volt-Ampe là sự p h ụ thuộc của điện t h ê đ ặt t r ê n p h ầ n tử và dòng điện c hạy q ua ch í nh p h ầ n t ủ đó

Đôi VỚI các p h ầ n tử t u y ế n tính, đặc tu y ến Volt-Ampe của c h ú n g là một đường t h á n g

tr ong khi đặc tu yế n Volt - Ampe của các p h ầ n tử khô ng tu yế n tí nh khô ng ph ải là một đưòng

t hảng Một ti nh c h ấ t cơ b àn của c ủa p h ầ n tử t uyế n t í nh là có thể áp d ụ n g n g u y ên tắc xẻp chồng

tr ong khi nguyên tác này kh ô ng t h ê áp d ụn g cho các p h ầ n tử không t u yê n tính

N h ư vậy, có t hê nói, một p h ầ n tử được gọi là t u y ế n tí nh khi các th ô ng s ố của nó không

p h ụ thuộc điện áp được đặt ỏ hai dầu hay dòng điện di q u a p h ầ n t ủ đó Tr ong n h ữ n g tr ường hợp ngược lại, khi th ôn g sô của p h ầ n tứ p hụ thuộc điện áp ỏ hai đ ầu hay dòng diện di qua,

p h ầ n t ử được gọi là khô ng tu yế n tính

T í n h chất cua các mạch điện tử h oàn toàn p h ụ thuộc vào các p h ầ n tử t h a m gia vào câu trúc của mạch Mạch điện được gọi là tu yế n t í nh n ếu nó chỉ chứa các p h ầ n tử tu yế n tí nh Nêu

tr ong mạ c h có chứa d ù chỉ một th ôn g số’ mà giá trị p h ụ t huộc vào điện áp hay d òn g điện đi q ua

nó thì mạ ch được gọi là không t u y ế n tính

Đại diện cho các p h ầ n tử t u y ế n tí nh có t h ể kể đến là điện trở, tụ điện và cuộn cảm Đặc

t u y ê n Volt- Ampe của các p h ầ n tử n à y là một đường t h ẳ n g đi qua gốc toạ độ - h ì n h 1.5

Đối vói các p h ầ n t ử t uy ế n tính, nếu gọi i lf i2, i3 v.v là giá trị các dòng điện đi qua

c h ú n g khi đ ặ t một điện áp lên hai đ ầ u là u Ịt u 2, 1 1 3 V V thì dòng điện đi q ua các p h ầ n tử n ày sẽ

Chương I - NH ỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN

có giá trị là t ố ng giá trị (ij+i2+i3 ) của ij, i2 i3 khi ta đ ặ t một điện áp có giá trị b ằ n g tống các diện áp U | , u.,, U 3 V V lên hai d ầu các p h ầ n tứ đó

P h ầ n lớn các linh kiện điện tử là các p h ầ n tứ không tu yế n tính Hình 1.6 chi ra các đặc tuy ến Volt-Ampe của ba loại diod: Si-diod, Ge-diod và diod Shotki

H ình 1.7 chí ra họ đặc t u y ế n Volt- Ampe của t ra n s i s t o r lưỡng cực

Đôi vối các p h ầ n t ủ kh ôn g tuy ên tí nh cần phải p h â n biệt điện trở R0 = U/I tại một điểm xác đ ị nh t rê n đặc t uvến Volt-Ampe đôi với dòng điện không đối và điện trở R= d u / di củng tại diêm đo đỏi vói dòng điện t h a y đối (điện trỏ vi phân), hai điện trỏ n ày thường có gia tri khác nhau

H ìn h 1.7

14 LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẺ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

1.2.3 P h ầ n tử hai cực và n h iề u cực

Các p h á n í ừ n h ư điện trở, cuộn cam, tụ điện, các nguồn điện và nguồn dòng là n h ữ n g

p h ầ n tử hai cực Đòi với các p h ầ n tử t h ụ động, sự phụ thuộc giữa điện áp và dòng điện di qua

c h ú n g có t h ể biêu diễn qua các phương trình:

Điện cảm L có t h ứ ng uy ên là Volt*thời gian/Ampe và đo b ă ng đơn vị Hen ri (H)

Có thê n h ậ n t h ấ y r ằ n g các phương t r ì nh cơ b à n của ba p h ầ n tử t r ê n bao gồm cả ba loại: đại sô, vi p h â n và tích phân N h ư vậy tr ong trường hợp tống quát, phư ơng t rì n h biếu di ền sự

p h ụ thuộc giữa điện áp và dòng điện của mạch điện được t hi ết lập từ các p h ầ n tử đó sẽ có d ạ n g vi-tích phân

Nếu gọi p là toán tử của t ầ n sô phức:

dưới d ạn g toá n t ủ t a t h u được các phương t r ì nh đại sô sau:

pC

pL

Chương 1 - NHỮNG KHÁI NIỆM c ơ BẢN 15

Việc biểu diển phương t r ì n h của các p h ầ n tử t h ụ động dưới d ạ n g to án tử sẽ cho p h é p các p hép toán dưới d ạ n g vi p h â n và tích p h â n theo thời gian của các đại lượng gốc i(t) và u(t) có

t hể được t h a y t h ê b ảng các p hé p to án n hả n, chia đại số với các giá trị phức của ả n h các đại lượng n ày I(p) và U(p) Nhì n c h u n g các phương t r ì n h được viết dưới d ạ n g toán tử thuộc d ạ n g (1.5) được t h i ế t lập và giải tương đôi dễ dàng Sau khi đả tìm được các ngh iệ m của các phư ơn g

t r ì n h này, để có t hể tìm được các h à m gốc của thòi gian, t hông thư ờ ng người ta sử d ụ n g p hé p biên đổi ngược của Lapplas

T ro ng tài liệu này, c h ủ n g ta sẽ d ù n g ký hiệu u,i đẽ chì giá trị tức thời của điện áp và dong diện, hai giá trị này là h à m của thòi gian u(t) và i(t), các ký hiệu u , I- giá trị k h ôn g đối hoặc biên độ phức của dòng điện, các ký hiệu U(P), I(P) - ả n h của u(t) và i(t) và là h à m phứccủa t ầ n sỏ

p hả n á n h t r ê n mạ ch thực của các p h ầ n tử c và L n h ư t r ê n hì nh vẽ 1.8 Hình 1.8 a,b biểu diễn

sơ đồ c ủ a p h ầ n tử c lý tưởng với điện áp b an đ ầu b à n g u 0, hình 1.8 c,d - p h ầ n tử L lý t ưởng với dòng điện b a n đ ầu b ằng i0 Các giá trị n ày được biểu diễn thông q ua nguồn điện áp lý tưởng

Uọ/ p và i0L h ay q u a ngu ồn dòng lý tưởng U0C và io/p Phương t r ì n h c ủ a các p h ầ n t ử 2 cực tích cực lý tưởng - nguồn điện áp và ng uồ n dòng (hình 1.4 a,b) là n h ữ n g phương t r ì n h r ấ t giản đơn: E(t) = c onst và j(t) = const hay viết dưới d ạ n g to án tử: E(p) =const và J(p) = const Các p h ầ n tử

2 cực tích cực cỏn được gọi là nguồn tác động

16 LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VÀ Tự Đ Ộ N G ĨH IẼ Ĩ KẼ M Ạ C H B A N G M Á Y TÍNH

Các p h ầ n t ủ n h iê u cực củng có t hế dược chia làm 2 loại - t h ụ dộng và tích cực Một ví

dụ về p hần tử t h ụ động nh iề u cực được mô tả t r ê n h ì nh 1.9 Đây là mạ ch của p h ẩ n t ứ với độ hỗ cám M P h ầ n tử n ày có chứ a 2 p h ầ n tử 2 cực - Cuộn cảm L l và L2, với độ hỗ cám giữa chủitg là

M Trôn h ì nh vẽ mô tả 2 cách biêu diễn của p h ầ n từ này theo mạch 3 cực hoặc 4 cực Sơ đổ n à y củng chí nh là cách biểu diễn củ a biến áp tr ong các sơ dồ n gu yên lý ỏ c h ế độ t ầ n sô t h ấ p và cao

A

K(a)

E(b)

t ron g các p h ầ n t ử đó đã xác định vai trò r ấ t q u a n t rọn g của lý t h u y ế t các mạ ch đi ện tứ được thi ết lập t ừ các p h ầ n tử n h iề u cực T í nh c h ấ t của các p h ầ n tử tích cực có t h ể được biểu diễn q u a nhiê u cách khác n h a u tuỳ thuộc vào mục đích n gh iê n cứu và phương p h á p lý t h u y ê t được chọn

Có một số cách biểu diễn hay dược chọn t r ê n thực tế:

- Biểu diễn sự p hụ thuộc giữa dòng điện và điện áp t r ê n các p h ầ n tử và các t h a m sô chí nh qua đồ thị

- Biểu diễn các p h ầ n t ử n hư mạch bôn cực thô ng qua các giá trị tiêu c h u ẩ n , các giá trị cực đại, tới h ạ n và q u a các t h a m sô chí nh của các p h ầ n tử đó

- Biểu diễn các p h ầ n tử n hi ề u cực bằng mạch tương đương qua việc sử d ụ n g các ng uồ n

Các mạ ch điện tử được xây dự ng từ n h ữ n g p h ầ n tử t h ụ động và tích cực hai cực và

n h i ề u cực Đê đ ị nh ng hĩ a các khái n iệ m và định l u ậ t cơ b ản bước đ ầ u c h ú n g ta h ã y xem xét các mạch điện được xây d ựn g t ừ các p h ầ n tử hai cực Tr ong mạ ch điện này, t ập hợp một sô p h ầ n tử

hai cực cấu t h à n h lên mạ ch được gọi là n h á n h N h ư vậy n h á n h bao gồm các t h ô n g sô nối tiếp

Chương I ; NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BẢN 17

n h a u (điện trở, tụ điện, cuộn cảm, các nguồn điện áp lý tưởng v.v hoặc các t hông sô mác song

song với n h a u n h ư diện dẫn, nguồn dòng lý tưởng V.V.).

Các n h á n h nôi kết liên tục với n h a u và tạo t h à n h một mạch k hép kín được gọi là vòng

T r ê n h ì nh 1.11 chỉ ra hai mạ ch vòng được vẽ b ằ n g các đường n ét đứt Một vòng có c hứ a các

n h á n h 1, 4 và 5; vòng kia có c hứ a các n h á n h 1, 2, 3 và 4 N h ư đả biết, đôì với mỗi vòng có t hể

t hi ết lập phiíơng t r ì n h theo định l u ậ t hai của Kirchhoff Theo đị nh l u ậ t này thì tổng đại sô của

sụ t áp trên các n hán h u k(t) của mạch vòng ỏ mọi thời điểm có giá trị b ằ n g 0:

T r on g phương t r ì n h n à y khi ghi các giá trị của các điện áp t a cần phải chú ý đến dấu

củ a các điện áp đó Để thực hiện điêu n ày cần ph ải chọn một chiểu dương của vòng đ a n g xét,

c hăng h ạ n theo chiểu q uay của kim đồng hồ Theo cách chọn này, điện áp của các n h á n h có chiều t r ù n g với chiều dương đã chọn c ủ a vòng sẽ có giá trị dương (+), điện áp t rê n các n h á n h

còn lại sẽ có giá trị â m (-) N g u y ê n tắc n à y cũng được áp d ụ n g cho các ngu ồn tác động.

M ặ t cắt là một đường vòng k h é p kín tưởng tượng cắt một số n h á n h nào đó c ủ a mạ c h

điện T r ê n h ì nh 1.11 có chỉ ra h ai m ặ t c ắ t tr on g sô" các m ặ t cắt có t h ể được tạo ra t r ê n mạch

M ặ t c ặ t t h ử n h ấ t là một đường k hé p kín bì nh th ường có cắt các n h á n h 1, 4 và 6 M ặ t c ắ t n ày chí bao q u a n h n ú t (a) M ặ t cát t h ứ hai có d ạ n g phức t ạ p hơn, m ặ t c ắ t n ày đi qua các n h á n h 6 ,

4, 5, 2 và bao q u a n h hai n ú t (c) và (d) Ch iề u của mủi tên là chiều đ ón g kín của m ặ t c ắt bởi vi theo đị nh n g h ĩ a t a c ũng kh ôn g cần ph ải vẽ t oà n bộ đường k hép kín này Điều q u an t rọn g là đôì2-LTMDT

18 LÝ ĨH U Y Ễ Ĩ M ẠC H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KỄ M Ạ C H BANG MÁY TÍNH

vói mỗi mật cắt có t hể áp d ụ n g định l uậ t t hứ n h ấ t của Kirchhoff Theo định l uật này thì tống (lại sô của các dòng điện của các n h á n h bị cắt bơi m ặ t cắt trong mọi thòi điểm sẽ có giá trị bàng 0 :

N h á n h tr on g mạ ch điện được chia làm hai loại: n h á n h z và n h á n h Y Tr ong khi n h á n h

n h á n h Y c ủn g bao gồm các p h ầ n tử đó n h ư n g lại mắc s ong song với n ha u

phướng t r ì n h n ày có d ạ n g của một phương t r ì n h đại sô> t u y ến t í nh y = ax +b

Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN 19

Tr on g n h á n h trên, chiều của dòng điện, diện áp của n h á n h dược xác định theo quy tác sau chiểu dương của điện áp U K là chiều của nguồn tác dộng E K và n h ư vậy sẽ có chiểu ngược vôi chi ếu dòng điện I K Qui ước này sè tạo điêu kiện dễ d àng khi p h ả n tích mạch bỏi vì ngoài

\ lọ c cho phép n h ậ n được một phư ơn g t ri n h của điện áp trên n h á n h dưới d ạn g phương t rì n h

tu vén tính, qui ước n ày còn đưa đến cách xác định d ấu r ấ t đơn giản tr ong phương trình: dấu cúa U K và E k t r o ng phương t r ì n h (1.16) là dấu (+) khi chiều của c h ủ n g t r ù n g n h a u và sò là dấu (-) khi và Ek có d ấ u ngược n h a u.

Tư phương t r ì n h 1.16 và cách qui ước vê chiêu của điện áp và dòng diện t r ê n n h á n h , việc xác định p hư ơ ng t rì n h của n h á n h z tr ong các chê dộ khác n h a u và chiều của các đại lượng

Ưk và Ik có thê được xây dựng một cách dễ dàng H ã y xét một ví dụ của mạch điện t r ê n hình 1.13 với cách qui ước vê chiều được chỉ ra t r ê n mạch, phương t rì nh c ủa n h á n h z với các p h ầ n từ

20 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN TỪ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG MÁY TÍNH

H ìn h 1.14

Việc c h u y ể n đối một n h á n h t ừ d ạ n g z s a ng d ạ n g Y có t hê được thực hiện dễ d àn g n ê u

sử d ụ ng phương t r ì n h (1.16) và (1.18) Nếu chọn chiêu của ngu ồn tác động E k và nguồn dòng Ik

là t r ù n g n h a u t ro ng cả 2 loại n h á n h (hình 1.15) thì đối với n h á n h z t a có :

Ưk = Ik z k - E k;

Nếu n h á n h z này được biểu diễn dưới d ạ n g n h á n h Y thì t a có t h ể viết:

Ik = z T U k + f L

So s á n h kết quả n ày với d ạ n g của phương t r ì n h n h á n h Y (1.18) thì một n h á n h z cỏ t h ê

c hu y ên t h à n h n h á n h Y với các p h â n tử mới:

(1.19)

Ngược lại n ếu một n h á n h Y được c huy ển s a ng d ạ n g n h á n h z (hình 1.15b), các p h ầ n t ủ

•ủa z được n h ậ n t ừ n h á n h Y q ua các p hép c h uyển đổi:

z k =Yk

Việc c h u y ể n dổi từ n h á n h Y s ang n h á n h z và ngược lại cỏ Ihể gặp khó k h ă n khi t r o n g

n h á n h chì c h ứ a các n g u ồ n lý tưởng, c h ẳ n g h ạ n n g u ồ n d òn g với Yk = 0, và n g u ồ n điộn a p với zk = 0 Tr ong t rường hợp n à y có t h ể sử d ụ n g một sô p hương p h á p kh ác nh au

Ch ương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c o BẢN 21

H ìn h 1.16

(c)

P h ư ơ ng p h á p t h ứ n h ấ t đó là cách ch ập các n ú t của n h á n h C h ẳ n g h ạ n mạ ch đi ện ở

h ì n h (1.16 a) có t h ê được c h uyển s a n g hai d ạ n g khác n h a u (1.16 b) và (1.16 c)

P hư ơn g p h á p t h ứ hai được d ù n g khi c huy ển n h á n h đó là mác nôi tiếp vối nguồn điện áp hai d iệ n trở có giá trị trái ngược n h a u , c h ẳ n g h ạ n 1Q và - 1Q ( hình 1.17) Khi đó việc c h u yể n đổi

sẽ có t hê tiến h à n h theo phương p h á p bình thường Cách n ày hay được sử d ụ n g khi mô p hỏ n g

Tuy vậy t r ê n thực tê kh ôn g tồn tại các ngu ồn lý tưởng, do vậy giá trị của điện trỏ tr ong luôn tồn tại T r on g t r ườ ng hợp giá trị n ày bị bỏ qua, khi xây dựng mạ ch c h ún g ta có t h ể lấy giá trị đó b ằ n g 0 , 1Q hoặc t h ậ m chí 0 ,0 0 1 Q mà k h ô n g ả n h hưởng gi đến k ế t q u ả t í nh toán

H ìn h 1.18

‘22 LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG MÁY TÍNH

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ

N hì n c h u n g các phương p há p p h ả n tích mạch điện tử đều được xây dựng và p hát tri èn dựa t r ê n các phương p h á p p h à n tích các mạ ch điện tuy ến tí nh và phi t uy ế n tính Các phương

p há p này đà có một lịch sử p h á t tr iển lâu dài, tuy nhiê n lại có r ấ t n h i ề u h ạn c h ế tr ong lình vực ứng d ụ n g và thư ờ ng dược áp d ụn g trong các mạch t h ụ dộng tu yê n t í n h và một vài mạch phi

t u y ế n t í nh đơn giản Sự có m ặ t của các p h â n từ điện tử tích cực ( transist or, IC, v.v) đã làm cho việc p h â n tích các mạch tu yê n t í nh c ũng n h ư phi tu yế n trỏ t h à n h h ế t sức phức t ạ p và đặc biệt Nguyên n h â n d ẫ n đến diếu n ày là do tí nh phức t ạp và đa d ạ n g củ a đặc tu yế n Volt - Ampe của các p h ầ n tử tích cực, tí nh q u á n t í nh của các p h ầ n tử khi t ầ n sô t ă n g và sự phức t ạ p của việc mỏ phông các p h ầ n tứ tích cực n ày b ằ n g các mô hì nh to án học Ch ín h vì các ng uy ên n h ả n này mà việc p h ả n tích các mạch điện dược p h á t tr iển n h ư một n h á n h độc lập với các phư ơn g p h á p r iêng của chí nh mình

Các phương p h á p lý t h u y ế t p h â n tích mạch với các p h ầ n t ử tích cực được p h á t tr iển h ầu

n h ư đồng thời với việc c h ế tạo ra các linh kiện điện tử mới Tr ong khi các định l u ậ t cơ b ản n h ư

đị nh l u ậ t Kirchhoff I, II, phư ơng p h á p mạch tương đương v.v có t h ê d ù n g để giải q u yế t tỏt các bài toán p h â n tích mạch đôi vối các mạch điện có c hứ a các p h ầ n t ử là đèn diện t ử (đèn điện tử làm việc ở chê độ không có dòng điện vào) thì c h ủ n g lại tỏ ra c h ưa đầy đủ khi p h â n tích các mạch có c hứa các p h ầ n tử được làm t ừ c h ấ t bán dẫn Sự x u ấ t hiện củ a các p h ầ n tử bán d an với

ả n h hưỏng r ấ t lớn của đ ầ u vào đòi hỏi phải đưa t h ê m một sô phương p h á p mới: phương p h á p

ma t r ậ n và phư ơn g p h á p Topo và để có t hể ứng d ụ n g các phương p h á p này một cách co hi ệu quả thì sự p h á t tr iển củ a các phư ơng p h á p tí nh và ứng d ụn g của má y t í nh đã đóng một vai trò hết sức q u a n trọng C h ín h sự có m ặ t của các phương p há p títth là yếu tô quyết đị nh sự tồn tại

và p h á t t r i ển củ a các ph ươn g p h á p ma t r ậ n và t h ậ m chí làm cho các phương p h á p ma t r ậ n trở

t h à n h các phương p h á p c h ủ yếu được sử d ụ n g t rong p h â n tích mạch diện tử

1.4.1 P h ư ơ n g p h á p p h â n tích m ạ ch t u y ế n tín h

1.4.1.1 Phương pháp dai số

Phươn g p h á p n ày có t h ể được chia làm một sô n h óm nhỏ:

a Phương p h á p m ạch tương đ ư ơ n g :

Theo ph ương p h á p này, các p h ầ n tử tính cực (đèn bán dẳn, mạ c h k huêch đại được t h a y

t hê bởi các mạ ch tương đương với các p h ầ n tử t h ụ động R, L, c và các p h ầ n tử p h ả n á n h t í n h tích cực và t í n h khóng tương hỗ củ a các p h ầ n tử này Công việc tiếp theo là t hi ết lập các phương t r ì n h theo các đị nh l u ậ t cổ điển đôi với điện áp và dòng điện Phươn g p h á p mạch tương đương chỉ có tác d ụ n g đôi với các mạ ch điện đơn giản, có t h ể tí nh toá n b ằ n g tay và tỏ ra k h ô n ghiệu quả đôi với các mạ ch phức tạp

b Phương p h á p m ạch 4 cực:

Phươn g p h á p n ày được sử d ụ n g khi p h â n tích các mạch t h ụ động ví dụ n h ư mạch lọc

hoặc để xác đị nh t h a m s ố của các p h ầ n tử tích cực Mặc dù có một s ố ưu điểm n h ư n g ph ươ ng

Chương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BẢN 23ph.jp kh ôn g tỏ ra đa n ă n g do không có khả n ă n g sử d ụ n g đối với một sô loại mạch c ủng n h ư tò

ra r ấ t phức t ạ p vì đòi hỏi phải sứ d ụ n g các dặc t uy ê n v.v

! 4.1.2 Phương pháp ma trán

Phương p h á p ma t r ậ n được xảy d ựng dựa t rên việc thi ết lập các phương t rì n h của mạch

đi ện dưới d ạ n g m a t r ậ n và được sử d ụ n g r ấ t có hiệu quả với sự trợ giúp của máy tính Một

t ron g 2 ph ươn g p h á p ma t r ậ n hay gặp đó là phương p há p điện t h ế diện n ú t và phương p há p

d ự n g đã k h á lâu, phương p h á p n ày vẫn tỏ r a r ấ t h ữ u hiệu khi p h â n tích các mạch với tín hiệu

có biên độ và công su ất lớn Đ ể sử dụng được phương pháp này, tuy vậy đòi hỏi người thiêt ké

phải được t r a n g bị các tài liệu t r a cứu và đặc t u y ế n của các p h ầ n tử

1.4.2.2 Phương pliáp tuyên tinh hoá gán đúng theo đường gãy khúc

Ph ươ ng p h á p này dòi hỏi phải biểu diễn đặc tính phi tu yê n c ủ a các p h ầ n tử tích cực qua các q u a n hệ t u y ế n tính Khi biểu diễn q ua q u a n hệ tu y ến tính, các đặc tí nh phi t u y ê n của các p h ầ n tử được tu yế n t í nh hoá bởi các đoạn t h ả n g g ă y k húc nôi tiêp nhau Phương p h á p này

có ưu điểm là đơn giản, t uy vậy lại có nhược điểm là không c hí nh xác Trong thời gian gần đây

người ta đã đ ư a ra một sô phương p h á p đại số mới để p h â n tích các mạ ch phi tu yê n vối sự giúp

đờ của má y tí nh, các t h u ậ t to án và chương tr ình Ch ẳn g h ạ n có t h ê sử d ụ n g phương pháp tuy ến t í nh hoá h à m thực ở các điểm theo phương p h á p Newton và giải các phương t r ì n h tu yê n tính t h u được theo các phương p h á p ma t rận Kết q u ả n h ậ n được tại điểm đ a n g xét sẽ được sử dụng dể t u y ê n tí nh hoá ỏ các điểm tiếp theo v.v cho đến khi n h ậ n được kêt quả với giá trị sai

số’ cho trước P h ư ơ ng p h á p n ày còn được gọi là phư ơn g pháp t r u y chứng.

MÔ PHỎNG CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ■ ■

2.1 MỒ PHỎNG VÀ PHÂN LOẠI

2.1.1 Đ ặ c đ iể m c ủ a p h ư ơ n g p h áp m ỏ p h ỏ n g

Mô ph ỏn g là một p hư ơ ng p h á p n ghi ê n cứu khoa học bao gồm việc x ây dựng, t ìm hiểu các đặc t í nh của đối tượng cần n g hi ê n cứu v ề t hực chất, mô phỏng của một đôi tượng, m ộ t hiện tượng h a y của một q uá t r ì n h n à o đó c hí nh là h ì n h ả n h của c h ún g được xây d ự n g t h ô n g q u a các

ý tưởng của con người t ro ng một điểu kiện n h ấ t định Có t h ể xem mỏ phỏ ng là một h ệ t h ô n g bao gồm các p h ầ n tử mà với c h ú n g có t h ể tạo r a các đặc tính, chức n ăn g , q u a n hệ tổn tại t r o ng đồi tượng m à mô ph ỏ ng n à y p h ả n ánh Việc sử d ụ n g mô phỏng của các đôi tượng sẽ cho p hé p đi

s âu vào n g h iê n cứu b ản c h ấ t c ủ a đôi tượng và tạo tiền để đê xây d ựn g lên mô p hỏ n g t o á n học của đỗi tượng đó Mô p hỏ ng t o án học c ủa đôi tượng mà cụ t h ể hơn là các ph ương t r ì n h t o á n học

mô tả quan hệ của các quá trình xảy ra bên trong đôì tượng cùng chính là tiề n đê' cho việc x â y

d ựn g các p hư ơn g p h á p và t h u ậ t toán t ron g việc t h i ế t kê các m ạ c h ‘b ằ n g má y t ính

2.1.2 Các n g u y ê n tắ c c ủ a q u á trìn h m ỏ p h ỏ n g

Việc xây d ự n g mô p h ỏ ng của các l inh kiện điện tử cần phải x u ấ t p h á t t ừ các n g u y ê n tác

- Với một độ ch ính xác n h ấ t định t ừ mô ph òn g phải đ ả m bảo n h ậ n được các đặc t í n h của đôì t ượng tr ong một dải r ộ n g của điện áp, dòng điện và n hi ệ t độ

- P h ải tồn tại sự tương ứ n g d uy n h ấ t giữa các t h a m sô của mô ph ón g và các q u á t r ì n h

vật lý bên trong các đối tượng.

- Mô p hỏ n g có t h ể được c hu y ển về d ạ n g đơn giản hơn để có t h ể được s ử d ụ n g một cách

dễ d à ng đổi với các bài toán có y êu cầu với độ ch ín h xác t h ấ p hơn

- Mô p hỏ ng ph ải p h ù hợp và t ạ o điêu kiện dễ d à n g cho việc t hi ế t kê b ằ n g má y tí nh

I I

Chương II - M Ô P H Ỏ N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TỪ 25

2.1.3 P h â n lo ạ i m ỏ p h ỏ n g

P h ụ th uộ c vào phương p h á p được sử dụng, mô ph ỏn g của các p h ầ n tứ có t hê được p h á n loại t h à n h hai n h ó m chính:

2.1.3.1 Mo phông hình thức

Với mô p h ỏ n g này, các đôi tượng được biêu diễn n h ư một hộp đen với một sô cực ngoài

n h ấ t định Mô p h ỏ n g ỏ d ạ n g n ày chỉ p h ả n á n h một cách gần đ ú n g các đặc t í nh thực của các linh kiện điện t ử ỏ các cực mà k hô n g q u a n t â m đến cấu trúc củng n h ư các quá t r ì n h v ậ t lý xãy

ra ỏ bên trong T r ê n thực tế, các mạ ch 4 cực, n hi ề u cực có t h ê được x em n h ư các ví dụ điên hình

vè các mô p h ỏ n g h ì n h thức

2.1.3.2 Mo phòng vật lý

Tr ong một c hừng mực nào đó loại mô phỏng n ày có thê p h ả n á n h các hiện tượng củng

n h ư các q u á t r ì n h vật lý xảy r a bên tr ong cấu trúc của các p h ầ n tử được mô phỏng Mô phóng

v ật lý có t h ể được chia làm một sô d ạ n g sau:

Mỏ p h ó n g đ iệ n : Với loại mô phỏng này, các đặc t í nh của các p h ầ n t ử dược biểu diễn

t h ông q ua các q u a n hệ toán học Các q u a n hệ n ày được xác định th ô ng qua các đặc t uy ế n và các

t h a m sô điện cơ b ả n được đo ở các cực của p h ầ n tử Đây là loại mô phỏng h ay dược sứ d ụ n g nhất

Mô p h ỏ n g công n g h ệ: Loại mô phỏng này được xây dựng t h ô n g qua các t h a m sô công

nghệ được sử d ụ n g tr on g q uá t r ì n h s ả n x u ấ t các linh kiện điện tử,

Mô p h ò n g vật lý - Topo: mô phỏng n ày được xây d ựng t ừ kích thước hì nh học của các

vùn g và các đặc t u y ế n vậ t lý của các cấu trúc b án dẫn Đây là loại mô phỏng đ ư ợ c sử d ụn g trong q u á t r ì n h t h i ế t kê các linh kiện điện tử

Ngoài việc p h â n loại các loại mô phỏ ng theo cách mà từ đó c h ún g được tạo ra, phụ thuộc vào lĩnh vực ứ ng d ụ n g và chê độ làm việc của các đôi tượng các loại mô phòng còn có t hể được p h â n loại t h e o một sô cãch khác Với cách p h â n loại này, dấu hi ệu cơ bản n h ấ t được sử

d ụ n g đê p h â n biệt các loại mô phỏ ng là d ạ n g tín hiệu mà mô ph ỏ ng làm việc N h ư vậy mô phỏng sẽ được p h â n loại p h ụ thuộc vào sự t h a y đổi c ủa dải biên và dải t ầ n mà p h ầ n tử làm việc

và có t h ể chia t h e o các loại dưới đây:

2.1.3.3 Mò phỏng phi tuyến

Vói mô p h ò n g phi t u y ế n , các p h ầ n t ử được mô ph ỏn g t r o n g chê độ làm việc với tí nhiệu có biên độ lớn t h ô n g qua các q u a n hệ k h ô n g t u y ế n t í n h giữa dò ng điện và điện áp Môphò ng n à y c ũ n g p h ả n á n h c h ế độ l à m việc một chi ều c ù n g n h ư c h ế độ làm việc biên đôi động

của p h ầ n tử.

LÝ THUYẾT M AC H ĐIỆN ĩử VÂ ĩự Đ Ộ N G THIẼĨ KẼ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

2.1.3.4 M ỏ p lió n g tu ven tin h

Mò p h ò n g t u y ê n t í n h b i ê u d i ễ n các p h a n tư t r o n g c h ẻ độ l à m việc với t í n h i ệ u co

b i ê n độ t h ấ p Mô phỏng được xâv d ựn g thông qua các (Ịiian hộ tu v ên tính giữa dòng diện và diện áp

Ngoài các loại kè trên, p h ụ thuộc vào t â n sỏ làm việc, mô ph ỏn g còn có thê được chia

t h a n h hai nhóm: mô phòng ỏ t ầ n sô t h ấ p và mô phong ờ t ầ n sô cao

2.1.3.5 Mo phong ờ tàn sò tháp

Mỏ pho ng ờ t ầ n sô t h ấ p biếu diễn các đặc tyến của p h ầ n tứ tr ong ch ẽ độ làm việc vói

t ầ n sô gan b ă n g 0 hoặc b a n g 0 Mỏ phỏng này vẻ ng u yê n tac là mô phò ng phi t u y ê n và không

c h ửa các p h ầ n tứ k h á n g diện n h ư tụ diện và cuộn cam

2.1.3.6 Mo phòng ủ tản so cao

Khi t ầ n sỏ làm việc t ă n g c ủng là lúc bắt d ầu x u ấ t hiện tí nh q u á n t í nh của các p h ẩ n tư Các p h ầ n tư khi dó được biêu diền t hòng qua mô phòng ò t ầ n sô cao Đê có t h ẻ p h ả n á n h các đặc t í n h vật lý của các p h ẩ n tử, tr ong mô phỏng n ày có sự t h a m gia cùa các linh ki ện n h ư tụ điện củng n h ư cuộn cảm

T rê n thực tế, p hụ thuộc vào t ầ n sô làm việc, các mô phỏng còn có t hê được chia t h à n h

mô phỏ ng ỏ t ầ n sô t hấp, t r u n g bình và t ần sô cao

N h ư vậy t r ê n q u a n điếm sứ d ụ n g trong quá t rì n h tống hợp và p h â n tích mạch, mỗi mô

p h ỏ n g có t h ê được xem n hư s ự tông hợp cùa các yêu tô sau:

- M ạ nh tương đương : p h ả n á n h d ạ n g và cách liên kêt giữa các p h ầ n t ử của mạch

- Phương t r ì n h toán học : p h á n á n h q u a n hệ vể lượng giữa các đại lường điện và t h a m

sô c ú a mô phỏng

- Tập hợp các t h a m sô mà qua giá trị của c h ú n g có t hế xác đị nh tí nh chàt của p h á n tử dược mô phỏng Đây chí nh là cơ sở dử liệu của mô phỏng cua p h ầ n tử

- Các phương pháp, t h u ậ t toán và chương t r ì n h d ù n g dể mô phò ng các p h ầ n t ử điện tử

t h ỏ n g qua dừ liệu t ừ sách tr a cứu hoặc đo đạc

2.2 M ỡ PHỎNG CỦA MẠCH BỒN c ự c TÍCH c ự c

2.2.1 P h ư ơ n g trìn h củ a m ạ ch bôn cực

Tất cả các mạch điện t h ụ động hoặc tích cực đểu có t h ể được xem n h ư một mạ c h bôn

cực VỚI hai đầu vào và hai đầu ra Khi biểu diễn dưới dạng bốn cực, tích chất của các m ạch diện

n à y chí có t hế được biểu diễn t h ô n g qua q u a n hệ giữa dòng điện và điện áp t r ê n các cực củ a nó

n h ư điện áp đầu vào U m, dòng điện vào Im, điện áp đ ầu ra Uout, dòng điện r a Iout Đôi với các

mạ c h 4 cực tích cực, chiểu của dòng diện và diện áp giữa các cực được qui đ ị nh n h ư t r ê n h ì nh

2 l a - cực dương của điện áp đ ầ u vào và đ ầu ra (trong một thời điẻm cố định) ỏ phía t rên, chiều

Chương II - M Ô PH Ỏ N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN ĩử 27

cùa dòng điện ỏ các cực trên sẽ có hướng đi vào Cách chọn các chiều này trong mạch 4 cực tích

cực n h ằ m p h ù hợp với chiểu dương của các đại lượng cơ bàn của các p h ầ n tử hay dược sử d ụ n g

nhát của mạch như transistor, dèn diện tử v.v Hình 2.1 b là cách biểu diễn một transistor kiểu

PNP dưới d ạ n g mạ ch 4 cực

(a)

H ình 2.1

Tr on g lý t h u y ế t mạ c h 4 cực t h ụ động (bao gồm các p h ầ n tử n h ư R, c L), các dại lượng t r ê n t u y v ậy lại có c h i ều ngược lại với qui đ ị nh t r o ng mạ ch 4 cực tích cực Điều m â u

t h u ẫ n n à y d ẫ n đ ế n sự k h ô n g t h ô n g n h ấ t t r o ng các định ng hĩ a cơ b ả n còn tồn tại t r o n g các giao t r ì n h , tài liệu v.v Tê n gọi “mạ ch 4 cực” t r o ng lý t h u y ế t mạch t h ụ động có t hê được xem

là k h ô n g c h í n h xác t r ê n q u a n điểm của lý t h u y ế t c h u n g của mạ c h 4 cực tích cực T h eo lý

t h u y ế t này, một mạ c h n h i ê u cực (kê cà mạ ch 4 cực) bao gồm các p h ầ n tử hoặc mạ ch đi ện vối các cực có vai t r ò n h ư n h a u xét t r ê n q u a n hệ của c h ủ n g theo cách mắc t r o ng mạ ch c h u ng

Tr ong lý t h u y ế t này, mạ ch 4 cực c ũ n g có t h ê là t ấ t cả các mạ ch có ‘2 cực là đ ầu vào và 2 cực là dầu ra

Để t h i ế t lặp phương t r ì n h của mạch 4 cực, t hông thường 2 tr ong sô 4 đại lượng U m - diện áp đ ầu vào, U 0llt - điện áp đ ầu ra, Iin - dòng điện vào, Iollt - dòng điện ra, được xem n h ư ‘2 dại lượng k h ôn g p h ụ thuộc và qua c h ún g sẽ biểu diễn 2 đại lượng còn lại Tuỳ theo cách chọn các đại lượng này, t hông t h ườn g các phương t r ì n h được biểu diễn t h ô n g qua các t h a m sô s a u :

28 LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG MÁY TINH

T r ê n th ự c tê còn có t h ể sử d ụ n g một sô t h a m sỏ khác n h ư t h a m sô f, a, b

Cần lưu ý là giữa các t h a m sô này của mạch 4 cực luôn tồn tạ i một môi q u a n hệ n h ấ t định T h ô n g q u a môi q u a n hệ này, khi biết giá trị của một loại t h a m số, c h ú n g ta có t h ể xác dịn h được các t h a m sô còn lại (xem b ả n g 2 1)

Tu ỳ thuộc, vào cách chọn của các đại lượng không p h ụ thu ộc (h ay cách t h i ế t lập phương

t r ì nh m a t rậ n) , t ấ t cả các mạch bôn cực đểu có t hề được biểu di ễn t h ô n g q ua các mạch tương đương Các m ạ c h tương đương n à y được sử d ụ n g r ấ t t h u ậ n t iện khi t h i ê t kê các mạ ch điện

2.2.2 M ạch tư ơ n g đư ơn g d ạ n g n

Đôì với mạ c h bôn cực được định nghĩa vối các t h a m s ố y, đây là mô phỏ ng tương đương

t h u ậ n tiện n h ấ t (hình 2.2a) Trước tiên c h úng ta h ã y xét sơ đổ tương đương của các mạch có tính

Chương II - M Õ P H Ò N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN ĩù 29

Cũ n g t ư ơ n g tự, khi n g ắ n mạ c h đ ầu vào ta có:

Vì hai ma t r ậ n là n h ư n h a u n ê n c h ún g t a c ũn g có t hê t h u được kết q u ả n h ư ở trên

Các giá trị t h u được t r o ng các đ ẳn g thức t rê n rõ r à ng chỉ đ ú n g khi mạ ch 4 cực có tính tương hỗ Trong t rư ờn g hợp mạ c h 4 cực là tích cực, t h a m sô y 12 và y21 sẽ có giá trị khác n h a u do mạch không có t í n h tương hỗ và do vậy ma t r ậ n t h u được củng không có tính đôì xứng Để xác

tham s ốy:

ỉ.n = Yn u in + y l2U 0Ut

I out = y 2 l ư ln + y 22 Ư o t

LÝ THUYẼĨ M Ạ C H ĐIỆN ĩử VÀ Tự Đ Ộ N G THIẼĨ KẼ M Ạ C H BANG m ả y t í n h

Phương t r ì n h t hứ 2 được biên dối thành:

L,t = (y2i - y 12)U„, + VivU,,, + y ^ u ,H„

Tr ong phương t r ì n h này, t h à n h p h ầ n (v2i - >Y>)Um có thê được xem như một p h á n củ a

dòng diện Ioul với giá trị ph ụ thuộc vào điện áp d ầu vào Dòng điện này có d ạ n g cùa một ng uồ n điện lý tướng được mắc vào đ ầu r a và dược điều khiên bơi diện áp đầu vào

(y*i" yi2)U,n - J(Uin)

va là ngu ồn diện phụ thuộc

N h ư vậy phương t r ì n h của mạch 4 cực sè có dạng:

I||) = YllU.n + y 12^0111

I o u t - J ( U J = y 12u m + y22u (

(2.5)

(2.6)

P h ầ n bên phai của phương t r ì nh ma t r ậ n (2.6) là hoàn toàn giông đôi với mạch 4 rực

t h ụ động Điểm khác n h a u ỏ đây là dòng điện dầu ra là hiệu của IOUị và J ( Ư ln) N h ư vậy mạ ch tương đương c ủa mạch 4 cực tích cực (hình 2.3) sẽ giông với mạch tương đương của mạch 4 cực

Chương II - M Ô PH Ò N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN ĩử 31

2.2.4 Mô p h ỏ n g h ìn h th ứ c với hai n g u ồ n phụ th u ộ c

Ngoài các loại mô phỏng kể trên, các phần tủ 4 cực tích cực không thuận nghịch có thê

r ủ a các loại mô phòng này.

2.2.4.1 Mô phòng với tham sỏ z

T r o ng phư ơn g t r ì n h của mạch với t h a m sô z:

U m = Z 1 1 1 i n + Z 12 ^ o u t

Ư out = Z 21 I in + Z 2 2 I out

out

// /n/i 2 ổ

phương t r ì n h t h ứ h h ấ t tương ứng VỚI phương t r ì n h của n h á n h z với dòng điện Iv, điện áp u v và

n gu ồ n điện áp p h ụ thuộc z 12I0Ut Cũ n g tương tự n h ư vậy đối với phương t rì n h t h ứ hai, t a t h u

dược mô p h ỏ n g h ì n h thức t r ê n h ì n h 2 6

32 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN ĩ ù V À Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG MÁV TÍMH

2.4.1.2 Mô phòng với tham số y

Từ phương t r ì n h cùa mạ c h với t h a m sô y, mạch 4 cực có t h ể được biểu diễn t hông

Chương II - M Ô PH Ỏ N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TÙ 33

Tr ong mô phỏ ng này:

- Q u a n hệ kh ôn g t u y ế n tí nh giữa dòng điện đi q u a diod và điện áp u d đ ặ t t r ê n diod (lược biểu diễn q u a phư ơng trình:

Ido: dòng điện bã o hoà của m ặ t tiếp giáp

M d: t h a m s ố p h ả n á n h độ lệch của đặc t u y ế n Volt - Ampe lý tưởng củ a m ặ t tiếp

2.3.1.2 Mô phỏng ở dạng động

Mô p h ỏ n g n ày có d ạ n g n h ư h ì n h 2.10 Trong đó:

CT(1 : Điện d u n g củ a v ù n g rào t h ê và p h ả n á n h q uá t r ì n h p h â n bô" của các điện tích m ặ t tiếp giáp và p h ụ thuộc vào điện áp đ ặt vào nó

34 LÝ ĨH UYẼĨ M Ạ C H ĐIỆN TÙ VÀ TỤ Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

n d : chỉ sô vê s ự p h à n bô của điện tích

Ci)(|: Điện d u n g khuêch t á n trong chẻ dộ p h â n cực t h u ậ n và p h à n á nh t í nh quán

tí nh của diod t ro ng chè độ này

2.3.2.1 Mô phòng theo miên làm việc

Mô phỏng này được xây d ựng dựa t rên 3 t r ạ n g t há i làm việc của t raps ist or : đóng, mỏ

và b ã o hoà Ba t r ạ n g t h á i n ày tương đương VỐI 3 miên làm việc của tr ans ist or : miến cát (lòng, miên k huếch đại và miền b ả o h o à - hình 2 11

Đặc tu yế n d ầu vào c ủa t r a n s i s t o r - hì nh 2.12 có t h ể được biểu diễn g ần đ ú n g t h ô n g q ua hai đoạn t h ả n g / a / và / b /- h ì nh 2.13 Tr ong hai đoạn t h ă n g này thì / a / p h ả n á nh t r ạ n g t h á i đóng của t r a n s i s t o r còn / b / mô tả t r ạ n g t h á i mỏ và bã o hoà

Chương II - M Ô P H Ò N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 35

a Mô p h ỏ n g trong chê độ bão hoà

Đặc t u y ê n đ ầu ra của t r a n s i s t o r lường cực tr ong chê độ b ã o hoà là một đường t h ẳ n g - hình 2.14 T ừ đặc t u y ế n này và đặc tu yế n đ ầu vào (đoạn t h ẳ n g / b/ t r ê n hình 2.13) có t h ể xây

d ựn g mô p h ô n e c ủa t r a n s i s t o r t r o ng c h ế độ này n h ư t rên hình 2.15

b Mó p h ỏ n g trong c h ế độ khuếch đại

Tr on g v ù n g khuếch đại các đặc tu yế n đầu ra của t ra n s i s t o r có t hể được xem n h ư là các đường t h ẳ n g với các độ dốc t ă n g d ầ n theo giá trị của dòng điện đ ầu vào N h ư vậy khi dòng IB C) giá trị nhỏ t hì dặc tuyến- của dòng colectơ có t hể được biểu diễn g ần đ ú n g b ằ n g các đ oạ n t.iầng - hì nh 2.16 Dòng colectơ được biểu diễn th ô ng qua phương trình:

0,60 0,30

0, 15 A

‘ 22

B

U B h

36 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN TỪ VÀ Tự Đ Ộ N G ĨH IẼ Ĩ KẼ M Ạ C H B A NG m á y t í n h

Từ phương t r ì n h (2.3) và đặc t u y ê n đ ầu vào được biếu diễn t hông qua đ oạ n t h a n g / b ỉ

có t h ê thièt lập mô phỏ ng của t r a n s i s t o r trong chẻ độ k hu ếch dại Mô phỏng này dược biêu diễn

t r ê n h ì nh 2 17.

23.2.2 Mò phóng phi tuyến tổng hợp cùa transistor lưỡng cực

Mô ph ỏn g n ày p h ả n á n h tính c h ấ t của t r a n s i s t o r tr ong chê độ t ĩ nh và động T r o n g các loại mô ph òn g này, c h ú n g ta chí xét đ ến mô phỏng Eberc - Mol, mô phỏ ng p h ả n á n h q u a n hộ vể

sự liên kết (Topo), q u a n hệ về t o á n học củng n h ư các t h a m sô đặc t u y ế n củ a t ra n s i s t o r Đôi với

t r a n s i s t o r N P N mô phỏ ng có d ạ n g n h ư h ì nh 2.19

Các p h ầ n tử của mô p h ỏn g p h ả n á n h các hiện tượng và q u á t r ì n h v ậ t lý q u a n t r ọ n g xây

ra t ron g cấu trúc c ủa t r a n s i s t o r bao gồm:

- D ị ! Diod được tạo bởi m ặ t tiếp giáp emitơ - bazơ vỏi dòng Ij và điện áp Uj

- D2: Diod dược tạo bơi m ặ t tiếp giáp colectơ - bazơ với dòng I2 và điện áp Ư >

- a N0 , otỊ : Hệ sô k h u ế c h đại của dòng diện ỏ mạ ch mắc c h u n g bazơ t r o n g c h ế độ p h â n cực t h u ậ n và nghịch

- Gce: Dẫn n ạ p đ ầu ra của t r a n s i s t o r và p h ả n á n h hiệu ứng e a rl y (cỡ vài chục Q)

c Mỏ p h ỏ n g trong chẽ độ đ óng (miền cắt

dòng)

c

ơ chê độ cắt dòng, dòng điện IB của transistor

có giá trị nhỏ hơn hoặc bằng 0 ( < 0 ) Trong trường hợp

này có thê xem transistor n h ư một mạch hở và không

chứa bất cứ một p hầ n tử nào Tuy vậy để có thể xây

dựng mô phỏng tương ứng với chê độ này giông như

các trường hợp t rên chúng ta có t h ể xem mô phỏng của

transistor n h ư hình 2.18 với các điện trỏ có giá trị cực

Chương II - M Ô PH Ò N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TÙ 37

- Rbb : Điện trở p h â n bô v ùn g bazơ (tích cực)

- Rkk : Điện trỏ không gian v ù ng emitơ

- R( ( : Điện trờ không gian v ù n g colectơ

- Zm: Điện trỏ của v ùn g bazơ t h a m gia vào q u á t rì n h bão hoà c ủ a tr ansi st or

- ZmIb: Nguồn điện áp p h ụ thuộc, điều khiể n bởi dòng bazơ, t h a m gia vào quá t r ì n h mô

p h ỏ n g t ron g chê độ b ă o hoà

- C UE: Điện d u n g khuôch t á n của v ù ng tiếp giáp emitơ - bazơ

- C DC : Điện d u n g k h u ế c h t á n của v ùng tiêp giáp colectơ- bazơ

- CTE: Điện d u n g rào t h ê của v ùn g tiếp giáp emitơ - bazơ

- CTC: Điện d u n g rào t h ế củ a v ừn g tiếp giáp colectơ - bazơ

P h ư ơ ng t r ì n h của mô p hỏng bao gồm:

T r o n g đó :

- I F0, Ico: Dòng bã 0 hoà c ủ a m ặ t tiếp giáp emitơ - bazơ và colectơ - bazơ

- T e, T c : Hệ sô n h iệ t của dòng IE0 và Ico

- Á t = t ° -2 5.

Đ â y là mô phỏng được sử d ụ n g khi cần độ ch ính xác cao Mồ phỏng n ày mô tá t r ạ n g thái thực c ủ a t r a n s i s t o r t ro ng c h ế độ t h u ậ n , ngược, chê độ b ã o hoà và cát dòng t r o n g quá t r ì nh

p h u n cao (hiệu ứ ng early) và sự khô ng ổn địn h vể nhiệt độ.

Mô ph ỏn g được đặc t r ư n g bởi 32 t h a m số:

- Ipo(Ico): Dòng b ã o hoà của m ặ t tiếp giáp emitơ- bazơ (colectơ-bazơ).

- M f , Mc: P h ả n á n h độ lệch củ a đặc tu yế n Volt-Ampe lý tưởng của các m ặ t tiếp giáp(E-B,C-B) với đặc t u y ế n thực

- T e, T c : Hệ sô n h i ệ t của dòng IE0, Ico

a N0 , otj : Hệ sô' k hu ếc h đại dòng t r o n g c h ế độ mác t h u ậ n (ngược) c h u n g bazơ

- Ao, Aj, A2, A3: Hệ sô" củ a h à m g ần đ ú n g biểu diễn sự p h ụ thuộc của hệ sô" k h u ế c h đại

d ò n g ( trong chê độ phản cực thu ậ n ) vào điện áp m ặt tiếp giáp em itơ- bazơ.

- G 0, G lf G 2: Hệ sô' của h à m gần đ ú n g biểu diễn sự p h ụ thuộc của d ẫ n n ạ p đ ầu r a G CEvào dòng điện của m ặ t tiếp giáp e mi tơ- bazơ

- CTE0, (Cxco): Điện d u n g củ a m ặ t tiếp giáp emitơ và colectơ tr ong c h ế độ p h â n cực

t h u ậ n

(2.16) ( 2 1 5 )

38 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẾ M ẠC H BANG M Á Y TÍNH

phân bô điện tích của m ặ t tiếp giáp.

- T e ( t c) : H ằn g sỏ thòi g ia n của m ặ t tiếp giáp emitơ (colectơ).

- T0, T lf T 2: Hệ sô' c ủ a h à m gần đ ú n g biểu diễn sự phụ thuộc của hằng s ố thòi gian XE

đôi với dòng Ij.

B ả n g 2.2

P h ư ơ n g t r ì n h v à t h a m s ô đ ặ c t r ứ n g c ủ a m ô p h ỏ n g t ô n g h ợp

!, = I EOe TEâT" ( e U|/MEUT - 1 )

I2 = Icue TcâT° ( e U2/McUT - 1 )

UT = 2 7 3 + , 0 A t" = , < '- 2 5

11600

a N0 = A <> + A I U I + a 2u ĩ + a , u ?

(2.17) (2.18)

p h ầ n tử dựa t r ê n cơ sỏ của d ữ liệu trong các tài liệu t r a cứu Các dữ liệu được xử lý t ừ các đặc

t uy ế n t ì n h và động của t r a n s i s t o r và qua các d ữ liệu n à y t a t h u được mỏ ph ỏn g củ a một

t r a n s i s t o r tiêu ch u ẩn Sự dao đ ộng của các p h ầ n tử n ày t ron g điều kiện s ả n x u ấ t c ũ n g phải được t í nh đ ến và t ừ đ â y t a t h u được mô phỏ ng t h ố n g kê Tr ong q uá t r ì n h mô phỏng, để có t h ể

xác định được các t h a m sô' đặc t rư n g, t hông thường cần phải xử lý một số lượng công việc tương đôi lớn do đó cần ph ải có sự trợ giúp của má y t í nh và cạc phương p h á p tính, t r o n g s ố các

phướng p h á p t í n h thi p hư ơ ng p h á p bình phường n hỏ n h ấ t là hay được s ử d ụ n g n hất

Mô ph ỏ ng tổng hợp được đặc t r ư n g bởi độ chí nh xác cao và bởi các q u a n hệ to án học biểu diễn một cách liên tục sự t h a y đổi củ a dòng điện và điện áp của t r a n s i s t o r t r o ng một dải

Chương II - M Ô PH Ỏ N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 39rộng Mô phòng này thường đ ư ợ c sử d ụ n g tr ong công việc t hi ết kê các mạch điện tử b à n g máy tinh Bán g 2.3 có đ ưa ra giá trị củ a các t h a m sô đặc t rư n g c ủ a một sô tr ansi st or

_ _ B á n g 2.3

40 LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG m á y t í n h

Mô phòng tống hợp củ a t r a n s i s t o r dược đưa ra trong tài liệu n à v n h à m hai mục đích:

t h ử n h ấ t là để giãi thích các phư ơng p h á p và khả n à n g tổng hợp các mô phòng cùa các thành

p h ầ n mạ c h được sử d ụ n g t r o ng quá t r ì n h tổng hợp và p h â n tích các mạ ch điện t ử với sự trờ giúp của má y tính Mục đích t h ứ hai là dưa ra phương p há p thiết lập các mô ph ỏn g t uy ế n tính với tín hiệu biến đổi ở t ầ n S Ô I t h ấ p và t ầ n sô cao n h ư một tr ường hợp cá biệt của mô ph ò ng tống

2.4 MÔ PHỎNG TUYẾN TÍNH CỦA TRANSISTOR

Để mô phỏng các t r a n s i s t o r tr ong chê độ l àm việc với tín hiệu có biên độ nhỏ, tồn tại hai

phương pháp khác nhau Theo phương pháp thứ nhất, mô phỏng tống hợp sè bị biến đôi, tuyên

t í n h hoá N h ư vậy t ừ một mô phỏ ng tổng hợp sẽ n h ậ n được mô p hỏ ng cụ t hê t r o ng điều kiện

n h ấ t đ ị nh và k ết quả t h u được là mô phòng làm việc tr ong chê độ có t ín hiệu biến đổi ỏ t ầ n số

t h ấ p và cao Với phư ơng p h á p t h ứ hai, các mô phỏng sẽ n h ậ n được b ằ n g ph ươn g p h á p tổng hợp trực tiếp t ừ các t h a m sô củ a mạ c h bôn cực và các đặc t uy ế n ỏ t ầ n sô cao c ủ a các p h ầ n tử c à hai phư ơng p h á p t r ê n được sử d ụ n g tr ong t ừn g tr ường hợp cụ t hể khác n h a u và có n h ữ n g ưu điểm

r iê ng của m ì n h - phương p h á p t h ứ n hất được sử d ụ n g tr on g các tr ườn g hợp cần xác đị nh quan

hệ giữa chê độ tĩnh (một chiều) và phản tích tuyến tính các mạch điện tử, trong khi đó phương

p h á p t h ứ hai lại cho p hé p t h u được các mô phỏng gần đ ú n g mà khô ng c ầ n thực hiện các thao tác t í nh toá n phức tạp

2.4.1 T u y ế n tín h h o á m ô p h ỏ n g tổ n g hợp

Mô phỏn g t uy ê n t í nh t r o ng chê độ có tín hiệu biến đổi p h ả n á n h t r ạ n g t há i của p h ẩ n tử trong c h ế độ làm việc với tín hiệu nhỏ và được mắc theo chiều t h u ậ n (chê độ tích cực) của

t r ans ist or Để đạt được mục đích này, tr ong mạch tương đương ỏ h ì n h 2.19, cần loại bỏ các

t h à n h p h ầ n kh ôn g cần t hi ết và chi giữ lại các t h à n h p h ầ n đặc t r ư n g cho ch ê độ tích cực

Mạch tương đương của t r a n s i s t o r t ro ng c h ế độ làm việc với t ín hi ệu biến đổi có t ầ n sô'

t h ấ p sè tương ứ n g với việc t u y ế n t í n h hoá các p h ầ n t ử (không kể các t ụ điện) Việc t uy ế n tính hoá t h ông thư ờ ng đ ư a đ ến việc biểu diễn q u a n hệ giữa dòng điện và điện áp của mỗi p h ầ n tử 2 cực dưới d ạ n g vi p hân