›
›

Bài giảng Kỹ thuật điện tử

doc 126 trang hapham 2070
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • docbai_giang_ky_thuat_dien_tu.doc

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử

  1. 1 Trường . Khoa . o0o Bài giảng Kỹ thuật điện tử Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 1
  2. 2 CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Mạch điện và các đại lượng cơ bản 1.1 Mạch điện Mạch điện: một hệ gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đĩ xảy ra quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện đo bởi các đại lượng dịng điện, điện áp. Mạch điện được cấu trúc từ các thành phần riêng rẽ đủ nhỏ, thực hiện các chức năng xác định được gọi là các phần tử mạch điện. Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải. - Nguồn: các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch. VD: máy phát điện, acquy - Phụ tải: các thiết bị nhận năng lượng hay tín hiệu điện. VD: động cơ điện, bĩng điện, bếp điện, bàn là Ngồi 2 thành phần chính như trên, mạch điện cịn cĩ nhiều loại phần tử khác nhau như: phần tử dùng để nối nguồn với phụ tải (VD: dây nối, dây tải điện ); phần tử làm thay đổi áp và dịng trong các phần khác của mạch (VD: máy biến áp, máy biến dịng ); phần tử làm giảm hoặc tăng cường các thành phần nào đĩ của tín hiệu (VD: các bộ lọc, bộ khuếch đại ). Trên mỗi phần tử thường cĩ một đầu nối ra gọi là các cực để nối nĩ với các phần tử khác. Dịng điện đi vào hoặc đi ra phần tử từ các cực. Phần tử cĩ thể cĩ 2 cực (điện trở, cuộn cảm, tụ điện ), 3 cực (transistor, biến trở ) hay nhiều cực (máy biến áp, khuếch đại thuật tốn ). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 2
  3. 3 1.2. Các đại lượng cơ bản A i B + uAB - * Điện áp Điện áp giữa 2 điểm A và B là cơng cần thiết để làm dịch chuyển một đơn vị điện tích (1 Coulomb) từ A đến B. Đơn vị: V (Volt) UAB = VA – VB UAB = - UBA UAB : điện áp giữa A và B. VA; VB: điện thế tại điểm A, B. * Dịng điện Dịng điện là dịng các điện tích chuyển dịch cĩ hướng. Cường độ dịng điện (cịn gọi là dịng điện) là lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đĩ (VD: tiết diện ngang của dây dẫn ). Đơn vị: A (Ampere) Chiều dịng điện theo định nghĩa là chiều chuyển động của các điện tích dương (hay ngược chiều với chiều chuyển động của các điện tích âm). Để tiện lợi, người ta chọn tuỳ ý một chiều và kí hiệu bằng mũi tên và gọi là chiều dương của dịng điện. Nếu tại một thời điểm t nào đĩ, chiều dịng điện trùng với chiều dương thì dịng điện mang dấu dương (i > 0); cịn nếu chiều dịng điện ngược chiều dương thì dịng điện mang dấu âm (i < 0). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 3
  4. 4 2. Các phần tử hai cực 2.1 Các phần tử hai cực thụ động 2.1.1 Điện trở Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ . Ký hiệu: R – Đơn vị: Ohm (Ω) 1 G = : điện dẫn – Đơn vị: Ω-1 hay Siemen (S) R Ghép nhiều điện trở: - Nối tiếp: R R1 R2 1 1 1 - Song song: R R1 R2 Quan hệ giữa dịng và áp của điện trở tuân theo định luật Ohm. i R + u=Ri - U(t) = R.I(t) I(t) = G.U(t) U(t): Điện áp giữa 2 đầu điện trở (V) U(t): Điện áp giữa 2 đầu điện trở (V) I(t): Dịng điện giữa 2 đầu điện trở (A) I(t): Dịng điện giữa 2 đầu điện trở (A) R : Điện trở (Ω) G: Điện dẫn (Ω-1 /S) Khi R = 0 (G = ∞): mơ hình ngắn mạch. Khi R = ∞ (G= 0): mơ hình hở mạch. Cơng suất tiêu thụ trên điện trở : P = UI = RI2 (W) * Các thơng số cần quan tâm của điện trở : - Trị danh định: giá trị xác định của điện trở. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 4
  5. 5 - Dung sai : sai số của giá trị thực so với trị danh định. - Cơng suất tiêu tán : cơng suất tiêu thụ trên điện trở. - Điện áp làm việc tối đa. - Nhiễu nhiệt. Hình dạng thực tế của điện trở: * Cơng thức tính điện trở: Theo vật liệu chế tạo Nếu là điện trở của cuộn dây: Trị số điện trở của cuộn dây dẫn phụ thuộc vào vật liệu, tỷ lệ thuận với chiều dài và tỷ lệ nghịch với tiết diện dây. l R : điện trở xuất m2 / m S l : chiều dài dây dẫn [m] S : tiết diện dây [m2] Thí dụ: Tìm điện trở của 1 dây dẫn dài 6.5m, đường kính dây 0.6mm, cĩ 430nm . Dựa vào cơng thức ta tìm được R 9.88 Theo lý thuyết mạch: Định luật Ohm: U R  I Khi cĩ dịng điện chạy qua 1 vật dẫn điện thì ở hai đầu dây sẽ phát sinh 1 điện áp U tỷ lệ với dịng điện I. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 5
  6. 6 Theo năng lượng: Khi cĩ dịng điện qua R trong 1 thời gian t thì R bị nĩng lên, ta nĩi R đã tiêu thụ 1 năng lượng: W = U.I.t W R.I 2.t J hoặc W.s Ta thấy rằng t càng lớn thì điện năng tiêu thụ càng lớn. * Cách đọc vịng màu: Ngồi cách đo, giá trị của điện trở cịn cĩ thể xác định qua các vịng màu trên thân điện trở. Số vịng màu trên điện trở tuỳ thuộc loại vào độ chính xác của điện trở (3 vịng màu, 4 vịng màu hay 5 vịng màu). Vòng màu Màu 1 2 3 Dung sai Giá trị tương ứng của các màu được liệt kê trong bảng sau: Màu Trị số Dung sai Đen 0 20% Nâu 1 1% Đỏ 2 2% Cam 3 Vàng 4 Lục (Xanh lá) 5 Lam (Xanh dương) 6 Tím 7 Xám 8 Trắng 9 Vàng kim 5% Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 6
  7. 7 Bạc 10% Ghi chú: - Vịng màu thứ 3 (đối với điện trở cĩ 3 hay 4 vịng màu) và vịng màu thứ 4 (đối với điện trở cĩ 5 vịng màu) chỉ hệ số mũ. - Nếu màu vàng kim hoặc màu bạc ở vịng thứ 3 (đối với điện trở 4 vịng màu) hoặc ở vịng thứ 4 (đối với điện trở 5 vịng màu) thì trị số tương ứng là: Vàng kim: -1 Bạc: -2 1 Ví dụ: Đỏ - Xám – Nâu: 28.10 => Giá trị của điện trở: 28 Ω Nâu – Đen – Đỏ - Bạc: 10.102 10% => Giá trị điện trở: 1KΩ , sai số 10%. Đỏ - Cam – Tím – Đen – Nâu: 237.100 1% => Giá trị điện trở: 273Ω , sai số 1%. * Ứng dụng của điện trở trong thực tế: bàn ủi, bếp điện, đèn sợi đốt 2.1.2 Phần tử cuộn cảm * Cấu tạo. Cuộn cảm gồm nhiều vịng dây quấn sát nhau, ngay cả chồng lên nhau nhưng khơng chạm nhau do dây đồng cĩ tráng men cách điện. Cuộn dây lõi khơng khí Cuộn dây lõi Ferit Tùy theo lõi cuộn cảm là khơng khí, sắt bụi hay sắt lá mà cuộn cảm được ký hiệu như sau: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 7
  8. 8 L1 là cuộn dây lõi khơng khí, L2 là cuộn dây lõi ferit, L3 là cuộn dây cĩ lõi chỉnh, L4 là cuộn dây lõi thép kỹ thuật * Các tham số cơ bản của cuộn cảm: Khi sử dụng cuộn cảm người ta quan tâm đến các số chính sau: Hệ số tự cảm L: là khả năng tích trữ năng lượng từ trường của cuộn dây, đơn vị là Henry (H). 1H = 103mH = 106 H . dI V L dt X Hệ số phẩm chất: Q L phụ thuộc vào f X S Tổn hao cuộn cảm. Dịng điện định mức Imax. Tần số định mức. Cảm kháng Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dịng điện của cuộn dây đối với dịng điện xoay chiều . Ghép cuộn cảm . Ghép nối tiếp: Ltd L1 L2 Cơng thức này chỉ sử dụng cho các cuộn dây khơng quan hệ về từ, khơng cĩ hỗ cảm. Nếu các cuộn dây cĩ từ trường tương tác lẫn nhau thì: Từ trường tăng cường (quấn cùng chiều): Ltd L1 L2 2M Từ trường đối nhau (quấn ngược chiều) Ltd L1 L2 2M Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 8
  9. 9 . Ghép song song: Khi mắc song song cách biệt về từ thì cơng thức tính như sau: 1 1 1 1 Ltd L1 L2 Ln Năng lượng nạp vào cuộn dây: Dịng điện chạy qua cuộn dây tạo ra năng lượng tích trữ dưới dạng từ trường: 1 W L.I 2 2 W: năng lượng (Joule). L : Hệ số tự cảm (H). I : Cường độ dịng điện (A). * Đặc tính cuộn cảm với dịng AC Điện áp trên phần tử điện cảm bằng tốc độ biến thiên theo từ thơng: d (t) u(t) e (t) dt L Trong đĩ eL(t) là sức điện động cảm ứng do từ thơng biến đổi theo thời gian gây nên. Mặt khác:  (t) Li(t) Trong đĩ: L là hệ số tự cảm của cuộn dây d (t) d(Li(t)) di(t) Như vậy: u(t) L dt dt dt 1 t => i(t) u(t)dt i(t ) L 0 t0  (t0 ) Trong đĩ i(t ) là giá trị dịng điện qua phần tử điện cảm tại thời điểm ban đầu t0. 0 L *Hình dạng thực tế của cuộn cảm: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 9
  10. 10 *Ứng dụng thực tế của cuộn cảm: Relay điện từ, biến áp, anten, nam châm từ 2.1.3 Phần tử tụ điện * Cấu tạo của tụ điện: Về cơ bản tụ điện gồm hai bản cực kim loại đối diện nhau và phân cách ở giữa chất cách điện mà cịn được gọi là chất điện mơi (dielectric). Chất điện mơi cĩ thể là khơng khí, chất khí, giấy (tẩm), màng hữu cơ, mica, thủy tinh hoặc gốm, mỗi loại cĩ hằng số điện mơi khác nhau, khoảng nhiệt độ và độ dày khác nhau. i C Kí hiệu: C – Đơn vị Farah (F). Điện tích giữa hai bản tụ được xác định: + u - q(t) = Cu(t) *Khái niệm chung Trị số điện dung C: khả năng chứa điện của tụ điện được gọi là điện dung (C). Đơn vị của C: Fara (F), F lớn nên trong thực tế thường dùng đơn vị nhỏ hơn µF, nF, pF 1F 106 F 109 nF 1012 pF Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 10
  11. 11 - Theo quan điểm vật liệu: Điện dung C (Capacitor hay Condenser) của tụ điện tùy thuộc vào cấu tạo và được tính bởi cơng thức: S C  d Với: C: điện dung {F} S: diện tích của bản cực {m2}. D: khoảng cách giữa hai bản cực {m}.  : là hằng số điện mơi và   r . 0 ( r là hằng số điện mơi tương đối;  0 là hằng 12 số điện mơi khơng khí,  0 8.85 10 (F/m). - Theo quan điểm lý thuyết mạch: tỷ số giữa điện tích Q và điện áp đặt vào 2 vật dẫn (hay bản cực) U. Q C hay Q = C.U U Với: Q: điện tích cĩ đơn vị là C (colomb). C: điện dung cĩ đơn vị là F (Fara), F , nF, pF. U: sụt áp ở hai bản cực cĩ đơn vị là V (volt). - Theo quan điểm năng lượng: tụ là kho chứa điện và lượng điện năng chứa trong tụ được xác định: 1 W C.V 2 2 Năng lượng tĩnh điện J tính theo Ws (Wast giây) hoặc J (Joule) được cho bởi Ghép tụ: Tụ ghép song song: Ctd C1 C2 áp tương đương bằng áp tụ cĩ điện áp nhỏ nhất 1 1 1 Tụ ghép nối tiếp áp tương đương bằng tổng các điện áp thành phần Ctd C1 C2 *Chức năng của tụ điện: Cĩ hai chức năng chính: Nạp hay xả điện: chức năng này áp dụng cho các mạch làm bằng phẳng mạch định thì Ngăn dịng điện DC: chức năng này được áp dụng vào các mạch lọc để trích ra hay khử đi các tần số đặc biệt. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 11
  12. 12 *Một số tụ điện thơng dụng: 1. Tụ hĩa: (cĩ cực tính) được chế tạo với bản cực nhơm và cực dương cĩ bề mặt hình thành lớp Oxit nhơm và lớp bột khí cĩ tính cách điện để làm chất điện mơi giá trị: 1F 10.000F . 2. Tụ gốm: (khơng cực tính) giá trị 1pF 1F . 3. Tụ giấy (khơng cực tính): Hai bản cực là các băng kim loại dài, ở giữa cĩ lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống. Điện áp đánh thủng đến vài trăm Volt. 4. Tụ mica (khơng cực tính) pF -> nF. Điện áp làm việc rất cao. Tụ được sơn chấm màu để chỉ giá trị điện dung. 5. Tụ màng mỏng: pF F (khơng cĩ cực tính): Chất điện mơi là polyester (PE), polyetylen (PS). Điện áp làm việc rất cao. 6. Tụ tang: (cĩ cực tính) 0.1F 100F 7. Tụ điện thay đổi được (Variable Capacitor). Viết tắt là CV hay VC. * Cách đọc trị số tụ Loại tham số quan trọng nhất của tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai) và điện áp làm việc của nĩ. Chúng cĩ thể được ghi trực tiếp, ghi bằng qui ước chữ số. a. Đối với tụ điện cĩ cực (tụ DC). Các cực được ghi bằng dấu + hoặc dấu -. Đơn vị điện dung: F ,F D, MFD, UF. Điện áp làm việc: VDC (volt DC) được ghi trực tiếp bằng chữ số. VD: 10 F /16 VDC, 470F /15VDC, 5F /6VDC. b. Các loại tụ màng mỏng: Nếu khơng ghi đơn vị thì qui ước đơn vị là pF. VD: 47/630 cĩ nghĩa là 47pF, điện áp làm việc là 630V. Nếu số đầu cĩ dấu chấm thì đơn vị là F VD: .1 cĩ nghĩa là .1 F .47 cĩ nghĩa là .47 F Trường hợp ghi bằng chữ số: VD:123K -> 12 *103 pF, K là sai số ( hay dung sai). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 12
  13. 13 Ký tự chỉ dung sai: G 2%; J 5%; K 10%;M 20% VD: 473J -> 47.000pF = 0.47 F 223 M-> 22.000pF = 0.22 F *Đặc Tính Nạp - Xả Của Tụ. Xem mạch như hình vẽ: 1 K R 2 Tụ nạp K ở vị trí 1: Tụ nạp từ điện thế 0V tăng dần đến điện thế V DC theo hàm mũ đối với thời gian t. Điện thế tức thời trên hai đầu tụ: t V t V 1 e  với t: thời gian tụ nạp (s),  = RC hằng số thời gian (s) c DC VDC C Đặc tuyến nạp: Vc(t) Vc VDC 0.99 0.86 ic(t) t  5 Nhận thấy sau thời gian t 5 tụ nạp điện thế V c = 0.99 VDC xem như tụ nạp đầy. V Khi điện thế tụ tăng dần thì dịng điện tụ nạp lại giảm từ giá trị cực đại I DC về 0. R Tụ xả Khi tụ nạp đầy Vc  VDC ta chuyển K sang vị trí 2: tụ xả điện qua R -> điện thế trên tụ giảm dần từ VDC -> 0V theo hàm mũ thời gian theo t. Điện thế 2 đầu tụ xả được tính theo t  cơng thức: Vc t VDC .e Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 13
  14. 14 VDC R  5 Sau thời gian t 5 thì điện thế trên tụ chỉ cịn 0.01V DC. xem như tụ xả hết điện. Trường hợp tụ xả, dịng xả cũng giảm dần theo hàm số mũ từ trị số cực đại bắt đầu là V I DC xuống 0. R V t Dịng xả tức thời được tính theo cơng thức giống dịng nạp i t DC e  c R *Đặc tính của tụ điện đối với AC. Q Ta cĩ: I Q I.t t Đối với tụ điện, điện tích tụ nạp được tính theo cơng thức: Q C.V 1 C.V I.t V .I.t C Điện áp nạp được trên tụ là sự tích tụ của dịng điện nạp vào tụ theo thời gian t. Đối với dịng điện xoay chiều hình sin thì trị số tức thời của dịng điện: i(t) = Im . sin  t Hệ thức liên hệ giữa điện áp Vc và dịng điện i(t): u 1 t i VC t i t .dt u Uc t C 0 t V t I sint.dt C m 0 1 1 0 I V t .Im cost .Im sin t 90 C C Dung kháng Xc của tụ được xác định: Uc 1 1 X f .C C 2 C Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 14
  15. 15  Với f {Hz}. 2 Như vậy, điện áp VC trên tụ cũng lá 1 trị số thay đổi theo dịng điện xoay chiều hình sin. Dựa vào kết luận trên, ta thấy ở mạch điện xoay chiều thuần điện dung, dịng điện vượt pha trước điện áp một gĩc 90o 2.1.4 Mơ hình thực tế của các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung Các mơ hình được nêu ở các phần trên là mơ hình lý tưởng. Trong thực tế, các phần tử này khơng chỉ đơn giản là các phần tử thuần mà cịn cĩ nhiều các phần tử kí sinh. Các mơ hình thực tế của các phần tử điện trở, điện dung và điện cảm lần lượt như sau: Khi thiết kế mạch, người thiết kế cần chú ý đến các phần tử kí sinh này. 2.2 Các phần tử nguồn 2.2.1 Nguồn áp độc lập i e(t) + u - u(t) = e(t) i 2.2.2 Nguồn dịng độc lập i J(t) + u - i(t) = J(t) u Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 15
  16. 16 3. Các định luật cơ bản của mạch điện 3.1 Định luật Ohm U: điện áp giữa 2 đầu mạch I Z I: dịng điện chạy trong mạch U Z: tổng trở của mạch U = Z.I u(t) = Z.i(t) 3.2 Định luật Kirchoff Nhánh: 1 đoạn mạch gồm một hay nhiều phần tử 2 cực nối tiếp với nhau trên đĩ cĩ cùng một dịng điện đi qua. Nút (đỉnh): là biên của nhánh hoặc điểm chung của các nhánh. Vịng: là một tập các nhánh tạo thành một đường khép kín 3.2.1 Định luật Kirchoff 1 Tổng đại số các dịng điện tại một nút bất kỳ bằng 0. i k = 0 Trong đĩ quy ước: Các dịng điện cĩ chiều dương đi vào nút thì lấy dấu +, cịn đi ra khỏi nút thì lấy dấu - ; hoặc ngược lại. Ví dụ : i1 – i2 – i3 = 0 -i1 + i2 + i3 = 0 Định luật Kirchoff 1 cịn được phát biểu dưới dạng: Tổng các dịng điện cĩ chiều dương đi vào một nút bất kì thì bằng tổng các dịng điện cĩ chiều dương đi ra khỏi nút đĩ. 3.2.2 Định luật Kirchoff 2 Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 16
  17. 17 Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả các nhánh trong một vịng bằng 0. u k = 0 Dấu của điện áp được xác định dựa trên chiều dương của điện áp đã chọn so với chiều của vịng. Chiều của vịng được chọn tuỳ ý. Trong mỗi vịng nếu chiều vịng đi từ cực + sang cực – của một điện áp thì điện áp mang dấu +, cịn ngược lại thì điện áp mang dấu - . Ví dụ: UR3 + UC3 + e2 - UL2 + UR1 – e1 = 0 i2 i3 UR3 + UC3 - UL2 + UR1 = e1 – e2 C3 e2 1 t di R i i dt L 2 R i e e 3 3 3 2 1 1 1 2 R3 C3 0 dt i1 e1 R1 3.3 Định lý Thevenil – Norton Định lý Thevenil: Cĩ thể thay tương đương mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn áp bằng điện áp đặt trên cửa khi hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng Thevenil của mạng một cửa. Định lý Norton: Cĩ thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn dịng bằng dịng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenil của mạng một cửa. I A I A I A Mạch A + + +   ZT    (tuyến U U  ZT U E J N tính) - T - - B B B Thevenil Norton Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 17
  18. 18   Để tính các giá trị Z T, ET , J N ta tiến hành triệt tiêu các nguồn độc lập (ngắn mạch nguồn dịng và hở mạch nguồn áp): E U U T I 0 hơ J I I N U 0 ng E Z T T  J N 4. Một số hệ thống thơng tin điển hình 4.1 Khái niệm chung về tín hiệu Trong đời sống hằng ngày, chúng ta thường phải truyền đi tiếng nĩi, hình ảnh, âm thanh gọi chung là tin tức. Để cĩ thể truyền tin tức qua các hệ thống điện tử, người ta biến đổi chúng thành một điện áp hoặc dịng điện, biến thiên tỉ lệ với lượng tin tức nguyên thuỷ, ta gọi đĩ là tín hiệu. Một cách tổng quát, tín hiệu cĩ thể là tuần hồn hoặc khơng tuần hồn, là liên tục theo thời gian (tín hiệu analog) hoặc gián đoạn theo thời gian (tín hiệu xung, số hay tín hiệu digital). Xét tín hiệu hình sin: s(t) = Acos(ωt – φ) A: biên độ  = 2 f : tần số gĩc φ: pha ban đầu Ngồi tín hiệu tương tự, ta cịn gặp các tín hiệu dạng khác, tín hiệu tồn tại gián đoạn theo thời gian, ví dụ: xung vuơng, xung tam giác, xung hình thang. Hình sau cho thấy một số tín hiệu dạng xung: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 18
  19. 19 4.2 Các thơng số đặc trưng cho tín hiệu 4.2.1 Độ rộng (độ dài) Khi biểu diễn trong đồ thị thời gian, khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu, kể từ lúc bắt đầu cho đến khi kết thúc, được gọi là độ rộng của tín hiệu. Nếu tín hiệu tuần hồn, độ rộng được tính tương ứng với thời gian tồn tại tín hiệu trong một chu kỳ. 4.2.2 Giá trị trung bình Nếu tín hiệu s(t), xuất hiện tại s(t) thời điểm t 0, cĩ độ dài  thì giá trị trung bình trong khoảng thời gian  của nĩ được xác định bởi: 1 t0  s(t) s(t)dt  t0 4.2.3 Năng lượng của tín hiệu Thơng thường s(t) đại diện cho một điện áp hay một dịng điện. Năng lượng tín hiệu trong thời gian tồn tại của nĩ xác định như sau: t0  E s 2 (t)dt s t0 Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 19
  20. 20 Năng lượng trung bình trong một đơn vị thời gian (thường được gọi là cơng suất trung bình của tín hiệu) được tính: E 1 t0  s 2 (t) s 2 (t)dt   t0 Căn bậc hai của năng lượng trung bình được gọi là giá trị hiệu dụng của tín hiệu: 1 t0  S s 2 (t) s 2 (t)dt  t0 4.3 Các hệ thống điện tử điển hình Để thực hiện việc các truyền các tin tức đi xa hoặc thu thập, xử lý tín hiệu từ nơi xa tới người ta cần trang bị các thiết bị chức năng và tập hợp chúng thành một hệ thống điện tử nhất định. Trong các hệ đĩ, tin tức cĩ thể được truyền theo một chiều nhất định (gọi là hệ thống hở), cũng cĩ thể truyền theo cả 2 chiều (gọi là hệ thống kín). Ba hệ thống điện tử thường gặp là hệ thống thơng tin quảng bá, hệ đo lường và hệ tự động điều khiển. 4.3.1 Hệ thống thơng tin quảng bá Đây là hệ thường dùng để truyền tiếng nĩi, hình ảnh từ các đài phát thanh, phát hình tới máy thu. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 20
  21. 21 Anten Tin tức Chuyển đổi Điều chế Khuếch đại Tạo sĩng mang THIẾT BỊ PHÁT Anten Chọn và Khuếch đại Giải điều Trộn sĩng Khuếch đại Nhận tin khuếch đại trung tần chế Tạo dao động nội THIẾT BỊ THU Hệ thống thơng tin quảng bá Tại đài phát, tin tức (tiếng nĩi hay hình ảnh) được truyền qua bộ chuyển đổi, biến thành các đại lượng điện tần số thấp. Tín hiệu loại này cĩ năng lượng nhỏ, tần số thấp khơng thể bức xạ đi xa. Vì vậy người ta phải dùng một sĩng cao tần (gọi là sĩng mang) để mang tín hiệu đi xa. Quá trình gọi là điều chế tín hiệu. Qua bộ phận này, một trong những tham số của sĩng cao tần (biên độ, tần số hoặc gĩc pha) bị thay đổi tuỳ theo quy luật của tín hiệu tần số thấp. Sau đĩ các tín hiệu này được khuếch đại và đưa đến anten để bức xạ qua mơi trường truyền sĩng. Tại bộ phận thu, sĩng cao tần đã được điều chế tiếp nhận từ anten sẽ được chọn lọc, khuếch đại và đưa đến bộ trộn sĩng (đem tín hiệu cao tần mang tin tức trộn với sĩng tạo ra tại chỗ - gọi là dao động nội) để tạo nên sĩng cĩ tần số thấp hơn gọi là trung tần. Sau dĩ sĩng trung tần này được khuếch đại, giải điều chế (nghĩa là tách tín hiệu tần số thấp phản ánh tin tức nguyên thuỷ ra khỏi sĩng mang – cịn được gọi là quá trình tách sĩng), tiếp tục khuếch đại và đưa tới bộ nhận tin (ví dụ là loa trong máy thu thanh). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 21
  22. 22 Hệ thống trên là hệ thống hở: tín hiệu chỉ truyền theo một chiều (từ đài phát tới máy thu) mà khơng truyền theo chiều ngược lại. Chất lượng và hiệu quả của việc thơng tin phụ thuộc vào chất lượng của thiết bị phát, thiết bị thu và mơi trường truyền sĩng. Thơng thường khi truyền tín hiệu đi, ngồi các tín hiệu cần truyền (gọi là tín hiệu hữu ích) cịn lẫn lộn các tín hiệu ký sinh khơng mong muốn (do linh kiện và mơi trường truyền gây nên) gọi là nhiễu. Để cĩ hiệu quả thơng tin tốt, mỗi bộ phận trong hệ thống thơng tin quảng bá nĩi trên cần cĩ tỉ số tín hiệu trên nhiều (SNR – Signal to Noise Ratio) càng lớn càng tốt. 4.3.2 Hệ đo lường điện tử Trong thực tế, nhiều khi ta cần đo đạc các thơng số hoặc thu thập tin tức về một đối tượng nào đĩ, ví dụ: nhiệt độ, tốc độ Thơng số cần đo cĩ thể là một đại lượng điện hoặc phi điện, đối tượng cần đo cĩ thể là một đại lượng điện hoặc phi điện , đối tượng đo cĩ thể là một cá thể hay tập thể, khoảng cách từ đối tượng cần đo đến bộ phận hiển thị kết quả cĩ thể rất gần hoặc rất xa. Một hệ thống như vậy được gọi chùng là hệ đo lường điện tử. Nguổn tin Cảm biến Xử lý Hiển thị cần đo đầu vào Hệ thống đo lường điện tử Bộ cảm biến đầu vào biến đổi đại lượng cần đo thành một tín hiệu điện tỉ lệ với nĩ. Sau đĩ tín hiệu này được xử lý (biến đổi thành dạng thích hợp, khuếch đại ) và đưa đến bộ phận hiển thị. Trong các khối trên, bộ cảm biến đĩng vai trị quan trọng nhất. Nĩ quyết định độ nhậy và độ chính xác của phép đo. Thiết bị đo dựa trên nguyên tắc số thường cĩ độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu cao, dễ phối hợp với các hệ thống truyền và xử lý số liệu khác. Nĩ cũng cho phép thực hiện đo đồng thời nhiều đại lượng hoặc nhiều tham số của một quá trình, hoặc đo lường từ xa. 4.3.3 Hệ thống tự động điều khiển Hệ thống tự điều khiển thuộc loại hệ thống kín: ngồi đường truyền tín hiệu theo chiều thuận, cịn cĩ đường truyền ngược (gọi là đường hồi tiếp) để theo dõi, đo đạc hoặc Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 22
  23. 23 so sánh 1 hay nhiều thơng số của quá trình, từ đĩ sản sinh ra tín hiệu điều khiển, nhằm đưa hệ thống trở về một trạng thái ổn định nào đĩ. Ví dụ: hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ. Bộ cảm biến Khuếch đại Đối tượng chịu Bộ phận ΔV So sánh và điều khiển chấp hành khuếch đại Tạo mức chuẩn Hệ tự động điều khiển Đối tượng chịu sự điều khiển ở đây là 1 lị sấy nào đĩ. Nhiệt độ của nĩ (thơng số điều khiển Tx) được bộ cảm biến chuyển thành 1 điện áp (tỷ lệ với nhiệt độ). Qua khuếch đại, điện áp Vx này được đem so sánh với 1 điện áp mẫu Vch (do bộ tạo mức chuẩn gây ra). Giá trị của Vch được lựa chọn tương ứng với 1 nhiệt độ T 0 cho trước (T0 là nhiệt độ cần duy trì của lị điện hoặc buồng sấy). Tuỳ theo giá trị của V x là nhỏ hơn hay lớn hơn V ch mà điện áp ra của bộ so sánh V của giá trị dương hoặc âm. Thơng qua hoạt động của bộ phận chấp hành, V tác động lên đối tượng chịu sự điều khiển để làm tăng hoặc làm giảm nhiệt độ Tx. Quá trình cứ thế tiếp tục cho đến khi nào Tx đúng bằng T0 (tức là Vx = Vch) thì V = 0 và đối tượng chịu điều khiển mới duy trì trạng thái cân bằng, tương ứng với nhiệt độ T0. Hệ thống trên đây rõ ràng là 1 hệ kín. Tín hiệu V x được liên tục so sánh với mức chuẩn Vch để tạo ra tín hiệu hồi tiếp V, khống chế đối tượng chịu điều khiển theo hướng tiến tới trạng thái cân bằng. Mức độ chính xác của giá trị Vch, khả năng phân giải của bộ so sánh, ngồi ra cịn phụ thuộc vào độ chính xác của bộ cảm biến ở ngõ vào. Hệ thống điều khiển tự động cĩ thể hoạt động theo nguyên tắc tương tự (như ví dụ trên), cũng cĩ thể theo nguyên tắc số (tín hiệu điều khiển tác động rời rạc theo thời gian). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 23
  24. 24 CHƯƠNG II: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN 1. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 1.1 Mạng tinh thể và liên kết hố trị Các chất bán dẫn điển hình như Ge và Si thuộc nhĩm 4 bảng tuần hồn các nguyên tố hố học. Chúng cấu tạo từ những tinh thể cĩ hình dạng xác định, trong đĩ các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ, tuần hồn tạo nên một mạng lưới gọi là mạng tinh thể. Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn luơn cĩ 4 nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đĩ. Mỗi nguyên tử này đều cĩ 4 điện từ hố trị ở lớp vỏ ngồi cùng. Do khoảng cách giữa các nguyên tử rất gần, các điện tử này chịu ảnh hưởng của các nguyên tử xung quanh. Vì vậy điện tử hố trị của hai nguyên tử cạnh nhau thì cĩ những quỹ đạo chung. Quỹ đạo chung đĩ ràng buộc nguyên tử này với nguyên tử khác. Do liên kết với 4 nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngồi cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của lớp vỏ (8 điện tử), do đĩ lớp này trở thành bền vững (ít cĩ khả năng nhận thêm hoặc mất bớt điện tử). Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn khơng cĩ điện tích tự do và khơng dẫn điện. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 24
  25. 25 1.2 Điện tử tự do và lỗ trống – bán dẫn loại i Tình trạng trên đây xảy ra trong một chất bán dẫn thuần khiết (khơng lẫn tạp chất) cĩ cấu trúc tinh thể hồn chỉnh và ở nhiệt độ rất thấp (T = 00K). Khi chất bán dẫn cĩ nhiệt độ cao hơn (hoặc được cung cấp năng lượng dưới dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá bởi các chùm tia ), một số điện tử hố trị nhận thêm năng lượng sẽ thốt ra khỏi mối liên kết với các nguyên tử, trở thành điện tử tự do. Các điện tử này mang điện âm (q = 1,6.10 -19C) và sẵn sàng chuyển động cĩ hướng khi cĩ tác dụng của điện trường. Khi một điện tử tự do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thốt khỏi thiếu mất một điện tích âm –q; nghĩa là dư ra một điện tích dương +q. Ta gọi đĩ là lỗ trống. Như vậy, trong chất bán dẫn thuần khiết vừa xét (gọi là bán dẫn loại i) cĩ 2 loại điện tích tự do cùng xuất hiện khi được cung cấp năng lượng là điện tử và lỗ trống. Mật độ của chúng (nồng độ trong một đơn vụ thể tích) là bằng nhau: ni = pi. Điện tử và lỗ trống là hai loại hạt mang điện, khi chuyển động cĩ hướng sẽ tạo nên dịng điện, vì vậy chúng được gọi là hạt dẫn. 1.3 Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P Chất bán dẫn thuần khiết trên (Si hoặc Ge) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhĩm 5 (As đối với Ge hoặc P đối với Si) với hàm lượng thích hợp sao cho các nguyên tử tạp chất này chiếm chỗ một trong những nút của mạng tinh thể thì cơ chế dẫn điện sẽ thay đổi. Khác với chất cơ bản (Si hoặc Ge), As hoặc P vỏ ngồi cùng cĩ 5 điện tử, trong đĩ 4 điện tử tham gia liên kết hố trị với các nguyên tử lân cận, điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, cho nên chỉ cần cung cấp một năng lượng nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng ), điện tử này sẽ thốt khỏi tình trạng ràng buộc, trở thành hạt dẫn tự do. Nguyên tử tạp chất khi đĩ bị ion hố và trở thành một ion dương. Nếu cĩ điện trường đặt vào, các hạt dẫn tự do nĩi trên sẽ chuyển động cĩ hướng, tạo nên dịng điện. Như vậy tạp chất nhĩm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho. Chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn loại N. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 25
  26. 26 Trong chất bán dẫn loại N, nn > pn. Ta gọi điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Trường hợp tạp chất pha vào thuộc nhĩm 3 của bảng tuần hồn nguyên tố (Bore đối với Si, Indium đối với Ge) do lớp vỏ ngồi cùng của nguyên tử tạp chất chỉ cĩ 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của chất cơ bản chỉ tạo nên 3 mối liên kết hồn chỉnh, cịn mối liên kết thứ 4 bị bỏ hở. Chỉ cần một kích thích nhỏ (nhiệt độ, ánh sáng ) là một trong những điện tử của các mối liên kết hồn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế chỗ vào liên kết bỏ dở nĩi trên. Nguyên tử tạp chất lúc đĩ sẽ trở thành ion âm. Tại mối liên kết mà điện tử vừa đi khỏi sẽ dư ra một điện tích dương, nghĩa là xuất hiện một lỗ trống. Nếu cĩ điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện. Như vậy tạp chất nhĩm 3 tiếp nhận điện tử từ chất cơ bản để làm sản sinh các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận. Chất bán dẫn cĩ pha tạp chất nhĩm 3 gọi là bán dẫn loại P (hoặc bán dẫn lỗ trống). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 26
  27. 27 Trong bán dẫn loại P, lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số (pp > np). Như vậy tuỳ theo tạp chất pha vào thuộc nhĩm 3 hay nhĩm 5 mà chất bán dẫn thuần i trở thành bán dẫn loại P hay loại N. Hạt dẫn đa số tương ứng là lỗ trống hoặc điện tử. Các nguyên tử tạp chất khi được kích thích trở thành ion âm hoặc ion dương. Ở trạng thái cân bằng, mỗi chất bán dẫn đều trung hồ về điện, nghĩa là tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm. 1.4 Chuyển động trơi và khuếch tán của hạt dẫn 1.4.1 Chuyển động trơi Nếu đặt hạt dẫn (điện tử hoặc lỗ trống) vào mơi trường chân khơng khi cĩ điện trường tác động, các hạt dẫn này sẽ chuyển động cĩ gia tốc (nhanh dần hoặc chậm dần đều). Nhưng trong mạng tinh thể của chất rắn chứa rất nhiều nguyên tử (kể cả các tạp chất), chúng luơn luơn dao động vì nhiệt. Vì vậy khi chịu tác dụng của điện trường, các hạt dẫn trên đường chuyển động cĩ gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tử của mạng tinh thể. Mỗi lần va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiều của vận tốc tức là làm tán xạ chúng. Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường như vậy được gọi là chuyển động trơi. Dịng điện do chuyển động trơi của hạt dẫn gây ra gọi là dịng điện trơi. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 27
  28. 28 1.4.2 Chuyển động khuếch tán Dạng chuyển động khuếch tán xảy ra khi cĩ sự phân bố khơng đồng đều trong thể tích. Đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố khơng đồng đều, chúng sẽ khuếch tán từ nơi cĩ nồng độ cao về nơi cĩ nồng độ thấp. Dịng điện do chuyển động cĩ hướng này gây ra gọi là dịng điện khuếch tán. 2. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 2.1 Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng Giả sử cĩ 2 khối bán dẫn loại P và loại N tiếp xúc nhau theo tiết diện phẳng như hình vẽ. Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn đều cân bằng về điện tích (tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất phân bố đều. Khi tiếp xúc nhau, do chênh lệch nồng độ (pp > pn; nn > pn) sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán từ N sang P. Chúng tạo nên dịng điện khuếch tán cĩ chiều từ P sang N. Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau làm cho trong một vùng hẹp ở hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp. Tại vùng đĩ (vùng cĩ bề dày l0), bên bán dẫn P hầu như chỉ cịn lại các ion âm, cịn bên bán dẫn N chỉ cịn lại Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 28
  29. 29 các ion dương, nghĩa là hình thành hai lớp điện tích khơng gian trái dấu đối diện nhau. Giữa 2 lớp điện tích này sẽ cĩ chênh lệch điện thế (V N>VP) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Như vậy trong mặt ranh giới xuất hiện một điện trường hướng từ N sang P gọi là điện trường tiếp xúc Etx. Vùng hẹp nĩi trên gọi là vùng nghèo hay chuyển tiếp P – N. Nồng độ hạt dẫn trong vùng này chỉ cịn rất thấp nên điện trở suất rất cao so với các vùng cịn lại. Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt dẫn thiểu số của 2 chất bán dẫn bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống từ bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường; điện tử từ bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dịng điện trơi, ngược chiều với dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số. Nồng độ hạt dẫn đa số trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và hiện tượng tái hợp càng nhiều, do đĩ điện trường tiếp xúc ngày càng tăng và dịng điện trơi của hạt dẫn thiếu số ngày càng tăng. Vì vậy chỉ sau một thời gian ngắn, dịng trơi và dịng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dịng tổng hợp qua mặt ranh giới sẽ bằng 0. Khi đĩ chuyển tiếp P – N đạt tới trạng thái cân bằng. Ứng với trạng thái đĩ, hiệu điện thế tiếp xúc giữa bán dẫn N và P cĩ một giá trị nhất định. Thơng thường hiệu điện thế tiếp xúc vào khoảng 0.35V (đối với Ge) hoặc 0.7V (đối với Si). Hiệu điện thế này ngăn cản khơng cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng nên được gọi là “hàng rào điện thế”. 2.2 Chuyển tiếp P – N khi cĩ điện áp ngồi – Đặc tính chỉnh lưu 2.2.1 Phân cực nghịch Khi điện áp V được nối như hình 2.5 (P nối với cực âm, N nối với cực dương gọi là phân cực ngược). Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngồi vùng nghèo (gọi là vùng trung hồ) là khơng đáng kể. Khi đĩ điện áp V gần như đặt lên tồn bộ vùng nghèo, chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc V tx. Tình trạng cân bằng trước đây khơng cịn nữa. Điện trường E do điệp áp V gây ra cùng chiều với E tx sẽ làm hạt dẫn đa số của hai bán dẫn rời xa khỏi mặt ranh giới đi về 2 phía. Do đĩ cùng nghèo bị mở rộng (l>l 0) điên trở vùng nghèo tăng. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 29
  30. 30 Hàng rào điện thế trở thành V tx + V khiến dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhỏ, cịn dịng trơi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số rất nhỏ nên trị số dịng này rất nhỏ. Nĩ nhanh chĩng đạt đến giá trị bão hồ Is khi V cịn rất thấp. Dịng tổng hợp qua chuyển tiếp P – N (chiều dương quy ước là chiều từ P sang N) ở trạng thái này là: I = - Is. Nghĩa là khi bị phân cực ngược, dịng điện qua qua chuyển tiếp P – N cĩ giá trị rất bé và chạy theo chiều âm. Is cịn được gọi là dịng ngược bão hồ. 2.2.2 Phân cực thuận Khi điện áp V được mắc như hình 2.6 (P nối cực dương, N nối cực âm gọi là phân cực thuận) thì tình hình sẽ ngược lại. Hàng rào điện thế giảm, chỉ cịn V tx – V, cho nên hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện. Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo sẽ được giảm bớt, khiến bề dày vùng nghèo bị thu hẹp (l < l 0) và điện trở của vùng này giảm. Dịng điện hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điệp áp V, cịn dịng điện trơi của hạt dẫn thiểu số sẽ giảm theo V. Tuy vậy dịng hạt dẫn thiểu số này vốn rất bé nên cĩ thể coi như khơng đổi. Như vậy dịng tổng hợp qua chuyển tiếp P – N lúc này được gọi là dịng điện thuận. Trị số của nĩ lớn hơn dịng điện ngược rất nhiều và tăng nhanh theo điện áp thuận V. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 30
  31. 31 Cần chú ý rằng điện áp thuận càng tăng, bề dày vùng nghèo càng giảm và điện áp hàng rào thế Vtx – V càng giảm. Khi Vtx = V, hàng rào thế biến mất, dịng qua chuyển tiếp P – N theo chiều thuận sẽ vơ cùng lớn, phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là trạng thái cần tránh khi sử dụng chuyển tiếp P – N phân cực thuận sau này. 2.2.3 Đặc tính chỉnh lưu Chuyển tiếp P – N (cịn gọi là mối nối P – N hay vùng nghèo) là bộ phận quan trọng nhất của tiếp xúc giữa hai bán dẫn khác loại. Tuỳ theo điện áp đặt vào theo chiều thuận hay nghịch mà nĩ cĩ đặc tính khác nau. Khi phân cực thuận, vùng nghèo hẹp, điện trở nhỏ, dịng điện lớn và tăng nhanh theo điện áp; khi phân cực nghịch, vùng nghèo mở rộng, điện trở rất lớn, dịng điện chạy qua rất nhỏ và ít thay đổi theo điện áp. Như vậy chuyển tiếp P – N dẫn điện theo hai chiều khơng giống nhau. Nếu cĩ điện áp xoay chiều đặt vào thì nĩ chỉ dẫn điện chủ yếu theo một chiều. Ta gọi đĩ là tính chất van hay đặc tính chỉnh lưu. Hình 2.7 là đồ thị nêu lên mối quan hệ giữa dịng điện và điện áp của chuyển tiếp P – N: về phía thuận, dịng điện tăng nhanh theo điện áp, cịn về phía ngược, dịng điện rất nhỏ gần như khơng đổi. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 31
  32. 32 2.3 Hiện tượng đánh thủng chuyến tiếp P - N Khi chuyển tiếp P - N bị phân cực nghịch, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đĩ thì dịng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là chuyển tiếp P - N dẫn điện mạnh cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van vốn cĩ của nĩ. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đánh thủng. Giá trị điện áp ngược khi xảy ra quá trình này thường ký hiệu là VB (điện áp đánh thủng). Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng cĩ thể do điện hoặc do nhiệt, vì vậy người ta thường phân biệt hai dạng: đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt. Cĩ khi cả hai nguyên nhân đĩ kết hợp lại với nhau và tăng cường lẫn nhau, gây ra một dạng đánh thủng thứ ba là đánh thủng điện - nhiệt. Đánh thủng về điện phân làm hai loại: đánh thủng thác lũ (avalanche) và đánh thủng xuyên hầm (tunnel). Đánh thủng thác lũ thường xảy ra trong các chuyển tiếp P - N cĩ bề dày lớn, điện trường trong vùng nghèo cĩ trị số khá lớn. Điện trường này gia tốc cho các hạt dẫn, gây ra gây ra hiện tượng ion hĩa vì va chạm làm sản sinh những đơi điện tử - lỗ trống. Các hạt dẫn vừa sinh ra này lại tiếp tục được gia tốc và ion hĩa các nguyên tử khác , cứ như thế số lượng hạt dần tăng lên gấp bội, khiến dịng điện tăng vọt. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 32
  33. 33 Đánh thủng xuyên hầm xảy ra ở những vùng nghèo tương đối hẹp, tức là chuyển tiếp của những bán dẫn cĩ nồng độ tạp chất rất lớn. Điện trường trong vùng nghèo rất lớn, cĩ khả năng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử trong vùng hố trị của bán dẫn P cĩ khả năng “chui qua” hàng rào thế để chạy sang vùng dẫn N, làm cho dịng điện tăng vọt . Đặc tuyến Volt - Ampere của hai dạng đánh thủng nĩi trên gần như song song với trục tung. Khi nhiệt độ mơi trường tăng, giá trị điện áp đánh thủng theo cơ thể xuyên hầm bị giảm (tức hệ số nhiệt của V B âm), cịn điện áp đánh thủng theo cơ chế thác lũ, lại tăng (hệ số nhiệt của VB dương). Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng nghèo. Khi cĩ điện áp ngược lớn, dịng điện ngược tăng làm nĩng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đĩ lại làm dịng điện ngược tăng nhanh. Quá trình cứ thế tiến triển khiến cho nhiệt độ vùng nghèo và dịng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn tới đánh thủng. Trị số của điện áp đánh thủng về nhiệt phụ thuộc vào dịng điện ngược ban đầu, vào nhiệt độ mơi trường và điều kiện tỏa nhiệt của chuyển tiếp P - N. Đặc tuyến vơn-ampe cĩ đoạn điện trở âm, nghĩa là dịng điện ngược tăng vọt trong khi điện áp trên hai đầu chuyển tiếp P - N giảm xuống. Đánh thủng về nhiệt thường gây ra những hậu quả tai hại, phá hỏng vĩnh viễn Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 33
  34. 34 đặc tính chỉnh lưu của chuyển tiếp P - N. Cịn đánh thủng về điện, nếu cĩ biện pháp hạn chế dịng điện ngược sao cho cơng suất tiêu tán chưa vượt quá giá trị cực đại cho phép thì chuyển tiếp P - N vẫn cĩ thể hồi phục lại đặc tính chỉnh lưu của mình. 3. Diode bán dẫn 3.1 Diode chỉnh lưu Hình 2.9 là cấu tạo điển hình của loại diode chỉnh lưu, chế tạo theo phương pháp hợp kim. Bộ phận cơ bản của diode là chuyển tiếp P – N, cĩ đặc tính chỉ dẫn điện chủ yếu theo một chiều và thường được ứng dụng để biến điện xoay chiều thành điện một chiều (do đĩ cĩ tên là diode chỉnh lưu). Hình 2.10 là ký hiệu của diode bán dẫn. Đặc tuyến của diode chỉnh lưu trong thực tế (loại chế tạo bằng Silic, nhĩm dịng điện nhỏ) như hình 2.11. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 34
  35. 35 Khi điện áp thuận cĩ giá trị nhỏ hơn V  0,6V (đối với diode Ge là V  0,2V) thì dịng điện thuận cịn bé, chưa đáng kể. Chỉ khi điện áp thuận vượt quá điện áp mở V  thì dịng điện mới tăng nhanh theo điện áp, hơn nữa đoạn đặc tuyến này gần như một đường thẳng với độ dốc khơng đổi. Vì vậy cĩ thể biểu thị diode phân cực thuận bằng sơ đồ tương đương như hình 2.12. Dịng điện ngược cĩ giá trị rất nhỏ. Khi điệp áp ngược tăng, dịng điện ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến điện áp đánh thủng V B thì dịng điện ngược tăng vọt. Nếu khơng cĩ biện pháp hạn chế dịng điện để ngăn ngừa sự vượt quá cơng suất cho phép thì quá trình Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 35
  36. 36 đánh thủng này sẽ làm hỏng diode. Nhưng vậy phân cực ngược thì sơ đồ tương đương của diode là hở mạch. * Các thơng số cần quan tâm của diode như sau: - Điện áp ngược cực đại cho phép Vng max (để khơng bị đánh thủng). - Dịng điện thuận cực đại cho phép Imax. - Cơng suất tiêu hao cực đại cho phép Pmax. - Tần số cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax. - Điện dung mặt ghép: Lớp điện tích l 0 tương đương với một tụ điện gọi là điện dung mặt ghép N-P. Ở tần số cao lớp điện dung này quyết định tốc độ đĩng mở của diode khi nĩ làm việc như một khố điện, tức là điện dung mặt ghép N-P quyết định fmax. - Điện trở 1 chiều (điện trở đối với dịng 1 chiều) Rth = Vth/Ith : cĩ giá trị rất bé (mấy đến mấy chục ). Rng = Vng/Ing : cĩ giá trị rất lớn (hàng trăm k ) - Điện trở xoay chiều (cịn gọi điện trở vi phân) rd = dV/dI Tham số này chính là nghịch đảo độ dốc đặc tuyến V-A của diode. Về phía thuận, đặc tuyến cĩ dạng dốc đứng, r d tương đối nhỏ. Về phía ngược, miền đặc tuyến gần như nằm ngang, dịng điện ngược rất nhỏ, giá trị rd tương ứng sẽ rất lớn. 3.2 Diode cao tần 3.2.1 Diode zener Về cấu tạo: vẫn là chuyển tiếp P-N, nhưng chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt, do đĩ khi điện áp ngược đủ lớn sẽ xảy ra quá trình đánh thủng về điện (đánh thủng thác lũ hoặc đánh thủng tunnel) mà ít khi đánh thủng về nhiệt, nghĩa là khơng phá hỏng diode. Đặc tuyến vơn-ampe trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 36
  37. 37 dịng điện, nghĩa là điện áp giữa katơt và anơt hầu như khơng đổi. Người ta lợi dụng ưu điểm này để dùng diode Zenner làm phần tử ổn định điện áp. Giới hạn trên của phạm vi làm việc chính và trị số dịng điện ngược tối đa cho phép, xác định bởi cơng suất tiêu hao cực đại của diode Pmax (điểm B trên hình). Ký hiệu quy ước của diode Zener và mạch ổn áp tương ứng giới thiệu trên hình 2.14 (lưu ý: diode Zener làm việc ở trạng thái phân cực ngược). V1 : điện áp một chiều chưa ổn định V2 : điện áp lấy ra trên tải (đã ổn định) R1 : điện trở hạn chế dịng điện qua diode, sao cho điểm làm việc nằm trong phạm vi AB cho phép. Khi V1 biến động, dịng qua R1 và DZ thay đổi, nhưng điện áp V2 trên hai đầu DZ vẫn gần như khơng đổi. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 37
  38. 38 * Để đặc trưng cho diode Zener, người ta dùng các tham số sau đây: - Điện áp ổn định VZ - Điện trở tương đương (cịn gọi điện trở động) tại điểm làm việc (nằm trong miền đánh thủng) dV r Z d dI Trị số rd càng bé chứng tỏ đặc tuyến đánh thủng càng dốc đứng, nghĩa là chất lượng ổn định điện áp càng cao. - Điện trở tĩnh xác định bằng tỷ lệ số giữa điểm áp trên diode và dịng điện qua nĩ VZ R t IZ - Hệ số ổn định phản ánh tỷ số giữa lượng biến thiên tương đối của dịng điện và lượng biến thiên tương đối của điện áp phát sinh trong quá trình đĩ: dI / I dI V R S Z Z Z . Z t dVZ / VZ dVZ IZ rd Rõ ràng là điện trở động r d càng nhỏ so với điện trở tĩnh R t thì độ ổn định đạt được càng cao. Đơi khi người ta định nghĩa hệ số ổn định bằng tỷ lệ số giữa lượng biến thiên của điện áp vào và lượng biến thiên tương ứng của điện áp ra. - Hệ số nhiệt của điện áp ổn định: Hệ số này biểu thị lượng biến thiên tương đối của điện áp ổn định theo nhiệt độ: 1 dVZ T . VZ dT I Z const Tuỳ theo cơ chế đánh thủng thuộc loại thác lũ hay loại tunnel mà T cĩ giá trị dương -3 o hoặc âm. Thơng thường trị số T vào khoảng (2 -> 4)10 / C. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 38
  39. 39 3.2.2 Diode biến dung (Varicap) Diode biến dung là loại linh kiện bán dẫn hai cực, trong đĩ chuyển tiếp P – N được chế tạo một cách đặc biệt sao cho điện dung của nĩ thay đổi nhiều theo điện áp ngược đặt vào. Chúng thường được dùng trong các mạch tạo sĩng điều tần, mạch tự động điều chỉnh tần số cộng hưởng, trong các bộ khuếch đại tham số hoặc nhân tần. Diode biến dung được biểu diễn như hình 2.15. * Để đặc trưng cho diode biến dung, người ta dùng các tham số: - Giá trị danh định của điện dung: thơng thường giá trị này được đo trong một điều kiện xác định (giá trị điện áp ngược, tần số đo, nhiệt độ mơi trường ). - Hệ số thay đổi của điện dung: là tỷ số giữa giá trị điện dung đo được ở hai điện áp ngược khác nhau. C1 K c C2 dC Đơi khi để tổng quát hơn, người ta dùng độ dốc của đặc tuyến C(V ) biểu thị tốc dV độ biến thiên của điện dung C theo điện áp ngược V. - Hệ số phẩm chất Q: đặc trưng cho tỷ số giữa cơng suất tín hiệu hữu ích lấy ra từ varicap và cơng suất tiêu hao trên nĩ. 3.2.3 Diode tunnel Diode tunnel là một loại dụng cụ 2 cực cĩ chuyển tiếp P – N nhưng khác với các loại diode trên, nồng độ tạp chất trong bán dẫn P và bán dẫn N ở diode tunnel cĩ giá trị rất lớn (khoảng 1019 nguyên tử trong một cm3) do đĩ vùng nghèo rất hẹp (khoảng 10-6 cm) và điện trường tiếp xúc trong vùng này đạt được khá lớn (gần 106V/cm). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 39
  40. 40 Diode tunnel thường được ứng dụng để khuếch đại và tạo dao động siêu cao tần. 4. Transistor hai cực tính (BJT) 4.1 Cấu tạo BJT được tạo thành bởi 2 chuyển tiếp P – N nằm rất gần nhau trong cùng một phiến bán dẫn đơn tinh thể. Về mặt cấu tạo, cĩ thể xem như BJT do ba lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên, trong đĩ lớp ở giữa cĩ bề dày rất bé (khoảng 10 -4 cm) và khác kiểu dẫn điện với 2 lớp bên cạnh. Nếu lớp ở giữa là bán dẫn loại P thì hai lớp bên cạnh là loại N, tạo nên loại transistor kiểu N – P – N. Cịn nếu lớp ở giữa là bán dẫn loại N thì hai lớp bên cạnh là loại P, tạo nên loại transistor kiểu P – N – P. Nồng độ tạp chất trong 3 lớp bán dẫn cũng khơng giống nhau. Lớp cĩ nồng độ tạp chất cao nhất (kí hiệu N + hoặc P+), nghĩa là nồng độ hạt dẫn đa số của nĩ lớn nhất, gọi là miền phát (miền emitter). Lớp đối diện (kí hiệu N hoặc P) cĩ nồng độ tạp chất thấp hơn gọi là miền thu (miền collector). Lớp ở giữa cĩ nồng độ tạp chất rất thấp (do nồng độ hạt dẫn đa số của lớp này tương đối nhỏ) gọi là miền nền (miền base). Ba sợi kim loại được gắn với 3 lớp nĩi trên dùng làm điện cực của transistor. Ký hiệu cực collector là C, cực base là B và cực emitter là E. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 40
  41. 41 Các lớp bán dẫn được đặt trong một vỏ kín bằng nhựa hoặc kim loại, chí cĩ 3 điện cực thị ra ngồi. Kí hiệu quy ước của 2 loại transistor N – P – N và P – N – P như hình 2.17. Mũi tên vẽ trên trên cực E trùng với chiều dịng điện chạy qua cực đĩ. Do cấu tạo như trên sẽ hình thành 2 chuyển tiếp P – N rất gần nhau. Chuyển tiếp thứ nhất ở ranh giới miền phát và miền nền, gọi là chuyển tiếp emitter, kí hiệu J E. Chuyển tiếp thứ hai, ở ranh giới miền nền và miền thu, gọi là chuyển tiếp collector, kí hiệu J C. Hoạt động của BJT chủ yếu dựa trên sự tương tác giữa hai chuyển tiếp rất gần nhau này. 4.2 Nguyên lý hoạt động và khả năng khuếch đại của BJT Xét nguyên tắc hoạt động của loai N – P – N. Sơ đồ mạch điện như hình 2.18. Nguồn E1 (cĩ sức điện động vài volt) làm chuyển tiếp J E phân cực thuận. Nguồn E 2 (thường cĩ giá trị từ 5V đến 12V) làm cho chuyển tiếp J C phân cực nghịch. R E, RC là các điện trở phân cực. Để đơn giản, giả thiết ban đầu nồng độ tạp chất phân bố đều trong các lớp bán dẫn, đồng thời ta chỉ chú ý đến điện trở của các vùng nghèo JE, JC. Khi chưa cĩ nguồn E 1, E2 tác dụng, cũng giống như quá trình xảy ra ở diode, trong mỗi vùng nghèo JE, JC sẽ tồn tại một điện trường tiếp xúc (hướng từ N sang P) tương ứng với một hiệu điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế này đĩng vai trị như một hàng rào điện thế, duy trì trạng thái cân bằng của chuyển tiếp (cân bằng giữa dịng trơi của hạt dẫn thiểu số và dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số, khiến cho dịng điện tổng hợp qua mối chuyển tiếp bằng 0). Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 41
  42. 42 Khi cĩ nguồn E2, chuyển tiếp JC bị phân cực nghịch, hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc trong vùng nghèo này tăng. Tương tự như diode phân cực nghịch, qua vùng nghèo JC sẽ cĩ một dịng điện rất nhỏ (do hạt dẫn thiểu số của miền base và miền collector tạo nên), kí hiệu là ICBO, đĩ là dịng điện ngược collector. Nếu cĩ thêm nguồn E1, chuyển tiếp JE sẽ phân cực thuận. Hàng rào điện thế trong J E hạ thấp (so với trạng thái cân bằng) khiến điện tử từ miền N + tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn qua miền N+. Sau đĩ các hạt dẫn khơng cân bằng này tiếp tục khuếch tán. Trên đường khuếch tán, chúng sẽ tái hợp với nhau. Nhưng do nồng độ hạt dẫn 2 miền chênh + lệch nhau xa (nn > pp) cho nên các điện tử phun từ miền N vào miền P, chỉ một bộ phận rất nhỏ bị tái hợp, cịn tuyệt đại đa số vẫn cĩ thể khuếch tán qua miền base tới vùng nghèo JC (khả năng bị tái hợp trên đường đi chỉ rất ít vì miền base rất mỏng, nồng độ lỗ trống ở miền này khơng cao lắm). Khi tới vùng nghèo JC, các điện tử nĩi trên lập tức bị điện trường trong JC hút về phía collector tạo nên dịng điện trong mạch collector. Nếu gọi IE là dịng điện chạy qua cực emitter (tương ứng với chuyển động của điện tử miền N+ sang miền P thì dịng điện tạo nên bởi số điện tử chạy tới collector vừa nĩi sẽ là IE, trong đĩ là tỉ số giữa số lượng điện tử tới được collector và tổng số điện tử phát đi từ emitter, tức là: số lượng điện tử tới được cực C tổng số điện tử phát đi từ cực E Thơng thường = 0,95  0.99 (nghĩa là tỉ lệ hao hụt hạt dẫn dọc đường đi từ cực E tới cực C chỉ rất nhỏ). Với  = : hệ số khuếch đại dịng điện 1 4.3 Ba sơ đồ cơ bản của BJT BJT cĩ 3 cực: E, B và C. Tuỳ theo cách chọn điện cực nào làm nhánh chung cho mạch vào và mạch ra mà cĩ 3 sơ đồ cơ bản sau đây: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 42
  43. 43 4.3.1 Mạch base chung (BC: Base Common) Tín hiệu cần khuếch đại đưa vào giữa cực E và cực B, tín hiệu sau khi đã khuếch đại lấy ra giữa cực C và cực B. Cực B là cực chung của mạch vào và mạch ra. Như vậy dịng điện vào là dịng emitter IE, dịng điện ra là dịng collector IC. Điện áp vào là VEB, điện áp ra là VCB. Sơ đồ mạch base chung như hình 2.18. IE = IC + IB IC = IE + ICBO => IE = IE + ICBO + IB 1 IB = IE(1- ) - ICBO = (IC – ICBO) - ICBO 1 IC = IB + ICBO 1 1 Vì dịng ICBO rất nhỏ nên IC IB 1  = : hệ số khuếch đại dịng điện 1 4.3.2 Mạch emitter chung (EC: Emitter Common) Cực E là cực chung giữa mạch vào và mạch ra. Dịng điện vào: I B, dịng điện ra IC, điện áp vào VBE, điện áp ra VCE. Sơ đồ mạch mắc E chung như hình 2.19. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 43
  44. 44 IC = IE + ICBO IE = IB + IC => IC = (IB + IC) + ICBO (1 - ) IC = IB + ICBO IC =  IB + ( +1)ICBO =  IB + ICEO ICEO: dịng điện ngược collector của mạch EC. Thơng thường, BJT cĩ = 0,95  0,99. Tương ứng  = 19  99; ICBO = (0,01  0,1) A; ICEO = (1  10) A . Lưu ý rằng ở mạch BC, hệ số xấp xỉ bằng 1, dịng I CBO rất nhỏ. Cịn ở mạch EC, hệ số  rất lớn hơn 1, dịng ICEO tuy lớn hơn ICBO nhiều, nhưng so với giá trị IB thì vẫn khơng đáng kể. 4.3.3 Mạch collector chung (CC: Collector Common) Nguồn E2 cĩ nội trở rất bé mắc giữa cực C và đất, vì vậy đối với tín hiệu xoay chiều thì cực C coi như đẳng thế với đất (điểm G). Chỉnh vì vậy, ở mạch này, tín hiệu cần khuếch đại đưa vào giữa cực B và G, tương đương như đưa vào giữa B và C. Tín hiệu sau khi đã khuếch đại, lấy ra giữa E và G, tương đương như lấy ra giữa E và C. Nhưng vậy cực C là nhánh chung của mạch vào và mạch ra. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 44
  45. 45 4.4 Đặc tuyến Volt – Ampere của BJT Đồ thị diễn tả các mối tương quan giữa dịng điện và điện áp trên BJT được gọi là đặc tuyến volt – ampere (hay đặc tuyến tĩnh). Người ta thường phân biệt thành 4 loại đặc tuyến: đặc tuyến vào (nêu quan hệ giữa dịng điện và điện áp ở ngõ vào), đặc tuyến ra (nêu quan hệ giữa dịng điện và điện áp ở ngõ ra), đặc tuyến truyền đạt dịng điện (nêu sự phụ thuộc của dịng điện ra theo dịng điện vào) và đặc tuyến hồi tiếp điện áp (nêu sự biến đổi của điện áp giữa hai ngõ vào khi điện áp ra thay đổi). Dưới đây chỉ giới thiệu 3 loại đặc tuyến thường dùng nhất cho từng kiểu mạch cơ bản. 4.4.1 Mạch base chung * Họ đặc tuyến vào Mắc BJT theo sơ đồ BC ở trạng thái tĩnh (tức là chỉ cĩ điện áp một chiều phân cực). E1, E2 là các nguồn điện áp một chiều cĩ thể thay đổi giá trị. Các đồng hồ mA kế dùng để đo dịng điện, cịn các volt kế đo điện áp giữa hai cực. Giữ điện áp V CB = const, lần lượt hay đổi giá trị E 1 rồi đọc các cặp giá trị tương ứng của I E và VEB, kết quả vẽ được đồ thị IE = f (VEB) như hình 2.21. VCB const Đĩ là đặc tuyến vào của BJT mắc BC. Tập hợp nhiều đặc tuyến vào (mỗi đường ứng với một giá trị khơng đổi của VCB) tạo nên họ đặc tuyến vào. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 45
  46. 46 Cĩ thể thấy rằng dạng đặc tuyến này tương tự như đặc tuyến thuận của diode, bởi vì giữa cực E và cực B của BJT cĩ chuyển tiếp I E phân cực thuận. Điện áp ngõ ra V CB ảnh hưởng rất ít đến dịng điện ngõ vào. * Họ đặc tuyến ra Nếu lần lượt giữ dịng I E bằng các giá trị nhất định, thay đổi nguồn E 2 rồi xác định các cặp giá trị tương ứng của IC và VCB, ta cĩ đặc tuyến ra của mạch BC. IC = f(VCB) IE const Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 46
  47. 47 - Đặc tuyến gần như song song với trục hồnh, chứng tỏ rằng ngay cả khi V CB = 0, dịng IC vẫn cĩ một giá trị khác 0 nào đĩ và việc tăng V CB ảnh hưởng rất ít đến trị số của IC. - Đường thấp nhất ứng với I E = 0 chỉ cách trục hồnh một khoảng rất hẹp. Tung độ này chính là giá trị dịng điện ngược collector. - Phạm vi rất hẹp. phía dưới đặc tuyến này là miền tắt, tương ứng với trạng thái tắt của BJT (cả 2 chuyển tiếp JE và JC đều phân cực nghịch). - IE càng tăng thì IC cũng càng tăng. Đĩ là vì số hạt dẫn đa số của miền emitter phun vào miền base càng lớn thì số tới được cực collector cũng sẽ càng nhiều. - Đặc tuyến bao gồm 3 đoạn. Đoạn gần như song song với trục hồnh ứng với trạng thái khuếch đại thơng thường của BJT (JE phân cực thuận, JC phân cực nghịch). Đoạn chếch xiên ở bên trái trục tung (vẽ nét đứt) tương ứng với trạng thái dẫn bão hồ của BJT (cả hai chuyển tiếp JE, JC đều phân cực thuận). Đoạn thứ ba bên phải (vẽ chấm chấm) chính là quá trình đánh thủng chuyển tiếp J C, xảy ra khi VCB quá lớn làm dịng IC tăng vọt. Đây là miền cấm sử dụng để khỏi phá hỏng BJT. * Đặc tuyến truyền đạt dịng điện IC = f(IE) VCB const Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 47
  48. 48 Nĩ cĩ dạng gần tuyến tính, phù hợp với hệ thức lý thuyết (coi là khơng đổi). Trên thực tế, hệ số chỉ là hằng số khi dịng điện I E tương đối nhỏ. Cịn khi IE khá lớn, nghĩa là dịng hạt dẫn khuếch tán qua miền base cĩ mật độ lớn thì tỷ lệ phần trăm số hạt dẫn bị tái hợp trên đường đi sẽ tăng lên, khiến giảm. Điều này làm cho đặc tuyến ở vùng dịng điện lớn ngày càng lêch khỏi quy luật tuyến tính. 4.4.2 Mạch emitter chung * Đặc tuyến vào IB = f(VBE) VCE const Đặc tuyến vào phản ánh mối quan hệ giữa dịng và áp của chuyển tiếp J E ở ngõ vào. Thực chất đây vẫn là nhánh thuận của đặc tuyến diode. * Đặc tuyến ra IC = f(VCE) IB const Đặc tuyến ra của mạch BJT mắc EC được thể hiện như hình 2.25. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 48
  49. 49 So với đặc tuyến ra của mạch BC, họ đặc tuyến của mạch EC cĩ một vài khác biệt: - Đường thấp nhất (ứng với I B = 0) phản ánh giá trị dịng điện ngược collector của mạch EC (ICEO). Dịng này lớn hơn dịng I CBO của mạch BC. Phạm vi dưới đặc tuyến này vẫn gọi là miền tắt, ứng với trạng thái cả JE và JC đểu phân cực nghịch. - Các đặc tính phía trên ứng với IB 0 vẫn bao gồm 3 đoạn: đoạn chếch xiên ứng với trạng thái dẫn bão hồ của BJT, đoạn nằm ngang ứng với trạng thái khuếch đại của BJT cĩ độ dốc lớn hơn so với đặc tuyến mạch BC, cịn đoạn dốc đứng ứng với quá trình đánh thủng. * Đặc tuyến truyền đạt dịng điện IC = f(IB) VCE const Độ dốc của đặc tuyến chính là hệ số khuếch đại dịng điện  . Trong phạm vi dịng điện dịng lớn, giá trị  giảm nên đặc tuyến khơng cịn tuyến tính nữa. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 49
  50. 50 4.4.3 Mạch collector chung (CC) * Đặc tuyến vào IB = f(VBC) VCE const Họ đặc tuyến vào cĩ tính chất lý thuyết trên thực tế ít dùng. * Đặc tuyến ra và đặc tính truyền đạt dịng điện IE = f(VEC) ; IE = f(IB) IB const VEC const 2 đặc tuyến của mạch CC gần giống với mạch EC vì IE IC. 4.5 Các tham số giới hạn của BJT Dịng điện cực đại cho phép: Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu và cơng nghệ chế tạo, điều kiện tỏa nhiệt v.v mỗi BJT chỉ cĩ một dịng điện tối đa trên mỗi điện cực. Ta thường ký hiệu các giới hạn này là IEmax, IBmax, ICmax Điện áp cực đại cho phép: VCBmax, VCEmax, VBEmax. Đĩ là các điện áp khơng được vượt quá để khơng gây đánh thủng chuyển tiếp P – N tương ứng. Cơng suất tiêu tán cực đại cho phép: Tùy theo kết cấu và cơng nghệ chế tạo, đặc biệt là tùy theo điều kiện tỏa nhiệt của chuyển tiếp collector mà mỗi transistor cĩ một cơng suất tiêu tán cực đại cho phép, ký hiệu là P Cmax. Giá trị này thường cho trong các cẩm nang, Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 50
  51. 51 kèm theo điều kiện cụ thể về nhiệt độ mơi trường và chế độ tỏa nhiệt. Khi làm việc trong một tầng khuếch đại nào đĩ, để khơng phá hỏng BJT, cơng suất tức thời tiêu tán trên transistor nhất thiết khơng được vượt quá giá trị PC.max. Tần số giới hạn: Thơng thường BJT chỉ làm việc một cách hiệu quả đến một tần số nhất định. Khi tần số tín hiệu tăng cao, vai trị điện dung của chuyển tiếp P-N dần dần trở nên đáng kể. Mặt khác, chuyển động của hạt dẫn qua bề dày miền base khơng thể coi là tức thời và chiếm một thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu. Vì vậy, các hệ số truyền đạt dịng điện  sẽ bị giảm theo tần số; dịng điện ra và dịng điện vào (hoặc điện áp vào) sẽ bị lệch pha nhau v.v , gây nên cái gọi là “méo tần số”, “méo pha” v.v 5. Transistor trường (FET) Transistor trường (FET – Field Effect Transistor) hoạt động dựa trên sự điều khiển độ dẫn điện của phiến bán dẫn bởi một điện trường ngồi, đồng thời chỉ dùng một loạt hạt dẫn (hạt đa số) do đĩ thuộc loại đơn cực tính. Tuy ra đời muộn hơn BJT, nhưng tính năng cĩ nhiều ưu việt hơn (điện trở vào lớn, hệ số khuếch đại cao, tiêu thụ năng lượng bé, thuận tiện phát triển theo xu hướng vi điện tử hố ) vì vậy ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 51
  52. 52 Transistor trường bao gồm 2 nhĩm: transistor trường dùng chuyển tiếp P – N gọi tắt là JFET (Junction Field Effect Transistor) và transistor trường cĩ cực cửa cách ly gọi tắt là IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor) hoặc MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Nhĩm IGFET chia thành 2 loại: loại kênh cĩ sẵn và loại kênh cảm ứng. 5.1 Transistor trường dùng chuyển tiếp P – N (JFET) 5.1.1 Cấu tạo Cấu tạo đơn giản hố của JFET cùng mạch hoạt động như hình 2.28. Thỏi bán dẫn Si loại N hình trụ cĩ điện trở suất khá lớn (tức là nồng độ tạp tương đối thấp), được gắn với hai sợi dây kim loại ở đáy trên và đáy dưới (tiếp xúc khơng chỉnh lưu). Đáy trên gọi là cực máng – D (drain), đáy dưới gọi là cực nguồn – S (source). Vịng theo chu vi của thỏi bán dẫn loại N người ta tạo ra một lớp loại P, và do đĩ tại ranh giới giữa hai bán dẫn sẽ hình thành một chuyển tiếp P – N (vùng nghèo) cĩ điện trở suất khá lớn. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 52
  53. 53 Phần thể tích cịn lại của thỏi Si (khơng bị vùng nghèo chốn chỗ) gọi là kênh dẫn. Lớp bán dẫn loại P cũng được tạo tiếp xúc khơng chỉnh lưu với một sợi kim loại, dùng làm cực cửa – G (gate), cịn gọi là cực điều khiển. Tồn bộ hệ thống trên được đặt trong một vỏ kim loại hoặc bằng nhựa gắn kín, chỉ cĩ 3 điện cực G, D, S thị ra ngồi. Đĩ là JFET loại N. Một cấu trúc tương tự nhưng dùng thỏi bán dẫn ban đầu loại P và lớp bao quanh là loại N tạo nên JFET loại P. 5.1.2 Nguyên tắc hoạt động Xét nguyên tắc hoat động của JFET kênh N làm ví dụ. Nối JFET với các nguồn điện áp phân cực EG, ED như hình 2.28. Nguổn ED, thơng qua điện trở RD đặt điện áp VDS giữa cực máng và cực nguồn, gây ra dịng chuyển động qua kênh dẫn của điện tử (hạt đa số của thỏi bán dẫn N), tạo nên dịng điện máng ID. Mặt khác, nguồn EG tạo điện áo giữa cực cửa và cực nguồn, làm cho chuyển tiếp P – N (hình thành giữa cực cửa và kênh dẫn) bị phân cực nghịch, nghĩa là bề dày vùng nghèo tăng lên và do đĩ thu hẹp tiết diện của kênh dẫn. Nếu giữ nguyên E D khơng đổi, tăng dần giá trị E G, tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N sẽ càng tăng: vùng nghèo ngày càng mở rộng, kênh dẫn càng thu hẹp. Do đĩ điện trở kênh dẫn càng tăng và dịng máng I D càng giảm. Cịn dịng giữa cực G và cưc S chỉ là dịng ngược của chuyển tiếp P – N, thường rất nhỏ khơng đáng kể. Nếu bây giờ ngồi điện áp phân cực E G cĩ thêm tính hiệu xoay chiều es đặt vào giữa cực G và cực S thì tuỳ theo trị số và dấu của e s mà tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N sẽ thay đổi. Điện trở kênh dẫn bị biến đổi và dịng máng cũng biến đổi theo. Nếu es tăng giảm theo quy luật hình sin thì ID sẽ tăng giảm theo hình sin. Dịng này hạ trên RD thành một điện áp, biến thiên cùng dạng với e s nhưng biên độ lớn hơn, nghĩa là JFET đã khuếch đại tín hiệu. Nguyên lý hoạt động của JFET kênh P hồn tồn tương tự, chỉ lưu ý rằng các điện áp EG, ED cĩ cực tính ngược lại. Các lỗ trống, hạt dẫn đa số của kênh P, tạo nên dịng máng. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 53
  54. 54 5.1.3 Đặc tuyến Volt – Ampere * Đặc tuyến ra (đặc tuyến máng) ID = f(VDS). VGS const Xét VGS = 0 (ngắn mạch G – S). Tăng dần VDS từ giá trị 0 trở đi, quan hệ I D theo VDS cĩ dạng như hình 2.29. Đặc tuyến gồm 3 đoạn: đoạn bên trái gần như tuyến tính với độ dốc khá lớn. Khi đạt tới giá trị VDS = Vp, vùng nghèo mở rộng tới mức chốn hết tiết diện của kênh của vùng gần cực máng, nghĩa là kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực máng. V p được gọi là điểm thắt. Điểm A là điểm bắt đầu thắt kênh hay điểm bắt đầu bão hồ. Vùng đặc tuyến nằm ở bên trái điểm A gọi là vùng điện trở. Nếu tiếp tục tăng V DS lớn hơn Vp, đặc tuyến chuyển sang đoạn thứ 2, gần như nằm ngang. Lúc này, vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền kênh bị thắt trải dài về phía cực nguồn, làm cho điện trở kênh dẫn càng tăng. Vì vậy tuy VDS tăng nhưng dịng ID hầu như ít thay đổi. Vùng đặc tuyến này gọi là vùng thắt kênh (hoặc vùng bão hồ). Nếu JFET được sử dụng như một phần tử khuếch đại thì sẽ làm việc trong vùng này. Đoạn đặc tuyến thứ 3 tương ứng với hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N, xày ra khi VDS quá lớn. Vùng đặc tuyến này gọi là vùng đánh thủng. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 54
  55. 55 Trường hợp VGS 0, mỗi đặc tuyến vẫn bao gồm 3 đoạn như trên, chỉ khác là do cĩ thêm tác dụng của VGS, chuyển tiếp P – N bị phân cực nghịch nhiều hơn, điện trở kênh dẫn tăng hơn và do đĩ giá trị dịng I D nhỏ hơn. Trị số tuyệt đối của V GS càng tăng, dịng I D càng giảm, đặc tuyến càng dịch về phía dưới. Mặt khác, điểm bắt đầu thắt kênh của mỗi đặc tuyến xê dịch về phía trái. Điểm bắt đầu xảy ra đánh thủng của từng đặc tuyến cũng dịch dần về bên trái. * Đặc tuyến truyền đạt ID = f(VGS) VDS const Dạng của đặc tuyến này phản ánh quá trình điện trường điều khiển dịng điện máng: trị số tuyệt đối của V GS càng tăng, vùng nghèo càng mở rộng, điện trở kênh dẫn càng tăng và do đĩ dịng máng càng giảm. Khi VGS đạt tối giá trị điện áp thắt Vp thì dịng máng giảm xuống bằng 0. 5.1.4 Tham số đặc trưng cho JFET * Điện trở vi phân ngõ ra VDS rD I D VGS const Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 55
  56. 56 Đây cũng là nghịch đảo độ dốc đặc tuyến ra. Khi làm việc trong vùng bão hồ (vùng thắt kênh), giá trị rD thường khá lớn (khoảng 500kΩ). * Hỗ dẫn (Độ dốc đặc tuyến truyền đạt) ID gm VGS VDS const Trị số g m phản ánh mức độ ảnh hưởng của điện áp điều khiển V GS tới dịng máng. Các JFET thường cĩ gm = (7  10) mA/V. * Điện trở vi phân ngõ vào VGS ri IG VDS const Ngõ vào của JFET là chuyển tiếp P-N phân cực nghịch, dịng IG chỉ rất bé (thường cỡ o 0 0,1 A ở 25 C) vì vậy điện trở ri thường rất lớn (cỡ 10  100 M ở 25 C) * Hệ số khuếch đại tĩnh V  GS VDS ID const =>  g m rd Hệ số này so sánh mức độ ảnh hưởng đối với dịng máng của điện áp V GS và VDS.  càng lớn thể hiện tác dụng điều khiển của VGS đối với dịng ID càng nhạy (so với VDS). * Điện dung liên cực CGS, CDS và CGD Đây là các điện dung ký sinh, hình thành giữa các điện cực với nhau. Thường cỡ (3  10) pF. Khi JFET làm việc ở số thấp, các điện dung này cĩ thể bỏ qua. Ngồi các tham số trên, người ta cịn quan tâm đến một số tham số giới hạn như: dịng máng cực đại cho phép IDmax, điện áp cực đại cho phép VDSmax, VGSmax, cơng suất tiêu tán cực đại PDmax, điện áp thắt kênh VP, dịng máng bão hồ IDSS v.v Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 56
  57. 57 5.1.5 Sơ đồ tương đương Dựa vào nguyên tắc hoạt động và các tham số đặc trưng cho JFET, ta cĩ sơ đồ tương đương đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp của JFET như hình 2.31. Giữa hai cực vào G-S cĩ điện trở rào ri, giữa hai cực ra D-S cĩ điện trở kênh dẫn rd và nguồn dịng gm vGS (đại diện cho khả năng điều khiển dịng điện máng bởi điện áp vào vGS). Như vậy nếu cĩ tải mắc vào giữa hai cực ra D-S thì dịng điện tải (cũng là dịng điện máng) là: vDS iD gmvGS rD => VDS = - VDS + iDrD Hệ thức này tương ứng với sơ đồ tương đương hình 2.31b, trong đĩ V DS là nguồn điện áp, tương đương cho khả năng khuếch đại tín hiệu của JFET. 5.2 Transistor trường cĩ cực cửa cách ly 5.2.1 Cấu tạo và hoạt động của MOSFET kênh cĩ sẵn Từ phiến Si loại P, người ta tạo ra trên bề mặt một lớp loại N dùng làm kênh dẫn. Ở hai đầu khuếch tán 2 miền N+ dùng làm cực nguồn (S) và cực máng (D). Trên mặt phiến Si được phủ màng SiO 2 bảo vệ. Phía trên màng này, đối diện kênh dẫn, gắn một băng kim Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 57
  58. 58 loại, dùng làm cực cửa (G). Thơng qua “cửa sổ” khoét xuyên qua màng SiO 2 ở vùng thích hợp, người ta phun kim loại, tạo tiếp xúc tuyến tính với 2 vùng N +, dùng làm đầu dẫn ra cho cực S và cực D. Đáy của phiến Si đơi khi cũng được gắn với sợi kim loại, dùng làm cực đế SUB. Thơng thường cực đế được nối với cực nguồn. Ký hiệu của MOSFET kênh dẫn cĩ sẵn loại N như hình 2.32 (b). Nếu phiến Si ban đầu loại P thì ta cĩ MOSFET kênh P như hình 2.32 (c). Xét hoạt động của MOSFET loại N trong mạch như hình 2.33. Ban đầu dưới tác dụng của điện áp VDS (do nguồn ED tạo ra), qua kênh dẫn và cực máng cĩ dịng điện I D, tạo bởi hạt dẫn đa số của kênh. Nếu cĩ thêm điện áp V GS (do EG tạo nên) với cực tính như hình vẽ thì cũng giống như 1 tụ điện, các điện tích âm sẽ tích tụ trên cực G, các điện tích dương sẽ tích tụ ở cực đối diện, tức là trong kênh dẫn (lớp SiO 2 đĩng vai trị điện mơi của tụ. Các điện tích dương này sẽ tái hợp với điện tử, làm giảm nồng độ hạt dẫn vốn cĩ trong kênh, khiến điện trở của kênh tăng và dịng máng I D giảm. Càng tăng trị số V GS; ID càng giảm. Chế độ làm việc này được gọi là chế độ làm nghèo hạt dẫn. Nếu đổi cực tính nguồn E G (VGS trở thành điện áp dương) thì tình hình diễn ra trái lại: càng tăng trị số V GS, nồng độ hạt dẫn trong kênh càng tăng, Chế độ làm việc với cực tính VGS như thế gọi là chế độ giàu. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 58
  59. 59 Như vậy ngay khi VGS = 0, MOSFET kênh cĩ sẵn đã cĩ dịng máng ban đầu I D 0. Tuỳ cực tính của V GS mà MOSFET này hoạt động ở chế độ giàu hay chế độ nghèo, dùng giá trị VGS để điều khiển dịng ID tăng hay giảm. Trên cơ sở đĩ, nếu cĩ tín hiệu xoay chiều es đưa đến ngõ vào thì hiển nhiên dịng I D sẽ biến đổi theo e s và trên tải ngõ ra sẽ nhận được tín hiệu khuếch đại. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh cĩ sẵn loại N hồn tồn phản ánh quá trình trên đây. Mỗi đặc tuyến ra vẫn bao gồm 3 phần, tương tự như của JFET: đoạn I D tuyến tính theo V DS, đoạn I D bão hồ (trạng thái thắt kênh) và đoạn đánh thủng. Ở đây chuyển tiếp P – N hình thành giữa kênh dẫn và phiến Si ban đầu. Do VDS gây ra phân bố điện thế dọc theo chiều dài kênh dẫn, tình trạng phân cực nghịch của P – N khơng đồng đều, dẫn tới hậu quả tiết diện kênh dẫn giảm dần về phía cực máng. Điểm uốn trên đặc tuyến ra tương ứng với trạng thái bắt đầu thắt kênh. Vùng thắt kênh là miền làm việc chủ yếu của MOSFET khi khuếch đại tín hiệu. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 59
  60. 60 Mạch hoạt động và đặc tuyến của MOSFET kênh cĩ sẵn loại P giới thiệu như hình 2.35. 5.2.2 Cấu tạo và hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng loại N cũng tương tự như MOSFET kênh cĩ sẵn loại N nhưng chưa cĩ kênh dẫn ban đầu. Giữa miền máng (loại N) và phiến Si loại P hình Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 60
  61. 61 thành chuyển tiếp P – N (cực đế thường nối với cực nguồn nên chuyển tiếp giữa nguồn và đế bị nối tắt). Vì vậy khi cĩ điện áp V DS đặt vào, trong mạch máng chỉ cĩ một điện trở rất nhỏ chạy giữa chuyển tiếp P – N phân cực ngược. Điện trở tương đương giữa S và D xem như vơ cùng lớn. Khi cĩ thêm điện áp dương V GS, điện tích dương sẽ tích tụ trên cực G, cịn điện tích âm tích tụ ở vùng đối diện, phía bên kia của màng SiO2 (vùng nằm giữa hai miền N+). Tuy vậy khi VGS cịn nhỏ, lượng điện tích cảm ứng này khơng lớn, chúng bị lỗ trống của phiến loại P tái hợp mất. Chỉ khi V GS vượt quá một điện áp ngưỡng V T nào đĩ, lượng điện tích âm cảm ứng nĩi trên mới trở nên đáng kể. Chúng tạo thành một lớp bán dẫn loại N ở trên bề mặt phiến Si loại P, đĩng vai trị như một kênh dẫn nối liền hai miền N + của cực nguồn và cực máng. Do xuất hiện kênh dẫn nối liền hai miền N + của cực nguồn và cực máng. Do xuất hiện kênh dẫn, điện trở tương đương giữa S và D giảm xuống và do đĩ dịng máng I D tăng lên. Trị số VGS càng lớn, nồng độ điện tích âm trong kênh dẫn càng nhiều, dịng I D sẽ càng lớn. Chế độ làm việc khi V GS > VT như vậy gọi là chế độ làm giàu điện tích. Sơ đồ khuếch đại của MOSFET kênh cảm ứng loại N như hình 2.37. Khi điện áp tín hiệu xoay chiều es (xếp chồng lên điện áp một chiều V GS do nguồn E G tạo ra) điều khiển nồng độ điện tích âm cảm ứng trong kênh dẫn và do đĩ điều khiển dịng ID tăng giảm. Trên điện trở RD và trên tải RL sẽ cĩ điện áp đã khuếch đại của es. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 61
  62. 62 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng loại N như hình 2.38. Ta thấy rằng chỉ khi V GS > VT mới cĩ dịng máng I D. MOSFET kênh cảm ứng chỉ làm việc ở chế độ giàu. Nếu phiến Si ban đầu thuộc loại N, các miền nguồn và máng thuộc loại P +, thì sẽ cĩ MOSFET kênh cảm ứng loại P như hình 2.39. Nguyên lý làm việc tương tự nhưng điện áp VGS và VDS cĩ cực tính ngược lại. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 62
  63. 63 Tham số đặc trưng cho MOSFET cũng gần giống JFET: điện trở vi phân ngõ ra r D, điện trở vi phân ngõ vào r i, hỗ dẫn g m, các điện dung liên cực, các tham số giới hạn Đáng chú ý là do lớp cách điện SiO 2, điện trở ngõ vào của MOSFET vơ củng lớn. Lớp SiO2 rất mỏng nên gm rất lớn nhưng điện áp đánh thủng giữa G – S hoặc giữa G – D thường tương đối thấp. 5.2.3 Nhận xét chung về JFET và MOSFET - JFET và MOSFET hoạt động dựa trên sự điều khiển điện trở kênh dẫn bởi điện trường (điện trường này do điện áp trên hai ngõ vào sinh ra, cịn dịng điện vào luơn luơn xấp xỉ bằng 0. Từ đĩ khống chế dịng điện ra. Do đặc điềm này, người ta xếp transistor trường vào loại linh kiện điều khiển bằng điện áp, trong khi BJT thuộc loại điều khiển bằng dịng điện (BJT cĩ ngõ vào là chuyển tiếp P – N phân cực thuận, dịng điện vào biến đổi nhiều theo tín hiệu cịn điện áp vào thay đổi rất ít). - Dịng điện máng I D tạo nên bởi chỉ một loại hạt dẫn (hạt đa số của kênh), do đĩ transistor trường thuộc loại đơn cực tính. Do khơng cĩ vai trị của hạt dẫn thiểu số, khơng cĩ quá trình sản sinh và tái hợp của hai loại hạt dẫn cho nên tham số của FET ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. Tạp âm nội bộ của bé hơn ở BJT. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 63
  64. 64 - Ngõ vào của FET cĩ điện trở rất lớn, dịng điện vào gần như bằng 0 nên mạch vào hầu như khơng tiêu thụ năng lượng. Điều này đặc biệt thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, hoặc nguồn cĩ nội trở lớn. - Vai trị cực nguồn và cực máng cĩ thể đổi lẫn cho nhau mà tham số của FET khơng thay đổi đáng kể. - Kích thước các điện cực S, G, D cĩ thể giảm xuống rất bé (dựa trên cơng nghệ MOS), thu nhỏ thể tích của transistor một cách đáng kể và nhờ đĩ transistor trường rất thơng dụng trong các vi mạch cĩ mật độ tích hợp cao. - Cũng như BJT, FET cĩ thể mắc theo 3 sơ đồ cơ bản: mạch nguồn chung (SC – Source Common), cửa chung (GC – Gate Common), máng chung (DC – Drain Common). Các mạch giới thiệu ở trên thuộc lại SC. Mạng DC cĩ sơ đồ và đặc điểm tương tự nhưng mạch CC của BJT: điện trở vào rất lớn, điện trở ra rất nhỏ, điện áp ra đồng pha và xấp xỉ trị số với điện áp vào. Cịn mạch GC trên thực tế ít dùng. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 64
  65. 65 CHƯƠNG III: CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN 1. Mạch chỉnh lưu bán kỳ (half ware rectifier) Từ tín hiệu xoay chiều của khu vực (220V – 50Hz) hay thấp hơn (qua biến thế), dùng diode với tín chất chỉ dẫn điện theo một chiều (P-N) để đổi điện thành DC. Vi D t Vi R Vo V0 t Bán kỳ +: D phân cực thuận nên dẫn, nên dịng điện IL qua tải RL cũng cĩ giá trị số biến thiên theo bán kỳ + của nguồn. Nên điện thế ra trên tải VL cũng cĩ dạng bán kỳ + của V2. Bán kỳ -: D phân cực nghịch nên khơng dẫn, do đĩ khơng cĩ dịng qua tải IL, nên VL = 0. Kết quả: là dịng chạy qua tải IL, và điện thế trên tải VL chỉ cịn lại bán kỳ +, nên được gọi là mạch chỉnh lưu bán kỳ. Điện áp trên tải: 1 V V V sintdt cost m 0.45V DC m 0 hd 2 0 Tương tự cho dịng trên tải: Im Vm VRMS IDC 0.45 RL RL Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 65
  66. 66 2. Chỉnh lưu tồn kỳ (Full ware rectifier) Biến thế ở đây là biến thế cĩ chấu giữa làm điểm chung, điện áp ở 2 đầu ngược pha nhau so với điểm giữa. Vi D t Vi Vi R D t VL t - Bán kỳ + tại A: D1 dẫn, D2 ngưng => dịng IA chạy qua D1 qua R trở về điểm giữa biến áp. - Bán kỳ – tại A (chính là bán kỳ + tại B): D1 ngưng, D2 dẫn => dịng I B chạy qua D2 qua R về điểm giữa của biến áp. Do đĩ dịng qua tải chính là tổng của 2 dịng IA và IB. Điện áp trung bình trên tải: V V 2 m 0.636V 0.9V DC m RMS Tương tự cho dịng trên tải: 2Im 2Vm VRMS IDC 0.9 RL RL Nhận xét: Độ gợn sĩng của mạch chỉnh lưu tồn sĩng giảm so với chỉnh lưu bán kỳ. 3. Chỉnh lưu cầu. Thay vì phải sử dụng biến áp cĩ chấu giữa, + ta khơng cần mà chỉ cần sắp xếp các diode Vi để cĩ thể dẫn điện ở cả 2 bán kỳ. - R - Bán kỳ đầu VA > Vc: D1D3 dẫn, D2 D4 tắt => dịng chạy A->D1->R->D3->C. - Bán kỳ sau VA dịng từ C->D2->R->D4->A. Cơng thức tính dịng và áp như 2 diode Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 66
  67. 67 4. Mạch lọc D VL Vi R D t hiệu ra trong các mạch chỉnh lưu cĩ độ gợn sĩng khá lớn và VDC thấp (tồn kỳ VDC = 0.636 Vm). Do đĩ để cải thiện độ gợn sĩng người ta mắc thêm các mạch lọc. Ở ngõ ra, khi D1 dẫn, dịng qua tải R và nạp cho tụ C. Ở đỉnh A, điện thế giảm, tụ lập tức xả điện qua tải với thời gian T = RL.C. Khi tụ xả đến B, D2 dẫn và lại nạp cho tụ lên đỉnh A, cứ thế tiếp tục. Kết quả là dạng sĩng ra như hình vẽ cĩ VDC tăng và độ gợn sĩng giảm so với lúc chưa cĩ tụ lọc. 5. Mạch xén Mạch xén cịn gọi là mạch giới hạn biên độ tín hiệu, trong đĩ tín hiệu V0 luơn tỉ lệ với tín hiệu vào Vi nếu Vi chưa vượt quá một giá trị ngưỡng cho trước VR, cịn khi Vi vượt quá mức ngưỡng thì tín hiệu ra V0 luơn giữ một giá trị khơng đổi. Các linh kiện tích cực được sử dụng trong mạch xén thường là diode, transistor, đèn điện tử cũng như các vi mạch tuyến tính. Tuy nhiên mạch xén dùng diode được sử dụng rộng rãi hơn vì mạch cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao. Các mạch xén dùng diode: Mạch nối tiếp: tải nối tiếp diode. Mạch song song: tải song song với diode. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 67
  68. 68 Giả thiết diode lý tưởng. I V = 0 rf =0 (điện trở thuận) IS = 0 (dịng rị, dịng ngược) V rr = (điện trở ngược) 0  Mạch xén trên: D R R D vi v0 vi v0 VN VN Mạch nối tiếp Mạch song song vi v0 v0 V VN N t vi 0 VN Hàm truyền đạt Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào hình sin Mạch nối tiếp Mạch song song Nếu vi > VN Nếu vi VN Diode tắt Diode dẫn v0 = VN v0 = VN Nếu vi VN Nếu vi < VN Diode dẫn Diode tắt v0 = vi v0 = vi  Mạch xén dưới: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 68
  69. 69 D R R D vi v0 vi v0 VN VN Mạch nối tiếp Mạch song song Mạch nối tiếp Mạch song song Nếu vi VN Diode dẫn Diode tắt v0 = vi v0 = vi vi v0 VN VN t v0 vi 0 VN Hàm truyền đạt Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào hình sin Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 69
  70. 70 CHƯƠNG IV: MẠCH KHUẾCH ĐẠI 1. Khái niệm về mạch khuếch đại 1.1 Khái niệm mạch khuếch đại Khuếch đại là quá trình biến đổi một đại lượng (dịng điện hoặc điện áp) từ biên độ nhỏ thành biên độ lớn mà khơng làm thay đổi dạng của nĩ. Tuỳ theo dạng của tín hiệu cần khuếch đại mà người ta phân ra: bộ khuếch đại tín hiệu một chiều (tổng quát hơn: tín hiệu biến thiên chậm) và bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiều. Bộ khuếch đại thứ 2 lại được chia làm 2 loại: tần số thấp (âm tần) và bộ khuếch đại tần số cao. 1.2 Các thơng số đạc trưng của mạch khuếch đại vL - Hệ số khuếch đại điện áp: Av là tỉ số giữa điện áp ra VL và điện áp vào VS. vS iL - Hệ số khuếch đại dịng điện: Ai . ii P0 VL I L - Hệ số khuếch đại cơng suất (độ lợi cơng suất): Ap Pi Vi I i vi - Tổng trở ngõ vào: Z i ii Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 70
  71. 71 - Tổng trở ngõ ra: Zo. Chất lượng bộ khuếch đại càng tốt khi Zi càng lớn và Zo càng nhỏ. .1.3 Các thơng số Hybrid Phương trình mạng 4 cực viết theo thơng số Hybrid : v1 = h11i1 + h12v2 i2 = h21i1 + h22v2 Thay các thơng số mạng 2 cửa bằng các thơng số h của transistor : v1 = hii1 + hrv2 i2 = hfi1 + h0v2 Trong đĩ các thơng số h của transistor được định nghĩa như sau : v1 hi : trở kháng vào ngắn mạch i1 v2 0 v1 hr : độ lợi điện áp ngược khi hở mạch v 2 i1 0 i2 h f : độ lợi dịng thuận ngắn mạch i1 v2 0 i2 ho : tổng dẫn ngõ ra hở mạch v 2 i1 0 Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 71
  72. 72 Ứng dụng với cách mắc khác nhau (EC, BC, CC) mà chữ thứ 2 được chỉ định. Ví dụ : hoe, hie, 2. Các khái niệm cơ bản của mạch khuếch đại một tầng 2.1 Điểm làm việc tĩnh và đường tải một chiều Xét một tầng khuếch đại dùng BJT mắc EC như hình 3.3. Để BJT cĩ khả năng khuếch đại tín hiệu, chuyển tiếp J E phân cực thuận cịn chuyển tiếp JC phân cực nghịch. Ở mạch này, nguồn E 1 cùng điện trở RB tạo ra điện áp một chiều làm cho chuyển tiếp J E phân cực thuận ở một mức nhất định, nghĩa là làm cho dịng I B và điện áp VBE trong mạch vào cĩ những giá trị I BQ, VBEQ nào đĩ. Trên đặc tuyến vào của BJT, cặp giá trị IBQ và VBEQ là toạ độ điểm Q, gọi là điểm làm việc tĩnh ngõ vào của BJT. Nguồn E2 cùng điện trở R C tạo ra điện áp một chiều làm phân cực nghịch chuyển tiếp J C, khiến cho dịng IC và điện áp VCE ở ngõ ra cĩ những giá trị xác định: I CQ và VCEQ. Cặp giá trị ICQ và VCEQ sẽ xác định nên một điểm Q, gọi là điểm làm việc tĩnh ngõ ra. Như vậy với một BJT đã cho, nguồn E 1, E2 cùng các điện trở phân cực R B, RE sẽ quyết định giá trị tức thời của dịng điện và điện áp trên BJT, nĩi cách khác chúng sẽ quyết định điểm làm việc tĩnh của mạch. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 72
  73. 73 Dịng IB và áp VBE liên hệ với nhau theo đặc tuyến tĩnh của BJT (đường số 1 – hình 3.4). Mặt khác theo định luật Kirchoff II: E1 = IBRB + VB VBE E1 => I B RB RB Giao điểm của 2 đồ thị nĩi trên xác định điểm làm việc tĩnh Q của đường tải mạch vào. Tương tự, trong mạch ra, dịng I C và áp VCE cĩ quan hệ với nhau theo đặc tuyến ra của BJT (đường số 1 – hình 3.5 ứng với dịng IB = IBQ). Theo định luật Kirchoff II: E2 = ICRC + VCE 1 E2 => IC VCE R C R C Giao điểm của 2 đồ thị trên xác định điểm làm việc tĩnh Q của đường tải mạch ra. Như vậy điểm Q trên đặc tuyến vào và ra là một và là duy nhất. Với tầng khuếch đại đang xét, các cặp giá trị (I B, VBE) hoặc (I C và VCE) thoả mãn định luật Kirchoff II trong mạch vào hoặc ra sẽ xác định nên đường tại một chiều của mạch vào hoặc ra. Giao điểm của đường tải một chiều với đặc tuyến tĩnh tương ứng của BJT chính là điểm làm việc tĩnh mà toạ độ của nĩ là giá trị dịng và áp tức thời trong mạch. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 73
  74. 74 1 1 Độ dốc của đường tải AB là tg ; của đường tải MN là tg . Như vậy, RB RC một cách tổng quát, độ dốc của đường tải một chiều cĩ giá trị tuyệt đối bằng nghịch đảo của điện trở tương ứng. 2.2 Trạng thái động – Đồ thị thời gian Trạng thái làm việc của BJT hoặc FET khi cĩ tín hiệu xoay chiều đưa đến ngõ vào (do đĩ xuất hiện điện áp xoay chiều hoặc dịng điện xoay chiều ở ngõ ra) gọi là trạng thái động. Lúc này tín hiệu xoay chiều V s xếp chồng lên điện áp phân cực vốn cĩ ở trạng thái tĩnh. Trên hình 3.6 và 3.7 minh hoạ đồ thị thời gian của các dịng ở trạng thái tĩnh và các dịng tương ứng ở trạng thái động khi Vs hình sin. Ta thấy dịng điện tức thời ở trạng thái động là tổng đại số của 2 thành phần: thành phần một chiều (ứng với trạng thái tĩnh) và thành phần xoay chiều do tín hiệu Vs gây ra. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 74
  75. 75 2.3 Đường tải xoay chiều Đường tải MN ở hình 3.5 là tập hợp tất cả các vị trí cĩ thể cĩ của điểm làm việc tĩnh. Nĩi cách khác mỗi điểm trên đường tải MN xác định một cặp giá trị tương ứng của dịng IC và điện áp VCE. Đối với trạng thái động, khi cĩ nguồn tín hiệu xoay chiều Vs tác động, mỗi cặp giá trị tương ứng của dịng vào áp tức thời i C(t), vCE(t) trên ngõ ra sẽ xác định nên trên đặc tuyến ra một điểm làm việc động. Khi biên độ V s thay đổi, điểm làm việc động bày xê dịch trên một quỹ đạo nào đĩ được gọi là đường tải xoay chiều. vCE~ Điện trở tải đối với tín hiệu xoay chiều của mạch ra: R ~ . Vậy độ dốc của i C~ 1 đường tải xoay chiều là: tg ; trong đĩ  là gĩc giữa đường tải xoay chiều và trục R~ hồnh. Mặt khác, cĩ thể coi trạng thái tĩnh như là một trường hợp riêng (ứng với biên độ V s = 0) của trạng thái động. Khi biên độ V s thay đổi, điểm làm việc động di động trên đường tải xoay chiều. Khi biên độ V s = 0, điểm làm việc động trở về trùng với điểm làm tĩnh. Điều này chứng tỏ điểm làm việc tĩnh cũng chỉ là một điểm làm việc đặc biệt của đường tải xoay chiều. Như vậy cả đường tải một chiều lẫn xoay chiều đều chứa điểm làm việc tĩnh, hay nĩi cách khác, điểm làm việc tĩnh Q là giao điểm của 2 đường tải này. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 75
  76. 76 2.4 Các chế độ làm việc của phần tử khuếch đại Tuỳ theo vị trí điểm làm việc tĩnh trên đường tải xoay chiều, người ta phân biệt các chế độ làm việc sau đây: 2.4.1 Chế độ A Khi chọn điện áp phân cực sao cho điểm làm việc tĩnh Q nằm ở khoảng giữa đoạn MN trên đường tại xoay chiều (trong đĩ M và N là giao điểm của đường tải xoay chiều với đặc tuyến ra ứng với dịng cực đại I Bmax và dịng cực tiểu I Bmin) thì ta nĩi phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ A. Đặc điểm của chế độ A: - Khuếch đại trung thực, ít méo phi tuyến. - Dịng tĩnh và áp tĩnh luơn khác 0, nghĩa là ngay ở trong trạng thái tĩnh, tầng khếuch đại đã tiêu hao một năng lượng đáng kể. Biên độ dịng và áp xoay chiều lấy ra (I Cm, VCEm) tối đa chỉ bằng dịng và áp tĩnh. Vì vậy chế độ A cĩ hiệu suất thấp, thơng thường hiệu suất tối đa của lớp A là 25%. - Chế độ A thường dùng trong các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 76
  77. 77 2.4.2 Chế độ B Nếu chọn điện áp phân cực sao cho vị trí điểm tĩnh Q trùng với điểm D hoặc điểm N thì phần tử khuếch đại làm việc ở chế độ B lý tưởng. Đặc điểm của chế độ này như sau: - Khi dịng điện vào (hoặc điện áp vào) là hình sin, thì dịng điện ra và điện áp ra chỉ cịn nửa (hoặc già nửa) hình sin, nĩi cách khác: méo phi tuyến trầm trọng. - Ở trạng thái tĩnh, dịng I CQ 0, do đĩ năng lượng tiêu thụ bởi tầng khuếch đại rất nhỏ. Chỉ ở trạng thái động, dịng điện trung bình IC mới tăng dần theo biên độ tín hiệu vào. Do đĩ năng lượng tiêu thụ cũng tỉ lệ với biên độ xoay chiều tín hiệu xoay chiều lấy ra. Như vậy chế độ B cĩ hiệu suất cao (khoảng 78.5%). - Chế độ thường dùng trong các tầng khuếch đại cơng suất (các tầng cuối của thiết bị khuếch đại). Để khắc phục méo phi tuyến, nĩ địi hỏi mạch phải cĩ 2 vế đối xứng, thay phiên nhau làm việc trong 2 nửa chu kỳ. Trên thực tế, người ta cịn dùng chế độ AB (trung gian giữa chế độ A và chế độ B): điểm Q chọn ở phía trên điểm N và gần điểm này. Lúc đĩ phát huy được ưu điểm của mỗi chế độ, giảm bớt méo phi tuyến nhưng hiệu suất kém hơn chế độ B. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 77
  78. 78 2.4.3 Chế độ D Chế độ này cịn được gọi là chế độ khố hay chế độ đĩng mở. Ngồi chế độ khuếch đại, BJT hoặc FET cịn cĩ thể làm việc như một cái đĩng ngắt điện (chế độ khố). Lúc này, tuỳ theo xung dịng điện vào (hoặc điện áp vào) mà BJT làm việc ở 1 trong 2 chế độ đối lập: trạng thái khố (trạng thái tắt) khi Q nằm ở phía dưới điểm N, trạng thái dẫn bão hồ (trạng thái mở) khi Q nằm phía trên điểm M, gần điểm C. Đây là chế độ BJT làm việc với tín hiệu xung. 3. Các mạch phân cực cho BJT 3.1 Dùng nguồn 1 chiều VBB Định luật Kirchoff II cho vịng cĩ chứa VBB: -VBB + RBIB + VBE + REIEQ = 0 Mà ICQ IEQ, ICQ =  IBQ I CQ -VBB + RB + VBE + REICQ = 0  V V I BB BE CQ R R B E  Định luật Kirchoff II cho vịng từ VCC đến mass: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 78
  79. 79 -VCC + RCICQ + VCEQ + REICQ = 0 1 1 => ICQ = VCEQ VCC RC RE RC RE Đây chính là phương trình đường tải 1 chiều (DCLL). Để I CQ ổn định, phải chọn R E  1 >> RB/ . Thường chọn Rđể I ( 1)R CQ ổn định. B 10 E 3.2 Dùng điện trở RB Định luật Kirchoff II từ VCC -> RB -> mass: I CQ -VCC + RB + VBE + REICQ = 0  VCC VBE => ICQ RE RB /  Định luật Kirchoff II từ VCC -> RC -> mass: -VCC + RCICQ + VCEQ + REICQ = 0 => VCEQ = VCC – (RC + RE)ICQ 1 1 => ICQ = VCEQ VCC RC RE RC RE Đây là phương trình đường tải 1 chiều (DCLL) của mạch. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 79
  80. 80 3.3 Dùng điện trở phân áp Theo định lý Thevenil: R1  R2 RBB = RT = R1//R2 = R1 R2 R2 VBB = VT = Uhở = VCC R1 R2 Theo cách tính tốn tương tự như mạch phân cực dùng điện áp VBB, ta cĩ: V V I BB BE CQ R R B E  1 1 ICQ = VCEQ VCC RC RE RC RE Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 80
  81. 81 3.4 Phân cực nhờ hồi tiếp từ Collector Ở mạch này, điện trở R B dẫn điện áp từ ngõ ra (cực collector) và đưa ngược về ngõ vào (cực base): VBE = VCE – IB RB = VCC – (IC + IB) RC – IB RB Vì vậy khi nhiệt độ làm dịng ra I C tăng lên thì ảnh hương đĩ sẽ tác động ngược về ngõ vào, làm VBE giảm và làm IC, nghĩa là bù trừ lại sự biến động điểm làm việc do nhiệt độ. Định luật Kirchoff II cho vịng từ VCC -> RC -> RB -> mass: -VCC + RC (IC + IB) + RBIB + VBE = 0 RC RB => -VCC + IC(RC + + ) = 0   V V => I = CC BE C R R R B C C  VCE = VCC - IERC Hoặc VCE = IBRB + VBE IB RB Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 81
  82. 82 4. Các mạch phân cực cho JFET 4.1 Phân cực cho JFET kiểu tự cấp Các JFET thường được tự phân cực nhờ điện trở R s mắc giữa nguồn và đất. Dịng máng ID sẽ hạ trên điện trở đĩ một điện áp VSM = ID.RS. Chính điện áp này phân cực nghịch cho chuyển tiếp P – N giữa cực cửa và kênh dẫn, bởi vì dịng qua RG xấp xỉ bằng 0 nên điểm G gần như đẳng thế với đất. VGS = - ID RS VDS = ED – ID(RD+ RS) Ta cĩ thể xác định điểm làm việc tĩnh Q bằng đồ thị. Giả sử đặc tuyến truyền đạt I D = f(VGS) của JFET được mơ phỏng bằng biểu thức: 2 VGS ID = IDSS 1 VP 1 => ID = VGS RS Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 82
  83. 83 Giao điểm Q của đồ thị nĩi trên xác định cặp giá trị cần tìm: VGSQ và IDQ. Ở ngõ ra, giả sử đã cĩ họ đặc tuyến máng của JFET như hình 3.16. Mặt khác: 1 ED I D VDS RD RS RD RS Đường tải 1 chiều này thể hiện bằng đường MN. Giao điểm của đường này với đặc tuyến tĩnh ứng với VGS = VGSQ sẽ xác định trị số dịng và áp tĩnh trong mạch ra. Người ta cũng cĩ thể xác định điểm tĩnh Q theo phương pháp giải tích, khi đã biết các tham số Vp, IDSS, RD, RS Qua 1 số phép biến đổi ta được: 2 R R .I S I I 2 2. S DSS 1 I I 0 DSS D D DSS VP VP Đây là phương trình bậc 2 đối với I D. Nghiệm của nĩ chính là I DQ. Từ đĩ xác định được VGSQ và VDSQ. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 83
  84. 84 4.2 Phân cực cho JFET kiểu phân áp 2 điện trở RG1 và RG2 tạo nên bộ phân áp. Do IG 0 nên: R G2 VGM E D const R G1 R G2 Mặt khác: VSM = ID. RS. Vì vậy điện áp phân cực ở ngõ vào xác định bởi: VGS = VGM – ID RS Và ở ngõ ra: VDS = ED – ID (RD + RS) Dịng máng ID xác định như sau: 1 VGM I D VGS RS RS Quan hệ này (thể hiện bằng đường thẳng AB) cắt trục hồnh tại hồnh độ V GM, cắt VGM trục tung tại tung độ ). Giao điểm của đường này với đặc tuyến truyền đạt I D = RS f(VGS) là điểm tĩnh Q. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 84
  85. 85 5. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT hoặc FET Một thiết bị khuếch đại thường bao gồm nhiều tầng kế tiếp nhau. Các tầng ở phía đầu làm nhiệm vụ khuếch đại điện áp với biên độ tín hiệu cịn chưa lớn nên được gọi chung nên được gọi chung là tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ. Chúng làm việc ở chế độ A. Các tầng phía cuối cĩ nhiệm vụ đưa ra trên tải một tín hiệu cơng suất lớn, ít méo dạng và hiệu suất cao, thường gọi là tầng khuếch đại cơng suất. Dưới đây, chúng ta khảo sát một tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ theo phương pháp thơng dụng và phương pháp giải tích: thay thế mạch cụ thể bằng sơ đồ tương đương xoay chiều, rồi tiến hành đơn giản hố, sau đĩ tính ra các thơng số đặc trưng của mạch. Đĩ là các thơng số: độ lợi áp, độ lợi dịng, điện trở vào, điện trở ra đối với tín hiệu xoay chiều. 5.1 Mạch khuếch đại dùng BJT mắc EC Cùng khảo sát các thơng số xoay chiều của mạch: Hệ phương trình thơng số h: vbe hieiB hrevce iC h feiB hoevce vbe mVT mVT  mh feVT hie iB I BQ I CQ I CQ vce 0 Q Ở nhiệt độ phịng, VT = 25mV. Chọn m = 1 25(mV ) Vậy: hie h fe I CQ (mA) Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 85
  86. 86 iC h fe (thơng số của BJT) iB vce 0 vbe hre vce iB 0 i C -1 hoe ( ) vce iB 0 -4 Thơng thường hre và hoe cĩ giá trị rất nhỏ (≤ 10 ) Như vậy sơ đồ tương đương của transistor sau khi đã loại bỏ những thơng số ảnh hưởng khơng đáng kể vào mạch : * Điện trở vào : RiE = (RB //hie) Thơng thường tầng khuếch đại E.C cĩ điện trở vào cỡ 600 2k Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 86
  87. 87 * Điện trở ra : R0E = RC * Độ lợi dịng : iL iL iC iB RC RB RiE R~ AiE =    h fe  h fe   iS iC iB iS RC RL RB hie hiE RL * Độ lợi áp : vL vL iL iC iB RC 1 R~ AvE =    =RL  ( )  h fe . = h fe  vi iL iC iB vi RC RL hie hie * Độ lợi áp tồn phần : vL vL vi R~ RiE Atp =  h fe   vS vi vS hie RS RiE 5.2 Mạch khuếch đại dùng BJT mắc BC Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ, với thành phần 1/hob cĩ thể bỏ qua. mV h T ie hib = I EQ h fe iC iC h fe hfb = 1 iE iB (1 h fe ) 1 h fe Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 87
  88. 88 * Điện trở vào : RiB = (RE //hib) * Điện trở ra : R0B = RC * Độ lợi dịng : iL iL iC iE RC RE RiB R~ AiB =    h fb  ( ) h fb   iS iC iE iS RC RL RE hib hib RL * Độ lợi áp : v v i i i R R~ L L L C E C 1 h  AvB =    RL  ( )  h fb  ( ) = fb vEB iL iC iE vEB RC RL hib hib * Độ lợi áp tồn phần : vL vL vEB R~ RiB Atp =  h fb   vS vEB vS hib RiB RS 5.3 Mạch khuếch đại dùng BJT mắc CC Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 88
  89. 89 Việc xác định điểm làm việc tĩnh tương tự mắc EC: dùng phương pháp đồ thị hoặc giải tích. ’ ’ vL = vE = (RE//RL) iE = (R E//R L) iB iE = (1+hfe) iB ' => RE (1 h fe )RE ' RL (1 h fe )RL * Điện trở vào : ’ ’ RiC = RB//(hie + R E//R L) * Điện trở ra : Để tính tổng trở ra của tầng khuếch đại, vẽ lại mạch tương đương của hình 2.24a. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 89
  90. 90 RB RS RoC = RE//(hib + (// )) 1 h fe 1 h fe * Độ lợi dịng điện : iL iL vL iB 1 ' ' RB AiC =    (RE // RL )  ' ' iS vL iB iS RL RB hie (RE // RL ) * Độ lợi áp : vL vL iB iS ' ' RB 1 AvC =   (RE // RL )  ' '  vi iB iS vi RB hie (RE // RL ) RS RiC 5.3 Mạch khuếch đại dùng JFET mắc SC Sơ đồ tương đương của mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ tần số thấp của JFET Với rGS = , rDS (xác định trước). I V 2 DSS  1 GSQ gm = VP VP Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 90
  91. 91 * Điện trở vào : RiS = (RG // ri) RG Với ri là điện trở vào của JFET (điện trở của chuyển tiếp P-N giữa cửa và nguồn) thường rất lớn vì chuyển tiếp này phân cực nghịch (IG 0). Trên thực tế, RiS thường cỡ một vài M. * Điện trở ra : RoS = (RD // rD) RD Với rD là điện trở vi phân ngõ ra của JFET, thường cĩ giá trị cỡ (0.5  1) M * Độ lợi áp : Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 91
  92. 92 v v i i R r L L  L  D R  D  g  D AvS = = L m gm (RD // RL // rD ) v GS iL iD vGS RD RL rD RD // RL Nếu JFET mắc theo sơ đồ máng chung (D.C) hoặc cửa chung (G.C) ta vẫn phân tích theo phương pháp tương tự. Tầng D.C vẫn cĩ đặc điểm và ứng dụng gần như mạch C.C của BJT: điện trở vào lớn, điện trở ra nhỏ độ lợi áp xấp xỉ bằng 1 và tín hiệu ra đồng pha với tín hiệu vào. 6. Các dạng ghép liên tầng Ở phần trên, chúng ta đã làm quen với một số tầng khuếch đại. Hình thức mạch điện của các tầng này cĩ thể khơng giống nhau, sử dụng linh kiện khác nhau, , nhưng một cách tổng quát, ta luơn luơn coi chúng như những mạng 4 cực (hai cực vào và hai cực ra). Mỗi mạng được đặc trưng bởi các thơng số cơ bản: trở kháng vào, trở kháng ra, độ lợi dịng, độ lợi áp, và thơng thường, các thơng số này thay đổi theo điểm làm việc và theo tần số tín hiệu. Như vậy tín hiệu ra của tầng trước đĩng vai trị tín hiệu vào của tầng sau, điện trở vào của tầng sau làm nhiệm vụ tải của tầng trước. Độ lợi chung tồn thiết bị sẽ là tích của độ lợi từng tầng : VON VO1 V02 V03 Von Av     AV1  AV 2  AVn Vi1 VI1 V01 V02 Von 1 Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 92
  93. 93 Linh kiện thực hiện sự ghép tầng cĩ thể là tụ điện, điện cảm, biến áp, Dưới dây sẽ khảo sát từng dạng ghép. 6.1 Ghép điện trở - điện dung Kiểu ghép này cĩ chế độ tĩnh của các tầng độc lập với nhau. Việc khảo sát bộ khuếch đại nhiều tầng (xác định điểm tĩnh, tính các thơng số cơ bản ) sẽ tiến hành lần lượt cho từng tầng, theo tứ tự từ sau ra trước. Để tính tốn thơng số xoay chiều của các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ, ta vẫn dùng phương pháp quen thuộc: đầu tiên, xét ở phạm vi tần số trung bình, lập sơ đồ tương đương đơn giản hố (coi các tụ nối tầng như ngắn mạch, bỏ qua các điện dung ký sinh ) rồi tính ra các thơng số cần thiết. Sau đĩ xét cho phạm vi tần số thấp (trở kháng các tụ khơng cịn lớn) và phạm vi tần số cao (xét với vai trị các tụ ký sinh và sự thay đổi theo tần số của các tham số transistor như ,  ). 6.2 Ghép trực tiếp Để khuếch đại các tín hiệu một chiều hoặc tần số rất thấp (tín hiệu biến thiên chậm) khơng thể ghép tầng bằng tụ điện hoặc biến áp mà người ta nối trực tiếp ngõ ra tầng trước với ngõ vào tầng sau. Trên hình 2.30 là một ví dụ về kiểu ghép này. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 93
  94. 94 Chế độ tĩnh của các tầng liên quan với nhau. Hiện tượng khơng ổn định điểm làm việc của tầng này sẽ gây ra sự xê dịch điểm làm việc của tầng kia và do đĩ làm thay đổi điện áp ra. Vì vậy người ta thường thực hiện hồi tiếp để hạn chế “sự trơi điểm tĩnh” vừa nêu. Trên mạch ở hình 2.30, R 3 R6 là các điện trở ổn định dịng tĩnh của từng transistor (hồi tiếp âm dịng điện nối tiếp). Dịng emitter của Q 2 gây nên điện áp một chiều trên R 6. Chính điện áp này phân cực cho Q1 (thơng qua bộ phận áp R1 – R2). Cách phân cực nhờ hồi tiếp từ Q2 về Q1 như vậy sẽ tự động ổn định dịng tĩnh của các transistor. Thật vậy, do bản chất của transistor, khi nhiệt độ mơi trường tăng thì các tham số ICEO, ICBO, , , sẽ tăng khiến dịng I C, IE tăng và điểm làm việc mất ổn định. Đối với hình 2.30, nếu nhiệt độ làm việc I E2 tăng thì điện áp trên R 6 tăng, do đĩ (thơng qua nhân áp R1 - R2) điện áp phân cực cho Q 1 sẽ tăng và dịng I C1 tăng. Nhưng do ghép trực tiếp: VB2 = VC1 = VCC – (IC1 + I B2) R4 Cho nên khi IC1 tăng thì VB2 giảm. Điện áp phân cực này giảm sẽ làm IE2 và IC2 giảm, nghĩa là hạn chế sự tăng dịng tĩnh của Q2 do nhiệt độ gây ra. Như vậy mạch ghép trực tiếp cĩ hồi tiếp trên đây cĩ điểm làm việc khá ổn định. Đồ lợi áp của mạch cũng khá cao. Dễ dàng chứng minh được rằng: Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 94
  95. 95 RL2 Khi R4 >> Ri2 thì:AV hfE1 hfE2 Ri1 Trong đĩ RL2 là tải của tầng Q2, Ri1 là điện trở vào của tầng Q1. 6.3 Ghép Darlington Để nâng cao hệ khuếch đại và điện trở vào, nhiều khi người ta ghép hai (hoặc ba) transistor như hình 2.31a. Tổ hợp này đĩng vai trị như một transistor N-P-N (hình 2.31b), gọi là transistor phức hợp hoặc transistor ghép Darlington. Tải R L thường mắc ở cực E và do đĩ, trên hình 2.31, transistor phức hợp hoạt động như một tầng khuếch đại mắc C.C. Người ta cũng cĩ thể ghép trên transistor P-N-P với một transistor N-P-N như hình 2.32a. Tổ hợp này đĩng vai trị như một transistor loại P-N-P (hình 2.32b). Như vậy, trong cách ghép phức hợp, transistor Q 1 đĩng vai trị quyết định loại dẫn điện (N-P-N hay P-N- P) của transistor phức hợp, cịn Q2 chỉ làm nhiệm vụ khuếch đại dịng ra. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 95
  96. 96 Hãy xét mạch hình 2.31a làm ví dụ. Tầng Q2, mắc C.C, cĩ điện trở vào khá lớn: Ri2 = hiE2 + (1+hfE2) RL hfE2 RL Độ lợi dịng : I E2 Ai2 = 1 h fE2 h fE2 I B2 Áp dụng mạch tương đương của BJT mắc C.C, ta vẽ được một sơ đồ tương đương xoay chiều của tầng Q 1. Điện trở vào của transistor phức hợp (nhìn từ cực B 1), xác định theo: 1 1 R i2 ri h iE1 h fE1 1 // R i2 h fE1 // R i2 h fE1 h OE1 h OE1 1 R i2 h OE1 1 Ở đây do Ri2 khá lớn nên khơng thể bỏ qua vai trị mắc song song của thay giá h OE1 trị gần đúng của của Ri2 ta cĩ: R L ri h fE1  h fE2 1 h fE2  h OE1R L Khi hfE2 . hOE1 RL << 1 thì: Ri hfE1 . hfE2 . RL Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 96
  97. 97 Điện trở vào của mạch hình 2.31, kể đến cả vai trị RB: Ri = (RB //ri) Do ri rất lớn nên trị số RB đĩng vai trị quyết định. Độ lợi dịng của tầng Q1 IE1 Ai1 = IS Trong đĩ: IE1 = (1+hfE1)IB1 Cịn IS xác định từ điện áp vào: Vi = IS (RB // ri) = IB1Ri I B1ri R B ri Cho nên: IS = I B1  (R B ri ) R B (1 h fE1 )R B => Ai1 = R B ri Do đĩ độ lợi dịng cả tồn mạch: R B R B Ai = Ai1 . Ai2 = (1+hfE2) h fE1.h fE2 R B ri R B ri Nếu bỏ qua tác dụng phân dịng của RB thì độ lợi dịng của transistor phức hợp sẽ là: Ai hfE1 hfE2 Độ lợi áp xác định tương tự như BJT mắc C.C: AV 1 Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 97
  98. 98 CHƯƠNG V: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TỐN 1. Khái niệm về khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm Các dạng mạch khuếch đại ghép RC mà ta đã khảo sát ở chương 3 được ứng dụng trong các mạch khuếch đại tín hiệu xoay chiều, tần số thấp nhất cũng trên 1Hz. Trong thực tế cịn cĩ những tín hiệu tần số dưới 1Hz, gọi là tín hiệu biến thiên chậm, như: tín hiệu cảm biến từ sự biến thiên nhiệt độ, biến thiên độ ẩm, biến thiên mực chất lỏng, biến thiên cường độ ánh sáng, phản ứng hố điện, dịng điện sinh học Các tín hiệu biến thiên chậm cĩ thể xem như tín hiệu một chiều (DC). Bộ khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm nĩi chung cĩ những đặc điểm sau: - Tín hiệu cĩ tần số thấp nhất, xem như tín hiệu DC. - Cĩ ngõ vào đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chiên chậm thường cĩ dạng đối xứng – Hình 4.1) - Hệ số khuếch đại rất cao (nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm thường cĩ biên độ rất bé, từ vài V đến vài chục V) - Khả năng chống nhiễu tốt. - Áp phân cực ngõ vào và ngõ ra bằng khơng để dễ chuẩn hĩa (khi chưa cĩ tín hiệu, điện áp tĩnh bằng zero). - Phân cực phải rất ổn định, khơng bị trơi theo nhiệt độ (nếu khơng sẽ gây sai số ở ngõ ra). Đây là điều kiện rất quan trọng của mạch khuếch đại DC. Trường ĐH Giao thơng vận tải TPHCM Trang 98