Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự

141 trang haiha333 07/01/2022 3840

Download

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

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_dien_tu_tuong_tu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự

Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §1. CHẤT BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT VÀ CHẤT BÁN DẪN TẠP CHẤT 1. Chất bán dẫn nguyên chất (chất bán dẫn thuần) Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Si (14) và Ge (32), chúng có đặc điểm chung là ở lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị. Ta xét nguyên tử Si trong mạng tinh thể . Khi vật liệu Si đƣợc chế tạo thành tinh thể thì từ trạng thái xắp xếp lộn Si Si Si xộn chúng trở thành trạng thái hoàn Điện tử tự do toàn trật tự. Khi đó khoảng cách giữa Lỗ trống Si Si Si các nguyên tử cách đều nhau. - Bốn điện tử lớp ngoài cùng của Si Si Si một nguyên tử không những chịu sự ràng buộc với hạt nhân của chính Liên kết đồng hoá trị nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp chung. - Mỗi một điện tử trong đôi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân của nó vừa chuyển động trên quỹ đạo của điện tử góp chung. Sự liên kết này đƣợc gọi là liên kết đồng hoá trị. Ở nhiệt độ xác định, do chuyển động nhiệt, một số điện tử góp chung dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do, đó là hạt dẫn điện tử. - Khi một điện tử tách ra trở thành điện tử tự do thì để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống). Khi đó các điện tử góp chung ở đôi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống đó tạo thành sự di chuyển của các điện tử góp chung. Sự di chuyển này giống nhƣ sự di chuyển của các điện tích dƣơng, đó là sự di chuyển của lỗ trống. Nhƣ vậy, lỗ trống cũng là loại hạt mang điện. Khi đặt một điện trƣờng lên vật liệu bán dẫn thì xuất hiện hai thành phần dòng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện do các điện tử tự do chuyển động có hƣớng và thành phần dòng điện lỗ trống do điện tử góp chung dịch lấp lỗ trống. Điện tử tự do mang điện âm, lỗ trống mang điện dương. Các điện tử chuyển động ngƣợc chiều với véc tơ cƣờng độ điện trƣờng còn các lỗ trống thì chuyển động cùng chiều tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự * Nhƣ vậy: Bán dẫn mà dẫn xuất đƣợc thực hiện bằng cả hai loại hạt mang điện (điện tử tự do và lỗ trống) có số lƣợng bằng nhau đƣợc gọi là chất bán dẫn thuần (bán dẫn nguyên chất). 2. Chất bán dẫn tạp chất Để nâng cao tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn, ta thực hiện pha thêm tạp chất vào chất bán dẫn nguyên chất, gọi là chất bán dẫn tạp. 2.1. Chất bán dẫn tạp loại P Ta pha thêm tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn (Ga, In ) vào trong mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó trong mạng tinh thể, một số nguyên tử Ga sẽ thay thế vị trí một số nguyên tử Si, ba điện tử hoá trị của Ga sẽ tham gia vào ba mối liên kết với ba nguyên tử Si bên cạnh, còn mối liên kết với nguyên tử Si thứ tƣ bị thiếu một điện tử đƣợc coi nhƣ một lỗ trống. Các mối liên kết bị thiếu một điện tử này dễ dàng đƣợc lấp đầy bởi một điện tử đƣợc bắn ra từ các mối liên kết bên cạnh bị phá vỡ, nhƣ vậy lỗ trống có thể di chuyển đƣợc, tạo thành dòng điện. - Khi nhiệt độ tăng lên số mối Si Si Si liên kết bị phá vỡ càng nhiều làm cho Lỗ trống số lƣợng điện tử tự do và lỗ trỗng +3 tăng. Nhƣng ở bán dẫn có pha thêm Si Ga Si a các tạp chất thuộc nhóm III thì số Điện tử tự do Si Si Si lƣợng các lỗ trống bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các điện tử tự do. Cặp điện tử tự do-lỗ trống * Nhƣ vậy: Vật liệu bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các lỗ trống gọi là chất bán dẫn tạp loại P. Lỗ trống gọi là hạt dẫn điện đa số. Điện tử tự do là hạt dẫn điện thiểu số. 2.2. Chất bán dẫn tạp loại N Ta pha thêm các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (As, P ) vào trong cấu trúc mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó một số nguyên tử P sẽ thay thế một số vị trí nguyên tử Si trong mạng tinh thể.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Nguyên tử P có năm điện tử hoá trị, bốn trong năm điện tử hoá trị sẽ tham gia vào bốn mối liên kết với bốn Si Si Si nguyên tử Si đứng xung quanh nó, còn +5 Điện tử tự do điện tử hoá trị thứ năm không tham Si P Si gia vào mối liên kết nào mà chịu sự ràng buộc rất yếu với hạt nhân, chúng Si Si Si dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do và sẽ tham gia vào việc vận chuyển dòng điện. Khi nhiệt độ tăng lên, số mối liên kết bị phá vỡ càng tăng sinh ra nhiều cặp điện tử tự do - lỗ trống. Nhƣng ở chất bán dẫn pha thêm tạp chất thuộc nhóm V thì số lƣợng các điện tử tự do bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các lỗ trống. * Nhƣ vậy, loại bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các điện tử tự do gọi là chất bán dẫn tạp loại N. Điện tử tự do là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. §2. TIẾP GIÁP P - N. TÍNH CHẤT CHỈNH LƢU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN 1. Tiếp giáp P-N khi chƣa có điện trƣờng ngoài l0 Mặt tiếp xúc Khi cho hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc - + - + P - + N công nghệ với nhau, giữa hai khối bán dẫn hình - + Et.xúc thành một mặt tiếp xúc P-N, do sự chênh lệch về Ik.tán Itrôi nồng độ hạt dẫn giữa hai khối sẽ xảy ra sự U khuyếch tán. Các lỗ trống ở khối P sẽ khuyếch t.xúc tán sang khối N và các điện tử từ khối N sẽ U khuyếch tán sang khối P. Kết quả làm cho bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối P nghèo đi về điện tích dƣơng và giàu lên về điện tích âm. Bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối N mất điện tích âm và nhận thêm lỗ trống nên tích điện dƣơng. Nếu sự chênh lệch về nồng độ các loại hạt mang điện ở hai khối này càng lớn thì sự khuếch tán diễn ra càng mạnh.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Kết quả: Hai bên mặt tiếp giáp hình thành nên điện trƣờng vùng tiếp xúc Etx có chiều hƣớng từ khối N sang khối P. Điện trƣờng tiếp xúc này cản trở sự khuyếch tán của các hạt mang điện đa số từ khối này sang khối kia. Khi Etx cân bằng với lực khuyếch tán thì trạng thái cân bằng động xảy ra. Khi đó vùng điện tích không gian không tăng nữa, vùng này gọi là vùng nghèo kiệt (vùng thiếu vắng hạt dẫn điện) đó là chuyển tiếp P-N bao gồm các ion không di chuyển đƣợc. Khi cân bằng động, có bao nhiêu hạt dẫn điện khuyếch tán từ khối này sang khối kia thì cũng bấy nhiêu hạt dẫn đƣợc chuyển trở lại qua mặt tiếp xúc, chúng bằng nhau về trị số nhƣng ngƣợc chiều nhau nên chúng triệt tiêu nhau, kết quả dòng điện qua tiếp xúc P-N bằng 0. Kết luận: Không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp P – N khi chƣa có điện trƣờng ngoài. 2. Tiếp giáp P- N khi có điện trƣờng ngoài 2.1. Trường hợp phân cực thuận Đặt điện áp một chiều vào tiếp giáp P-N sao cho cực dƣơng nối vào khối P, cực âm nối vào khối N. Điện áp này tạo ra một điện trƣờng ngoài Eng có chiều hƣớng từ khối P sang khối N. Khi đó điện trƣờng ngoài Eng có chiều ngƣợc với điện trƣờng vùng tiếp xúc Etx nên điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc giảm. l0 E = Etx – Eng giảm. Khi đó bề rộng l0‟ - + vùng nghèo giảm làm cho sự khuyếch tán (+) - + (-) P - + N I - + diễn ra dễ dàng. Các hạt mang điện đa số dễ Thuận Et.xúc dàng khuyếch tán từ khối này sang khối kia. Engoài Do mật độ hạt mang điện đa số lớn nên dòng Ut.xúc khuyếch tán Ikt lớn, dòng điện này gọi là Ut.xúc - Ungoài dòng điện thuận Ith. Ta nói tiếp giáp P-N U U thông. ngoài Trong đó: l0: Bề rộng vùng nghèo khi chƣa có điện trƣờng ngoài l‟0: Bề rộng vùng nghèo khi phân cực thuận Do số lƣợng hạt dẫn thiểu số ít, nên dòng điện trôi dạt rất nhỏ, Itr 0. Điện trở tiếp giáp P- N trong trƣờng hợp này gọi là điện trở thuận, có giá trị nhỏ Rth 0.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2.2. Trường hợp phân cực ngược Đặt cực dƣơng vào khối N, cực âm vào l0‟ l0 khối P. Khi đó Eng cùng chiều với Etx nên - + điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc tăng, do đó (-) - + (+) P - + N - + Ingƣợc bề rộng vùng nghèo tăng, nó ngăn cản các hạt Et.xúc E dẫn đa số khuếch tán từ khối này sang khối ngoài kia, do vậy dòng khuếch tán coi Ikt = 0. Dòng Ungoài điện trôi có giá trị nhỏ do số hạt dẫn thiểu số Ut.xúc rất ít, Itr = 0, nên dòng điện qua tiếp giáp P-N U Ut.xúc+ Ungoài khi phân cực ngƣợc có giá trị bằng 0. Ta nói tiếp giáp P-N bị khoá, trong trƣờng hợp này tiếp giáp P-N coi nhƣ một điện trở có giá trị vô cùng lớn gọi là điện trở ngƣợc, Rng . * Nhƣ vậy: Tiếp giáp P-N chỉ có tác dụng dẫn điện theo một chiều (từ khối P sang khối N) khi đƣợc phân cực thuận. Tính chất này gọi là tính chất van hay tính chất chỉnh lƣu, đó là tính chất chỉnh lƣu của điốt bán dẫn. 3. Điốt bán dẫn. 3.1. Cấu tạo, kí hiệu. Anốt Katốt A K P N Hình a: Cấu tạo Hình b: Kí hiệu Điốt thực chất là một tiếp giáp P-N. Điện cực nối với khối P đƣợc gọi là Anốt (ký hiệu là A), điện cực nối với khối N gọi là Katốt (ký hiệu là K), toàn bộ cấu trúc trên đƣợc bọc trong một lớp vỏ bằng kim loại hay bằng nhựa. * Nguyên lý làm việc: Chính là các hiện tƣợng vật lý xảy ra ở tiếp giáp P-N trong các trƣờng hợp: chƣa phân cực, phân cực thuận và phân cực ngƣợc đã xét ở trên. uAK 3.2. Đặc tuyến V-A. I T A ith I ngbh (e 1) Đặc tuyến V-A đƣợc chia làm 3 vùng:  + Vùng : Ứng với trƣờng hợp phân cực Ungƣợc U ng.max 0 UAK thuận. Khi tăng UAK , lúc đầu dòng tăng từ từ, Uthuậ sau khi UAK > U0 (thƣờng U0 = (0,60,7)V nếu  n  điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Silic, Ingƣợc
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự U0 = (0,20,3)V nếu điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Gecmani) thì dòng điện tăng theo điện áp với quy luật của hàm số mũ. + Vùng : Tƣơng ứng với trƣờng hợp phân cực ngƣợc với giá trị dòng điện ngƣợc ing có giá trị nhỏ (ing Ibhòa). + Vùng : Gọi là vùng đánh thủng, tƣơng ứng Ung > Ung.max (Uđánh thủng). Dòng điện ngƣợc tăng lên đột ngột, dòng điện này sẽ phá hỏng điốt (vì vậy để bảo vệ điốt thì chỉ cho chúng làm việc dƣới điện áp: U = (0,7  0,8).Uz , Uz là điện áp đánh thủng) trong khi đó điện áp giữa Anốt và Katốt không đổi tính chất van của điốt bị phá hỏng. Tồn tại hai dạng đánh thủng: do nhiệt độ cao và điện trƣờng mạnh làm cho các hạt dẫn chuyển động nhanh, gây va đập và gây nên hiện tƣợng ion hoá do va chạm làm cho quá trình tạo thành hạt dẫn ồ ạt, dẫn đến dòng điện tăng nhanh. 3.3. Các tham số cơ bản của điốt: chia ra 2 nhóm * Các tham số giới hạn: - Ung.max là giá trị điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên điốt mà tính chất van của nó chƣa bị phá hỏng. - Imax.cp là dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi điốt mở. - Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp. - Tần số làm việc cho phép: fmax * Các tham số làm việc: - Điện trở một chiều của điốt Rđ - Điện trở xoay chiều của điốt rđ 3.4. Phân loại - Theo vật liệu chế tạo: điốt Ge, điốt Si - Theo cấu tạo: điốt tiếp xúc điểm, tiếp xúc mặt - Theo dải tần số làm việc: điốt tần số thấp, điốt tần số cao, siêu cao - Theo công suất: điốt công suất lớn, trung bình, nhỏ. - Theo công dụng: điốt chỉnh lƣu, điốt tách sóng, điốt ổn áp, điốt quang 4. Một số ứng dụng của điốt bán dẫn Ta xét một số ứng dụng của điốt trong các mạch chỉnh lƣu, các mạch hạn chế biên độ điện áp 4.1. Các mạch chỉnh lƣu Định nghĩa: Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều thành năng lƣợng điện một chiều cung cấp cho các phụ tải điện một chiều.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Sau đây ta xét các bộ chỉnh lƣu công suất nhỏ Để đơn giản cho quá trình phân tích, ta giả thiết các van điốt là lý tƣởng, điện áp vào là hình sin 110/220 V xoay chiều, tần số 50 Hz, tải là thuần trở. a. Mạch chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính u * Sơ đồ nguyên lý 1 u1 =U1m.sint i1 2 4 D1 0 3 1 i2 t * i1 u2 u21 u21 * Rt u22 u22 u21 it u 2 1 0 * u22 i2 t mở mở mở mở ut D1 D2 D1 D2 tải C 3 D2 UTB 0 Hình a: Sơ đồ nguyên lý uDng t 0 D t Hình b: Giản đồ điện áp 2 D1 D2 D1 Ungmax Trong sơ đồ, cuộn thứ cấp của biến áp đƣợc chia làm hai nửa có=2.U số vòng2m dây bằng nhau, chiều quấn dây ngƣợc nhau, với cách cuốn đó tạo ra hai điện áp u21, u22 có cùng biên độ nhƣng lệch pha nhau 1800. * Nguyên lý hoạt động: - Khi t = 0 : u21>0, u22 0, điện thế điểm 3 dƣơng hơn điểm 2, điểm 2 dƣơng hơn điểm 1, D1 khoá, D2 mở, cho dòng i2 chạy qua: D2, Rt về điểm 2. Khi đó: ura = ut = u22 - uD2 = u22 = U22m.sint Kết quả: Dòng điện (điện áp) nhận đƣợc trên tải có dạng là các nửa hình sin liên tiếp nhau, trong 1 chu kỳ của điện áp lƣới các điốt thay phiên nhau làm việc. + Giá trị trung bình của điện áp trên tải: 1 U = 2. U .sint.dt 0,9.U 0 2m 2 2 0 với: U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp trên 1 cuộn dây thứ cấp MBA.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự U + Giá trị trung bình của dòng điện trên tải: I = 0 0 R I0 t + Dòng trung qua các điốt: ID1 = ID2 = 2 + Điện áp ngƣợc cực đại đặt vào mỗi điốt khi khoá bằng tổng điện áp cực đại trên hai cuộn dây thứ cấp biến áp. Ung.max = 2.U2m b. Mạch chỉnh lƣu cầu u2 =U2m.sint u2 i1 0 2 3 4 i2 M t 1 D1 D4 * * it ut D1 mở D2 mở D1 mở D2 mở tải C Q i2 N u1 i1 C UTB u2~ M Rt 0 D1D3 D2D4 D1D3 D2D4 i2 i1 D3 uDng t 2 D2 P M 0 D Hình a: Sơ đồ nguyên lý D2D4 D1D3 2 D1D3 t D4 Ungmax =U2m Hình b: Giản đồ điện áp Cầu gồm có bốn nhánh với bốn điốt đƣợc nối theo nguyên tắc: hai cạnh đối diện các điốt nối cùng chiều, tạo hai nhóm điốt: một nhóm có Katốt chung, một nhóm có Anốt chung. * Nguyên lý hoạt động: - t=0 : điện thế điểm 1 dƣơng hơn điểm 2, D2, D4 phân cực ngƣợc khoá. D1, D3 phân cực thuận mở cho dòng điện i1 chạy qua D1, Rt, D3 về điểm 2. - t= 2 : điện thế điểm 2 dƣơng hơn điểm 3, D1, D3 phân cực ngƣợc, khoá. D2, D4 phân cực thuận mở cho dòng điện i2 chạy qua D2, Rt, D4 về điểm 1. Kết quả: Điện áp (dòng điện) ra trên tải là các nửa hình sin liên tiếp nhau trong một chu kỳ giống nhƣ sơ đồ chỉnh lƣu 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính. Các biểu thức tính dòng và áp hoàn toàn giống nhƣ sơ đồ có điểm trung tính. Chỉ khác, nếu cùng 1 giá trị của điện áp trên tải thì trong sơ đồ này điện áp ngƣợc đặt lên mỗi điốt khi khoá giảm đi một nửa: Ung.max = U2m đây chính là ƣu điểm cơ bản của sơ đồ cầu. Do đó sơ đồ này là sơ đồ cơ bản đƣợc sử dụng chủ yếu trong các mạch chỉnh lƣu trong thực tế.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 4.2. Các mạch hạn chế biên độ - Các mạch hạn chế biên độ đƣợc sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn hơn, nhỏ hơn hoặc nằm giữa hai giá trị nào đó gọi là các mức ngƣỡng. - Thông thƣờng, giá trị của các mức ngƣỡng không vƣợt quá biên độ lớn nhất của điện áp đƣa vào hạn chế. - Tuỳ theo cách mắc của phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra mà ta có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dƣới và mạch hạn chế 2 phía. a. Các mạch hạn chế nối tiếp: là mạch mà điốt hạn chế mắc nối tiếp với mạch tải. D D Rng Rng R R uv ura1 uv ura2 + + ~ E _ ~ E _ Hình a: Mạch hạn chế trên mức E Hình b: Mạch hạn chế dƣới mức E uv =Um.sint uv =Um.sint uvào uvào E E t t 2 3 4 2 3 4 t t 0 1 2 t3 t4 0 t1 t2 t3 t4 u u ra1 ura2 ra2 E E t t 2 3 4 2 3 4 0 0 ura1 Hình c: Giản đồ điện áp Hình d: Giản đồ điện áp
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Để đơn giản khi phân tích, ta giả thiết tín hiệu vào là hình sin, điốt là lý tƣởng. Trong đó: RDth và RDng là giá trị trung bình của điện trở thuận và điện trở ngƣợc của điốt. Nếu thoả mãn điều kiện: RDth + Rng 0 D mở ura1 = uv Với mạch hình b: Khi uv E UD > 0 D mở ura2 = uv Khi uv 0 D mở ura = E Khi uv 0 D mở ura = E. 4.3. Ổn định điện áp bằng điốt Zener (Điốt ổn áp) - Điốt ổn áp làm việc dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ của tiếp giáp P-N khi phân cực ngƣợc, bị đánh thủng nhƣng không hỏng. - Điốt ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải. - Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng điốt Zener nhƣ hình vẽ.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự iA uAK Uođ =ura K i I (e T 1) ura Ath ngbh Rhc uv Ung + đánhthủng + Ibh 0 D R ung A uAK Uv Z t Ur A Iôđ.min _ P2 P Iôđ.tb 1 _ Hình a: Kí hiệu Iôđ.max B Hình c: Sơ đồ ổn áp đơn giản Ing Hình b: Đặc tuyến V-A của điốt ổn áp - Nhánh thuận đặc tuyến V-A của điốt này giống nhƣ điốt chỉnh lƣu thông thƣờng nhƣng nhánh ngƣợc có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngƣợc còn nhỏ thì Ingƣợc có trị số nhỏ giống nhƣ các điốt thông thƣờng. + Khi điện áp ngƣợc đạt tới giá trị điện áp ngƣợc đánh thủng thì dòng điện ngƣợc qua điốt tăng lên đột ngột còn điện áp ngƣợc trên điốt đƣợc giữ hầu nhƣ không đổi. Đoạn đặc tuyến gần nhƣ song song với trục dòng điện (đoạn A-B). Đoạn (A-B) đƣợc giới hạn bởi (Iôđmin , Iôđmax) là đoạn làm việc của điốt ổn áp. + Để đảm bảo cho hiện tƣợng đánh thủng về điện không kéo theo đánh thủng về nhiệt làm cho điốt bị hỏng, khi chế tạo ngƣời ta đã tính toán để tiếp giáp P-N chịu đƣợc dòng điện ngƣợc. Mặt khác, trong mạch điện còn đặt điện trở hạn chế để hạn chế không cho dòng điện ngƣợc qua điốt vƣợt quá dòng điện ngƣợc cho phép. + Khi dòng điện qua điốt nhỏ hơn giá trị Iôđmin thì điốt làm việc ở đoạn OA nên không có tác dụng ổn định điện áp. + Khi dòng điện qua điốt lớn hơn giá trị Iôđmax thì công suất toả ra trên điốt vƣợt quá công suất cho phép có thể làm cho điốt bị phá hỏng vì nhiệt. - Trong mạch ổn áp điốt ổn áp mắc song song với phụ tải. - Nếu uv thay đổi, Rt không đổi, trên đặc tuyến V-A khi uV thay đổi 1 lƣợng uv khá lớn nhƣng ura thay đổi một lƣợng ura rất nhỏ, dƣờng nhƣ mọi sự thay đổi của uv đều hạ trên Rhc, đảm bảo điện áp ra tải không thay đổi. - Nếu uv không đổi, Rt thay đổi. Lúc đó nội trở của điốt thay đổi dẫn tới sự phân bố lại dòng điện qua điốt và qua tải đảm bảo cho điện áp ra tải là không đổi.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §3. TRANZITO LƢỠNG CỰC ( Transistor Bipolar) Nếu trên cùng một đế bán dẫn ngƣời ta tạo ra hai tiếp giáp P-N ở gần nhau, dựa trên đặc tính dẫn điện của mỗi tiếp giáp và tác dụng tƣơng hỗ giữa chúng sẽ làm cho dụng cụ này có khả năng khuếch đại đƣợc những tín hiệu điện và khi đó ngƣời ta gọi là đèn bán dẫn 3 cực hay Tranzito. 1. Cấu tạo JE JC JE JC Cực phát Cực góp Cực phát Cực góp P N P N P N E C E C B Cực gốc B Cực gốc Hình a: Cấu tạo tranzito PNP Hình b: Cấu tạo tranzito NPN C C B B E E Hình d: Kí hiệu tranzito PNP Hình d: Kí hiệu tranzito NPN Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn điện cùng loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo cách sắp xếp các khối bán dẫn mà ta có Tranzito thuận p-n-p (hình a) và Tranzito ngƣợc n-p-n (hình b) đƣợc chỉ ra trên hình vẽ. - Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E. - Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thƣớc rất mỏng cỡ m và nồng độ tạp chất ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B. - Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ), điện cực nối với nó gọi là cực góp C. - Tiếp giáp giữa lớp phát với lớp gốc gọi là tiếp giáp phát JE - Tiếp giáp giữa lớp gốc với lớp góp gọi là tiếp giáp góp JC - Chiều mũi tên trong ký hiệu của Tranzito bao giờ cũng là chiều của điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp phát JE (có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N).
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2. Nguyên lý làm việc Để cho Tranzito có thể làm việc ở chế độ khuyếch đại tín hiệu điện, ngƣời ta phải đƣa điện áp một chiều tới các điện cực của nó gọi là phân cực cho tranzito, sao cho tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nhƣ hình vẽ. C C IC IC B IB B IB _ + UCE > 0 _ UCE 0 IE + IE E E Hình a: Phân cực cho trazito NPN Hình b: Phân cực cho trazito PNP Giả sử ta xét tranzito pnp nhƣ hình vẽ Do tiếp giáp JE đƣợc phân JE JC cực thuận bằng nguồn U , điện P N P EB E C +++++++++++++ trƣờng EEB này có tác dụng gia + IE IC _ + - UEB U tốc các hạt dẫn điện đa số _ + CB - IB ICB - - - - - - - - - - - - - (lỗ trống) từ vùng phát qua JE 0 B đến vùng gốc tạo thành dòng điện cực phát IE. Do nồng độ các lỗ trống ở vùng phát lớn nên dòng điện cực phát IE có giá trị lớn. Khi đến vùng gốc, một phần nhỏ lỗ trống sẽ tái hợp với các điện tử đến từ cực âm của nguồn UEB tạo thành dòng điện cực gốc IB. Do vùng gốc có bề dày mỏng và nồng độ các hạt dẫn điện tử rất ít nên dòng điện cực gốc IB rất nhỏ. Phần lớn các lỗ trống còn lại khuyếch tán qua vùng gốc và di chuyển đến tiếp giáp góp JC. Tại tiếp giáp góp, điện trƣờng UCB thuận chiều với các hạt này nên sẽ cuốn chúng qua tiếp giáp JC sang lớp góp để tạo thành dòng điện cực góp IC. Thực tế, vì tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nên trên nó vẫn tồn tại một dòng điện  ngƣợc có trị số nhỏ (giống nhƣ dòng điện ngƣợc của điốt) I , do mật độ các hạt dẫn CB0  thiểu số nhỏ nên dòng ICB0 có trị số nhỏ, ta có thể bỏ qua. Khi đó, ta có biểu thức dòng điện trong tranzito là: I = I + I . Do I << I , I << I nên I I E B C B E B C E C
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Để đánh giá mức độ hao hụt của dòng điện cực phát tại vùng cực gốc, ngƣời ta đƣa ra khái niệm gọi là hệ số truyền đạt dòng điện : = IC / IE , 1 càng tốt. (1) Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện cực gốc tới dòng điện cực góp ngƣời ta đƣa ra hệ số khuyếch đại dòng điện :  = IC / IB . (2) Thƣờng  = vài chục  vài trăm lần , từ (1) và (2) ta có quan hệ: =  / 1+ Đối với Tranzito ngƣợc P-N-P, nguyên lý làm việc cũng tƣơng tự nhƣ tranzito thuận, chỉ khác là ở tranzito ngƣợc phần tử mang điện đa số ở cực phát là điện tử, đồng thời để cho sơ đồ hoạt động ta phải đổi lại cực tính của các nguồn điện cũng nhƣ đổi lại chiều của các dòng điện IE, IB, IC . 3. Các cách mắc Tranzito ở chế độ khuếch đại Khi sử dụng về nguyên tắc có lấy hai trong số ba cực của tranzito làm đầu vào, cực thứ ba còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Nhƣ vậy có tất cả sáu cách mắc mạch khác nhau. Nhƣng dù mắc nhƣ thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Trong số sáu cách mắc đó thì chỉ có ba cách mắc là tranzito có thể khuếch đại đƣợc công suất, đó là cách mắc chung Emitơ (EC), chung Bazơ (BC) và chung Colectơ (CC). Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế. C C E B E B ua ura ura uvào uvào uvào E B C Hình a: Mắc EC Hình b: Mắc BC Hình c: Mắc CC Từ cách mắc đƣợc dùng trong thực tế của tranzito, về mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một mạng 4 cực gần tuyến I1 I2 tính có hai đầu vào và hai đầu ra. Có thể viết ra 6 cặp phƣơng trình mô tả quan hệ giữa U1 T U2 đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực trong đó dòng điện và vào ra điện áp là những biến số độc lập. Nhƣng trong thực tế tính toán thƣờng dùng nhất là 3 cặp phƣơng trình tuyến tính sau:
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Cặp phƣơng trình trở kháng có đƣợc khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là biến có dạng sau: r r U f I , I r .I r .I  11 12 I 1 1 2 11 1 12 2 1  U 2 f I1, I2 r21.I1 r22.I2  I2 r21r22 Cặp phƣơng trình dẫn nạp có đƣợc khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp : g g I f U ,U g .U g .U  11 12 U 1 1 2 11 1 12 2 1  I2 f U1,U 2 g21.U1 g22.U 2  U 2 g21g22 Cặp phƣơng trình hỗn hợp : h h U f I ,U h .I h .U  11 12 I 1 1 2 11 1 12 2 1  U 2 f I1,U 2 h21.I1 h22.U 2  U 2 h21h22 Trong đó: rij , gij , hij tƣơng ứng là các tham số trở kháng, dẫn nạp và hỗn hợp của tranzito. Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phƣơng trình trên, ta sẽ xác định đƣợc các tham số vi phân tƣơng ứng của tranzito. Ví dụ: U 1 2 là điện trở ra vi phân; r22 I 2 h22 I1 const I 2 1 g 21 S là hỗ dẫn truyền đạt; U1 r12 U 2 const U1 r11 h11 là điện trở vào vi phân; I1 I2 const I h 2  21 là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân. I1 U 2 const * Sơ đồ tƣơng đƣơng của tranzito: có 2 loại cơ bản là sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên và sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế. - Sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên: dạng của sơ đồ phụ thuộc vào dạng mắc mạch của tranzito và các tham số của sơ đồ trực tiếp biểu thị những tính chất vật lý của tranzito, vì thế các tham số của nó còn gọi là các tham số bản thân hay các tham số vật lý. - Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế: dạng của sơ đồ không phụ thuộc vào dạng mắc mạch của tranzito và đƣợc thành lập dựa trên cơ sở các hệ phƣơng trình cơ bản của các tham số.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự iE iE r E A rC Sơ đồ tương đương tự nhiên hình T E C của tranzito mắc theo sơ đồ gốc chung (BC) rB CE CC B Các tham số cơ bản: rE - điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực emitơ. rB - điện trở khối của vùng bazơ rC - điện trở vi phân của tiếp giáp góp CE - điện dung của tiếp giáp phát CC - điện dung của tiếp giáp góp IE – nguồn dòng tƣơng đƣơng của cực emitơ đƣa tới colectơ. I1 I2 Sơ đồ tương đương thay thế h11 1 U1 U2 của tranzito dựa theo tham số h. h21I1 h22 ~ h12U2 U1, I1, U2, I2 lần lƣợt tƣơng ứng là điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch. h11 - Điện trở đầu vào của tranzito khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu: U h 1 I const 11 I 2 1 U1 h12 - Hệ số phản hồi điện áp khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu: h12 I1 const U2 I2 h21 - Hệ số khuếch đại dòng điện khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu: h21 U2 const I1 I2 h22 - Điện dẫn đầu ra khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu: h22 I1 const U2 Nếu tranzito đƣợc mắc theo mạch phát chung thì các tham số h còn phải có thêm chữ E bên cạnh các chữ số, ví dụ nhƣ: h21E để nói lên rằng các tham số đƣợc xác định cho tranzito mắc theo mạch phát chung, tƣơng tự khi tranzito đƣợc mắc theo mạch gốc
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự chung ta phải thêm chữ B và khi tranzito đƣợc mắc theo mạch góp chung ta phải thêm chữ C Mối quan hệ giữa những tham số h của tranzito trong sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế và những tham số vật lý của nó trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên, khi nó đƣợc mắc theo mạch gốc chung có thể thiết lập đƣợc nếu các phƣơng trình liên hệ giữa dòng điện và điện áp trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên cũng đƣợc viết dƣới dạng tƣơng tự với các phƣơng trình: U1 h11.I1 h12 .U 2 U 2 h21.I1 h22 .U 2 Ta có thể đƣa ra các quan hệ giữa các tham số của hai sơ đồ trên nhƣ sau: Khi U2 = 0 với mạch đầu vào ta có: U1 I1.rE (1 )rB  hay h11B rE (1 )rB Với mạch đầu ra: I2 .I1 do đó h21B khi I1 = 0 U 2 U 2 1 Dòng mạch ra: I 2 do đó h22 rC(B) rB  C(B) rC(B) U I .r r và 1 2 B nên ta có: h B 12 r U 2 I2.rC(B) C(B) 4. Các họ đặc tuyến tĩnh của Tranzito Trƣờng hợp tổng quát, có 4 họ đặc tuyến tĩnh: 4.1. Đặc tuyến vào : uv = f(iv) khi ura = hằng số 4.2. Đặc tuyến ra: ira = f(ura) khi iv = hằng số 4.3. Đặc tuyến truyền đạt: ira = f(iv) khi ura = hằng số 4.4. Đặc tuyến phản hồi: uv = f(ura) khi iv = hằng số
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §4. CÁC DẠNG MẮC MẠCH CƠ BẢN VÀ CÁC HỌ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANZITO 1. Sơ đồ Emitơ chung (EC) Trong cách mắc EC, điện áp vào đƣợc lấy giữa cực B và cực E, điện áp ra lấy từ cực C và cực E. Dòng điện vào, điện áp vào, dòng điện ra và điện áp ra đƣợc đo bằng miliampe kế và vôn kế nhƣ hình vẽ: + 1.1. Họ đặc tuyến vào: mA I VR2 + B IC µA U2 IB = f(UBE) V U VR1 UCE 1 mV UBE IE UCE = const _ _ Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến Ta dùng các nguồn U1, U2 để phân cực cho các tiếp giáp JE, JC. UCE1 U0 thì dòng IB tăng nhanh theo UBE. - Ứng với một giá trị của UBE khi tăng UCE thì đặc tuyến dịch sang phải, dòng IB giảm, vì: khi tăng UCE tức là UCE = UCB + UBE, coi UBE = const, tức là tăng UCB, điện áp ngƣợc của tiếp giáp JC tăng vùng nghèo mở rộng chủ yếu về miền bazơ pha tạp ít, do đó khả năng tái hợp của điện tử và lỗ trống trong miền gốc giảm do đó dòng IB giảm. 1.2. Họ đặc tuyến ra: IC =f(UCE) khi IB = const Để vẽ đặc tuyến ra, giữ IB = const, thay iC (mA) đổi UCE và ghi lại các giá trị tƣơng ứng của dòng IC. Thay đổi IB đến giá trị cố định khác 3 và làm tƣơng tự nhƣ trên sẽ nhận đƣợc họ đặc tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa UCE với i > 0 dòng IC. 2 B - Họ đặc tuyến ra chia làm 3 vùng: tuyến tính, bão hoà, cắt dòng: i = 0 + Vùng  (vùng cắt dòng): với tiếp 0 1 B uCE(V) u ICB0 giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp JE CEbh
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự đƣợc phân cực không (uBE=0) hoặc phân cực ngƣợc. Dòng điện trên cực góp chỉ là dòng điện ngƣợc của tiếp giáp JC (iC=iCB0 0). + Vùng  (vùng khuếch đại): với tiếp giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp phát JE phân cực thuận. Vùng này dòng điện cực gốc iB gần nhƣ tỷ lệ thuận với uBE (trong phạm vi tín hiệu bé) và đƣợc dùng làm vùng làm việc của các bộ khuếch đại vì: u u u i BE vào ; i i  vào ; B R R C B R vào vào vào RC ura E iC RC E ..uvào Rvào + Vùng  (vùng bão hòa) : là vùng mà với mọi giá trị iB khác nhau thì dòng iC chỉ có một giá trị cố định (với các tham số xác định của mạch). Khi đó điện áp giữa các cực của tranzito rất nhỏ và tranzito có thể xem nhƣ quy tụ thành 1 điểm. - Họ đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ IC = f(IB) khi UCE = const đƣợc suy ra từ họ đặc tuyến ra. IC _ mA 2. Sơ đồ bazơ chung (BC) + IE Cực bazơ B dùng chung cho cả đầu mA U2 V UCB U1 vào và đầu ra. Tín hiệu vào đặt giữa cực mV UEB IB E và cực B, tín hiệu ra đặt giữa cực C và _ + cực B. Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến 2.1. Đặc tuyến vào: IE =f(UEB) khi UCB = const - Đặc tuyến vào cũng giống nhƣ đặc tuyến UCB2 > UCB1 IE (mA) thuận của điốt, khi tăng UEB thì dòng IE tăng tƣơng ứng. IE2 Ứng với cùng một giá trị của UEB khi tăng IE1 UCB thì dòng IE tăng, vì: tăng UCB làm điện áp UEB (V) 0 phân cực ngƣợc tại IC tăng, điện trƣờng ngƣợc tại vùng này chính là điện trƣờng thuận đối với các hạt dẫn điện đa số ở miền phát làm cho các hạt dẫn điện từ miền gốc chuyển sang miền góp tăng, IC tăng do đó IE tăng.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2.2. Đặc tuyến ra: I =f(U ) khi I = const C CB E IC mA - Đặc tuyến ra là các đƣờng thẳng Miền khuyếch đại Miền bão hoà IE4 gần nhƣ song song nhau. IC IE IE3 (thƣờng IC IE ). Đặc tuyến ra không IE2 IE1 xuất phát từ gốc 0. V UBC 0 UCB - Khi UCB = 0 vẫn tồn tại dòng IC 0. Vì khi đó trên tiếp giáp JC vẫn tồn tại một điện trƣờng tiếp xúc hƣớng từ khối N sang khối P, nó đẩy các hạt dẫn điện từ miền gốc sang miền góp, do đó IC 0. 3. Sơ đồ Côlêctơ chung (CC): Cực Côlêctơ dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra. + mA + IB IE µA U2 V UEC U1 V UBC IC _ _ Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến IB ( A) IE (mA) Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra I = I 100 B5 Bmax IB4 80 UCE1 UCE2 IB3 60 IB2 40 I B1 20 A IB = 0 V 0 0 U UBC(V) IB IC0(E) EC Hình b: Đặc tuyến vào Hình c: Đặc tuyến ra - Họ đặc tuyến vào của sơ đồ CC có dạng khác hẳn, nó không xuất phát từ gốc 0, vì trong cách mắc này điện áp vào UBC phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UEC. Khi UBC tăng, UEC = const, khi đó UEB giảm làm giảm dòng IB . Dòng IB giảm về bằng 0 khi UBC = UEC, khi đó UEB = 0. - Họ đặc tuyến ra tƣơng tự nhƣ họ đặc tuyến ra của sơ đồ mắc EC bởi vì coi IC IE.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §5. TRANZITO TRƢỜNG (Field Effect Transistor) * Định nghĩa: Tranzito trƣờng FET (hay đúng hơn là tranzito hiệu ứng trƣờng) là một loại tranzito đơn cực, nó làm việc dựa trên hiệu ứng trƣờng và là dụng cụ điều khiển bằng điện áp và chỉ dẫn điện bằng một loại hạt dẫn (n hoặc p). FET chia ra hai loại: + Loại có cực cửa tiếp giáp JFET. + Loại có cực cửa cách ly MOSFET. 1. Tranzito trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET 1.1. Cấu tạo và kí hiệu + D p+ G G _ Kênh n S //////////////////////////// D - S / n ID _ U //////////////////////////// D GS G _ / + _ + G Kênh p + UDS S n Hình a: Cấu tạo Hình b: Kí hiệu Trên một khối bán dẫn loại n (hoặc p) có nồng độ tạp chất thấp, ngƣời ta tạo ra xung quanh nó một lớp bán dẫn loại p (hoặc n) có nồng độ tạp chất cao. Toàn bộ cấu trúc lấy ra ba điện cực: cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain), cực cửa G (Gate). Nhƣ vậy, giữa cực S và cực D hình thành nên một kênh dẫn điện loại n và nó đƣợc cách ly với cực cửa G bởi một lớp tiếp giáp p-n. Cực cửa G đóng vai trò là cực điều khiển khi thay đổi điện áp đặt vào nó. 1.2. Nguyên lý hoạt động Xét loại kênh dẫn n. Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi hai nguồn điện áp: UDS > 0, UGS < 0. - Giữa cực D và cực S có một điện trƣờng mạnh do nguồn điện cực máng UDS cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID . - Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngƣợc, do đó bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần, điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngƣợc lại.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Nhƣ vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực máng ID. - Trƣờng hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị phụ thuộc vào UDS. - UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với cách mắc nhƣ hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực ngƣợc tăng dần từ S tới D tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần. 1.3. Các họ đặc tuyến của JFET - Họ đặc tuyến ra: ID = f(UDS) khi UGS = const - Họ đặc tuyến truyền đạt: : ID = f(UGS) khi UDS = const ID (mA) ID (mA) Vùng bão hoà Vùng IDmax U = 0V gần A DS B gốc - 0,5V - 1V Vùng đánh thủng UDS tăng - 1,5V (V) 0 0 UDS0 Uđt UDS -UGS UGS0 UDS Hình c: Đặc tuyến ra Hình d: Đặc tuyến truyền đạt - Đặc tuyến ra chia làm ba vùng: + Vùng gần gốc (đoạn OA): Dòng ID tăng gần nhƣ tuyến tính theo UDS vì khi đó kênh dẫn đóng vai trò nhƣ một điện trở thuần cho đến khi đặc tuyến bị uốn mạnh tại điểm A. Tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tƣợng thắt kênh, dòng ID hầu nhƣ không tăng theo UDS. Hoành độ điểm A gọi là điện áp thắt kênh. + Vùng bão hoà (đoạn AB): Dòng ID hầu nhƣ không phụ thuộc vào UDS nhƣng phụ thuộc mạnh vào UGS. Khi UGS < 0 tăng dần dòng ID càng giảm, hiện tƣợng thắt kênh xảy ra sớm hơn, điểm thắt kênh dịch dần về gốc toạ độ. + Vùng đánh thủng: Khi UDS đủ lớn, dòng ID tăng đột ngột do tiếp giáp p-n bị đánh thủng tại khu vực gần D do tại vùng này điện áp phân cực ngƣợc đặt lên tiếp giáp p-n là lớn nhất.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 1.4. Các tham số của JFET a- Tham số giới hạn: - ID. max là dòng cực đại qua đèn ứng với điểm B trên đặc tuyến ra ứng với UGS = 0 V ( 50mA). - UDS.maxcp UB / (1,21,5) vài chục vôn. b- Tham số làm việc. - Điện trở trong: ri = rDS = UDS / ID 0,5 M. Thể hiện độ dốc của đặc tuyến ra trong vùng bão hoà. - Hỗ dẫn truyền đạt: cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cửa UGS tới dòng điện cực máng ID. 2. Tranzito trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) Có hai loại: - Kênh n (hoặc p) đặt sẵn. - Kênh p (hoặc n) cảm ứng. 2.1. Cấu tạo G G S D SiO + D  2  S + n+ + + n n n p _ p _ Cực đế Cực đế Hình a: Kênh n đặt sẵn Hình b: Kênh n cảm ứng D D D D G G G G S S S S Kênh n đặt sẵn Kênh p đặt sẵn Kênh n cảm ứng Kênh p cảm ứng Xét loại kênh dẫn n. Trên một khối bán dẫn loại p, ngƣời ta tạo ra hai vùng bán dẫn loại n có nồng độ tạp chất cao. Hai vùng này đƣợc nối thông với nhau bằng một kênh dẫn loại n có thể là kênh đặt sẵn hay kênh cảm ứng. - Trên hai khối bán dẫn n+ lấy ra hai điện cực là cực nguồn S và cực máng D. Phía đối diện với kênh dẫn sau khi phủ một lớp cách điện SiO2 lấy ra điện cực thứ ba gọi là cực cửa G. - Nếu trong quá trình chế tạo, cực S đã đƣợc nối với phiến đế thì MOSFET có ba cực: S, D, G. Trƣờng hợp phiến đế chƣa đƣợc nối với S mà đƣợc dẫn ra ngoài nhƣ là cực thứ tƣ, cực này gọi là cực đế.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2.2. Nguyên lý làm việc a. Với kênh n đặt sẵn - Khi UDS > 0; UGS > 0, các điện tử tự do từ vùng đế đƣợc hút về phía gần cực cửa G làm cho kênh dẫn có nồng độ hạt dẫn tăng lên điện trở R kênh dẫn giảm dòng ID tăng, ta nói đèn làm việc ở chế độ giàu. - Nếu UGS 0; UGS 0 dòng ID qua đèn = 0 vì giữa cực D và cực S tồn tại một điện trở rất lớn. - Khi UDS > 0; UGS > 0 các điện tử bị hút về phía cực G tập trung tạo thành kênh dẫn nối giữa cực D và cực S xuất hiện dòng ID. Khi UGS càng lớn R kênh dẫn càng giảm dòng ID càng tăng. Nhƣ vậy loại này chỉ làm việc ở chế độ giàu. 2.3. Đặc tuyến V-A ID (mA) ID (mA) Vùng bão hoà Vùng UGS > 0 B gần A Chế độ giàu gốc UGS = 0V Chế độ giàu UGS < 0 Chế độ nghèo Chế độ nghèo (V) 0 U 0 Uthắt Uđt DS -UGS UDS0 UGS Hình a: Đặc tuyến ra kênh n đặt sẵn Hình b: Đặc tuyến truyền đạt * Nhận xét: Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của MOSFET tƣơng tự nhƣ JFET, chỉ khác: - Với MOSFET kênh n đặt sẵn, điện áp điều khiển UGS có thể âm hoặc dƣơng tƣơng ứng đèn làm việc ở chế độ giàu và chế độ nghèo. - Loại MOSFET kênh n cảm ứng chỉ làm việc ở chế độ giàu. 2.4. Đặc điểm của Tranzito trƣờng - Vì kênh dẫn và cực điều khiển cách ly về điện nên việc điều khiển dòng điện ra không ảnh hƣởng đến công suất của nguồn tín hiệu vào.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Điện trở đầu vào lớn (109  1012), dòng điện rò đầu vào xấp xỉ không, cho phép tranzito trƣờng có khả năng khuyếch đại đƣợc những nguồn tín hiệu có công suất cực kỳ yếu. - Giữa cực D và cực S có tính chất đối xứng, khi thay đổi vị trí của hai cực này, tính chất của tranzito hầu nhƣ không thay đổi. * Ứng dụng: dùng để khuyếch đại tín hiệu, tạo sóng, phối hợp trở kháng và đƣợc dùng trong các mạch nắn điện có điều khiển §6. THYRISTO 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc A A A P1 IB1 A N1 P1 P1 T1 J1 T1 N1 N1 N1 P2 Ic01 Ic2 J2 T2 G P2 P2 P2 Ic1 I J B2 N1 3 G N N G T 2 2 P 2 2 G IG N2 K K K K Hình a: Cấu tạo Hình b: Sơ đồ tƣơng đƣơng Hình c: Kí hiệu 1.1. Cấu tạo Gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 đặt xen kẽ nhau, giữa các lớp bán dẫn hình thành các tiếp giáp J1, J2, J3. Điện cực nối với P1 gọi là Anốt (A), điện cực nối với P2 gọi là cực điều khiển G, điện cực nối với N2 gọi là Katốt (K). 1.2. Nguyên lý làm việc Để tiện cho quá trình phân tích nguyên lý làm việc của Thyristo, ta coi Thyristo nhƣ hai tranzito T1, T2 khác loại mắc nối tiếp nhau nhƣ hình vẽ b. * Trường hợp cực G hở mạch (IG = 0). - Khi UAK > 0 J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngƣợc, khi đó toàn bộ điện áp UAK đặt lên J2. Khi UAK còn nhỏ trong mạch chỉ có dòng bão hoà ngƣợc của chuyển tiếp J2 (Ico1). - Khi UAK > 0 đủ lớn tăng mức độ phân cực thuận cho tiếp giáp J1, J3, tăng phân cực ngƣợc cho J2. Khi UAK tăng tới điện áp đánh thủng J2 J2 bị đánh thủng trở thành dẫn điện. Khi đó J1, J3 coi nhƣ hai điốt phân cực thuận mắc nối tiếp và nối tắt qua J2 khi đó Thyristo chuyển sang trạng thái mở. Khi Thyristo mở, nội trở của nó giảm về giá trị rất nhỏ coi nhƣ bằng không. Điện áp rơi trên hai cực A và K sẽ là:
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự UAK = UEC1 + UBE2 0,2V + 0,7V 0,9V Nhƣ vậy: Phƣơng pháp tăng điện áp phân cực thuận UAK để Thyristo chuyển từ khoá sang mở gọi là phƣơng pháp kích mở bằng điện áp thuận (phƣơng pháp kích mở tự nhiên). phƣơng pháp này không dùng trong thực tế - Khi UAK 0 điện áp UGK tạo ra dòng (IG + Ico1), nếu dòng này lớn hơn dòng mở của tranzito T2 T2 mở T1 mở Thyristo chuyển sang trạng thái mở hoàn toàn. Khi Thyristo đã mở thì sự có mặt của dòng IG không còn có ý nghĩa. Nhƣ vậy, ta chỉ cần đƣa một điện áp UGK có giá trị nhỏ (một xung điện áp dƣơng có biên độ, độ rộng đủ lớn) làm mở Thyristo. 2. Đặc tuyến V-A IAK Miền dẫn thuận J1 J3 A K _ IG1 U2 > U3 G I I G U G2 U (V) đánh thủng 0 IG 1 AK Ung UF 3 U U U1 3 2 Uctth Miền chắn ngƣợc Miền chắn thuận Đ/áp chọc thủng A K A K thuận _ _ + J2 + J1 J3 J2 Ing Hình d: Đặc tuyến V-A của Thyristor Trong đó: UF là điện áp dẫn thuận (điện áp ghim) - Đặc tuyến V-A của Thyristo chia làm 3 vùng: miền chắn thuận, miền chắn ngƣợc, miền dẫn thuận. - Từ đặc tuyến, thực tế đã chứng minh: điện áp thuận đặt lên A và K càng giảm nếu dòng điều khiển IG càng tăng. U1> U2> U3 IG1< IG2< IG3 .
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự * Chú ý: Khi Thyristo đang thông (mở), để duy trì trạng thái mở của nó ta phải giữ cho dòng IAK lớn hơn một giá trị gọi là dòng điện ghim IH. Muốn khoá Thyristo: - Giảm dòng IAK 0, UGK > 0 3. Một số ứng dụng của Thyristo 3.1. Mạch chỉnh lƣu khống chế kiểu pha xung U Um.sint 0 2 t R Ut t U đk U I1 IG 0 t Ut Uđk RG IRG 0 2 t Hình a: Sơ đồ nguyên lý Hình b: Giản đồ điện áp Nếu đƣa đến cực khống chế G một chuỗi xung kích thích để Thyristo chỉ mở ở các thời điểm nhất định thì dòng và áp trên tải chỉ là từng phần của nửa chu kỳ dƣơng. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: 1 1 U . U sintdt U 1 cos TB m m 2 2 Ví dụ: Cho Uv = 220sint, f = 50Hz, UTB = 40V, xác định góc mở ? Giải: Thay các thông số vào công thức trên, ta đƣợc: 820 3.2. Mạch biến đổi điện áp xoay chiều – xoay chiều dùng hai thyristo mắc song Uđk1 Um.sint song ngƣợc U 0 2 t Ti1 I Uđk1 t 0 t Rt Ut Uv Uđk2 Ti2 Uđk2 It 0 t Hình a: Sơ đồ nguyên lý U t 0 t 2 Hình b: Giản đồ điện áp
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §7. TRIÁC 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc A1 A1 A1 P1 N1 T T N2 4 G 1 G P2 N3 G N4 T T P3 3 2 A2 A2 A2 Hình c: Kí hiệu Hình a: Cấu tạo Hình b: Sơ đồ tƣơng đƣơng Triác có cấu trúc giống nhƣ hai Thyristo mắc song song ngƣợc, có chung cực điều khiển. Do vậy ta không phân biệt Anốt, Katốt mà A1, A2 vừa đóng vai trò Anốt vừa đóng vai trò Katốt, tuỳ thuộc vào điện áp phân cực UA1A2. Ví dụ: UA1A2 > 0 A1 là Anốt, A2 là Katốt. I * Nhận xét: - Triác có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều. UA2A U U U UA1A2 - Cũng nhƣ Thyristo, Triác có 1 2 3 0 1 U U3 U2 U1 thể đƣợc kích mở bằng hai phƣơng F pháp đó là phƣơng pháp kích mở bằng điện áp thuận (IG = 0) và I phƣơng pháp kích mở bằng dòng điều Hình d: Đặc tuyến V-A của Triác khiển IG 0. Do có tính dẫn điện theo cả hai chiều nên nó thƣờng đƣợc dùng trong các mạch biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều. * Đặc tuyếnV-A: gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc toạ độ 0.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2. Ứng dụng 2.1. Mạch biến đổi xoay chiều – xoay chiều công suất nhỏ U .sint U m A1 D 0 2 t 1 G Uđk A2 UV U t r 0 R Rt U D2 t 0 t 2 Hình a: Sơ đồ nguyên lý Hình b: Giản đồ điện áp Trong các mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ ta có thể dùng trực tiếp Triác. Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp nhƣ hình vẽ. * Tóm tắt nguyên lý hoạt động: - Nửa chu kỳ dƣơng của Uv : D1 mở, D2 khoá xuất hiện dòng điều khiển qua D1 R cực G tải. - Nửa chu kỳ âm: D1 khoá, D2 mở dòng điều khiển qua D2 R cực G Nhƣ vậy: trên tải nhận đƣợc một phần điện áp xoay chiều. Khi điều chỉnh biến trở R ta có thể thay đổi đƣợc góc mở , do đó thay đổi đƣợc giá trị trung bình của điện áp trên tải. 2.2. Mạch biến đổi xoay chiều-xoay chiều công suất lớn. Trong trƣờng hợp tải lớn mà Triác Rt lớn D1 không thoả mãn, ta sử dụng 2 Thyristo D R 2 mắc song song ngƣợc. Trong đó Triác Uv Ti1 T đóng vai trò tạo dòng điều khiển IG cho i2 D4 U các Thyristo. D3 đk * Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ nguyên lý - Nửa chu kỳ dƣơng của điện áp xoay chiều, nếu đồng thời có xung điều khiển đến cực G của Triác thì Triác dẫn dòng điều khiển qua D1, R, Triác, D4, kích mở Thyristo T1 (lúc đó D3 khoá). - Nửa chu kỳ âm: D1 khoá, dòng điều khiển qua D3, Triác, R, D2, kích mở Thyristo T2. Ta chọn D1, D2, D3, D4 cùng loại để dòng điều khiển vào hai Thyristo có giá trị bằng nhau do đó góc mở của hai Thyristo bằng nhau.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §8. ĐIÁC 1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc Điác có cấu tạo giống nhƣ Triác nhƣng không có cực điều khiển G do đó Điác cũng có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều nhƣng chỉ có thể mở bằng phƣơng pháp kích mở bằng điện áp thuận. 2. Đặc tuyến V-A I A IG = 0 1 UA2A1 U 0 A1A2 IG = 0 A 2 Hình a: Kí hiệu Hình b: Đặc tuyến V-A Đặc tuyến V-A của Điác giống nhƣ Triác khi IG = 0 §9.TRANZITO MỘT TIẾP GIÁP (UJT-Unijuntion Tranzito) (Điốt 2 cực gốc) 1. Cấu tạo B UB1B2 2 B2 + _ B2 R B2 D + - E IE0 E p n l 1 E IE l URB1 2 UEB1 RB1 B1 B B1 1 Hình a: Cấu tạo Hình b: Sơ đồ tƣơng đƣơng Hình c: Kí hiệu Trên một khối bán dẫn loại n- có nồng độ tạp chất thấp, ngƣời ta tạo ra một vùng bán dẫn loại p+ có nồng độ tạp chất cao. Điện cực nối với khối bán dẫn p gọi là cực phát Emitơ (E). Điện cực dẫn ra từ hai đầu khối bán dẫn n gọi là các cực gốc B1, B2. Toàn bộ cấu trúc trên coi nhƣ tƣơng đƣơng với một điốt D và hai điện trở RB1 và RB2. Nhƣ hình vẽ, do cực E lệch về phía cực gốc B1 nên RB1 < RB2. Ta đặt vào B1B2 một điện áp UB1B2 cực tính dƣơng ở B2.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự U B1B2 Khi đó: U RB1 RB1 RB1 RB2 Ở đầu vào ta đặt điện áp UEB1 một chiều có trị số có thể thay đổi đƣợc. 2. Nguyên lý làm việc - Khi UEB1 = 0, điốt D bị phân cực ngƣợc bởi điện áp URB1 nên khi đó qua D chỉ có 1 dòng điện ngƣợc IE0 chảy qua có trị số nhỏ. - Tăng dần UEB1 từ (0 URB1), khi đó mức độ phân cực ngƣợc của điốt D giảm dần, cho tới khi UEB1 = URB1 thì điện áp phân cực trên điốt D bằng 0, dòng ngƣợc IE0 = 0. - Khi UEB1 > URB1 thì điốt phân cực thuận qua điốt xuất hiện dòng điện thuận IE có trị số nhỏ. - Khi tăng UEB1 tới giá trị UEB1.max , UJT mở khi đó các phần tử mang điện đa số (lỗ trống) từ miền phát sẽ tràn vào thanh bán dẫn và đi về phía cực B1. Lúc đó tại vùng B1 số hạt dẫn tăng lên đột ngột do đó điện trở của nó cũng giảm đi đột ngột. Khi dòng IE đủ lớn sẽ làm xuất hiện ở tranzito một tiếp giáp hiệu ứng điện trở âm, đó là: Khi IE tăng RB1 giảm URB1 giảm, vì điốt lý tƣởng hạ áp trên nó coi nhƣ bằng 0 nên UEB1 URB1, do vậy URB1 giảm thì UEB1 cũng giảm theo khi IE tăng. - Khi UEB1 giảm tới giá trị UEB1.min thì UJT chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá (trong mạch phát xung dùng UJT). * Các tham số: - Điện áp đỉnh (UEB1max): là giá trị điện áp đặt vào cực E và cực B1 để UJT mở. - Dòng điện đỉnh (IE1): là giá trị cực tiểu của dòng IE khi UJT mở. - Điện áp đáy (UEB1min) là điện áp đặt vào cực E và cực B1 để UJT chuyển từ khoá sang mở (trong mạch phát xung dùng UJT). - Dòng điện đáy (IE2) là giá trị cực đại của dòng IE chảy qua UJT khi nó mở. - Điện áp nguồn UB1B2 Với: UEB1max = .UB1B2 + UD , trong đó:  = RB1/RB1+RB2 : Hệ số cấu tạo UD : sụt áp trên điốt. - Điốt đang mở muốn duy trì sự mở của nó ta phải đặt một điện áp UEB1 > UEB1max hoặc để nó khoá lại ta giảm UEB1 < UEB1min.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự * Đặc tuyến V-A IE Vùng mà iE > IE2 ; UBE > UBemin IE2 là vùng làm việc bão hòa của UJT. I E1 UEB1 UEB1min UEB1max URB IE0 1 3. Ứng dụng Ta xét một ví dụ dùng UJT để tạo các xung nhọn dƣơng. UC +Ucc UEB1max R R B2 BT UEB1min t B E 2 0 t1 t2 t3 B1 + Ura _ C RB1 Ura t 0 Tra URB1 Hình a: Sơ đồ nguyên lý Hình b: Giản đồ điện áp * Nguyên lý hoạt động: - Tại t = 0, ta cấp nguồn +UBB cho UJT, tụ C đƣợc nạp điện, điện áp trên tụ tăng dần và có dạng đƣờng cong tích phân. Xuất hiện dòng nạp cho tụ : +Ucc R BT C -Ucc - Tại t = t1, UC = UEB1max thì UJT mở, tụ điện C phóng điện theo đƣờng: +C UJT RB1 -C. Ta có điện áp ra: Ura = UC – UEB1 , do khi UJT mở, UEB1 có trị số nhỏ Ura = UC. Cùng với quá trình phóng điện, điện áp trên tụ giảm dần tới thời điểm t2 thì UC = UEB1min UJT khoá lại Ura = URB1 =0 (trong đó URB1 là điện áp rơi trên RB1 khi UJT khoá). Tụ điện C lại tiếp tục đƣợc nạp điện, cứ nhƣ vậy trên RB1 ta nhận đƣợc dãy xung nhọn chính là sƣờn sau của xung điện áp trên tụ C (xung răng cƣa).
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §10. CỦNG CỐ KIẾN THỨC 1. Khái niệm về chất bán dẫn.Trình bày về chất bán dẫn tạp loại n và chất bán dẫn tạp loại p. 2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của điốt bán dẫn. 3. Tại sao nói điốt bán dẫn có tính chất van (chỉnh lƣu)? Cho một ví dụ minh họa. 4. Nêu một số ứng dụng cơ bản của điốt bán dẫn. Cho các ví dụ minh họa. 5. Nêu chức năng, nhiệm vụ của các phần tử trong sơ đồ mạch điện sau và qua đó hãy chứng minh điốt bán dẫn có tính chất van. i1 i M 2 1 D1 D4 * * it Q i2 N u1 i1 C u2~ M Rt i2 i1 D3 2 D2 P M 6. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của điốt ổn áp. 7. Nêu những điểm giống và khác nhau cơ bản giữa điốt bán dẫn và điốt ổn áp (điốt Zener)? 8. Hãy thiết kế mạch điện dùng các linh kiện điện tử bán dẫn thông dụng sao cho nó có giản đồ thời gian và đặc tuyến truyền đạt nhƣ sau: Uvµo U r E t E 0 a) Ura 0 Ung UV E t 0 U vµo +E 1 t Ur -E2 E1 Ura b) Ung2 UV 0 0 t Ung1 E -E 2 9. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ bản của Tranzitor Bipolar (BJT). 10. Hãy nêu ba kiểu mắc BJT và phân biệt các thành phần dòng điện, điện áp cổng vào và cổng ra trong mỗi kiểu mắc.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 11. Các đặc tuyến tĩnh của Tranzito? Nêu cách mắc mạch và xây dựng các họ đặc tuyến cho sơ đồ mắc kiểu EC (Emitơ chung). 12. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của Thyristo. 13. Tại sao nói Thyristo là van bán dẫn có điều khiển? Cho một ví dụ minh hoạ. 14. Nêu những điểm giống và khác nhau cơ bản giữa điốt bán dẫn và Thyristo. 15. Cho mạch điện nhƣ hình 1 với các tham số sau: Điốt là các van lý tƣởng. Biết E1 = +2V, E2 = -3V. u1(t) có dạng là một xung tam giác đối xứng qua gốc 0 với biên độ u 1 (t) R u2(t) ±U = ±5V, chu kỳ T = 20ms. Giả thiết R = 1k; D1 D2 1m 1 + _ E E Rt = 20k >>R. 1 _ 2 + a) Phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ khi có điện áp u1(t) tác động trong một chu kỳ Hình 1 b) Vẽ các đồ thị u1(t), u2(t) và u2(u1). c) Tính các tham số của điện áp u2(t) ở cả hai bán kỳ dƣơng và âm: biên độ, độ rộng sƣờn trƣớc, sƣờn sau, độ rộng đỉnh. 16. Cho mạch điện nhƣ hình 2, giả thiết các van D1, D2 là D1 D2 lý tƣởng (Rthuận <<R1, R2 <<Rngƣợc , R1 << R2, điện áp trên u1(t) u2(t) điốt mở bằng 0) R1 R2 _ + Biết E1 = +3V, E2 = -2V. u1(t) là 1 điện áp tam giác đối E1 E2 _ + xứng qua gốc 0 với biên độ ±U1m = ±6V, chu kỳ T1 = 30ms. a) Phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ khi có điện áp Hình 2 u1(t) tác động trong 1 chu kỳ b) Vẽ các đồ thị u1(t), u2(t) và u2(u1). c) Tính các tham số của điện áp u2(t) ở cả hai bán kỳ dƣơng và âm: biên độ, độ rộng sƣờn trƣớc, sƣờn sau, độ rộng đỉnh. uR 17. Cho sơ đồ nhƣ hình bên.Biết R=1(KΩ), 0 uvào =10.sin(2 ft+45 ) (vôn), E= -6 (vôn) R= 1k uRa D Điốt Đ là lý tƣởng. - a) Hãy tính toán và vẽ các đồ thị: 6V uvao + uvào(t),E(t),iR(t),uR(t),uD(t),ura(t). b) Vẽ Đặc tuyến truyền đạt ura=f(uvào). 18. a) Tìm cấu trúc của mạch gồm các điot lý i( mA) tƣởng Đ,các điện trở R,các nguồn một chiều E và 3 Uvao(V) giá trị của chúng để thỏa mãn đặc tuyến Von- -6 -4 0 Ampe nhƣ hình bên. 0 3 6 9 b) Để cho đặc tuyến Von-Ampe là một đƣờng thẳng chạy từ góc phần tƣ thứ ba qua hai điểm có tọa độ: O{U v = 0 (V),i=0 (mA)} và
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự uR A{U v =3 (V),i=3(mA)} thì cấu trúc và tham số của R= 1k uRa mạch thế nào? Hãy vẽ mạch và chỉ ra tham số của D các linh kiện. - 6V uvao + 19. Cho mạch điện nhƣ hình vẽ.Biết Điốt Đ là lý uvµo(V) tƣởng, điện áp vào và nguồn một chiều E đƣợc cho uvao 6 t(ms) 10 20 30 0 trên đồ thị. -6 ura t(ms) a) Hãy tính toán và vẽ các đồ thị: 0 iR(t),uR(t),u (t),ura(t) D iR t(ms) 0 b) Vẽ đặc tuyến truyền đạt ura=f(uvào)
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự CHƢƠNG II. KHUẾCH ĐẠI 1 - Nội dung : - Khái niệm về bộ khuếch đại - Các tham số cơ bản của một tầng khuếch đại - Phân loại - Sử dụng các linh kiện điện tử để thiết kế một bộ khuếch đại 2 – Mục đích : - Giúp sinh viên nắm đƣợc khái niệm về thực chất của một bộ khuếch đại - Các yêu cầu cơ bản để xây dựng một tầng khuếch đại - Từ lý thuyết về các linh kiện bán dẫn đã học ở chƣơng 1, ứng dụng vào để thiết kế một tầng khuếch đại theo yêu cầu cho trƣớc. - Ngoài các mục đích của bài học là cung cấp các kiến thức cho sinh viên trên lớp, còn có mục đích đó là tăng khả năng đọc sách, tài liệu và khai thác các kiến thức trên mạng Internet qua phần tự nghiên cứu ở nhà. 3 – Các tài liệu tham khảo [1] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo Dục, 2008. [2] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Bài tập Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất bản Giáo dục, 2008. [3] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp. [4] TS. Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, 2005. [5] TS Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Giáo dục, 2005. [6] Các nguồn tài liệu mở (Internet và các nguồn tài liệu khác). 4 – Nội dung chƣơng trình §1. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại (dạy trên lớp). 2. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại (dạy trên lớp). 3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại (dạy trên lớp). 3.1. Chế độ A 3.2. Chế độ B 3.3. Chế độ AB
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 4. Hồi tiếp (phản hồi) trong khuếch đại. (tự nghiên cứu) 4.1. Định nghĩa 4.2. Phân loại 4.3. Ảnh hưởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch §2. PHÂN CỰC VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA TRANZITO 1. Nguyên tắc chung phân cực cho Tranzito (dạy trên lớp). 2. Đƣờng tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh (dạy trên lớp). 3. Ổn định điểm làm việc tĩnh khi nhiệt độ thay đổi (dạy trên lớp). 4. Các phƣơng pháp phân cực cho tranzito 4.1. Phân cực tranzito bằng dòng không đổi (dạy trên lớp). 4.2. Phân cực Tranzito bằng điện áp phản hồi (tự nghiên cứu). 4.3. Phân cực bằng dòng Emitơ (tự phân cực) (dạy trên lớp). §3. TẦNG KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO BIPOLAR 1. Tầng khuếch đại Emitơ chung (EC) (dạy trên lớp). 1.1. Sơ đồ nguyên lý 1.2. Nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại 1.3. Đặc điểm 2. Tầng khuếch đại Colectơ chung (CC) (tự nghiên cứu). 2.1. Sơ đồ nguyên lý 2.2. Đặc điểm 3. Mạch khuếch đại Bazơ chung (BC) (tự nghiên cứu). 3.1. Sơ đồ nguyên lý 3.2. Đặc điểm §4. GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI (tự nghiên cứu). 1. Ghép tầng bằng điện trở và tụ điện (R-C) 2. Ghép tầng bằng máy biến áp và tụ điện §5. TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT (dạy trên lớp). 1. Tầng khuếch đại công suất đơn 2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo làm việc ở chế độ A (hoặc AB) §6. KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU (tự nghiên cứu). 1. Khái niệm chung 2. Khuếch đại một chiều ghép trực tiếp
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 3. Tầng khuếch đại vi sai (khuếch đại tín hiệu có sai lệch nhỏ) 3.1. Trường hợp khi chưa có tín hiệu vào 3.2. Khi có tín hiệu vào §7. KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN (OA) 1. Khái niệm chung (dạy trên lớp). 2. Đặc tuyến truyền đạt: ura = f(uvào) (dạy trên lớp). 3. Các giả thiết lý tƣởng (dạy trên lớp). 4. Các hệ quả (dạy trên lớp). 5. Một số ứng dụng của KĐTT 5.1. Mạch khuếch đại đảo (dạy trên lớp). 5.2. Mạch khuếch đại không đảo (dạy trên lớp). 5.3. Mạch khuếch đại cộng đảo (tự nghiên cứu). 5.4. Mạch khuếch đại cộng không đảo (tự nghiên cứu). 5.5. Mạch khuếch đại trừ (tự nghiên cứu). 5.6. Mạch tích phân (dạy trên lớp). 5.7. Mạch vi phân (dạy trên lớp). §8. CỦNG CỐ KIẾN THỨC (thảo luận trên lớp và tự nghiên cứu)
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §1. KHÁI NIỆM CHUNG 1. Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại Bộ khuếch đại là thiết bị dùng để làm tăng các tham số tín hiệu điện (U,I,P), gồm mạch vào nối với nguồn tín hiệu cần khuếch đại, mạch ra đƣợc nối với tải. Nó là thiết bị cho phép biến đổi tín hiệu nhỏ bé ở đầu vào thành tín hiệu đầu ra có công suất lớn. Một trong những ứng dụng của Tranzito là khuếch đại. Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lƣợng có điều khiển, trong đó năng lƣợng của nguồn một chiều (không chứa đựng thông tin) đƣợc biến đổi thành năng lƣợng xoay chiều (mang thông tin) và là quá trình xử lý thông tin dạng tƣơng tự. Phần tử cơ bản tạo nên tầng khuếch đại là phần tử điều khiển PKĐ và điện trở tải R, trong đó PKĐ có nội trở trong thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển đƣa tới đầu vào do đó điều khiển đƣợc quy luật biến đổi của dòng điện, điện áp mạch ra theo quy luật biến đổi biến đổi của dòng điện, điện áp vào nhƣng với biên độ lớn hơn nhiều lần. - Xét tầng khuếch đại có phần tử điều khiển là Tranzito Bipolar. ira +EC +Ec I rm I R IC RC IB Ir0 PKĐ 0 t ura Rt ura u uvào vào I u E ra Tín hiệu vào đặt lên cực B và cực E, tín hiệu ra đặt lên U cực C và cực E. Khi tín hiệu vào là hình sin thì tín hiệu ra r0 0 Urm t cũng là hình sin mang đầy đủ quy luật của tín hiệu vào nhƣng với biên độ lớn hơn nhiều lần. Dòng điện, điện áp mạchra phải đƣợc coi là tổng của thành phần xoay chiều đƣợc xây dựng dựa trên nền thành phần một chiều, tức là thoả mãn điều kiện: Irm Ir0 và Urm Ur0 (*) Trong đó: Irm , Urm là biên độ cực đại của thành phần xoay chiều đầu ra. Ir0 , Ur0 là thành phần một chiều, đặc trƣng cho chế độ tĩnh. Nếu điều kiện (*) không thoã mãn thì dòng điện, điện áp mạch ra trong một khoảng thời gian nào đó sẽ bằng 0, tín hiệu ra bị méo dạng. Nhƣ vậy để đảm bảo chế độ công tác cho tầng khuếch đại khi có tín hiệu vào thì ở mạch ra của nó phải có thành
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự phần một chiều Ir0 , Ur0 do đó ở mạch vào của tầng khuếch đại phải có thêm thành phần một chiều Iv0 , Uv0 . Các thành phần dòng, áp một chiều xác định chế độ tĩnh của tầng KĐ. Các tham số theo chế độ tĩnh ở mạch vào Iv0 , Uv0 và mạch ra Ir0 , Ur0 đặc trƣng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi chƣa có tín hiệu vào. 2. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại * Hệ số khuếch đại K: Đại lƣợng điện đầu ra K= Đại lƣợng điện tƣơng ứng ở đầu vào - Hệ số khuếch đại dòng điện: KI = Ira / Ivào - Hệ số khuếch đại điện áp: KU = Ura / Uvào - Hệ số khuếch đại công suất: KP = Pra / Pvào * Trở kháng vào : Zvào = Uvào / Ivào . Trở kháng ra : Zra = Ura / Ira * Méo không đƣờng thẳng : là méo do tính chất phi tuyến của Tranzito (đặc tuyến vào -ra của tranzito không tuyến tính) gây ra, méo không đƣờng thẳng đƣợc đánh giá bởi hệ số méo: 2 2 2 U 2m + U 3m + +U nm  = () U1m Với: U1m là biên độ sóng hài cơ bản (bậc 1) có tần số  U2m , U3m Unm là biên độ các sóng hài bậc cao có tần số 2, 3, n. 3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại Để Tranzito làm việc ở chế độ khuyếch đại, cần thoã mãn hai điều kiện sau: - Tiếp giáp JE luôn phân cực thuận. - Tiếp giáp JC luôn phân cực ngƣợc - Khi điều kiện phân cực đƣợc thoã mãn cần ổn định chế độ tĩnh đã đƣợc xác lập để trong quá trình làm việc, chế độ làm việc của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộc vào dòng điện và điện áp điều khiển đƣa tới đầu vào. Khi đã đảm bảo các điều kiện phân cực và ổn định điểm làm việc cho phần tử khuếch đại thì điểm làm việc tĩnh của tầng khuếch đại sẽ cố định ở một vị trí trên họ đặc tuyến ra. - Tuỳ theo vị trí điểm làm việc tĩnh P, ta có các chế độ làm việc nhƣ sau:
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Xét một mạch khuếch đại nhƣ hình vẽ (sơ đồ mắc theo kiểu EC): IC B EC/RC M IBmax +EC RC IC Đƣờng tải một chiều IB P C IB0 IC0 Rt Ur Uv IE N IB=0 0 A UCE UCE0 EC - Khi Uvào = 0: phƣơng trình đƣờng tải tĩnh (đƣờng tải một chiều) UCE0 = EC - IC0RC Phƣơng trình đƣờng tải tĩnh đi qua các điểm A(Ec; 0); B(0; EC/RC); - Khi Uvào ≠ 0: phƣơng trình đƣờng tải động (đƣờng tải xoay chiều) uCE = EC - iC .(RC//Rt) trong đó iC là tổng của thành phần một chiều IC0 và thành phần xoay chiều đƣa đến đầu vào. Điểm làm việc tĩnh P khi đó đƣợc xác định bởi tọa độ (UCE0, IC0) hoặc (UCE0, IB0). Tùy theo vị trí của điểm điểm làm việc tĩnh trên đƣờng tải tĩnh, ngƣời ta phân ra các chế độ làm việc khác nhau của một tầng khuếch đại. 3.1. Chế độ A: i - Điểm làm việc tĩnh P nằm giữa C IBmax M điểm M và N, với M, N là giao điểm của đƣờng tải tĩnh với các đƣờng đặc tuyến ra iC~ I tĩnh ứng với các chế độ tới hạn của P B0 IC0 tranzito UBEmax (hay IBmax) và UBE = 0 (hay IB = 0). IB=0 N U - Đặc điểm: 0 C0 uCE + Tín hiệu ra tồn tại trong cả chu kỳ của tín hiệu vào uC~ + Méo không đƣờng thẳng A nhỏ. + Hiệu suất làm việc A thấp do dòng điện một chiều IC0 lớn - Ứng dụng: là chế độ làm việc cơ bản của các tầng khuyếch đại điện áp và tầng khuếch đại công suất đơn.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 3.2. Chế độ B: Điểm làm việc tĩnh P đƣợc chọn ở vị trí thấp nhất của đƣờng thẳng phụ tải (trùng với điểm N). - Đặc điểm: + Tín hiệu ra chỉ tồn tại trong một nửa chu kỳ của tín hiệu vào + Méo không đƣờng thẳng B lớn. + Hiệu suất làm việc B khá cao do dòng IC0 nhỏ (chế độ một chiều không tiêu thụ năng lƣợng). - Ứng dụng: đƣợc dùng trong tầng khuếch đại công suất đẩy-kéo. 3.3. Chế độ AB: là chế độ làm việc trung gian giữa chế độ A và chế độ B, điểm làm việc nằm trên đoạn PN. Vì nó là chế độ trung gian giữa chế độ A và chế B nên: A AB B; A AB B - Khi điểm làm việc nằm ngoài điểm M và N, tranzito làm việc ở chế độ giới hạn, nếu điểm làm việc nằm ngoài M tranzito làm việc ở chế độ mở bão hoà. Nếu nằm ngoài điểm N, tranzito làm việc ở chế độ cắt dòng (làm việc trong chế độ “xung”- xét phần sau). 4. Hồi tiếp (phản hồi) trong khuếch đại. 4.1. Định nghĩa Hồi tiếp (hay còn gọi là phản hồi) là quá trình đƣa một phần tín hiệu từ đầu ra quay về đầu vào với mục đích thay đổi các tham số cũng nhƣ chế độ làm việc cho bộ khuếch đại. Phản hồi cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao về chất lƣợng. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại có phản hồi. Trong đó: Uv U Ura K: hệ số khuếch đại khi chƣa có phản hồi.  K : hệ số phản hồi; Uv : tín hiệu vào; Ura : tín hiệu ra;  U : tín hiệu sai lệch; Uph : tín hiệu phản hồi. Uph 4.2. Phân loại - Tuỳ theo cách mắc mạch phản hồi, ta có: + Phản hồi nối tiếp + Phản hồi song song + Phản hồi nối tiếp - nối tiếp; song song - song song
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự + Phản hồi nối tiếp - song song ; song song - nối tiếp - Tuỳ thuộc vào đại lƣợng phản hồi về đầu vào, ta có: + Phản hồi dòng điện + Phản hồi điện áp + Phản hồi hỗn hợp - Phụ thuộc vào pha của tín hiệu phản hồi, ta có hai loại phản hồi cơ bản: + Phản hồi âm: là phản hồi mà tín hiệu phản hồi ngƣợc pha (ngƣợc dấu) so với tín hiệu vào bộ khuếch đại nên làm yếu tín hiệu vào, giảm hệ số khuếch đại của mạch nhƣng các tính chất khác đƣợc cải thiện nhƣ nâng cao độ ổn định, mở rộng dải thông, giảm độ méo + Phản hồi dƣơng: là phản hồi mà tín hiệu phản hồi cùng pha (cùng dấu) so với tín hiệu vào, cho nên làm tăng tín hiệu vào, tăng hệ số khuếch đại nhƣng lại làm cho mạch làm việc không ổn định có thể gây nên hiện tƣợng tự kích (tự dao động). Ngoài ra, phụ thuộc vào loại dòng điện đƣợc truyền từ đầu ra trở lại đầu vào bộ khuếch đại ta có các loại phản hồi theo dòng một chiều và phản hồi theo dòng xoay chiều, trong đó phản hồi âm dòng một chiều dùng để ổn định chế độ làm việc cho tranzito khi chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ, còn phản hồi âm dòng xoay chiều để ổn định các tham số cho mạch khuếch đại. 4.3. Ảnh hưởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch Từ sơ đồ khối ta có: U = Uv Uph Uv = U  Uph (*) Chia hai vế của (*) cho Ura U U U ta có: V   ph . Ur Ur Ur Trong đó: Kph = Ura / Uv : hệ số khuếch đại khi có phản hồi K = Ura / U : hệ số khuếch đại khi chƣa có phản hồi.  = Uph / Ura : hệ số truyền đạt của khâu phản hồi. Kph = K / (1  K.). Dấu (-) là hồi tiếp dƣơng, dấu (+) là hồi tiếp âm. * Nếu là phản hồi âm: Kph = K / (1 + K.) K. Tức là hệ số khuếch đại khi có phản hồi âm bị giảm, tuy nhiên độ ổn định của mạch sẽ tăng, khi tăng độ sâu hồi tiếp độ ổn định của mạch càng tăng, vì vậy hồi tiếp âm hay đƣợc dùng trong khuếch đại. * Nếu là phản hồi dƣơng: Kph = K / (1 - K.) > K. Tức là hệ số khuếch đại của mạch tăng, độ ổn định của mạch bị giảm. Trƣờng hợp đặc biệt, khi K.  = 1 thì Kph = . Khi đó sơ đồ làm việc ở chế độ tự kích thích, khi đó nhận đƣợc tín hiệu ra ngay cả khi không có tín hiệu vào nên hồi tiếp dƣơng ít đƣợc sử dụng trong khuếch đại.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự §2. PHÂN CỰC VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA TRANZITO 1. Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito Muốn tranzito làm việc nhƣ một phần tử tích cực thì các tham số của tranzito phải thoả mãn các điều kiện thích hợp, các tham số này phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực của các tiếp giáp JE và JC. Có nghĩa là các tham số này phụ thuộc vào vị trí điểm làm việc của tranzito. Muốn Tranzito làm việc ở chế độ khuyếch đại cần thoả mãn các điều kiện sau: - Tiếp giáp JE phân cực thuận - Tiếp giáp JC phân cực ngƣợc 2. Đƣờng tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh * Đƣờng tải tĩnh đƣợc vẽ trên họ đặc tuyến ra tĩnh để nghiên cứu mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của tranzito khi mắc nó trong một mạch cụ thể nào đó. * Điểm làm việc tĩnh (hay còn gọi là điểm phân cực) là giao điểm của đƣờng tải tĩnh với đƣờng đặc tuyến ra tĩnh xác định dòng điện và điện áp trên tranzito khi không có tín hiệu vào hay xác định điều kiện phân cực cho tranzito. - Xét mạch mắc chung EC. IC (mA) +Ec Đặc tuyến ra E /R B RB IB IC RC C IB4 C IB3 P IB2 = IB0 Rt UCE IC0 UBE IB1 IE IB = 0 0 UCE0 E A U (V) C CE Ta có: Phƣơng trình của đƣờng tải một chiều: UCE = EC – IC.RC , đây là phƣơng trình đƣờng thẳng nên chỉ cần xác định 2 điểm đặc biệt: + Điểm không tải: A (EC, 0). + Điểm ngắn mạch: B (0, EC / RC). Ta có phƣơng trình mạch vào: IB.RB + UBE = EC IB = IB0 = (Ec – UBE) / RB. Thƣờng UBE (0,3  0,7) V.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Giao điểm của đƣờng tải tĩnh AB với đặc tuyến ra tĩnh tại giá trị IB = IB0 gọi là điểm làm việc tĩnh P. Từ P gióng xuống các trục toạ độ tìm đƣợc IC0, UCE0. Các giá trị IB0, IC0, UCE0 xác định chế độ tĩnh của tranzito khi chƣa có tín hiệu vào. 3. Ổn định điểm làm việc tĩnh khi nhiệt độ thay đổi Tranzito là linh kiện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, hai đại lƣợng phụ thuộc rõ rệt nhất vào nhiệt độ là điện áp UBE và dòng điện ngƣợc ICB0. Nhƣng ảnh hƣởng của nhiệt độ tới dòng ICB0 lớn hơn nhiều so với ảnh hƣởng của nhiệt độ tới điện áp UBE. Do đó, khi nói tới ổn định nhiệt cho tranzito là nói tới ổn định nhiệt cho dòng ICB0. 4. Các phƣơng pháp phân cực cho tranzito 4.1. Phân cực tranzito bằng dòng không đổi Phân cực bằng dòng không đổi là phƣơng pháp tạo ra dòng điện không đổi trong suốt quá trình làm việc của tranzito. +Ec Giả sử ta có sơ đồ phân cực nhƣ hình bên: RB IB IC RC dòng IB đƣợc cố định bằng nguồn EC và điện trở RB. E U C BE Rt UCE Ta có: IB UBE RB IE Khi làm việc UBE (0,3  0,7) V, rất nhỏ có thể bỏ qua IB EC / RB = không đổi. * Nhận xét: - Độ ổn định nhiệt khá lớn và nó phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại dòng điện của tranzito. - Phƣơng pháp phân cực này đƣợc sử dụng khi yêu cầu về độ ổn định nhiệt không cao. 4.2. Phân cực tranzito bằng điện áp phản hồi Một phần điện áp ra UCE đƣợc đƣa về đầu vào qua RB tạo nên dòng IB điều khiển cho sơ đồ. Ở cách mắc này, lợi dụng sự tăng của dòng IC làm giảm dòng IB dẫn tới dòng IC giảm, +E đƣa dòng IC quay trở về giá trị ban đầu. C (IB+IC) R Ta có phƣơng trình điện áp ở mạch ra: C EC = (IB + IC). RC + UCE (1) RB IB IC Phƣơng trình điện áp ở mạch vào: Rt UCE UBE EC = (IB + IC). RC + IB. RB + UBE (2) IE Vì UBE nhỏ nên có thể bỏ qua. Từ (1) và (2) suy ra:
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự IB. RB UCE (3) 0 - Nếu t tăng ICB0 tăng IC tăng UCE giảm IB giảm IC giảm. 0 - Nếu t giảm ICB0 giảm IC giảm UCE tăng IB tăng IC tăng. Nhƣ vậy với cơ cấu hồi tiếp này dòng IC đƣợc giữ tƣơng đối ổn định. * Sơ đồ này có độ ổn định nhiệt tốt hơn mạch phân cực bằng dòng không đổi, tuy nhiên cả hai mạch phân cực này không thể tăng độ ổn định nhiệt lên cao vì điểm làm việc tĩnh và độ ổn định nhiệt của mạch phụ thuộc lẫn nhau nên chất lƣợng ổn định không cao. 4.3. Phương pháp tự phân cực Ở sơ đồ này, điện trở R1, R2 tạo thành bộ phân áp tạo điện áp UB đặt vào cực gốc của tranzito. +Ec U U U E B BE R1 R Vì: IE IR1 IC C RE RE IB Vì dòng IB nhỏ nên dòng qua R1 bằng dòng qua R2 UCE EC R2 IR2 U B .R2 . Nếu UBE rất nhỏ so với UB , thì: IE R1 R2 RE UE IE UB/RE = const 0 - Nếu t tăng ICB0 tăng IC tăng IE tăng UE tăng UBE giảm Tranzito khoá bớt lại làm giảm dòng IB giảm dòng IE IC giảm. 0 - Nếu t giảm ICB0 giảm IC giảm IE giảm UE giảm UBE tăng Tranzito mở thêm làm tăng dòng IB tăng dòng IE IC tăng. * Nhận xét: Sơ đồ có độ ổn định nhiệt cao, đây là sơ đồ phân cực cơ bản đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế §3. TẦNG KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO BIPOLAR 1. Tầng khuếch đại Emitơ chung (EC) 1.1. Sơ đồ nguyên lý +Ec - Trên sơ đồ, các tụ C , C là các tụ nối tầng. IC 1 2 R1 IR1 Rc C2 C IB + Tụ C1 ngăn ảnh hƣởng của nguồn tín hiệu đến 1 B C chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại theo Rt IE ura uvào R2 IR1 CE dòng một chiều đồng thời dẫn tín hiệu xoay chiều RE E đến cực gốc của Trazitor.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự + Tụ C2 để ngăn thành phần một chiều không cho qua tải và dẫn tín hiệu xoay chiều từ cực góp ra tải. - Bộ phân áp R1 , R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng (xác định UB0). - Điện trở RE để tạo phản hồi âm theo thành phần dòng một chiều IE để ổn định điểm làm việc tĩnh của tầng khuếch đại khi nhiệt độ thay đổi. - Tụ CE để ngăn phản hồi âm theo thành phần dòng xoay chiều iE, là phản hồi làm giảm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại. - Dòng điện tĩnh của phần tử điều khiển IC0 đƣợc tạo thành do dòng điện tĩnh IE0 thông qua sự điều khiển của RE và dòng IB0. iC IBmax iB Ec/ iC~ (Rc+RE) IBm Irm iB~ P μA P t IC0 IB0 t I =0 B u UBE0 B ICE0 UC0 EC uC UBm ∆UC0 Urm b) uB~ a) uC~ t t Xác định chế độ tĩnh của tầng EC 1.2. Nguyên lý hoạt độnga. Trên của h tầngọ đặ ckhuếch tuyến ra; đại b. Trên đặc tuyến vào Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết nhiệm vụ lựa chọn một cách hợp lý các phần tử trên sơ đồ để nhận đƣợc các tham số cần thiết. Có thể xác định các tham số đầu ra Irm và Urm khi biết tín hiệu vào bằng phƣơng pháp đồ thị. - Khi chƣa có tín hiệu vào (uv = 0) thì tầng khuếch đại làm việc ở chế độ tĩnh với phụ tải tĩnh. Khi đó dòng điện trong tầng khuếch đại và điện áp giữa các điểm là dòng điện và điện áp một chiều, ura = 0. Khi đó phƣơng trình đƣờng tải tĩnh là: UCE0 EC IC0 RC I E0 RE EC IC0 (RC RE ); 1 Phƣơng trình đƣờng tải tĩnh đi qua 2 điểm A (EC, 0) và B (0, EC/(RC+RE), điện trở phụ tải tĩnh là Rt RC RE .
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Khi có tín hiệu xoay chiều đƣa đến đầu vào của tầng khuếch đại thì nó sẽ chuyển sang làm việc ở chế độ động với phụ tải động. Điện áp xoay chiều của tín hiệu sẽ làm xuất hiện dòng điện xoay chiều cực gốc iB~ , ở mạch ra xuất hiện dòng iC~ xoay chiều , hạ áp trên RC tạo nên điện áp xoay chiều trên Colectơ. Điện áp này thông qua tụ CP2 sẽ đƣợc đƣa tới phụ tải. Khi có tín hiệu vào (uvào ≠ 0) thì dòng iB thay đổi, iB đƣợc coi là tổng của thành phần một chiều IB0 (xác lập trong chế độ tĩnh) và thành phần xoay chiều do uvào tạo ra: iB = IB0 + iB~. Kết quả là iC thay đổi theo với hệ số β lần dòng iB. Dòng iC tạo trên điện trở RC một lƣợng điện áp biến thiên, chính điện áp biến thiên này đƣợc đƣa tới đầu ra. Do đó đƣờng tải động phải đi qua điểm làm việc tĩnh. Đƣờng tải động biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp cực góp với thành phần xoay chiều của dòng điện cực góp. uC UCE0 iC (RC // Rt ) iC IC0 iC~ Vì điện trở phụ tải của thành phần xoay chiều nhỏ hơn điện trở phụ tải đối với thành phần một chiều do đó đƣờng tải xoay chiều dốc hơn đƣờng tải một chiều. Với cách xây dựng nhƣ vậy, đƣờng tải xoay chiều đặc trƣng cho sự thay đổi giá trị tức thời của dòng điện và điện áp trên cực góp của tranzito (uCE) khi giá trị tức thời của tín hiệu vào thay đổi. Hay nói cách khác nếu tín hiệu vào có dạng hình sin thì điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm làm việc tĩnh. Từ đó ta thấy nếu muốn tín hiệu ra không bị méo so với tín hiệu vào thì điểm làm việc trong chế độ động (ứng với tín hiệu vào là lớn nhất hoặc bé nhất) không đƣợc rơi vào vùng bão hòa cũng nhƣ vùng cắt dòng trên đặc tuyến). Tức là: UC0 Urm UCE0 IC0 Irm ICE0 trong đó: ∆UCE0 là điện áp colectơ ứng với đoạn đầu của đặc tuyến ra (UCE bão hòa hay khi đó dòng điện cực góp không phụ thuộc dòng điện cực gốc), ICE0 là dòng điện cực góp ban đầu, Urm, Irm là biên độ điện áp và dòng điện đầu ra. Urm, Irm có mối quan hệ: U rm U rm Irm ~ RC // Rt Rt
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự uvào t uBE UBE0 t IB0 t uE UE0 t iC IC0 t UC0 t ura t uvào t Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại EC Lựa chọn giá trị của các linh kiện - Tính chọn RC. Để tăng hệ số khuếch đại thƣờng chọn giá trị của điện trở RC lớn hơn Rt từ 3 ÷ 5 lần. - Dựa vào dòng IC0 đã chọn ta tính dòng bazơ, emitơ tĩnh: I I I I C0 CE0 C0 ; I I B0   E0 C0 - Từ đó chỉ số nguồn EC đƣợc chọn theo: EC UCE0 IC0 RC I E0 RE UCE0 IC0 (RC RE ) - Điện trở của khâu ổn định nhiệt RE càng lớn thì khả năng ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh càng cao, tuy nhiên nếu chọn RE lớn thì hiệu suất giảm, do đó thƣờng chọn sao cho sụt áp rơi trên RE bằng (0.1 † 0.3) điện áp nguồn. (0.1 0.3)EC RE IC0 - Khi tính đến khâu phân áp đầu vào: để ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh thì phải đảm bảo sao cho sự thay đổi của dòng IB0 ít ảnh hƣởng đến UB0, muốn vậy thì dòng IP >> IB0 (IP là dòng điện chạy qua điện trở R2) muốn IP lớn thì R1R2 phải nhỏ. Mặt khác trong chế độ xoay chiều thì R1 nối song song với R2 và song song với mạch vào của tranzito gây ra tác dụng rẽ mạch ảnh hƣởng xấu đến đầu vào của bộ khuếch đại, do đó thƣờng chọn R1 // R2 (2  5)rv
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự với rv là điện trở đầu vào của tranzito đối với thành phần xoay chiều. I P (2  5)I B0 U B0 U BE0 U E0 R2 I P I P EC U B0 R1 I P I B0 * Phƣơng pháp giải tích để tính chế độ xoay chiều tín hiệu bé: Các tham số quan trọng của tầng khuếch đại nhƣ hệ số khuếch đại dòng KI, hệ số khuếch đại áp KU, hệ số khuếch đại công suất KP, tổng trở đầu vào đầu ra Rv, Rr đƣợc xác định khi tính toán cho tầng khuếch đại ở chế độ xoay chiều. Phƣơng pháp tính dựa trên cơ sở thay thế tranzito tƣơng đƣơng bằng sơ đồ hình T trong chế độ tín hiệu bé. C1 C βiB 2 B rB rC C en C CC CP R1//R2 rE RC Rt E Rn E Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại phát chung Các tụ điện CE, CC là các tụ điện ký sinh của các tiếp giáp trên tranzito, CE là điện dung của tiếp giáp phát, CC là điện dung của tiếp giáp góp, CP là điện dung ký sinh của phụ tải. Ở những tần số thấp và trung bình thì trở kháng của các tụ điện ký sinh CE, CC có giá trị lớn. Khi tầng khuếch đại làm việc với tín hiệu hình sin với tần số trung bình thì trở kháng các tụ C1, C2 nhỏ CE, CC, CP lớn, do đó có thể bỏ qua ảnh hƣởng của các tụ này trong sơ đồ thay thế. + Rv = R1//R2//rV với rV là điện trở đầu vào của tranzito. U BE I BrB I E rE rV rB (1 )rE I B I B thƣờng chọn R1//R2 khá lớn nên Rv rB + (1+β).rE + Rr RC // rC RC vì rC >> RC It It IC RC // Rt RC // Rt RC + KI .   Iv I B I B Rt Rt RC Rt It .Rt Rt + KU KI . IV .(Rn RV ) (Rn RV )
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 3 + K P KU K I ; thƣờng khoảng (0.2 ÷ 5).10 → Tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng và áp khá lớn, nếu chọn RC đủ lớn thì K I  do đó hệ số khuếch đại công suất lớn. Đây là tầng khuếch đại đảo pha, tín hiệu ra ngƣợc pha so với tín hiệu vào. 1.3. Đặc điểm - Điện áp ra ngƣợc pha so với điện áp vào. Giả sử việc tăng điện áp vào theo chiều dƣơng sẽ làm tăng dòng bazơ iB dòng colectơ iC tăng , hạ áp trên RC tăng làm giảm điện áp trên Colectơ (tức là làm giảm điện áp có cực tính dƣơng trên cực Colectơ) hay là xuất hiện ở đầu ra nửa chu kỳ âm điện áp - Hệ số khuếch đại dòng : Ki >>1 - Hệ số khuếch đại điện áp : Ku >>1 - Hệ số khuếch đại công suất : KP >>1 Đây là tầng khuếch đại cơ bản hay dùng trong thực tế. 2. Tầng khuếch đại Colectơ chung (CC) 2.1. Sơ đồ nguyên lý - Phân áp R1 , R2 làm nhiệm vụ chọn điểm làm việc tĩnh. - Các tụ C1 , C2 là các tụ nối tầng. Điện trở RE dùng để tạo điện áp rơi xoay chiều từ đó dẫn qua tụ CP2 sang phụ tải. +E c C 1 βi rB rC B R1 IR1 IC C1 IB C CE rE B en CC C2 R1//R2 uvào ura Rn C2 R2 IR2 RE Rt C P IE RE Rt Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng của tầng khuêch đại góp chung (CC) Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại góp chung giống nhƣ tính toán trong tầng khuếch đại phát chung. Việc tính toán chế độ xoay chiều trong chế độ tín hiệu bé đƣợc dựa trên sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng. Để đơn giản, giả thiết tầng khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hƣởng của các tụ điện. + Rv = R1//R2//rV U BE I BrB I E (rE RE // Rt ) rV rB (1 )(rE RE // Rt ) I B I B
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự vì rE << RE//Rt và nếu chọn R1//R2 đủ lớn thì ta có: RV rB (1  )(RE // Rt ) r R // R // R + R R //(r r // B 1 2 n R //r r r E E C 1  E E E (vì rC rất nhỏ; (1+β) rất lớn) It It I E RE // Rt RE // Rt RE + KI . (1  ) (1  ) Iv I B I B Rt Rt RE Rt It .Rt (1 )(RE // Rt ) (1 )(RE // Rt ) + KU IV .(Rn RV ) (Rn RV ) Rn rB (1 )(RE // Rt ) nếu Rn << thì KU → 1 + K P KU K I K I → Nhƣ vậy bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng lớn, hệ số khuếch đại áp xấp xỉ bằng 1, điện áp ra gần nhƣ lặp lại điện áp vào cả về biên độ (trị số) và góc pha, vì vậy bộ khuếch đại còn có tên bộ khuếch đại lặp phát. Mạch có tổng trở vào lớn, tổng trở ra nhỏ thƣờng đƣợc sử dụng làm tầng đệm để phối hợp giữa tầng khuếch đại có tổng trở đầu ra lớn và tầng khuếch đại sau nó có tổng trở đầu vào nhỏ hoặc khi muốn giữ nguyên điện áp tăng dòng điện. uvào u t B UB0 iB t IB 0 t iE IE 0 t U UE0 E u t ra t uvào t Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại CC
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 2.2. Đặc điểm - Mạch khuếch đại CC có điện trở đầu vào lớn do đó dễ dàng phối hợp với tầng phía trƣớc (hay với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn), điện trở ra nhỏ do đó đƣợc dùng làm tầng đệm. - Mạch khuếch đại CC tuy không khuếch đại đƣợc điện áp (hệ số khuếch đại điện áp KU = 1) nhƣng vẫn khuếch đại đƣợc công suất, do đó nó thƣờng đƣợc mắc ở tầng ra của mạch khuếch đại công suất để dễ dàng phối hợp trở kháng. - Điện áp ra vẫn giữ nguyên pha nhƣ ở đầu vào, biên độ coi nhƣ bằng biên độ điện áp đầu vào (đƣợc gọi là mạch khuếch đại lặp lại). +Ec -Ec 3. Mạch khuếch đại Bazơ chung (BC) RE RC IE I 3.1. Sơ đồ nguyên lý C C Cp1 C p2 ura - Các phần tử Ec, RE để xác định dòng tĩnh IE . u E - Các phần tử còn lại cũng chức năng giống nhƣ sơ đồ EC. vào I Rt B B E rE αi C - EC Er C RC R C C 2 B rB 2 en + CE C CP C RC Rt R t Uv C1 Rn C1 RB B Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tương đương của tầng khuêch đại gốc chung (BC) Vị trí của điểm làm việc tĩnh đƣợc chọn bằng phƣơng pháp dòng điện cực gốc ổn định với điện trở RB. Tụ C1 đảm bảo trên điện trở RB chỉ có thành phần một chiều. Việc tính toán tầng khuếch đại gốc chung theo thành phần xoay chiều đối với tín hiệu bé đƣợc thực hiện trên sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng. Để đơn giản, giả thiết tầng khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hƣởng của các tụ điện. U EB I E rE I BrB + RV rE (1 )rB ; vì IC .I E ; I E IC I B I E I E + Rr RC // rC RC It It I E RC // Rt RC // Rt RC + KI . 1 Iv I E I E Rt Rt RC Rt IE (RC // Rt ) RC // Rt + KU IE (Rn RV ) Rn RV
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Tầng khuếch đại BC có các đặc tuyến ra tĩnh có độ tuyến tính cao, do đó có thể đƣa ra tín hiệu xoay chiều với biên độ lớn hơn so với tầng khuếch đại nối theo sơ đồ phát chung mà vẫn đảm bảo méo không đƣờng thẳng nhỏ. Ngoài ra, vì nối chung cực gốc nên tầng khuếch đại làm việc ổn định với tần số cao. Nhƣợc điểm của tầng khuếch đại BC là tổng trở vào nhỏ nên khi ghép tầng khuếch đại nó sẽ là tải lớn đối với tầng khuếch đại trƣớc nó. 3.2. Đặc điểm: - Mạch khuếch đại BC không làm đảo pha tín hiệu vào. - Điện trở đầu vào nhỏ, khoảng (10 ÷ 50) . Điện trở vào nhỏ là nhƣợc điểm cơ bản của tầng BC vì tầng đó sẽ là tải lớn đối với nguồn tín hiệu vào , do đó tầng khuếch đại BC thƣờng đƣợc dùng làm cuối trong bộ khuếch đại nhiều tầng §4. GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI * Lý do phải ghép tầng: Trong thực tế tín hiệu đầu vào thƣờng rất nhỏ (mV hoặc V) mà điện áp đầu ra đòi hỏi có giá trị đủ lớn, hệ số khuếch đại lên tới hàng nghìn hàng vạn lần, một tầng khuếch đại không thể đảm nhiệm đƣợc mà phải ghép nhiều tầng khuếch đại với nhau. Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại nhiều tầng: U U it Rn Ur1 Uv2 Ur2 Uv3 r3 vn K KU2 KU3 KUn U  en UV U1 t Rt Trong sơ đồ này, tín hiệu ra của tầng đầu hay của tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín hiệu vào của tầng sau và tải của một tầng sẽ là điện trở vào của tầng sau đó. Điện trở vào và ra của bộ khuếch đại đƣợc tính theo tầng đầu và tầng cuối. Khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nhiều tầng bằng tích hệ số khuếch đại của mỗi tầng (tính theo số lần): K = Ku1.Ku2.Ku3 Kun Việc ghép giữa các tầng khuếch đại có thể dùng tụ điện hoặc máy biến áp. 1. Ghép tầng bằng điện trở và tụ điện (R-C) +E R c * Sơ đồ nguyên lý RL1 L2 CL1 CL3 CL2 R1 RC1 R3 RC2 C3 Trên sơ đồ, tụ C là tụ ghép tầng 2 ura C1 C2 (nối tầng). Một linh kiện muốn làm T1 T2 R Rt đƣợc nhiệm vụ ghép tầng thì phải n R2 R4 RE1 RE2  en CE1 CE2 đồng thời làm tốt hai nhiệm vụ sau: - Về mặt điện một chiều: phải cách ly hoàn toàn tầng trƣớc và tầng sau .
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Về mặt điện xoay chiều: phải nối thông đƣợc hoàn toàn từ tầng trƣớc sang tầng sau, tổn hao thất thoát là ít nhất. Trên hình vẽ là sơ đồ bộ khuếch đại gồm 2 tầng mắc nối tiếp. Tầng thứ nhất có tranzito T1 có điểm làm việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2. Phụ tải tĩnh của tầng thứ nhất là RC1 nối song song với điện trở đầu vào tầng thứ hai. RE1CE1 có nhiệm vụ ổn định nhiệt cho tranzito. Các phần tử của tầng thứ hai tƣơng tự nhƣ tầng thứ nhất. Việc tính toán các tham số cho mỗi tầng khuếch đại đƣợc thực hiện nhƣ cách tính toán trong các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito. Điện dung các tụ phải chọn sao cho ở dải tần thấp thì dung kháng của tụ phải rất nhỏ đối với tổng trở vào của tầng sau để sụt áp trên tụ nhỏ, không ảnh hƣởng đến tín hiệu truyền đi. RL1CL1, RL2CL2, CL3 có nhiệm vụ khử các thành phần xoay chiều sang tầng khuếch đại khác và chạy về qua nguồn cung cấp. * Ƣu, khuyết điểm : - Ƣu điểm : + Mạch điện đơn giản, gọn nhẹ, bền chắc đƣợc dùng rộng rãi trong các mạch rời rạc. - Nhƣợc điểm: + Mạch không khuếch đại đƣợc tín hiệu có tần số thấp. + Không có khả năng phối hợp trở kháng giữa tầng sau và tầng trƣớc cũng nhƣ giữa tải và tầng ra, công suất không đƣa ra đƣợc tối đa. 2. Ghép tầng bằng máy biến áp và tụ điện * Sơ đồ ghép tầng Sơ đồ của mạch khuếch đại -Ec R R 1 * MBA1* 3 * * điện áp hai tầng với mối liên hệ MBA2 Rt biến áp giữa các tầng đƣợc trình C1 C2 T2 bày trên hình vẽ. T1 Rn R Mỗi tầng khuếch đại có điểm R2 4 R RE2  en E1 C CE2 làm việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ E1 phân áp R1R2, RECE có tác dụng ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh. Tụ C1 ngăn cản thành phần một chiều tác động vào nguồn, tụ C2 dẫn dòng xoay chiều và ngăn cản thành phần một chiều ra cuộn thứ cấp máy biến áp. * Ƣu điểm: - Dùng biến áp ghép tầng về mặt điện một chiều là hoàn toàn cách ly đƣợc giữa bên sơ cấp và bên thứ cấp.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Về mặt điện xoay chiều đã chuyển đƣợc tín hiệu từ sơ cấp sang thứ cấp thông qua chuyển đổi từ điện. - Sụt áp một chiều trên cuộn sơ cấp có trị số nhỏ, điều này cho phép tăng hiệu suất của mạch cũng nhƣ tăng biên độ điện áp ra. Ngoài ra, biến áp có thể dễ dàng phối hợp trở kháng rất tốt giữa tầng trƣớc và tầng sau; giữa tải và tầng ra. Công thức phối hợp trở kháng: Z' = n2.Z với n = tỷ số biến áp = Số vòng dây sơ cấp / Số vòng dây thứ cấp. Z' : trở kháng phản ánh từ thứ cấp sang sơ cấp. Z : trở kháng thực tế của tải. * Nhƣợc điểm: - Mạch ghép bằng biến áp có dải tần làm việc hẹp. - Kích thƣớc và trọng lƣợng lớn,mạch cồng kềnh, giá thành cao. - Không thể ghép một chiều đƣợc, khó IC hoá ít đƣợc dùng. §5. TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Các tầng khuếch đại công suất là các tầng khuếch đại cuối cùng trong bộ khuếch đại nhiều tầng, có nhiệm vụ cung cấp cho phụ tải một công suất theo yêu cầu với độ méo không đƣờng thẳng nằm trong phạm vi cho phép. Tùy thuộc vào yêu cầu và tính chất phụ tải mà ta lựa chọn cho tầng khuếch đại làm việc ở chế độ A, B hay AB. Thƣờng thì điện trở phụ tải nhỏ hơn nhiều so với điện trở đầu ra của tâng khuếch đại công suất, vì vậy mà để phối hợp giữa trở kháng ra của tầng khuếch đại công suất với trở kháng của phụ tải ngƣời ta thƣờng sử dụng máy biến áp. 1. Tầng khuếch đại công suất đơn ic L M + u EC r Rt R1 CP * * uv R2 RE P CE IC0 O Sơ đồ nguyên lý UBE =0 uCE 0 Ec U C0 N Sơ đồ mạch khuếch đại công suất dùng tranzito làm việc ở chế độ A mắc theo mạch phát chung EC đƣợc trình bày nhƣ hình vẽ. Trong sơ đồ, điểm làm việc tĩnh
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2, ổn định vị trí làm việc đƣợc thực hiện nhờ RECE. Máy biến áp có nhiệm vụ phối hợp trở kháng đầu ra lớn của tầng với trở kháng nhỏ của phụ tải. Vì đây là tầng khuếch đại công suất, dòng và áp thƣờng lớn do đó việc lựa chọn bộ phân áp, bộ ổn định cho điểm làm việc tranzito phải thật cẩn thận. Trong sơ đồ thì RE đƣợc chọn không quá vài chục Ω nên việc lựa chọn CE để khử hồi tiếp dòng xoay chiều phải phù hợp. Trong chế độ một chiều thì tải chỉ có RE do đó đƣờng tải tĩnh gần nhƣ thẳng đứng. Điểm làm việc tĩnh P đƣợc lựa chọn sao cho công suất tỏa ra trên cực góp của tranzito phải nhỏ hơn công suất cho phép trên cực góp của tranzito đã chọn. PC0 IC0 (EC EC ) ∆EC là điện áp rơi trên cuộn sơ cấp của máy biến áp, điện áp rơi trên RE rất nhỏ. Đƣờng phụ tải động không đƣợc cắt đƣờng giới hạn LMON (LM – là giới hạn dòng điện cực góp; MO – giới hạn công suất tỏa ra trên cực góp; ON – là giới hạn điện áp trên cực góp). Khi đƣờng tải động cắt đƣờng giới hạn thì gây sự méo tín hiệu, hoặc hỏng tranzito. 2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo làm việc ở chế độ B (hoặc AB) R2 T1 w21 uv1 w12 u * * * V w11 * w21 Rt -E R C +* *w’ 21 1 w’12 uv2 T2 Tầng khuếch đại đẩy kéo có sơ đồ nguyên lý nhƣ hình vẽ trên. Máy biến áp đầu vào có cuộn sơ cấp chia hai nửa bằng nhau với chiều quấn dây ngƣợc nhau, do đó điện áp trên cuộn thứ cấp bằng nhau về trị số nhƣng ngƣợc nhau về cực tính. Tầng khuếch đại đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ B hoặc chế độ AB, trong chế độ AB thì điểm làm việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2, còn trong chế độ B thì do dòng điện cực gốc tranzito IB = 0 nên bỏ qua R2 của bộ phân áp. Xét hoạt động của tầng khuếch đại làm việc ở chế độ B: - Khi uv = 0: Ở máy biến áp đầu vào có điện áp cuộn sơ cấp vào có giá trị uv1 = uv2 = 0, tranzito T1 và T2 chỉ có dòng điện ban đầu IC0 nhỏ chạy qua cực góp tranzito, sụt áp trên máy biến áp nhỏ do đó điện áp một chiều trên cực góp của tranzito xấp xỉ bằng điện áp nguồn Ec. - Khi uv ≠ 0: Giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin (cực tính nhƣ hình vẽ), ở nửa chu kỳ đâu ta có: theo cách nối mạch thì điện áp ra trên cuộn thứ cấp máy biến áp đầu vào có uv1 có cực tính âm, uv2 có cực tính dƣơng, kết quả là tranzito T2 mở, dòng trên
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự cực góp tranzito iC 2 .iB2 dòng này chạy trên cuộn sơ cấp máy biến áp và tạo nên trên cuộn thứ cấp máy biến áp điện áp có cực tính nhƣ hình vẽ. Nửa chu kỳ sau tƣơng tự nhƣ chu kỳ đâu nhƣng cực tính điện áp ra ngƣợc chiều với nửa chu kỳ đầu. Nhƣ vậy nếu đầu vào có tín hiệu xoay chiều thì tín hiệu ra cũng là tín hiệu xoay chiều và có cùng cực tính với tín hiệu vào. Trong chế độ làm việc loại B, do tính không đƣờng thẳng của các đặc tuyến vào mà điện áp ra bị méo dạng đáng kể so với điện áp vào. Để cải thiện độ méo của điện áp ra ta chuyển chế độ làm việc của tâng khuếch đại sang làm việc ở chế độ AB. T1 iB iB T1 ib1 UB0 IB0 uBE t t ib2 T2 T2 Méo tín hiệu trong chế độ B và giảm méo trong chế độ AB §6. KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU 1. Khái niệm chung Bộ khuếch đại một chiều là bộ khuếch đại các tín hiệu một chiều (biến thiên chậm) và có đặc tuyến biên độ - tần số nhƣ hình vẽ. K K0 Uv= KĐMC Ur= 0 f - Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ khuếch đại và giữa các tầng không thể dùng tụ điện hay máy biến áp. Vì vậy để truyền đạt tín hiệu một chiều cần phải ghép trực tiếp theo dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu vào với mạch vào bộ khuếch đại và giữa các tầng với nhau. Trong bộ khuếch đại ghép trực tiếp, không có phần tử để cách ly thành phần một chiều. Vì vậy điện áp ra không những đƣợc xác định bằng tín hiệu ra có ích mà còn có cả tín hiệu giả do sự thay đổi chế độ một chiều của các tầng theo thời gian, nhiệt độ hay một nguyên nhân nào đó. - Sự thay đổi ngẫu nhiên điện áp ra trong bộ khuếch đại một chiều khi tín hiệu vào không đổi gọi là hiện tƣợng "trôi điểm không" (tức là Ura 0 khi Uvào = 0).
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Nguyên nhân trôi là do tính không ổn định của nguồn cung cấp, các tham số của tranzito và điện trở theo nhiệt độ và thời gian. Hiện tƣợng này cần phải loại bỏ một cách triệt để. 2. Khuếch đại một chiều ghép trực tiếp RC1 + EC R1 RC2 R3 Rt U T v 1 T2 + Eb R2 RE1 RE2 - R4 Trên sơ đồ là mạch khuếch đại một chiều dùng 2 tầng khuếch đại ghép trực tiếp, colectơ của tầng đầu nối trực tiếp với cực bazơ của tầng thứ hai. Để loại bỏ hiện tƣợng trôi điểm không thì ta nối thêm nguồn phụ Eb (nhƣ hình vẽ), giá trị của nguồn đƣợc xác định Eb UC 20 EC IC0 RC 2 hoặc ta có thể thay nguồn sức điện động bằng bộ phân áp R3R4 đƣợc mắc ở hai nhánh để tạo mạch cầu cân bằng. Bộ khuếch đại một chiều ghép trực tiếp do mắc nối tiếp các tầng khuếch đại do có sự kém ổn định của các thiết bị điện tử (do nhiệt độ hoặc nhiễu) nên vẫn xảy ra hiện tƣợng trôi điểm không (mặc dù đã có biện pháp hạn chế). Để giảm hơn nữa sự trôi điểm không ta sử dụng mạch khuếch đại vi sai. 3. Tầng khuếch đại vi sai (khuếch đại tín hiệu có sai lệch nhỏ) Để khắc phục hiện tƣợng "trôi điểm không" ngƣời ta dùng tầng khuếch đại vi sai. Tầng khuếch đại vi sai làm việc dựa trên nguyên lý cầu cân bằng song song. Hai nhánh của cầu là hai điện trở Rc1 = Rc2, hai nhánh kia là hai tranzito T1, T2 cùng loại. + Ec1 IC1 IC2 - T2 T1 T2 RC1 RC2 T1 ur1 = uC1 U uv1 uv2 ra ur2 = uC2 T1 T2 IE IE uv1 uv2 IE1 IE2 (c) (a) (b) IE - Hình (a): Mạch nguyên lý tầng khuếch đại vi sai + Ec2 Hình (b,c): Phƣơng pháp đƣa tín hiệu vào
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự - Điện áp đƣợc lấy ra giữa hai colectơ của T1, T2 gọi là kiểu ra đối xứng hay trên mỗi côlectơ đối với đất gọi là kiểu ra không đối xứng. Nguồn dòng IE giữ cho dòng IE = IE1+IE2 luôn không đổi. - Điện áp một chiều cung cấp cho tầng vi sai là hai nguồn Ec1 và Ec2 có thể bằng hoặc không bằng nhau về trị số. Vì Ec1 và Ec2 nối tiếp nên E = Ec1 + Ec2. 3.1. Trƣờng hợp khi chƣa có tín hiệu vào: uvào1 = uvào2 = 0 + Khi uvào = 0 thì: Ec1 IC01 IC02 - R IB01= IB02 ; IC01= IC02 ; IE01= C1 RC2 I R u E C C01 Ura uC02 IE02 UC01 = EC1 - IC01. RC1 2 EC1 T1 T2 UC02 = EC1 - IC02. RC2 IB02 IB01 U C01 U C02 UC01 = UC02 = EC1 - (IE. IE01 IE02 (d) (e) RC/2). IE0 - - Điện áp trên mạch côlectơ: Ec2 + Ur = Ur1 - Ur2 = 0. Trạng thái Hình d: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv = 0 này của sơ đồ đặc trƣng cho Hình e: Biểu đồ tín hiệu ra chế độ cân bằng của tầng gọi là chế độ cân bằng tĩnh. 3.2. Khi có tín hiệu vào: Giả sử uv1 > 0; uv2 = 0 + - Ec1 I .R IC1 IC2 C 2 C 2 RC1 RC2 I C1.RC1 U C 2 ur1 Ura ur2 EC1 Rn U U T C1 C 2 T1 2 u + ra uv1 IB2 U IB1 C1 - IE1 IE2 (f) I (g) E - Hình g: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi u > 0, u = 0 Ec2 v1 v2 + Hình f: Biểu đồ tín hiệu ra Khi uv1 > 0; uv2 = 0 sẽ làm tăng dòng IB1 , giảm dòng IB2 , do đó: IC1 tăng IE1 tăng; IC2 giảm IE2 giảm. Sự thay đổi dòng điện của các tranzito xảy ra ngƣợc chiều nhau với cùng một gia số IE = IE1+IE2 = const. Khi đó: uC1 = EC1 - IC1. RC1 giảm một lƣợng là uC1 ngƣợc dấu so với uvào. uC2 = EC1 - IC2. RC2 tăng một lƣợng là uC2 cùng dấu so với uvào.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Với cách đƣa tín hiệu vào nhƣ sơ đồ thì ur1 gọi là đầu ra đảo còn đầu ra ur2 gọi là đầu ra không đảo. Tín hiệu lấy giữa 2 côlectơ gọi là tín hiệu vi sai: ur = uC2- uC1 = UC2 + UC1 = 2. UC §7. KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN (OA) 1. Khái niệm chung Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân v.v . Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực v.v. Ký hiệu quy ƣớc của một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) cho trên hình 1 với đầu vào không đảo (ký hiệu bằng dấu „+‟) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng dấu „-‟). - I0 +Ec Khi có tín hiệu đƣa vào đầu không đảo thì uvd - gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số U0 uvk + u + r tín hiệu vào.Nếu tín hiệu đƣợc đƣa vào đầu vào I0 -Ec đảo thì gia số tín hiệu ra ngƣợc dấu (ngƣợc pha ) so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thƣờng Hình 1: Ký hiệu khuếch đại thuật toán trong sơ đồ điện tử đƣợc dùng để thực hiện phản hồi âm bên ngoài cho KĐTT. Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộ khuếch đại. Tầng ra của KĐTT thƣờng là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng tải yêu cầu của các sơ đồ. Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số khuếch đại đạt đƣợc nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng vi sai và tầng ra. Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lƣợng tầng trung gian. Ngoài ra KĐTT còn có các tầng phụ nhƣ tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741 2. Đặc tuyến truyền đạt: ura = f(uvào) Đặc tuyến quan trọng nhất của KĐTT là đặc tuyến truyền đạt hình 2, gồm hai đƣờng cong tƣơng ứng với các đầu vào đảo và không đảo. ur +Ec Đầu vào đảo Đầu vào không + U rmax đảo 0 uv - U rmax -Ec Hình 2: Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại thuật toán Mỗi đƣờng cong gồm hai đoạn nằm ngang và một đoạn dốc. Đoạn nằm ngang tƣơng ứng với chế độ Tranzitor tầng ra thông bão hòa hoặc cắt dòng. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ KĐTT không đổi và đƣợc + - xác định bằng các giá trị U ra max, U ra max gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện áp bão hoà) gần bằng nguồn cung cấp EC (thƣờng nhỏ hơn nguồn Ec từ (13) V). Đoạn dốc
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của KĐTT (khi không có mạch phản hồi bên ngoài). K = ura / uvào - Điện áp vào vi sai: Hiệu giữa các điện áp ở các đầu vào không đảo và đầu vào đảo đƣợc định nghĩa là điện áp vào vi sai u0: u0 = uv+ - uv - . Khi đó điện áp ra ura (so với mass) đƣợc tính : ura = K.u0 = K. (uv+ - uv -). 3. Các giả thiết lý tƣởng: + Trở kháng vào của KĐTT nhìn từ hai đầu lối vào là vô cùng lớn: Zv = + Trở kháng ra của KĐTT nhìn từ đầu ra so với mass là bằng 0: Zra = 0() + Hệ số khuếch đại (chƣa thực hiện phản hồi) tiến tới vô cùng: K = vô cùng + Độ "trôi điểm không " bằng 0 - các đƣờng đặc tuyến đi qua gốc toạ độ. 4. Các hệ quả: + Với giả thiết trở kháng vào là vô cùng lớn nên không có dòng điện nào chạy + - vào hoặc chạy ra khỏi đầu lối vào nào của KĐTT: I0 = I0 = I0 = 0 . + Giả thiết trở kháng ra bằng 0 nên giá trị điện áp ở đầu ra Ura không phụ thuộc vào dòng điện tải. + Vì ura = K. u0 = K (uv+ - uv-) , với giả thiết K = (giá trị điện áp ra ura hữu hạn) u0 0 uv+ = uv- . Lưu ý: các đầu vào với ký hiệu là "+", "-" không đƣợc đọc là các đầu vào "dƣơng", "âm". Sau đây ta xét một số ứng dụng cơ bản của KĐTT ở chế độ làm việc trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt và có sử dụng phản hồi âm để điều khiển các tham số của mạch. iph Rph 5. Một số ứng dụng của KĐTT - +E 5.1. Mạch khuếch đại đảo R1 i0 uv - N u Điện áp vào cần khuếch đại đƣợc đƣa đến i1 0 ura P + i + đầu vào đảo thông qua điện trở R1. 0 -E Đầu vào không đảo đƣợc nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất). Để lấy phản hồi âm ta dùng điện trở Rph đƣa từ đầu ra quay về đầu vào đảo. Giả thiết IC KĐTT là lý tƣởng. Giả sử chiều các dòng điện nhƣ hình vẽ. Theo định luật Kirchhoff 1, tại nút N ta có: i1 - iph - i0 = 0.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự uV u N u N uR Với : i1 ; i ph R1 Rph i0: Dòng điện đầu vào đảo của KĐTT. u0: Điện áp giữa hai đầu vào của KĐTT (u0 = uN - uP = 0) Do KĐTT có trở kháng đầu vào là vô cùng lớn (Zv ) nên i0 = 0. uV u N u N ura i1 - iph - i0 = i1 - iph = 0 i1 = iph R1 R ph Mặt khác khi K , điện áp đầu vào u0 = ur/K 0 uV ura Rph ura Rph ur uV K (*) R1 Rph R1 uv R1 Dấu (-) trong biểu thức (*) thể hiện tín hiệu ra và tín hiệu vào có cực tính (pha) ngƣợc nhau. Ta nhận thấy hệ số khuếch đại của mạch chỉ phụ thuộc vào thông số của các phần tử thụ động trong sơ đồ. Khi thay đổi giá trị điện trở Rph ta có thể thay đổi đƣợc hệ số khuếch đại của toàn mạch. Nếu chọn Rph = R1 K = -1, khi đó ta có mạch đảo tín hiệu. 5.2. Mạch khuếch đại không đảo +E Điện áp vào đƣợc đƣa đến đầu vào không đảo. uv + U0 Mạch thực hiện phản hồi âm điện áp thông qua ura - điện trở R1 , Rph đƣa đến đầu vào đảo. -E I0 Giả thiết KĐTT là lý tƣởng, ta có: N uv = U0 + uN . Vì U0 = 0 uv = uN Iph Rph R1 I1 Ta có định luật K1 tại nút N: Iph = I1 + I0 u do I = 0 nên: ra 0 I1 I ph R1 Rph u Mặt khác: ra u N uR1 I1.R1 uN R1 R1 Rph R 1 uv .ura R1 Rph u R R R K ra 1 ph 1 ph uv R1 R1
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự 5.3. Mạch khuếch đại cộng đảo R Rph u 1 Giả thiết KĐTT là lý tƣởng. 1 I 1 R Iph u 2 2 . I Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có: 2 I - +E . Rn 0 un I1 + I2 + + In =I0 + Iph. Do I0 = 0 nên . I N - n U0 u . ra I1 + I2 + + In = Iph hay ta có: P + . + I0 -E u u u u u u u u 1 N 2 N n N N ra R1 R2 Rn Rph u1 u2 un ura Do uN = uP = u0 = 0, . Khi R1 R2 Rn , Ta có: R1 R2 Rn Rph u u u 1 2 n ura Rph R1 R2 Rn n Nếu chọn R1 = R2 = Rn = Rph , ta có: ura u1 u2 un ui i 1 5.4. Mạch khuếch đại cộng không đảo R u 1 I Do KĐTT lý tƣởng nên: 1 R u 2 . I U = U - U = 0 U = U . 2 + +E 0 N P N P . R I0 un + Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút P ta có: . In P U0 u . ra I1 + I2 + + In =I0 = 0 (1) . - - I0 -E Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có: N Iph Rph I - I - I - I = I do I - = 0 (2) ph R1 0 ph R1 0 R 1 IR1 Từ (1), ta có: u u u u u u 1 P 2 P n P 0 (3) R R R Từ (2), ta có: u u I I ra u I .R ra .R (4). Thay (4) vào (3), ta đƣợc: ph R1 N R1 1 1 R1 Rph R1 Rph n R1 R1 Rph R1 Rph u1 u2 un n. .ura ura .(u1 u2 un ) .ui R1 Rph R1 R1 i 1 Nếu chọn các tham số của sơ đồ thích hợp, ta có: n R1 Rph 1 và ura (u1 u2 un ) ui n.R1 i 1