›
›

Giáo trình Điện tử cơ bản

pdf 66 trang phuongnguyen 1990
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Điện tử cơ bản", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_dien_tu_co_ban.pdf

Nội dung text: Giáo trình Điện tử cơ bản

  1. GT. ĐIỆN TỬ CƠ BẢN ÔN TẬP – CÔNG THỨC 1
  2. A. Các định luật mạch điện n n V 0, • Định luật Kirchhoff về thế  k , về dòng i j 0 k 1 j 1 • Định lý Thevenin VTH, RTH, Norton IN, RN = RTH • Công thức cầu chia thế • Công thức cầu chia dòng • Nguyên lý chồng chập (xếp chồng) x1 Mạch x2 y= y1(t) + y2(t) 2
  3. B.Cách hoạt động và công thức linh kiện • Nối pn- Diod • MOSFET • BJT • Op.Amp. 3
  4. 1. MOSFET 4
  5. • Biểu thức điện thế và dòng điện a.Biểu thức điện thế Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm có VDSbh cho bởi: VDSbh = VGS – VTH (1). b. Biểu thức dòng điện thoát ID. - Trong vùng điện trở : VGS VTH hay VDS > VGS-VTH ta có : 2 ID = k(VGS – VTH ) (3) k=K/2 hằng số tuỳ thuộc linh kiện . 5
  6. Transistor nối lưỡng cực-BJT • Công thức dòng điện IIIECB IICE II  CB 1 • Phân cực: - Tính điểm tĩnh điều hành ( IB,IC, VCE) - Đường tải tĩnh (DCLL) • Khuếch đại ( chế độ động, AC): • - Tính Ri, AV, AI, Ro • Ba cách ráp: CE, CB, CC ( hay EF) 6
  7. .Biểu thức dòng điện trong BJT ( ráp CE) • Theo định luật Kirchhoff ta có: IE = IB + IC (1) • Theo cách hoạt động của BJT vừa xét có: IE = InE + IpE = InE (2) IC = Inc + Ico (3) Gọi hệ số truyền đạt dòng điện phát – thu : số đ t td đến cực thu InC IC sốđttd phát đ từ cực phát InE IE Thay vào (3) cho: Ic = IE + ICO = IE + ICBO (4) 1 IICB  1 I (5) 11 IIB CO CO 1  ;  1 7 1 1
  8. .Cách ráp cực phát chung ( CE-common emitter) Co Ci Q RC + RB Vo vi RL + - VBB + VCC Do: Tín hiệu vào nền – phát BE Tín hiệu ra thu – phát CE Cả 2 ngõ vào và ra có cực phát chung 8
  9. Mạch tương đương (AC) 1 IICB  1 I (5) 11 IIB CO CO 1  ;  1 1 1 B C + ic B rbb c + + rc ic ib + vbe ib rbe Bib rc vce ie re vbe vce - - - - e E 9
  10. C. Phân tích các thành phần phi tuyến • Cách gần đúng thứ nhứt • Cách gần đúng thứ hai • Cách gần đúng thứ ba • Phương pháp giải tích 2 df vDD 1 d f v 2 iDDDD f V v 2 v dvDDvDDDD V2! dv v V df vD iDDD f V v dvD vVDD • Phương pháp đồ thị 10
  11. D. Cổng logic • Các định luật đại số Boole • Phương pháp rút gọn hàm logic • Các cổng logic: AND, OR, NAND, NOR • Logic tổ hợp D D • Logic tuần tự iDS G G OFF ON vGS VTH S S VT = 1V 12
  12. Inverter (Maïch Ñaûo) VDD = 5 V RL B A vout 5V A B =/A 0 VT =1V 5V vin 13
  13. Cách hoạt động chế độ giao hoán • Khi không có xungvào:MOSFET không dẫn . Ta có: +VDD R DS ()off VVo()off VDD  DD V OH RD RRD DS ()off  20VV 20 1k  Vo • Khi có xung vào: MOSFET dẫnR RDS(off) Ta có: R DS ()on V VVo(on ) DD  0 V VOL + DD R D R DS ()on 10 20VVV 0,198  0,2 1k 10  Vo RDS(ON) 14
  14. Möùc ñieän theá logic qui ñònh cuûa MOSFET: VOH max Möùc logic 1 VIHmax VOHmin Möùùc logic1 NM VIHmin Khoâng Khoâng xaùc ñònh xaùc ñònh NM VILmax V Möùc logic 0 OLmax Möùc logic0 VOLmin VILmin 1 VOH 1 V min V OH Leà nhieãu IHmin VVV OH minIH min Sender Khoâng Receiver NMH max xaùc ñònh VVVNML OL IL max VIL max 0 VOLmax Leà nhieãu 0 0 0 15
  15. • Hàm số truyền ra – vào vo Vo = f(vi) VS VOH VOL 0 VTHVIL VIH VS vi(V) Thí dụ: Cho Vs = 5V, vo(V) VOH =4,4V, VOL = 0,5V V = 3,2V, V =1,6C iH iL 5V 4,4 V 0,5V 0 1 1,6 3,2 5 Vi(V) 16
  16. E. Khuếch đại tín hiệu lớn • MOSFET • Điện thế ra cho bởi K v V 2 R vV i TH L OS 2 Daûi ñieän theá ngoõ vaøo cöïc đaïi: 1 1 2KRLS V VTH v I V TH KRL vVGS TH Daûi ñieän aùp ra cöïc ñaïi: vDS v GS VTH 1 1 2KRLS V VS KRL Daûi dong thoaùt töông öùng: K 2 0 vVTH 2 I 17
  17. Ñoä lôïi ñieän theá coøn goïi laø haøm soá truyeàn: Vs vo cutoff Bieân ñoä cuûa vo vuøng (vi – VTH) ñoä doác lôùn Vs hôn moät MOSFET trong vuøng baûo hoaø V v TH i vôùi ( vO > vi – VTH vaø vi VTH) Vuøng diod (vo <(vi – VTH vaø vi VTH) VTH vi 2 v V K v V R A O S i TH L V  vvii 18
  18. • Dưới dạng: KVV 2 i I i I TH K V V v D D d2 I TH i • Với thành phần DC và thành phần gia tăng: K 2 IVV , D2 I TH id K V I V TH v i • Đồ thị biểu diễn: iDS K 2 vVGS TH Nhận xét: iD Ids 2 K 2 I V V h. s ., DCbias D2 I TH Điểm phân cực ID Vgs id K V I V TH v i g m v i gm hệ số hỗ dẫn Vá: VGS = VI 0 vTH VI vi vGS 19
  19. Thí duï 2 : Cho maïch khueách ñaïi MOSFET nhö thí duï 1, MOSFET hoaït ñoäng trong ñieàu kieän baûo hoaø vôùi daûi ñieän theá vaøo 1V 1,9V, ta phaûi choïn ñieän theá vaøo ñieåm hoaït ñoäng taïi trò soá trung taâm daûi ñoäng ñoù, goïi Vi = 1,45V. Söï choïn löïa naøy ñöôïc bieåu dieãn treân hình veõ laïi döôùi ñaây: iD(mA) 0,5 0,41 VGS = 1,9V Ñieåm hoaït ñoäng Q(4V, 0,1 mA) 0,1 vGS = 1,45V vGS = 1 V 0 0,9 4 5 vDS Ta bieát ngoõ ra thay ñoåi giöõa 0,9V vaø 5V khi ngoõ vaøo thay ñoåi giöûa 1V vaø 1,9V. 20
  20. Tính ñöôïc ñieän theá ngoõ ra: vV 22 1,45 1 v V Ki TH R 5 10 34 10 OSL22 vo 4V Vaø: 5V 3 4V [1,45V,4V] K 221.10 i v V 1,45 1 D22 i TH 0,1mA Do ñoù ñieåm hoaït ñoäng cuûa maïch 0,9V vO=vI -VTH khueách ñaïi: 0 1V 1,45V 1,9V vI VI = 1,45V 0,45 0,45 VO = 4V ID = 0,1 mA Ñieåm hoaït ñoäng ñoù laøm cöïc ñaïi trò soá ñænh – ñænh ñieän theá vaøo ñu ñöa (swing) Ñeå cho maïch khueách ñaïi hoaït ñoäng döôùi ñieàu kieän baûo hoaø. 21
  21. • Mạch SF ( Source Follower) hay DC (Drain common) Maïch theo nguoàn (SF- Source Follower) Coøn goïi laø maïch ñeäm (buffer), maïch hoaït ñoäng trong vuøng baûo hoaø. Taïi nuùt ngoõ ra cho: vo vo i D R S i D 1 RS vi v o V TH 22
  22. G. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ • Dòng điện hoạt động ngõ ra ID được tinh trực tiếp hệ thức đặc tính MOSFET như: • K 2 IVV D2 I TH • Điện thế hoạt động ngõcung cấp ra có được bằng cách áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng bao gồm nguồn, MOSFET, và RL như sau: vs vo RL vo ids=K(VGS-VTH)vgs + ids=gmvgs RL iD=K(vi-VTH)2/2 vi + - vi - • VVIROSDL K 2 VVVR S2 I TH L 23
  23. • Do đó, độ lợi tín hiệu nhỏ cho: vo KVVR I TH L vo vi gRmL ids=K(VGS-VTH)vgs • Với : + ids=gmvgs RL vi - gm K VGS V TH là hệ số hỗ dẫn của MOSFET. vvGS I K 2 i v V DS2 GS TH  K 2 ids v GS V TH v gs K V GS V TH v gs vGS 2 vVGS GS gvm gs 24
  24. • MOSFET • Khi có tín hiệu vào vI = vGS: dvO d RL K 2 vo V S v I V TH . v i dvII dv 2 vVII vo K v I V TH R L. v i vVII K VI V TH R L v i gm R L v i vo AV g m R L vi gm K V I V TH 25
  25. 6. 5 Điện trở ngỏ vào, ngỏ ra , Độ lợi dòng điện và độ lợi công suất • Mạch tương đương (AC) • Tổng trở (Điện trở) ngỏ vào: 27
  26. • Điện trở ra . Độ lợi dòng . Vì Ri = nên độ lợi dòng cũng bằng vô cực 28
  27. • Độ lợi công suất • Vì Ri = nên độ lợi công suất cũng vô hạn. • Tuy nhiên , trong mạch thực tế, điện trở ngõ vào và độ lợi công suất là hữu hạn ( xác định) . 29
  28. • Thí dụ : Mạch theo nguồn (SF) • Xét mạch: • Và mạch điện tương đương (AC): Tính được: Trong đó vgs = vi – vo thay vào trên cho: 30
  29. • Sắp xếp lại cho: Cho thấy độ lợi thế nhỏ hơn 1. • Trường hợp đặc biệt quan trọng khi RL rất lớn, khi RL : và khi có thêm gm Rs >>1 , cho:  Ta sẽ thấy vì sao mạch SF hữu dụng khi xét điện trở vào và điện trở ra (xem ở sau) 31
  30. • Điện trở vào và điện trở ra tín hiệu nhỏ • Điện trở vào rất bằng vô hạn ( vô cực) vì dòng vào MOSFET bằng không . • Điện trở ra được tính theo h. : • Áp dụng KCL tại nút a: • Sắp sếp lại và đơn giản cho: Do đó: gmRL, và RS rất lớn , RL+RS trở nên không đáng kể so với gmRLRS, nên: : vì gm rất lớn nên ro rất bé, và Ai tất lớn (đặc điểm của mạch buffer) 32
  31. Mạch tương đương BJT 1 IICB  1 I (5) 11 IIB CO CO 1  ;  1 1 1 B C + ic B rbb c + + rc ic ib + vbe ib rbe Bib rc vce ie re vbe vce - - - - e E 33
  32. • 2. Phân giải chế độ động- AC (ráp CE) Ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ Tính được: Độ lợi thế: + ib + vi rbe Rc vo vo R C i b =vce RB hfeib ro Av ib v rbe i b - -  RR CC rrbe e Độ lợi dòng: io Ahi  fe ii Tổng trở vào:  hfe vi r be i b r  r h r r  r be e ie iii be e ib VT Tổng trở ra: re ICQ vo ro r ce R C R C io 34
  33. H. DIOD Khi phaân cöïc thuaän : V > 4VT exp(V/VT >>1 : ID =IF= Isexp(V/VT) lôùn . Khi phaân cöïc nghòch: V << 4VT exp(-V/VT) <<1: ID = IR=-IS 2. Ñaëc tuyeán Ampe-Volt Ta coù ñöôøng bieåu dieãn : ID Vz 0 0,6 V VD Izk IzM 35
  34. Ñieän trôû noái pn ID a.Ñieän trôû tónh V D R D I Q I D Q D 0 VD V b.Ñieän trôû ñoäng: VDD dV r d IDDQQ dI 36
  35. Phân cực thuận Diod dẫn Phân cực nghịch Diod ngưng 37
  36. I. Mạch RC và RL • Phương trình vi phân bậc nhất • Phương trình đặc trưng • Nghiệm tự do (quá độ) • Nghiệm xác lập (cưỡng bức) • Nghiệm tổng cộng (điều kiện ban đầu bằng zero) di t dvc L Ri t V RC v V s dt cs dt i t i t i t v t v t v t td xl c ctd cxl V Ke t  S t  R Ke Vs Vs t  t  1 e Ves 1 R L  RC  R s 38
  37. Các thành phần lưu trạng thái • Tụ điện, cuộn cảm • Tụ MOS • Các mạch FlipFlop • Công thức: - Tụ nạp điện: vCCI t f v 0, v t t  vC t V Cf v Ci 0 V Cf e - Tụ xã điện: t  vc t Ve 39
  38. Thieát keá phaàn töû nhôù A. Maïch thöû laàn ñaàu dIN storage node dOUT * dOUT dIN store CM Phaàn töû nhôù C store dIN storage node dOUT dIN storage node dOUT store =1 store =0 C C RL t RL C vC veC 5. V trò soá löu tröû 5V TRC ln OH L 5 luoân bò ró VOH Ñoä roäng xung store >> RONC T t 40
  39. dIN dOUT RIN store =0 buffer CM RL dIN dOUT RIN store /store=0 Rp buffer CM RL dOUT * /Storage dIN CM dIN * dOUT store RIN store =0 buffer CM 41
  40. K. Trạng thái dừng sinus - Mạch lọc • Mạch RC, RL, RLC ZRR Z j L • Hàm số truyền H(s) L 1 j Z • Đáp ứng tần số C j C C • Mạch lọc 1 R ZR =R Z jC VVV C c i1 i i(t) Ic ZZCR  + + + R + Zc vI C vc Vc jC =1/jwC - Vi - - - 1 V c V 1 j RC i 42
  41. Thí dụ : Mạch RLC L C Ir + Viexp(jwt) + Vrexp(jwt) R Vr Vrcos(wt+/_Vr) - - Vicoswt ZR VVV R rZZZ i1 i LCR j L R jC j CR VV ri1 2 LC j CR 43
  42. Mạch lọc • Định nghĩa: • Mạch lọc là mạch có nhiệm vụ cho qua hoặc loại bỏ một tần số hoặc một dải tần số theo mong muốn. • Phân loại: • 1. Mạch lọc thấp qua ( Hạ thông – LPF)) • 2. Mạch lọc cao qua (thượng thông- HPF) • 3. Mạch lọc dải thông ( BPF) • 4. Mạch lọc dải loại ( BSF) • Vo(t) vo(t) vo(t) vo(t) • f f f f 44
  43. Mạch Op. Amp. • Cấu trúc mạch OP.Amp. • Đặc tính mạch Op.Amp. R A F • Công thức cơ bản : V RI - Khuếch đại đảo - Khuếch đại không đảo • Các mạch làm toán: - Mạch nhân - Mạch tổng - Mạch trừ (mạch khuếch đại vi sai) - Mạch tích phân, Mạch vi phân - Mạch lấy logarit, mạch lấy antilogarit R • Các mạch khác : mạch lọc, A 1 F V R mạch so sánh . I 45
  44. . Mạch làm tóan 1.Mạch nhân vo = - kvi với k = - RF / RI R F iF R I v– – i in iI + + + + _ v S v v out – 46
  45. 2. Mạch cộng ( tổng) Áp dụng nguyên lý chồng chất, cho: 47
  46. 3. Mạch trừ - Mạch khuếch đại vi sai R F iF R 1 – i1 + + + v _ v2 ì out + – v1 _ R 3 48
  47. • Mạch khuếch đại trừ còn được thực hiện như sau: RF R O.A .1 R1 R O.A.2 v1 -v1 vo R2 v2 RRFF VVVVVo - O 1 O 2 1 2 RR12 • Nếu chọn R1 = R2 = RF ta có: Vo =V1 – V2 49
  48. • 4.Mạch tích phân • Ta có : dq = iF dt dq = C dvc = Cdvo iF = C dvo / dt ( 1) Mặt khác : ii = -iF và ii = vi / R ( 2) Thay (2) vào (1) : dvO 1 vi Rii RC vO vidt vO 0 dt RC 50
  49. 5. Mạch vi phân: R iF C Op-Amp3 0V vi vo ii • Theo trên ta có: dq = C dvc = Cdvi dq = iit ii = Cdvi / dt và ii = iF = -Vo /R dV i V O RC dt 51
  50. L. Năng lượng và công suất • Năng lượng • Công suất • Công suất của MOSFET • Công suất tiêu tán của CMOS ( công suất tĩnh = 0 ) • Công suất tiêu tán của BJT Công suất tĩnh của MOSFET khi dẫn: 2 VS Pstatic RRL ON Công suất của cổng Inverter 2 VS Pstatic 2 RRL ON 2 2 2 2 VSLLSLL R C V R C f Pdynamic 22 RRTRRL ON L ON 52
  51. M. Chuyển đổi năng lượng • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC • Mạch chỉnh lưu • Mạch chỉnh lưu và lọc • Mạch ổn áp Zener • IC ổn áp tuyến tính • Bộ cấp điện DC • Mạch ổn áp chuyển mạch ( giao hoán) 53
  52. Khái niệm chuyển đổi công suất • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC + 220 V 5 VDC 50Hz PCC - 3V + solar cell 5 VDC PCC battery - Hiệu suất công suất của bộ chuyển đổi quan trọng thường dùng một lô linh kiện sau: Bậc MOSFET, tụ điện, cuộn cảm, diod,Op. amp. 54
  53. Caùc maïch diod I. Maïch chænh löu 1.Chænh löu baùn kyø( H.1) VDC 0 II 2II VLDC = 0,318Vp 55
  54. 2.Chænh löu toaøn kyø ( toaøn soùng) a. Chænh löu toaøn kyø 2 diod D1 n1: n2 Vip i1 VL i2 RL Vip D2 VLDC = 0,636 Vp 56
  55. b.Caàu chænh löu ( 4Diod) Xeùt maïch chænh löu toaøn kyø 4 diod : Bridge D1 D4 Viac =Vpsinwt ILDC 50Hz D3 D2 VoDC RL 57
  56. 3.Maïch loïc a. Maïch loïc trong chỉnh lưu baùn kyø . Do tuï loïc coù trò soá lôùn,neân daïng soùng naïp nhanh vaø xaõ chaäm , neân daïng soùng ra khaù thaúng ( phaúng) . Ta coù hình veõ sau ( vôùi caùch veõ phoùng ñaïi): . Vcmax =Vp Vrp Vrpp 0 II Vcmin VLDC 4II 58
  57. . Daïng soùng ngoõ ra maïch chænh löu vaø loïc toaøn kyø: Vcmax = Vp Vrp Vrpp VLDC T2 =T Vcmin 59
  58. 1. Chỉnh lưu và lọc bán kỳ 1 0,01 VVVLDC p 11 p 2 fRRLL C C 1 0,01V p VVrp p 2 fRRLL C C 2.Chỉnh lưu toàn kỳ 1 0,005 VVVLDC p 11 p 4 fRRLL C C 1 0,005V p VVrp p 4 fRRLL C C 60
  59. Boä caáp ñieän DC 1.Boä caáp ñieän ñôn giaûn . Macïh goàm caùc thaønh phaàn chuû yeáu sau: VAC Bieán theá Ch.löu Loïc Taûi Ñieän theá khu vực . Trong haàu heát caùc thieát bò ñieän töû baùn daãn ñeàu söû duïng bieán theá haï theá . 61
  60. 2.Boä caáp ñieän oån ñònh ñôn giaûn a.Maïch ñieän: Rs ñieän trôû giôùi haïn doøng RL ñieän trôû taûi 62
  61. Các công thức mạch ổn áp Zener • Điện thế ngõ ra: VODC = VLDC = VZ • Dòng điện: I1 = IZ + IL I1 = (ViDC – VZ) / RS IL = VLDC / RL IZ = I 1 - IL • Công suất tiêu tán :PZ= VZ IZ < PZM 2 PRS = I 1 RS 2 PL = VL / RL 63
  62. Ổn áp chuyển mạch 1. Bộ tăng thế • Mạch nguyên tắc Taûi Coù 3 traïng thaùi 1. S daãn, diod ngöng 2. S khôûi ngöng, diod khôûi daãn, C naïp, vo taêng 3. S ngöng, , diod khôûi ngöng, C giöû vöõng vo ( xaõ qua taûi ) 64
  63. Ñeå giöû vöûng vo, ta phaæ ñieáu khieån thôøi gian S daãn/ ngöng L DIODE + + VI C vo Taûi - - Ñieàu khieån thay ñoåi T T + Vref Tp Caùch ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) cho: - Neáu (vo – vref) taêng thì T giaûm, Vo giaûm laïi ñeå giöû vo khoâng ñoåi - Neáu (vo –vref) giaûm thì T taêng, Vo taêng leân ñeå giöû vo khoâng ñoåi 65
  64. 2 Mạch hạ thế 1. Mạch cơ bản 66