Chuyển Mạch Điện Tử

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

0
121
lượt xem
54
download

Chuyển Mạch Điện Tử

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh kiện chuyển mạch vì chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt và vùng dẫn. Ở vùng tắt, các linh kiện chuyển mạch được xem như không dẫn điện / dẫn điện ở vùng phân cực nghịch/ bão hòa. Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động các mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững về cấu trúc và bản chất lý thuyết của những linh kiện trên....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chuyển Mạch Điện Tử

  1. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 CHÖÔNG 3. CHUYEÅN MAÏCH ÑIEÄN TÖÛ Caùc linh kieän ñieän töû nhö diode, transistor, ñeøn chaân khoâng ñöôïc goïi laø caùc linh kieän chuyeån maïch vì chuùng coù hai vuøng hoaït ñoäng: vuøng taét vaø vuøng daãn. ÔÛ vuøng taét, caùc linh kieän chuyeån maïch ñöôïc xem nhö khoâng daãn ñieän/daãn ñieän ôû vuøng phaân cöïc nghòch/baõo hoøa. Do ñoù, muoán hieåu roõ nguyeân lyù hoaït ñoäng caùc maïch bieán ñoåi xung, tröôùc heát caàn naém vöõng veà caáu truùc vaø baûn chaát lyù thuyeát cuûa nhöõng linh kieän treân. Khaûo saùt caùc phaàn töû ôû 2 cheá ñoä: cheá ñoä xaùc laäp vaø cheá ñoä quaù ñoä I. CHEÁ ÑOÄ XAÙC LAÄP 1. Diode Ñöôøng Ñaëc Tính Cuûa Diode vaø maïch töông ñöông Quan heä Volts – Amperes cuûa Diode ñöôïc moâ taû nhö sau: ⎡ qvD ⎤ i D = I 0 ⎢e nkT − 1⎥ (1) ⎣ ⎦ Caùc soá haïng trong phöông trình ñöôïc ñònh nghóa nhö sau : iD : Doøng qua diode (A) vd : Hieäu ñieän theá rôi treân Diode (V) Io : Doøng baõo hoøa ngöôïc q : Ñieän tích electron, 1,6.10-19 J/V ( C ) k : Haèng soá Boltzmann , 1,38.10-23 J/ok T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái (oK) n : Haèng soá kinh nghieäm , 1 ≤ n ≤ 2 ÔÛ nhieät ñoä phoøng (300oK) VT = k.T/q = 25 (mV) Do ñoù phöông trình (1) coù theå vieát laïi laø GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 43
  2. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 ⎡ nV vD ⎤ i D = I 0 ⎢e T − 1⎥ (2) ⎢ ⎣ ⎥ ⎦ Phöông trình (2) cho ta thaáy: Neáu vD ≤ VT thì doøng iD laø doøng baõo hoøa nghòch -Io , I0 haàu nhö khoâng phuï thuoäc ñieän aùp phaân cöïc nghòch Tuøy theo caùch cheá taïo I0 ≈ nA ñoái vôùi Si vaø I0 ≈ μ A ñoái vôùi Ge I0 raát nhaïy vôùi nhieät ñoä: taêng 2 laàn khi T taêng 60C ñoái vôùi Si, va khi T taêng 100C ñoái vôùi Ge Maïch töông ñöông diode phaân cöïc nghòch laø Io Hoaëc A K A K R neáu vD > VT vaø hoaït ñoäng ôû nhieät ñoä 25oC thì doøng ñieän thuaän cuûa Diode ñöôïc giaûn löôïc nhö sau: ⎡ vD ⎤ i D = I 0 ⎢e nVT ⎥ ⎢ ⎣ ⎥ ⎦ Nhöõng phöông trình treân ñöôïc minh hoïa ôû hình sau cho caû hai vaät lieäu Sillicon vaø Germanium. Hình 3.1: Ñaëc tuyeán Volts- Amperes GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 44
  3. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Ñaëc tuyeán thöïc cuûa Diode coù daïng haøm muõ. Khi phaân cöïc thuaän moái noái p-n, ôû beân phaûi ñaëc tuyeán V-A, thì ñieän trôû tieáp xuùc cuûa chaát lieäu baùn daãn tæ leä thuaän vôùi ñieän trôû thuaän. Khi phaân cöïc nghòch moái noái p-n, beân traùi ñaëc tuyeán V-A, thì doøng ñieän ræ Io tæ leä nghòch vôùi ñieän trôû nghòch. Khi Diode chòu moät ñieän aùp ngöôïc lôùn seõ laøm phaù huûy tieáp giaùp p-n. Ñieän aùp rôi treân Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän laø Vγ = 0,1v ñeán 0,3v (choïn 0,2v) , Ñoái vôùi Diode loaïi Ge. Vγ = 0,6v ñeán 0,8v (choïn 0,7v) , Ñoái vôùi Diode loaïi Si. Maïch töông cuûa Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän laø: A K A rd K Vγ Diode lyù töôûng rd : Ñieän trôû ñoäng rd = nVT / (iD + Io) ≈ nVT / iD Diode lyù töôûng coù rd = 0 vaø Vγ = 0. Trong khi söû duïng diode P-N laøm chuyeån maïch ôû cheá ñoä xaùc laäp phaân cöïc thuaän, tuøy tröôøng hôïp ta coù theå xem nhö A K Vγ Vγ rd A K IDz 2. Diode oån aùp baùn daãn (diode zener) a. Ñaïi cöông K Vz I0 VDz K Vγ N Izmin Si + pha taïp chaát ñaëc bieät P IZMax A A Hình 3.2 Moái noái P-N ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät ñeå coù ñaëc tuyeán V-A nhö hình veõ GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 45
  4. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Khi phaân cöïc thuaän Diode Zener hoaït ñoäng nhö diode naén ñieän Si bình thöôøng Vγ = 0.6V Khi phaân cöïc nghòch Khi V < VZ thì Izener = I0 doøng baõo hoøa Khi V > VZ thì VD = VZ Caùc giaù trò giôùi haïn Söû duïng diode Zener ta phaûi quan taâm ñeán • VZ • PZmax hay IZmax (doøng toái ña qua zener) Nhaø saûn xuaát thöôøng cho PZmax Thoâng thöôøng VZ = 2 ÷ 200V PZmax = 0.5W ÷ 100W Chuù yù Khi söû duïng diode zener luoân luoân phaûi coù ñieän trôû haïn cheá doøng (ñieän trôû xaùc ñònh doøng) R IL 0.2.IL RL V Hình 3.3 V − VZ R= I L + 0.2 I L Töø ñoù tính ñöôïc coâng suaát treân zener laø ⎛ V − VZ ⎞ PDZ = ⎜ − I L ⎟.VZ ⎝ R ⎠ GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 46
  5. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 b. Maïch töông ñöông Töø ñoù ta coù maïch töông ñöông nhö sau: I Vγ Vz Vz V Vγ ΔI Rz Moâ hình Moâ hình ΔV PCN PCT Hình 3.4 ΔV RZ = ΔI 3. Transistor Transistor thuoäc hoï linh kieän ba cöïc, bao goàm hai baùn daãn loaïi p vaø moät baùn daãn loaïi n ñoái vôùi loaïi PNP, hai baùn daãn loaïi n vaø moät baùn daãn loaïi p ñoái vôùi loaïi NPN. Sô ñoà kyù hieäu cuûa Transistor ñöôïc moâ taû ôû hình 1.8. Chieàu doøng ñieän ñöôïc qui öôùc theo chieàu cuûa muõi teân. C C B B NPN PNP E E Kyù hieäu Kyù hieäu Hình 3.5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 47
  6. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Ñöôøng cong ñaëc tính cuûa Transistor ñöôïc bieåu dieãn nhö sau Hình 3.6 Ñöôøng ñaëc tính naøy laø ñöôøng cong ñaëc tính Collector – Emitter, vôùi thoâng soá ngoõ vaøo laø doøng iB vaø vBE theo quan heä nhö sau iB = f(vBE) vaø thoâng soá ngoõ ra laø iC vaø vCE theo quan heä nhö sau iC = f(vCE). Nhìn treân ñöôøng ñaëc tính ta coù theå phaân thaønh ba vuøng laøm vieäc cuûa Transistor nhö sau : Vuøng taét Transistor rôi vaøo vuøng hoaït ñoäng naøy khi thoõa maõn ñieàu kieän sau: Moái noái BE phaûi ñöôïc phaân cöïc nghòch . Khi ñoù, caùc thoâng soá ngoõ ra laø doøng iC gaàn nhö baèng 0 vaø ñieän aùp vCE gaàn baèng VCC . C B E IE = 0 Vcc Vcc ` ICO Rc Rc Rb C Vout = Vcc neu RL >> Rc RL E RL Hình 3.7 Transistor ñöôïc xem laø taét hoaøn toaøn neáu IE = 0 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 48
  7. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Xeùt tröôøng hôïp khi IB = 0 transistor coù taét khoâng? Ñoái vôùi transistor, coù quan heä IC = -αIE + ICo IB + IC = IE I CO Khi IB = 0 → I C = 1−α • Neáu BJT thuoäc hoï Ge: α ≈1 → IC raát lôùn: khoâng taét Ñeå BJT taét ta phaûi cöôõng böùc baèng caùch phaân cöïc nghòch moái noái BE • Neáu BJT thuoäc hoï Si: α ≈ 0 → IC = ICO :taét Vuøng khueách ñaïi Transistor hoaït ñoäng trong vuøng khueách ñaïi khi moái noái BE ñöôïc phaân cöïc thuaän (VB > VE ) vaø moái noái BC ñöôïc phaân cöïc nghòch (VC >VB). ÔÛ cheá ñoä naøy thì IB = β IC Vôùi β laø heä soá ñoä lôïi doøng DC, giaù trò ñieån hình cuûa β bieán thieân trong phaïm vi töø 20 ñeán 800 tuøy theo loaïi Transistor. Vuøng khyeách ñaïi ñaõ ñöôïc khaûo saùt trong caùc taøi lieäu veà ñieän töû 1, 2. Trong phaàn chuyeån maïch seõ chæ khaûo saùt ôû 2 cheá ñoä taét vaø baõo hoøa Vuøng baõo hoøa Transistor laøm vieäc ôû vuøng baõo hoøa caàn thoõa maõn caùc ñieàu kieän sau: • Moái noái BC vaø moái noái BE ñeàu ñöôïc phaân cöïc thuaän. C B E Vcc Vcc Rc Rc Rb C Vout = 0 RL E Rt Hình 3.8 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 49
  8. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Transistor rôi vaøo vuøng baõo hoøa khi ngoõ vaøo phaûi ñöôïc cung caáp tín hieäu ñuû lôùn sao cho ñieän aùp taïi cöïc neàn (VB) lôùn hôn moät möùc ngöôõng ñeå Transistor phaân cöïc baõo hoøa. Möùc ñieän aùp ngöôõng naøy laø VBEsat , noù coù trò soá tuøy thuoäc vaøo töøng loaïi chaát baùn daãn . • VBEsat = 0,7V ñeán 0,8V , Transistor loaïi Si • VBEsat = 0.3V , Transistor loaïi Ge Khi söû duïng ôû cheá ñoä chuyeån maïch, Transistor thoâng thöôøng maéc theo daïng E chung ( maéc CE ). Khaûo saùt moät daïng maïch maéc CE laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa. Vcc Rc Rb Vbb 0 0 Hình 3.9 ÔÛ traïng thaùi baõo hoøa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V VCC −VCEsat ICsat ñöôïc tính theo coâng thöùc sau : ICsat = . Rc Khi ñaõ coù doøng ñieän taûi IC , ta phaûi tính doøng ñieän caàn thieát caáp cho cöïc neàn B, nhaèm choïn trò soá RB thích hôïp. Ta xaùc ñònh IBsat theo bieåu thöùc : 1 IBsat = .ICsat β Tröôøng hôïp caàn cho Transistor laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa saâu, thì coù theå tính I Csat IB theo coâng thöùc: IBsat = .k ,Trong ñoù, k laø heä soá baõo hoøa saâu (k = β 2 ÷ 5). Khi Transistor baõo hoøa, caùc giaù trò IBsat vaø ICsat , ñeàu do maïch ngoaøi quyeát ñònh Ta coù theå xaùc ñònh RB theo coâng thöùc sau V − V BEsat RB = I Bsat GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 50
  9. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 4. OpAmp (Operational-Amplifier) Op-amp laø loaïi linh kieän ñöôïc öùng duïng phoå bieán trong lónh vöïc ñieän töû. Gaàn nhö moïi chöùc naêng trong lónh vöïc naøy ñeàu coù theå duøng Op-amp ñeå thöïc hieän. Chaúng haïn, thöïc hieän caùc pheùp tính: Coäng, tröø , tích phaân trong maùy tính töông töï, laøm thaønh phaàn noàng coát trong caùc maïch khueách ñaïi, maïch ño, boä dao ñoäng, maïch taïo aâm, maïch caûm bieán. Op-amp laø loaïi linh kieän ñöôïc tích hôïp, goàm hai ngoõ vaøo: Ñaûo vaø khoâng ñaûo, moät ngoõ ra. Op-amp hoaït ñoäng ñöôïc phaûi caàn cung caáp caëp nguoàn ñieän aùp ñoái xöùng döông vaø aâm, ñieåm giöõa cuûa caëp nguoàn naøy ñöôïc xem laø mass (0V). Do vaäy, tín hieäu ôû ngoõ ra cuûa boä khueách ñaïi thuaät toaùn coù theå bieán ñoåi caû veà phía döông hay phía aâm so vôùi mass. Kyù hieäu vaø sô ñoà töông ñöông cuûa OpAmp nhö sau: +Vcc Ro V+ V+ + Vout Rin Vout V- - V- -Vcc Hình 3.10 Moâ hình goàm moät nguoàn aùp phuï thuoäc (phuï thuoäc vaøo ñieän aùp ngoõ vaøo), trôû khaùng ngoõ vaøo (Rin) vaø trôû khaùng ngoõ ra (Ro). Ñieän aùp vaøo vi sai vd = v+ - v- Trôû khaùng ngoõ vaøo cuûa Op-amp töông ñöông nhö moät ñieän trôû. Ñieän aùp ngoõ ra tæ leä thuaän vôùi ñieän aùp ngoõ vaøo, vaø ta bieåu thò heä soá tæ leä naøy laø ñoä lôïi voøng hôû (G). Vì vaäy, ñieän aùp ngoõ ra khueách ñaïi G laàn ñieän aùp vaøo vi sai vaø ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau: vo = G (v+ - v-) = G .vd Op-amp lyù töôûng coù nhöõng ñaëc ñieåm nhö sau: Trôû khaùng ngoõ vaøo, Rin = ∞ Trôû khaùng ngoõ ra, Ro = 0 Ñoä lôï voøng hôû, G → ∞ Baêng thoâng BW → ∞ vo = 0, khi v+ = v- Ta coù v+ - v- = vo /G (*) Vì G → ∞, do ñoù phöông trình (*) ñöôïc vieát laïi nhö sau: v+ - v- = 0 → v+ = v- Bôûi ñieän trôû ngoõ vaøo Rin → ∞, neân doøng ñieän chaïy vaøo hai ngoõ vaøo ñaûo vaø khoâng ñaûo laø zero i+ = i- = 0 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 51
  10. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Tuøy thuoäc ñieän aùp ôû hai ngoõ vaøo naøy so saùnh vôùi nhau maø Op-amp seõ laøm vieäc moät trong hai traïng thaùi sau: • Neáu v+ > v- thì vo = +V, goïi laø traïng thaùi baõo hoøa döông . • Neáu v+ < v- thì vo = -V, goïi laø traïng thaùi baõo hoøa aâm. Hai traïng thaùi baõo hoøa naøy töông ñöông vôùi ngoõ ra cuûa Op-amp ôû hai möùc ñieän aùp cao vaø ñieän aùp thaáp, ñeå taïo ra caùc xung ñieän. Ñaëc tuyeán truyeàn ñöôïc theå hieän nhö sau Hình 3.11 II. CHEÁ ÑOÄ QUAÙ ÑOÄ Trong phaàn naøy chuû yeáu nghieân cöùu caùc hieän töôïng xaûy ra trong quaù trình chuyeån maïch (luùc quaù ñoä). Seõ khoâng ñi quaù saâu veà baûn chaát vaät lyù maø chuû yeáu neâu hieän töôïng vaø ñeà ra bieän phaùp caûi thieän daïng soùng ra 1. Diode baùn daãn PN Vv a. Ñaïi cöông +V 0 t VV ID RL -V ID VR Hình 3.12 + T1 T2 RT I0 0 t VR − RT Aûnh höôûng do hat Aûnh höôûng do taûi ñieän thieåu soá ñieän dung CD Do aûnh höôûng cuûa haït taûi ñieän thieåu soá trong thôøi gian T1 neân diode chöa taét hoaøn toaøn, daïng cuûa doøng ñieän nhö hình beân GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 52
  11. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 V Thôøi gian T1 khoaûng 0.1 μs vaø taêng khi lôùn Rt T2 gaáp vaøi laàn T1 b. Caûi thieän • Toát nhaát neân duøng diode chuyeån maïch (switching diode) • Neáu khoâng, theâm tuï C (thöôøng do nhaø cheá taïo cung caáp thoâng soá) ñeå giaûm aûnh höôûng cuûa tuï Cd nhö sau Cd Vr I0 0 t RL C Hình 3.13 2. Transistor 2 moái noái Quaù trình quaù ñoä xaûy ra trong BJT laø phöùc taïp. ÔÛ ñaây chæ khaûo saùt caùc yeáu toá gaây neân söï meùo daïng cuûa xung ra V v a. Thôøi gian chuyeån maïch V1 0 t Vcc -V2 IB Rc VV V1 V1 Rb 0 t -V2 -V2 IC ICbh 0 0.9ICbh Hình 3.14 0.1ICbh t 12 4 5 3 6 Thôøi gian môû (3) bao goàm • Thôøi gian treã td (1) laø thôøi gian caàn thieát ñeå Vv taêng töø 0 ñeán Vγ • Thôøi gian leân tr (2) chuû yeáu phuï thuoäc ñieän dung ngoõ vaøo CV cuûa BJT GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 53
  12. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Thôøi gian taét (6) bao goàm • Thôøi gian toàn tröõ tS (4), thôøi gian caàn thieát ñeå xaû ñieän tích thöøa khi baõo hoøa. Baõo hoøa caøng saâu thì tS caøng lôùn • Thôøi gian xuoáng tf (5) chuû yeáu do aûnh höôûng ñieän dung CV ngoõ vaøo cuûa BJT b. Caûi thieän soùng ra • Söû duïng BJT chuyeån maïch, hay BJT cao taàn coù fT cao • Coù theå caûi thieän thôøi gian treã td neáu VV laø daïng soùng vuoâng saéc caïnh • Caûi thieän tr vaø tf. Ngoaøi vieäc VV laø soùng vuoâng coù caïnh leân vaø caïnh xuoáng saéc caïnh ta coù theå duøng tuï taêng toác (speed up capacitor) maéc song song vôùi RB (gioáng yù nieäm caàu phaân aùp) Vcc Cb Rc Rb Cv 0 0 Hình 3.15 Giaù trò cuûa Cb côõ vaøi pF vaø thöôøng ñöôïc nhaø saûn xuaát cung caáp • Caûi thieän thôøi gian toàn tröõ tS baèng caùch khoâng cho BJT baõo hoøa saâu, noäi dung cuûa PP naøy laø Khi BJT baõo hoøa, caû 2 moái noái BC vaø BE ñeàu phaân cöïc thuaän, nhö vaäy VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ Maéc theâm 1 maïch ghim ñieän aùp (seõ hoïc ôû chöông 4) nhö sau GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 54
  13. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 0.3V Hình 3.16 Maïch ghim coù taùc duïng ngaên khoâng cho VBC taêng quaù laøm cho BJT baõo hoøa saâu Ngoaøi ra coøn söû duïng diode Schottky hay transistor Schottky ñeå taêng toác ñoä chuyeån maïch GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 55
  14. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Baøi taäp chöông 3 1. Cho maïch nhö sau Vcc=10V Rc=1K Rb 0 IB = 0.2mA a. Xaùc ñònh β min ñeå BJT baõo hoøa b. Neáu thay RC = 220 vaø söû duïng transistor coù β min =60 taïi IC = 50mA. Maïch coù baõo hoøa khoâng 2. Neáu BJT cuûa baøi 1 coù β min =60, ICo = 50nA, RC = 1K Tìm coâng suaát nhieät cuûa BJT khi a. BJT taét b. BJT baõo hoøa c. VCE =2V 3. Tìm quan heä Y theo A, B. Bieát diode coù Vγ = 0,6; rD = 0 A +5V B Y R A (b) (a) R B Y 0 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 56
  15. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 4. Tìm quan heä Y theo A, B bieát BJT laø loaïi Si, V γ = 0.6, β = 100 Vcc=+5V Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K 10K Y 10K Y A A 10K B (b) (a) 0 0 Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K Y 10K A 10K (c) B 0 0 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 57

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản