Bài giảng Kỹ thuật điện tử (12 chương)

Chia sẻ: Lê Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật điện tử gồm 12 chương trình bày về Diode, BJT, FET, mạch khuyếch đại dùng Transistor, Opamp và ứng dụng, hệ thống số và mã, đại số Boole và các cổng logic, tối thiểu hóa hàm Boole, hệ tổ hợp. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử (12 chương)

Kỹ thuật ñiện tử
Nội dung  Chương 1: Diode  Chương 2: BJT  Chương 3: FET  Chương 4: Mạch khuyếch đại dùng Transistor Linh kiện ñiện tử  Chương 5: Opamp và ứng dụng  Chương 6: Hệ thống số và mã thông dụng  Chương 7: Đại số Boole và các cổng logic  Chương 8: Tối thiểu hóa hàm Boole  Chương 9: Hệ tổ hợp  Chương 10: Hệ tuần tự đồng bộ  Chương 11: Bộ nhớ, PLD và FPGA  Chương 12: Các họ IC số và giao tiếp giữa chúng ðiện trở Linh kiện có khả năng cản trở dòng ñiện Ký hiệu: Linh kiện thụ ñộng Trở thường Biến trở ðơn vị: Ohm (Ω). 1kΩ= 103 Ω. 1MΩ= 106 Ω.
ðiện trở Tụ ñiện Linh kiện có khả năng tích tụ ñiện năng. Ký hiệu: ðơn vị Fara (F) 1µF= 10-6 F. 1nF= 10-9 F. 1pF= 10-12 F. Tụ ñiện Cuộn cảm Linh kiện có khả năng tích lũy năng lượng từ trường. Ký hiệu: ðơn vị: Henry (H) 1mH=10-3H.
Biến áp Biến áp Linh kiện thay ñổi ñiện áp Biến áp cách ly Biến áp tự ngẫu Diode Linh kiện ñược cấu thành từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc công Linh kiện tích cực nghệ Diod chỉnh lưu Diode tách sóng Diode ổn áp (diode Zener) Diode biến dung (diode varicap hoặc varactor) Diode hầm (diode Tunnel)
Transistor lưỡng cực BJT BJT (Bipolar Junction Transistor) Linh kiện quang Linh kiện ñược cấu ñiện tử thành từ 3 lớp bán dẫn tiếp xúc liên tiếp nhau. Hai loại: NPN PNP Linh kiện thu quang Linh kiện phát quang Quang trở: Diode phát quang (Led : Light Emitting Quang diode Diode) Quang transistor LED 7 ñọan
Chương 1: Chất bán dẫn và Diode Chất bán dẫn Chất bán dẫn Khái niệm Chất dẫn ñiện Chất bán dẫn Chất cách ñiện Vật chất ñược chia thành 3 loại dựa trên 10-4÷104Ωcm 105÷1022Ωcm ðiện trở suất ρ 10-6÷10-4Ωcm ñiện trở suất ρ: Chất dẫn ñiện T0 ↑ ρ↑ ρ↓ ρ↓ Chất bán dẫn Chất cách ñiện Dòng ñiện là dòng dịch chuyển của các hạt mang ñiện Tính dẫn ñiện của vật chất có thể thay ñổi Vật chất ñược cấu thành bởi các hạt mang ñiện: theo một số thông số của môi trường như Hạt nhân (ñiện tích dương) nhiệt ñộ, ñộ ẩm, áp suất … ðiện tử (ñiện tích âm) Chất bán dẫn Chất bán dẫn Gồm các lớp: Giãn ñồ năng lượng của vật chất Vùng hóa trị: Liên kết hóa trị giữa ñiện tử và hạt nhân. K: 2; L:8; M: 8, 18; N: 8, 18, 32… Vùng tự do: ðiện tử liên kết yếu với hạt nhân, có thể di chuyển. Vùng cấm: Là vùng trung gian, hàng rào năng lượng ñể chuyển ñiện tử từ vùng hóa trị sang vùng tự do 18 2 8
Chất bán dẫn thuần Chất bán dẫn thuần Hai chất bán dẫn ñiển hình Ge: Germanium Si Si Si Si: Silicium Là các chất thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev. Si Si Si Có 4 ñiện tử ở lớp ngoài cùng Các nguyên tử liên kết với nhau thành mạng tinh Si Si Si thể bằng các ñiện tử lớp ngoài cùng. Gọi n: mật ñộ ñiện tử, p: Số ñiện tử lớp ngoài cùng là 8 electron dùng mật ñộ lỗ trống chung Cấu trúc tinh thể của Si Chất bán dẫn thuần: n=p. Chất bán dẫn tạp Chất bán dẫn tạp Chất bán dẫn tạp loại N: Chất bán dẫn tạp loại P: Pha thêm chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn Mendeleev Pha thêm chất thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn Mendeleev vao chất bán dẫn thuần, ví dụ Phospho vào Si. vao chất bán dẫn thuần, ví dụ Bo vào Si. Nguyên tử tạp chất thừa 1 e lớp ngoài cùng liên kết yếu với hạt Nguyên tử tạp chất thiếu 1 e lớp ngoài cùng nên xuất hiện một lỗ nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một năng lượng yếu trống liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một năng n>p lượng yếu p>n Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Bo Si Si Si Si Si Si Si
Cấu tạo Cho hai lớp bán dẫn loại P và N tiếp xúc công nghệ với nhau, ta ñược một diode. Diode P N D1 ANODE CATHODE DIODE Chưa phân cực cho diode Phân cực ngược cho diode E Âm nguồn thu hút hạt mang Hiện tượng khuếch tán ñiện tích dương (lỗ trống) các e- từ N vào các lỗ Dương nguồn thu hút các hạt mang ñiện tích âm (ñiện tử) trống trong P vùng rỗng Vùng trống càng lớn hơn. khoảng 100µm. Gần ñúng: Không có dòng Ing ñiện qua diode khi phân cực ðiện trường ngược từ N E ngược. -e sang P tạo ra một hàng rào ñiện thế là Utx. Nguồn 1 chiều tạo ñiện trường Dòng ñiện này là dòng ñiện E như hình vẽ. của các hạt thiểu số gọi là Ge: Utx=Vγ~0.3V ðiện trường này hút các ñiện dòng trôi. Si: Utx=Vγ~0.6V tử từ âm nguồn qua P, qua N Giá trị dòng ñiện rất bé. về dương nguồn sinh dòng ñiện theo hướng ngược lại
Phân cực thuận cho diode Dòng ñiện qua diode E Âm nguồn thu hút hạt mang Dòng của các hạt mang ñiện ña số là dòng ñiện tích dương (lỗ trống) Dương nguồn thu hút các hạt khuếch tán Id, có giá trị lớn. mang ñiện tích âm (ñiện tử) Id=IseqU/kT. Vùng trống biến mất. Với -e ðiện tích: q=1,6.10-19C. Ith Hằng số Bolzmal: k=1,38.10-23J/K. Nhiệt ñộ tuyệt ñối: T (0K). Nguồn 1 chiều tạo ñiện trường ðiện áp trên diode: U. Dòng ñiện này là dòng ñiện Dòng ñiện ngược bão hòa: IS chỉ phụ thuộc nồng ñộ tạp chất, E như hình vẽ. của các hạt ña số gọi là dòng ðiện trường này hút các ñiện khuếch tán. cấu tạo các lớp bán dẫn mà không phụ thuộc U (xem như tử từ âm nguồn qua P, qua N hằng số). Giá trị dòng ñiện lớn. về dương nguồn sinh dòng ñiện theo hướng ngược lại Dòng ñiện qua diode Dòng ñiện qua diode Dòng của các hạt mang ñiện thiểu số là dòng Khi phân cực cho diode (I,U≠0): trôi, dòng rò Ig, có giá trị bé. I=Is(eqU/kT-1). (*) Vậy: Gọiñiện áp trên 2 cực của diode là U. Gọi UT=kT/q là thế nhiệt thì ở 3000K, ta có Dòng ñiện tổng cộng qua diode là: UT~25.5mV. I=Id+Ig. I=Is(eU/UT-1). (**) Khi chưa phân cực cho diode (I=0, U=0): (*) hay (**) gọi là phương trình ñặc tuyến của ISeq0/kT+Ig=0. => Ig=-IS. diode.
ðặc tuyến tĩnh của diode Phương trình ñặc ðặc tuyến tĩnh và các tuyến Volt-Ampe của diode: tham số của diode I=Is(eqU/kT-1) ðoạn AB (A’B’): phân cực thuận, U gần như không ñổi khi I thay ñổi. Ge: U~0.3V Si: U~0.6V. ðoạn làm việc của diode chỉnh ðoạn CD (C’D’): phân cực ngược, lưu U gần như không ñổi khi I thay ñổi. ðoạn làm việc của diode zener Các tham số của diode ðiện trở một chiều: Ro=U/I. Rth~100-500Ω. Rng~10kΩ-3MΩ. ðiện trở xoay chiều: rd=δU/δI. Một số ứng dụng của Diode rdng>>rdth Tần số giới hạn: fmax. Diode tần số cao, diode tần số thấp. Dòng ñiện tối ña: IAcf Diode công suất cao, trung bình, thấp. Hệ số chỉnh lưu: Kcl=Ith/Ing=Rng/Rth. Kcl càng lớn thì diode chỉnh lưu càng tốt.
Sơ ñồ khối Chỉnh lưu bán kỳ 220V (rms) V0=0, vs
Mạch lọc tụ C Ổn áp bằng diode zener
Chương 2 BJT Kỹ thuật điện tử Nội dung Cấu tạo BJT Cấu tạo BJT Phân cực cho BJT Mạch khuếch đại dùng BJT Phương pháp ghép các tầng khuếch đại Mạch khuếch đại công suất
BJT (Bipolar Junction Transistors) Hai loại BJT Cho 3 lớp bán dẫn tiếp xúc công nghệ liên tiếp nhau. NPN PNP Các cực E: Emitter, B: Base, C: Collector. Điện áp giữa các cực dùng để điều khiển dòng E n p n C E p n p C điện. Cấu tạo C Cấu tạo C B B B B Ký hiệu Ký hiệu E E Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động Từ hình vẽ: Xét BJT NPN E=EE+EC IE = IB + IC EE EC Định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện: IE α = IC /IE. IC N P N ĐỊnh nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện: E C β = IC / IB. Như vậy, B β = IC / (IE –IC) = α /(1- α); RE IB RC α = β/ (β+1). Do đó, IC = α IE; EE EC IB = (1-α) IE; β ≈ 100 với các BJT công suất nhỏ.
Chiều dòng, áp của các BJT Ví dụ IE IC IE IC Cho BJT như hình vẽ. C - VCE + E C E + VEC - Với IB = 50 µ A , IC = 1 mA C - - Tìm: IE , β và α + _ VCB IC + + VBE IB VBC VEB VCB IB IB Giải: B + + - - B B IE = IB + IC = 0.05 mA + 1 mA = 1.05 mA β = IC / IB = 1 mA / 0.05 mA = 20 + _ VBE IE α = IC / IE = 1 mA / 1.05 mA = 0.95238 npn pnp α còn có thể tính theo β. E IE = IB + IC IE = IB + IC α= β = 20 = 0.95238 β+1 21 VCE = -VBC + VBE VEC = VEB - VCB Đặc tuyến tĩnh của BJT IC mA Vùng bão hòa IC Vùng tích IB UCE RC cực µA Q V RB IB EB EC Vùng cắt IB = 0 UCE Giữ giá trị IB không đổi, thay đổi EC, xác định IC, ta có: IC=f(UCE) IB=const
Phân cực cho BJT Cung cấp điện áp một chiều cho các cực của BJT. Phân cực cho BJT Xác định chế độ họat động tĩnh của BJT. Chú ý khi phân cực cho chế độ khuếch đại: Tiếp xúc B-E được phân cực thuận. Tiếp xúc B-C được phân cực ngược. Vì tiếp xúc B-E như một diode, nên để phân cực cho BJT, yêu cầu VBE≥Vγ. Đối với BJT Ge: Vγ~0.3V Đối với BJT Si: Vγ~0.6V Đường tải tĩnh và điểm làm Phân cực bằng dòng cố định việc tĩnh của BJT VCC II IB=max Đường tải tĩnh được vẽ Xét phân cực cho BJT NPN RC trên đặc tuyến tĩnh của BJT. Quan hệ: IC=f(UCE). Áp dụng KLV cho vòng I: RB Q II Điểm làm việc tĩnh nằm K IB=(VB-UBE)/RB. IB trên đường tải tĩnh ứng VB UBE I I với khi không có tín hiệu Áp dụng KLV cho vòng II: vào (xác định chế độ phân cực cho BJT). UCE=VCC-ICRC. IB=0 VCC Điểm làm việc tĩnh nằm II L càng gần trung tâm KL RC càng ổn định. RB II Q IB UBE I
Phân cực bằng dòng cố định Phân cực bằng dòng cố định Xác định điểm làm việc Ic(mA) Đường Tính ổn định nhiệt tĩnh: tải tĩnh Khi nhiệt độ tăng, IC tăng, IC VCC/RC Phương trình tải tĩnh: Điểm làm điểm làm việc di chuyển từ A VCC=ICRC+UCE. việc tĩnh ICA’’ A’’ IBA sang A’. BJT dẫn càng mạnh, A’ Là phương trình đường nhiệt độ trong BJT càng tăng, ICA ICA’ A thẳng. A(UCEA, ICA) UCE=0, IC=VCC/RC. càng làm IC tăng lên nữa. ICA IC=0, UCE=VCC. Nếu không tản nhiệt ra môi Điểm làm việc tĩnh: trường, điểm làm việc có thể UCE(V) Giao điểm giữa đường tải UCEA VCC sang A’’ và tiếp tục. UCE tĩnh với đặc tuyến BJT của UCEA dòng IB phân cực. Vị trí điểm làm việc thay đổi, tín hiệu ra bị méo. Trường hợp xấu nhất có thể làm hỏng BJT. Phân cực bằng dòng cố định Phân cực bằng dòng cố định Ví dụ Tìm IB, IC, VCE và công suất tiêu tán của BJT. Cho mạch như hình Để BJT họat động ở chế độ khuếch đại, chọn vẽ, với VBB=5V, UBE=Vγ RBB=107.5kΩ, β=100, Áp dụng KLV cho nhánh B-E RCC=1kΩ, Vγ=0.6V, IB=(VBB-UBE)/RBB~40µA. VCC=10V. IC= βIB=4mA Tìm IB, IC, VCE và công Áp dụng KLV cho nhánh C-E: suất tiêu tán của BJT. UCE=VCC-ICRC=6V Xác định điểm làm Công suất tiêu tán BJT: việc tĩnh của BJT. P=UCE.IC=24mW.
Phân cực bằng dòng cố định Phân cực bằng điện áp hồi tiếp Xác định điểm làm việc tĩnh: Ic(mA) Áp dụng KLV cho Phương trình tải tĩnh: 10 vòng I: IB=(UCE-UBE)/RB. VCC=ICRCC+UCE. I Là phương trình đường thẳng. A(6V,4mA) 40µA Áp dụng KLI cho nút UCE=0, IC=VCC/RCC=10mA. 4 C: UCE IC=0, UCE=VCC=10V. I=IB+IC=IE. UCE(V) Điểm làm việc tĩnh: Áp dụng KLV cho 6 10 Giao điểm giữa đường tải tĩnh với đặc tuyến BJT vòng II: của dòng IB phân cực (40µ). UCE=VCC-IRC. Điểm làm việc nằm gần giữa đường tải tĩnh, mạch tương đối ổn định. Phân cực bằng điện áp hồi tiếp Phân cực bằng điện áp hồi tiếp Xác định điểm làm việc Tính ổn định nhiệt tĩnh: Khi nhiệt độ tăng, IC tăng Phương trình tải tĩnh: từ ICA sang ICA’, điểm làm VCC=IRC+UCE=ICRC/α+UCE việc di chuyển từ A sang Là phương trình đường A’. thẳng. UCE giảm xuống UCEA’. UCE=0, IC= α VCC/RC. Mà IB=(UCE-UBE)/RB. Nên IB IC=0, UCE=VCC. và UBE giảm, dẫn đến IC Điểm làm việc tĩnh: giảm trở lại. Giao điểm giữa đường tải Điểm làm việc từ A’ lại trở tĩnh với đặc tuyến BJT về A. của dòng IB phân cực. Mạch ổn định nhiệt.
Phân cực bằng điện áp hồi tiếp Phân cực bằng điện áp hồi tiếp Hồi tiếp: Mạch hồi tiếp âm điện áp bằng VCC cách lấy điện áp UCE đưa về Lấy 1 phần tín hiệu ngõ ra, đưa ngược về ngõ vào. phân cực UBE cho BJT. RC Hồi tiếp dương: Mạch ổn định nhiệt nhưng hệ RB1 RB2 tín hiệu đưa về cùng pha với ngõ vào. số khuếch đại giảm. ứng dụng trong mạch dao động. Khắc phục: Tách RB thành 2 điện trở và nối C Hồi tiếp âm: với tụ C xuống masse. Tụ C gọi là tụ thoát tín hiệu xoay Q tínhiệu đưa về ngược pha với ngõ vào. chiều. dùng để ổn định mạch. Tín hiệu đưa về thoát xuống masse theo tụ C mà không được giảm hệ số khuếch đại. đưa về cực B của BJT Phân cực tự động Phân cực tự động Áp dụng định lý nguồn tương Ta có mạch tương đương như VCC đương Thevenin để đơn giản. sau Ngắn mạch điểm B: Với RC IC Inm=VCC/RB1. VCC .RB 2 R .R VB = U hm = , RB = Rng = B1 B 2 RB1 + RB 2 RB1 + RB 2 Hở mạch điểm B: RB Uhm=VCC/(RB1+RB2) = VB. Áp dụng KLV cho nhánh B-E Q Rng=Uhm/Inm VB – IB.RB -UBE – IE.RE = 0. VB IB UBE IE Rng=RB1RB2/(RB1+RB2)=RB1//RB2=RB. Mà: IE = IB + IC = IB + βIB= (1+ β)IB RE Suy ra: IB=(VB-UBE)/(RB+(1+ β)RE)
Phân cực tự động Phân cực tự động Áp dụng KLV cho nhánh C-E: Xác định điểm làm việc VCC tĩnh: VCC=ICRC+UCE+IERE Phương trình tải tĩnh: Với IE= IC/ α RC VCC=IC(RC+RE/α)+UCE. Là phương trình đường Thay vào, ta được: thẳng. RB UCE=0, IC= αVCC/(αRC+RE). VCC=(RC+ RE/α)IC+UCE. Q IC=0, UCE=VCC. Với: VB IB UBE Điểm làm việc tĩnh: Giao điểm giữa đường tải α =β/(1+ β) RE tĩnh với đặc tuyến BJT của dòng IB phân cực. Phân cực tự động Phân cực tự động Tính ổn định nhiệt Mạch ổn định nhiệt bằng hồi tiếp âm dòng điện emitter qua RE. VCC Khi nhiệt độ tăng, IC tăng từ ICA sang ICA’, điểm làm việc di RE gọi là điện trở ổn định nhiệt. chuyển từ A sang A’. IC tăng RE càng lớn thì mạch càng ổn RC làm IE tăng định. RB1 Mà VB= IB.RB +VBE + IE.RE. Nên Là mạch được dùng nhiều nhất. IB và VBE giảm, dẫn đến IC giảm Tuy nhiên, hồi tiếp âm làm giảm Q trở lại. hệ số khuếch đại. Điểm làm việc từ A’ lại trở về A. Khắc phục: RB2 RE CE Mạch ổn định nhiệt. Mắc CE//RE. CE: tụ thoát tín hiệu xoay chiều.