Chuyển Mạch Điện Tử

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

qv D nkT

−

Quan heä Volts – Amperes cuûa Diode ñöôïc moâ taû nhö sau:

⎡ ⎢ ⎣

⎤ 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

Trang 43 GV: Nguyễn Trọng Hải

v D nV T

−

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3

⎤ 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 ≈ μA 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

Hoaëc K

v D nV T

⎤ ⎥ ⎥ ⎦

⎡ ⎢ ⎢ ⎣

neáu vD > VT vaø hoaït ñoäng ôû nhieät ñoä 25oC thì doøng ñieän thuaän cuûa Diode ñöôïc giaûn löôïc nhö sau:

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

Trang 44 GV: Nguyễn Trọng Hải

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.

(choïn 0,7v) , Ñoái vôùi Diode loaïi Si.

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

Vγ

Diode lyù töôûng

Maïch töông cuûa Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän laø:

rd : Ñieän trôû ñoäng

rd = nVT / (iD + Io) ≈ nVT / iD

Diode lyù töôûng coù rd = 0 vaø Vγ = 0.

Vγ

IDz

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

2. Diode oån aùp baùn daãn (diode zener)

VDz

Vγ

Izmin

+ pha taïp chaát ñaëc bieät

a. Ñaïi cöông

Si

IZMax

Hình 3.2

Moái noái P-N ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät ñeå coù ñaëc tuyeán V-A nhö hình veõ

Trang 45 GV: Nguyễn Trọng Hải

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

0.2.IL

Khi söû duïng diode zener luoân luoân phaûi coù ñieän trôû haïn cheá doøng (ñieän trôû xaùc ñònh doøng)

VV − Z 2.0+ I

Hình 3.3

−

VV − R

⎛ ⎜ ⎝

⎞ VI .⎟ L ⎠

Töø ñoù tính ñöôïc coâng suaát treân zener laø

Trang 46 GV: Nguyễn Trọng Hải

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3

b. Maïch töông ñöông

Vγ

ΔI

ΔV

Moâ hình PCT

Moâ hình PCN

Töø ñoù ta coù maïch töông ñöông nhö sau:

V Δ I Δ

Hình 3.4

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.

PNP

NPN

Chieàu doøng ñieän ñöôïc qui öôùc theo chieàu cuûa muõi teân.

Kyù hieäu Kyù hieäu

Hình 3.5

Trang 47 GV: Nguyễn Trọng Hải

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

IE = 0

Vcc

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 .

ICO

Vout = Vcc neu RL >> Rc

Hình 3.7

Transistor ñöôïc xem laø taét hoaøn toaøn neáu IE = 0

Trang 48 GV: Nguyễn Trọng Hải

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 =→ C

I CO 1 α−

Khi IB = 0

1≈α → IC raát lôùn: khoâng taét

• Neáu BJT thuoäc hoï Ge:

Ñeå BJT taét ta phaûi cöôõng böùc baèng caùch phaân cöïc nghòch moái noái BE

0≈α → IC = ICO :taét

• Neáu BJT thuoäc hoï Si:

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:

Vcc

Vout = 0

• Moái noái BC vaø moái noái BE ñeàu ñöôïc phaân cöïc thuaän.

Hình 3.8

Trang 49 GV: Nguyễn Trọng Hải

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 ).

Vcc

Vbb

Khaûo saùt moät daïng maïch maéc CE laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa.

Hình 3.9

CEsat

ÔÛ traïng thaùi baõo hoøa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V

V CC − Rc

. ICsat ñöôïc tính theo coâng thöùc sau : ICsat =

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 β

IBsat = .ICsat

Tröôøng hôïp caàn cho Transistor laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa saâu, thì coù theå tính

Csat β

.k ,Trong ñoù, k laø heä soá baõo hoøa saâu (k = IB theo coâng thöùc: IBsat =

2 ÷ 5).

Khi Transistor baõo hoøa, caùc giaù trò IBsat vaø ICsat , ñeàu do maïch ngoaøi quyeát ñònh

V −

BEsat

Ta coù theå xaùc ñònh RB theo coâng thöùc sau

Bsat

RB =

Trang 50 GV: Nguyễn Trọng Hải

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.

+Vcc

V+

Vout

Rin

Vout

Kyù hieäu vaø sô ñoà töông ñöông cuûa OpAmp nhö sau:

-

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

Trang 51 GV: Nguyễn Trọng Hải

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

-V

a. Ñaïi cöông

V R R T

−

V R R T

Aûnh höôûng do ñieän dung CD

Aûnh höôûng do hat taûi ñieän thieåu soá

Hình 3.12

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

Trang 52 GV: Nguyễn Trọng Hải

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3

V tR

lôùn Thôøi gian T1 khoaûng 0.1 sμ vaø taêng khi

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

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

0 -V2

Vcc

-V2

0 -V2

ICbh 0.9ICbh

0.1ICbh

a. Thôøi gian chuyeån maïch

4 5 6

2 3

Hình 3.14

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

Trang 53 GV: Nguyễn Trọng Hải

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

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

Trang 54 GV: Nguyễn Trọng Hải

0.3V

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3

Hình 3.16