Bài giảng Kỹ thuật điện tử

131 trang huongle 3491

Download

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

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_ky_thuat_dien_tu.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử

Bài giảng Kỹ thuật điện tử
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử CHƯƠ NG I: CÁC KHÁI NI Ệ M C Ơ B Ả N 1. Mạ ch đi ệ n và các đ ạ i l ượ ng c ơ b ả n 1.1 Mạ ch đi ệ n Mạệộệồ ch đi n: m t h g m các thi ếịệệử t b đi n, đi n t ghép l ạ i trong đó x ả y ra quá trình truyềạếổ n đ t, bi n đ i năng l ượ ng hay tín hi ệệ u đi n đo b ở i các đ ạượ i l ng dòng đi ệệ n, đi n áp. Mạệượấ ch đi n đ c c u trúc t ừ các thành ph ầ n riêng r ẽủỏựệ đ nh , th c hi n các ch ứ c năng xác địượọ nh đ c g i là các ph ầửạệ n t m ch đi n. Hai lo ạầử i ph n t chính c ủạệ a m ch đi n là nguồ n và ph ụ t ả i. - Nguồ n: các ph ầử n t dùng đ ể cung c ấ p năng l ượệặ ng đi n ho c tín hi ệệ u đi n cho mạ ch. VD: máy phát điệ n, acquy - Phụ t ả i: các thi ế t b ị nh ậ n năng l ượ ng hay tín hi ệ u đi ệ n. VD: độ ng c ơ đi ệ n, bóng đi ệ n, b ế p đi ệ n, bàn là Ngoài 2 thành phầ n chính nh ư trên, m ạ ch đi ệ n còn có nhi ề u lo ạ i ph ầ n t ử khác nhau nhưầử : ph n t dùng đ ểốồớụả n i ngu n v i ph t i (VD: dây n ố i, dây t ảệ i đi n ); ph ầử n t làm thay đổ i áp và dòng trong các ph ầ n khác c ủ a m ạ ch (VD: máy bi ế n áp, máy bi ế n dòng ); phầửảặườ n t làm gi m ho c tăng c ng các thành ph ầ n nào đó c ủệ a tín hi u (VD: các b ộọ l c, bộ khu ế ch đ ạ i ). Trên mỗầửườ i ph n t th ng có m ộầốọ t đ u n i ra g i là các c ựểố c đ n i nó v ớ i các ph ầ n tử khác. Dòng đi ệ n đi vào ho ặ c đi ra ph ầửừựầửểựệ n t t các c c. Ph n t có th có 2 c c (đi n trởộảụệ , cu n c m, t đi n ), 3 c ự c (transistor, bi ếở n tr ) hay nhi ềự u c c (máy bi ế n áp, khuế ch đ ạ i thu ậ t toán ). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 1
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 1.2. Các đạ i l ượ ng c ơ b ả n A i B + uAB - * Điệ n áp Điệữể n áp gi a 2 đi m A và B là công c ầếểị n thi t đ làm d ch chuy ểộơịệ n m t đ n v đi n tích (1 Coulomb) từ A đ ế n B. Đơ n v ị : V (Volt) UAB = VA – VB UAB = - UBA UAB : điệ n áp gi ữ a A và B. VA; VB: điệ n th ế t ạ i đi ể m A, B. * Dòng điệ n Dòng điệ n là dòng các đi ệ n tích chuy ể n d ị ch có h ướ ng. C ườ ng đ ộ dòng đi ệ n (còn gọ i là dòng đi ệượệị n) là l ng đi n tích d ch chuy ể n qua m ộềặ t b m t nào đó (VD: ti ếệ t di n ngang củ a dây d ẫ n ). Đơ n v ị : A (Ampere) Chiề u dòng đi ệ n theo đ ị nh nghĩa là chi ề u chuy ể n đ ộ ng c ủ a các đi ệ n tích d ươ ng (hay ngượềớề c chi u v i chi u chuy ểộủ n đ ng c a các đi ệ n tích âm). Đ ểệợườ ti n l i, ng i ta ch ọ n tuỳ ý mộề t chi u và kí hi ệằ u b ng mũi tên và g ọềươủ i là chi u d ng c a dòng đi ệếạ n. N u t i mộờể t th i đi m t nào đó, chi ề u dòng đi ệ n trùng v ớềươ i chi u d ng thì dòng đi ệ n mang d ấ u dươ ng (i > 0); còn n ếề u chi u dòng đi ệượềươ n ng c chi u d ng thì dòng đi ệ n mang d ấ u âm (i < 0). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 2
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 2. Các phầ n t ử hai c ự c 2.1 Các phầ n t ử hai c ự c th ụ đ ộ ng 2.1.1 Điệ n tr ở Là phầửặư n t đ c tr ng cho hi ệượ n t ng tiêu tán năng l ượệừ ng đi n t . Ký hiệ u: R – Đ ơ n v ị : Ohm (Ω) 1 G = : điệ n d ẫ n – Đơ n v ị : Ω-1 hay Siemen (S) R Ghép nhiề u đi ệ n tr ở : = + + - Nố i ti ế p: RRR1 2 1 1 1 - Song song: = + + RRR1 2 Quan hệ gi ữ a dòng và áp c ủ a đi ệ n tr ở tuân theo đ ị nh lu ậ t Ohm. i R + u=Ri - U(t) = R.I(t) I(t) = G.U(t) U(t): Điệ n áp gi ữ a 2 đ ầ u đi ệ n tr ở (V) U(t): Điệ n áp gi ữ a 2 đ ầ u đi ệ n tr ở (V) I(t): Dòng điệ n gi ữ a 2 đ ầ u đi ệ n tr ở (A) I(t): Dòng điệ n gi ữ a 2 đ ầ u đi ệ n tr ở (A) R : Điệ n tr ở (Ω) G: Điệ n d ẫ n (Ω-1 /S) Khi R = 0 (G = ∞): mô hình ngắ n m ạ ch. Khi R = ∞ (G= 0): mô hình hở m ạ ch. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 3
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Công suấ t tiêu th ụ trên đi ệ n tr ở : P = UI = RI2 (W) * Các thông số c ầ n quan tâm c ủ a đi ệ n tr ở : - Trị danh đ ị nh: giá tr ị xác đ ị nh c ủ a đi ệ n tr ở . - Dung sai : sai số c ủ a giá tr ị th ự c so v ớ i tr ị danh đ ị nh. - Công suấ t tiêu tán : công suấ t tiêu th ụ trên đi ệ n tr ở . - Điệ n áp làm vi ệ c t ố i đa. - Nhiễ u nhi ệ t. Hình dạ ng th ự c t ế c ủ a đi ệ n tr ở : * Công thứ c tính đi ệ n tr ở : Theo vậ t li ệ u ch ế t ạ o Nế u là đi ệởủộ n tr c a cu n dây: Tr ịốệởủộ s đi n tr c a cu n dây d ẫụộ n ph thu c vào v ậ t liệỷệậớề u, t l thu n v i chi u dài và t ỷệịớếệ l ngh ch v i ti t di n dây. l 2 R = ρ ρ Ωm/ m  S : điệ n tr ở xu ấ t   l : chiề u dài dây d ẫ n [m] S : tiế t di ệ n dây [m2] Thí dụ: Tìm điệ n tr ở c ủ a 1 dây d ẫ n dài 6.5m, đ ườ ng kính dây 0.6mm, có ρ =430n Ω m . Dự a vào công th ứ c ta tìm đ ượ c R =9.88 Ω Theo lý thuyế t m ạ ch: Đị nh lu ậ t Ohm: Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 4
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử U R =( Ω) I Khi có dòng điệ n ch ạ y qua 1 v ậ t d ẫ n đi ệ n thì ở hai đ ầ u dây s ẽ phát sinh 1 đi ệ n áp U tỷ l ệ v ớ i dòng đi ệ n I. Theo năng lượ ng: Khi có dòng điệ n qua R trong 1 th ờ i gian t thì R b ị nóng lên, ta nói R đã tiêu th ụ 1 năng lượ ng: W = U.I.t →W = R I2 t J hoặ c W.s Ta thấ y r ằ ng t càng l ớ n thì đi ệ n năng tiêu th ụ càng l ớ n. * Cách đọ c vòng màu: Ngoài cách đo, giá trị c ủ a đi ệ n tr ở còn có th ể xác đ ị nh qua các vòng màu trên thân điệ n tr ở . S ố vòng màu trên đi ệ n tr ở tuỳ thu ộ c lo ạ i vào độ chính xác c ủ a đi ệ n tr ở (3 vòng màu, 4 vòng màu hay 5 vòng màu). Voøng maøu Maøu 1 2 3 Dung sai Giá trị t ươ ng ứ ng c ủ a các màu đ ượ c li ệ t kê trong b ả ng sau: Màu Trị s ố Dung sai Đen 0 ±20% Nâu 1 ±1% Đỏ 2 ±2% Cam 3 Vàng 4 Lụ c (Xanh lá) 5 Lam (Xanh dươ ng) 6 Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 5
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Tím 7 Xám 8 Trắ ng 9 Vàng kim ±5% Bạ c ±10% Ghi chú: - Vòng màu thứ 3 (đ ố i v ớ i đi ệ n tr ở có 3 hay 4 vòng màu) và vòng màu th ứ 4 (đ ố i vớ i đi ệ n tr ở có 5 vòng màu) ch ỉ h ệ s ố mũ. - Nế u màu vàng kim ho ặ c màu b ạ c ở vòng th ứ 3 (đ ố i v ớ i đi ệ n tr ở 4 vòng màu) hoặở c vòng th ứốớệở 4 (đ i v i đi n tr 5 vòng màu) thì tr ịốươứ s t ng ng là: Vàng kim: -1 Bạ c: -2 1 Ví dụ : Đ ỏ - Xám – Nâu: 28.10 => Giá trị c ủ a đi ệ n tr ở : 28 Ω Nâu – Đen – Đỏ - B ạ c: 10.102 ±10% => Giá trị đi ệ n tr ở : 1KΩ , sai s ố 10%. Đỏ - Cam – Tím – Đen – Nâu: 237.100 ±1% => Giá trị đi ệ n tr ở : 273Ω , sai s ố 1%. * Ứng d ụ ng c ủ a đi ệ n tr ở trong th ự c t ế: bàn ủ i, b ế p đi ệ n, đèn s ợ i đ ố t 2.1.2 Phầ n t ử cu ộ n c ả m * Cấ u t ạ o. Cuộ n c ả m g ồ m nhi ề u vòng dây qu ấ n sát nhau, ngay c ả ch ồ ng lên nhau nh ư ng không chạ m nhau do dây đ ồ ng có tráng men cách đi ệ n. Cuộ n dây lõi không khí Cuộ n dây lõi Ferit Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 6
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Tùy theo lõi cuộ n c ả m là không khí, s ắ t b ụ i hay s ắ t lá mà cu ộ n c ả m đ ượ c ký hi ệ u như sau: L1 là cuộ n dây lõi không khí, L2 là cu ộ n dây lõi ferit, L3 là cuộ n dây có lõi ch ỉ nh, L4 là cu ộ n dây lõi thép k ỹ thu ậ t * Các tham số c ơ b ả n c ủ a cu ộ n c ả m: Khi sử d ụ ng cu ộ n c ả m ng ườ i ta quan tâm đ ế n các s ố chính sau: − Hệ s ố t ự c ả m L: là khả năng tích tr ữ năng l ượừườủộ ng t tr ng c a cu n dây, đ ơị n v là Henry (H). 1H = 103mH = 106 µH . dI VL= dt X Hệ s ố ph ẩ m ch ấ t: Q = L phụ thu ộ c vào f X S ộ Tổ n hao cu ộ n c ả m. ả Dòng điệ n đ ị nh m ứ c Imax. . Tầ n s ố đ ị nh m ứ c. − Cả m kháng Cả m kháng củộ a cu n dây là đ ạượặư i l ng đ c tr ng cho s ựảở c n tr dòng đi ệủ n c a cuộ n dây đ ố i v ớ i dòng đi ệ n xoay chi ề u . − Ghép cuộ n c ả m . Ghép nố i ti ế p: = + + LLLtd 1 2 Công thứ c này ch ỉ s ử d ụ ng cho các cu ộ n dây không quan h ệ v ề t ừ , không có h ỗ cả m. N ế u các cu ộ n dây có t ừ tr ườ ng t ươ ng tác l ẫ n nhau thì: Từ tr ườ ng tăng c ườ ng (qu ấ n cùng chi ề u): = + + + LLLMtd 1 2 2 Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 7
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Từ tr ườ ng đ ố i nhau (qu ấ n ng ượ c chi ề u) = + + − LLLMtd 1 2 2 . Ghép song song: Khi mắ c song song cách bi ệ t v ề t ừ thì công th ứ c tính nh ư sau: 1 1 1 1 = + + + LLLLtd1 2 n − Năng lượ ng n ạ p vào cu ộ n dây: Dòng điệạ n ch y qua cu ộ n dây t ạ o ra năng l ượ ng tích tr ữướạừườ d i d ng t tr ng: 1 WLI= . 2 2 W: năng lượ ng (Joule). L : Hệ s ố t ự c ả m (H). I : Cườ ng đ ộ dòng đi ệ n (A). * Đặ c tính cu ộ n c ả m v ớ i dòng AC Điệ n áp trên ph ầ n t ử đi ệ n c ả m b ằ ng t ố c đ ộ bi ế n thiên theo t ừ thông: dψ (t) u(t) = = −e (t) dt L Trong đó eL(t) là sứ c đi ệ n đ ộ ng c ả m ứ ng do t ừ thông bi ế n đ ổ i theo th ờ i gian gây nên. Mặ t khác: ψ (t) = Li(t) Trong đó: L là hệ s ố t ự c ả m c ủ a cu ộ n dây dψ (t) d(Li(t)) di(t) Như v ậ y: u(t) = = = L dt dt dt 1 t => i(t) = ∫ u(t)dt + i(t ) L 0 t0 ψ (t ) Trong đó i(t ) = 0 là giá trị dòng đi ệ n qua ph ầ n t ử đi ệ n c ả m t ạ i th ờ i đi ể m ban đ ầ u 0 L t0. *Hình dạ ng th ự c t ế c ủ a cu ộ n c ả m: Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 8
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử *Ứ ng d ụ ng th ự c t ế c ủ a cu ộ n c ả m: Relay điệ n t ừ , bi ế n áp, anten, nam châm t ừ 2.1.3 Phầ n t ử t ụ đi ệ n * Cấ u t ạ o c ủ a t ụ đi ệ n: Vềơảụệồ c b n t đi n g m hai b ảự n c c kim lo ạốệ i đ i di n nhau và phân cách ởữ gi a chấ t cách đi ệ n mà còn đ ượ c g ọ i là ch ấ t đi ệ n môi (dielectric). Chấ t đi ệ n môi có th ể là không khí, ch ấ t khí, gi ấ y (t ẩ m), màng h ữ u c ơ , mica, th ủ y tinh hoặốỗạằốệ c g m, m i lo i có h ng s đi n môi khác nhau, kho ảệộộ ng nhi t đ và đ dày khác nhau. i C Kí hiệ u: C – Đ ơ n v ị Farah (F). Điệ n tích gi ữ a hai b ả n t ụ đ ượ c xác + u - đị nh: q(t) = Cu(t) *Khái niệ m chung ệ Trị s ố đi ệ n dung C: khả năng ch ứ a đi ệ n c ủ a t ụ đi ệ n đ ượ c g ọ i là đi ệ n dung (C). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 9
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Đơịủ n v c a C: Fara (F), F l ớ n nên trong th ựếườ c t th ng dùng đ ơịỏơ n v nh h n µF, nF, pF 1F =106 µF =109 nF =1012 pF - Theo quan điể m v ậ t li ệ u: Điệ n dung C (Capacitor hay Condenser) c ủ a t ụ đi ệ n tùy thuộ c vào c ấ u t ạ o và đ ượ c tính b ở i công th ứ c: S C = ε d Vớ i: C: đi ệ n dung {F} S: diệ n tích c ủ a b ả n c ự c {m2}. D: khoả ng cách gi ữ a hai b ả n c ự c {m}. ε ε= ε ε ε ε : là hằ ng s ố đi ệ n môi và r . 0 ( r là hằ ng s ố đi ệ n môi t ươ ng đ ố i; 0 là ε = × −12 hằ ng s ố đi ệ n môi không khí, 0 8.85 10 (F/m). - Theo quan điể m lý thuy ế t m ạ ch: tỷ s ố gi ữ a đi ệ n tích Q và đi ệ n áp đ ặ t vào 2 v ậ t dẫ n (hay b ả n c ự c) U. Q C = U hay Q = C.U Vớ i: Q: đi ệ n tích có đ ơ n v ị là C (colomb). C: điệ n dung có đ ơ n v ị là F (Fara), µF , nF, pF. U: sụ t áp ở hai b ả n c ự c có đ ơ n v ị là V (volt). - Theo quan điể m năng l ượ ng: tụ là kho ch ứ a đi ệ n và l ượ ng đi ệ n năng ch ứ a trong t ụ đượ c xác đ ị nh: 1 WCV= . 2 2 Năng lượ ng tĩnh đi ệ n J tính theo Ws (Wast giây) ho ặ c J (Joule) đ ượ c cho b ở i ở Ghép tụ : CCC= + + Tụ ghép song song: td 1 2 áp tươ ng đ ươ ng b ằ ng áp t ụ có đi ệ n áp nh ỏ nhấ t 1 1 1 Tụ ghép n ố i ti ế p = + + áp tươ ng đ ươ ng b ằ ng t ổ ng các đi ệ n áp thành CCCtd 1 2 phầ n *Chứ c năng c ủ a t ụ đi ệ n: Có hai chứ c năng chính: Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 10
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Nạ p hay x ả đi ệ n: chứ c năng này áp d ụ ng cho các m ạ ch làm b ằ ng ph ẳ ng m ạ ch đị nh thì Ngăn dòng điệ n DC: chứ c năng này đ ượ c áp d ụ ng vào các m ạ ch l ọ c đ ể trích ra hay khử đi các t ầ n s ố đ ặ c bi ệ t. *Mộ t s ố t ụ đi ệ n thông d ụ ng: 1. Tụ hóa: (có cự c tính) đ ượếạớảự c ch t o v i b n c c nhôm và c ựươ c d ng có b ềặ m t hình thành lớ p Oxit nhôm và l ớ p b ộ t khí có tính cách đi ệ n đ ể làm ch ấ t đi ệ n môi giá trị : 1µFF→ 10.000 µ . 2. Tụ g ố m: (không cự c tính) giá tr ị 1pF→ 1µ F . 3. Tụ gi ấ y (không cự c tính): Hai b ả n c ự c là các băng kim lo ạ i dài, ở gi ữ a có l ớ p cách điệ n là gi ấ y t ẩ m d ầ u và cu ộ n l ạ i thành ố ng. Đi ệ n áp đánh th ủ ng đ ế n vài trăm Volt. 4. Tụ mica (không cự c tính) pF -> nF. Đi ệ n áp làm vi ệ c r ấ t cao. Tụ đ ượ c s ơ n ch ấ m màu đ ể ch ỉ giá tr ị đi ệ n dung. 5. Tụ màng m ỏ ng: pF→ µ F (không có cự c tính): Ch ấ t đi ệ n môi là polyester (PE), polyetylen (PS). Điệ n áp làm vi ệ c r ấ t cao. 6. Tụ tang: (có cự c tính) 0.1µFF→ 100 µ 7. Tụ đi ệ n thay đ ổ i đ ượ c (Variable Capacitor). Viế t t ắ t là CV hay VC. * Cách đọ c tr ị s ố t ụ Loạ i tham s ố quan tr ọ ng nh ấ t c ủ a t ụ đi ệ n là tr ị s ố đi ệ n dung (kèm theo dung sai) và điệ n áp làm vi ệủ c c a nó. Chúng có th ểượ đ c ghi tr ựế c ti p, ghi b ằ ng qui ướữố c ch s . a. Đố i v ớ i t ụ đi ệ n có c ự c (t ụ DC). Các cự c đ ượ c ghi b ằ ng d ấ u + ho ặ c d ấ u -. Đơ n v ị đi ệ n dung: µF , µF D, MFD, UF. Điệ n áp làm vi ệ c: VDC (volt DC) đ ượ c ghi tr ự c ti ế p b ằ ng ch ữ s ố . VD: 10 µF /16 VDC, 470 µF /15VDC, 5 µF /6VDC. b. Các loạ i t ụ màng m ỏ ng: Nế u không ghi đ ơ n v ị thì qui ướ c đ ơ n v ị là pF. VD: 47/630 có nghĩa là 47pF, điệ n áp làm vi ệ c là 630V. Nế u s ố đ ầ u có d ấ u ch ấ m thì đ ơ n v ị là µF Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 11
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử VD: .1 có nghĩa là .1 µF .47 có nghĩa là .47 µF Trườ ng h ợ p ghi b ằ ng ch ữ s ố : VD:123K -> 12 *103 pF, K là sai số ( hay dung sai). Ký tự ch ỉ dung sai: GJKM= ±2%; = ± 5%; = ± 10%; = ± 20% VD: 473J -> 47.000pF = 0.47 µF 223 M-> 22.000pF = 0.22 µF *Đặ c Tính N ạ p - X ả C ủ a T ụ . Xem mạ ch nh ư hình v ẽ : 1 K R 2 Tụ n ạ p K ởị v trí 1: T ụạừệế n p t đi n th 0V tăng d ầếệế n đ n đi n th VDC theo hàm mũ đố i v ớ i th ờ i gian t. Điệ n th ế t ứ c th ờ i trên hai đ ầ u t ụ : − t V( t) = V1 − e τ τ c DC ( ) vớ i t: th ờ i gian t ụ n ạ p (s), = RC hằ ng s ố th ờ i gian (s) VDC C Đ c tuy n n p: ặ ế ạ V (t) V c c V DC 0.99 0.86 i (t) c t τ 5τ Nhậ n th ấ y sau th ờ i gian t = 5τ tụ n ạ p đi ệ n th ế Vc = 0.99 VDC xem như t ụ n ạ p đ ầ y. V Khi điệếụ n th t tăng d ầ n thì dòng đi ệụạạảừ n t n p l i gi m t giá tr ịựạ c c đ i I = DC về 0. R Tụ x ả Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 12
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ≅ Khi tụ n ạ p đ ầ y VVc DC ta chuyể n K sang v ị trí 2: t ụ x ả đi ệ n qua R -> đi ệ n th ế trên tụ gi ả m d ầ n t ừ VDC -> 0V theo hàm mũ thờ i gian theo t. Đi ệ n th ế 2 đ ầ u t ụ x ả đ ượ c tính t ( ) = − τ theo công thứ c: Vc t V DC . e VDC R τ 5τ Sau thờ i gian t = 5τ thì điệ n th ế trên t ụ ch ỉ còn 0.01VDC. xem như t ụ x ả h ế t đi ệ n. Trườợụả ng h p t x , dòng x ả cũng gi ảầ m d n theo hàm s ố mũ t ừịốựạắầ tr s c c đ i b t đ u là V I = DC xuố ng 0. R V − t i( t) = DC e τ Dòng xả t ứ c th ờ i đ ượ c tính theo công th ứ c gi ố ng dòng n ạ p c R *Đặ c tính c ủ a t ụ đi ệ n đ ố i v ớ i AC. Q I= ⇒ Q = I. t Ta có: t Đố i v ớ i t ụ đi ệ n, đi ệ n tích t ụ n ạ p đ ượ c tính theo công th ứ c: QCV= . 1 ⇒C V = I t ⇒ V = I t C Điệ n áp n ạượ p đ c trên t ụựụủ là s tích t c a dòng đi ệạ n n p vào t ụ theo th ờ i gian t. Đố i v ớ i dòng đi ệ n xoay chi ề u hình sin thì tr ị s ố t ứ c th ờ i c ủ a dòng đi ệ n: ω i(t) = Im . sin t Hệ th ứ c liên h ệ gi ữ a đi ệ n áp Vc và dòng điệ n i(t): u i U t u c Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM I Trang 13 U c
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử t ( ) = 1 ( ) VC t∫ i t. dt C 0 t ⇒( ) = ω VC t∫ I m sin t . dt 0 1 1 V( t) =. I( − cosω t) = . I sin( ω t − 900 ) ωCCm ω m Dung kháng Xc củ a t ụ đ ượ c xác đ ị nh: 1 1 X= f. C = C 2π ωC ω Vớ i f = {Hz}. 2π Như v ậ y, đi ệ n áp VC trên tụ cũng lá 1 tr ị s ố thay đ ổ i theo dòng đi ệ n xoay chi ề u hình sin. Dự a vào k ếậ t lu n trên, ta th ấởạệ y m ch đi n xoay chi ềầệ u thu n đi n dung, dòng đi ệượ n v t pha trướ c đi ệ n áp m ộ t góc 90o 2.1.4 Mô hình thự c t ế c ủ a các ph ầ n t ử đi ệ n tr ở , đi ệ n c ả m, đi ệ n dung Các mô hình đượ c nêu ở các ph ầ n trên là mô hình lý t ưở ng. Trong th ự c t ế , các ph ầ n tử này không ch ỉ đ ơ n gi ả n là các ph ầ n t ử thu ầ n mà còn có nhi ề u các ph ầ n t ử kí sinh. Các mô hình thựếủ c t c a các ph ầửệởệ n t đi n tr , đi n dung và đi ệảầượư n c m l n l t nh sau: Khi thiếếạ t k m ch, ng ườếếầ i thi t k c n chú ý đ ế n các ph ầử n t kí sinh này. 2.2 Các phầ n t ử ngu ồ n 2.2.1 Nguồ n áp đ ộ c l ậ p i e(t) + u - Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 14
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử u(t) = e(t) ∀i 2.2.2 Nguồ n dòng đ ộ c l ậ p i J(t) i(t) = J(t) ∀u + u - 3. Các đị nh lu ậ t c ơ b ả n củ a m ạ ch đi ệ n 3.1 Đị nh lu ậ t Ohm U: điệ n áp gi ữ a 2 đ ầ u m ạ ch I Z I: dòng điệ n ch ạ y trong m ạ ch U Z: tổ ng tr ở c ủ a m ạ ch U = Z.I u(t) = Z.i(t) 3.2 Đị nh lu ậ t Kirchoff Nhánh: 1 đoạạồộ n m ch g m m t hay nhi ềầửựốếớ u ph n t 2 c c n i ti p v i nhau trên đó có cùng mộ t dòng đi ệ n đi qua. Nút (đỉ nh): là biên c ủ a nhánh ho ặ c đi ể m chung c ủ a các nhánh. Vòng: là mộ t t ậ p các nhánh t ạ o thành m ộ t đ ườ ng khép kín 3.2.1 Đị nh lu ậ t Kirchoff 1 Tổng đ ạ i s ố các dòng đi ệ n t ạ i m ộ t nút b ấ t kỳ b ằ ng 0. ± Σ ik = 0 Trong đó quy ướ c: Các dòng đi ệ n có chi ề u d ươ ng đi vào nút thì l ấ y d ấ u +, còn đi ra kh ỏ i nút thì lấ y d ấ u - ; hoặ c ng ượ c l ạ i. Ví dụ : i1 – i2 – i3 = 0 Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 15
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử -i1 + i2 + i3 = 0 Địậ nh lu t Kirchoff 1 còn đ ượ c phát bi ểướạổ u d i d ng: T ng các dòng đi ệ n có chi ề u dươ ng đi vào m ộấ t nút b t kì thì b ằổ ng t ng các dòng đi ệềươ n có chi u d ng đi ra kh ỏ i nút đó. 3.2.2 Đị nh lu ậ t Kirchoff 2 Tổ ng đ ạ i s ố các đi ệ n áp trên các ph ầ n t ử d ọ c theo t ấ t c ả các nhánh trong m ộ t vòng bằ ng 0. ± Σ uk = 0 Dấủệ u c a đi n áp đ ượ c xác đnh ịự d a trên chi ềươủệ u d ng c a đi n áp đã ch ọ n so v ớ i chiềủ u c a vòng. Chi ềủ u c a vòng đ ượọ c ch n tuỳ ý. Trong m ỗếề i vòng n u chi u vòng đi t ừ cự c + sang c ựủộệ c – c a m t đi n áp thì đi ệ n áp mang d ấ u +, còn ng ượạệ c l i thì đi n áp mang dấ u - . Ví dụ : UR3 + UC3 + e2 - UL2 + UR1 – e1 = 0 i2 i3 UR3 + UC3 - UL2 + UR1 = e1 – e2 C3 e2 t di R3 + 1 − 2 + = − R 3 i3 ∫ i3 dt L 2 R1 i1 e1 e 2 C3 dt i1 0 e1 R1 3.3 Đị nh lý Thevenil – Norton Đị nh lý Thevenil: Có thể thay t ươươ ng đ ng m ạ ng m ộử t c a tuy ế n tính b ởộ i m t nguồ n áp b ằệ ng đi n áp đ ặ t trên c ử a khi h ởạắốếớở m ch m c n i ti p v i tr kháng Thevenil củ a m ạ ng m ộ t c ử a. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 16
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Đị nh lý Norton: Có thể thay t ươươ ng đ ng m ộạ t m ng m ộử t c a tuy ế n tính b ởộ i m t nguồ n dòng b ằ ng dòng đi ệ n trên c ử a khi ng ắ n m ạ ch m ắ c song song v ớ i tr ở kháng Thevenil củ a m ạ ng m ộ t c ử a. I A I A I A Maïch A + + +  ≡ ZT  ≡  (tuyeán U U  ZT U E J N tính) - T - - B B B Thevenil Norton   Để tính các giá tr ị ZT, ET , J N ta tiế n hành tri ệ t tiêu các ngu ồ n đ ộ c l ậ p (ng ắ n m ạ ch nguồ n dòng và h ở m ạ ch ngu ồ n áp): E = U = U T I=0 hô J = I = I N U =0 ng E Z = T T  J N 4. Mộ t s ố h ệ th ố ng thông tin đi ể n hình 4.1 Khái niệ m chung v ề tín hi ệ u Trong đờ i s ố ng h ằ ng ngày, chúng ta th ườ ng ph ả i truy ề n đi ti ế ng nói, hình ả nh, âm thanh gọ i chung là tin t ứểểềứ c. Đ có th truy n tin t c qua các h ệốệửườ th ng đi n t , ng i ta biếổ n đ i chúng thành m ộệ t đi n áp ho ặ c dòng đi ệế n, bi n thiên t ỉệớượ l v i l ng tin t ứ c nguyên thuỷ , ta g ọ i đó là tín hi ệ u. Mộ t cách t ổ ng quát, tín hi ệ u có th ể là tu ầ n hoàn ho ặ c không tu ầ n hoàn, là liên t ụ c theo thờ i gian (tín hi ệ u analog) ho ặ c gián đo ạ n theo th ờ i gian (tín hi ệ u xung, s ố hay tín hiệ u digital). Xét tín hiệ u hình sin: s(t) = Acos(ωt – φ) A: biên độ Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 17
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ω = 2πf : tầ n s ố góc φ: pha ban đầ u Ngoài tín hiệ u t ươ ng t ự , ta còn g ặ p các tín hi ệ u d ạ ng khác, tín hi ệ u t ồ n t ạ i gián đoạ n theo th ờ i gian, ví d ụ : xung vuông, xung tam giác, xung hình thang. Hình sau cho th ấ y mộ t s ố tín hi ệ u d ạ ng xung: 4.2 Các thông số đ ặ c tr ư ng cho tín hi ệ u 4.2.1 Độ r ộ ng (đ ộ dài) Khi biểễ u di n trong đ ồịờ th th i gian, kho ảờ ng th i gian t ồạủ n t i c a tín hi ệểừ u, k t lúc bắầ t đ u cho đ ế n khi k ế t thúc, đ ượọộộủ c g i là đ r ng c a tín hi ệế u. N u tín hi ệầ u tu n hoàn, độộượ r ng đ c tính t ươứớờ ng ng v i th i gian t ồạ n t i tín hi ệ u trong m ộ t chu kỳ. 4.2.2 Giá trị trung bình Nế u tín hi ệ u s(t), xu ấ t hi ệ n t ạ i s(t) th ờ i đi ể m t0, có độ dài τ thì giá trị trung bình trong khoả ng th ờ i gian τ củ a nó đ ượ c xác đ ị nh b ở i: +τ 1 t0 s(t) = s(t)dt τ ∫ t 0 4.2.3 Năng lượ ng c ủ a tín hi ệ u Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 18
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Thông thườ ng s(t) đ ạ i di ệ n cho m ộ t đi ệ n áp hay m ộ t dòng đi ệ n. Năng l ượ ng tín hiệ u trong th ờ i gian t ồ n t ạ i c ủ a nó xác đ ị nh nh ư sau: +τ t 0 = 2 E s ∫ s (t)dt t 0 Năng lượ ng trung bình trong m ộơịờ t đ n v th i gian (th ườượọ ng đ c g i là công su ấ t trung bình củ a tín hi ệ u) đ ượ c tính: +τ E 1 t0 s 2 (t) = = s 2 (t)dt τ τ ∫ t 0 Căn bậ c hai c ủ a năng l ượ ng trung bình đ ượọ c g i là giá tr ịệụủ hi u d ng c a tín hi ệ u: +τ 1 t 0 S = s 2 (t) = s 2 (t)dt τ ∫ t 0 4.3 Các hệ th ố ng đi ệ n t ử đi ể n hình Đểựệệ th c hi n vi c các truy ề n các tin t ứ c đi xa ho ặ c thu th ậử p, x lý tín hi ệừơ u t n i xa tớườầ i ng i ta c n trang b ị các thi ếịứ t b ch c năng và t ậợ p h p chúng thành m ộệố t h th ng điệửấị n t nh t đ nh. Trong các h ệ đó, tin t ứ c có th ểượề đ c truy n theo m ộềấị t chi u nh t đ nh (gọệốở i là h th ng h ), cũng có th ểề truy n theo c ảềọệố 2 chi u (g i là h th ng kín). Ba h ệ thốệửườặ ng đi n t th ng g p là h ệố th ng thông tin qu ả ng bá, h ệườ đo l ng và h ệựộ t đ ng điề u khi ể n. 4.3.1 Hệ th ố ng thông tin qu ả ng bá Đây là hệ th ườ ng dùng đ ể truy ề n ti ế ng nói, hình ả nh t ừ các đài phát thanh, phát hình tớ i máy thu. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 19
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Anten Tin tứ c Chuyể n đ ổ i Điề u ch ế Khuế ch đ ạ i Tạ o sóng mang THIẾỊ T B PHÁT Anten Chọ n và Khuế ch đ ạ i Giả i đi ề u Trộ n sóng Khuế ch đ ạ i Nhậ n tin khuế ch đ ạ i trung tầ n chế Tạ o dao đ ộ ng n ộ i THIẾỊ T B THU Hệ th ố ng thông tin qu ả ng bá Tạ i đài phát, tin t ứế c (ti ng nói hay hình ảượềộểổế nh) đ c truy n qua b chuy n đ i, bi n thành các đạượ i l ng đi ệầốấ n t n s th p. Tín hi ệạ u lo i này có năng l ượ ng nh ỏầốấ , t n s th p không thể b ứ c x ạ đi xa. Vì v ậ y ng ườ i ta ph ả i dùng m ộ t sóng cao t ầ n (g ọ i là sóng mang) để mang tín hi ệ u đi xa. Quá trình g ọ i là đi ề u ch ế tín hi ệ u. Qua b ộ ph ậ n này, m ộ t trong nhữ ng tham s ố c ủ a sóng cao t ầ n (biên đ ộ , t ầ n s ố ho ặ c góc pha) b ị thay đ ổ i tuỳ theo quy luậủ t c a tín hi ệầốấ u t n s th p. Sau đó các tín hi ệ u này đ ượếạưế c khu ch đ i và đ a đ n anten để b ứ c x ạ qua môi tr ườ ng truy ề n sóng. Tạộậ i b ph n thu, sóng cao t ầ n đã đ ượềếếậừ c đi u ch ti p nh n t anten s ẽượọ đ c ch n lọếạưếộộ c, khu ch đ i và đ a đ n b tr n sóng (đem tín hi ệầ u cao t n mang tin t ứộớ c tr n v i sóng tạạỗọ o ra t i ch - g i là dao đ ộộểạ ng n i) đ t o nên sóng có t ầốấơọ n s th p h n g i là trung tầ n. Sau dó sóng trung t ầượếạảềế n này đ c khu ch đ i, gi i đi u ch (nghĩa là tách tín hi ệầ u t n số th ấ p ph ả n ánh tin t ứ c nguyên thu ỷ ra kh ỏ i sóng mang – còn đ ượ c g ọ i là quá trình tách sóng), tiế p t ụ c khu ế ch đ ạ i và đ ư a t ớ i b ộ nh ậ n tin (ví d ụ là loa trong máy thu thanh). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 20
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Hệố th ng trên là h ệốởệỉề th ng h : tín hi u ch truy n theo m ộềừ t chi u (t đài phát t ớ i máy thu) mà không truyề n theo chi ềượạ u ng c l i. Ch ấượ t l ng và hi ệảủệ u qu c a vi c thông tin phụộ thu c vào ch ấượủếị t l ng c a thi t b phát, thi ếị t b thu và môi tr ườ ng truy ề n sóng. Thông thườ ng khi truy ề n tín hi ệ u đi, ngoài các tín hi ệ u c ầ n truy ề n (g ọ i là tín hi ệ u h ữ u ích) còn lẫ n l ộ n các tín hi ệ u ký sinh không mong mu ố n (do linh ki ệ n và môi tr ườ ng truyề n gây nên) g ọễểệả i là nhi u. Đ có hi u qu thông tin t ốỗộậ t, m i b ph n trong h ệố th ng thông tin quả ng bá nói trên c ầ n có t ỉ s ố tín hi ệ u trên nhi ề u (SNR – Signal to Noise Ratio) càng lớ n càng t ố t. 4.3.2 Hệ đo l ườ ng đi ệ n t ử Trong thựếề c t , nhi u khi ta c ầạ n đo đ c các thông s ốặ ho c thu th ậứềộ p tin t c v m t đốượ i t ng nào đó, ví d ụệộốộ : nhi t đ , t c đ Thông s ốầ c n đo có th ểộạượ là m t đ i l ng điệặ n ho c phi đi ệốượầ n, đ i t ng c n đo có th ểộạượệặ là m t đ i l ng đi n ho c phi đi ệố n , đ i tượ ng đo có th ểộ là m t cá th ể hay t ậểả p th , kho ng cách t ừốượầ đ i t ng c n đo đ ếộ n b phậểịếả n hi n th k t qu có th ểấầ r t g n ho ặấ c r t xa. M ộệố t h th ng nh ưậượọ v y đ c g i chùng là hệ đo l ườ ng đi ệ n t ử . Nguổ n tin Cả m bi ế n Xử lý Hiể n th ị cầ n đo đầ u vào Hệ th ố ng đo l ườ ng đi ệ n t ử Bộảếầ c m bi n đ u vào bi ếổạượầ n đ i đ i l ng c n đo thành m ộ t tín hi ệệỉệớ u đi n t l v i nó. Sau đó tín hiệ u này đ ượ c x ử lý (bi ế n đ ổ i thành d ạ ng thích h ợ p, khu ế ch đ ạ i ) và đưếộậểị a đ n b ph n hi n th . Trong các kh ốộảế i trên, b c m bi n đóng vai trò quan tr ọ ng nhấ t. Nó quy ế t đ ị nh đ ộ nh ậ y và đ ộ chính xác c ủ a phép đo. Thi ế t b ị đo d ự a trên nguyên tắốườ c s th ng có đ ộ chính xác cao, kh ả năng ch ốễ ng nhi u cao, d ễốợớệ ph i h p v i các h thốềửốệ ng truy n và x lý s li u khác. Nó cũng cho phép th ựệồờềạ c hi n đo đ ng th i nhi u đ i lượặề ng ho c nhi u tham s ốủộ c a m t quá trình, ho ặườừ c đo l ng t xa. 4.3.3 Hệ th ố ng t ự đ ộ ng đi ề u khi ể n Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 21
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Hệốựềểộạệố th ng t đi u khi n thu c lo i h th ng kín: ngoài đ ườ ng truy ề n tín hi ệ u theo chiềậ u thu n, còn có đ ườ ng truy ềượọườồếể n ng c (g i là đ ng h i ti p) đ theo dõi, đo đ ạ c hoặ c so sánh 1 hay nhi ề u thông s ố c ủ a quá trình, t ừ đó s ả n sinh ra tín hi ệ u đi ề u khi ể n, nhằưệốởềộạ m đ a h th ng tr v m t tr ng thái ổị n đnh nào đó. Ví d ụệốựộề : h th ng t đ ng đi u khiể n nhi ệ t đ ộ . Bộ c ả m bi ế n Khuế ch đ ạ i Đố i t ượ ng chu ị Bộ ph ậ n ΔV So sánh và điề u khi ể n chấ p hành khuế ch đ ạ i Tạ o m ứ c chu ẩ n Hệ t ự đ ộ ng đi ề u khi ể n Đốượịựềểở i t ng chu s đi u khi n đây là 1 lò s ấ y nào đó. Nhi ệộủ t đ c a nó (thông s ố điề u khi ể n Tx) đượộảế c b c m bi n chuy ể n thành 1 đi ệ n áp (t ỷệớệộ l v i nhi t đ ). Qua khuế ch đ ạ i, đi ệ n áp Vx này đượ c đem so sánh v ớ i 1 đi ệ n áp m ẫ u Vch (do bộ t ạ o m ứ c chuẩ n gây ra). Giá tr ị c ủ a Vch đượ c l ự a ch ọ n t ươ ng ứ ng v ớ i 1 nhi ệ t đ ộ T0 cho trướ c (T0 là nhiệ t đ ộ c ầ n duy trì c ủ a lò đi ệ n ho ặ c bu ồ ng s ấ y). Tuỳ theo giá tr ị c ủ a Vx là nhỏ h ơ n hay lớ n h ơ n Vch mà điệ n áp ra c ủ a b ộ so sánh ∆V củ a giá tr ị d ươ ng ho ặ c âm. Thông qua ho ạ t độ ng c ủ a b ộ ph ậ n ch ấ p hành, ∆V tác độ ng lên đ ố i t ượ ng ch ị u s ự đi ề u khi ể n đ ể làm tăng hoặ c làm gi ả m nhi ệ t đ ộ Tx. Quá trình cứ th ế ti ế p t ụ c cho đ ế n khi nào Tx đúng bằ ng T0 (tứ c là Vx = Vch) thì ∆V = 0 và đố i t ượ ng ch ị u đi ề u khi ể n m ớ i duy trì tr ạ ng thái cân b ằ ng, tươ ng ứ ng v ớ i nhi ệ t đ ộ T0. Hệ th ố ng trên đây rõ ràng là 1 h ệ kín. Tín hi ệ u Vx đượ c liên t ụ c so sánh v ớ i m ứ c chuẩ n Vch để t ạ o ra tín hi ệ u h ồ i ti ế p ∆V, khố ng ch ế đ ố i t ượ ng ch ị u đi ề u khi ể n theo Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 22
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử hướ ng ti ế n t ớ i tr ạ ng thái cân b ằ ng. M ứ c đ ộ chính xác c ủ a giá tr ị Vch, khả năng phân gi ả i củ a b ộ so sánh, ngoài ra còn ph ụ thu ộ c vào đ ộ chính xác c ủ a b ộ c ả m bi ế n ở ngõ vào. Hệốềểựộ th ng đi u khi n t đ ng có th ểạộ ho t đ ng theo nguyên t ắươựư c t ng t (nh ví dụ trên), cũng có th ể theo nguyên t ắốệềểộờạ c s (tín hi u đi u khi n tác đ ng r i r c theo th ờ i gian). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 23
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử CHƯƠ NG II: CÁC LINH KI Ệ N BÁN D Ẫ N 1. Chấ t bán d ẫ n và c ơ ch ế d ẫ n đi ệ n 1.1 Mạ ng tinh th ể và liên k ế t hoá tr ị Các chấ t bán d ẫ n đi ể n hình nh ư Ge và Si thu ộ c nhóm 4 b ả ng tu ầ n hoàn các nguyên tố hoá h ọ c. Chúng c ấ u t ạ o t ừ nh ữ ng tinh th ể có hình d ạ ng xác đ ị nh, trong đó các nguyên tửượắế đ c s p x p theo m ộậựặẽầ t tr t t ch t ch , tu n hoàn t ạ o nên m ộạướọ t m ng l i g i là mạ ng tinh th ể . Xung quanh m ỗ i nguyên t ử bán d ẫ n luôn có 4 nguyên t ử khác k ế c ậ n, liên kếặẽớ t ch t ch v i nguyên t ử đó. M ỗ i nguyên t ử này đ ề u có 4 đi ệừ n t hoá tr ịởớỏ l p v ngoài cùng. Do khoả ng cách gi ữ a các nguyên t ửấầ r t g n, các đi ệử n t này ch ịảưở u nh h ng củ a các nguyên t ử xung quanh. Vì v ậ y đi ệ n t ử hoá tr ị c ủ a hai nguyên t ử c ạ nh nhau thì có nhữ ng qu ỹ đ ạ o chung. Qu ỹ đ ạ o chung đó ràng bu ộ c nguyên t ử này v ớ i nguyên t ử khác. Do liên kế t v ớ i 4 nguyên t ử xung quanh, l ớ p v ỏ ngoài cùng c ủ a m ỗ i nguyên t ử đ ượ c bổ sung thêm 4 đi ệử n t , nghĩa là đ ủốệửốủớỏệử s đi n t t i đa c a l p v (8 đi n t ), do đó l ớ p này trở thành b ềữ n v ng (ít có kh ả năng nh ậ n thêm ho ặấớệử c m t b t đi n t ). Trong tr ạ ng thái như v ậ y, ch ấ t bán d ẫ n không có đi ệ n tích t ự do và không d ẫ n đi ệ n. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 24
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 1.2 Điệ n t ử t ự do và l ỗ tr ố ng – bán d ẫ n lo ạ i i Tình trạ ng trên đây x ả y ra trong m ộ t ch ấ t bán d ẫ n thu ầ n khi ế t (không l ẫ n t ạ p chấ t) có c ấ u trúc tinh th ể hoàn ch ỉ nh và ở nhi ệ t đ ộ r ấ t th ấ p (T = 00K). Khi chấ t bán d ẫ n có nhi ệộ t đ cao h ơặượ n (ho c đ c cung c ấ p năng l ượướạ ng d i d ng khác: chiế u ánh sáng, b ị b ắ n phá b ở i các chùm tia ), m ộ t s ố đi ệ n t ử hoá tr ị nh ậ n thêm năng lượẽ ng s thoát ra kh ỏố i m i liên k ếớ t v i các nguyên t ửở , tr thành đi ệửự n t t do. Các điệ n t ử này mang đi ệ n âm (q = 1,6.10-19C) và sẵ n sàng chuy ể n đ ộ ng có h ướ ng khi có tác dụủệườ ng c a đi n tr ng. Khi m ộệửự t đi n t t do xu ấệạố t hi n, t i m i liên k ế t mà đi ệửừ n t v a thoát khỏếấộệ i thi u m t m t đi n tích âm –q; nghĩa là d ưộệươ ra m t đi n tích d ng +q. Ta g ọ i đó là lỗ tr ố ng. Nhưậ v y, trong ch ấẫầếừọ t bán d n thu n khi t v a xét (g i là bán d ẫạ n lo i i) có 2 lo ạ i điệ n tích t ự do cùng xu ấệ t hi n khi đ ượ c cung c ấ p năng l ượ ng là đi ệửỗố n t và l tr ng. Mậ t đ ộ c ủ a chúng (n ồ ng đ ộ trong m ộ t đ ơ n v ụ th ể tích) là b ằ ng nhau: ni = pi. Điệửỗố n t và l tr ng là hai lo ạạ i h t mang đi ệ n, khi chuy ểộ n đ ng có h ướẽạ ng s t o nên dòng điệ n, vì v ậ y chúng đ ượ c g ọ i là h ạ t d ẫ n. 1.3 Bán dẫ n lo ạ i N và bán d ẫ n lo ạ i P Chấẫầế t bán d n thu n khi t trên (Si ho ặ c Ge) n ếượ u đ c pha thêm t ạấộ p ch t thu c nhóm 5 (As đố i v ớ i Ge ho ặ c P đ ố i v ớ i Si) v ớ i hàm l ượ ng thích h ợ p sao cho các nguyên t ử tạấ p ch t này chi ếỗộ m ch m t trong nh ữ ng nút c ủạ a m ng tinh th ểơếẫệẽ thì c ch d n đi n s thay đổ i. Khác v ớ i ch ấ t c ơ b ả n (Si ho ặ c Ge), As ho ặ c P v ỏ ngoài cùng có 5 đi ệ n t ử , trong đó 4 điệử n t tham gia liên k ếịớ t hoá tr v i các nguyên t ửậệửứ lân c n, đi n t th 5 liên k ế t yế u h ơ n v ớ i h ạ t nhân và các nguyên t ử xung quanh, cho nên ch ỉ c ầ n cung c ấ p m ộ t năng lượỏờệộ ng nh (nh nhi t đ , ánh sáng ), đi ệửẽ n t này s thoát kh ỏạ i tình tr ng ràng bu ộ c, trở thành h ạẫự t d n t do. Nguyên t ửạấ t p ch t khi đó b ị ion hoá và tr ở thành m ộươ t ion d ng. Nế u có đi ệườặ n tr ng đ t vào, các h ạẫự t d n t do nói trên s ẽểộ chuy n đ ng có h ướạ ng, t o nên dòng điệưậạấ n. Nh v y t p ch t nhóm 5 cung c ấệử p đi n t cho ch ấẫ t bán d n ban đ ầ u nên đượọạấ c g i là t p ch t cho. Ch ấ t bán d ẫạ n lo i này g ọ i là bán d ẫạ n lo i N. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 25
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Trong chấ t bán d ẫ n lo ạ i N, nn > pn. Ta gọ i đi ệ n t ử là h ạ t d ẫ n đa s ố , l ỗ tr ố ng là h ạ t dẫ n thi ể u s ố . Trườ ng h ợ p t ạ p ch ấ t pha vào thu ộ c nhóm 3 c ủ a b ả ng tu ầ n hoàn nguyên t ố (Bore đốớ i v i Si, Indium đ ốớ i v i Ge) do l ớỏ p v ngoài cùng c ủ a nguyên t ửạấỉệ t p ch t ch có 3 đi n tử , khi tham gia vào m ạ ng tinh th ểủấơảỉạ c a ch t c b n ch t o nên 3 m ốế i liên k t hoàn ch ỉ nh, còn mố i liên k ếứịỏởỉầộ t th 4 b b h . Ch c n m t kích thích nh ỏệộ (nhi t đ , ánh sáng ) là mộ t trong nh ữệửủ ng đi n t c a các m ố i liên k ế t hoàn ch ỉ nh bên c ạẽếếỗ nh s đ n th ch vào liên kếỏở t b d nói trên. Nguyên t ửạấ t p ch t lúc đó s ẽở tr thành ion âm. T ạốế i m i liên k t mà điệửừ n t v a đi kh ỏẽư i s d ra m ộệ t đi n tích d ươ ng, nghĩa là xu ấệộỗố t hi n m t l tr ng. Nế u có đi ệườặ n tr ng đ t vào, các l ỗố tr ng này s ẽ tham gia d ẫệưậạấ n đi n. Nh v y t p ch t nhóm 3 tiếậệửừấơảể p nh n đi n t t ch t c b n đ làm s ả n sinh các l ỗố tr ng nên đ ượọ c g i là tạấậấẫ p ch t nh n. Ch t bán d n có pha t ạấ p ch t nhóm 3 g ọ i là bán d ẫạặẫ n lo i P (ho c bán d n lỗ tr ố ng). Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 26
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Trong bán dẫạ n lo i P, l ỗố tr ng là h ạẫ t d n đa s ốệửạẫểố , đi n t là h t d n thi u s (pp > np). Như v ậ y tuỳ theo t ạ p ch ấ t pha vào thu ộ c nhóm 3 hay nhóm 5 mà ch ấ t bán d ẫ n thu ầ n i trở thành bán d ẫạ n lo i P hay lo ạ i N. H ạẫ t d n đa s ốươứ t ng ng là l ỗốặệử tr ng ho c đi n t . Các nguyên tử t ạ p ch ấ t khi đ ượ c kích thích tr ở thành ion âm ho ặ c ion d ươ ng. Ởạ tr ng thái cân b ằỗấẫề ng, m i ch t bán d n đ u trung hoà v ềệ đi n, nghĩa là t ổệ ng đi n tích dươ ng b ằ ng t ổ ng đi ệ n tích âm. 1.4 Chuyể n đ ộ ng trôi và khu ế ch tán c ủ a h ạ t d ẫ n 1.4.1 Chuyể n đ ộ ng trôi Nếặạẫệửặỗố u đ t h t d n (đi n t ho c l tr ng) vào môi tr ườ ng chân không khi có đi ệ n trườ ng tác đ ộ ng, các h ạẫ t d n này s ẽểộ chuy n đ ng có gia t ố c (nhanh d ầặậầ n ho c ch m d n đề u). Nh ư ng trong m ạ ng tinh th ểủấắứấề c a ch t r n ch a r t nhi u nguyên t ửểảạ (k c các t p chấ t), chúng luôn luôn dao đ ộ ng vì nhi ệ t. Vì v ậ y khi ch ị u tác d ụ ng c ủ a đi ệ n tr ườ ng, các hạẫ t d n trên đ ườ ng chuy ểộ n đ ng có gia t ốẽạớ c s va ch m v i các nguyên t ửủạ c a m ng tinh thểỗầ . M i l n va ch ạẽ m s làm thay đ ổịố i tr s và chi ềủậốứ u c a v n t c t c là làm tán x ạ chúng. Chuyểộủạẫ n đ ng c a h t d n trong m ạ ng tinh th ểấắướ ch t r n d i tác d ụủệ ng c a đi n trườưậượọ ng nh v y đ c g i là chuy ểộ n đ ng trôi. Dòng đi ệ n do chuy ểộ n đ ng trôi c ủạ a h t dẫ n gây ra g ọ i là dòng đi ệ n trôi. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 27
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 1.4.2 Chuyể n đ ộ ng khu ế ch tán Dạ ng chuy ể n đ ộ ng khu ế ch tán x ả y ra khi có s ự phân b ố không đ ồ ng đ ề u trong th ể tích. Đốớấ i v i ch t bán d ẫ n, khi n ồộệửặỗố ng đ đi n t ho c l tr ng phân b ố không đ ồề ng đ u, chúng sẽế khu ch tán t ừơồộ n i có n ng đ cao v ềơồộấ n i có n ng đ th p. Dòng đi ệ n do chuyể n đ ộ ng có h ướ ng này gây ra g ọ i là dòng đi ệ n khu ế ch tán. 2. Chuyể n ti ế p P – N và đ ặ c tính ch ỉ nh l ư u 2.1 Chuyể n ti ế p P – N ở tr ạ ng thái cân b ằ ng Giả s ử có 2 kh ố i bán d ẫ n lo ạ i P và lo ạ i N tiế p xúc nhau theo ti ế t di ệ n ph ẳ ng nh ư hình vẽ . Trướ c khi ti ế p xúc, m ỗ i kh ố i bán d ẫ n đề u cân b ằ ng v ề đi ệ n tích (t ổ ng đi ệ n tích dươ ng b ằ ng t ổ ng đi ệ n tích âm) đ ồ ng th ờ i gi ả thiế t r ằ ng n ồ ng đ ộ h ạ t d ẫ n cũng nh ư n ồ ng độ t ạ p ch ấ t phân b ố đ ề u. Khi ti ế p xúc nhau, do chênh lệ ch n ồ ng đ ộ (pp > pn; nn > pn) sẽ xả y ra hi ệ n t ượ ng khu ế ch tán c ủ a các h ạ t dẫ n đa s ố : l ỗ tr ố ng khu ế ch tán t ừ P sang N, điệ n t ử khu ế ch tán t ừ N sang P. Chúng t ạ o nên dòng điệ n khu ế ch tán có chi ề u t ừ P sang N. Trên đườ ng khu ế ch tán, các đi ệ n tích trái dấ u s ẽ tái h ợ p v ớ i nhau làm cho trong mộ t vùng h ẹ p ở hai bên m ặ t ranh gi ớ i, n ồ ng độ h ạ t d ẫ n gi ả m xu ố ng r ấ t th ấ p. T ạ i vùng Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 28
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử đó (vùng có bề dày l0), bên bán dẫ n P h ầ u nh ư ch ỉ còn l ạ i các ion âm, còn bên bán d ẫ n N chỉ còn l ạ i các ion d ươ ng, nghĩa là hình thành hai l ớ p đi ệ n tích không gian trái d ấ u đ ố i diệ n nhau. Gi ữ a 2 l ớ p đi ệ n tích này s ẽ có chênh l ệ ch đi ệ n th ế (VN>VP) gọ i là hi ệ u đi ệ n thếế ti p xúc. Nh ưậ v y trong m ặ t ranh gi ớấệộệườướừ i xu t hi n m t đi n tr ng h ng t N sang P gọ i là đi ệ n tr ườ ng ti ế p xúc Etx. Vùng hẹ p nói trên g ọ i là vùng nghèo hay chuy ể n ti ế p P – N. N ồ ng đ ộ h ạ t d ẫ n trong vùng này chỉấấ còn r t th p nên đi ệởấấ n tr su t r t cao so v ớ i các vùng còn l ạồạ i. Do t n t i điệườế n tr ng ti p xúc, các h ạẫểốủ t d n thi u s c a 2 ch ấ t bán d ẫịốề n b cu n v phía đ ốệ i di n: lỗốừ tr ng t bán d ẫ n N ch ạề y v phía c ự c âm c ủệườ a đi n tr ng; đi ệửừ n t t bán d ẫ n P ch ạ y về phía c ựươủệườ c d ng c a đi n tr ng. Chúng t ạ o nên dòng đi ệ n trôi, ng ượềớ c chi u v i dòng khuế ch tán c ủ a h ạ t d ẫ n đa s ố . Nồộạẫố ng đ h t d n đa s trong 2 kh ốẫ i bán d n càng chênh l ệ ch thì hi ệượế n t ng khu ch tán càng mãnh liệ t và hi ệ n t ượ ng tái h ợ p càng nhi ề u, do đó đi ệ n tr ườ ng ti ế p xúc ngày càng tăng và dòng điệ n trôi c ủ a h ạ t d ẫ n thi ế u s ố ngày càng tăng. Vì v ậ y ch ỉ sau m ộ t th ờ i gian ngắ n, dòng trôi và dòng khu ế ch tán tr ở nên cân b ằ ng nhau, tri ệ t tiêu nhau và dòng tổợ ng h p qua m ặ t ranh gi ớẽằ i s b ng 0. Khi đó chuy ểế n ti p P – N đ ạớạ t t i tr ng thái cân bằỨớạ ng. ng v i tr ng thái đó, hi ệệếế u đi n th ti p xúc gi ữẫ a bán d n N và P có m ộị t giá tr nhấị t đ nh. Thông th ườệệếế ng hi u đi n th ti p xúc vào kho ả ng 0.35V (đ ốớ i v i Ge) ho ặ c 0.7V (đốớ i v i Si). Hi ệệế u đi n th này ngăn c ả n không cho h ạẫếụểộ t d n ti p t c chuy n đ ng qua mặ t ranh gi ớ i, duy trì tr ạ ng thái cân b ằ ng nên đ ượ c g ọ i là “hàng rào đi ệ n th ế ”. 2.2 Chuyể n ti ế p P – N khi có đi ệ n áp ngoài – Đ ặ c tính ch ỉ nh l ư u 2.2.1 Phân cự c ngh ị ch Khi điệ n áp V đ ượốư c n i nh hình 2.5 (P n ốớự i v i c c âm, N n ốớựươọ i v i c c d ng g i là phân cựượảếệởủấ c ng c). Gi thi t đi n tr c a ch t bán d ẫở n ngoài vùng nghèo (g ọ i là vùng trung hoà) là không đáng kể . Khi đó đi ệ n áp V g ầ n nh ư đ ặ t lên toàn b ộ vùng nghèo, chồ ng lên hi ệ u đi ệ n th ế ti ế p xúc Vtx. Tình trạ ng cân b ằ ng tr ướ c đây không còn n ữ a. Đi ệ n trườ ng E do đi ệ p áp V gây ra cùng chi ề u v ớ i Etx sẽ làm h ạ t d ẫ n đa s ố c ủ a hai bán d ẫ n r ờ i Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 29
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử xa khỏ i m ặ t ranh gi ớ i đi v ề 2 phía. Do đó cùng nghèo b ị m ở r ộ ng (l>l0) điên trở vùng nghèo tăng. Hàng rào điệ n th ế tr ở thành Vtx + V khiế n dòng khu ế ch tán c ủ a h ạ t d ẫ n đa s ố giảốấỏ m xu ng r t nh , còn dòng trôi c ủạẫểố a h t d n thi u s thì tăng theo V. Nh ưồộ ng n ng đ hạẫểốấỏịố t d n thi u s r t nh nên tr s dòng này r ấỏ t nh . Nó nhanh chóng đ ạế t đ n giá tr ị bão hoà Is khi V còn rấấ t th p. Dòng t ổợ ng h p qua chuy ểế n ti p P – N (chi ềươ u d ng quy ướ c là chiề u t ừ P sang N) ở tr ạ ng thái này là: I = - Is. Nghĩa là khi bị phân c ự c ng ượ c, dòng đi ệ n qua qua chuyể n ti ế p P – N có giá tr ị r ấ t bé và ch ạ y theo chi ề u âm. Is còn đượ c g ọ i là dòng ngượ c bão hoà. 2.2.2 Phân cự c thu ậ n Khi điệ n áp V đ ượắư c m c nh hình 2.6 (P n ốựươ i c c d ng, N n ốự i c c âm g ọ i là phân cự c thu ậ n) thì tình hình s ẽ ng ượ c l ạ i. Hàng rào đi ệ n th ế gi ả m, ch ỉ còn Vtx – V, cho nên hạẫốủ t d n đa s c a hai bán d ẫẽ n s tràn qua hàng rào sang mi ềốệ n đ i di n. Tình tr ạế ng thi u hạẫ t d n trong vùng nghèo s ẽượảớếề đ c gi m b t, khi n b dày vùng nghèo b ịẹ thu h p (l < l0) và điệ n tr ở c ủ a vùng này gi ả m. Dòng đi ệ n h ạ t d ẫ n đa s ố tăng nhanh theo đi ệ p áp V, còn dòng điệ n trôi c ủạẫểốẽả a h t d n thi u s s gi m theo V. Tuy v ậ y dòng h ạẫểố t d n thi u s này vốấ n r t bé nên có th ểư coi nh không đ ổưậ i. Nh v y dòng t ổợ ng h p qua chuy ểế n ti p P – N Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 30
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử lúc này đượọ c g i là dòng đi ệậịốủ n thu n. Tr s c a nó l ớơ n h n dòng đi ệượấề n ng c r t nhi u và tăng nhanh theo điệ n áp thu ậ n V. Cầ n chú ý r ằ ng đi ệ n áp thu ậ n càng tăng, b ề dày vùng nghèo càng gi ả m và đi ệ n áp hàng rào thế Vtx – V càng giả m. Khi Vtx = V, hàng rào thế bi ế n m ấ t, dòng qua chuy ể n ti ế p P – N theo chiề u thu ậ n s ẽ vô cùng l ớ n, phá h ỏ ng mi ề n ti ế p xúc. Đây là tr ạ ng thái c ầ n tránh khi sử d ụ ng chuy ể n ti ế p P – N phân c ự c thu ậ n sau này. 2.2.3 Đặ c tính ch ỉ nh l ư u Chuyể n ti ế p P – N (còn g ọ i là m ố i n ố i P – N hay vùng nghèo) là b ộ ph ậ n quan tr ọ ng nhấ t c ủ a ti ế p xúc gi ữ a hai bán d ẫ n khác lo ạ i. Tuỳ theo đi ệ n áp đ ặ t vào theo chi ề u thu ậ n hay nghị ch mà nó có đ ặ c tính khác nau. Khi phân c ự c thu ậ n, vùng nghèo h ẹ p, đi ệ n tr ở nhỏ , dòng đi ệ n l ớ n và tăng nhanh theo đi ệ n áp; khi phân c ự c ngh ị ch, vùng nghèo m ở r ộ ng, điệởấớ n tr r t l n, dòng đi ệạấỏ n ch y qua r t nh và ít thay đ ổ i theo đi ệ n áp. Nh ưậể v y chuy n tiế p P – N d ẫ n đi ệ n theo hai chi ề u không gi ố ng nhau. N ế u có đi ệ n áp xoay chi ề u đ ặ t vào thì nó chỉẫệủế d n đi n ch y u theo m ộềọ t chi u. Ta g i đó là tính ch ấ t van hay đ ặ c tính ch ỉ nh lư u. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 31
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Hình 2.7 là đồ th ị nêu lên m ố i quan h ệ gi ữ a dòng đi ệ n và đi ệ n áp c ủ a chuy ể n ti ế p P – N: về phía thu ậ n, dòng đi ệ n tăng nhanh theo đi ệ n áp, còn v ề phía ng ượ c, dòng đi ệ n r ấ t nhỏ g ầ n nh ư không đ ổ i. 2.3 Hiệ n t ượ ng đánh th ủ ng chuy ế n ti ế p P - N Khi chuyểế n ti p P - N b ị phân c ựịếệ c ngh ch, n u đi n áp ng ượ c tăng đ ếộ n m t giá tr ị khá lớ n nào đó thì dòng đi ệ n ng ượ c tr ở nên tăng v ọ t, nghĩa là chuy ể n ti ế p P - N d ẫ n đi ệ n mạả nh c theo chi ềị u ngh ch, phá h ỏặ ng đ c tính van v ốủ n có c a nó. Hi ệượ n t ng này đ ượ c gọệượ i là hi n t ng đánh th ủ ng. Giá tr ịệ đi n áp ng ượả c khi x y ra quá trình này th ườ ng ký hiệ u là VB (điệ n áp đánh th ủ ng). Nguyên nhân dẫ n đ ế n đánh th ủ ng có th ể do đi ệ n ho ặ c do nhi ệ t, vì v ậ y ng ườ i ta thườ ng phân bi ệạ t hai d ng: đánh th ủềệ ng v đi n và đánh th ủềệ ng v nhi t. Có khi c ả hai nguyên nhân đó kế t h ợ p l ạ i v ớ i nhau và tăng c ườ ng l ẫ n nhau, gây ra m ộ t d ạ ng đánh thủ ng th ứ ba là đánh th ủ ng đi ệ n - nhi ệ t. Đánh thủ ng v ề đi ệ n phân làm hai lo ạ i: đánh th ủ ng thác lũ (avalanche) và đánh th ủ ng xuyên hầ m (tunnel). Đánh thủ ng thác lũ th ườ ng x ả y ra trong các chuy ể n ti ế p P - N có b ề dày l ớ n, đi ệ n trườ ng trong vùng nghèo có tr ịốớệườ s khá l n. Đi n tr ng này gia t ố c cho các h ạẫ t d n, gây Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 32
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ra gây ra hiệ n t ượ ng ion hóa vì va ch ạ m làm s ả n sinh nh ữ ng đôi đi ệ n t ử - l ỗ tr ố ng. Các hạẫừ t d n v a sinh ra này l ạếụượố i ti p t c đ c gia t c và ion hóa các nguyên t ử khác , c ứ nhưếốượạầ th s l ng h t d n tăng lên g ấộế p b i, khi n dòng đi ệ n tăng v ọ t. Đánh thủ ng xuyên h ầảởữ m x y ra nh ng vùng nghèo t ươốẹứ ng đ i h p, t c là chuy ể n tiếủữ p c a nh ng bán d ẫồộạấấớệườ n có n ng đ t p ch t r t l n. Đi n tr ng trong vùng nghèo r ấ t lớ n, có kh ả năng gây ra hi ệ u ứ ng “xuyên h ầ m”, t ứ c là đi ệ n t ử trong vùng hoá tr ị c ủ a bán dẫ n P có kh ả năng “chui qua” hàng rào th ế đ ể ch ạ y sang vùng d ẫ n N, làm cho dòng đi ệ n tăng vọ t . Đặ c tuy ế n Volt - Ampere c ủ a hai d ạ ng đánh th ủ ng nói trên g ầ n nh ư song song v ớ i trụ c tung. Khi nhi ệ t đ ộ môi tr ườ ng tăng, giá tr ị đi ệ n áp đánh th ủ ng theo c ơ th ể xuyên hầ m b ị gi ả m (t ứ c h ệ s ố nhi ệ t c ủ a VB âm), còn điệ n áp đánh th ủ ng theo c ơ ch ế thác lũ, lạ i tăng (h ệ s ố nhi ệ t c ủ a VB dươ ng). Đánh thủ ng v ề nhi ệ t x ả y ra do s ự tích lũy nhi ệ t trong vùng nghèo. Khi có đi ệ n áp ngượớ c l n, dòng đi ệượ n ng c tăng làm nóng ch ấ t bán d ẫếồộạẫể n, khi n n ng đ h t d n thi u số tăng và do đó l ạ i làm dòng đi ệ n ng ượ c tăng nhanh. Quá trình c ứ th ế ti ế n tri ể n khi ế n cho nhiệ t đ ộ vùng nghèo và dòng đi ệ n ng ượ c liên t ụ c tăng nhanh, d ẫ n t ớ i đánh th ủ ng. Tr ị Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 33
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử sốủệ c a đi n áp đánh th ủềệụộ ng v nhi t ph thu c vào dòng đi ệượ n ng c ban đ ầ u, vào nhi ệ t độ môi tr ườ ng và đi ềệỏệủ u ki n t a nhi t c a chuy ểế n ti p P - N. Đ ặế c tuy n vôn-ampe có đoạ n đi ệ n tr ở âm, nghĩa là dòng đi ệ n ng ượ c tăng v ọ t trong khi đi ệ n áp trên hai đ ầ u chuyểế n ti p P - N gi ảố m xu ng. Đánh th ủềệườ ng v nhi t th ng gây ra nh ữậả ng h u qu tai hạỏ i, phá h ng vĩnh vi ễặ n đ c tính ch ỉưủểế nh l u c a chuy n ti p P - N. Còn đánh th ủề ng v điệếệ n, n u có bi n pháp h ạế n ch dòng đi ệượ n ng c sao cho công su ấ t tiêu tán ch ưượ a v t quá giá trịựạ c c đ i cho phép thì chuy ểế n ti p P - N v ẫểồụạặ n có th h i ph c l i đ c tính ch ỉ nh lư u c ủ a mình. 3. Diode bán dẫ n 3.1 Diode chỉ nh l ư u Hình 2.9 là cấạể u t o đi n hình c ủạ a lo i diode ch ỉưếạ nh l u, ch t o theo ph ươ ng pháp hợ p kim. Bộậơảủ ph n c b n c a diode là chuy ểế n ti p P – N, có đ ặ c tính ch ỉẫệủế d n đi n ch y u theo mộề t chi u và th ườượứụểếệ ng đ c ng d ng đ bi n đi n xoay chi ề u thành đi ệộề n m t chi u (do đó có tên là diode chỉ nh l ư u). Hình 2.10 là ký hi ệ u c ủ a diode bán d ẫ n. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 34
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Đặếủ c tuy n c a diode ch ỉư nh l u trong th ựếạếạằ c t (lo i ch t o b ng Silic, nhóm dòng điệ n nh ỏ ) nh ư hình 2.11. Khi điệ n áp thu ậ n có giá tr ị nh ỏ h ơ n Vγ ≈ 0,6V (đố i v ớ i diode Ge là Vγ ≈ 0,2V) thì dòng điệậ n thu n còn bé, ch ư a đáng k ểỉệ . Ch khi đi n áp thu ậượ n v t quá đi ệở n áp m Vγ thì dòng điệớ n m i tăng nhanh theo đi ệơữạặế n áp, h n n a đo n đ c tuy n này g ầưộ n nh m t đườẳớộố ng th ng v i đ d c không đ ổ i. Vì v ậ y có th ểểị bi u th diode phân c ựậằơ c thu n b ng s đồ t ươ ng đ ươ ng nh ư hình 2.12. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 35
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Dòng điệượ n ng c có giá tr ịấỏ r t nh . Khi đi ệ p áp ng ượ c tăng, dòng đi ệượự n ng c th c tế tăng d ầ n và khi đ ạ t đ ế n đi ệ n áp đánh th ủ ng VB thì dòng điệ n ng ượ c tăng v ọ t. N ế u không có biệ n pháp h ạ n ch ế dòng đi ệ n đ ể ngăn ng ừ a s ự v ượ t quá công su ấ t cho phép thì quá trình đánh thủ ng này s ẽ làm h ỏ ng diode. Nh ưậ ng v y phân c ựượ c ng c thì s ơồươ đ t ng đươ ng c ủ a diode là h ở m ạ ch. * Các thông số c ầ n quan tâm c ủ a diode nh ư sau: - Điệ n áp ng ượ c c ự c đ ạ i cho phép Vng max (để không b ị đánh th ủ ng). - Dòng điệ n thu ậ n c ự c đ ạ i cho phép Imax. - Công suấ t tiêu hao c ự c đ ạ i cho phép Pmax. - Tầ n s ố c ự c đ ạ i cho phép c ủ a tín hi ệ u xoay chi ề u fmax. - Điệ n dung m ặ t ghép: L ớ p đi ệ n tích l0 tươ ng đ ươ ng v ớ i m ộ t t ụ đi ệ n g ọ i là đi ệ n dung mặ t ghép N-P. Ởầốớệ t n s cao l p đi n dung này quy ếịốộ t đ nh t c đ đóng m ởủ c a diode khi nó làm việ c nh ư m ộ t khoá đi ệ n, t ứ c là đi ệ n dung m ặ t ghép N-P quy ế t đ ị nh fmax. - Điệ n tr ở 1 chi ề u (đi ệ n tr ở đ ố i v ớ i dòng 1 chi ề u) Rth = Vth/Ith : có giá trị r ấ t bé (m ấ yΩ đế n m ấ y ch ụ c Ω ). Rng = Vng/Ing : có giá trị r ấ t l ớ n (hàng trăm kΩ ) - Điệ n tr ở xoay chi ề u (còn g ọ i đi ệ n tr ở vi phân) rd = dV/dI Tham số này chính là ngh ị ch đ ả o đ ộ d ố c đ ặ c tuy ế n V-A c ủ a diode. Về phía thu ậ n, đ ặ c tuy ế n có d ạ ng d ố c đ ứ ng, rd tươ ng đ ố i nh ỏ . V ề phía ng ượ c, miềặếầưằ n đ c tuy n g n nh n m ngang, dòng đi ệượấỏ n ng c r t nh , giá tr ị rd tươ ng ứ ng s ẽ rấ t l ớ n. 3.2 Diode cao tầ n 3.2.1 Diode zener Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 36
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Vềấạẫ c u t o: v n là chuy ểế n ti p P-N, nh ư ng ch ếạằậệịệỏ t o b ng v t li u ch u nhi t và t a nhiệố t t t, do đó khi đi ệ n áp ng ượủớẽả c đ l n s x y ra quá trình đánh th ủềệ ng v đi n (đánh thủng thác lũ ho ặ c đánh th ủ ng tunnel) mà ít khi đánh th ủ ng v ề nhi ệ t, nghĩa là không phá hỏ ng diode. Đ ặ c tuy ế n vôn-ampe trong quá trình đánh th ủ ng g ầ n nh ư song song v ớ i tr ụ c dòng điệ n, nghĩa là đi ệữ n áp gi a katôt và anôt h ầư u nh không đ ổườợụư i. Ng i ta l i d ng u điể m này đ ể dùng diode Zenner làm ph ầ n t ử ổ n đ ị nh đi ệ n áp. Giớạ i h n trên c ủạ a ph m vi làm vi ệ c chính và tr ịố s dòng đi ệượố n ng c t i đa cho phép, xác đị nh b ở i công su ấ t tiêu hao c ự c đ ạ i c ủ a diode Pmax (điể m B trên hình). Ký hi ệ u quy ướủ c c a diode Zener và m ạổươứớệ ch n áp t ng ng gi i thi u trên hình 2.14 (l ư u ý: diode Zener làm việ c ở tr ạ ng thái phân c ự c ng ượ c). V1 : điệ n áp m ộ t chi ề u ch ư a ổ n đ ị nh V2 : điệ n áp l ấ y ra trên t ả i (đã ổ n đ ị nh) Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 37
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử R1 : điệ n tr ở h ạ n ch ế dòng đi ệ n qua diode, sao cho đi ể m làm vi ệ c n ằ m trong ph ạ m vi AB cho phép. Khi V1 biế n đ ộ ng, dòng qua R1 và DZ thay đổ i, nh ư ng đi ệ n áp V2 trên hai đầ u DZ vẫ n gầ n nh ư không đ ổ i. * Để đ ặ c tr ư ng cho diode Zener, ng ườ i ta dùng các tham s ố sau đây: - Điệ n áp ổ n đ ị nh VZ - Điệởươươ n tr t ng đ ng (còn g ọệởộạể i đi n tr đ ng) t i đi m làm vi ệằ c (n m trong mi ề n đánh thủ ng) dV r = Z d dI Trị s ố rd càng bé chứ ng t ỏ đ ặ c tuy ế n đánh th ủ ng càng d ố c đ ứ ng, nghĩa là ch ấ t l ượ ng ổn đ ị nh đi ệ n áp càng cao. - Điệ n tr ở tĩnh xác đ ị nh b ằ ng t ỷ l ệ s ố gi ữ a đi ể m áp trên diode và dòng đi ệ n qua nó = VZ R t IZ - Hệốổị s n đnh ph ả n ánh t ỷốữượ s gi a l ng bi ế n thiên t ươốủ ng đ i c a dòng đi ệ n và lượ ng bi ế n thiên t ươ ng đ ố i c ủ a đi ệ n áp phát sinh trong quá trình đó: dI / I dI V R S = Z Z = Z . Z = t dVZ / VZ dVZ IZ rd Rõ ràng là điệ n tr ở đ ộ ng rd càng nhỏ so v ớ i đi ệ n tr ở tĩnh Rt thì độ ổ n đ ị nh đ ạ t đ ượ c càng cao. Đôi khi ngườ i ta đnh ị nghĩa h ệốổị s n đnh b ằỷệốữượ ng t l s gi a l ng bi ế n thiên c ủ a điệ n áp vào và l ượ ng bi ế n thiên t ươ ng ứ ng c ủ a đi ệ n áp ra. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 38
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử - Hệốệủệ s nhi t c a đi n áp ổị n đnh: H ệố s này bi ểịượ u th l ng bi ế n thiên t ươố ng đ i củ a đi ệ n áp ổ n đ ị nh theo nhi ệ t đ ộ : 1 dV θ = . Z T = VZ dT I Z const θ Tuỳ theo cơ ch ế đánh th ủ ng thu ộ c lo ạ i thác lũ hay lo ạ i tunnel mà T có giá trị θ -3 o dươ ng ho ặ c âm. Thông th ườ ng tr ị s ố T vào khoả ng (2 -> 4)10 / C. 3.2.2 Diode biế n dung (Varicap) Diode biế n dung là lo ạ i linh ki ệ n bán d ẫ n hai c ự c, trong đó chuy ể n ti ế p P – N đ ượ c chếạộ t o m t cách đ ặệ c bi t sao cho đi ệ n dung c ủ a nó thay đ ổề i nhi u theo đi ệượ n áp ng c đặ t vào. Chúng th ườượ ng đ c dùng trong các m ạạ ch t o sóng đi ềầạựộề u t n, m ch t đ ng đi u chỉầốộưở nh t n s c ng h ng, trong các b ộếạ khu ch đ i tham s ốặ ho c nhân t ầ n. Diode bi ế n dung đượ c bi ể u di ễ n nh ư hình 2.15. * Để đ ặ c tr ư ng cho diode bi ế n dung, ng ườ i ta dùng các tham s ố : - Giá trịịủệ danh đ nh c a đi n dung: thông th ườ ng giá tr ịượ này đ c đo trong m ộề t đi u kiệ n xác đ ị nh (giá tr ịệ đi n áp ng ượầố c, t n s đo, nhi ệộ t đ môi tr ườ ng ). - Hệố s thay đ ổủệ i c a đi n dung: là t ỷốữ s gi a giá tr ịệ đi n dung đo đ ượở c hai đi ệ n áp ngượ c khác nhau. C = 1 K c C2 dC Đôi khi để t ổ ng quát h ơ n, ng ườ i ta dùng đ ộ d ố c c ủ a đ ặ c tuy ế n C(V ) = biể u th ị dV tố c đ ộ bi ế n thiên c ủ a đi ệ n dung C theo đi ệ n áp ng ượ c V. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 39
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử - Hệốẩấặư s ph m ch t Q: đ c tr ng cho t ỷốữ s gi a công su ấ t tín hi ệữ u h u ích l ấừ y ra t varicap và công suấ t tiêu hao trên nó. 3.2.3 Diode tunnel Diode tunnel là mộ t lo ạ i d ụ ng c ụ 2 c ự c có chuy ể n ti ế p P – N nh ư ng khác v ớ i các loạ i diode trên, n ồ ng đ ộ t ạ p ch ấ t trong bán d ẫ n P và bán d ẫ n N ở diode tunnel có giá tr ị rấ t l ớ n (kho ả ng 1019 nguyên tử trong m ộ t cm3) do đó vùng nghèo rấ t h ẹ p (kho ả ng 10-6 cm) và điệ n tr ườ ng ti ế p xúc trong vùng này đ ạ t đ ượ c khá l ớ n (g ầ n 106V/cm). Diode tunnel thườượứụểếạạ ng đ c ng d ng đ khu ch đ i và t o dao đ ộ ng siêu cao t ầ n. 4. Transistor hai cự c tính (BJT) 4.1 Cấ u t ạ o BJT đượ c t ạ o thành b ở i 2 chuy ể n ti ế p P – N n ằ m r ấ t g ầ n nhau trong cùng m ộ t phiế n bán d ẫơ n đ n tinh th ểềặấạ . V m t c u t o, có th ể xem nh ư BJT do ba l ớ p bán d ẫế n ti p xúc nhau tạ o nên, trong đó l ớ p ở gi ữ a có b ề dày r ấ t bé (kho ả ng 10-4 cm) và khác kiể u d ẫ n điệớớ n v i 2 l p bên c ạếớởữ nh. N u l p gi a là bán d ẫạ n lo i P thì hai l ớ p bên c ạ nh là lo ạ i N, tạ o nên lo ạ i transistor ki ể u N – P – N. Còn n ế u l ớ p ở gi ữ a là bán d ẫ n lo ạ i N thì hai l ớ p bên cạ nh là lo ạ i P, t ạ o nên lo ạ i transistor ki ể u P – N – P. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 40
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Nồộạấ ng đ t p ch t trong 3 l ớẫ p bán d n cũng không gi ố ng nhau. L ớồộạ p có n ng đ t p chấ t cao nh ấ t (kí hi ệ u N+ hoặ c P+), nghĩa là nồ ng đ ộ h ạ t d ẫ n đa s ố c ủ a nó l ớ n nh ấ t, g ọ i là miề n phát (mi ề n emitter). L ớốệ p đ i di n (kí hi ệặ u N ho c P) có n ồộạấấ ng đ t p ch t th p hơọ n g i là mi ề n thu (mi ề n collector). L ớởữồộạấấấ p gi a có n ng đ t p ch t r t th p (do n ồ ng độạẫ h t d n đa s ốủớ c a l p này t ươốỏọ ng đ i nh ) g i là mi ềềề n n n (mi n base). Ba s ợ i kim loạ i đ ượ c g ắ n v ớ i 3 l ớ p nói trên dùng làm đi ệ n c ự c c ủ a transistor. Ký hiệ u c ự c collector là C, cự c base là B và c ự c emitter là E. Các lớ p bán d ẫượặ n đ c đ t trong m ộỏằựặ t v kín b ng nh a ho c kim lo ạ i, chí có 3 đi ệ n cự c thò ra ngoài. Kí hi ệ u quy ướ c c ủ a 2 lo ạ i transistor N – P – N và P – N – P nh ư hình 2.17. Mũi tên vẽ trên trên c ự c E trùng v ớ i chi ề u dòng đi ệ n ch ạ y qua c ự c đó. Do cấ u t ạ o nh ư trên s ẽ hình thành 2 chuy ể n ti ế p P – N r ấ t g ầ n nhau. Chuy ể n ti ế p thứấở nh t ranh gi ớề i mi n phát và mi ềềọ n n n, g i là chuy ểế n ti p emitter, kí hi ệ u JE. Chuyểếứở n ti p th hai, ranh gi ớềề i mi n n n và mi ề n thu, g ọ i là chuy ểế n ti p collector, kí hiệ u JC. Hoạộủ t đ ng c a BJT ch ủếự y u d a trên s ựươ t ng tác gi ữ a hai chuy ểếấầ n ti p r t g n nhau này. 4.2 Nguyên lý hoạ t đ ộ ng và kh ả năng khu ế ch đ ạ i c ủ a BJT Xét nguyên tắ c ho ạ t đ ộ ng c ủ a loai N – P – N. Sơ đ ồ m ạ ch đi ệ n nh ư hình 2.18. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 41
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Nguồ n E1 (có sứ c đi ệ n đ ộ ng vài volt) làm chuy ể n ti ế p JE phân cự c thu ậ n. Ngu ồ n E2 (thườ ng có giá tr ị t ừ 5V đ ế n 12V) làm cho chuy ể n ti ế p JC phân cự c ngh ị ch. RE, RC là các điệ n tr ở phân c ự c. Đểơảảế đ n gi n, gi thi t ban đ ầồộạấ u n ng đ t p ch t phân b ốề đ u trong các l ớ p bán dẫ n, đ ồ ng th ờ i ta ch ỉ chú ý đ ế n đi ệ n tr ở c ủ a các vùng nghèo JE, JC. Khi chư a có ngu ồ n E1, E2 tác dụ ng, cũng gi ố ng nh ư quá trình x ả y ra ở diode, trong mỗ i vùng nghèo JE, JC sẽồạộệườ t n t i m t đi n tr ng ti ế p xúc (h ướừ ng t N sang P) t ươ ng ứớộệệếếng v i m t hi u đi n th ti p xúc. Hi ệệế u đi n th này đóng vai trò nh ưộ m t hàng rào điệế n th , duy trì tr ạ ng thái cân b ằủểếằữ ng c a chuy n ti p (cân b ng gi a dòng trôi c ủạ a h t dẫểố n thi u s và dòng khu ế ch tán c ủạẫốế a h t d n đa s , khi n cho dòng đi ệổợ n t ng h p qua mố i chuy ể n ti ế p b ằ ng 0). Khi có nguồ n E2, chuyể n ti ế p JC bị phân c ự c ngh ị ch, hàng rào đi ệ n th ế và đi ệ n trườ ng ti ế p xúc trong vùng nghèo này tăng. T ươ ng t ự nh ư diode phân c ự c ngh ị ch, qua vùng nghèo JC sẽộ có m t dòng đi ệấỏạẫểốủề n r t nh (do h t d n thi u s c a mi n base và mi ề n collector tạ o nên), kí hi ệ u là ICBO, đó là dòng điệ n ng ượ c collector. Nế u có thêm ngu ồ n E1, chuyể n ti ế p JE sẽ phân c ự c thu ậ n. Hàng rào đi ệ n th ế trong JE hạ th ấ p (so v ớ i tr ạ ng thái cân b ằ ng) khi ế n đi ệ n t ử t ừ mi ề n N+ tràn qua miề n P, l ỗ tr ố ng từ mi ề n P tràn qua mi ề n N+. Sau đó các hạ t d ẫ n không cân b ằ ng này ti ế p t ụ c khu ế ch tán. Trên đườế ng khu ch tán, chúng s ẽợớ tái h p v i nhau. Nh ư ng do n ồộạẫề ng đ h t d n 2 mi n + chênh lệ ch nhau xa (nn > pp) cho nên các điệ n t ử phun t ừ mi ề n N vào miề n P, ch ỉ m ộ t b ộ Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 42
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử phậấỏịợ n r t nh b tái h p, còn tuy ệạốẫ t đ i đa s v n có th ểế khu ch tán qua mi ề n base t ớ i vùng nghèo JC (khả năng b ịợ tái h p trên đ ườ ng đi ch ỉấ r t ít vì mi ề n base r ấỏồ t m ng, n ng độ l ỗ tr ố ng ở mi ề n này không cao l ắ m). Khi t ớ i vùng nghèo JC, các điệ n t ử nói trên l ậ p tứ c b ị đi ệ n tr ườ ng trong JC hút về phía collector t ạ o nên dòng đi ệ n trong m ạ ch collector. Nế u g ọ i IE là dòng điệạ n ch y qua c ự c emitter (t ươứớ ng ng v i chuy ểộủệ n đ ng c a đi n tử mi ề n N+ sang miề n P thì dòng đi ệ n t ạ o nên b ở i s ố đi ệ n t ử ch ạ y t ớ i collector v ừ a nói sẽ là αIE, trong đó α là tỉốữốượ s gi a s l ng đi ệửớượ n t t i đ c collector và t ổ ng s ốệử đi n t phát đi từ emitter, t ứ c là: α = Thông thườ ng α = 0,95 ÷ 0.99 (nghĩa là tỉ l ệ hao h ụ t h ạ t d ẫ n d ọ c đ ườ ng đi t ừ c ự c E tớ i c ự c C ch ỉ r ấ t nh ỏ ). α Vớ i β = : hệ s ố khu ế ch đ ạ i dòng đi ệ n 1−α 4.3 Ba sơ đ ồ c ơ b ả n c ủ a BJT BJT có 3 cự c: E, B và C. Tuỳ theo cách ch ọ n đi ệ n c ự c nào làm nhánh chung cho mạ ch vào và m ạ ch ra mà có 3 s ơ đ ồ c ơ b ả n sau đây: 4.3.1 Mạ ch base chung (BC: Base Common) Tín hiệ u c ầ n khu ế ch đ ạ i đ ư a vào gi ữ a c ự c E và c ự c B, tín hi ệ u sau khi đã khu ế ch đạấữự i l y ra gi a c c C và c ựự c B. C c B là c ự c chung c ủạ a m ch vào và m ạ ch ra. Nh ưậ v y dòng điệ n vào là dòng emitter IE, dòng điệ n ra là dòng collector IC. Điệ n áp vào là VEB, điệ n áp ra là VCB. Sơ đ ồ m ạ ch base chung nh ư hình 2.18. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 43
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử IE = IC + IB α IC = IE + ICBO α => IE = IE + ICBO + IB −α α 1 IB = IE(1- ) - ICBO = α (IC – ICBO) - ICBO α 1 I = I + I C 1−α B 1−α CBO α ≈ Vì dòng ICBO rấ t nh ỏ nên IC IB 1−α α β = : hệ s ố khu ế ch đ ạ i dòng đi ệ n 1−α 4.3.2 Mạ ch emitter chung (EC: Emitter Common) Cự c E là c ự c chung gi ữ a m ạ ch vào và m ạ ch ra. Dòng đi ệ n vào: IB, dòng điệ n ra IC, điệ n áp vào VBE, điệ n áp ra VCE. Sơ đ ồ m ạ ch m ắ c E chung nh ư hình 2.19. α IC = IE + ICBO IE = IB + IC Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 44
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử α => IC = (IB + IC) + ICBO α α (1 - ) IC = IB + ICBO β β β IC = IB + ( +1)ICBO = IB + ICEO ICEO: dòng điệ n ng ượ c collector c ủ a m ạ ch EC. Thông thườ ng, BJT có α = 0,95 ÷ 0,99. Tươ ng ứ ng β = 19 ÷ 99; ICBO = (0,01 ÷ 0,1) µA; ICEO = (1 ÷ 10) µA . Lư u ý r ằ ng ở m ạ ch BC, h ệ s ố α xấ p x ỉ b ằ ng 1, dòng ICBO rấ t nh ỏ . Còn ở m ạ ch EC, hệ s ố β rấ t l ớ n h ơ n 1, dòng ICEO tuy lớ n h ơ n ICBO nhiề u, nh ư ng so v ớ i giá tr ị βIB thì vẫ n không đáng kể . 4.3.3 Mạ ch collector chung (CC: Collector Common) Nguồ n E2 có nộởấ i tr r t bé m ắữự c gi a c c C và đ ấ t, vì v ậốớ y đ i v i tín hi ệ u xoay chiềự u thì c c C coi nh ưẳếớấể đ ng th v i đ t (đi m G). Chnh ỉ vì v ậởạ y, m ch này, tín hi ệ u cầ n khu ếạư ch đ i đ a vào gi ữự a c c B và G, t ươươ ng đ ng nh ưư đ a vào gi ữ a B và C. Tín hiệ u sau khi đã khu ếạấ ch đ i, l y ra gi ữ a E và G, t ươươưấ ng đ ng nh l y ra gi ữ a E và C. Như ng v ậ y c ự c C là nhánh chung c ủ a m ạ ch vào và m ạ ch ra. 4.4 Đặ c tuy ế n Volt – Ampere c ủ a BJT Đồịễả th di n t các m ốươ i t ng quan gi ữ a dòng đi ệ n và đi ệ n áp trên BJT đ ượọ c g i là đặ c tuy ế n volt – ampere (hay đ ặ c tuy ế n tĩnh). Ng ườ i ta th ườ ng phân bi ệ t thành 4 lo ạ i đặếặế c tuy n: đ c tuy n vào (nêu quan h ệữ gi a dòng đi ệệở n và đi n áp ngõ vào), đ ặế c tuy n ra (nêu quan hệ gi ữ a dòng đi ệ n và đi ệ n áp ở ngõ ra), đ ặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t dòng đi ệ n (nêu sựụộủ ph thu c c a dòng đi ệ n ra theo dòng đi ệ n vào) và đ ặếồếệ c tuy n h i ti p đi n áp Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 45
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử (nêu sựếổủệữ bi n đ i c a đi n áp gi a hai ngõ vào khi đi ệ n áp ra thay đ ổướ i). D i đây ch ỉớ gi i thiệ u 3 lo ạặếườ i đ c tuy n th ng dùng nh ấ t cho t ừểạơả ng ki u m ch c b n. 4.4.1 Mạ ch base chung * Họ đ ặ c tuy ế n vào Mắ c BJT theo s ơồởạ đ BC tr ng thái tĩnh (t ứỉệộề c là ch có đi n áp m t chi u phân c ự c). E1, E2 là các nguồ n đi ệ n áp m ộ t chi ề u có th ể thay đ ổ i giá tr ị . Các đ ồ ng h ồ mA k ế dùng để đo dòng đi ệ n, còn các volt k ế đo đi ệ n áp gi ữ a hai c ự c. Gi ữ đi ệ n áp VCB = const, lầ n lượ t hay đ ổ i giá tr ị E1 rồ i đ ọ c các c ặ p giá tr ị t ươ ng ứ ng c ủ a IE và VEB, kế t qu ả v ẽ đ ượ c đồ th ị = VCB const IE = f (VEB) như hình 2.21. Đó là đặế c tuy n vào c ủ a BJT m ắ c BC. T ậợềặế p h p nhi u đ c tuy n vào (m ỗườ i đ ng ứng v ớ i m ộ t giá tr ị không đ ổ i c ủ a VCB) tạ o nên h ọ đ ặ c tuy ế n vào. Có thểấằạặế th y r ng d ng đ c tuy n này t ươựưặế ng t nh đ c tuy n thu ậủ n c a diode, b ở i vì giữ a c ự c E và c ự c B c ủ a BJT có chuy ể n ti ế p IE phân cự c thu ậ n. Đi ệ n áp ngõ ra VCB ảnh h ưở ng r ấ t ít đ ế n dòng đi ệ n ngõ vào. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 46
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử * Họ đ ặ c tuy ế n ra Nế u l ầ n l ượ t gi ữ dòng IE bằ ng các giá tr ị nh ấ t đ ị nh, thay đ ổ i ngu ồ n E2 rồ i xác đ ị nh các cặ p giá tr ị t ươ ng ứ ng c ủ a IC và VCB, ta có đặ c tuy ế n ra c ủ a m ạ ch BC. IC = f(VCB) = IE const - Đặ c tuy ế n g ầ n nh ư song song v ớ i tr ụ c hoành, ch ứ ng t ỏ r ằ ng ngay c ả khi VCB = 0, dòng IC vẫ n có m ộ t giá tr ị khác 0 nào đó và vi ệ c tăng VCB ả nh h ưở ng r ấ t ít đ ế n tr ị s ố c ủ a IC. - Đườ ng th ấ p nh ấ t ứ ng v ớ i IE = 0 chỉ cách tr ụ c hoành m ộ t kho ả ng r ấ t h ẹ p. Tung đ ộ này chính là giá trị dòng đi ệ n ng ượ c collector. - Phạ m vi r ấẹ t h p. phía d ướặế i đ c tuy n này là mi ềắươứớạ n t t, t ng ng v i tr ng thái tắ t c ủ a BJT (c ả 2 chuy ể n ti ế p JE và JC đề u phân c ự c ngh ị ch). - IE càng tăng thì IC cũng càng tăng. Đó là vì số h ạ t d ẫ n đa s ố c ủ a mi ề n emitter phun vào miề n base càng l ớ n thì s ố t ớ i đ ượ c c ự c collector cũng s ẽ càng nhi ề u. - Đặế c tuy n bao g ồạạầư m 3 đo n. Đo n g n nh song song v ớụ i tr c hoành ứớ ng v i trạ ng thái khu ế ch đ ạ i thông th ườ ng c ủ a BJT (JE phân cự c thu ậ n, JC phân cự c ngh ị ch). Đoạế n ch ch xiên ở bên trái tr ụ c tung (v ẽứươứớạ nét đ t) t ng ng v i tr ng thái d ẫ n bão hoà Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 47
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử củ a BJT (c ả hai chuy ể n ti ế p JE, JC đề u phân c ự c thu ậ n). Đo ạ n th ứ ba bên ph ả i (v ẽ ch ấ m chấ m) chính là quá trình đánh th ủ ng chuy ể n ti ế p JC, xả y ra khi VCB quá lớ n làm dòng IC tăng vọ t. Đây là mi ề n c ấ m s ử d ụ ng đ ể kh ỏ i phá h ỏ ng BJT. * Đặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t dòng đi ệ n IC = f(IE) = VCB const Nó có dạ ng g ầ n tuy ế n tính, phù h ợ p v ớ i h ệ th ứ c lý thuy ế t (coi α là không đổ i). Trên thự c t ế , h ệ s ố α chỉ là h ằ ng s ố khi dòng đi ệ n IE tươ ng đ ố i nh ỏ . Còn khi IE khá lớ n, nghĩa là dòng hạẫế t d n khu ch tán qua mi ề n base có m ậộớỷệầ t đ l n thì t l ph n trăm s ốạẫ h t d n bị tái h ợ p trên đ ườ ng đi s ẽ tăng lên, khi ế n α giả m. Đi ề u này làm cho đ ặ c tuy ế n ở vùng dòng điệ n l ớ n ngày càng lêch kh ỏ i quy lu ậ t tuy ế n tính. 4.4.2 Mạ ch emitter chung * Đặ c tuy ế n vào IB = f(VBE) = VCE const Đặ c tuy ế n vào ph ả n ánh m ố i quan h ệ gi ữ a dòng và áp c ủ a chuy ể n ti ế p JE ở ngõ vào. Thự c ch ấ t đây v ẫ n là nhánh thu ậ n c ủ a đ ặ c tuy ế n diode. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 48
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử * Đặ c tuy ế n ra IC = f(VCE) = IB const Đặ c tuy ế n ra c ủ a m ạ ch BJT m ắ c EC đ ượ c th ể hi ệ n nh ư hình 2.25. So vớặếủạ i đ c tuy n ra c a m ch BC, h ọặếủạ đ c tuy n c a m ch EC có m ộ t vài khác biệ t: Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 49
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử - Đườ ng th ấ p nh ấ t ( ứ ng v ớ i IB = 0) phả n ánh giá tr ị dòng đi ệ n ng ượ c collector c ủ a mạ ch EC (ICEO). Dòng này lớ n h ơ n dòng ICBO củ a m ạ ch BC. Ph ạ m vi d ướ i đ ặ c tuy ế n này vẫ n g ọ i là mi ề n t ắ t, ứ ng v ớ i tr ạ ng thái c ả JE và JC để u phân c ự c ngh ị ch. - Các đặ c tính phía trên ứ ng v ớ i IB ≠ 0 vẫ n bao g ồ m 3 đo ạ n: đo ạ n ch ế ch xiên ứ ng vớạ i tr ng thái d ẫ n bão hoà c ủ a BJT, đo ạằ n n m ngang ứớạ ng v i tr ng thái khu ếạủ ch đ i c a BJT có độốớơ d c l n h n so v ớặếạ i đ c tuy n m ch BC, còn đo ạốứứớ n d c đ ng ng v i quá trình đánh thủ ng. * Đặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t dòng đi ệ n IC = f(IB) = VCE const Độ d ố c c ủ a đ ặ c tuy ế n chính là h ệ s ố khu ế ch đ ạ i dòng đi ệ n β . Trong phạ m vi dòng điệ n dòng l ớ n, giá tr ị β giả m nên đ ặ c tuy ế n không còn tuy ế n tính n ữ a. 4.4.3 Mạ ch collector chung (CC) * Đặ c tuy ế n vào IB = f(VBC) = VCE const Họ đ ặ c tuy ế n vào có tính ch ấ t lý thuy ế t trên th ự c t ế ít dùng. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 50
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử * Đặ c tuy ế n ra và đ ặ c tính truy ề n đ ạ t dòng đi ệ n IE = f(VEC) = ; IE = f(IB) = IB const VEC const 2 đặ c tuy ế n c ủ a m ạ ch CC g ầ n gi ố ng v ớ i m ạ ch EC vì IE ≈ IC. 4.5 Các tham số gi ớ i h ạ n c ủ a BJT Dòng điệ n c ự c đ ạ i cho phép: Tùy theo di ệ n tích m ặ t ti ế p xúc, v ậ t li ệ u và công ngh ệ chếạềệỏệ t o, đi u ki n t a nhi t v.v m ỗ i BJT ch ỉộ có m t dòng đi ệố n t i đa trên m ỗệ i đi n cự c. Ta th ườ ng ký hi ệ u các gi ớ i h ạ n này là IEmax, IBmax, ICmax Điệ n áp c ự c đ ạ i cho phép: VCBmax, VCEmax, VBEmax. Đó là các điệ n áp không đ ượ c v ượ t quá để không gây đánh th ủ ng chuy ể n ti ế p P – N t ươ ng ứ ng. Công suấ t tiêu tán c ự c đ ạ i cho phép: Tùy theo k ế t c ấ u và công ngh ệ ch ế t ạ o, đ ặ c biệ t là tùy theo đi ề u ki ệ n t ỏ a nhi ệ t c ủ a chuy ể n ti ế p collector mà m ỗ i transistor có m ộ t công suấ t tiêu tán c ự c đ ạ i cho phép, ký hi ệ u là PCmax. Giá trị này th ườ ng cho trong các c ẩ m nang, kèm theo điềệụểềệộ u ki n c th v nhi t đ môi tr ườ ng và ch ếộỏ đ t a nhi ệ t. Khi làm việ c trong m ộ t t ầ ng khu ế ch đ ạ i nào đó, đ ể không phá h ỏ ng BJT, công su ấ t t ứ c th ờ i tiêu tán trên transistor nhấ t thi ế t không đ ượ c v ượ t quá giá tr ị PC.max. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 51
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Tầốớạ n s gi i h n: Thông th ườ ng BJT ch ỉ làm vi ệộ c m t cách hi ệảếộầ u qu đ n m t t n sốấị nh t đ nh. Khi t ầốệ n s tín hi u tăng cao, vai trò đi ệ n dung c ủểếầ a chuy n ti p P-N d n dầở n tr nên đáng k ểặ . M t khác, chuy ểộủạẫ n đ ng c a h t d n qua b ề dày mi ề n base không thểứờếộờ coi là t c th i và chi m m t th i gian đáng k ểớ so v i chu kỳ tín hi ệậệ u. Vì v y, các h số truy ề n đ ạ t dòng đi ệ n β sẽ b ị gi ả m theo t ầ n s ố ; dòng đi ệ n ra và dòng đi ệ n vào (ho ặ c điệ n áp vào) s ẽ b ị l ệ ch pha nhau v.v , gây nên cái g ọ i là “méo t ầ n s ố ”, “méo pha” v.v 5. Transistor trườ ng (FET) Transistor trườ ng (FET – Field Effect Transistor) ho ạ t đ ộ ng d ự a trên s ự đi ề u khi ể n độẫệủế d n đi n c a phi n bán d ẫởộệườ n b i m t đi n tr ng ngoài, đ ồờỉ ng th i ch dùng m ộạ t lo t hạẫạố t d n (h t đa s ) do đó thu ộạơự c lo i đ n c c tính. Tuy ra đ ờộơ i mu n h n BJT, nh ư ng tính năng có nhiềưệơệở u u vi t h n (đi n tr vào l ớệốếạ n, h s khu ch đ i cao, tiêu th ụ năng l ượ ng bé, thuậệ n ti n phát tri ể n theo xu h ướ ng vi đi ệử n t hoá ) vì v ậ y ngày càng đ ượứ c ng dụ ng r ộ ng rãi. Transistor trườ ng bao g ồ m 2 nhóm: transistor tr ườ ng dùng chuy ể n ti ế p P – N g ọ i t ắ t là JFET (Junction Field Effect Transistor) và transistor trườ ng có c ự c c ử a cách ly g ọ i t ắ t là IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor) hoặ c MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Nhóm IGFET chia thành 2 loạ i: lo ạ i kênh có s ẵ n và lo ạ i kênh c ả m ứ ng. 5.1 Transistor trườ ng dùng chuy ể n ti ế p P – N (JFET) 5.1.1 Cấ u t ạ o Cấ u t ạ o đ ơ n gi ả n hoá c ủ a JFET cùng m ạ ch ho ạ t đ ộ ng nh ư hình 2.28. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 52
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Thỏ i bán d ẫ n Si lo ạ i N hình tr ụ có đi ệởấ n tr su t khá l ớứồộạươ n (t c là n ng đ t p t ng đốấượắớ i th p), đ c g n v i hai s ợ i dây kim lo ạở i đáy trên và đáy d ướế i (ti p xúc không chỉ nh l ư u). Đáy trên g ọ i là c ự c máng – D (drain), đáy d ướ i g ọ i là c ự c ngu ồ n – S (source). Vòng theo chu vi củỏ a th i bán d ẫạ n lo i N ng ườạ i ta t o ra m ộớạ t l p lo i P, và do đó t ạ i ranh giớ i gi ữ a hai bán d ẫ n s ẽ hình thành m ộ t chuy ể n ti ế p P – N (vùng nghèo) có đi ệ n tr ở suấ t khá l ớ n. Ph ầ n th ể tích còn l ạ i c ủ a th ỏ i Si (không b ị vùng nghèo choán ch ỗ ) g ọ i là kênh dẫớ n. L p bán d ẫạ n lo i P cũng đ ượạế c t o ti p xúc không ch ỉướộợ nh l u v i m t s i kim loạ i, dùng làm c ựử c c a – G (gate), còn g ọựềể i là c c đi u khi n. Toàn b ộệố h th ng trên đ ượ c đặ t trong m ộỏ t v kim lo ạặằựắ i ho c b ng nh a g n kín, ch ỉ có 3 đi ệự n c c G, D, S thò ra ngoài. Đó là JFET loạ i N. Mộấ t c u trúc t ươựư ng t nh ng dùng th ỏ i bán d ẫ n ban đ ầạ u lo i P và l ớ p bao quanh là loạ i N t ạ o nên JFET lo ạ i P. 5.1.2 Nguyên tắ c ho ạ t đ ộ ng Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 53
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Xét nguyên tắ c hoat đ ộ ng c ủ a JFET kênh N làm ví d ụ . N ố i JFET v ớ i các ngu ồ n đi ệ n áp phân cự c EG, ED như hình 2.28. Ngu ổ n ED, thông qua điệ n tr ở RD đặ t đi ệ n áp VDS giữ a cự c máng và c ựồ c ngu n, gây ra dòng chuy ểộ n đ ng qua kênh d ẫủệửạố n c a đi n t (h t đa s củ a th ỏ i bán d ẫ n N), t ạ o nên dòng đi ệ n máng ID. Mặ t khác, ngu ồ n EG tạ o đi ệ n áo gi ữ a c ự c c ử a và c ự c ngu ồ n, làm cho chuy ể n ti ế p P – N (hình thành giữ a c ự c c ử a và kênh d ẫ n) b ị phân c ự c ngh ị ch, nghĩa là b ề dày vùng nghèo tăng lên và do đó thu hẹ p ti ế t di ệ n c ủ a kênh d ẫ n. Nế u gi ữ nguyên ED không đổ i, tăng d ầ n giá tr ị EG, tình trạ ng phân c ự c ngh ị ch c ủ a chuyể n ti ế p P – N s ẽ càng tăng: vùng nghèo ngày càng m ở r ộ ng, kênh d ẫ n càng thu h ẹ p. Do đó điệ n tr ở kênh d ẫ n càng tăng và dòng máng ID càng giả m. Còn dòng gi ữ a c ự c G và cưỉ c S ch là dòng ng ượủểế c c a chuy n ti p P – N, th ườấỏ ng r t nh không đáng k ể . Nế u bây gi ờ ngoài đi ệ n áp phân c ự c EG có thêm tính hiệ u xoay chi ề u es đặ t vào gi ữ a cự c G và c ự c S thì tuỳ theo tr ị s ố và d ấ u c ủ a es mà tình trạ ng phân c ự c ngh ị ch c ủ a chuy ể n tiế p P – N s ẽổệởẫịếổ thay đ i. Đi n tr kênh d n b bi n đ i và dòng máng cũng bi ếổ n đ i theo. Nế u es tăng giả m theo quy lu ậ t hình sin thì ID sẽ tăng gi ả m theo hình sin. Dòng này h ạ trên RD thành mộ t đi ệ n áp, bi ế n thiên cùng d ạ ng v ớ i es như ng biên đ ộ l ớ n h ơ n, nghĩa là JFET đã khuế ch đ ạ i tín hi ệ u. Nguyên lý hoạ t đ ộ ng c ủ a JFET kênh P hoàn toàn t ươ ng t ự , ch ỉ l ư u ý r ằ ng các đi ệ n áp EG, ED có cự c tính ng ượạ c l i. Các l ỗốạẫ tr ng, h t d n đa s ốủ c a kênh P, t ạ o nên dòng máng. 5.1.3 Đặ c tuy ế n Volt – Ampere * Đặ c tuy ế n ra (đ ặ c tuy ế n máng) ID = f(VDS) = . VGS const Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 54
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Xét VGS = 0 (ngắ n m ạ ch G – S). Tăng d ầ n VDS từ giá tr ị 0 tr ở đi, quan h ệ ID theo VDS có dạ ng nh ư hình 2.29. Đặếồ c tuy n g m 3 đo ạạ n: đo n bên trái g ầưế n nh tuy n tính v ớộố i đ d c khá l ớ n. Khi đạ t t ớ i giá tr ị VDS = Vp, vùng nghèo mở r ộ ng t ớ i m ứ c choán h ế t ti ế t di ệ n c ủ a kênh c ủ a vùng gầ n c ự c máng, nghĩa là kênh d ẫ n b ị th ắ t l ạ i ở phía c ự c máng. Vp đượ c g ọ i là đi ể m thắể t. Đi m A là đi ểắầắ m b t đ u th t kênh hay đi ểắầ m b t đ u bão hoà. Vùng đ ặếằ c tuy n n m ở bên trái đi ể m A g ọ i là vùng đi ệ n tr ở . N ế u ti ế p t ụ c tăng VDS lớ n h ơ n Vp, đặ c tuy ế n chuyể n sang đo ạ n th ứ 2, g ầ n nh ư n ằ m ngang. Lúc này, vùng nghèo ti ế p t ụ c m ở r ộ ng, miề n kênh b ị th ắ t tr ả i dài v ề phía c ự c ngu ồ n, làm cho đi ệ n tr ở kênh d ẫ n càng tăng. Vì vậ y tuy VDS tăng như ng dòng ID hầ u nh ư ít thay đ ổ i. Vùng đ ặ c tuy ế n này g ọ i là vùng th ắ t kênh (hoặ c vùng bão hoà). N ế u JFET đ ượửụưộầửếạẽ c s d ng nh m t ph n t khu ch đ i thì s làm việ c trong vùng này. Đo ạặếứươứớệượ n đ c tuy n th 3 t ng ng v i hi n t ng đánh th ủ ng chuyể n ti ế p P – N, xày ra khi VDS quá lớ n. Vùng đ ặ c tuy ế n này g ọ i là vùng đánh th ủ ng. Trườ ng h ợ p VGS ≠ 0, mỗ i đ ặ c tuy ế n v ẫ n bao g ồ m 3 đo ạ n nh ư trên, ch ỉ khác là do có thêm tác dụ ng c ủ a VGS, chuyể n ti ế p P – N b ị phân c ự c ngh ị ch nhi ề u h ơ n, đi ệ n tr ở kênh dẫ n tăng h ơ n và do đó giá tr ị dòng ID nhỏ h ơ n. Tr ị s ố tuy ệ t đ ố i c ủ a VGS càng tăng, dòng ID càng giảặế m, đ c tuy n càng d ịề ch v phía d ướặ i. M t khác, đi ểắầắ m b t đ u th t kênh c ủ a Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 55
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử mỗặếịề i đ c tuy n xê d ch v phía trái. Đi ểắầả m b t đ u x y ra đánh th ủủừặế ng c a t ng đ c tuy n cũng dị ch d ầ n v ề bên trái. * Đặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t ID = f(VGS) = VDS const Dạủặế ng c a đ c tuy n này ph ả n ánh quá trình đi ệườềể n tr ng đi u khi n dòng đi ệ n máng: trị s ố tuy ệ t đ ố i c ủ a VGS càng tăng, vùng nghèo càng mở r ộ ng, đi ệ n tr ở kênh d ẫ n càng tăng và do đó dòng máng càng giả m. Khi VGS đạ t t ố i giá tr ị đi ệ n áp th ắ t Vp thì dòng máng giả m xu ố ng b ằ ng 0. 5.1.4 Tham số đ ặ c tr ư ng cho JFET * Điệ n tr ở vi phân ngõ ra ∂V r = DS D ∂ = I D VGS const Đây cũng là nghị ch đ ả o đ ộ d ố c đ ặ c tuy ế n ra. Khi làm vi ệ c trong vùng bão hoà (vùng thắ t kênh), giá tr ị rD thườ ng khá l ớ n (kho ả ng 500kΩ). * Hỗ d ẫ n (Đ ộ d ố c đ ặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t) Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 56
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ∂I g = D m ∂ = VGS VDS const Trị s ố gm phả n ánh m ứ c đ ộ ả nh h ưở ng c ủ a đi ệ n áp đi ề u khi ể n VGS tớ i dòng máng. Các JFET thườ ng có gm = (7 ÷ 10) mA/V. * Điệ n tr ở vi phân ngõ vào ∂V r = GS i ∂ = IG VDS const Ngõ vào củ a JFET là chuy ể n ti ế p P-N phân c ự c ngh ị ch, dòng IG chỉ r ấ t bé (th ườ ng o 0 cỡ 0,1 µA ở 25 C) vì vậ y đi ệ n tr ở ri thườ ng r ấ t l ớ n (c ỡ 10 ÷ 100 MΩ ở 25 C) * Hệ s ố khu ế ch đ ạ i tĩnh ∂ µ = VGS ∂ = VDS ID const µ = => g m rd Hệố s này so sánh m ứộảưởốớ c đ nh h ng đ i v i dòng máng c ủệ a đi n áp VGS và VDS. µ càng lớ n th ể hi ệ n tác d ụ ng đi ề u khi ể n c ủ a VGS đố i v ớ i dòng ID càng nhạ y (so v ớ i VDS). * Điệ n dung liên c ự c CGS, CDS và CGD Đây là các điệ n dung ký sinh, hình thành gi ữ a các đi ệ n c ự c v ớ i nhau. Th ườ ng c ỡ (3 ÷ 10) pF. Khi JFET làm việ c ở s ố th ấ p, các đi ệ n dung này có th ể b ỏ qua. Ngoài các tham số trên, ng ườ i ta còn quan tâm đ ế n m ộ t s ố tham s ố gi ớ i h ạ n nh ư : dòng máng cự c đ ạ i cho phép IDmax, điệ n áp c ự c đ ạ i cho phép VDSmax, VGSmax, công suấ t tiêu tán cự c đ ạ i PDmax, điệ n áp th ắ t kênh VP, dòng máng bão hoà IDSS v.v 5.1.5 Sơ đ ồ t ươ ng đ ươ ng Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 57
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Dự a vào nguyên t ắ c ho ạ t đ ộ ng và các tham s ố đ ặ c tr ư ng cho JFET, ta có s ơ đ ồ tươươốớ ng đ ng đ i v i tín hi ệ u xoay chi ề u biên đ ộỏầốấủ nh , t n s th p c a JFET nh ư hình 2.31. Giữ a hai c ự c vào G-S có đi ệ n tr ở rào ri, giữ a hai c ự c ra D-S có đi ệ n tr ở kênh d ẫ n rd và nguồ n dòng gm vGS (đạ i di ệ n cho kh ả năng đi ề u khi ể n dòng đi ệ n máng b ở i đi ệ n áp vào vGS). Như v ậ y n ế u có t ả i m ắ c vào gi ữ a hai c ự c ra D-S thì dòng đi ệ n t ả i (cũng là dòng điệ n máng) là: = + vDS iD gmvGS rD => VDS = - µVDS + iDrD Hệứ th c này t ươ ng ứ ng v ớơồươ i s đ t ng đ ươ ng hình 2.31b, trong đó µVDS là nguồ n điệ n áp, t ươ ng đ ươ ng cho kh ả năng khu ế ch đ ạ i tín hi ệ u c ủ a JFET. 5.2 Transistor trườ ng có c ự c c ử a cách ly 5.2.1 Cấ u t ạ o và ho ạ t đ ộ ng c ủ a MOSFET kênh có s ẵ n Từếạườạ phi n Si lo i P, ng i ta t o ra trên b ềặộớạ m t m t l p lo i N dùng làm kênh d ẫ n. Ở hai đ ầ u khu ế ch tán 2 mi ề n N+ dùng làm cự c ngu ồ n (S) và c ự c máng (D). Trên m ặ t phiế n Si đ ượ c ph ủ màng SiO2 bả o v ệ . Phía trên màng này, đ ố i di ệ n kênh d ẫ n, g ắ n m ộ t Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 58
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử băng kim loạ i, dùng làm c ự c c ử a (G). Thông qua “c ử a s ổ ” khoét xuyên qua màng SiO2 ở vùng thích hợ p, ng ườ i ta phun kim lo ạ i, t ạ o ti ế p xúc tuy ế n tính v ớ i 2 vùng N+, dùng làm đầẫ u d n ra cho c ự c S và c ự c D. Đáy c ủế a phi n Si đôi khi cũng đ ượắớợ c g n v i s i kim loạ i, dùng làm c ựế c đ SUB. Thông th ườựếượốớựồ ng c c đ đ c n i v i c c ngu n. Ký hi ệủ u c a MOSFET kênh dẫ n có s ẵ n lo ạ i N nh ư hình 2.32 (b). Nế u phi ế n Si ban đ ầ u lo ạ i P thì ta có MOSFET kênh P nh ư hình 2.32 (c). Xét hoạ t đ ộ ng c ủ a MOSFET lo ạ i N trong m ạ ch nh ư hình 2.33. Ban đ ầ u d ướ i tác dụ ng c ủ a đi ệ n áp VDS (do nguồ n ED tạ o ra), qua kênh d ẫ n và c ự c máng có dòng đi ệ n ID, tạ o b ở i h ạ t d ẫ n đa s ố c ủ a kênh. N ế u có thêm đi ệ n áp VGS (do EG tạ o nên) v ớ i c ự c tính nhưẽ hình v thì cũng gi ốưụệệ ng nh 1 t đi n, các đi n tích âm s ẽụự tích t trên c c G, các đi ệ n tích dươẽ ng s tích t ụởựốệứ c c đ i di n, t c là trong kênh d ẫớ n (l p SiO2 đóng vai trò điệ n môi củụ a t . Các đi ệ n tích d ươ ng này s ẽợớệử tái h p v i đi n t , làm gi ảồộạẫ m n ng đ h t d n vố n có trong kênh, khi ế n đi ệ n tr ở c ủ a kênh tăng và dòng máng ID giả m. Càng tăng tr ị s ố VGS; ID càng giả m. Ch ếộ đ làm vi ệ c này đ ượọ c g i là ch ếộ đ làm nghèo h ạẫếổ t d n. N u đ i cự c tính ngu ồ n EG (VGS trở thành đi ệ n áp d ươ ng) thì tình hình di ễ n ra trái l ạ i: càng tăng tr ị số VGS, nồ ng đ ộ h ạ t d ẫ n trong kênh càng tăng, Ch ế đ ộ làm vi ệ c v ớ i c ự c tính VGS như th ế gọ i là ch ế đ ộ giàu. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 59
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Như v ậ y ngay khi VGS = 0, MOSFET kênh có sẵ n đã có dòng máng ban đ ầ u ID ≠ 0. Tuỳ cự c tính c ủ a VGS mà MOSFET này hoạ t đ ộ ng ở ch ế đ ộ giàu hay ch ế đ ộ nghèo, dùng giá trị VGS để đi ề u khi ể n dòng ID tăng hay giả m. Trên c ơ s ở đó, n ế u có tín hi ệ u xoay chiề u es đư a đ ế n ngõ vào thì hi ể n nhiên dòng ID sẽ bi ế n đ ổ i theo es và trên tả i ngõ ra s ẽ nhậ n đ ượ c tín hi ệ u khu ế ch đ ạ i. Đặ c tuy ế n truy ề n đ ạ t và đ ặ c tuy ế n ra c ủ a MOSFET kênh có s ẵ n lo ạ i N hoàn toàn phả n ánh quá trình trên đây. M ỗặếẫ i đ c tuy n ra v n bao g ồầươựưủ m 3 ph n, t ng t nh c a JFET: đoạ n ID tuyế n tính theo VDS, đoạ n ID bão hoà (trạ ng thái th ắ t kênh) và đo ạ n đánh thủ ng. Ở đây chuy ể n ti ế p P – N hình thành gi ữ a kênh d ẫ n và phi ế n Si ban đ ầ u. Do VDS gây ra phân bố đi ệ n th ế d ọ c theo chi ề u dài kênh d ẫ n, tình tr ạ ng phân c ự c ngh ị ch c ủ a P – N không đồềẫớậảếệ ng đ u, d n t i h u qu ti t di n kênh d ẫảầề n gi m d n v phía c ự c máng. Điểố m u n trên đ ặếươứớạ c tuy n ra t ng ng v i tr ng thái b ắầắ t đ u th t kênh. Vùng th ắ t kênh là miề n làm vi ệ c ch ủ y ế u c ủ a MOSFET khi khu ế ch đ ạ i tín hi ệ u. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 60
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Mạạộặếủ ch ho t đ ng và đ c tuy n c a MOSFET kênh có s ẵạớệư n lo i P gi i thi u nh hình 2.35. 5.2.2 Cấ u t ạ o và ho ạ t đ ộ ng c ủ a MOSFET kênh c ả m ứ ng Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 61
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Cấ u t ạ o MOSFET kênh c ả m ứ ng lo ạ i N cũng t ươ ng t ự nh ư MOSFET kênh có s ẵ n loạ i N nh ư ng ch ư a có kênh d ẫ n ban đ ầ u. Gi ữ a mi ề n máng (lo ạ i N) và phi ế n Si lo ạ i P hình thành chuyểế n ti p P – N (c ựếườốớự c đ th ng n i v i c c ngu ồ n nên chuy ểếữ n ti p gi a nguồ n và đ ế b ị n ố i t ắ t). Vì v ậ y khi có đi ệ n áp VDS đặ t vào, trong m ạ ch máng ch ỉ có m ộ t điệởấỏạữ n tr r t nh ch y gi a chuy ểế n ti p P – N phân c ựượ c ng c. Đi ệởươươ n tr t ng đ ng giữ a S và D xem nh ư vô cùng l ớ n. Khi có thêm điệ n áp d ươ ng VGS, điệ n tích d ươ ng s ẽ tích t ụ trên c ự c G, còn đi ệ n tích âm tích tụ ở vùng đ ố i di ệ n, phía bên kia c ủ a màng SiO2 (vùng nằ m gi ữ a hai mi ề n N+). Tuy vậ y khi VGS còn nhỏượệ , l ng đi n tích c ảứ m ng này không l ớ n, chúng b ịỗốủ l tr ng c a phiế n lo ạ i P tái h ợ p m ấ t. Ch ỉ khi VGS vượ t quá m ộ t đi ệ n áp ng ưỡ ng VT nào đó, lượ ng điệ n tích âm c ả m ứ ng nói trên m ớ i tr ở nên đáng k ể . Chúng t ạ o thành m ộ t l ớ p bán d ẫ n loạởềặếạ i N trên b m t phi n Si lo i P, đóng vai trò nh ưộ m t kênh d ẫốề n n i li n hai mi ề n N+ củ a c ự c ngu ồ n và c ự c máng. Do xu ấ t hi ệ n kênh d ẫ n n ố i li ề n hai mi ề n N+ củ a c ự c ngu ồ n và cự c máng. Do xu ấệ t hi n kênh d ẫệởươươữ n, đi n tr t ng đ ng gi a S và D gi ảố m xu ng và do đó dòng máng ID tăng lên. Trị s ố VGS càng lớ n, n ồ ng đ ộ đi ệ n tích âm trong kênh d ẫ n càng nhiề u, dòng ID sẽ càng l ớ n. Ch ế đ ộ làm vi ệ c khi VGS > VT như v ậ y g ọ i là ch ế đ ộ làm giàu điệ n tích. S ơ đ ồ khu ế ch đ ạ i c ủ a MOSFET kênh c ả m ứ ng lo ạ i N nh ư hình 2.37. Khi điệ n áp tín hi ệ u xoay chi ề u es (xế p ch ồ ng lên đi ệ n áp m ộ t chi ề u VGS do nguồ n EG tạ o Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 62
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ra) điề u khi ể n n ồ ng đ ộ đi ệ n tích âm c ả m ứ ng trong kênh d ẫ n và do đó đi ề u khi ể n dòng ID tăng giả m. Trên đi ệ n tr ở RD và trên tả i RL sẽ có đi ệ n áp đã khu ế ch đ ạ i c ủ a es. Đặếềạặếủ c tuy n truy n đ t và đ c tuy n ra c a MOSFET kênh c ảứạư m ng lo i N nh hình 2.38. Ta thấ y r ằ ng ch ỉ khi VGS > VT mớ i có dòng máng ID. MOSFET kênh cả m ứ ng ch ỉ làm việ c ở ch ế đ ộ giàu. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 63
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Nế u phi ế n Si ban đ ầ u thu ộ c lo ạ i N, các mi ề n ngu ồ n và máng thu ộ c lo ạ i P+, thì sẽ có MOSFET kênh cả m ứ ng lo ạ i P nh ư hình 2.39. Nguyên lý làm vi ệ c t ươ ng t ự nh ư ng điệ n áp VGS và VDS có cự c tính ng ượ c l ạ i. Tham số đ ặ c tr ư ng cho MOSFET cũng g ầ n gi ố ng JFET: đi ệ n tr ở vi phân ngõ ra rD, điệ n tr ở vi phân ngõ vào ri, hỗ d ẫ n gm, các điệ n dung liên c ự c, các tham s ố gi ớ i h ạ n Đáng chú ý là do lớ p cách đi ệ n SiO2, điệ n tr ở ngõ vào c ủ a MOSFET vô c ủ ng l ớ n. L ớ p SiO2 rấ t m ỏ ng nên gm rấ t l ớ n nh ư ng đi ệ n áp đánh th ủ ng gi ữ a G – S ho ặ c gi ữ a G – D thườ ng t ươ ng đ ố i th ấ p. 5.2.3 Nhậ n xét chung v ề JFET và MOSFET - JFET và MOSFET hoạộự t đ ng d a trên s ựềểệở đi u khi n đi n tr kênh d ẫởệ n b i đi n trườ ng (đi ệ n tr ườ ng này do đi ệ n áp trên hai ngõ vào sinh ra, còn dòng đi ệ n vào luôn luôn xấỉằ p x b ng 0. T ừốế đó kh ng ch dòng đi ệ n ra. Do đ ặề c đi m này, ng ườế i ta x p transistor trườ ng vào lo ạ i linh ki ệềểằệ n đi u khi n b ng đi n áp, trong khi BJT thu ộạềể c lo i đi u khi n bằ ng dòng đi ệ n (BJT có ngõ vào là chuy ể n ti ế p P – N phân c ự c thu ậ n, dòng đi ệ n vào biế n đ ổ i nhi ề u theo tín hi ệ u còn đi ệ n áp vào thay đ ổ i r ấ t ít). - Dòng điệ n máng ID tạ o nên b ở i ch ỉ m ộ t lo ạ i h ạ t d ẫ n (h ạ t đa s ố c ủ a kênh), do đó transistor trườộạơự ng thu c lo i đ n c c tính. Do không có vai trò c ủạẫểố a h t d n thi u s , Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 64
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử không có quá trình sả n sinh và tái h ợ p c ủ a hai lo ạ i h ạ t d ẫ n cho nên tham s ố c ủ a FET ít chịả u nh h ưở ng c ủ a nhi ệộạ t đ . T p âm n ộộủ i b c a bé h ơở n BJT. - Ngõ vào củ a FET có đi ệ n tr ở r ấ t l ớ n, dòng đi ệ n vào g ầ n nh ư b ằ ng 0 nên m ạ ch vào hầư u nh không tiêu th ụượềặệ năng l ng. Đi u này đ c bi t thích h ợ p cho vi ệếạ c khu ch đ i các nguồ n tín hi ệ u y ế u, ho ặ c ngu ồ n có n ộ i tr ở l ớ n. - Vai trò cự c ngu ồ n và c ự c máng có th ể đ ổ i l ẫ n cho nhau mà tham s ố c ủ a FET không thay đổ i đáng k ể . - Kích thướ c các đi ệ n c ự c S, G, D có th ể gi ả m xu ố ng r ấ t bé (d ự a trên công ngh ệ MOS), thu nhỏ th ể tích c ủ a transistor m ộ t cách đáng k ể và nh ờ đó transistor tr ườ ng r ấ t thông dụ ng trong các vi m ạ ch có m ậ t đ ộ tích h ợ p cao. - Cũng như BJT, FET có th ể m ắ c theo 3 s ơ đ ồ c ơ b ả n: m ạ ch ngu ồ n chung (SC – Source Common), cử a chung (GC – Gate Common), máng chung (DC – Drain Common). Các mạớệở ch gi i thi u trên thu ộạ c l i SC. M ạ ng DC có s ơồặểươự đ và đ c đi m t ng t nhưạ ng m ch CC c ủ a BJT: đi ệởấớệởấỏệ n tr vào r t l n, đi n tr ra r t nh , đi n áp ra đ ồ ng pha và xấ p x ỉ tr ị s ố v ớ i đi ệ n áp vào. Còn m ạ ch GC trên th ự c t ế ít dùng. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 65
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử CHƯƠ NG III: CÁC Ứ NG D Ụ NG C Ơ B Ả N i. Mạ ch ch ỉ nh l ư u bán kỳ (half ware rectifier) Từ tín hi ệ u xoay chi ề u c ủ a khu v ự c (220V – 50Hz) hay th ấ p h ơ n (qua bi ế n th ế ), dùng diode vớ i tín ch ấ t ch ỉ d ẫ n đi ệ n theo m ộ t chi ề u (P-N) đ ể đ ổ i đi ệ n thành DC. Vi D t Vi R Vo V 0 t Bán kỳ +: D phân cự c thu ậ n nên d ẫ n, nên dòng đi ệ n IL qua t ả i RL cũng có giá tr ị s ố biế n thiên theo bán kỳ + c ủ a ngu ồ n. Nên đi ệ n th ế ra trên t ả i VL cũng có d ạ ng bán kỳ + củ a V2. Bán kỳ -: D phân cự c ngh ị ch nên không d ẫ n, do đó không có dòng qua t ả i IL, nên VL = 0. Kế t qu ả : là dòng ch ạ y qua t ả i IL, và đi ệ n th ế trên t ả i VL ch ỉ còn l ạ i bán kỳ +, nên đượ c g ọ i là m ạ ch ch ỉ nh l ư u bán kỳ. Điệ n áp trên t ả i: π 1 π V V=∫ Vsinω td ω t = − cos ω t =m = 0.45 V DCπ m0 π hd 2 0 Tươ ng t ự cho dòng trên t ả i: IVV I =m = m = 0.45 RMS DC π π RRLL Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 66
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử ii. Chỉ nh l ư u toàn kỳ (Full ware rectifier) Biếếở n th đây là bi ếếấữ n th có ch u gi a làm đi ể m chung, đi ệởầượ n áp 2 đ u ng c pha nhau so vớ i đi ể m gi ữ a. V i D t V i Vi R D t V L t - Bán kỳ + tạ i A: D1 d ẫ n, D2 ng ư ng => dòng IA chạ y qua D1 qua R tr ở v ề đi ể m giữ a bi ế n áp. - Bán kỳ – tạ i A (chính là bán kỳ + t ạ i B): D1 ng ư ng, D2 d ẫ n => dòng IB chạ y qua D2 qua R về đi ể m gi ữ a c ủ a bi ế n áp. Do đó dòng qua tả i chính là t ổ ng c ủ a 2 dòng IA và IB. Điệ n áp trung bình trên t ả i: V VVV=2m = 0.636 = 0.9 DCπ m RMS Tươ ng t ự cho dòng trên t ả i: 2IVV 2 I =m = m = 0.9 RMS DC π π RRLL Nhậ n xét: Đ ộợ g n sóng c ủạỉư a m ch ch nh l u toàn sóng gi ảớỉư m so v i ch nh l u bán kỳ. iii. Chỉ nh l ư u c ầ u. Thay vì phả i s ử d ụ ng bi ế n áp có ch ấ u gi ữ a, + ta không cầ n mà ch ỉ c ầ n s ắ p x ế p các diode V để có th ể d ẫ n đi ệ n ở c ả 2 bán kỳ. i - R - Bán kỳ đầ u VA > Vc: D1D3 dẫ n, D2 D4 tắ t => dòng ch ạ y A->D1->R->D3->C. - Bán kỳ sau VA dòng t ừ C->D2->R->D4->A. Công thứ c tính dòng và áp nh ư 2 diode Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 67
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử iv. Mạ ch l ọ c D V L Vi R D t hiệ u ra trong các m ạ ch ch ỉ nh l ư u có đ ộ g ợ n sóng khá l ớ n và VDC th ấ p (toàn kỳ VDC = 0.636 Vm). Do đó để c ả i thi ệ n đ ộ g ợ n sóng ng ườ i ta m ắ c thêm các m ạ ch l ọ c. Ở ngõ ra, khi D1 d ẫ n, dòng qua t ảạụỞỉệếảụ i R và n p cho t C. đ nh A, đi n th gi m, t lậứảệ p t c x đi n qua t ảớờ i v i th i gian T = RL.C. Khi t ụảế x đ n B, D2 d ẫạạ n và l i n p cho tụỉứếếụếảạ lên đ nh A, c th ti p t c. K t qu là d ng sóng ra nh ưẽ hình v có VDC tăng và đ ộ gợ n sóng gi ả m so v ớ i lúc ch ư a có t ụ l ọ c. v. Mạ ch xén Mạ ch xén còn g ọ i là m ạ ch gi ớ i h ạ n biên đ ộ tín hi ệ u, trong đó tín hi ệ u V0 luôn tỉ l ệ vớ i tín hi ệ u vào Vi nế u Vi chư a v ượ t quá m ộ t giá tr ị ng ưỡ ng cho tr ướ c VR, còn khi Vi vượ t quá m ứ c ng ưỡ ng thì tín hi ệ u ra V0 luôn giữ m ộ t giá tr ị không đ ổ i. Các linh kiệ n tích c ự c đ ượ c s ử d ụ ng trong m ạ ch xén th ườ ng là diode, transistor, đèn điệ n t ử cũng nh ư các vi m ạ ch tuy ế n tính. Tuy nhiên m ạ ch xén dùng diode đ ượ c s ử d ụ ng rộ ng rãi h ơ n vì m ạ ch c ấ u t ạ o đ ơ n gi ả n, đ ộ tin c ậ y cao. Các mạ ch xén dùng diode: • Mạ ch n ố i ti ế p: tả i n ố i ti ế p diode. • Mạ ch song song: tả i song song v ớ i diode. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 68
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Giả thi ế t diode lý t ưở ng. I Vγ = 0 rf =0 (điệ n tr ở thu ậ n) IS = 0 (dòng rò, dòng ngượ c) V rr = ∞ (điệ n tr ở ng ượ c) 0  Mạ ch xén trên: D R R D vi v0 vi v0 VN VN Mạ ch n ố i ti ế p Mạ ch song song vi v0 v0 V VN N t vi 0 VN Hàm truyề n đ ạ t Dạ ng tín hi ệ u ra khi tín hi ệ u vào hình sin Mạ ch n ố i ti ế p Mạ ch song song • Nế u vi > VN • Nế u vi ≥ VN → Diode tắ t → Diode dẫ n → v0 = VN → v0 = VN • Nế u vi ≤ VN • Nế u vi < VN → Diode dẫ n → Diode tắ t → v0 = vi → v0 = vi  Mạ ch xén d ướ i: Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 69
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử D R R D vi v0 vi v0 VN VN Mạ ch n ố i ti ế p Mạ ch song song Mạ ch n ố i ti ế p Mạ ch song song • Nế u vi VN → Diode dẫ n → Diode tắ t → v0 = vi → v0 = vi vi v0 V N VN t v0 vi 0 VN Hàm truyề n đ ạ t Dạ ng tín hi ệ u ra khi tín hi ệ u vào hình sin Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 70
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử CHƯƠ NG IV: M Ạ CH KHU Ế CH Đ Ạ I 1. Khái niệ m v ề m ạ ch khu ế ch đ ạ i 1.1 Khái niệ m m ạ ch khu ế ch đ ạ i Khuếạ ch đ i là quá trình bi ếổộạượ n đ i m t đ i l ng (dòng đi ệặệ n ho c đi n áp) t ừ biên độ nh ỏ thành biên đ ộ l ớ n mà không làm thay đ ổ i d ạ ng c ủ a nó. Tuỳ theo dạủ ng c a tín hi ệầếạ u c n khu ch đ i mà ng ườ i ta phân ra: b ộếạ khu ch đ i tín hiệộềổ u m t chi u (t ng quát h ơ n: tín hi ệế u bi n thiên ch ậ m) và b ộếạệ khu ch đ i tín hi u xoay chiềộếạứạượ u. B khu ch đ i th 2 l i đ c chia làm 2 lo ạầốấ i: t n s th p (âm t ầ n) và b ộế khu ch đạ i t ầ n s ố cao. 1.2 Các thông số đ ạ c tr ư ng c ủ a m ạ ch khu ế ch đ ạ i v = L - Hệ s ố khu ế ch đ ạ i đi ệ n áp: Av là tỉ s ố gi ữ a đi ệ n áp ra VL và đi ệ n áp vào VS. vS i = L - Hệ s ố khu ế ch đ ạ i dòng đi ệ n: Ai . ii P V I = 0 = L L - Hệ s ố khu ế ch đ ạ i công su ấ t (đ ộ l ợ i công su ấ t): Ap Pi Vi I i v = i - Tổ ng tr ở ngõ vào: Z i ii Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 71
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử - Tổ ng tr ở ngõ ra: Zo. Chấ t l ượ ng b ộ khu ế ch đ ạ i càng t ố t khi Zi càng lớ n và Zo càng nhỏ . .1.3 Các thông số Hybrid Phươ ng trình m ạ ng 4 c ự c vi ế t theo thông s ố Hybrid : v1 = h11i1 + h12v2 i2 = h21i1 + h22v2 Thay các thông số m ạ ng 2 c ử a b ằ ng các thông s ố h c ủ a transistor : v1 = hii1 + hrv2 i2 = hfi1 + h0v2 Trong đó các thông số h c ủ a transistor đ ượ c đ ị nh nghĩa nh ư sau : v = 1 hi : trở kháng vào ng ắ n m ạ ch i1 = v2 0 v = 1 hr : độ l ợ i đi ệ n áp ng ượ c khi h ở m ạ ch v 2 = i1 0 i = 2 h f : độ l ợ i dòng thu ậ n ng ắ n m ạ ch i1 = v2 0 i = 2 ho : tổ ng d ẫ n ngõ ra h ở m ạ ch v 2 = i1 0 Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 72
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Ứụớắng d ng v i cách m c khác nhau (EC, BC, CC) mà ch ữứượỉịụ th 2 đ c ch đ nh. Ví d : hoe, hie, 2. Các khái niệ m c ơ b ả n c ủ a m ạ ch khu ế ch đ ạ i m ộ t t ầ ng 2.1 Điể m làm vi ệ c tĩnh và đ ườ ng t ả i m ộ t chi ề u Xét mộ t t ầ ng khu ế ch đ ạ i dùng BJT m ắ c EC nh ư hình 3.3. Để BJT có kh ả năng khu ế ch đ ạ i tín hi ệ u, chuy ể n ti ế p JE phân cự c thu ậ n còn chuyể n ti ế p JC phân cự c ngh ị ch. Ở m ạ ch này, ngu ồ n E1 cùng điệ n tr ở RB tạ o ra đi ệ n áp mộ t chi ề u làm cho chuy ể n ti ế p JE phân cự c thu ậ n ở m ộ t m ứ c nh ấ t đ ị nh, nghĩa là làm cho dòng IB và điệ n áp VBE trong mạ ch vào có nh ữ ng giá tr ị IBQ, VBEQ nào đó. Trên đặ c tuy ế n vào củ a BJT, c ặ p giá tr ị IBQ và VBEQ là toạ đ ộ đi ể m Q, g ọ i là đi ể m làm vi ệ c tĩnh ngõ vào củ a BJT. Ngu ồ n E2 cùng điệ n tr ở RC tạ o ra đi ệ n áp m ộ t chi ề u làm phân c ự c nghch ị chuyể n ti ế p JC, khiế n cho dòng IC và điệ n áp VCE ở ngõ ra có nh ữ ng giá tr ị xác đ ị nh: ICQ và VCEQ. Cặ p giá tr ị ICQ và VCEQ sẽ xác đ ị nh nên m ộ t đi ể m Q, g ọ i là đi ể m làm vi ệ c tĩnh ngõ ra. Như v ậ y v ớ i m ộ t BJT đã cho, ngu ồ n E1, E2 cùng các điệ n tr ở phân c ự c RB, RE sẽ quyế t đ ị nh giá tr ị t ứ c th ờ i c ủ a dòng đi ệ n và đi ệ n áp trên BJT, nói cách khác chúng s ẽ quyế t đ ị nh đi ể m làm vi ệ c tĩnh c ủ a m ạ ch. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 73
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Dòng IB và áp VBE liên hệ v ớ i nhau theo đ ặ c tuy ế n tĩnh c ủ a BJT (đ ườ ng s ố 1 – hình 3.4). Mặ t khác theo đ ị nh lu ậ t Kirchoff II: E1 = IBRB + VB V E = − BE + 1 => I B RB RB Giao điểủồị m c a 2 đ th nói trên xác đ ịể nh đi m làm vi ệ c tĩnh Q c ủườảạ a đ ng t i m ch vào. Tươ ng t ự , trong m ạ ch ra, dòng IC và áp VCE có quan hệ v ớ i nhau theo đ ặ c tuy ế n ra củ a BJT (đ ườ ng s ố 1 – hình 3.5 ứ ng v ớ i dòng IB = IBQ). Theo đị nh lu ậ t Kirchoff II: E2 = ICRC + VCE = − 1 + E 2 => IC VCE R C R C Giao điểủồị m c a 2 đ th trên xác đ ịể nh đi m làm vi ệ c tĩnh Q c ủườảạ a đ ng t i m ch ra. Như v ậ y đi ể m Q trên đ ặ c tuy ế n vào và ra là m ộ t và là duy nh ấ t. V ớ i t ầ ng khu ế ch đạ i đang xét, các c ặ p giá tr ị (IB, VBE) hoặ c (IC và VCE) thoả mãn đ ị nh lu ậ t Kirchoff II trong mạ ch vào ho ặẽị c ra s xác đ nh nên đ ườạộềủạ ng t i m t chi u c a m ch vào ho ặ c ra. Giao điểủườảộềớặế m c a đ ng t i m t chi u v i đ c tuy n tĩnh t ươứủ ng ng c a BJT chính là đi ể m làm việ c tĩnh mà to ạ đ ộ c ủ a nó là giá tr ị dòng và áp t ứ c th ờ i trong m ạ ch. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 74
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 1 1 Độ d ố c c ủ a đ ườ ng t ả i AB là tgγ = − ; củ a đ ườ ng t ả i MN là tgθ = − . Như RB RC vậộ y, m t cách t ổ ng quát, đ ộốủườảộề d c c a đ ng t i m t chi u có giá tr ịệốằ tuy t đ i b ng nghị ch đ ả o c ủ a đi ệ n tr ở t ươ ng ứ ng. 2.2 Trạ ng thái đ ộ ng – Đ ồ th ị th ờ i gian Trạ ng thái làm vi ệ c c ủ a BJT ho ặ c FET khi có tín hi ệ u xoay chi ề u đ ư a đ ế n ngõ vào (do đó xuấ t hi ệ n đi ệ n áp xoay chi ề u ho ặ c dòng đi ệ n xoay chi ề u ở ngõ ra) g ọ i là tr ạ ng thái độ ng. Lúc này tín hi ệ u xoay chi ề u Vs xế p ch ồ ng lên đi ệ n áp phân c ự c v ố n có ở tr ạ ng thái tĩnh. Trên hình 3.6 và 3.7 minh hoạ đ ồ th ị th ờ i gian c ủ a các dòng ở tr ạ ng thái tĩnh và các dòng tươ ng ứ ng ở tr ạ ng thái đ ộ ng khi Vs hình sin. Ta thấ y dòng đi ệứờởạ n t c th i tr ng thái đ ộ ng là t ổạốủ ng đ i s c a 2 thành ph ầ n: thành phầ n m ộ t chi ề u ( ứ ng v ớ i tr ạ ng thái tĩnh) và thành ph ầ n xoay chi ề u do tín hi ệ u Vs gây ra. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 75
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 2.3 Đườ ng t ả i xoay chi ề u Đườảở ng t i MN hình 3.5 là t ậợấảị p h p t t c các v trí có th ểủể có c a đi m làm vi ệ c tĩnh. Nói cách khác mỗể i đi m trên đ ườả ng t i MN xác đ ịộặ nh m t c p giá tr ịươứủ t ng ng c a dòng IC và điệ n áp VCE. Đố i v ớ i tr ạ ng thái đ ộ ng, khi có ngu ồ n tín hi ệ u xoay chi ề u Vs tác đ ộ ng, m ỗ i c ặ p giá trị t ươ ng ứ ng c ủ a dòng vào áp t ứ c th ờ i iC(t), vCE(t) trên ngõ ra sẽ xác đ ị nh nên trên đ ặ c tuyế n ra m ộ t đi ể m làm vi ệ c đ ộ ng. Khi biên đ ộ Vs thay đổ i, đi ể m làm vi ệ c đ ộ ng bày xê dị ch trên m ộỹạ t qu đ o nào đó đ ượọườả c g i là đ ng t i xoay chi ề u. v = CE~ Điệ n tr ở t ả i đ ố i v ớ i tín hi ệ u xoay chi ề u c ủ a m ạ ch ra: R ~ . Vậ y đ ộ d ố c iC~ 1 củ a đ ườ ng t ả i xoay chi ề u là: tgδ = − ; trong đó δ là góc giữ a đ ườ ng t ả i xoay chi ề u và R~ trụ c hoành. Mặ t khác, có th ểạ coi tr ng thái tĩnh nh ưộườợ là m t tr ng h p riêng ( ứớộ ng v i biên đ Vs = 0) củ a tr ạ ng thái đ ộ ng. Khi biên đ ộ Vs thay đổ i, đi ể m làm vi ệ c đ ộ ng di đ ộ ng trên đườ ng t ả i xoay chi ề u. Khi biên đ ộ Vs = 0, điể m làm vi ệ c đ ộ ng tr ở v ề trùng v ớ i đi ể m làm tĩnh. Điề u này ch ứỏể ng t đi m làm vi ệ c tĩnh cũng ch ỉộể là m t đi m làm vi ệặệủ c đ c bi t c a đườả ng t i xoay chi ề u. Nh ưậảườảộềẫ v y c đ ng t i m t chi u l n xoay chi ềềứể u đ u ch a đi m làm việ c tĩnh, hay nói cách khác, đi ể m làm vi ệ c tĩnh Q là giao đi ể m c ủ a 2 đ ườ ng t ả i này. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 76
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 2.4 Các chế đ ộ làm vi ệ c c ủ a ph ầ n t ử khu ế ch đ ạ i Tuỳ theo vị trí đi ể m làm vi ệ c tĩnh trên đ ườ ng t ả i xoay chi ề u, ng ườ i ta phân bi ệ t các chế đ ộ làm vi ệ c sau đây: 2.4.1 Chế đ ộ A Khi chọ n điệ n áp phân c ự c sao cho đi ể m làm vi ệ c tĩnh Q n ằ m ở kho ả ng gi ữ a đo ạ n MN trên đườ ng t ạ i xoay chi ề u (trong đó M và N là giao đi ể m c ủ a đ ườ ng t ả i xoay chi ề u vớ i đ ặ c tuy ế n ra ứ ng v ớ i dòng c ự c đ ạ i IBmax và dòng cự c ti ể u IBmin) thì ta nói phầ n t ử khuế ch đ ạ i làm vi ệ c ở ch ế đ ộ A. Đặ c đi ể m c ủ a ch ế đ ộ A: - Khuế ch đ ạ i trung th ự c, ít méo phi tuy ế n. - Dòng tĩnh và áp tĩnh luôn khác 0, nghĩa là ngay ở trong tr ạ ng thái tĩnh, t ầ ng kh ế uch đạ i đã tiêu hao m ộ t năng l ượ ng đáng k ể . Biên đ ộ dòng và áp xoay chi ề u l ấ y ra (ICm, VCEm) tốỉằ i đa ch b ng dòng và áp tĩnh. Vì v ậếộ y ch đ A có hi ệấấ u su t th p, thông th ườệ ng hi u suấ t t ố i đa c ủ a l ớ p A là 25%. - Chế đ ộ A th ườ ng dùng trong các t ầ ng khu ế ch đ ạ i tín hi ệ u nh ỏ . Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 77
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử 2.4.2 Chế đ ộ B Nế u ch ọ n đi ệ n áp phân c ự c sao cho v ị trí đi ể m tĩnh Q trùng vớ i đi ể m D ho ặ c đi ể m N thì phầửếạ n t khu ch đ i làm vi ệởếộ c ch đ B lý t ưở ng. Đ ặểủếộ c đi m c a ch đ này nh ư sau: - Khi dòng điệ n vào (ho ặ c đi ệ n áp vào) là hình sin, thì dòng đi ệ n ra và đi ệ n áp ra ch ỉ còn nử a (ho ặ c già n ử a) hình sin, nói cách khác: méo phi tuy ế n tr ầ m tr ọ ng. - Ở tr ạ ng thái tĩnh, dòng ICQ ≈ 0, do đó năng lượ ng tiêu th ụ b ở i t ầ ng khu ế ch đ ạ i r ấ t nhỏ . Ch ỉ ở tr ạ ng thái đ ộ ng, dòng đi ệ n trung bình IC mớ i tăng d ầ n theo biên đ ộ tín hi ệ u vào. Do đó năng lượ ng tiêu th ụ cũng t ỉệớ l v i biên đ ộ xoay chi ề u tín hi ệ u xoay chi ềấ u l y ra. Như v ậ y ch ế đ ộ B có hi ệ u su ấ t cao (kho ả ng 78.5%). - Chếộườ đ th ng dùng trong các t ầếạ ng khu ch đ i công su ấầốủế t (các t ng cu i c a thi t bịếạểắụ khu ch đ i). Đ kh c ph c méo phi tuy ế n, nó đòi h ỏạả i m ch ph i có 2 v ếốứ đ i x ng, thay phiên nhau làm việ c trong 2 n ử a chu kỳ. Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 78
Bài giả ng K ỹ thu ậ t đi ệ n t ử Trên thựếườ c t , ng i ta còn dùng ch ếộ đ AB (trung gian gi ữếộ a ch đ A và ch ếộ đ B): điểọở m Q ch n phía trên đi ể m N và g ầể n đi m này. Lúc đó phát huy đ ượưểủ c u đi m c a mỗếộảớ i ch đ , gi m b t méo phi tuy ếưệấ n nh ng hi u su t kém h ơếộ n ch đ B. 2.4.3 Chế đ ộ D Chếộ đ này còn đ ượọếộ c g i là ch đ khoá hay ch ếộ đ đóng m ở . Ngoài ch ếộ đ khuếạ ch đ i, BJT ho ặ c FET còn có th ểệưộ làm vi c nh m t cái đóng ng ắệếộ t đi n (ch đ khoá). Lúc này, tuỳ theo xung dòng điệ n vào (ho ặ c đi ệ n áp vào) mà BJT làm vi ệ c ở 1 trong 2 chếộốậạ đ đ i l p: tr ng thái khoá (tr ạ ng thái t ắ t) khi Q n ằở m phía d ướể i đi m N, trạ ng thái d ẫ n bão hoà (tr ạ ng thái m ở ) khi Q n ằ m phía trên đi ể m M, g ầ n đi ể m C. Đây là chế đ ộ BJT làm vi ệ c v ớ i tín hi ệ u xung. 3. Các mạ ch phân c ự c cho BJT 3.1 Dùng nguồ n 1 chi ề u VBB Đị nh lu ậ t Kirchoff II cho vòng có ch ứ a VBB: -VBB + RBIB + VBE + REIEQ = 0 ≈ β Mà ICQ IEQ, ICQ = IBQ I ⇒ CQ β -VBB + RB + VBE + REICQ = 0 Trườ ng ĐH Giao thông v ậ n t ả i TPHCM Trang 79