Giáo trình Kĩ thuật Điện tử - Nguyễn Văn Phước

277 trang huongle 4001

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kĩ thuật Điện tử - Nguyễn Văn Phước", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ki_thuat_dien_tu_nguyen_van_phuoc.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kĩ thuật Điện tử - Nguyễn Văn Phước

Học viện kỹ thuật quân sự Bộ môn Lý thuyết mach -Đo l−ờng khoa vô tuyến điện tử nguyễn văn Th−ớc Kỹ thuật điện tử (dùng cho chuyên ngành cơ ) hà nội 2004
mục lục Trang Ch−ơng 1:tín hiệu và các hệ thống điện tử 5 1.1 Khái niệm chung về tín hiệu 5 1.2 .Một số thông số và đặc tính của tín hiệu 6 1.3 .Các hệ thống điện tử thông dụng 9 1.4 .Các dạng tín hiệu điều chế 13 1.5 Phân loại sóng vô tuyến điện theo tần số và đặc điểm của qúa trình truyền sóng 16 1.6 Sơ l−ợc về lọc tần số . 19 Ch−ơng2:Các linh kiện điện tử thông dụng 32 2.1.Cơ sở vật lý của các linh kiện điện tử 32 2.2.Các tham số của linh kiện điện tử 35 2.3.Điện trở 37 2.4.Tụ điện 40 2.5.Cuộn cảm 43 Ch−ơng 3:Các dụng cụ bán dẫn 46 3.1.Cơ chế bán dẫn 46 3.2.Mặt ghép n-p 48 3.3.Diot bán dẫn 49 3.4.Tranzisto l−ỡng cực 51 3.5. Tranzisto tr−ờng 59 3.6.Phần tử nhiều mặt ghép n-p 63 3.7.Các dụng cụ quang điện bán dẫn 65 3.8.Các dụng cụ hiển thị 67 3.9.Sơ l−ợc về mạch tích hợp 68 Ch−ơng 4:Khuếch đại điện tử 74 4.1.Phân loại, các tham số và đặc tính của khuếch đại 74 4.2.Sơ l−ợc về hồi tiếp trong mạch khuếch đại 78 4.3.Các chế độ làm việc của mạch khuếch đại 83 4.4.Cấp nguồn và ổn định chế độ làm việc của tranzisto 84 4.5.Khuếch đại điện trở 89 4.6.Ví dụ tính toán mạch khuếch đại diện trở Emitơ chung 100 4.7.Một số cách mắc tranzisto đặc biệt trong khuếch đại 103 4.8.Khuếch đại dải rộng và khuếch đại xung 104 4.9.Khuếch đại điện trở có hồi tiếp âm 109 4.10 Khuếch đại điện trở nhiều tầng 110 4.11.Khuếch đại chọn lọc 112
4.12.Khuếch đại công suất 117 Ch−ơng 5:Khuếch đại thuật toán và ứng dụngcủa chúng 125 5.1.Khuếch đại vi sai 125 5.2.Khuếch đại thuật toán 132 5.3.Một số mạch tính toán và điều khiển tuyến tính trên khuếch đại thuật toán 139 5.4. Một số mạch tạo hàm phi tuyến trên khuếch đại thuật toán 152 Ch−ơng 6:Tạo dao động hình sin 159 6.1.Khái niệm chung 159 6.2.Tạo dao đọng hình sin LC ghép hỗ cảm. 160 6.3. Tạo dao đọng hình sin kiểu ba điểm 162 6.4. Tạo dao động thach anh 166 6.5.Tạo dao động RC 169 Ch−ơng 7:Nguyên lý biến đổi phi tuyến 172 7.1.Khái niệm chung về mạch phi tuyến 172 7.2.Điều biên 174 7.3.Điều tần và điều pha 179 7.4.Tách sóng biên độ 182 7.5.Tách sóng pha 183 7.6.Tách sóng tần số 185 7.8.Biến tần 189 7.9.Vong giữ pha PLL 190 Ch−ơng 8: Kỹ thuật xung -số 193 8.1.Khái niệm chung về tín hiệu xung 193 8.2.Các phần tử tuyến tính dùng trong kỹ thuật xung 194 8.3.Mạch khoá 198 8.4.Mạch trigơ 201 8.5 Mạch đa hài đợi 205 8.6 Mạch đa hài tự dao động 207 8.7 Mạch dao động bloking 208 8.8.Mạch tạo điện áp răng c−a 210 8.9.Khai niệm về thuật toán logic,phần tử logic và đại số logic 213 8.10.Các phần tử logic 216
8.10.Các phần tử logic thông dụng 221 8.12.Trigơ số 224 8.13.Mạch đơn hài 229 8.14.Mạch đa hài tự dao động số 230 8.15.Bộ đếm 230 8.16.Bộ ghi-dịch 234 8.17.Bộ biến đổi mã và giải mã 235 8.18.Bộ dồn kênh và tách kênh 242 8.19.Các bộ nhớ bán dẫn. 244 Ch−ơng 9:nguồn nuôi 248 9.1.Khái niệm chung 248 9.2.Các mạch chỉnh l−u một pha 250 9.3.Chỉnh l−u ba pha 254 9.4ổn áp một chiều 257 Tài liệu tham khảo 268
tài liệu tham khảo 1 .Lý thuyêt mạch tín hiệu-T1,T2,T3-Đỗ Huy Giác-HVKTQS 2001,3003 2 . Lý thuyêt mạch tín hiệu-T1,T2,T3-Ph−ơng Xuân Nhàn,Hồ Anh Tuý - NXB KHKT 1998 3 .Kỹ thuật mạch điện tử-Phạm Minh Hà - NXB KHKT 1997 4 . Kỹ thuật điện tử-Nguyễn Xuân Thụ - NXB giáo dục 1997 5 .OCНОВЫ ТЕΟPИИ ТRАHЗCTPOB И ТRАHЗCTOPHЫX CXEM ИЗД.эHPГИИ 1977 6 .The art electronics ,Paul Horowít,Winfield Hill-Cmbrige -London- Newyork-1980-1983 7 .Điện tử công nghiệp-Nguyễn Xuân Quỳnh-NXB ĐH và G D 1988 8 Dụng cụ bán dẫn và vi điện tử -Đỗ Xuân ThụNXB ĐH và G D 1985 9 .иёиУызд ΠpиёMHыe УCTPOиCTBO-TPиXиMeHKO ИЗД.TEXHИKA 1972 10 .Electronics circuits-Ghausi-1972
lời nói đầu Loài ng−ời đã b−ớc vào một thiên niên kỷ mới,một thiên niên kỷ của khoa học kỹ thuật và công nghệ cao.Ngày nay mọi lúc ,mọi nơi trong đời sống hàng ngày cũng nh− trong kỹ thuật quân sự-quân dụng ta đều thấy sự có mặt của các thiết bị điện tử.Trong Học viện kỹ thuật quân sự kiến thức trong lĩnh vực điện tử không chỉ cần trang bị cho các kỹ s− thuộc các chuyên ngành điện tử nh− kỹ s− thông tin,kỹ s− tên lửa, kỹ s− rada, kỹ s− y sinh, kỹ s− tác chiến điện tử mà còn cần trang bị cho các kỹ s− chuyên ngành cơ khí,xe,công trình,vũ khí Các kỹ s− thuộc các chuyên ngành "không điện" này cũng buộc phải làm việc với các trang thiết bị -khí tài là các hệ thống cơ-điện -điện tử phức tạp.Vì vậy,môn học kỹ thuật điện tử cùng với một số môn học khác thuộc khoa vô tuyến điện tử cố gắng trang bị một l−ợng kiến thức tạm đủ cho loại hình kỹ s− này.Giáo trình "Kỹ thuật điện tử" là tài liệu tham khảo chính cho học viên nghiên cứu môn học Kỹ thuật điện tử. Giáo trình trình bày kiến thức đại c−ơng về điện tử -vô tuyến điện tử trong 9 ch−ơng: Ch−ơng 1:Tín hiệu và các hệ thống điện tử.Trình bày những khái niệm,định nghĩa kinh điển của tín hiệu ,các hệ thống truyền tin,các dạng tín hiệu vô tuyến điện ,các mạch cộng h−ởng chọn lọc tín hiệu theo tần số . Ch−ơnh2:Các linh kiện điện tử thông dụng. Trình bày về cấu tạo vật lý,các đặc tính kỹ thuật ,các tham số của các linh kiện điện tử thụ động thông dụng là điện trở,tụ điện và cuộn cảm sản xuất trong công nghiệp. Ch−ơng 3:Các dụng cụ bán dẫn.Trình bày cấu trúc vật lý của bán dẫn,các dụng cụ bán dẫn nh− diot,tranzisto,các dụng cụ nhiều mặt ghép n-p và một số dụng cụ bán dẫn quang điện. Ch−ơng 4:Khuếch đại điện tử: Phân tích nguyên lý làm việc,các đặc tính-chỉ tiêu kỹ thuật của các mạch khuếch đại điện tử trên tranzisto l−ỡng cực và trên tranzisto tr−ờng. Ch−ơng 5:Khuếch đại thuật toán và ứng dụng.Trình bày khuếch đại vi sai,trên cơ sở đó trình bày về một loại vi mạch thông dụng là khuếch đại thuật toán và một số mạch chứ năng analog xây dựng trên khuếch đại thuật toán . Ch−ơng 6.Tạo dao động hình sin . Trình bày nguyên lý của ác mạch tạo ra sóng hình sin trong kỹ thuật điện tử. Ch−ơng 7:Nguyên lý biến đổi phi tuyến.Trình bày nguyên lý biến đổi phổ của tín hiệu trong các mạch điều chế,tách sóng,biến tần Ch−ơng 8:Kỹ thuật xung-số.Trình bày kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung và kỹ thuật số,các mạc số cơ bản.
Ch−ơng 9:Nguồn nuôi.Trình bày về các mạch nguồn thông dung sử dụng trong kỹ thuật điện tử là chỉnh l−u và ổn áp. Tác giả xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp trong bộ môn Lý thuyết mạch -đo l−ờng khoa vô tuyến điện tử :Các PGS-TS Đỗ Huy Giác,Vũ Nh− Giao,Bùi Văn Sáng đã có những góp ý quý giá cho tác giả hoàn thành giáo trình này.Giáo trình không tránh khỏi những sai sót,mong đ−ợc sự góp ý của bạn đọc,xin cám ơn nhiều. Hà nội 2003 Tác giả
Ch−ơng 1 Tín hiệu và các hệ thống điện tử 1.1. Khái niệm chung về tín hiệu . Tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin tức. Trong kỹ thuật điện tử , tin tức đ−ợc biến đổi thành các dao động điện từ, hay nói cách khác tín hiệu là các dao động điện từ có chứa tin tức ở trong đó. Ví dụ mirco biến đổi tiếng nói thành một dòng điện gần nh− liên tục theo thời gian. Tín hiệu điện từ sơ khai vừa nói trên ta gọi chung là tín hiệu sơ cấp. Khi nghiên cứu tín hiệu ng−ời ta th−ờng biểu diễn nó là một hàm của biến thời gian hoặc của biến tần số. Tuy nhiên biểu diễn tín hiệu ( điện áp hoặc dòng điện ) là một hàm của biến thời gian là thuận lợi và thông dụng hơn cả. Nếu ta biểu diễn tín hiệu là hàm s(t), trong đó t là biến thời gian thì tín hiệu có thể là tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. s(t) = s( t + nT);n=0,±1,±2 (1.1.) Khi s(t) thoả mãn điều kiện (1.1) ở mọi thời điểm t thì s(t) là một tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T ( ở đây T nhận giá trị nhỏ nhất). Nếu không tìm đ−ợc một giá trị hữu hạn của T thoả mãn (1.1) tức là T tiến tới vô cùng ( T→∞) thì s(t) sẽ là u(t) tín hiệu không tuần hoàn. Trong các tín hiệu tuần hoàn Um thông dụng nhất là tín hiệu có dạng 0 t T hình sin (dao động điều hoà ) nh− ở Hình 1.1 Điện áp hình hình 1.1.Dao động này đ−ợc biểu diễn bằng hàm điều hoà: u (t) =Um sin(ωt + ϕ) . (1.2) ở đây Um , ω và ϕ t−ơng ứng là biên độ, tần số góc và pha ban đầu của tín hiệu . Với cách biểu diễn tín hiệu là một hàm của thời gian , tín hiệu đ−ợc chia thành 2 dạng cơ bản là dạng liên a) b) tục ( hay t−ơng tự - u u analog) và dạng rời rạc ( hay tín hiệu xung - t t digital). u c) u Trong thực tế d) th−ờng sử dụng các dạng xung nh− ở hình 1.2 : t t a)xung vuông ,b) xung Hình 1.2.Các dạng xung thông dụng răng c−a, c) xung nhọn đầu,d)xung hình thang 1.2 Một số thông số và đặc tính của tín hiệu. 1.2.1 Phổ của tín hiệu . 5
Một tín hiệu liên tục cũng nh− rời rạc th−ờng gồm nhiều thành phần tần số. Ví dụ nh− tiếng nói của con ng−ời là dao động phức tạp, gồm các tần số âm cơ bản và các thành phần hài có biên độ và các pha khác nhau. Tần số cơ bản của tiếng nói nằm trong khoảng 80 ữ 1200 Hz và do giọng nói quyết định . Để tìm hiêut tín hiệu, ng−ời ta th−ờng biểu diễn sự phụ thuộc biên độ và pha của tín hiệu vào tần số bằng đồ thị . Đồ thị đó gọi t−ơng ứng là phổ biên độ và phổ pha của tín hiệu a)Phổ của tín hiệu tuần hoàn. Nếu tín hiệu s(t) là tuần hoàn với chu kỳ T thoả mãn điều kiện: +∞ ∫s(t)dt < ∞ (1.1) −∞ thì có thể phân tích thành tổng của vô số các dao động điều hoà bằng (công cụ toán ) chuỗi Fourrier dạng: ∞ s(t) = A0 + ∑(a k coskω1t + b k sin kω1 t) = k=1 (1.2) ∞ Ao + ∑Ak cos(kω1t + ϕ K) k=1 +∞ . jkω1t hay s(t) = ∑C K e (1.2)’ k=−∞ Trong đó: 1 T 2 T ⎫ A0 = ∫s(t)dt; a k = ∫s(t)coskω1dt⎪ T 0 T 0 ⎪ 2 T ⎪ b k = ∫s(t)sin kω1dt ⎬ (1.13) T 0 ⎪ 2 2 b k ⎪ AK = a k + b k ; ϕk = −arctg ⎪ a k ⎭ 2π ω = - Tần số góc của sóng cơ bản. k = 1,2,3,4 1 T AK,ϕK -t−ơng ứng là biên độ và pha của sóng hài bậc k. Chuỗi (1.2) gọi là chuỗi Fourrie.Nó còn có thể biểu diễn d−ới dạng phức nh− (1.2)’. Chú ý là ,theo (1.13) thì : nếu s(t) là hàm chẵn các bk sẽ bằng 0 ,nếu s(t) là hàm lẻ thì a sẽ bằng 0 . k . k Trong đó C = C k e gọi là biên độ phức (Chữ CK có dấu chấm phía trên)của sóng hài bậc k , đ−ợc xác định theo biểu thức (1.3) hoặc (1.3)’: 6
T . 2 1 − jkω1t C k = ∫ s(t)e dt T T (1.3)’ 2 Nh− vậy một dao động tuần hoàn có thể phân tích thành U(t) tổng của vô số các dao động U0 điều hoà với các tần số là ω 1 a) và các bội kω của nó ,gọi là 1 t các sóng hài bậc k với biên độ t 9 T là AK và góc pha đầu ϕK. 8 7 Đồ thị Ak(ωk) cho ta phổ 6 biên độ;đồ thị Argument của b)5 4 Ak -tức là ϕk (ωk) cho ta phổ 3 2 pha của tín hiệu.Trong kỹ 1 thuật ng−ời ta th−ờng quan ω 45ω ω 7ω 10ω ω tâm đến phổ biên độ. 1 2ω1 1 1 1 1 Ví dụ xét phổ của dãy Hình 1.3 xung vuông tuần hoàn trên hình 1.3.a.Dãy xung điện áp u(t) này có chu kỳ lặp T=5 àS ,độ rộng của xung là tX=1 àS,độcao của xung là 25 Von.Ta có thể tìm phổ của tín hiệu theo công thức (1.13). hoặc (1.13)’.ở tín hiệu này hàm có dạng không chẵn không lẻ nên tiện hơn là dùng công thức (1.13)’. Tần số cơ bản : 2π 2π ω ω = = =1,25664.106 rad / s =1256 640 rad / s;f = 1 = 200000 Hz 1 T 5.10−6 1 2π −jkω t −jkω t . T tX 1 t 1 X 1 −jkω1t 1 −jkω1t U 0 e X U 0 e − 1 C k = ∫ u(t)e dt = ∫ U 0 e dt = = = T 0 T 0 T − jkω1 0 T − jkω1 kω t kω t kω t kω t kω t j 1 X −j 1 X j 1 X −j 1 X −j 1 X U 1 − e −jkω1tX U e 2 (1 − e −jkω1tX )e 2 U (e 2 − e 2 )e 2 0 = 0 = 0 = T jkω1 T jkω1 T jkω1 kω1tX kω1tX j −j kω t kω t 2U (e 2 − e 2 ) −j 1 X 2U kω t −j 1 X 0 e 2 = 0 sin( 1 X )e 2 Tkω1 2j Tkω1 2 Ta nhận đ−ợc công thức chung cho phổ đ−ợc viết ở dạng tổng (1.12)’. 7
t 2U sin(kω X ) 0 1 2 Theo công thức vừa nhận đ−ợc ta có phổ biên độ là C k = ;phổ Tkω1 t pha là ϕ = −kω X .Ta quan tâm đến phổ biên độ : K 1 2 Theo công thức(1.13)’ thì : ∞ . ∞ ∞ jkω1t jϕk jkω1t j(kω1t+ϕk ) s(t) = ∑C k e = ∑C k e e = ∑C k e . k=−∞ k=−∞ k=−∞ Biểu thức này triển khai theo công thức Ơle với k=0, ± 1 , ± 2 ,± 3 ta thấy phần hàm sin bị triệt tiêu,chỉ còn phần hàm cosin gấp 2 lần nên biên độ: A0=C0, A1=2C1, A2=2C2 Ak=2Ck. sin x Thành phần C0 phải đ−ợc tính khi đ−a về dạng hàm lim : x→0 x t t 2U sin kω X sin kω X 0 1 2U t 1 2U t U t C = 2 = 0 X 2 = 0 X = 0 X 0 Tkω T 2 t T 2 k = 0 T 1 kω X 1 2 Khi k≠0 biểu thức trên đ−ợc tính : 2U t 2U 2π t U t C = 0 sin(kω X ) = 0 sin(k X ) = 0 sin(kπ X ) k Tkω 1 2 2π T 2 kπ T 1 Tk T Theo số liệu cho trên tX/T=1/5=0,2 nên 7,958 C = 25.0,2 = 5;C = sin(0,2kπ) 0 k k Kết quả phổ biên độ trong bảng 1.1. Bảng 1.1 k 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C k 5 4,677 3,784 2,223 1,169 0 -0,779 -1,081 - - 0 0,946 0,519 Ak 5 9,354 7,568 4,443 2,238 0 -1,558 -2,162 - - 0 1,892 1,038 IAkI 5 9,354 7,568 4,443 2,238 0 1,558 2,162 1,892 1,038 0 Hình 1.3 là ví dụ phổ của một tín hiệu tuần hoàn.Chúng gồm những vạch nên ng−ời ta gọi là phổ vạch hoặc phổ tuyến tính.Từ đó ta cũng thấy là với những sóng hài bậc càng cao thì biên độ càng giảm. b)Phổ của tín hiệu không tuần hoàn. Khi tín hiệu s(t) là không tuần hoàn thì ng−ời ta biểu diễn nó bằng tích phân Fourrier nh− sau: 8
. 1 +∞ jωt s(t)= ∫ G(jω)e dω (1.4) 2π −∞ . Trong đó hàm S (jω) đ−ợc xác định: . ⋅ ∞ − j ω t . S (j ω ) = ∫ s(t) e dt (1.5) − ∞ . Ta xét ý nghĩa của hàmS (jω): Biểu thức (1.4) cho ta thấy tín hiệu s(t) là tổng của vô số các dao động diều hoà với biên độ phức vô cùng bé là : . 1 . d A = S(jω)dω (1.6) 2π Từ (1.6) ta đ−ợc: . ⋅ 1 d A S ( j ω ) = (1.7) 2 π d ω . Quan hệ (1.7) cho thấy S (jω) là mật độ của biên độ phức . . Đồ thị modun và Argument của S (jω) cho ta phổ biên độ và phổ pha của tín hiệu. Ví dụ,tìm phổ của xung vuông hình 1.4a biểu diễn phổ của một xung vuông có thời gian tồn tại từ 0 đến tX với S(ω) b) độ cao h. s(t) a) −jωt h . tX e x −1 S = ∫ he−jωt dt = h 0 − jω ωtx ωtx 0 t t j −j ωt X 2π 2 2 −j x ω e − e 2 t = h2 e x 2jω Hình 1.4 a) xung vuông và b) dạng phổ của nó ωt x ωt x sin ωt sin ωt t −j x −j x = 2h x 2 e 2 = S 2 e 2 2 ωt x ωt x 2 2 Trong đó S=h.tx là diện tích của xung. t sinω x Phổ biên độ là hàm I S(jω)I =S 2 có dạng hình 1.4.b. t ω x 2 Nh− vậy phổ biên độ cho ta hình ảnh phân bố của biên độ theo tần số . 1.2.2 Trị số trung bình của tín hiệu 9
Khi truyền tín hiệu trên đ−ờng truyền thì thời gian tồn tại của tín hiệu là thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng. Nếu tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 thì trị số trung bình của tín hiệu đ−ợc tính theo công thức: 1 t 2 s(t) = st(). dt (1.8) Tb tt− ∫ 21t1 1.2.3.Năng l−ợng, công suất và trị hiệu dụng của tín hiệu. + Năng l−ợng Ws của tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 đ−ợc xác định nh− sau : t 2 2 WS = ∫ s ( t ) .dt (1.9) t 1 + Công suất trung bình Ptb tính theo công thức : t 2 1 2 W S Ptb = ∫ s ( t ) .dt = (1.10) t 2 − t 1 t − t t 1 2 1 + Trị số hiệu dụng Shd của tín hiệu xác định theo biểu thức (1.11): t 2 1 2 Shd = ∫ s ( t ). dt (1.11) t − t 2 1 t 1 1.2.4. Dải động của tín hiệu. Dải động của tín hiệu đặc tr−ng cho mức của c−ờng độ tín hiệu tác động lên thiết bị. Nó là tỷ số giữa trị số cực đại và cực tiểu của công suất tín hiệu tính bằng dexibel(dê-xi-ben - db): 2 S (t) max S (t) max Ddb = 10 lg 2 = 20 lg (1.12) S (t) min S (t) min 1.3. Các hệ thống điện tử thông dụng Ngày nay khó có thể tìm thấy một lĩnh vực hoạt động của con ng−ời mà ở đó không có sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp của các thiết bị điện tử. Một hệ thống điện tử nh− vậy đ−ợc thiết kế để giải quyết một hoặc nhiều chức năng nh− truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực hiện tính toán, đo đạc, điều khiển tự động vv Có thể dựa vào những đặc điểm chung nhất để phân chia các hệ thống điện tử thành hai dạng : - Hệ thống hở, trong đó thông tin chỉ truyền đi theo một chiều nhất định . - Hệ thống kín thì ng−ợc lại, thông tin truyền theo cả hai chiều và chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt ở đây là thông tin truyền theo chiều ng−ợc có vai trò quyết định đ−a hệ thống kín đến một trạng thái làm việc tối −u. Theo chức năng xử lý tín hiệu ta có thể chia các hệ thống điện tử thành ba loại nh− sau : 1.3.1.Hệ thống thông tin quảng bá. Đây là hệ thống kinh điển, kể từ thửa sơ khai của kỹ thuật điện tử cho đến nay nó vẫn tiếp tục phát triển để phục vụ con ng−ời trao đổi tin tức, số liệu, hình 10
ảnh Ngày nay ta thấy có thể nối mạng thông tin viễn thông, mạng internet trên toàn cầu để phục vụ trao đổi một l−ợng thông tin khổng lồ trong mọi lĩnh vực chính trị, đời sống văn hoá, kinh tế, nghiên cứu khoa học, quân sự Hình 1.5 là sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quảng bá. Nguồn tin tức (mệnh lệnh, bài ca, hình ảnh ) qua thiết bị biến đổi đ−ợc biến đổi thành tín hiệu điện tần số thấp. Ta gọi tín hiệu này là tín hiệu sơ cấp. Muốn truyền đ−ợc tín hiệu sơ cấp đi cần phải có đối t−ợng truyền. Trong kỹ thuật vô tuyến điện đối t−ợng này là một dao độngđiều hoà có có tần số cao làm nhiệm vụ tải tin nên gọi là dao động tải tin hoặc sóng mang fo . Muốn sóng mang tải đ−ợc tín hiệu sơ cấp đi cần phải “trộn” tín hiệu sơ cấp vào tải tin. Quá trình “trộn”, tức là quá trình cho tín hiệu sơ cấp tác động vào một tham số nào đó của tải tin, bắt tham số đó phải biến thiên theo quy luật Nguồn Bộ biến Kh.đại Điều chế tin đổi phát Dao động Máy phát Môi sóng mang tr−ờng Nhiễu Dao động truyền ngoại sai tin Tách Kh.đại Nhận tin Đổi tần sóng trung tần Kh.đại Mạch Máy thu cao tần vào Hình 1.5.Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quảng bá của tín hiệu sơ cấp,gọi là quá trình điều chế(modulation). Sản phẩm của quá trình điều chế là dao động cao tần biến điệu theo dạng tín hiệu sơ cấp,gọi là tín hiệu đã đ−ợc điều chế hoặc tín hiệu vô tuyến điện(tín hiệu VTĐ). Tín hiệu này đ−ợc khuếch đại cho đủ lớn để phát vào môi tr−ờng truyền tin. Môi tr−ờng là không gian thì thông tin là vô tuyến điện, môi tr−ờng là đ−ờng dây - thông tin hữu tuyến điện. ở môi tr−ờng truyền tin ngoài tín hiệu còn có các dao động điện từ khác ta gọi chung là nhiễu. Tại máy thu tín hiệu cần thu có tần số fth từ ăng ten hoặc đ−ờng dây đ−a đến mạch vào để loại bớt nhiễu rồi vào khuếch đại cao tần. Khuếch đại cao tần chỉ khuếch đại khoảng chục lần rồi đ−a vào bộ trộn để trộn với dao động nội bộ tần số fng ( còn gọi là dao động ngoại sai) để lấy ra tần số trung tần ftt ( th−ờng ftt = fng - fth ).Tần số trung tần là tần số cố định nên khi tần số cần thu fth thay đổi thì tần số ngoại sai fng cũng phải thay đổi theo. Vì dải tần số trung tần cố định nên khuếch đại trung tần dễ dàng thực hiện với hệ số khuếch đại lớn, và độ chọn lọc (lọc nhiễu) cao. . Sau khuếch đại trung tần tín hiệu đ−ợc tách sóng (giải điều chế -demodulation) tức quá trình nh−ợc lại với 11
quá trình điều chế để nhận đ−ợc tín hiệu sơ cấp.Tín hiệu này đ−ợc khuếch đại để đ−a đến bộ nhận tin. Toàn bộ các thiết bị nằm trên đ−ờng truyền từ nguồn tin đến nơi nhận tin lập thành một kênh thông tin.Kênh thông tin có thể là một chiêù hoặc hai chiều,có thể là h−ũ tuyến hoặc vô tuyến hoặc kết hợp. Hệ hthống thông tin quảng bá xây dựng theo sơ đồ khối hình1.5 có những đặc điểm sau: -Đặc điểm thứ nhất : đó là hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin không thể tác động trở lại nơi phát tin. Chất l−ợng truyền tin có trung thực, chính xác hay không thì nơi phát không thể nhận biết đ−ợc. Để nâng cao chất l−ợng truyền tin cần nâng cao chất l−ợng của thiết bị thu và thiết bị phát độc lập nhau. - Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn ra ở máy phát còn quá trình tách sóng ở máy thu là hai quá trình ng−ợc nhau nhằm tạo ra tín hiệu vô tuyến và tách tin tức từ tín hiệu vô tuyến. -Đặc điểm thứ ba là: trong môi tr−ờng truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động (nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu do các đài phát khác tạo nên ) nên việc khắc phục nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật khác nhau để tăng chất l−ợng thông tin là vấn đề rất quan trọng. -Đặc điểm thứ t− là: phải giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với từng loại kênh thông tin. Đó là các vấn đề cần đ−ợc lựa chọn tối −u :vấn đề dạng điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách và môi tr−ờng truyền tin, chất l−ợng máy thu ,giá thành sản phẩm 1.3.2.Hệ thống đo l−ờng điện tử: Đại đa số các đại l−ợng vật lý cần đo trong mọi ngành kỹ thuật ( đo nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động vật thể, tốc độ vòng quay, nồng độ hạt, nồng độ dung dịch,theo dõi nhịp tim ) ngày nay th−ờng là thiết bị đo điện tử. Sơ đồ khối rút gọn của thiết bị đo điện tử có dạng nh− ở hình 1.6 Bộ biến đổi đầu vào(các bộ cảm nhận-còn gọi là senser hay datchic) có nhiệm vụ biến đổi tham số của đại l−ợng vật lý cần đo về dạng tín hiệu điện. Tín hiệu mang thông tin về đại l−ợng vật lý này đ−ợc gia công xử lý để kích thích cho thiết bị chỉ thị. Trong các thiết bị đo ngày Đại l− ợng Bộ biến Gia công Thiết bị nay ta thấy nổi cần đo- đổi đầu vào tín hiệu hiển thị nguồn tin lên mấy đặc điểm sau : Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống đo l−ờng điện tử Thứ nhất: Sự can thiệp bất kỳ của một thiết bị đo nào vào đối t−ợng cần đo đều làm cho đối t−ợng cần đo không còn đứng cô lập với thông số thực cần biết nữa, nghĩa là đã có sự sai lệch thông tin tự nhiên do thiết bị đo làm biến đổi thông số của đối t−ợng. 12
Thứ hai: Mọi cố gắng tăng độ chính xác của phép đo th−ờng làm tăng tính phức tạp, giá thành của thiết bị; đồng thời sẽ có những nguyên nhân sai số mới cần đ−ợc quan tâm. Bộ biến đổi đầu vào ( gọi là các cảm biến-sensor hay datchic ) là khâu quyết định độ nhạy, độ chính xác của phép đo. Thứ ba: Thiết bị đo có thể xây dựng theo nguyên tắc t−ơng tự (analog) hoặc số (digital) tuỳ theo yêu cầu về mức chính xác. Các thiết bị đo l−ờng số có độ chính xác cao và cho phép nối ghép trực tiếp thiết bị đo với hệ thống xử lý số liệu và l−u giữ thông tin đó. Với mỗi loại nguyên tắc nêu trên đều có thể áp dụng một trong hai ph−ơng pháp: đo trực tiếp ( trực tiếp biến đổi đại l−ợng cần đo để khôi phục giá trị đo từ thông số đầu vào ) hoặc gián tiếp bằng cách so sánh với một mẫu chuẩn trong máy đo. Thứ t−: Trong thực tế th−ờng phải đo cùng một lúc nhiều thông số của một quá trình, khi đó cần có nhiều bộ cảm biến đầu vào t−ơng ứng làm việc chung với cùng một kênh xử lý, gia công thông tin thu đ−ợc từ một khối chỉ thị nhờ một bộ điều khiển để phân chia kênh và điều chỉnh tốc độ đo. Ngày nay trong nhiều máy đo ng−ời ta sử dụng bộ vi xử lý trung tâm với những ch−ơng trình đã đ−ợc cài đặt sẵn để tự động thực hiện các phép đo. 1.3.3.Hệ thống tự động điều chỉnh và tự động ổn định. Đây là một hệ thống kín đ−ợc sử dụng rất rộng rãi trong các hệ tự động điều chỉnh một hoặc vài thông số trong một quá trình. ở đây có đ−ờng tín hiệu ng−ợc phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh. Ví dụ xét sơ đồ khối của một hệ tự động khống chế nhiệt độ nh− trên hình 1.7 Nhiệt độ của đối t−ợng cần theo dõi ( ví dụ nh− lò nung hoặc lò ấp trứng gà chẳng hạn ) đ−ợc biến đổi thành tín hiệu điện Ux thông qua bộ biến đổi rồi đ−ợc so sánh với giá trị chuẩn Uch ứng với một mức nhiệt độ nhất định. Tại bộ so sánh hai tín hiệu Ux và Uch đ−ợc so sánh với nhau để cho ra kết quả: Nếu độ sai lệch bằng “0” thì đối t−ợng đang ở trạng thái “chuẩn” nên không cần 0 0 t x t x → Ux Uchuẩn Đối t−ợng Bộ biến Bộ Tạo tín hiệu cần khống chế đổi so sánh chuẩn Khuếch đại Cơ cấu Hiển thị sai lệch kết quả . chấ p hành ∆U = Ux - Uchuẩn Hình 1.7 Sơ đồ khối của một hệ tự động khống chê đối t−ợng đo điều chỉnh, nghĩa là nhánh phản hồi không hoạt động ( nhiệt độ đo bằng nhiệt độ chuẩn) . 13
0 -Nếu độ sai lệch khác“0”và có giá trị d−ơng tức là ∆U = Ux - Uch > 0 ( tức là t x 0 >t ch , nhiệt độ đo lớn hơn nhiệt độ chuẩn) thì sai lệch ∆U đ−ợc khuếch đại và tác 0 động vào cơ cấu chấp hành điều chỉnh t x theo h−ớng giảm để đạt đ−ợc ∆U = 0. - Nếu độ sai lệch có giá trị âm, tức là ∆U = Ux - Uch < 0 thì quá trình diễn ra sẽ ng−ợc lại Qua ví dụ trên ta thấy một hệ thống điện tử tự động điều chỉnh có các đặc điểm sau: 1. Luôn xảy ra quá trình thông tin hai chiều với sự tham gia của một hoặc nhiều vòng phản hồi để liên tục theo rõi đối t−ợng nhằm ổn định một hoặc vài thông số của nó trong một vùng hạn định. 2. Mức độ chính xác của quá trình phụ thuộc vào bộ biến đổi, bộ so sánh, độ chính xác của nguồn tín hiệu chuẩn cũng nh− cơ cấu chấp hành. Nh− vậy hệ thống phản hồi cùng quyết định chất l−ợng của cả hệ thống. 3. Việc điều chỉnh có thể diễn ra liên tục ( analog) hoặc gián đoạn theo thời gian (digital) để đạt đ−ợc giá trị trung bình mong muốn. Ph−ơng pháp digital tỏ ra có nhiều −u điểm hơn ph−ơng pháp analog. 1.4.Các dạng tín hiệu điều chế Nh− phần trên đã nêu, trong hệ thống thông tin quảng bá cần có quá trình điều chế. Không những chỉ trong hệ thông tin vô tuyến điện cần có điều chế mà đôi khi ngay trong các hệ máy đo l−ờng, hệ tự động điều chỉnh cũng cần điều chế tín hiệu.ở ở đây ta xét sơ l−ợc về các dạng tín hiệu điều chế.Dùng tín hiệu sơ cấp ký (hiệu là sΩ(t) ) điều chế sóng mang u0(t) là dao động điều hoà tần số cao, ta có ba cách: điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha, cho t−ơng ứng ba tín hiệu là tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần và tín hiệu điều pha. 1.4.1 Tín hiệu điều biên AM(Amplitude Modulation) Để có đ−ợc tín hiệu điều biên ta cho tín hiệu sơ cấp uΩ(t) tác động lên biên độ của sóng mang u0(t), bắt biên độ của sóng mang biến thiên theo quy luật của hàm sơ cấp uΩ(t). Để đơn giản ta coi uΩ(t) là một dao động hình sin đơn âm (là một tần số âm thanh) đồ thị hình 1.8a. uΩ(t)=UΩmcos (Ωt+ϕΩ) (1.13) Dao động sóng mang là: u0(t) = U0m cos (ωot + ϕ0 ) = Uom cos(2πf0 + ϕ0 ) (1.14) Trong đó U0m, ωo, f0 và ϕ0 t−ơng ứng là biên độ, tần số góc, tần số và pha ban đầu của dao động sóng mang u0(t)( hình 1.8b). Tín hiệu điều biên sẽ có biểu thức: uđb(t) = [U0m + hsΩ(t) ] cos(ωot + ϕ0 ) ⎡ ⎤ = hu Ω (t ) U 0 m ⎢1 + ⎥ cos( ω 0 t + ϕ 0 ) ⎣ U 0 m ⎦ Thay uΩ(t) = UΩmcos (Ωt + ϕΩ) vào biểu thức trên ta có : 14
⎡ ⎤ hU Ω m db ( ) = + cos( Ω + Ω ) cos( ω + ϕ ) u t U 0 m ⎢ 1 t ⎥ 0 t 0 ⎣ U 0 m ⎦ =U0m[1+mđbcos( Ωt +ϕΩ)] cos (ω0t +ϕ0) (1.15) Trong biểu thức trên h là một hằng số, biểu hiện mức độ thâm nhập của tín h .U Ω m hiệu sơ cấp vào sóng mang(phụ thuộc vào mạch điều biên); m db = U 0 m gọi là độ sâu hoặc chỉ số điều biên. Để tách sóng không bị méo thì o≤ mđb ≤ . Biểu thức (1.15) cho phép ta biểu diễn tín hiệu điều biên nh− đồ thị hình 1.8c. Từ đồ thị ta thấy biên độ của tín hiệu điều biên biến đổi theo quy luật của tín hiệu sơ cấp và tin tức chứa trong đ−ờng bao của tín hiệu điều biên. Biểu thức (1.15) có thể biến đổi về dạng: m U u (t) = u cos(ω t + ϕ ) + db 0m cos[(ω + Ω)t + ϕ + ϕ ] db 0m 0 0 2 0 0 Ω m U + db 0m cos[(ω + Ω)t + ϕ + ϕ ] (1.16) 2 0 0 Ω sΩ(t) Biểu thức (1.16) cho ta thấy trong tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành phần thứ a) t nhất là sóng mang tần số góc ω0, biên độ U0m ,thành phần thứ hai có tầnn số góc u 0(t) mdbU (ω + Ω) biên độ 0m gọi là biên 0 2 b) t trên,thành phần thứ ba -biên d−ới có tần số góc (ω - Ω) và biên độ cũng là Đ−ờng bao của tín 0 u (t) m U đb db 0m . Hai biên trên và d−ới có mang 2 c) tin ( chứa tần số Ω ) nh−ngcó biên độ nhỏ t hơn một nửa tải tin U0m ( vì mđb ,≤ 1). Phổ của tín hiệu điều biên đơn âm có dạng nh− ở hình 1.9.a Hình 1.8 Đồ thị mô tả nguyên lý điều biên 15
Tr−ờng hợp tín hiệu sơ cấp không phải chỉ là một tần số Ω mà là một giải tần số từ Ωmin đến Ωmax (tức từ FminữFmax thì phổ của nó sẽ gồm sóng mang, một giải biên trên[ωo+(Ωmin ữΩmax)] và một giải biên d−ới[ωo-(Ωmin ữΩmax)] nh− ở hình 1.9b . Lúc đó bề rộng của phổ tín hiệu điều biên là : ∆ωđb= [ωo+Ωmax)] -[ωo-Ωmax)] = 2Ωmax hay Uom ∆f =2F (1.17) mbU mbU đb max 0m 0m Trong tín hiệu điều biên 2 2 (1.16) nếu loại bỏ đi thành phần a) sóng mang thì sẽ đ−ợc tín hiệu điều biên cân bằng;còn nếu loại 0 ωo- Ω ωo ωo+ Ω ω bỏ thêm một biên,chỉ còn lại một biên thì đ−ợc tín hiệu đơn biên. 1.4.2 Tín hiệu điều tần FM và b) điều pha. ωo- Ωmax ωo- Ωmin ωo ωo+ Ωmin ωo+ Ωmax Tín hiệu điều tần có tần số biến thiên theo quy luật của tín Hình 1.9 Phổ của tín hiệu điều biên hiệu sơ cấp, tức là nếu ωo là tần số của sóng mang thì tần số của tín hiệu điều tần sẽ là ω = ωo + h.uΩ(t). Pha tức thời ϕ(t) của tín hiệu điều tần là ϕ(t) = ∫ ω .dt Biểu thức của tín hiệu điều tần sẽ có dạng: uđt(t) = U0mcosϕ(t) = U0m cos[ω0t + h ∫ uΩ (t) dt+ϕ0 ]. Trong tr−ờng hợp uΩ(t) là đơn âm nh− (1.13) thì ta có : dt u = U 0 m cos( ω0t + h ∫ U 0 m cos Ωt dt +φ 0 ) hU0 m =U cos ωot+ sin Ωt+ 0 0 m []Ω (1.18) = U 0 m cos[]ω 0 t +m dt sin Ωt + φ 0 Trong đó mđt là độ sâu hoặc chỉ số điều tần. Hình 1.10b biểu diễn đồ thị của một dao động điều tần khi tín hiệu điều chế là đơn âm (h1.10a).Tín hiệu điều tần hình 1.10.b có tần số biến thiên theo giá trị tức thời của tín hiệu hình 1.10.a 16
Biểu thức của tín hiệu điều pha có u Ω (t) dạng a) uđf = U0mcos[ω0t + h.uΩ(t) + ϕo ] (1.19) Nếu uΩ(t) là đơn âm nh− (1.13) thì uđf(t) = U0mcos [ω0t + h uΩ(t) + ϕ0]= t U0mcos [ω0t + m đf cosΩt + ϕ0] b) (1.20) uđt (t) Trong đó mđf = hUΩm gọi là độ sâu hoặc chỉ số điều pha. Ta biết rằng tần số và pha có quan hệ chặt chẽ với nhau nên điều pha sẽ làm cho tần số biến thiên và t ng−ợc lại điều tần làm cho pha biến thiên. Hình 1.10.a) Tín hiệu đơn âm Nh− vậy, ở tín hiệu điều tần và điều pha thì tin tức nằm trong sự biến b) Tín hiệu điều tần đơn âm thiên của tần số và pha của tín hiệu đã đ−ợc điều chế. Cuối cùng cần nhấn mạnh thêm một đặc điểm quan trọng của các tín hiệu điều chế là : ở tín hiệu điều biên công suất của nó phụ thuộc vào độ sâu điều chế, còn ở tín hiệu điều tần thì độ sâu điều chế không quyết định công suất. Nghĩa là ở tín hiệu điều tần khi có điều chế cực đại hoặc không có điều chế công suất vẫn nh− nhau.Tuy nhiên có sự phân bố lại năng l−ợng giữa các thành phần tần số trong quá trình điều chế. 1.5.phân loại sóng vô tuyến điện theo tần số và đặc điểm của quá trình truyền sóng 1.5.1.Phân loại sóng vô tuyến điện. Sóng vô tuyến điện là dao động điện từ đ−ợc truyền đi trong không gian với tốc độ của ánh sáng (C = 3.108m/s). Sóng vô tuyến đ−ợc bức xạ từ các đài phát sóng cao tần. Ng−ời ta th−ờng phân loại sóng vô tuyến theo b−ớc sóng (hoặc tần số ) của sóng mang. B−ớc sóng λ là khoảng cách mà sóng đi đ−ợc trong một khoảng thời gian bằng một chu kỳ của dao động. B−ớc sóng λ th−ờng tính bằng mét, centimet, milimet. Bảng 1.1 Bảng phân loại sóng vô tuyến điện Số Dải Sóng B−ớc Tần số Lĩnh vực sóng TT Tên Tên riêng λ f ứng dụng chung 17
1 Sóng Sóng siêu 100ữ10Km 3 ữ 30 Khz Thông tin dài dài 10 ữ 1km 30ữ 300Khz phát thanh ,vô (LW) Sóng dài tuyến định vị 2 Sóng Sóng trung 1kmữ100m 300khzữ3 Thông tin liên trung Mhz lạc phát thanh, (MW) VT định vị 3 Sóng Sóng ngắn 100m ữ 10m 3 ữ 30 Mhz Thông tin liên ngắn lạc,phát thanh (SW ) 4 Sóng Sóng met Phát thanh 10 ữ1m 30 ữ 300Mhz cực FM, thông tin ngắn Sóng liên lạc , Ra đa, (SCN) đêximet 1m ữ 1dm truyền hình ,VT Sóng 300Mhzữ3Ghz định vị centimet 10 ữ 1cm 3 ữ 30 Ghz Sóng milimet 10 ữ 1mm 30ữ300Ghz Tần số của sóng đ−ợc tính bằng Hz, Khz = 103 Hz, Mhz = 106 Hz, Ghz =109 Hz , Thz = 1012 Hz. Độ dài b−ớc sóng λ và tần số liên hệ với nhau theo công thức: 300000000 300 λ[m] = = (1.21) f [hz] f [Mhz] Sóng vô tuyến nằm trong các dải tần số khác nhau có những đặc điểm khác nhau và cũng đ−ợc ứng dụng với các mục đích khác nhau. Có thể phân chia một cách t−ơng đối các sóng vô tuyến theo bảng sau1.1. 1.5.2.Cấu tạo của môi tr−ờng truyền sóng. Môi tr−ờng truyền sóng là không gian bao quanh trái đất, tức là bầu khí quyển của trái đất. Lớp khí quyển có độ cao tính từ mặt đất khoảng 2000 ữ 3000km, trong đó chứa các hỗn hợp khí chủ yếu là Nitơ, hyđrô, ôxy và hơi n−ớc. Khí quyển đ−ợc chia thành nhiều tầng, trong đó mỗi tầng ảnh h−ởng đến quá trình truyền sóng khác nhau. + Tầng đối l−u: Là tầng khí quyển thấp nhất có chứa đủ các thành phần khí nêu trên. Tầng này có độ cao từ 10 ữ 18km + Tầng bình l−u: Tầng bình l−u nằm trên tầng đối l−u, thành phần chủ yếu của nó là hơi n−ớc và hầu nh− nó không ảnh h−ởng đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện + Tầng điện ly: Tầng điện ly nằm trên tầng bình l−u nó đóng vai trò quyết định trong việc truyền sóng vô tuyến điện, đặc biệt với sóng trung và sóng ngắn. 18
Do tác dụng của các tia mặt trời, tia vũ trụ các chất khí bị ion hoá làm xuất hiện các hạt điện tích d−ơng và âm. Tuỳ theo mật độ của các hạt mang điện mà ng−ời ta chia tầng điện ly ra làm nhiều lớp: • Lớp D là lớp thấp nhất có độ cao khoảng 90km, là lớp chỉ xuất hiện ban ngày khi c−ờng độ tia mặt trời mạnh. • Lớp E ở độ cao 130km • Lớp F ở độ cao trên 130km. Vào ban ngày của mùa hè c−ờng độ tia mặt trời rất mạnh nên lớp F lại chia thành hai lớp con là F1 và F2. Lớp con F1 ở độ cao khoảng 200 km, F2 - 400 km. Từ lớp D đến lớp F mật độ của các hạt mang điện tăng dần. Các tầng khí quyển nằm trên tầng điện ly có mật độ rất loãng nên hầu nh− không ảnh h−ởng đến quá trình truyền sóng vô tuyến điện. 1.5.3.Các ph−ơng pháp truyền sóng. Hình 1.11 mô tả sơ l−ợc các ph−ơng pháp truyền sóng cơ bản. -Đ−ờng 1 là sóng đất, sóng này lan truyền sát bề mặt trái đất. -Đ−ờng 2 là truyền trực tiếp, sóng này truyền thẳng theo đ−ờng “ chim bay” từ trạm phát đến trạm thu. -Đ−ờng 3 là truyền qua tầng điện ly, sóng này truyền nhờ hiện t−ợng phản xạ nhiều lần và theo các đ−ờng khác nhau giữa các tầng điện ly và mặt đất. -Đ−ờng 4 là đ−ờng truyền qua vệ tinh viễn thông. +Sóng dài ít bị mặt đất hấp thụ và có khả năng uốn cong theo hình dáng bề mặt của trái đất, vì vậy ng−ời ta th−ờng dùng sóng đất để truyền sóng dài.Đặc biệt ở những vùng hàn đới, ôn đới việc truyền sóng đất rất ổn định nên có thể dùng cho mục đích thông tin, phát thanh. Sóng có thể truyền xa tới 3000km. Tuy nhiên nh−ợcđiểm của cách truyền sóng này là công suất phải lớn, ăng ten thu- phát phải cao. + Sóng trung có thể truyền theo hai cách: Hoặc sóng đất hoặc sóng điện ly ( còn gọi là sóng trời ). Ban ngày sóng trung đ−ợc truyền bằng sóng đất, b−ớc sóng càng dài thì khoảng cách truyền càng xa ( có thể truyền đạt tơí 3000km). Ban ngày không truyền theo sóng điện ly vì tồn tại lớp D có khả năng hấp thụ sóng 4 e Sa it te ll lli te te a 3 S 4 4 3 3 3 1 2 Comm. Tower Mặt trái đất Satellite dish Satellite dish Comm. Tower Comm. Tower Hình1.11.Các dạng đ−ờng truyền sóng trung rất mạnh, b−ớc sóng càng dài thì sự hấp thụ sóng càng tăng. Ban đêm 19
không có lớp D nên sóng trung có thể truyền bằng cả sóng đất và sóng trời. Sóng điện ly có cự ly truyền rất lớn nên về đêm sóng trung có khả năng truyền đi rất xa. + Sóng ngắn đ−ợc truyền chủ yếu bằng sóng điện ly. Nếu chọn b−ớc sóng thích hợp thì sóng sẽ phản xạ từ tầng điện ly, phần bị tầng điện ly hấp thụ là không đáng kể nên sóng sẽ phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và bề mặt trái đất. Do vậy, ta có thể thực hiện đ−ợc thông tin giữa hai điểm bất kỳ của trái đất nếu ta chọn b−ớc sóng thích hợp. B−ớc sóng thích hợp là b−ớc sóng nhỏ hơn b−ớc sóng giới hạn λgh ( λ < λgh). Nếu chọn b−ớc sóng lớn hơn b−ớc sóng giới hạn thì sẽ phản xạ kém từ tầng điện ly, còn nếu chọn lớn hơn quá nhiều thì sóng sẽ không phản xạ từ tầng điện ly. B−ớc sóng giới hạn λgh phụ thuộc vào mật độ của các hạt mang điện của tầng điện ly, do đó b−ớc sóng giới hạn sẽ biến đổi theo mùa, ngày và đêm. Th−ờng ban ngày truyền sóng có b−ớc sóng nằm trong khoảng 10ữ25 m, ban đêm 35 ữ 50 m là tốt nhất. Do sóng điện ly từ điểm phát đến điểm thu phản xạ theo nhiều đ−ờng khác nhau nên pha của sóng đến điểm thu sẽ khác nhau. Nếu các sóng đó ng−ợc pha nhau thì chúng sẽ triệt tiêu nhau làm cho biên độ giảm, nếu chúng đồng pha thì biên độ tăng. Do vậy biên độ của tín hiệu thu đ−ợc lúc tăng lúc giảm một cách ngẫu nhiên. Hiện t−ợng đó ng−ời ta gọi là hiện t−ợng pha đinh. Hiện t−ợng pha đinh là nh−ợc điểm chính của sóng điện ly. + Sóng cực ngắn không phản xạ từ tầng điện ly mà cũng không uốn cong theo bề mặt của trái đất nên chỉ có thể truyền thẳng. Nghĩa là điểm thu và điểm phát (đỉnh ăng ten ) phải “nhìn” thấy nhau. Vì mặt của trái đất cong nên thực tế thông tin chỉ thực hiện đ−ợc ở cự ly 50 ữ 60 Km. Muốn truyền đ−ợc xa hơn phải chuyển tiếp trung gian qua các trạm ở mặt đất hoặc vệ tinh địa tĩnh. 1.6 .Sơ l−ợc về lọc tần số : Khi phân tích các loại tín hiệu ta thấy có loại phổ của nó gồm hữu hạn các thành phần tần số (ví dụ tín hiệu điều biên AM) hoặc có các loại phổ là vô số các thành phần tần số nh−ng năng l−ợng chủ yếu vẫn tập trung trong một dải tần số hạn hẹp (ví dụ tín hiệu điều tần FM). Một trong những công việc quan trọng trong quá trình xử lý tín hiệu trong các máy điện tử là lọc lấy tần số hữu ích, loại bỏ các tần số có hại. Chức năng đó đ−ợc thực hiện bởi các mạch lọc điện hay đơn giản gọi là các mạch lọc. 1.6.1. Khung cộng h−ởng đơn . Một mạch lọc đơn giản nhất là một khung cộng h−ởng đơn gồm một điện cảm L, một điện dung C và một điện trở R nh− hình 1.12a. Vì các mạch lọc phức tạp hơn th−ờng đ−ợc xây dựng từ mạch đơn giản này nên ta xét quá trình vật lý diễn ra ở đó. Trong hầu hết các tr−ờng hợp một điện trở R th−ờng không mắc vào mạch mà là điện trở tổn hao trong mạch bao gồm điện trở tổn hao của cuộn cảm L, của chất điện môi trong tụ C và của các dây nối. 20
Đầu tiên ta xét khung cộng h−ởng LC lý t−ởng không tổn hao (R=0 ) hình 1.12b. Giả sử tr−ớc khi đóng khoá K năng l−ợng đ−ợc nạp cho tụ C (ở dạng điện tr−ờng ) bởi điện áp UCmax , tức là năng l−ợng điện tr−ờng tích trong tụ C là 2 U max 1 2 W = C E 2 Khi khoá K bật về vị trí 1 L L thì tụ C bắt đầu phóng điện R C E sang điện cảm L, điện cảm L C nạp điện năng d−ới dạng từ tr−ờng bằng dòng điện iL tăng Hình 1.12 .a)Khung cộng h−ởng có tổn hao dần. Dòng đạt giá trị cực đại b)Khung cộng h−ởng lý t−ởng Ilmaxđúng vào lúc tụ C vừa phóng hết, nghĩa là toàn bộ năng l−ợng tụ C đ−ợc chuyển sang điện cảm L. Năng l−ợng từ tr−ờng của điện cảm lúc này là cực đại có giá trị : I 2 W = L max L 2 Tiếp tới là điện cảm phóng điện bằng dòng iL giảm dần cho đến khi tụ C có điện áp Ucmax nh−ng có dấu ng−ợc với dấu khởi đầu. Quá trình phóng nạp qua lại giữa tụ điện và điện cảm diễn ra theo một quy trình xác định,đặc tr−ng bởi ph−ơng trình vi phân sau : d 2 u u d 2 u c + c = 0 hay c + ω u = 0 (1.22) dt 2 LC dt 2 r c (1.22) là ph−ơng trình của dao động điều hoà .Nghiệm của nó có dạng : uC (t) = U Cmcos 2πfr t (1.23) T−ơng tự ta tìm đ−ợc quy luật biến thiên của dòng điện: iL(t) = Ilmsin2πfr t (1.24) UCm, ILm là biên độ của điện uC(t) áp uc(t) và dòng điện iC(t)=iL(t). uc ic Đồ thị biểu diễn độ biến thiên của iC(t) t điện áp (1.23) và dòng điện (1.24) trên hình 1.13 Tần số fr trong (1.23)và Hình 1.13.Điện áp và dòng diện hình sin (1.24) là tần số cộng h−ởng của khung dao động LC. Nghịch đảo của fr là chu kỳ T của dao động, đó là thời gian từ lúc bắt đầu phóng cho đến lúc nạp lại giá trị ban đầu của điện dung hoặc điện cảm. Nh− vậy chu kỳ T hoặc tần số fr (ωr=2πfr) có quan hệ đơn trị với L và C. Trị số của nó có thể đ−ợc xác định từ trị số bằng nhau của modun trở kháng của điện dung và điện cảm, tức là : 1 1 1 ωr L = nên ωr= [rad/s] ; fr = [1/s=hz] (1.25) ωr C LC 2π LC 21
1 Sự biến thiên của các trở kháng X = ωLvà X = có dạng nh− ở hình 1.14 . L C ω C 1 XP k = XL - là thành phần phản kháng của khung cộng h−ởng. Khi tần số nhỏ Χ C hơn tần số cộng h−ởng ωr mạch mang tính dung kháng, khi lớn hơn tần số cộng h−ởng mạch mang tính cảm kháng. Với khung cộng h−ởng ngoài các thông số ωr, fr, T còn đặc tr−ng bởi các thông số quan trọng sau đây: - Trở kháng sóng ρ bằng tỷ số của điện áp trên C và dòng điện qua L,tìm từ trị số bằng nhau của năng l−ợng cực đại đ−ợc nạp trên L và C : 2 2 I L U C W =L m = W =C m M 2 E 2 L ρ = (1.26) C Tr−ờng hợp vừa xét trên là tr−ờng hợp mạch điện không có tổn hao (r = 0), các dao động kéo dài vô tận. Trong mạch X L thực có điện trở tổn hao r , các dao động sẽ tắt dần và tắt càng nhanh khi trị số của r X pk càng lớn. Đối với các khung cộng h−ởng có điện 0 ω r ω trở tổn hao r ≠0,ng−ời ta đ−a ra khái niệm hệ sốphẩm chất Q: X C ρ Q = (1.27) r Có thể chứng minh rằng lúc này Hình1.14.Trở kháng của L và C dòng điện trong mạch sẽ biến thiên theo quy luật hình sin tắt dần : π − t Q T iL(t) = ILm . e sin2πfr t (1.28) Quan hệ (1.28) có đồ thị thời gian trên hình 1.15 . QT Tỷ số = τ trong (1.28) gọi là hằng số thời gian của khung cộng h−ởng. τ π k k đ−ợc xác định bằng khoảng thời gian mà biên độ của dòng điện giảm đi e lần so với giá trị cực đại ( dòng giảm đến trị số 0,37ILm ) .Thực tế khi r khác 0 thì tần ’ số của dao động là ω r khác với ωr: 22
2 2 2 ⎛ r ⎞ ⎛ r ⎞ r2 ⎛ r ⎞ ω' = ω2 − ⎜ ⎟ = ω 1− ⎜ ⎟ LC = ω 1− = ω 1− ⎜ ⎟ r r 2L r 2L r L r ⎜ 2ρ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 4 ⎝ ⎠ C ‘ Tuy nhiên có thể lấy gần đúng ω r ≈ ωr. Nếu trị số của r khá lớn thì trong khung sẽ không phát sinh dao động tắt dần r mà dao động sẽ tắt ngấm ngay lập tức. Tr−ờng hợp này ứng với ω ≤ , tức là Q r 2L ≤ 0,5. Th−ờng sử dụng khung dao động có hệ số phẩm chất Q nằm trong khoảng: 10 ữ 20 < Q < 200 ữ 300 Đôi khi ng−ời ta sử dụng khái niệm hệ số tổn hao d=1/Q để đánh giá chất l−ợng của khung cộng h−ởng. Chế độ xét trên là chế độ dao động tự do trong mạch RLC nối tiếp. Trong thực tế th−ờng sử dụng chế độ dao động c−ỡng bức: khung dao động đ−ợc nuôi bởi nguồn suất điện động hình sin, có tần số xấp xỉ tần số cộng h−ởng ωr của khung dao động (hình 1.16). Nếu nguồn mắc nối tiếp với L và C thì khung cộng h−ởng gọi là nối tiếp. Lúc này biên độ của dòng điện sẽ là: C u (t) L i (t) ng L r t Hình 1.16Khung cộng Hình 1.15 dòng điện i (t) tắt dần L h−ởng nối tiếp Ung m Ung m Im ()ω = = (1.29). . Z()ω 2 2 ⎛ 1 ⎞ r + ⎜ωL − ⎟ ⎝ ωC ⎠ U Khi ω = ω thì I (ω ) = ng m ; biên độ điện áp trên điện cảm và điện dung là: r m r r 1 UmL(ωr) = Im(ωr).ωr L = Ungm.Q; UmC(ωr) = Im . = Ung m.Q ωr C Nh− vậy khi ω = ωr, biên độ điện áp trên L và C bằng nhau và gấp Q lần biên độ điện áp đặt vào mạch, ta nói rằng mạch ở trạng thái cộng h−ởng. Dòng điện trong mạch tần số ω có biên độ phụ thuộc vào tần số nh− sau: 23
I ()ω r 1 m = = I ()ω 2 2 m r ⎛ 1 ⎞ ⎛ ω2 ⎞ r 2 + ⎜ω L − ⎟ 1+ Q2 ⎜1− r ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ 2 ⎟ ⎝ ω c ⎠ ⎝ ω ⎠ 1 = 2 ⎡()()ω−ω r ω+ω r ⎤ 1 + Q 2 ⎢ 2 ⎥ ⎣ ω ⎦ (1.30) Khi sử dụng khung cộng h−ởng để lọc tín hiệu ta th−ờng xét tần số lân cận tần số cộng h−ởng nghĩa là ω + ωL ≈ 2ωr; ω - ωr = ∆ω - độ lệch tần số tuyệt đối. Lúc đó (1.30) có dạng : I ()ω 1 m = (1.30)’ 2 I m ()ω R 2 ⎛ 2 ∆ ω ⎞ 1 + Q ⎜ ⎟ ⎝ ω r ⎠ Quan hệ (1.30)’ cho ta đặc tính biên độ tần số hay đặc tính chọn lọc của khung cộng h−ởng. (hình 1.17) . Tính chất chọn lọc, tức là khả năng làm yếu tín hiệu có tần số lệch khỏi tần số cộng h−ởng, đ−ợc đặc tr−ng bởi dải thông và hệ số chữ nhật. Dải thông 2∆ωd là dải tần số ứng với mức giảm 2 lần của đặc tính chọn lọc so với giá trị cực đại. ( Hình 1.17) : 2∆ωd = ∆ω0,7= ω1- ω-1. Theo định nghĩa thì từ (1.30) ta có: 1 = 0,707 1 1 1 = = 0,7 2 2 ⎛ 2∆ω ⎞ 2 1+ Q 2 ⎜ 0,7 ⎟ ⎜ ω ⎟ ⎝ R ⎠ Từ đó ta có: ∆ω ω r 0,7 2∆ωd = ∆ω0,7= (1.31) ωr Q Hình 1.17 Đặc tính chọn lọc của Khi hệ số phẩm chất Q thay đổi thì khung cộng h−ởng giải thông thay đổi tỷ lệ nghịch với Q. T−ơng tự ng−ời ta xác định dải 0,1 tức là dải tần số ứng với mức giảm 10 lần, ký hiệu là ∆ω0,1 .Hệ số chữ nhật KCN = ∆ω 01, đánh giá mức độ giống hình chữ nhật của đặc tính chọn lọc. Lý t−ởng KCN ∆ω 07, = 1, còn đối với các khung cộng h−ởng thì KCN > 1. KCN càng tiến tới 1 thì độ chọn lọc càng cao. 24
Ngoài đặc tính biên độ tần số đã xét ta còn quan tâm đến đặc tính pha tần số; Đó là góc lệch pha của dòng điện so với điện áp nguồn tại tần số đang xét: 1 ωL − ωC ⎛ ω ωr ⎞ ϕz(ω)= arc tg = arctgQ⎜ − ⎟ (1.32) r ⎝ ωr ω ⎠ Khi tần số đang xét ở lân cận tần số cộng h−ởng thì ∆ω ϕz(ω) ≈ arc tg(2Q. ) (1.33) ωr Khung cộng h−ởng song song. Khi nguồn, điện cảm, điện dung mắc song song ta có khung cộng h−ởng song song. Xét mạch thông dụng hình 1.18.ở chế độ dao động c−ỡng bức với nguồn dòng i(t) có thể chỉ ra rằng điện áp trên khung cộng h−ởng đ−ợc đặc tr−ng bởi tổng trở Z(jω) của mạch với: ρ2 1 Z = (1.34) r ∆ω 1+ Q 2 ( )2 ωr Khi ω = ωr, ∆ω = 0 mạch ở trạng thái cộng h−ởng⏐Z⏐= Q.ρ, tức là cũng giống nh− khung cộng h−ởng nối tiếp khi cộng h−ởng tổng trở là thuần trở. Nh−ng khác với khung cộng h−ởng nối tiếp, ở đó khi cộng h−ởng tổng trở có trị số bằng r nhỏ , ở khung cộng h−ởng song song, trở kháng cộng h−ởng rất lớn, nếu r =0 thì nó bằng ∞. Điện áp trên khung cộng h−ởng : I ng m⏐Z⏐ ; điện áp khi cộng h−ởng là I ngm(ωr). ⏐Z(ωr)⏐. T−ơng tự nh− ở khung cộng h−ởng nối tiếp, ở đây đặc tính biên độ tần số là: I ()ω z 1 ngm = r 2 I ngm ()()ωR z ωR ⎛ 2∆ω⎞ 1+ Q2 ⎜ ⎟ L ⎝ ωr ⎠ C (1.35) Nh− vậy đặc tính của mạch cộng h−ởng song Hình 1.18 Khung cộng song cũng t−ơng tự nh− mạch cộng h−ởng nối tiếp ta h−ởng song song đã xét. Dải thông 2∆ωd là dải tần số ứng với mức giảm 2 lần của đặc tính chọn lọc so với giá trị cực đại. ( Hình 1.17) 2∆ωd = ∆ω0,7= ω1- ω-1. 1.6.2.Khung cộng h−ởng ghép Để cải thiện đặc tính chọn lọc của khung cộng h−ởng-đạt đ−ợc hệ số phẩm chất tốt hơn ,khi lọc tín hiệu ng−ời ta ghép hai khung cộng hửơng đơn với nhau qua hỗ cảm hoặc điện dung. Th−ờng sử dụng mạch ghép qua hỗ cảm(biến áp), ghép điện dung ngoài hoặc điện dung trong t−ơng ứng nh− hình 1.19a,b,c. 25
Trong các mạch ghép đặc tính tần số của mạch không phụ thuộc vào dạng ghép mà chỉ phụ thuộc vào đại l−ợng ghép ( hệ số ghép ). Vì vậy ta xét hai khung cộng h−ởng nối tiếp ghép qua hỗ cảm ( biến áp ) nh− ở hình 1.20 D−ới tác động của nguồn suất điện động E(ω) ở khung dao động thứ nhất sẽ có dòng I1 ,dòng này gây nên từ thông móc vòng sang cuộn L2, tạo nên suất điện M Cgh 0 L1 L2 Cgh a) b) c) Hình 1.19 Các khung dao động song song ghép a)qua hỗ cảm b,c)qua điện dung động hỗ cảm: E12 = - jωM I1 = - Xgh I1. ở đây Xgh = jωM - trở kháng hỗ cảm . M = k L 1 .L2 , k là hằng số biểu hiện mức độ ghép giữa hai cuộn cảm. Suất điện động E12 gây nên dòng I2 ;dòng này lại tạo nên từ thông móc vòng sang cuôn L1 , ở L1 lại suất hiện suất điện động hỗ cảm E21. Nh− vậy ở mỗi cuộn cảm suất hiện một thành phần tổng trở t−ơng hỗ ZTH : • ⋅• • 2 Ε 21 Χ gh I 2 Χ gh Ε 12 X gh = − = − = ZTH 21 = - • • • (1.36) Z 2 Z 2 I 1 I 1 I 1 T−ơng tự 2 Χ gh ZTH 12 = z 1 (1.37) ZTH 21 và ZTH12 có thành phần thuần trở và thành phần ảo: 2 2 Χ gh .r 2 Χ gh .x 2 ZTH 21 = rTH 21+jXTH 21= 2 2 − j 2 2 r 2 + x 2 r 2 + x 2 M Th−ờng C = C = C ; L = L = L ; r = r = r ; lúc đó M = k.L → k = ; 1 2 1 2 1 2 L X1 = X2 = X ; r <<⏐X⏐; X = ± Xgh 26
1 Đẳng thức cuối cùng có dạng : ωL - = ± Mω ω c Từ đây ta có : 2 ⎛ ω ⎞ M ⎜ r ⎟ ± ⎜ ⎟ = 1 k R C . C R ω1,2 ⎝ ⎠ L L . (1.38) M 1 Hình 1.20 Hai khung cộng h−ởng ghép hỗ cảm ở đây k= ; ωr= ; L LC ω r ω1,2 = 1 ± k Ta cũng chuẩn hóa dòng I2m(ω) theo I2m(ωr) ta có : I ()ω 1 + η gh 2 m = (1.39) 2 I 2 m ()ω r 2 2 2 ()1 + η gh − ξ + 4 ξ ở đây : ηgh= kQ – gọi là nhân tố ghép. 2 ∆ f .Q ξ- độ lệch tần số tổng quát : ξ= f r ∆f - độ lệch tần số tuyệt đối. Nếu coi Q là không đổi và khảo sát hàm đặc tính biên độ tần số (1.39) ta sẽ dựng đ−ợc hệ đặc tính hình 1.21. Với ηgh thay đổi thì đặc tính biên độ tần số từ chỗ giống nh− của khung cộng h−ởng đơn (ηgh 1- một cực tiểu, hai cực đại). Khi ηgh = 1 ( gọi là ghép tới hạn ) thì tính của đ−ờng cong là bằng phẳng hơn cả. Th−ờng hiệu chỉnh ghép để đạt ηgh lớn hơn 1 một chút hoặc bằng 1. Khi so sánh với khung cộng h−ởng đơn có cùng kQ=1 dải thông ng−ời ta thấy rằng hệ số chữ nhật của kQ<1 kQ<1 khung cộng h−ởng đơn là 9,95 thì khung cộng h−ởng ghép là 3,15. Rõ ràng khung cộng h−ởng Hình 1.21 Đặc tính tần số của mạch giao động ghép ghép có tính chọn lọc tốt hơn. 3. Mạch lọc tập trung; Để tăng độ chọn lọc hơn nữa của mạch ng−ời ta th−ờng ghép nhiều khung cộng h−ởng qua điện dung nh− hình (1.22) để tạo thành mạch lọc gọi là mạch lọc tập trung. Mạch lọc nh− vậy có đặc tính biên độ tần số gần giống nh− một hình chữ nhật. 27
Các mạch lọc loại này có khung cộng h−ởng đ−ợc chế tạo từ vật liệu áp điện (vật liệu có hiệu ứng áp điện ) .Có thể sử dụng đến 10 ữ 15 khung cộng h−ởng đơn để tạo mạch lọc tập chung. Chúng đ−ợc chế tạo sẵn thành một loại linh kiện dễ dàng phối hợp với các mạch khác. Hình 1.22 Mạch lọc tập chung Các vật liệu áp điện gồm hai loại: loại gốm áp điện và thạch anh ( tinh thể áp điện) Ta xét một thanh thạch anh đ−ợc cắt nh− ở hình 1.23a. Thạch anh là một loại vật liệu có nhiều đặc tính vật lý quý giá nh− độ ổn định nhiệt cao, ít chịu ảnh h−ởng của độ ẩm , tác động hoá học, đặc biệt nó có hiệu ứng áp điện: d−ới tác dụng của điện tr−ờng thạch anh sẽ dao động cơ học, ng−ợc lại khi dao động cơ học nó sinh ra các điện tích biến thiên. Trong kỹ thuật điện tử thạch anh đ−ợc sử dụng nh− một khung cộng h−ởng với tần số cộng h−ởng phụ thuộc vào kích th−ớc và cách cắt tinh thể thạch anh. Hình 1.23c là ký hiệu của thạch anh trong sơ đồ mạch điện,hình 1.2bb - sơ đồ t−ơng đ−ơng, trong đó rq, Lq , Cq - các thông số điện, phụ thuộc vào kích cỡ và cách cắt khối thạch anh, CP - điện dung giá đỡ. Theo sơ đồ t−ơng đ−ơng hình 1.22b thì thạch anh có hai tần số cộng h−ởng đ−ợc xác định từ biểu thức tổng trở phức: Z = ZP // Zq=ZPZq/(ZP+Zq) (1.40) 1 ZP = jωCP 1 Zq = rq +jωLq + (1.41) jωCq Thay vào biểu thức (1.37), bỏ qua rq nhỏ trong Zq sẽ đ−ợc 2 ω L q C q −1 Z ≈ j 2 (1.42) ω()C p + C q − ω L q C p C q Từ (6.36) xác định hai tần số cộng h−ởng nối tiếp fq và song song fP: 1 ⎫ fq = ⎪ 2π L q C q ⎪ ⎪ 1 Cq ⎬ (1.43) fp = = fq 1 + ⎪ CpCq Cp 2π Lq ⎪ Cp + Cq ⎭⎪ rq Hình1.23 a) + - +- -+ -+ a)Hiệu ứng áp điện của thạch anh +- +- +- -+ L q C 0 b)Sơ đồ t−ơngđ−ơng của thạch anh 28 c b c)Ký hiệu của thạch anh C 0q
2 π f L Q = q q (1.44) r q Ví dụ ta xét thạch anh 4Mhz với các tham số Lq = 0,22H, Cq = 0,0072 pF ;rq = 23Ω , CP = 10,3 pF.Xác định các tần số theo (6.37) sẽ đ−ợc fq = 3998918Hz = 3,998918MHz.fp = 4000315Hz= 4,000315MHz . Khoảng cách giữa hai tần số là ∆f =fP - fq = 1397Hz Nh− vậy trong khoảng tần số rất hẹp thạch anh t−ơng đ−ơng với một điện cảm. 2π 4.106 .0.22 Hệ số phẩm chất Q=. = 240400 Cực lớn! 23 Sự phụ thuộc của thành phần phản kháng của trở kháng vào tần số trình bày trên hình 1.24 Các loại gốm áp điện có hệ số phẩm chất nhỏ hơn thạch anh. Cũng giống nh− các mạch lọc tập trung, ng−ời ta ghép các khung cộng h−ởng chế tạo từ thạch anh hoặc gốm áp điện X thành các mạch cộng h−ởng ghép. Ghép ở đây có thể thực hiện qua tụ (gọi là ghép điện) hoặc qua một bản cực điện môi (gọi là ghép cơ). Khi ghép điện thì năng l−ợng fq fp f điện đ−ợc truyền từ khung cộng h−ởng này sang khung cộng h−ởng kia d−ới dạng các dao động điện, còn khi ghép cơ - d−ới dạng các dao động cơ. Ngày nay ng−ời ta còn sử dụng các mạch Hình 1.24.Đặc tính phản lọc SAW - mạch lọc sử dụng hiệu ứng sóng kháng của thạch anh âm bề mặt. Nguyên lý làm việc của nó dựa trên hiện t−ợng truyền sóng âm theo bề mặt của vật liệu áp điện và hiện t−ợng lan truyền của sự biến dạng đàn hồi. Để kích thích các dao động biến dạng đàn hồi, trên bề mặt của vật liệu áp điện ng−ời ta tạo ra các điện cực dạng đặc biệt để kích vào chúng những dao động điện. Khi đã đi đ−ợc một đoạn nào đó, năng l−ợng của sóng âm bề mặt đ−ợc biến đổi thành các dao động điện nhờ các cực điện đặc biệt. ở đây quá trình biến đổi sóng âm thanh thành dao động điện và ng−ợc lại phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu áp điện, vào cấu tạo và vị trí t−ơng đối của các điện cực. Ưu điểm của các mạch lọc SAW là độ dẫn cao, các tham số ổn định và kích th−ớc gọn nhẹ. Mạch lọc loại này có thể làm việc ở giải tần số 10 ữ 100 Mhz hoặc cao hơn với tỷ số của giải thông trên tần số trung tâm từ 0,01 đến 100% Khi sử dụng các mạch lọc tập trung cần đảm bảo phối hợp trở kháng cả đầu vào lẫn đầu ra. Nếu không đảm bảo phối hợp trở kháng thì đặc tính biên độ tần số sẽ bị méo ( méo biên độ ), đặc biệt là ở ngoài giải thông . 29
1.6.3Mạch lọc RC. Nếu sử dụng các mạch lọc LC ở tần số thấp thì trị số các điện cảm sẽ lớn, kích th−ớc các cuộn cảm lớn, mạch sẽ cồng kềnh. ở tần số thấp nên sử dụng các mạch lọc RC. Xét một khâu thông thấp RC nh− ở hình 1.25a.Hàm truyền đạt phức của mạch lọc thông thấp này là: . 1 U ra jω C 1 1 Κ ()jω = m = = = (1.45) T . 1 1 + jω R C 1 + jω τ U vao R + m jω C R 1 1 = 0,707 2 uv C ur 0 ωt ωC ω a) b) Hình1.25 a)đốt lọc thông thấp RC; b)Đặc tính biên độ tần số của mạch Trong đó τ = RC - hằng số thời gian của mạch,Uvm và Ur m biên độ phức của điện áp vào và ra của mạch. 1 Κ T ()jω = Κ T ()ω = (1.46) 1 + ω2τ2 Đồ thị (1.46) là đặc tính biên độ tần số của mạch ,biểu diễn bằng đ−ờng liền nét trên hình (1.25b). Tại tần số ω = 0, thì K(ω) = 1, tại tần số cắt ωt trị số của 1 K(ω) = hay ωt.τ =1. Nh− vậy tần số cắt ωt xác định theo trị số của τ: 2 1 1 ω = ; f = (1.47) t RC t 2 π RC Dải tần số từ 0ữft gọi là dải thông của mạch lọc thông thấp. Dải tần số ft ữ∞ gọi là dải chắn. Nếu ta đổi chỗ RC trên hình 1.25a ta đ−ợc mạch lọc thông cao. Lúc đó: ⋅ • 1 K ()jω = C 1 (1.48) 1 + jω RC 30
• 1 K C ()jω = Κ C ()ω = (1.49) 1 1 + ω 2 R 2 C 2 Đặc tính biên độ tần số của mạch lọc thông cao theo (1.49) đ−ợc trình bày bằng đ−ờng nét đứt trên hình (1.25b). Khi tần số cực lớn : ω →∞ thì KC(ω) = 1, 1 khi ω = 0 thì KC(ω) = 0. Tần số cắt đ−ợc xác định khi KC(ωC) = hay 2 1 = 1 hay ω C RC 1 ω = C RC 1 (1.50) f = C 2 π RC K(ω) R1 C1 . R2 C2 Ura Uv a) b) ω0 ω Hình1.26 Mạch lọc dải thông a)sơ đồ nguyên lý b)đặc tính biên độ tần số Dải thông là dải t fCữ∞ , dải chắn là dải 0 ữ fC. Tính chọn lọc của các mạch lọc vừa xét trên phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính biên độ tần số. Để tăng độ dốc ta mắc liên tầng nhiều đốt lọc cùng loại, tuy nhiên khi đó tổn hao trong dải thông cũng sẽ tăng. Ta cũng có thể thành lập các mạch RC có khả năng chọn lọc tín hiệu theo tần số nh− một khung cộng h−ởng LC . Xét mạch trên hình 1.26a. Đặc tính biên độ tần số của mạch có dạng: 1 Κ ()jω = Κ ()ω (1.51) 2 ⎛ 1 ⎞ 9 + ⎜ ω RC − ⎟ ⎝ ω RC ⎠ 1 1 1 Tại tần số ω0 khi ω0RC - = 0 tức là ω0 = thì K(ω0) = và đó là giá ω 0 RC RC 3 trị cực đại. 31
Đặc tính biên độ tần số K(ω) (1.51) trình bày trên hình 1.26b - t−ơng tự nh− đặc R1 R1 tính biên độ tần số của một . C2 khung cộng h−ởng LC. Trong nhiều tr−ờng hợp Ura Uv C1 C1 cần chặn một dải tần số R2 hẹp nào đó ng−ời ta dùng mạch lọc dải chặn RC nh− a) b) ω0 ω trên hình 1.27a. Đó là một cầu T kép. Cầu này có đặc Hình1.27 Mạch lọc dải chắn: a)sơ đồ tính biên độ tần số biểu nguyên lý b)đặc tính biên độ tần số diễn trên hình 1.27b. Tại 1 R2 C1 tần số ωo = thì tín hiệu bị suy giảm lớn nhất. ở đây n = = . 2nR11 C R1 C2 21n − K(ω ) = (1.52) o 1 21n ++ n 32
Ch−ơng 2 các linh kiện điện tử thụ động Nhìn vào phần mạch điện thực của một thiết bị điện tử ta thấy có những mạch đơn giản chỉ gồm m−ơi linh kiện, nh−ng có những mạch điện cực kỳ phức tạp làm ta có cảm giác nh− lạc vào một rừng điện tử. Các linh kiện trong một mạch điện tử phần lớn là các điện trở, tụ điện, cuộn cảm, bóng bán dẫn, điot bán dẫn, các vi mạch (IC) và các linh kiện khác. Các linh kiện vừa nêu trên là những linh kiện thông dụng, chiếm đa số các linh kiện trong máy. Ch−ơng này giới thiệu các loại linh kiện điện tử thụ động trong các mạch điện tử là điện trở, tụ điện và cuộn cảm. 2.1 C ơ sở vật lý của các linh kiện điện tử . Các vật liệu đ−ợc sử dụng để chế tạo các linh kiện điện tử bao gồm các chất dẫn điện, cách điện, bán dẫn, vật liệu từ Khi sử dụng các vật liệu để chế tạo các linh kiện điện tử ta không chỉ quan tâm đến các tính chất điện từ của chúng mà còn phải quan tâm đến các đặc tính cơ - lý - hoá của vật liệu d−ới tác động của các thông số môi tr−ờng nh− nhiệt độ, độ ẩm áp suất, mức phóng xạ, chịu lực nén, lực uốn, chịu va đập, độ mài mòn,mức biến dạng Điều đó đặc biệt quan trọng đối với các máy điện tử sử dụng trong điều kiện nhiệt độ nóng ẩm nh− ở n−ớc ta. Để thấy rõ đ−ợc các quá trình vật lý diễn ra trong các linh kiện cần sơ l−ợc điểm lại cơ sở vậy lý của chúng .Ta sẽ nghiên cứu tóm tắt trạng thái vĩ mô của vật chất và đặc điểm cấu trúc của chất rắn. 2.1.1. Trạng thái vĩ mô của vật chất. Vật lý kinh điển chia vật chất trong ba trạng thái : khí, lỏng và rắn. Còn trạng thái Plasma có thể coi là trạng thái thứ 4 của vật chất. ở thể khí trong điều kiện áp suất bình th−ờng của khí quyển trong 1m3 có 2,3.1025 phân tử khí lý t−ởng. Khoảng cách giữa các phân tử khí lớn hơn m−ời lần kích th−ớc phân tử. Các phân tử khí chuyển dộng tự do và không động chạm đến phần tử bên cạnh. Các chất khí ch−a bị ion hoá đều là các chất điện môi (cách điện ). ở thể lỏng các phân tử xích lại gần nhau hơn nhiều so với thể khí. Chúng luôn kết hợp lại với nhau rồi lại tách ra tạo thành trạng thái không bền vững của chất lỏng. Các phân tử của chát lỏng có thể ở trạng thái trung tính hoặc phân cực thành những ion. Các chất lỏng hoặc dung dịch có liên kết ion đều dẫn điện, còn khi chúng ở trạng thái trung tính hoặc phân cực yếu thì chúng là chất điện môi. ở thể rắn các phân tử vật chất liên kết chặt chẽ với nhau. Cần nhấn mạnh rằng phần lớn các linh kiện điện tử đ−ợc chế tạo từ các vật liệu ở thể rắn. Trạng thái Pasma có thể coi là trạng thái thứ t− của vật chất. Nó đ−ợc tạo thành trong điều kiện của các điện tr−ờng cực mạnh hoặc đốt các chất khí ở nhiệt độ cao. ở trạng thái này vật chất bao gồm các ion d−ơng, các ion âm và các điện tử tự do. Các điện tử này đ−ợc giữ trong điện tr−ờng của các điện tích khối d−ơng của các nguyên tử đã mất trung hoà về điện. 33
2.1.2. Đặc điểm cấu trúc và sự phân bố của điện tử trong chất rắn. Sự phân bố của điện tử trong chất rắn quyết định tính chất điện của chất rắn đó. Chất rắn có thể có cấu trúc tinh thể, vô định hình, dạng thuỷ tinh hoặc cấu trúc phức hợp. Phần lớn các chất rắn sử dụng các linh kiện có cấu trúc tinh thể , ở đó các nguyên tử hoặc các ion đ−ợc sắp xếp một cách đều đặn theo một quy luật tuần hoàn nhất định. Sự phân bố của điện tử trong vật rắn tuân theo thuyết cấu tạo nguyên tử, ở đó điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân mang cả tính chất sóng lẫn hạt. Quỹ đạo của các điện tử là quỹ đạo elíp. Mỗi quỹ đạo đặc tr−ng cho một mức năng l−ợng của điện tử trong nguyên tử. Khi chuyển động xung quanh hạt nhân điện tử đặc tr−ng bởi Mômen l−ợng tử. Ng−ời ta dùng 4 số l−ợng tử đặc tr−ng nh− sau : + Số l−ợng tử chính n (n = 1,2,3, ) Xác định mức năng l−ợng của một quỹ đạo quay của điện tử m q2 W = e e (2.1) 2 2 2 8(εε0 ) h n Trong đó: me - Khối l−ợng của điện tử qe - điện tích của điện tử h - Hằng số Plăng Theo các mức năng l−ợng ứng với n = 1, 2, 3 ng−ời ta đặt tên t−ơng ứng là các mức năng l−ợng K, L, M + Số l−ợng tử phụ ( số l−ợng tử mô men quỹ đạo) : Đối với một hệ gồm nhiều điện tử thì mức năng l−ợng cho phép của mỗi điện tử theo lý thuyết Pauli lại phân thành nhiều mức nhỏ đặc tr−ng bằng số l−ợng tử phụ, ký hiệu là λ. λ = 0, 1, 2, 3 ; lớp có λ = 0 là lớp S;lớp có λ = 1 là lớp p lớp có λ = 2 là lớp d. Điện tử quay quanh hạt nhân có mô men động l−ợng M tính theo công thức: h M =λλ()+ 1 (2.2) 2 π + Số l−ợng tử từ (ký hiệu Mz), nó là hình chiếu của mô men quỹ đạo lên một ph−ơng z nào đó: h M = m (2.3) Z Z 2 π mZ= 0, ±1, ±2, ±3, ± λ + Số l−ợng tử Spin : đặc tr−ng cho mô men quay của điện tử xung quanh trục của nó, ký hiệu là Mez: h Mez = m (2.4) S 2 π 1 1 m có giá trị + hoặc - . S 2 2 Theo ý nghĩa của số các l−ợng tử trên thì 3 số l−ợng tử đầu n, λ, mZ xác định vị trí của điện tử trong nguyên tử : còn số mS chỉ rõ chiều quay của điện tử 34
xung quanh trục của nó. Theo lý thuyết Pauli thì trong một nguyên tử không bao giờ tồn tại hai điện tử có cùng 4 số l−ợng tử nh− nhau. Nh− vậy với giá trị n ( lớp vỏ điện tử ) tổng số mức năng l−ợng , hay tổng số điện tử có thể chiếm chỗ là : N −1 2 ∑ 2()2λ + 1 = 2n (2.5) λ=1 Theo thuyết năng l−ợng có những vùng mà mọi mức năng l−ợng đều đã bị điện tử chiếm chỗ gọi là vùng đầy. Thông th−ờng vùng đầy là vùng có mức năng l−ợng nhỏ nhất trong nguyên tử, đó là các quỹ đạo gần hạt nhân nhất. Vùng không có năng l−ợng nào gọi là vùng cấm ( tức là vùng không có điện tử). Ngoài hai vùng trên còn có vùng mà nhiều mức năng l−ợng có thể chiếm chỗ nh−ng ch−a có điện tử hoặc có rất ít điện tử chiếm chỗ gọi là vùng dẫn. Vùng này đặc tr−ng cho các quỹ đạo xa hạt nhân của nguyên tử. Ng−ời ta dùng giản đồ năng l−ợng để chia vật liệu làm ba nhóm : dẫn điện, bán dẫn và cách điện. + Vật liệu dẫn điện (hình 2.1a,b), điển hình là kim loại, không có vùng cấm; vùng đầy và vùng dẫn có thể chùm phủ lên nhau hoặc xít nhau. Có điện tử ở bên bờ có thể dễ dàng nhảy lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do dẫn điện. Vật liệu bán dẫn : Có vùng cấm nh−ng vùng này hẹp nên các điện tử ở bờ của vùng đầy khi đ−ợc kích thích năng l−ợng có thể v−ợt qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn (hình 2.2c) Vật liệu cách điện : (hình vùngdẫn 2.2d) Giữa vùng đầy và vùng dẫn có vùng cấm rất rộng nên các vùng cấm điện tử ở vùng đầy khó có thể v−ợt lên vùng dẫn . vùng đầy Theo Fecmi - Dirac sự a b c d phân bố của điện tử có thể xác Hình 2.1 Mô hình cấu trúc các miền năng l−ợng định theo sự phân bố của năng l−ợng trong vật rắn nh− sau: 3 dn 4 π 2 w = ( 2 m ) (2.6) dw h 3 e ⎛ w − w ⎞ 1 + e ⎜ F ⎟ ⎝ kT ⎠ Trong đó : me - khối l−ợng của điện tử h - Hằng số Plăng k - Hằng số Bosman T - Nhiệt độ Kenvin n - Số điện tử w - Mức năng l−ợng tính theo (2.1) wF - Mức năng l−ợng Fecmi ( là mức năng l−ợng khi w > wF thì xác suất tìm thấy điện tử bằng 0) Biểu thức (2.6) cho ta thấy số nguyên tử trong một đơn vị thể tích nằm trong khoảng mức năng l−ợng từ w đến w + dw. 35
o WFo là mức năng l−ợng Fecmi lớn nhất ở nhiệt độ 0 độ Kenvin (0 K) 2 h 2 ⎛ 3n ⎞ w = (2.7) F0 ⎜ ⎟ 2m e ⎝ 8π ⎠ 2.1.3. Đặc tính cơ - lý - hoá của vật chất Các thiết bị điện tử làm việc có bền hay không phụ thuộc vào độ bền của từng linh kịên trong máy. Độ tin cậy của mỗi linh kiện điện tử lại đ−ợc quyết định bởi các đặc tính cơ - lý - hoá của vật liệu chế tạo chúng . Ta xét một số đặc tính cơ bản sau: Đặc tính vật lý: Tr−ớc hết ng−ời ta quan tâm tới tính chất dẫn điện và cách điện của vật chất. Chúng đ−ợc đặc tr−ng bởi điện trở xuất ρ , góc tổn hao tg δ. Tiếp theo ng−ời ta quan tâm đến khả năng chịu nhiệt của vật chất : Khi nhiệt độ thay đổi đột ngột hoặc chịu nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn trong một thời gian dài mà linh kiện vẫn không bị h− hỏng. Hệ số nhiệt cũng là đặc tính quan trọng của vật liệu: hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài, hệ số nhiệt của điện trở suất, hệ số nhiệt của hằng số điện môi, hệ số nhiệt của độ từ thẩm. Ngoài ra cần quan tâm đến khả năng cách nhiệt, dẫn nhiệt của vật liệu . N−ớc ta là n−ớc nhiệt đới nóng ẩm nên cần quan tâm đến khả năng hút ẩm của vật chất. Nói chung các vật liệu đều hút ẩm, nhất là các vật liệu điện môi (cách điện). Các vật liệu cách điện khi hút ẩm, các thông số của chúng sẽ xấu đi rất nhiều, vì vậy các linh kiện cần đ−ợc nhiệt đới hoá. Ngoài các lý tính nêu trên, khi chọn vật liệu chế tạo các linh kiện cần quan tâm đến các tính chất cơ học nh− sức chịu lực căng, lực nén, độ rắn, độ uốn, độ ròn và các hoá tính nh− tính ổn định hoá học, tính hoà tan và độ hoà tan 2.2 .Các tham số của linh kiện điện tử Các linh kiện điện tử có các tham số sau: -Giá trị danh định. -Cấp chính xác và sự tản mạn của các tham số. -Độ tin cậy. -Tính chịu ẩm, chịu nhiệt, chịu dung sóc, va đập. Sau đây ta xét một số tham số đặc tr−ng. 2.2.1. Giá trị danh định và cấp chính xác. Giá trị danh định của linh kiện là trị số của tham số linh kiện đ−ợc xác định trong điều kiện tiêu chuẩn. Giá trị đó th−ờng đ−ợc ghi ngay trên mặt linh kiện. Cấp chính xác: Các tham số của linh kiện khi chế tạo th−ờng sai lệch so với trị số danh định . Độ sai lệch đó phụ thuộc vào kỹ thuật - công nghệ chế tạo. Ng−ời ta phân cấp chính xác theo bảng (2.1) . Các linh kiện có độ sai lệch càng nhỏ thì giá thành càng cao vì vậy sử dụng loại linh kiện nào là tuỳ thuộc vào độ chính xác cần thiết với giá thành hợp lý,chức năng của mạch ở trong từng loaị thiết bị điện tử . 2.2.2. Độ tin cậy. 36
Độ tin cậy là khả năng làm việc không hỏng của linh kiện trong thời gian nhất định. Nó đ−ợc đặc tr−ng bởi thời gian nhất định mà tham số của nó vẫn đ−ợc giữ nguyên giá trị. Bảng 2.1 Sự h− hỏng của linh kiện xuất hiện một cách ngẫu nhiên; ng−ời ta dùng lý thuyết xác Phân cấp chính xác của linh kiện suất để đánh giá h− hỏng. Cấp chính Độ sai Giả sử trong một mớ linh kiện đã sản xuất xác lệch ta lấy ra N chiếc cho việc thử (thử nghiệm). cấp 00 ± 1% 0 cấp 0 Nếu Ti là thời gian làm việc không hỏng của ± 2% linh kiện thứ i thì kỳ vọng toán học của thời cấp I ± 5% gian làm việc không hỏng của các linh kiện ( cấp II ± 10 % cấp III cùng loại ) gọi là thời gian không hỏng trung ± 20 % bình TTb của loại linh kiện đó : N 0 ∑ T i=0 TTb = [giờ] (2.8). N0 TTb tính bằng giờ. Đại l−ợng nghịch đảo của TTb đặc tr−ng cho khả năng xuất hiện h− hỏng của linh kiện, ta gọi là hiểm hỏng λ(t). 1 λ ( t ) = (1/giờ) (2.9) λ(t) T Tb λ(t) cho ta biết trong một giờ có thể có bao nhiêu linh kiện bị h− 0 t1 t2 t hỏng trong số linh kiện cùng loại. Hình 2.2 Hiểm hỏng của các linh kiện điện tử Ví dụ λ = 10-5 thì trong một giờ làm việc sẽ có 1/100.000 linh kiện bị h− hỏng , nghĩa là nếu có 1000 linh kiện làm việc trong 100 giờ thì trung bình sẽ có một linh kiện bị hỏng. Trên thực Bảng2.2 Hiểm hỏng của một số loại linh kiện điện tử Loại linh kiện λ0 (1/giờ) Loại linh kiện λ0 (1/giờ ) Điôt bán dẫn Ge 0,006.10-3 Tụ giấy 0,0015.10-3 Điôt bán dẫn Si 0,007.10-3 Tụ mica 0,003.10-3 Tranzisto tần số thấp 0,006.10-3 Tụ gốm 0,015.10-3 Tranzisto tần số cao 0,007.10-3 Tụ hoá 0,002.10-3 Tranzisto công suất 0,01.10-3 Tụ xoay 0,0006.10-3 Điện trở than o,5W 0,001.10-3 Cuộn cảm 0,0063.10-3 Điện trở than 1W 0,002.10-3 Cuộn chặn 0,00025.10-3 Điện trở 0,006.10-3 Biếnáp xung 0,0008.10-3 Điện trở dây cuốn 10W 0,002.10-3 Rơ le 0,001.10-3 Điện trở dây cuốn 50W 0,014.10-3 Mô tô điện 0,03.10-3 Biến trở dây cuốn 0,016.10-3 Đầuđođồng hồ 0,06.10-3 37
nghiệm thì hiểm hỏng có dạng nh− ở hình 2.2. Theo đồ thị hình 2.2 thì khoảng thời gian từ t1 đến t2 là thời gian làm việc bình th−ờng ( tuổi thọ ) của linh kiện. Khoảng thời gian tr−ớc t1 khả năng hỏng tăng do linh kiện đựơc hiệu chỉnh, sửa chữa và các tham số ổn định dần. Sau thời gian t2 các linh kiện bị lão hoá và hiểm hỏng tăng lên. Hiểm hỏng của một số loại linh kiện điện tử cho ở bảng 2.2 (ở điều kiện tiêu chuẩn): 2.3 Điện trở Điện trở là loại linh kiện đ−ợc sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử. Tính chất của nó là cản trở dòng điện đi qua và trực tiếp biến đổi năng l−ợng thành nhiệt năng. Nó có chức năng điều chỉnh hoặc phân phối năng l−ợng điện ở trong mạch điện. a) b) c) Hình 2.3 Ký hiệu điện trở a) Điện trở không đổi b) địên trở phi tuyến c)triết áp Điện trở có nhiều loại : Tuyến tính (ký hiệu hình 2.3a), phi tuyến - hình 2.3b- tuỳ theo đặc tuyến V-A là tuyến tính hay phi tuyến; điện trở không đổi, điện trở biến đổi tức triết áp ( ký hiệu hình 1.3c). Điện trở có thể chế tạo từ bột than ép, dây cuốn hoặc kim loại. 2.3.1. Các tham số điện trở. a. Trị số danh định: Mỗi điện trở không đổi đ−ợc sản xuất với một trị số danh định. Ví dụ nh− 1,5KΩ; 2,2 KΩ; 100Ω Các n−ớc trên thế giới sản xuất các điện trở với các trị số danh định cho ở bảng 2.3 (hai số đầu): Trị số điện trở từ 10Ω ữ10MΩ;là hai chữ số trong bảng 2.3 nhân với 1, 10, 102, 103, 104 Trị số danh định của điện trở có thể ghi ngay trên điện trở hoặc ký hiệu bằng các vạch màu hoặc chấm màu nh− ở hình 2.4 Bảng 2.3 Trị số danh định của điện trở Cấp chính xác 11 12 13 16 18 20 24 30 I II 10 15 22 27 III I 36 43 51 62 75 91 II 33 39 47 56 68 38
Khi ký hiệu bằng các vạch màu hoặc các chấm màu thì hai vạch đầu chỉ 2 số ứng với bảng 2.3, vạch thứ III chỉ số số 0 đứng sau hai số trên, vạch thứ IV chỉ cấp chính xác. Ba vạch màu đầu có trị số ứng với các màu nh− sau : Đen - Black 0 Nâu - Brown 1 Đỏ - Red 2 Cam - orange 3 I II III IV Vàng- Yellow 4 Lục - Green 5 Lam - Blue 6 Hình 2.4 Các vạch mầu ghi trị số của điện trở Tím - Violet 7 Xám - Gray 8 Trắng- White 9 Vạch thứ IV chỉ cấp chính xác : màu vàng ±5%, màu nhũ bạc ±10%, không màu ±20% Ví dụ xét 2 điện trở nh− sau: Đỏ - đỏ - cam - nhũ bạc: 22000 Ω = 22kΩ ± 10% Vàng - đỏ - nâu - vàng 420Ω ± 5% b - Công xuất danh định : Tính chịu nhiệt và diện tích toả nhiệt của điện trở quyết định công xuất danh định của điện trở. Khi làm việc công xuất làm việc của nó P = R.I2 phải nhỏ hơn công xuất danh định của nó. Ng−ời ta chế tạo các điện trở với các công xuất 0,05w; 0,12w ; 0,25w; 0,5w ; 1w; 2w; 5w; 10w; 15w; 20w; 30w; 50w; 100w c - Tính chất tần số của điện trở Khi làm việc ở tần số cao cần R R 0 chú ý đến điện dung ký sinh và điện cảm ký sinh của điện trở. Lúc đó sơ đồ t−ơng đ−ơng của một điện trở có Co dạng nh− hình 2.5 Trị số Lo phụ thuộc vào cấu trúc Hình 2.5 Sơ đồ t−ơng đ−ơng của của điện trở , còn điện dung Co phụ . điện trở ở vùng tần số cao thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu làm đế ( lõi) , hình dáng vị trí dây dẫn, cấu trúc và lớp sơn phủ ngoài của điện trở. Nh− vậy ở tần số cao hàng trăm Mhz điện trở t−ơng đ−ơng với một khung cộng h−ởng song song với Co< 1 pF và Lo< 1àH. Ngoài ra khi cần còn phải tính đến độ ổn định nhiệt và tạp âm của điện trở. 39
2.3.2. Điện trở không đổi. a . Điện trở dây cuốn không đổi: Đ−ợc Dây điện trở bằng hợp kim. cuốn bằng dây hợp kim crom - niken trên lõi sứ , lõi nhựa hoặc lõi thuỷ tinh. Lớp dây cuốn có phủ sơn bảo vệ . Cấu tạo của điện trở dây Lớp men cách điện cuốn trình bày trên hình 2.6 Chân nối Điện trở dây cuốn có trị số không lớn lắm Hình2.6 Cấu tạo của điện trở dây cuốn ( ≤ 50kΩ) nh−ng có công suất toả nhiệt lớn ( có thể tới vài trăm w), cấp chính xác khá cao (±0,1%, ±1%), độ ổn định cao , chịu nhiệt tốt. Điện trở dây cuốn th−ơng dùng ở các mạch gần có công suất danh định lớn , độ chính xác cao nh−ng tần số làm việc không lớn lắm. b. Điện trở màng than: đ−ợc chế tạo bằng cách cho khí than ng−ng đọng thành màng dày 0,04 ữ 10mm theo rãnh xoắn trên lõi sứ trong môi tr−ờng chân không(Hình 2.7). Muốn có trị số lớn lớp màng than phải mỏng, dài và tiết diện ng−ng phải nhỏ. Điện trở màng than có thể chế tạo với trị số danh định từ 10Ω đến 10MΩ, công suất danh định từ 0,05w đến 5w, cá biệt có thể chế tạo đến 25w,50w hoặc 100w, trị số Lo và Co nhỏ, độ ổn định nhiệt khá tốt nên có thể sử dụng ở vùng tần số cao. c. Điện trở màng kim loại: Điện trở màng kim loại có cấu trúc gần giống nh− điện trở màng than. Nó đ−ợc chế tạo bằng cách cho hợp kim hoặc oxyt kim loại bốc hơi ng−ng đọng trong môi tr−ờng chân không hoặc bằng ph−ơng pháp phân huỷ catôt để tạo một lớp màng mỏng bao quanh lõi (sứ, thuỷ tinh hoặc chất dẻo) hình trụ ( hình 2.8) Ng−ời ta thay đổi thành phần hợp kim và độ dày của màng kim loại để thay đổi trị số 2 1 3 Hình2.7 Cấu tạo của điện trở màng than 1.màng than 2.rãnh xoắn 3. Lõi sứ 2 1 3 4 danh định của điện trở từ 20Ω đến Hình 2.8 Điện trở màng kim loại 1000Ω. Muốn có trị số điện trở lớn 1.ống sứ 2.điện trở 3.sơn cách điện hơn phải dùng màng rãnh soắn nh− ở 4.thuỷ tinh cách điện điện trở màng than. Lúc đó có thể tạo điện trở cỡ MΩ. Điện trở màng kim loại th−ờng chế tạo với công suất 0,125w ữ 2w. 40
Điện trở màng kim loại có hình dáng bề ngoài giống nh− điện trở màng than nh−ng th−ờng phủ lớp sơn màu đỏ, có loại đ−ợc bọc kín bằng ống thuỷ tinh hoặc ống sứ . d. Điện trở hỗn hợp: 1 2 Vật liệu chế tạo điện trở hỗn hợp gồm ba thành phần ở dạng bột và keo : -Thành phần dẫn điện là mồ hóng hoặc than trì (graphit) 3 5 4 ở dạng bột. Hình2.9.Cấu tạo của điện trở dây cuốn - Chất độn là bột mica, bột trị số biến đổi sứ hoặc bột thạch anh dùng để 1ống xứ 2.sơn cách điện 3.con tạo cho điện 4.dây cuốn 5.tiếp điểm trở có thể tích nhất định, tăng khả năng dẫn nhiệt, nâng cao điện trở suất của vật liệu hỗn hợp và tăngđộ bền cơ học. - Chất keo để liên kết các thành phần vật liệu thành một khối . Vật liệu hỗn hợp đ−ợc nén trong ống sứ, ống thuỷ tinh tạo nên điện trở . Bên ngoài điện trở bọc một lớp vật liệu có độ bền cơ học cao. Điện trở hỗn hợp th−ờng đ−ợc chế tạo d−ới dạng hình trụ và dùng vạch màu để chỉ trị số danh định của nó. Hiện nay điện trở hỗn hợp đang đ−ợc sử dụng rộng rãi vì giá thành rẻ, quy trình sản xuất đơn giản. 2.3.3. Điện trở biến đổi và triết áp. a. Điện trở biến đổi: Chế tạo nh− điện trở dây cuốn không đổi nh−ng có thêm con tr−ợt để thay đổi trị số của điện trở - Hình 2.9 Điện tử biến đổi có trị số đến m−ơi kΩ , kích th−ớc lớn, chủ yếu dùng trong các phòng thí nghiệm . b. Triết áp: Vật liệu, ph−ơng pháp chế tạo, đặc tính kỹ thuật của triết áp cũng giống nh− điện trở t−ơng ứng Nh−ng ở triết áp 3 con tr−ợt luôn chạy trên bộ phận dẫn điện nên 1Hình2.10 độ bền thấp và tạp âm lớn . Cấu tạo triết Triết áp dây cuốn, cấu tạo triết áp dây áp dây cuốn cuốn trình bày trên hình 2.10. ở đây con chạy 1.dây cuốn 2.điện cực kim loại tr−ợt trên dây cuốn để thay đổi điện 3.tiếp điểm trở ra. Triết áp dây cuốn chế tạo có điện trở 2 không quá 20kΩ , công suất danh định 3ữ5w. Triết áp hỗn hợp: Trên bề mặt của đế cách điện ng−ời ta phủ một lớp vật liệu chế tạo phần dẫn của điện trở từ hỗn hợp bột than - hình 2.11 Tuỳ theo dạng của vùng dẫn điện mà sự biến thiên của điện trở sẽ tuân thao quy luật hàm mũ hoặc hàm lôgarit. Triết áp than hỗn hợp có điện trở danh định Rmax= 10Ω ữ 10MΩ với công suất danh định 0,1w ữ 2w, đ−ợc sử dụng Hình2.11 Cấu tạo triết áp bột than 41
rất rộng rãi trong các mạch điện tử. Triết áp dùng lâu thì trên mặt dẫn th−ờng có bụi than làm chất l−ợng giảm. Trong thực tế có thể lau sạch vết bụi than để khôi phục lại chất liệu trên. 2.4 Tụ điện Tụ điện là loại linh kiện tích luỹ năng l−ợng d−ới dạng điện tr−ờng . Trị số điện dung của tụ điện là l−ợng điện tích mà tụ điện tích trữ đ−ợc khi đặt vào hai má của tụ điện một hiệu điện thế 1 v. Một tụ điện gồm có hai điện cực ( hai má tụ) và lớp điện môi đặt gữa hai cực. Trị số điện dung của tụ điện tỷ lệ với diện tích S của điện cực và hằng số điện môi ε, tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai cực. 2.4.1.Phân loại của tụ điện. Tụ điện có thể phân loại theo cấu trúc: - Tụ không đổi : Có trị số điện dung C không đổi. - Tụ bán chuẩn ( Primơ) : Trị số C biến thiên đ−ợc trong một khoảng hẹp. - Tụ xoay : Trị số C biến thiên trong một khoảng t−ơng đối rộng . - Tụ phi tuyến : Trị số C phụ thuộc vào điện áp đặt trên hai má tụ . Tụ điện có thể phân loại theo chất điện môi : - Tụ không khí : Giữa hai má tụ là không khí hoặc chân không . - Tụ dầu : Chất điện môi là một loại dầu tổng hợp cách điện . - Tụ vô cơ : Chất điện môi là các chất rắn vô cơ nh− mica, sứ (gốm), thuỷ tinh. - Tụ hữu cơ : Chất điện môi là giấy, chất dẻo tổng hợp . - Tụ hoá : Chất điện môi là ôxit kim loại đ−ợc hình thành trong quá trình điện phân. Loại tụ này có trị số điện dung lớn nh−ng nó có phân cực d−ơng và âm nên chỉ dùng trong các mạch một chiều ( lọc nguồn) hoặc truyền các tín hiệu âm tần. Tụ có cấu trúc dạng phẳng, dạng ống hoặc cuốn tròn nh− ở hình 2.13. Đối với tụ phẳng hình 2.13a thì trị số điện dung xác định theo công thức: ε .S C = (pF) (2.10) 3,6 π d . ε - hằng số điện môi. S- Diện tích hiệu dụng của một má tụ (cm2). d - Khoảng cách giữa hai má tụ (cm). Nếu tụ đ−ợc nhiều má nh− hình 2.12b thì: εS(n −1) C = (pF) l 2,6πd a) b) c) (2.11). n - Tổng số má tụ của hai nhóm. Hình 2.12 a)tụ phẳng b)tụ phẳng nhiều tấm Nếu tụ hình ống c)tụ hình ống. nh− hình 1.12c thì : 42
2,41εl C = (pF) (2.12). D ln 2 D1 D1, D2 - Đ−ờng kính ống trong và ống ngoài(cm). l - Độ dài ống kim loại (cm). 2.4.2. Các tham số cơ bản của tụ. a. Trị số danh định: Trị số điện dung danh định đ−ợc ghi rõ trên tụ với cả sai số. Trong thực tế th−ờng dùng đơn vị àF (microphara); nF(nanophara) và pF(picrophara). 1pF = 10-12F = 10-6àF = 10-3nF. 1F = 1012pF = 109nF = 106àF. Ng−ời ta sản xuất tụ điện với các cấp chính xác: Cấp 00 sai số ± 1% Cấp 0 sai số ±2% Cấp I sai số ±5% Cấp II sai số ±10% Cấp III sai số ±20% Cấp IV sai số +20% ữ -10% Cấp V sai số +30% ữ -20% Cấp VI sai số +50% ữ -20% Cấp IV, V,và VI là cấp chính xác của tụ hoá. Ngoài ra còn có các tụ với cấp chính xác rất cao dùng trong các thiết bị đặc biệt: Cấp 001 sai số ± 0,1% Cấp 002 sai số ± 0,2% Cấp 005 sai số ± 0,5% Các tụ có kích th−ớc nhỏ phải dùng vạch màu để ghi trị số . Cách đọc vạch màu cũng t−ơng tự nh− ở điện trở . b. Độ bền điện : Khi đặt lên tụ điện áp lớn tụ sẽ bị đánh thủng . Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào phẩm chất và bề dày lớp điện môi. Trên tụ điện có ghi trị số điện áp danh định một chiều. Khi sử dụng tụ trong mạch xoay chiều hoặc mạch xung phải đảm bảo thành phần một chiều cộng với biên độ xoay chiều hoặc biên độ xung không đ−ợc v−ợt quá trị số điện áp danh định. c. Tổn hao trong tụ điện : Trong tụ điện có tổn hao năng l−ợng trong chất điện môi, do điện trở dây dẫn, tổn hao do vỏ bọc, tổn hao do chất tẩm phủ Năng l−ợng tổn hao làm tụ nóng lên ảnh h−ởng đến các tham số của tụ. Tổn hao đ−ợc đánh giá bằng tgδ (δ - góc tổn hao) hoặc hệ số phẩm chất Q: 1 Q= (2.13) tgδ Tụ mica, tụ thuỷ tinh có chất l−ợng cao, tổn hao nhỏ: tgδ ≤ 0,001. Tụ có phẩm chất trung bình thì tgδ cỡ khoảng 0,01 ; Tụ hoá có tổn hao lớn tgδ ≥ 0,1. d. Tính chất tần số của tụ điện 43
ở tần số cao sơ đồ t−ơng đ−ơng của một tụ có dạng đầy đủ nh− ở hình 2.13 Lo- điện cảm riêng của tụ bao gồm điện cảm tạp tán của các má tụ và hai dây dẫn nối với má tụ. ro- điện trở tổn hao trong L 0 r kim loại má tụ 0 R- điện trở tổn hao (điện R trở rò) chất điện môi . Nh− vậy tụ có tần số cộng Hình 2.13.Sơ đồ t−ơng đ−ơg của tụ h−ởng nối tiếp riêng. điện ở tần số cao 2.4.3.Cấu trúc của tụ điện. a.Tụ giấy Hình 2.14 cho thấy cấu tạo của tụ giấy : 1- Điện cực bằng giấy kim loại 2- Điện cực bằng giấy cách điện ( th−ờng gọi là giấy tụ ) 3- Đầu dây dẫn nối ra ngoài. b. Tụ màng mỏng: Để khắc phục phần nào 3 nh−ợc điểm của tụ giấy ng−ời ta thay giấy cách 2 điện bằng màng chất dẻo, do vậy tăng đ−ợc độ cách điện, khả năng chịu nhiệt giảm đ−ợc tổn hao. c. Tụ mica, tụ thuỷ tinh, tụ sứ (gốm). Nhóm tụ này sử dụng lớp điện môi vô cơ nên có đặc tính cứng, ròn, có khả năng chịu nhiệt cao. 1 Cấu tạo của một tụ mica có lớp điện môi là Hình2.14 Cấu tạo tụ giấy những tấm mica có ε = 6,5 ữ 8,5 . Tụ mica là 1.Điện cực kim loại 2.Điện cực bằng giấy tụ loại tụ có chất l−ợng tốt, trị số trong khoảng 3.Đầu dây dẫn nối ngoài 51pF ữ 30.000pF, điện áp danh định 250V ữ 2500V. Tụ thuỷ tinh chỉ khác tụ mica là lớp điện môi là thuỷ tinh, nó có đặc điểm là có thể làm việc ở nhịt độ cao ( 125oc) Tụ sứ làm bằng gốm sứ có độ bền khá cao. Có thể tạo đ−ợc tụ sứ chịu đ−ợc điện áp hàng chục kV. d. Tụ hoá: Tụ hoá có hình dạng nh− ở hình 2.15a Cấu tạo bên trong mô phỏng đơn giản nh− ở hình 2.15b 44
1- Dung dịch điện phân 2- Lớp ôxit nhôm 3- Điện cực bằng nhôm. Lớp ôxit nhôm Al203 bám trên bề mặt cực d−ơng có ε = 7 ữ 10 và chịu đ−ợc điện tr−ờng cao. 3 Tụ hoá có trị số điện dung từ vài àF đến 4 + hàng ngàn àF . Tính dẫn điện của chất điện 1 phân không đối xứng nên tụ hoá có cực d−ơng a) 2 và cực âm. Tụ hoá có điện cực là nhôm hoặc b) Hình2.15 tantal, còn chất điện phân có thể là ôxyt nhôm a)Cấu tao của tụ hoá nh− trên hoặc các chất khác ở thể lỏng hoặc thể 1-Dung dịch điện phân khô. 2-Lớp oxyt nhôm Khi sử dụng tụ hoá phải mắc đúng điện 3-Điện cực cực và điện áp đặt lên tụ phải nhỏ hơn điện áp b)Hình dạng tụ hoá danh định, mặt khác cần l−u ý là tụ hoá tích năng l−ợng lớn có thể gây nguy hiểm ngay cả sau khi tắt máy. 2.5.Cuộn cảm . Cuộn cảm tích luỹ năng l−ợng d−ới dạng từ tr−ờng. Nó đ−ợc cấu tạo từ các vòng dây điện từ cuốn một lớp hay nhiều lớp, có lõi sắt từ hoặc không lõi, có thể bọc kim hoặc không bọc kim. Cuộn cảm đ−ợc đặc tr−ng bởi các tham số cơ bản sau: a. Trị số điện cảm L,, hay còn gọi là hệ số tự cảm . Điện cảm L của một cuộn cảm cuốn một lớp trên lõi cách điện tròn tính theo công thức : π DW22 L = à [àH] (2.16) 4λ à - Độ từ thẩm của lõi từ D - Đ−ờng kính lõi cách điện [cm] l - Chiều dài của cuộn cảm [cm] W - Số vòng dây Cuộn cảm nhiều lớp không lõi từ tính theo công thức gần dúng sau đây: 0,8. D2 tb w2 L = [àH] (2.17) 3 D tb+ 9l +10t Trong đó Dtb -đ−ờng kính trung bình lớp dây cuốn -cm;t-bề dầy lớp dây cuốn-cm. Trong kỹ thuật vô tuyến điện tử ng−ời ta sử dụng các cuộn cảm có trị số nằm trong khoảng từ vài phần ngàn microhenri (àH) đến vài henri. Ng−ời ta dùng các cuộn cảm có lõi ( lõi có thể là sắt từ hoặc đồng, nhôm ) để thay đổi trị số điện cảm L. b. điện dung riêng Co : 45
Sơ đồ t−ơng đ−ơng đầy đủ của một cuôn cảm có dạng nh− ở hình 2.16 .ở đây rd - điện trở tổn hao của dây cuốn , rC - điện trở tổn hao trong chất cách điện, Co - điện r dung riêng của cuộn cảm. Chính điện dung d riêng hạn chế tần số làm việc ở dải cao của L cuộn cảm. C 0 rc Điện dung riêng Co bao gồm điện dung giữa các vòng dây, điện dung giữa các vòng dây với vỏ bọc cuộn cảm và đế máy. Nó có thể Hình2.16.Sơ đồ t−ơng đ−ơng lên tới vài chục pF. của suộn cảm 1 Cuộn cảm phải làm việc ở tần số f < .f 3 o trong đó 1 f0 = (2.16) 2π LC0 c. Hệ số phẩm chất của một cuộn cảm xác định theo công thức: ω L Q = (2.17) R Trong đó R =rf +rđ + rbk + rt rf- Điện trở tổn hao của cuộn dây đối với dòng cao tần. rđ - Điện trở tổn hao điện môi trong khung của cuộn cảm và bọc cách điện của dây dẫn cuộn cảm . rbk - Điện trở tổn hao tính đến năng l−ợng tổn hao điện từ tr−ờng trong hộp bọc kim . rt- Điện trở tổn hao tính đến tổn hao trong lõi của cuộn cảm Hệ số phẩm chất của một cuộn cảm không chỉ phụ thuộc vào tần số mà còn phụ thuộc vào cấu tạo a) b) ( vật liệu dẫn điện, cách điện, kết cấu ),kích th−ớc hình học của cuộn cảm . Để tăng hệ số phẩm chất của cuộn cảm ng−ời ta chập dây thành nhiều sợi để cuốn cuộn cảm . Cuộn cảm đ−ợc cuốn trên đế hình ống bằng giấy c) hoặc bằng nhựa thành từng ngăn (Hình 2.17a) ,hoặc cuốn trơn(Hình 2.17b) hoặc nhiều lớp "tổ Hình 2.17 Hình dạng các cuộn dây th−ờng gặp trong kỹ thuật ong" (Hình 2.17c). 46
Ch−ơng 3 các dụng cụ bán dẫn 3.1 Cơ chế bán dẫn 3.1.1. Bán dẫn thuần Các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep nh− Gecmani(Ge), Silic(Si) là những nguyên tố có 4 điện tử lớp ngoài cùng. ở điều kiện bình th−ờng các điện tử đó tham gia Ge Ge Ge liên kết hoá trị trong mạng tinh thể nên chúng không dẫn điện . Hình 3.1 trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể Ge Ge Ge Gecmani, Ge trong đó mỗi nguyên tử đem 4 điện tử ngoài cùng của nó góp Ge Ge với 4 nguyên tử khác tạo thành các cặp điện tử hoá trị ( ký Hình 3.1 Cấu trúc hiệu bằng dấu chấm ). Khi đ−ợc kích thích năng l−ợng, một mạng tinh thể số điện tử có thể bứt ra khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do Gecmani dẫn điện nh− trong kim loại. Nh− vậy chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện. Bán dẫn nh− vậy gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn đơn chất 3.1.2. Bán dẫn tạp Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn ng−ời ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn thuần để đ−ợc bán dẫn mới có nồng độ các hạt dẫn cao. a. Bán dẫn loại cho n Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V của bảng hệ thống tuần hoàn Medeleep vào bán dẫn thuần thì một nguyên tử tạp chất với 5 nguyên tử lớp ngoài cùng sẽ có 4 nguyên tử tham gia liên kết với 4 nguyên tử bán dẫn , còn lại là một điện tử tự do. Ví dụ trên hình 3.2 là bán Ge Ge Ge điện tử dẫn Gecmani Ge đ−ợc trộn với asen As. Tạp chất ở đây Ge As Ge đã cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho ”, ký tự do hiệu là n. Hạt dẫn (động tử)chính ở bán dẫn loại “cho ” Ge Ge Ge n là điện tử với mật độ n . n Hình3.2 Cấu tạo bán dẫn n b. Bán dẫn loại lấy p Nếu ta trộn vào Indi (In)thuộc nhóm III của bảng tuần Ge Ge Ge hoàn thì để tạo đ−ợc 4 cặp điện tử liên kết hoá trị ví 4 Ge In Ge lỗ trống nguyên tử bán dẫn.ngoài 3 điện tử của một nguyên tử In Ge Ge Ge sẽ có một điện tử của nguyên tử Ge lân cận đ−ợc lấy Hình3.3Cấu tạo bán vào. Chỗ mất điện tử sẽ tạo thành lỗ “trống ” mang điện dẫn loại p tích d−ơng(hình 3.3).Các “lỗ trống ” đ−ợc tạo thành hàng loạt sẽ dẫn điện nh− những điện tích d−ơng. Bán dẫn loại này có tạp chất lấy điện tử nên gọi là bán dẫn 47
loại “lấy” ký hiệu là p. ở đây hạt dẫn chính là “lỗ trống”với mật độ là pp. Cần nói thêm rằng bán dẫn loại cho n có hạt dẫn phụ là lỗ trống với nồng độ pn, trong bán dẫn loại “lấy” có hạt dẫn phụ là điện tử với mật độ là nP. Nghĩa là pP ≥ nP và nn >pn. 3.1. 3. Một số hiện t−ợng vật lý trong bán dẫn Trong bán dẫn tạp cũng nh− bán dẫn thuần diễn ra một số quá trình vật lý ảnh h−ởng đến tính chất dẫn điện của chúng. Ta xét các hiện t−ợng đó. a. Hiện t−ợng ion hoá nguyên tử Khi nguyên tử bị ion hoá sẽ phát sinh các hạt dẫn tự do. Kết quả nghiên cứu cho thấy tích số của hai nồng độ hạt dẫn chính và phụ trong bất cứ một bán dẫn tạp nào ở điều kiện cân bằng là một hằng số: nP.pP = nn.pn = const (3.1) Từ (3.1) ta thấy nếu tăng nồng độ của hạt dẫn loại này lên bao nhiêu lần thì nồng độ của hạt dẫn loại kia sẽ giảm đi bấy nhiêu lần. Nh− vậy muốn thay đổi nồng độ của động tử (hạt dẫn)trong bán dẫn tạp ta cần thay đổi nồng độ động tử trong bán dẫn thuần. + Trong bán dẫn loại n số điện tử tự do luôn bằng số ion d−ơng ND ; còn trong - bán dẫn loại p số “lỗ trống ” luôn luôn bằng số ion âm NA của tạp chất. b. Hiện t−ợng tái hợp của hạt dẫn Trong bán dẫn các ion luôn có thể nhận điện tích để trở thành nguyên tử trung tính. Đó là hiện t−ợng tái hợp. Nh− vậy cứ một lần tái hợp thì trong bán dẫn lại mất đi một cặp điện tích và bán dẫn lại chuyển sang một trạng thái mới. Khi đó cần quan tâm đến sự gia tăng nồng độ của các hạt dẫn phụ vì chúng có vai trò quyết định trong cơ chế phát sinh dòng điện trong các dụng cụ bán dẫn mà ta sẽ nghiên cứu sau này. Trong bán dẫn loại n, sự giảm nồng độ lỗ trống theo thời gian ( sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong điều kiện nồng độ điện tử cao) là ∆p(t) thì t − τ p ∆p(t) = ∆P(0) e (3.2) Trong đó ∆P(0) - l−ợng lỗ trống tại thời điểm t = 0 ( là thời điểm sau quá trình sinh hạt. τP - thời gian sống của lỗ trống trong bán dẫn loại n. Nó đ−ợc định nghĩa là khoảng thời gian mà l−ợng lỗ trống giảm đi e lần. T−ơng tự trong bán dẫn loại P : t − τ n ∆n(t) = ∆n(0) e (3.3) τP, τn quyết định tính tác động nhanh ( tần số làm việc) của các dụng cụ bán dẫn. c. Chuyển động trôi (gia tốc) của các hạt dẫn trong điện tr−ờng: 48
D−ới tác dụng của điện tr−ờng E các hạt dẫn (các điện tích) sẽ chuyển động gia tốc theo h−ớng của điện tr−ờng tạo nên dòng trôi Itr : Itr = qE(n.àn + p.àP) = Itr n + ItrP (3.4) Trong đó : q - điện tích hạt dẫn E - C−ờng độ điện tr−ờng n,p - Nồng độ điện tử và lỗ trống àn, àP - là các hệ số gọi là độ linh động của điện tử vàl ỗ trống. d. Chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn: Do sự chênh lệch về nồng độ mà các hạt dẫn sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, tạo thành dòng khuếch tán Ikt . Mật độ của dòng khuếch tán theo ph−ơng giảm của nồng độ có dạng: dn I = q.D . (3.5) ktn n dx dp I = q.D . (3.6) ktp P dx Dn, DP - các hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống 2 2 Dn = 32 cm /s ; DP = 12 cm /s (3.7) 3.2. Mặt ghép n-p 3.2.1.Sự hình thành mặt ghép n-p Mặt ghép n-p là cơ sở để tạo nên hầu hết các dụng cụ bán dẫn và vi mạch. Chúng đ−ợc hình thành nh− sau: -+ Cho hai đơn tinh thể bán dẫn n và p tiếp xúc với nhau ( bằng công nghệ đặc biệt). Trong bán dẫn loại n hạt dẫn chính là điện tử, hạt dẫn phụ là lỗ trống ; trong bán dẫn loại p hạt dẫn chính là lỗ trống và hạt dẫn phụ là điện tử. Do có sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn cùng loại giữa hai khối bán dẫn nên điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p và ng−ợc lại lỗ trống từ lớp p khuếch tán sang lớp n. Sau khi các điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p để lại bên n một lớp ion d−ơng ở gần bờ của vùng tiếp xúc. T−ơng tự nh− vậy, các lỗ trống khuếch tán sang n s ẽ tạo nên một lớp ion âm ở bên p gần bờ vùng tiếp xúc (hình 3.4a). Khi đạt trạng thái cân bằng, hai bên của mặt tiếp xúc đã hình thành hai miền điện tích trái dấu ( miền điện tích d−ơng ở bán dẫn n, miền điện tích âm ở bán dẫn p) . Ng−ời ta gọi chung miền điện tích này là miền điện tích không gian hay miền nghèo động tử vì hầu n− không có động tử . Miền này có tính dẫn điện đặc biệt gọi là mặt ghép điện tử lỗ trống hay mặt ghép n-p. Sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống không phải diễn ra vô hạn. Khi hình thành hai lớp điện tử trái dấu thì nghiễm nhiên đã hình thành một điện tr−ờng h−ớng từ bán dẫn n sang bán dẫn p gọi là điện tr−ờng tiếp xúc Utx (hình 3.4a). Bề dày của lớp nghèo động tử này là l0 = l0P + l0n ,phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu nồng độ tạp chất ở hai miền là nh− nhau thì l0P = l0n . Thông th−ờng một mặt 49
ghép chế tạo với nồng độ lỗ trống ở p lớn hơn nồng độ điện tử ở n nên l0n>> l0P. Điện tr−ờng tiếp xúc Utx có chiều cản các hạt dẫn chính nh−ng lại gây ra dòng trôi của các hạt dẫn phụ, có chiều ng−ợc lại với chiều của dòng khuếch tán. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi dòng khuếch tán bằng dòng trôi thì dòng qua mặt ghép sẽ bằng không. Đến đây coi nh− đã hình thành xong mặt ghép n-p. ở điều kiện tiêu chuẩn hiệu điện thế tiếp xúc cỡ 0,3V đối với bán dẫn Ge, cỡ 0,6V với bán dẫn Si. 3.3.2. Phân cực mặt ghép bán dẫn bằng điện tr−ờng ngoài. a, Mặt ghép n-p phân cực thuận. Nếu ta đấu lớp p với cực d−ơng, lớp n với cực âm của một điện tr−ờng ngoài nh− hình 3.4b thì mặt ghép n-p đ−ợc phân cực thuận. Lúc này sự cân bằng của dòng khuếch tán và dòng trôi Ikt=Itr bị phá vỡ. Điện tr−ờng ngoài có chiều ng−ợc với điện tr−ờng tiếp xúc Ut x . Lúc này nguồn ngoài chủ yếu sẽ đặt lên vùng mặt ghép l0 vì điện trở khối của vùng này lớn, làm cho dòng khuếch tán tăng lên. Ng−ời ta nói rằng mặt ghép n-p lúc này thông hoặc mở và sẽ có hiện t−ợng phun các hạt dẫn chính qua miền tiếp xúc l0 . Trong khi đó dòng trôi do Utx gây ra là không đáng kể vì Utx giảm do điện tr−ờng ngoài tác động ng−ợc chiều. Bề rộng của miền tiếp xúc lúc này co lại l l0. Nh− vậy mặt ghép n-p dẫn điện theo một chiều nh− một van điện, khi đ−ợc phân cực thuận thì dòng thuận lớn, khi phân cực ng−ợc thì dòng ng−ợc rất nhỏ. 3.3 Điôt bán dẫn 3.3.1Cấu tạo của điôt bán dẫn Điôt bán dẫn đ−ợc cấu tạo từ một mặt ghép n-p với mục đích sử dụng nó nh− một van điện . Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp n và p mà ng−ời ta gọi là điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt. ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu nh− chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điôt có thể làm việc đ−ợc ở tần số cao. Điôt tiếp điểm đ−ợc sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện nh− tách sóng, điều chế, biến tần Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp n và p a) b) có điện tích đủ lớn nhằm chịu đ−ợc dòng lớn điện để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh l−u. Trong sơ đồ nguyên lý điôt thông th−ờng đ−ợc Hình 3.5 a) ký hiệu diot ký hiệu nh− ở hình 3.5a, còn hình 3.5b là ký hiệu của b)ký hiệu diot ổn áp 50
điôt ổn áp. Trên ký hiệu A-anot- cực d−ơng ứng với lớp p, K-catot - cực âm ứng với bán dẫn loại n. 3.3.2. Đặc tính von - ampe (V/A) của điôt Đặc tính V/A của điôt là quan hệ giữa dòng điện qua điôt và điện áp một chiều đặt lên nó. Sơ đồ để lấy đặc tính mắc nh− ở hình 3.6a .Nếu nguồn đ−ợc mắc có cực tính nh− trên hình 3.6a thì điôt đ−ợc phân cực thuận, vonkế đo điện áp thuận trên điôt, ampe kế đo dòng thuận qua điôt. Đặc tính có dạng nh− trên hình 3.6b. Khi điện áp phân cực thuận tăng thì dòng thuận tăng nhanh. Ng−ời ta chứng minh đ−ợc rằng dòng thuận tăng theo quy luật hàm mũ: U + a) I m.U t b) I = I0 (e −1) (3.8) ER A Trong đó : U - điện áp thuận; U ≅ 0,25mV - t V gọi là điện thế nhiệt; m = 1ữ2 - hệ số hiệu _ A 0 U chỉnh giữa lý thuyết và thực tế; I0 - dòng bão hoà ng−ợc (gần nh− không phụ thuộc U , phụ B thuộc vào hạt dẫn phụ lúc cân bằng, vào bản Hình3.6.C chất của bán dẫn tạp và vào nhịêt độ môi a)Sơ đồ lấy đặc tính của diot tr−ờng). Nếu đổi chiều nguồn ngoài thì điôt b) Đặc tính Von-Ampe của diot phân cực ng−ợc. Trong đoạn 0A khi phân cực ng−ợc, dòng qua điôt là dòng ng−ợc -12 2 -6 2 bão hoà I0 khá nhỏ(có mật độ là10 A/cm đối với điôt Silic và 10 A/cm với điôt Gecmani) và phụ thuộc vào nhiệt độ môi tr−ờng. ở đoạn AB dòng điện tăng vọt vì điện áp phân cực ng−ợc đủ lớn để phá vỡ các liên kết hoá trị. Lúc này các điện tử hoá trị nhảy từ mức hoá trị lên mức dẫn, điôt mất tính chất van điện. Ng−ời ta nói mặt ghép lúc này bị đánh thủng về điện . Hiện t−ợng đánh thủng này xảy ra do hai hiệu ứng : - ion hoá do va trạm : Do các hạt thiểu số đ−ợc gia tốc trong điện tr−ờng mạnh nên chúng va chạm với các nút mạng tinh thể , làm cho các mối liên kết giữa các nguyên tử biến dạng hoặc bị ion hoá tạo thành các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các cặp này lại tiếp tục va chạm gây nên hiện t−ợng ion hoá mới. Kết quả là các điện tử và lỗ trống tăng lên theo kiểu “thác lũ” , nên đánh thủng này gọi là đánh thủng thác lũ. - Hiệu ứng xuyên hầm (tunen) : Khi điện tr−ờng ng−ợc lớn có thể phá vỡ các mối liên kết nguyên tử trongvùng hoá trị tạo thành các điện tử và lỗ trống tham gia dẫn điện .Điều này t−ơng ứng với các điện tử từ vùng hoá trị v−ợt lên vùng dẫn xuyên qua vùng cấm, gọi là sự xuyên hầm . Khi đánh thủng về điện, dòng điện ng−ợc tăng lên đáng kể trong khi điện áp hầu nh− không tăng . ở đoạn BC, mặt ghép bị đánh thủng về nhiệt do bị nung nóng bởi dòng ng−ợc quá lớn và mặt ghép bị phá huỷ hoàn toàn. 51
3.3.3. Các thông số của điôt : Khi sử dụng điôt ng−ời ta quan tâm đến các thông số sau của điôt: 1) Dòng thuận cực đại Imax , đó là dòng thuận mà điôt còn chịu đ−ợc khi nó ch−a bị thủng ( nhiệt ) . 2) Công suất cực đại Pmax trên điôt khi điôt ch−a bị thủng . 3) Điện áp ng−ợc cực đại Ung max - điện áp phân cực ng−ợc cực đại của điot khi điôt ch−a bị đánh thủng. 4) Tần số giới hạn fmax của điôt - là tần số lớn nhất mà tại đó điôt ch−a mất tính chất van. 5) Điện dung mặt ghép : Lớp điện tích l0 t−ơng đ−ơng với một tụ điện gọi là điện dung mặt ghép n-p . ở tần số cao lớp điện dung này quyết định tốc độ đóng mở của điôt khi nó làm việc nh− một khoá điện, tức là điện dung mặt ghép n-p quyết định fmax. 6) Điện trở một chiều R0 (hình 3.7): UM I R0M = (3.9) IM R0 M = cotg β. IM 7) Điện trở xoay chiều của điôt: M dU R = = cotgα. (3.10) β α dI UM U dI 1 Hình3.7 S = = (3.11) Xác đinh tham số của diot trên dU R đặc tuyến Von-Ampe S - hỗ dẫn của điôt, S = tgα 8) Điện áp mở của điôt : Là điện áp UD để dòng thuận qua điôt đạt 0,1 Imax. 3.4 Tranzisto l−ỡng cực . Nếu trên một đế bán dẫn ta tạo ra hai mặt ghép n-p liên tiếp nhau thì ta có một tranzisto l−ỡng cực (bipolar ) hay đơn giản quen gọi là tranzisto . Tranzisto có khả năng khuếch đại E E tín hiệu giống nh− đèn điện tử ba cực, p p C n n C Tranzisto đóng vai trò rất quan trọng n p trong các mạch điện tử nên ta cần nghiên cứu tỉ mỉ nguyên lý làm việc và a)B B b) C các thông số của nó . E E C 3.4.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Tranzisto có hai mặt ghép n-p cấu tạo từ B B ba lớp bán dẫn tạp khác tính nên nó có Hình 3.8 Cấu tạo và ký hiệu thể là p-n-p hoặc n-p-n (hình 3.8) loại a)Của tranzisto thuận tranzisto p-n-p có cấu trúc và ký hiệu b) Của tranzisto ng−ợc nh− ở hình 3.8a gọi là tranzisto thuận, 52
loại tranzisto n-p-n hình 3.8b gọi là tranzisto ng−ợc. Hai loại tranzisto này có cấu tạo khác nhau nh−ng nguyên lý làm việc t−ơng tự nhau . Sự khác nhau ở đây là nguồn phân cực cho hai loại tranzisto này ng−ợc tính nhau. Vì vậy chỉ cần xét nguyên lý làm việc của một loại là có thể suy ra loại kia. Ví dụ ta xét cấu tạo và nguyên lý làm việc cuả tranzisto thuận p-n-p. Cấu tạo của một tranzisto trình bày trên hình 3.9a.Miền bán dẫn thứ nhất gọi là cực phát - cực Emitơ hay cực E, đó là miền có nồng độ tạp chất lớn, tức là nồng độ lỗ trống lớn. Miền thứ hai là miền n gọi là miền cực gốc hay cực bazơ hay B. Miền này vừa mỏng (cỡ vài àm) lại vừa nghèo điện tử (nồng độ tạp chất nhỏ). Miền thứ ba là miền cực góp hay cực colectơ hay cực C có DE r D E p C E C p n nồng độ tạp chất trung bình. Cả ba miền cực đều có chân để nối B C ra ngoài để hàn vào mạch. Mặt a) B b) ghép n-p giữa E và B gọi là mặt Hình 3.9 a)Cấu tạo b) và các mặt ghép ủa tranzisto ghép Emitơ, mặt ghép n-p giữa C và B - mặt ghép colectơ . Nh− vậy về mặt cấu trúc có thể coi tranzisto l−ỡng cực nh− hai điôt mắc nối tiếp nhau qua điện trở khối rB của miềncực B. Tuy nhiên không thể dùng 2 điôt mắc nối tiếp nhau để đ−ợc 1 tranzisto vì trong tranzisto do cấu tạo nh− trên nên hai điôt (hai mặt ghép ) có tác dụng t−ơng hỗ với nhau qua C miền bazơ . Hiệu ứng “tranzit” chỉ IC I C xảy ra khi khoảng cách giữa hai C mặt ghép nhỏ hơn nhiều so với độ B _ B _ EC dài khuếch tán của hạt dẫn. IB + EC + IB Để cho tranzisto thuận làm việc _ E _ ta phân cực nó nh− ở hình 3.10. + E IE B + E IE Với cách đấu nguồn nh− trên mặt B E ghép Emitơ đ−ợc phân cực thuận, Hình 3.10 Cấp nguồn(phân cực) cho tranzisto mặt ghép colectơ phân cực ng−ợc. thuận Vì mặt ghép Emitơ phân cực thuận nên lỗ trống từ miền E phun vào miền Bazơ. Các lỗ trống này tạo nên dòng cực phát IE. Các hạt này vào miền bazơ trở thành hạt thiểu số ( hạt dẫn phụ của bazơ) và đi sâu vào miền bazơ h−ớng tới mặt ghép colectơ. Trên đ−ờng đi một số tái hợp với điện tử (hạt đa số) tạo nên dòng bazơ IB còn lại đa số đạt tới mặt ghép colectơ vì miền bazơ rất mỏng(tức là đã xẩy ra hiệu ứng "tranzit"). Tới đây nó bị tr−ờng gia tốc của cực colectơ (do mặt ghép colectơ phân cực ng−ợc ) cuốn sang miền cực góp tạo thành ( ) dòng cực góp IC * . Nh− vậy IE = IB +IC (3.12) (*) Thực ra các quá trình vật lý diễn ra trong tranzisto khá phức tạp . Trên đây chỉ trình bày các nét chính của quá trình vật lý đó 53
Tuy nhiên trong thành phần dòng colectơ còn có dòng ng−ợc của mặt ghép colectơ. Vì vậy : IC = α IE + IC 0 (3.13) α IE là phần dòng do lỗ trống “tranzit” sang cực C IC 0 - dòng ng−ợc của mặt ghép colectơ (xem hình 3.6b)th−ờng thì IC 0 rất nhỏ nên có thể coi IC ≈ α IE . I α = C (3.14) I Ε α gọi là hệ số truyền dòng điện (cực phát ) ,nó đánh giá độ hao hụt dòng điện khuếch tán trong vùng bazơ .(α = 0,9 ữ 0,999) Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng bazơ đối với dòng colectơ ng−ời ta th−ờng dùng hệ số truyền (khuếch đại) dòng bazơ β : I β = C (3.15) I Β Vậy IE = IC + IB = (1+β)IB IC βIβ β α = = = (3.16) IΕ ()1+ β Iβ 1+ β β 1 α = và β = 1+ β 1 − α Tất cả các kết luận trên đều đúng cho tranzisto ng−ợc. Phân cực cho tranzisto ng−ợc n-p-n có chiều ng−ợc với hình 3.10 3.4.2.Họ đặc tuyến tĩnh của tranzisto. Các họ đặc tính I 2 I2 tĩnh của tranzisto I12I đ−ợc xác định tuỳ a) I1 I1 U2 U1 U2 U U2 theo cách mắc 1 tranzisto. U1 Tranzisto có ba Mắc ECMắc BC Mắc CC I1 I2 cách mắc gọi theo UU1 Tranzistor 2 cực chung giữa b) đầu vào và đầu ra Hình 3.11.a)các cách mắc tranzisto.b)Tranzistor nh− một mạng gọi là mắc emitơ bốn cực chung EC, bazơ chung BC và colectơ chung nh− trên hình3.11a. Để tiện cho việc xác định các tham số của tranzisto ng−ời ta coi tranzisto là một mạng 4 cực tuyến tính nh− hình 3.11b. Lúc đó ta có các hệ ph−ơng trình đặc tr−ng: 54
Hệ ph−ơng trình trở kháng: U1 = f1 (I1,I2) = r11I1 + r12I2 U2 = f2 (I1,I2) = r21I1 + r22I2 (3.17) Hệ ph−ơng trình điện dẫn : I1 = g1 (U1, U2) = g11U1 + g12 U2 I2 = g2 (U1, U2) = g21U1 + g22 U2 (3.18) Hệ ph−ơng trình hỗn hợp : U1 = h1 (I1, U2) = h11I1 + h12U2 (3.19). I2 = h2 (I1, V2) = h21I1 + h22U2 Trong đó rij, gij, hij, t−ơng ứng là điện trở điện dẫn và tham số hỗn hợp của tranzisto: ∂u1 r11 = = h11 - Điện trở vi phân đầu vào của tranzisto ∂I1 I 2 =const ∂u2 r22 = =1/h22 - điện trở vi phân đầu ra của tranzisto. ∂I2 I 1 =const ∂I2 h21 = -Hệ số khuếch đại dòng điện vi phân ∂I1 U 2 =const U2=const ∂ I 2 g 21 = = 1/r12 = S - hỗ dẫn thuận (truyền đạt của tranzisto ) ∂ U 1 U 2 = const Họ đặc tuyến tĩnh của tranzisto thiết lập các quan hệ giữa các dòng điện và điện áp của tranzisto trong chế độ không có tín hiệu (chế độ tĩnh ). Họ này xác định theo hệ (3.19) là tiện hơn cả: mA Họ đặc tuyến vào U1 = f(I1) khi - - U2= const;Họ đặc tuyến hồi tiếp U1 = f(U2) khi I1 = const;Họ đặc R2 EB R1 EC tuyến truyền đạt I2 = f(I1) khi U2 = àA const;Họ đặc tuyến ra I2 = V2 f(U2) khi I1 = const. V1 Nh− vậy với cách mắc + + khác nhau thì họ đặc tuyến của tranzisto sẽ khác nhau. Hình 3.12 Sơ đồ lấy đặc tuyên của tranzisto thuận Tuy nhiên cách thông dụng nhất là mắc Emitơ chung, nên ta xét họ đặc tuyến của cách mắc này. Đối với cách mắc Emitơ chung có thể lấy họ đặc tuyến theo sơ đồ 55
hình 3.12 (tranzisto công suất nhỏ ). Trong sơ đồ này àA-microampe kế dùng đểđo dòng bazơ IB, mA- miliampe kế dùng để đo dòng côlectơ IC , V1 - von kế thứ nhất để đo dòng điện áp UBE, V2 - von kế thứ hai dùng để đo điện áp UCE ; R1, R2 - hai triết áp chỉnhUBE và UCE. a)Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) = f(UB) khi UCE = UC = const Để lấy họ đặc tuyến vào ta giữ cho điện áp UCE (ể đơn giản gọi là UC ) không thay đổi, ghi các giá trị IB và UB t−ơng ứng vào bảng. Thay đổi giá trị UC rồi lặp lại phép đo ta đ−ợc đ−ờng cong thứ hai (hình 3.13a). Đặc tuyến này giống nh− đặc tuyến của điốt khi phân cực thuận. Thật vậy IB là một phần của dòng IE chảy qua mặt ghép Emitơ phân cực thuận. ứng với một UB nhất định dòng IB càng nhỏ khi UC càng lớn vì điện áp UC càng lớn thì số hạt bị cuốn sang miền cực C càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ và đến đ−ợc cực B càng ít nên dòng IB nhỏ đi. Vì vậy khi tăng UC (trị tuyệt đối) họ đặc tuyến dịch sang phải. b. Đặc tuyến ra : Là đặc tuyến IC = f(UC ) khi IB =const. Để lấy đặc tuyến này giữ cho IB ở giá trị cố định nào đó, thay đổi UC và lập bảng IB àA UC=2v UC=6v 150 a) 100 50 UB 0,5 1,0 1,5 v IC mA IB=100àA c) b) 5 IB=80àA 4 Đặc tuyến truyền IB=60àA đạt UC=6v 3 IB=40àA UC=2v 2 1 IB=20àA Iβ àA 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 IC V Hình3.13 a) Đặc tuyến vào b)Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra . 56