Bài giảng môn học Điện tử cơ bản

1GT. ĐIỆN TỬ CƠ BẢN ÔN TẬP – CÔNG THỨC 2A. Các định luật mạch điện • Định luật Kirchhoff về thế , về dòng • Định lý Thevenin VTH, RTH, Norton IN, RN = RTH • Công thức cầu chia thế • Công thức cầu chia dòng • Nguyên lý chồng chập (xếp chồng) y= y1(t) + y2(t) 1 0 n j j i   1 0, n k k V   Mạch x1 x2 3B.Cách hoạt động và công thức linh kiện • Nối pn- Diod • MOSFET • BJT • Op.Amp. 41. MOSFET 5• Biểu thức điện thế và dòng điện a.Biểu thức điện thế Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm có VDSbh cho bởi: VDSbh = VGS – VTH (1). b. Biểu thức dòng điện thoát ID. - Trong vùng điện trở : VGS < VTH hay VDS < VGS – VTH ta có ID = k[ 2( VGS-VTH)VDS – (VDS) 2] (2) - Trong vùng bão hoà :VGS >VTH hay VDS > VGS-VTH ta có : ID = k(VGS – VTH ) 2 (3) k=K/2 hằng số tuỳ thuộc linh kiện . Transistor nối lưỡng cực-BJT • Công thức dòng điện • Phân cực: - Tính điểm tĩnh điều hành ( IB,IC, VCE) - Đường tải tĩnh (DCLL) • Khuếch đại ( chế độ động, AC): • - Tính Ri, AV, AI, Ro • Ba cách ráp: CE, CB, CC ( hay EF) 6 1 E C B C E C B I I I I I I I            7.Biểu thức dòng điện trong BJT ( ráp CE) • Theo định luật Kirchhoff ta có: IE = IB + IC (1) • Theo cách hoạt động của BJT vừa xét có: IE = InE + IpE = InE (2) IC = Inc + Ico (3) Gọi hệ số truyền đạt dòng điện phát – thu : số đ t td đến cực thu InC IC sốđttd phát đ từ cực phát InE IE Thay vào (3) cho: Ic = IE + ICO = IE + ICBO (4)     1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 8.Cách ráp cực phát chung ( CE-common emitter) Do: Tín hiệu vào nền – phát BE Tín hiệu ra thu – phát CE Cả 2 ngõ vào và ra có cực phát chung Vo+ - vi Q RB RC Ci Co RL + VBB + VCC 9Mạch tương đương (AC)   1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 CB E - vce + - vbe + Bib ic - e - vce c + vbe B + rbb rc re rbe rc ib ie ib ic 10 C. Phân tích các thành phần phi tuyến • Cách gần đúng thứ nhứt • Cách gần đúng thứ hai • Cách gần đúng thứ ba • Phương pháp giải tích • Phương pháp đồ thị           2 2 2 1 .... 2! D D D D D D D D D DD D df v d f v i f V v v v V v Vdv dv              DD D D D DD df v i f V v v Vdv     11 12 D. Cổng logic • Các định luật đại số Boole • Phương pháp rút gọn hàm logic • Các cổng logic: AND, OR, NAND, NOR • Logic tổ hợp • Logic tuần tự vGS> VTH S = 1VVT ON G D vGS<VTH S OFF D G iDS 13 Inverter (Maïch Ñaûo) V DD = 5 V R L B A v out 5V 0 V T =1V 5V v in =/ABA 14 Cách hoạt động chế độ giao hoán • Khi không có xungvào:MOSFET không dẫn . Ta có: +VDD RD Vo • Khi có xung vào: MOSFET dẫnR RDS(off) Ta có: +VDD Vo RDS(ON)   ( ) ( ) ( ) 20 20 1 DS DD OHo DD D DS offR off V VV V offR R V V k           ( ) ( ) 0 ( ) 10 20 0,198 0,2 1 10 DS OLo DD D DS onR on V VV V onRR V V V k           15 Möùc ñieän theá logic qui ñònh cuûa MOSFET: V OH max V IHmax V OHmin NM V IHmin NM V ILmax V OLmax V OLmin V ILmin 1 V OH 1 V OH min V IHmin Sender Receiver V IL max 0 V OL max 0 0 0 Khoâng xaùc ñònh Möùc logic 1 Möùc logic0 Möùùc logic1 Khoâng xaùc ñònh Möùc logic 0 Khoâng xaùc ñònh Leà nhieãu Leà nhieãu max min min max OH OL IHNMH NML IL V V V V V V     16 • Hàm số truyền ra – vào vo Vo = f(vi) VS VOH VOL 0 VTHVIL VIH VS vi(V) vo(V) 5V 4,4 V 0,5V 0 1 1,6 3,2 5 Vi(V) Thí dụ: Cho Vs = 5V, VOH =4,4V, VOL = 0,5V ViH = 3,2V, ViL=1,6C 17 E. Khuếch đại tín hiệu lớn • MOSFET • Điện thế ra cho bởi 1 1 2 L S TH I TH L KR V V v V KR       Daûi ñieän theá ngoõ vaøo cöïc đaïi: Daûi ñieän aùp ra cöïc ñaïi: Daûi dong thoaùt töông öùng: 1 1 2 L S S L KR V V KR       2 0 2 THI K v V  GS TH THDS GS v V v v V      2 2 i TH L O S K v V R v V    18 Ñoä lôïi ñieän theá coøn goïi laø haøm soá truyeàn: Vs vo cutoff Bieân ñoä cuûa v o vuøng (v i – V TH ) ñoä doác lôùn Vs hôn moät MOSFET trong vuøng baûo hoaø V TH v i vôùi ( v O > v i – V TH vaø v i V TH ) Vuøng diod (v o <(v i – V TH vaø v i V TH ) V TH v i   2 S i TH LO V i i V K v V Rv A v v        19 • Dưới dạng: • Với thành phần DC và thành phần gia tăng: • Đồ thị biểu diễn: iDS Nhận xét: iD Ids Điểm phân cực ID Vgs gm hệ số hỗ dẫn Vá: VGS = VI 0 vTH VI vi vGS     2 2 I TH D D d I TH i K V V i I i K V V v           2 , 2 D I TH d I TH i K I V V i K V V v       2 2 GS TH K v V     2 . ., 2 D I TH d I TH i m i K I V V h s DCbias i K V V v g v       20 Thí duï 2 : Cho maïch khueách ñaïi MOSFET nhö thí duï 1, MOSFET hoaït ñoäng trong ñieàu kieän baûo hoaø vôùi daûi ñieän theá vaøo 1V 1,9V, ta phaûi choïn ñieän theá vaøo ñieåm hoaït ñoäng taïi trò soá trung taâm daûi ñoäng ñoù, goïi V i = 1,45V. Söï choïn löïa naøy ñöôïc bieåu dieãn treân hình veõ laïi döôùi ñaây: i D (mA) 0,5 0,41 V GS = 1,9V Ñieåm hoaït ñoäng Q(4V, 0,1 mA) 0,1 v GS = 1,45V v GS = 1 V 0 0,9 4 5 v DS Ta bieát ngoõ ra thay ñoåi giöõa 0,9V vaø 5V khi ngoõ vaøo thay ñoåi giöûa 1V vaø 1,9V. 21 Tính ñöôïc ñieän theá ngoõ ra: vo Vaø: 5V 4V [1,45V,4V] Do ñoù ñieåm hoaït ñoäng cuûa maïch 0,9V khueách ñaïi: 0 1V 1,45V 1,9V v I V I = 1,45V 0,45 0,45 V O = 4V I D = 0,1 mA Ñieåm hoaït ñoäng ñoù laøm cöïc ñaïi trò soá ñænh – ñænh ñieän theá vaøo ñu ñöa (swing) Ñeå cho maïch khueách ñaïi hoaït ñoäng döôùi ñieàu kieän baûo hoaø.     2 2 3 4 1,45 1 5 10 10 2 2 4 i TH O S L v V v V K R V           3 2 21.10 1,45 1 2 2 0,1 D i TH K i v V mA       vO=vI -VTH • Mạch SF ( Source Follower) hay DC (Drain common) 22 Maïch theo nguoàn (SF- Source Follower) Coøn goïi laø maïch ñeäm (buffer), maïch hoaït ñoäng trong vuøng baûo hoaø. Taïi nuùt ngoõ ra cho:  1oo D S D S v v i R i R    i o THv v V  23 G. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ • Dòng điện hoạt động ngõ ra ID được tinh trực tiếp hệ thức đặc tính MOSFET như: • • Điện thế hoạt động ngõcung cấp ra có được bằng cách áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng bao gồm nguồn, MOSFET, và RL như sau: •   2 2 D I TH K I V V  vo vs + - vi iD=K(vi-VTH)2/2 RL vo + - vi ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs RL   2 2 O S D L S I TH L V V I R K V V V R      24 • Do đó, độ lợi tín hiệu nhỏ cho: • Với : là hệ số hỗ dẫn của MOSFET.       2 2 2 . . 2 DS GS TH ds GS TH gs GS TH gs v V GS GSGS m gs K i v V K i v V v K V V v v g v                vo + - vi ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs RL  o I TH L i m L v K V V R v g R       GSm THg K V V GS Iv v 25 • MOSFET • Khi có tín hiệu vào vI = vGS:   2 . 2 O L o S I TH i I II I dv d R K v V v V v v Vdv dv                .o I TH L i I I I TH L i m L i o V m L i m I TH v K v V R v v V K V V R v g R v v A g R v g K V V               26 6. 5 Điện trở ngỏ vào, ngỏ ra , Độ lợi dòng điện và độ lợi công suất • Mạch tương đương (AC) • Tổng trở (Điện trở) ngỏ vào: 27 • Điện trở ra  Độ lợi dòng  Vì Ri = nên độ lợi dòng cũng bằng vô cực 28  • Độ lợi công suất • Vì Ri = nên độ lợi công suất cũng vô hạn. • Tuy nhiên , trong mạch thực tế, điện trở ngõ vào và độ lợi công suất là hữu hạn ( xác định) . 29  • Thí dụ : Mạch theo nguồn (SF) • Xét mạch: • Và mạch điện tương đương (AC): Tính được: Trong đó vgs = vi – vo thay vào trên cho: 30 • Sắp xếp lại cho: Cho thấy độ lợi thế nhỏ hơn 1. • Trường hợp đặc biệt quan trọng khi RL rất lớn, khi RL  : và khi có thêm gm Rs >>1 , cho:  Ta sẽ thấy vì sao mạch SF hữu dụng khi xét điện trở vào và điện trở ra (xem ở sau) 31  • Điện trở vào và điện trở ra tín hiệu nhỏ • Điện trở vào rất bằng vô hạn ( vô cực) vì dòng vào MOSFET bằng không . • Điện trở ra được tính theo h. : • Áp dụng KCL tại nút a: • Sắp sếp lại và đơn giản cho: Do đó: gmRL, và RS rất lớn , RL+RS trở nên không đáng kể so với gmRLRS, nên: : vì gm rất lớn nên ro rất bé, và Ai tất lớn (đặc điểm của mạch buffer) 32 33 Mạch tương đương BJT   1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 CB E - vce + - vbe + Bib ic - e - vce c + vbe B + rbb rc re rbe rc ib ie ib ic 34 • 2. Phân giải chế độ động- AC (ráp CE) Ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ Tính được: Độ lợi thế: Độ lợi dòng: Tổng trở vào: Tổng trở ra: o C b v be b C C be e v R i A v r i R R r r          o i fe i i A h i    i be b i be e i b v r i r r r i i       o o ce C C o v r r R R i    fe be e ie T e CQ h r r h V r I       bi - vo + =vce vi + hfeib - RB rbe Rc ro ib 35 H. DIOD Khi phaân cöïc thuaän : V > 4V T  exp(V/V T >>1 : I D =I F = I s exp(V/V T ) lôùn  Khi phaân cöïc nghòch: V << 4V T exp(-V/V T ) <<1: I D = I R =-I S 2. Ñaëc tuyeán Ampe-Volt Ta coù ñöôøng bieåu dieãn : I D Vz 0 0,6 V V D I zk I zM 36 Ñieän trôû noái pn I D a.Ñieän trôû tónh I D Q 0 V D V b.Ñieän trôû ñoäng: D D D Q V R I  D D d D DQ Q V dV r I dI     37 Phân cực thuận  Diod dẫn Phân cực nghịch Diod ngưng 38 I. Mạch RC và RL • Phương trình vi phân bậc nhất • Phương trình đặc trưng • Nghiệm tự do (quá độ) • Nghiệm xác lập (cưỡng bức) • Nghiệm tổng cộng (điều kiện ban đầu bằng zero)        1 c c s c ctd cxl t s t s dv RC v V dt v t v t v t Ke V V e RC                          1 s td xl t S ts s di t L Ri t V dt i t i t i t V Ke R V e R L R                39 Các thành phần lưu trạng thái • Tụ điện, cuộn cảm • Tụ MOS • Các mạch FlipFlop • Công thức: - Tụ nạp điện: - Tụ xã điện:             0 , 0 C C I t C Cf Ci Cf v t f v v t v t V v V e        tcv t Ve  40 Thieát keá phaàn töû nhôù A. Maïch thöû laàn ñaàu Phaàn töû nhôù v C trò soá löu tröû 5V luoân bò ró V OH Ñoä roäng xung store >> R ON C T t store storage node dOUT dIN C =1store storage node dOUTdIN C =0store storage node dOUTdIN C RL 5. ln 5 Lt R C C OH L v e V T R C    dOUT* store dIN CM 41 buffer =0store RIN dOUTdIN CM RL buffer =0store RIN dOUTdIN CM RL Rp /Storage buffer =0store RIN dOUT dIN * CM dOUT /store store dIN * CM 42 K. Trạng thái dừng sinus - Mạch lọc • Mạch RC, RL, RLC • Hàm số truyền H(s) • Đáp ứng tần số • Mạch lọc 1 R L C Z R Z j L j Z j C C         + - - Vi + - - vI C i(t) vc + R =RZR =1/jwC Zc Vc Ic + 1 1 1 1 C c i i C R c i Z j C V V V Z Z R j V C V j RC            43 + - Viexp(jwt) Vicoswt Vr L Vrcos(wt+/_Vr) C Vrexp(jwt) R - Ir + Thí dụ : Mạch RLC 2 1 1 R r i i L C r i R Z R V V V Z Z Z j L R j j CR C V V LC j CR                44 Mạch lọc • Định nghĩa: • Mạch lọc là mạch có nhiệm vụ cho qua hoặc loại bỏ một tần số hoặc một dải tần số theo mong muốn. • Phân loại: • 1. Mạch lọc thấp qua ( Hạ thông – LPF)) • 2. Mạch lọc cao qua (thượng thông- HPF) • 3. Mạch lọc dải thông ( BPF) • 4. Mạch lọc dải loại ( BSF) • Vo(t) vo(t) vo(t) vo(t) • f f f f 45 Mạch Op. Amp. • Cấu trúc mạch OP.Amp. • Đặc tính mạch Op.Amp. • Công thức cơ bản : - Khuếch đại đảo - Khuếch đại không đảo • Các mạch làm toán: - Mạch nhân - Mạch tổng - Mạch trừ (mạch khuếch đại vi sai) - Mạch tích phân, Mạch vi phân - Mạch lấy logarit, mạch lấy antilogarit • Các mạch khác : mạch lọc, mạch so sánh. F V I R A R   1 FV I R A R   46 . Mạch làm tóan 1.Mạch nhân vo = - kvi với k = - RF / RI + _ R F i in v + + – R I v – iI iF v S v out + – 47 2. Mạch cộng ( tổng) Áp dụng nguyên lý chồng chất, cho: 48 3. Mạch trừ - Mạch khuếch đại vi sai + _ + _ R 1 + – ì R 3 R F i1 v1 v2 iF v out + – 49 • Mạch khuếch đại trừ còn được thực hiện như sau: • Nếu chọn R1 = R2 = RF ta có: Vo =V1 – V2 -v1 vo v2 v1 O.A .1 O.A.2 R2 R1 RF R R   1 2 1 2 1 2 - F F o O O R R V V V V V R R           50 • 4.Mạch tích phân • Ta có : dq = iF dt dq = C dvc = Cdvo  iF = C dvo / dt ( 1) Mặt khác : ii = -iF và ii = vi / R ( 2)  Thay (2) vào (1) :   1 0O O i Oi i dv RCv Ri dt dtv v v RC       51 5. Mạch vi phân: • Theo trên ta có: dq = C dvc = Cdvi dq = iit  ii = Cdvi / dt và ii = iF = -Vo /R  0Vvi vo Op-Amp3C R ii iF i O dV RCV dt   52 L. Năng lượng và công suất • Năng lượng • Công suất • Công suất của MOSFET • Công suất tiêu tán của CMOS ( công suất tĩnh = 0 ) • Công suất tiêu tán của BJT Công suất tĩnh của MOSFET khi dẫn: Công suất của cổng Inverter 2 S static L ON V P R R         2 2 2 2 2 2 2 2 S static L ON S L L S L L dynamic L ON L ON V P R R V R C V R C f P R R T R R       53 M. Chuyển đổi năng lượng • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC • Mạch chỉnh lưu • Mạch chỉnh lưu và lọc • Mạch ổn áp Zener • IC ổn áp tuyến tính • Bộ cấp điện DC • Mạch ổn áp chuyển mạch ( giao hoán) 54 Khái niệm chuyển đổi công suất • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC + 220 V 5 VDC 50Hz - 3V + solar cell 5 VDC battery - Hiệu suất công suất của bộ chuyển đổi quan trọng thường dùng một lô linh kiện sau: Bậc MOSFET, tụ điện, cuộn cảm, diod,Op. amp. PCC PCC 55 Caùc maïch diod I. Maïch chænh löu 1.Chænh löu baùn kyø( H.1) V DC 0 II 2II VLDC = 0,318Vp 56 2.Chænh löu toaøn kyø ( toaøn soùng) a. Chænh löu toaøn kyø 2 diod Vip Vip n1: n2 D1 D2 VL RL i1 i2 VLDC = 0,636 Vp 57 b.Caàu chænh löu ( 4Diod) Xeùt maïch chænh löu toaøn kyø 4 diod : VoDC D4 D2D3 D1 =Vpsinwt Viac 50Hz Bridge RL ILDC 58 3.Maïch loïc a. Maïch loïc trong chỉnh lưu baùn kyø  Do tuï loïc coù trò soá lôùn,neân daïng soùng naïp nhanh vaø xaõ chaäm , neân daïng soùng ra khaù thaúng ( phaúng)  Ta coù hình veõ sau ( vôùi caùch veõ phoùng ñaïi):  V cmax =V p V rp V rpp 0 II Vc min V LDC 4II 59  Daïng soùng ngoõ ra maïch chænh löu vaø loïc toaøn kyø: V cmax = V p V rp V rpp V LDC T 2 =T V cmin 60 1 0,01 1 1 2 0,011 2 LDC p p L L p rp p L L V V V f C CR R V V V f C CR R                 1 0,005 1 1 4 0,0051 4 LDC p p L L p rp p L L V V V f C CR R V V V f C CR R                 1. Chỉnh lưu và lọc bán kỳ 2.Chỉnh lưu toàn kỳ 61 Boä caáp ñieän DC 1.Boä caáp ñieän ñôn giaûn  Macïh goàm caùc thaønh phaàn chuû yeáu sau: V AC Ñieän theá khu vực  Trong haàu heát caùc thieát bò ñieän töû baùn daãn ñeàu söû duïng bieán theá haï theá . Bieán theá Ch.löu Loïc Taûi 62 2.Boä caáp ñieän oån ñònh ñôn giaûn a.Maïch ñieän: Rs ñieän trôû giôùi haïn doøng R L ñieän trôû taûi 63 Các công thức mạch ổn áp Zener • Điện thế ngõ ra: VODC = VLDC = VZ • Dòng điện: I1 = IZ + IL  I1 = (ViDC – VZ) / RS IL = VLDC / RL IZ = I 1 - IL • Công suất tiêu tán :PZ= VZ IZ < PZM PRS = I 1 2 RS PL = VL 2 / RL 64 Ổn áp chuyển mạch 1. Bộ tăng thế • Mạch nguyên tắc Taûi Coù 3 traïng thaùi 1. S daãn, diod ngöng 2. S khôûi ngöng, diod khôûi daãn, C naïp, vo taêng 3. S ngöng, , diod khôûi ngöng, C giöû vöõng vo ( xaõ qua taûi ) 65 Ñeå giöû vöûng vo, ta phaæ ñieáu khieån thôøi gian S daãn/ ngöng T + Vref Tp Caùch ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) cho: - Neáu (vo – vref) taêng thì T giaûm, Vo giaûm laïi ñeå giöû vo khoâng ñoåi - Neáu (vo –vref) giaûm thì T taêng, Vo taêng leân ñeå giöû vo khoâng ñoåi + vo - + - VI L C DIODE Taûi Ñieàu khieån thay ñoåi T 66 2 Mạch hạ thế 1. Mạch cơ bản