Giáo trình : Kỹ thuật xung part 4 pdf

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 2
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 40
12. Cho mạch điện sau, chứng minh
(
)
(
)
∫
++= dtVKVKVKtv
OUT 332211









13. Cho mạch điện sau, chứng minh
(
)
(
)
∫
−= dtVVKtv
OUT 12

14. Cho mạch điện sau, chứng minh
(
)
∫
= dttVKtv
INOUT
)(












V
IN
V
OUT
R
C
R1

0
R1
R
+
-
V
1
V
2
V
3
C

R3
R1
+
-
R2
0
V
out
V
1
V
2
C2
R2
+
-
R1

C1
V
OUT
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 2
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 41
15. Cho mạch tích phân tỉ lệ PI (Proportional Intergrated) sau
Chứng minh
∫
+= dttVKtVKtV
ININOUT
)()()(
21









16.
Cho mạch vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integrated Differential) sau
Chứng minh
∫
++= dttVK
dt
dV
KVKtV
IN

IN
INOUT
)()(
321











V
IN
V
OUT
C

0
+
-
R1
R1
V
v
V
Ra

C2
0
R1
+
-
R2
C1
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 43
CHƯƠNG 3.
CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ

Các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh
kiện chuyển mạch vì chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt và vùng dẫn. Ở
vùng tắt, các linh kiện chuyển mạch được xem như không dẫn điện/dẫn điện ở
vùng phân cực nghòch/bão hòa. Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động các
mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững về cấu trúc và bản chất lý thuyết
của những linh kiện trên.
Khảo sát các phần tử ở 2 chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ
I. CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

1. Diode

Đường Đặc Tính Của Diode và mạch tương đương

Quan hệ Volts – Amperes của Diode được mô tả như sau:

⎥
⎦
⎤

⎢
⎣
⎡
−= 1
0
nkT
qv
D
D
eIi (1)
Các số hạng trong phương trình được đònh nghóa như sau :
i
D
: Dòng qua diode (A)
v
d
: Hiệu điện thế rơi trên Diode (V)
I
o
: Dòng bão hòa ngược
q : Điện tích electron, 1,6.10
-19
J/V ( C )
k : Hằng số Boltzmann , 1,38.10
-23
J/
o
k
T : Nhiệt độ tuyệt đối (
o

K)
n : Hằng số kinh nghiệm , 1 ≤ n ≤ 2
Ở nhiệt độ phòng (300
o
K)
V
T
= k.T/q = 25 (mV)
Do đó phương trình (1) có thể viết lại là
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 44
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−= 1
0
T
D
nV
v
D
eIi
(2)
Phương trình (2) cho ta thấy:
Nếu v

D
≤ V
T
thì dòng i
D
là dòng bão hòa nghòch -I
o
, I
0
hầu như không phụ
thuộc điện áp phân cực nghòch
Tùy theo cách chế tạo I
0

≈
nA đối với Si và I
0

≈

μ
A đối với Ge
I
0
rất nhạy với nhiệt độ: tăng 2 lần khi T tăng 6
0
C đối với Si, va khi T tăng
10
0
C đối với Ge

Mạch tương đương diode phân cực nghòch là

Hoặc


nếu v
D
> V
T
và hoạt động ở nhiệt độ 25
o
C thì dòng điện thuận của Diode
được giản lược như sau:

⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
=
T
D
nV
v
D
eIi
0

Những phương trình trên được minh họa ở hình sau cho cả hai vật liệu
Sillicon và Germanium.

Hình 3.1: Đặc tuyến Volts- Amperes
A
K
R
Io
A K
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 45
Đặc tuyến thực của Diode có dạng hàm mũ. Khi phân cực thuận mối nối p-n,
ở bên phải đặc tuyến V-A, thì điện trở tiếp xúc của chất liệu bán dẫn tỉ lệ
thuận với điện trở thuận. Khi phân cực nghòch mối nối p-n, bên trái đặc tuyến
V-A, thì dòng điện rỉ I
o
tỉ lệ nghòch với điện trở nghòch. Khi Diode chòu một
điện áp ngược lớn sẽ làm phá hủy tiếp giáp p-n.
Điện áp rơi trên Diode khi được phân cực thuận là
V
γ
= 0,1
v
đến 0,3
v
(chọn 0,2
v
) , Đối với Diode loại Ge.
V

γ
= 0,6
v
đến 0,8
v

(chọn 0,7
v
) , Đối với Diode loại Si.
Mạch tương của Diode khi được phân cực thuận là:




r
d
: Điện trở động
r
d
= nV
T
/ (i
D
+ I
o
) ≈ nV
T
/ i
D

Diode lý tưởng có r
d
= 0 và V
γ
= 0.
Trong khi sử dụng diode P-N làm chuyển mạch ở chế độ xác lập phân cực
thuận, tùy trường hợp ta có thể xem như





2. Diode ổn áp bán dẫn (diode zener)

a. Đại cương






Hình 3.2
Mối nối P-N được chế tạo đặc biệt để có đặc tuyến V-A như hình vẽ
N
P
A
K
Si
+ pha tạp chất đặc biệt
r

d
V
γ
Diode lý tưởng
A
K
K
A
A
K
K

A
r
d
V
γ
V
γ
V
γ
V
z
I
zmin
I
ZMax

I
0

V
Dz
I
Dz
A
K
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 46
Khi phân cực thuận
Diode Zener hoạt động như diode nắn điện Si bình thường V
γ
= 0.6V
Khi phân cực nghòch
Khi V < V
Z
thì I
zener
= I
0
dòng bão hòa
Khi V > V
Z
thì V
D
= V
Z

Các giá trò giới hạn
Sử dụng diode Zener ta phải quan tâm đến

• V
Z

• P
Zmax
hay I
Zmax
(dòng tối đa qua zener)
Nhà sản xuất thường cho P
Zmax

Thông thường V
Z
= 2
÷
200V
P
Zmax
= 0.5W
÷
100W
Chú ý
Khi sử dụng diode zener luôn luôn phải có điện trở hạn chế dòng (điện trở
xác đònh dòng)





Hình 3.3

LL
Z
II
VV
R
2.0+
−
=

Từ đó tính được công suất trên zener là
ZL
Z
DZ
VI
R
VV
P .
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
=

0.2.I
L
R
I
L
V
R
L
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 47
b. Mạch tương đương
Từ đó ta có mạch tương đương như sau:







Hình 3.4

I
V
R
Z
Δ
Δ

=

3. Transistor

Transistor thuộc họ linh kiện ba cực, bao gồm hai bán dẫn loại p và một bán
dẫn loại n đối với loại PNP, hai bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p đối với
loại NPN.
Sơ đồ ký hiệu của Transistor được mô tả ở hình 1.8.
Chiều dòng điện được qui ước theo chiều của mũi tên.




Ký hiệu
B
E
C
NPN
Ký hiệu
B
C
E
PNP

Hình 3.5



I
V

ΔI
ΔV
V
γ
V
z
V
γ
Mô hình
PCN

Mô hình
PCT

Vz
Rz
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 48
Đường cong đặc tính của Transistor được biểu diễn như sau


Hình 3.6
Đường đặc tính này là đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số
ngõ vào là dòng i
B
và v
BE
theo quan hệ như sau i
B
= f(v

BE
) và thông số ngõ ra
là i
C
và v
CE
theo quan hệ như sau i
C
= f(v
CE
).
Nhìn trên đường đặc tính

ta có thể phân

thành ba vùng làm việc của
Transistor như sau :
Vùng tắt
Transistor rơi vào vùng hoạt động này khi thõa mãn điều kiện sau: Mối nối
BE phải được phân cực nghòch . Khi đó, các thông số ngõ ra là dòng i
C
gần
như bằng 0 và điện áp v
CE
gần bằng V
CC
.

`




Hình 3.7
Transistor được xem là tắt hoàn toàn nếu I
E
= 0
I
E
= 0
B
C
E
I
CO
R
L
R
L
C
VccVcc
Vout = Vcc neu R
L
>> Rc
Rb
E
RcRc

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 49
Xét trường hợp khi I
B
= 0 transistor có tắt không?
Đối với transistor, có quan hệ
I
C
= -αI
E
+ I
Co
I
B
+ I
C
= I
E
Khi I
B
= 0
α
−
=→
1
CO
C
I
I

• Nếu BJT thuộc họ Ge:
1
≈
α
→ I
C
rất lớn: không tắt
Để BJT tắt ta phải cưỡng bức bằng cách phân cực nghòch mối nối BE
• Nếu BJT thuộc họ Si:
0
≈
α
→ I
C
= I
CO
:tắt
Vùng khuếch đại
Transistor hoạt động trong vùng khuếch đại khi mối nối BE được phân cực
thuận (V
B
> V
E
) và mối nối BC được phân cực nghòch (V
C
>V
B
).
Ở chế độ này thì I
B

= β I
C

Với β là hệ số độ lợi dòng DC, giá trò điển hình của β biến thiên trong
phạm vi từ 20 đến 800 tùy theo loại Transistor.
Vùng khyếch đại đã được khảo sát trong các tài liệu về điện tử 1, 2. Trong
phần chuyển mạch sẽ chỉ khảo sát ở 2 chế độ tắt và bão hòa
Vùng bão hòa
Transistor làm việc ở vùng bão hòa cần thõa mãn các điều kiện sau:
• Mối nối BC và mối nối BE đều được phân cực thuận.









Hình 3.8

B
C
E
Vcc
Rc
C
R
L
Rt

E
Rb

Rc
Vcc
Vout = 0
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 50
Transistor rơi vào vùng bão hòa khi ngõ vào phải được cung cấp tín hiệu đủ
lớn sao cho điện áp tại cực nền (V
B
)

lớn hơn một mức ngưỡng để Transistor
phân cực bão hòa. Mức điện áp ngưỡng này là V
BEsat
, nó có trò số tùy thuộc
vào từng loại chất bán dẫn .
• V
BEsat
= 0,7
V
đến 0,8
V
, Transistor loại Si
• V
BEsat
= 0.3
V
, Transistor loại Ge

Khi sử dụng ở chế độ chuyển mạch, Transistor thông thường mắc theo dạng E
chung ( mắc CE ).
Khảo sát một dạng mạch mắc CE làm việc ở chế độ bão hòa.






Hình 3.9
Ở trạng thái bão hòa : V
C
= V
CEsat

≈
0.1
÷
0.2V
I
Csat
được tính theo công thức sau : I
Csat
=
Rc
VV
CEsatCC
−
.
Khi đã có dòng điện tải I

C
, ta phải tính dòng điện cần thiết cấp cho cực nền
B, nhằm chọn trò số R
B
thích hợp. Ta xác đònh I
Bsat
theo biểu thức :
I
Bsat
=
β
1
.I
Csat
Trường

hợp cần cho Transistor làm việc ở chế độ bão hòa sâu, thì có thể tính
I
B
theo công thức: I
Bsat
=
β
Csat
I
.k ,Trong đó, k là hệ số bão hòa sâu (k =
2 ÷ 5).
Khi Transistor bão hòa, các giá trò I
Bsat
và I

Csat
, đều do mạch ngoài quyết
đònh
Ta có thể xác đònh R
B
theo công thức sau
R
B
=
Bsat
BEsat
I
VV −

Rb
0
Vbb
0
Vcc
Rc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 51
4. OpAmp (Operational-Amplifier)
Op-amp là loại linh kiện được ứng dụng phổ biến trong lónh vực điện tử. Gần
như mọi chức năng trong lónh vực này đều có thể dùng Op-amp để thực hiện.
Chẳng hạn, thực hiện các phép tính: Cộng, trừ , tích phân trong máy tính
tương tự, làm thành phần nồng cốt trong các mạch khuếch đại, mạch đo, bộ
dao động, mạch tạo âm, mạch cảm biến.
Op-amp là loại linh kiện được tích hợp, gồm hai ngõ vào: Đảo và không đảo,
một ngõ ra. Op-amp hoạt động được phải cần cung cấp cặp nguồn điện áp

đối xứng dương và âm, điểm giữa của cặp nguồn này được xem là mass
(0V). Do vậy, tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán có thể biến đổi
cả về phía dương hay phía âm so với mass.
Ký hiệu và sơ đồ tương đương của OpAmp như sau:





Hình 3.10
Mô hình gồm một nguồn áp phụ thuộc (phụ thuộc vào điện áp ngõ vào), trở
kháng ngõ vào (R
in
) và trở kháng ngõ ra (R
o
).
Điện áp vào vi sai v
d
= v
+
- v
-

Trở kháng ngõ vào của Op-amp tương đương như một điện trở.
Điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào, và ta biểu thò hệ số tỉ lệ này
là độ lợi vòng hở (G). Vì vậy, điện áp ngõ ra khuếch đại G lần điện áp vào
vi sai và được xác đònh theo công thức sau:
v
o
= G (v

+
- v
-
) = G .v
d

Op-amp lý tưởng có những đặc điểm như sau:
Trở kháng ngõ vào, R
in
= ∞
Trở kháng ngõ ra, R
o
= 0
Độ lợ vòng hở, G → ∞
Băng thông BW → ∞
v
o
= 0, khi v
+
= v
-
Ta có v
+
- v
-
= v
o
/G (*)
Vì G → ∞, do đó phương trình (*) được viết lại như sau: v
+

- v
-
= 0 → v
+
= v
-

Bởi

điện trở ngõ vào R
in
→ ∞, nên dòng điện chạy vào hai ngõ vào đảo và
không đảo là zero i
+
= i
-
= 0
-Vcc
V+

V-
Vout
+
-
+Vcc
Ro
V+
Rin Vout
V-
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3

GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 52
Tùy thuộc điện áp ở hai ngõ vào này so sánh với nhau mà Op-amp sẽ làm
việc một trong hai trạng thái sau:
• Nếu v
+
> v
-
thì v
o
= +V, gọi là trạng thái bão hòa dương .
• Nếu v
+
< v
-
thì v
o
= -V, gọi là trạng thái bão hòa âm.
Hai trạng thái bão hòa này tương đương với ngõ ra của Op-amp ở hai mức
điện áp cao và điện áp thấp, để tạo ra các xung điện.
Đặc tuyến truyền được thể hiện như sau

Hình 3.11
II. CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ

Trong phần này chủ yếu nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong quá trình
chuyển mạch (lúc quá độ). Sẽ không đi quá sâu về bản chất vật lý mà chủ
yếu nêu hiện tượng và đề ra biện pháp cải thiện dạng sóng ra
1. Diode bán dẫn PN

a. Đại cương

Hình 3.12




Do ảnh hưởng của hạt tải điện thiểu số trong thời gian T
1
nên diode chưa tắt
hoàn toàn, dạng của dòng điện như hình bên
V
V
I
D
t
V
v
+V
-V
0
t
I
D
T
R

R
V
+
0
T
R
R
V
−
I
0
T
1
T
2
nh hưởng do hat
tải điện thiểu số

nh hưởng do
điện dung C
D
R
L
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 53
Thời gian T
1
khoảng 0.1
s
μ

và tăng khi
t
R
V
lớn
T
2
gấp vài lần T
1
b. Cải thiện
• Tốt nhất nên dùng diode chuyển mạch (switching diode)
• Nếu không, thêm tụ C (thường do nhà chế tạo cung cấp thông số) để giảm
ảnh hưởng của tụ C
d
như sau






Hình 3.13
2. Transistor 2 mối nối

Quá trình quá độ xảy ra trong BJT là phức tạp. Ở đây chỉ khảo sát các yếu tố
gây nên sự méo dạng của xung ra
a. Thời gian chuyển mạch

Hình 3.14

Thời gian mở (3) bao gồm
• Thời gian trễ t
d
(1) là thời gian cần thiết để V
v
tăng từ 0 đến V
γ

• Thời gian lên t
r
(2) chủ yếu phụ thuộc điện dung ngõ vào C
V
của BJT
t
V
r
0
I
0
t
V

v
V
1
-V
2
0
t
I
B
V
1
-V
2
0
t
I
C
1
0.9I
Cbh
2
3
4

5

6

0.1I
Cbh

I
Cbh
Cd
CRL
V
V
V
1
-V
2
0
Rc
Vcc
Rb