Bài giảng điện tử tương tự và số

Bài giảng

ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ VÀ SỐ
Người soạn: Lê Xuân Thành
Bộ môn Kỹ thuật máy tính
Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông
Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Hà nội, 8/2007


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

THÔNG TIN CHI TIẾT VỀ HỌC PHẦN
ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ VÀ SỐ
1. Tên học phần: Điện tử Tương tự và Số
2. Số tín chỉ: 4
3. Phân bổ thời gian:
60 tiết lý thuyết
4. Điều kiện:
Kiến thức về Vật lý và Toán học.
5. Tóm tắt nội dung học phần:
- Lý thuyết mạch
- Điện tử tương tự
- Điện tử số
6. Nhiệm vụ của sinh viên:
- Tham dự đầy đủ các giờ lên lớp gồm lý thuyết và bài tập
- Thực hiện đầy đủ các phần việc được giao như bài tập, bài thực hành…
7. Liên hệ:

Lê Xuân Thành
Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông
Email:
Office: +8448696125
Mobile: +84906755789

2


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

MỤC LỤC
PHẦN 1. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
CHƯƠNG I. CÁC LINH KIỆN THU ĐỘNG
I.1. Điện trở
I.2 Tụ điện
I.3 Cuộn cảm
CHƯƠNG II. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
II.1.Diode
II.2. Transistor
II.3. Cách mắc transistor

PHẦN 2. KỸ THUẬT MẠCH TƯƠNG TỰ
CHƯƠNG I. MẠCH KHUẾCH ĐẠI
I.1. Khái niệm và phân loại
I.2. Các thong số kỹ thuật cơ bản của bộ khuếch đại tần thấp.
I.3. Các mạch khuếch đại một tầng dung transistor
I.4 Các mạch khuếch đại nhiều tầng và khuếch đại dung vi mạch

CHƯƠNG II. MẠCH TÍNH TOÁN TƯƠNG TỰ
II.1. Vi mạch khuếch đại tính toán (Op-Amp)
II.2. Mạch tính toán tương tự dung Op-Amp
CHƯƠNG III. MẠCH NGUỒN
III.1. Khái niệm - phân loại và các thông số kỹ thuật cơ bản
III.2. Nguồn chỉnh lưu
III.3. Nguồn ổn áp một chiều kiểu bù
III.4. Nguồn ổn áp kiểu xung

3


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

PHẦN 3. MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ
CHƯƠNG I. CÁC HÀM LÔGIC
I.1. Đại số Boole
I.2 Dạng biểu diễn chính quy các hàm lôgic
I.3 Phương pháp tối thiểu hóa các hàm lôgic
CHƯƠNG II. CÁC PHẦN TỬ LÔGIC CƠ BẢN VÀ MẠCH THỰC HIỆN
II.1.Mạch hoặc, mạch và dùng điôt
II.2. Mạch đảo dùng tranzixto
II.3. Các mạch tích hợp số
CHƯƠNG III. HỆ TỔ HỢP
III.1. Khái niệm
III.2. Một số hệ tổ hợp cơ bản
CHƯƠNG IV. HỆ DÃY
IV. 1. Khái niệm

IV. 2 Các mô hình hệ dãy
IV.3. Các trigơ
IV. 4. Một số ứng dụng hệ dãy

4


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

PHẦN 1. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
CHƯƠNG 1. CÁC LINH KIỆN THỤ ĐỘNG
Bài giảng số 1
 Thời lượng: 4 tiết.
 Tóm tắt nội dung
 Một số khái niệm.
 Các đại lượng điện cơ bản: dòng điện và điện áp.
 Các phần tử điện tuyến tính thụ động: điện trở, tụ điện.
 Nguồn điện.
 Một số định luật điện quan trọng.

1.1. Điện trở:
Khái niệm: điện trở là linh kiện cản trở dòng điện.
Ký hiệu:
R

Quan hệ điện áp-dòng điện của điện trở:
I

U
R

Các thông số điện trở:
o Giá trị điện trở R:
R  .

l
S

Trong đó:

ρ: điện trở suất [Ωm]
l: chiều dài dây dẫn [m]
S: tiết diện dây dẫn [m2]
Đơn vị: Ω, KΩ, MΩ.
Giá trị điện trở R đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của linh kiện.
Giá trị điện trở R càng lớn thì linh kiện cản trở dòng điện càng nhiều, tức là
dòng điện qua linh kiện càng nhỏ. Giá trị điện trở R càng nhỏ thì linh kiện càng
cho dòng điện đi qua dễ dàng, tức là dòng điện qua linh kiện càng lớn.
o Sai số
Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị
danh định, được tính theo %
 

Trong đó:

Rtt  Rdd
 100 %
Rdd

Rtt: Giá trị thực tế của điện trở
Rdd: Giá trị danh định của điện trở
5


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

o Hệ số nhiệt điện trở:
Điện trở là một linh kiện rất nhạy với nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị
điện trở cũng bị thay đổi theo. Hệ số nhiệt điện trở là sự thay đổi tương đối
của giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo phần triệu


R / T
.10 6 ( ppm / oC ) (parts per million)
R

o Định luật Jule-Lenx tính công suất tiêu tán trên điện trở:
p (t )  u (t ).i (t )
 Ri 2 (t )


1 2
u (t )  Gu 2 (t )
R

o Công suất tối đa cho phép:

Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có
thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy.
Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt.

Pmax

2
U max
2

 I max
.R
R

 Một số loại điện trở thông dụng:
+ Điện trở có giá trị xác định
o Điện trở than ép:
Được chế tạo bằng cách trộn bột than với vật liệu cách điện, sau đó
được nung nóng hóa thể rắn, nén thành dạng hình trụ và được bảo vệ
bằng lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn.

o Điện trở dây quấn:
Được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải là chất dẫn
điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ. Trở kháng phụ thuộc vào
vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn.

6


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

o Điện trở màng mỏng:
Được sản xuất bằng cách lắng đọng Cacbon, kim loại hoặc oxide
kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ.

+ Điện trở có giá trị thay đổi (biến trở)
Biến trở (Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc
dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt. Con trượt tiếp
xúc động với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyển
điện trở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi. Có thể có loại biến
trở tuyến tính (giá trị điện trở thay đổi tuyến tính theo góc xoay) hoặc biến trở phi
tuyến (giá trị điện trở thay đổi theo hàm logarit theo góc xoay).

7


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

 Cách ghi và đọc các tham số điện trở
+ Biểu diễn trực tiếp
Chữ cái đầu tiên và các chữ số biểu diễn giá trị của điện trở: R(E) –
Ω; K - K Ω; M - M Ω;…
Chữ cái thứ hai biểu diễn dung sai:
F=1%
J=5%
Ví dụ: 8K2J: R=8,2KΩ; δ=5%

R=8,2KΩ ± 0.41 KΩ= 7,79KΩ  8,61KΩ

G=2%

K=10%

H=2,5%

M=20%

Hoặc có thể các chữ số để biểu diễn giá trị của điện trở và chữ cái để biểu
diễn dung sai. Khi đó chữ số cuối cùng biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy
thừa 10).
Ví dụ: 4703G: R=470K Ω; δ=2%
+ Biểu diễn bằng các vạch màu
Đối với các điện trở có kích thước nhỏ không thể ghi trực tiếp các
thông số khi đó người ta thường vẽ các vòng màu lên thân điện trở.
4 vòng màu:
- 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực
- Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10)
- Vòng thứ 4 biểu diễn sai số
Màu
Đen

Trị số
0

Sai số

Nâu

1

1%

Đỏ

2

2%

Cam

3

Vàng

4

Lục

5

Lam

6

Tím

7

Xám

8

Trắng

9

Vàng kim

-1

5%

Bạc kim

-2

10%

8


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

1.2. Tụ điện:
Khái niệm: tụ điện gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song

song với nhau, ở giữa là lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica,
hay gốm, không khí). Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện (tụ giấy, tụ
dầu, tụ gốm hay tụ không khí).

Ký hiệu:
C
C

Tụ không phân cực

Tụ phân cực

Quan hệ điện áp – dòng điện của tụ điện:
iC

 Các thông số tụ điện:
o Điện dung của tụ điện:
C

dU
dt

 . 0 .S
d

trong đó, ε: hằng số điện môi của chất cách điện
ε0=8,85.10-12(F/m): hằng số điện môi của chân không
S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực
d: Khoảng cách giữa 2 bản cực
Đơn vị: F, mF, uF.

Điện dung đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của tụ điện.
o Sai số:
Là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị điện dung thực tế và giá trị
danh định của tụ điện, được tính theo %


Ctt  Cdd
Cdd

trong đó, Ctt: điện dung thực tế
Cdd: điện dung danh định

9


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

o Trở kháng của tụ điện:
Zc 

1
  j. X c
j 2fC

Trở kháng của tụ điện đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện
xoay chiều của tụ điện
o Gọi E(t) là năng lượng do dòng điện tích tụ trên tụ tại thời điểm t.
t

E (t )   u (t ).i (t ).dt
0
t

  u (t ).C
0

du
dt

t

 C  u (t ) du (t )
0



1 2
1
Cu (t )  Cu 2 (0)
2
2

Nếu tại thời điểm ban đầu tụ không tích điện u(0) = 0, thì năng
lượng trên tụ tại thời điểm bất kỳ là:
E (t ) 

1 2
Cu (t )

2

o Hệ số nhiệt của tụ điện:
Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi
1oC, được tính theo o/oo:
TCC 

C

T 10 6 ( ppm / oC )
C

o Điện áp đánh thủng:
Khi đặt vào 2 bản cực của tụ điện áp một chiều, sinh ra một điện
trường giữa 2 bản cực. Điện áp càng lớn thì cường độ điện trường càng lớn,
do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron
tự do, gây nên dòng rò. Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm
mất tính chất cách điện của chất điện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ
bị đánh thủng. Điện áp một chiều đặt vào tụ khi đó gọi là điện áp đánh
thủng.
 Một số loại tụ điện thông dụng:
+ Tụ điện có điện dung xác định:
o Tụ giấy:
Là tụ không phân cực gồm các lá kim loại xen kẽ với các lớp giấy
tẩm dầu được cuộn lại theo dạng hình trụ.

10


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

o Tụ gốm:
Là tụ không phân cực được sản xuất bằng cách lắng đọng màng kim
loại mỏng trên 2 mặt của đĩa gốm hoặc cũng có thể ở mặt trong và mặt
ngoài của ống hình trụ, hai điện cực được gắn với màng kim loại và
được bọc trong vỏ chất dẻo.
o Tụ mica:
Là tụ không phân cực được chế tạo bằng cách đặt xen kẽ các lá kim
loại với các lớp Mica (hoặc cũng có thể lắng đọng màng kim loại lên
các lớp Mica để tăng hệ số phẩm chất).
o Tụ điện phân (tụ hóa):
Là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch
điện phân và được cuộn lại thành dạng hình trụ.

+ Tụ xoay:
Gồm các lá động và lá tĩnh được đặt xen kẽ với nhau, hình thành nên
bản cực động và bản cực tĩnh. Khi các lá động xoay làm thay đổi diện tích
hiệu dụng giữa 2 bản cực do đó thay đổi giá trị điện dung của tụ. Giá trị
điện dung của tụ xoay phụ thuộc vào số lượng các lá kim loại và khoảng
không gian giữa các lá kim loại

11


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

 Cách ghi và đọc tham số của tụ điện
+ Ghi trực tiếp: Đồi với các tụ có kích thước lớn (Tụ hóa, Tụ tantal) có thể
ghi trực tiếp các thông số trên thân của tụ
 Giá trị điện dung
 Điện áp đánh thủng
+ Ghi theo quy ước
 3 chữ số và 1 chữ cái:
 Đơn vị là pF
 2 chữ số đầu có nghĩa thực
 Chữ số thứ 3 biểu diễn bậc của lũy thừa 10
 Chữ cái biểu diễn sai số
Ví dụ:
0.047/200V: C=0,047μF; UBR=200V
2.2/35: C=2,2μF; UBR=35V
102J: C=10.102pF=1nF; δ=5%
.22K:C=0,22μF; δ=10%

1.3. Cuộn cảm:
1.3.1 Cuộn cảm
-

Là phần tử biến đổi tín hiệu điện dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ.

-

Sơ đồ:
L

-

Là phần tử có quán tính, dòng điện và điện áp không có quan hệ tuyến tính.

-

Thí nghiệm: cho dòng điện i chạy qua cuộn cảm L thấy xuất hiện điện áp u
cùng chiều với i.
L

i

u

-

Quan hệ u – i:
uL

i

di
dt

1
udt
L

L là đại lượng đặc trưng cho cuộn cảm, được gọi là điện cảm có đơn vị là
Henry (H).

12

Bài giảng Điện tử tương tự và số
-

Bộ môn KTMT

Gọi năng lượng do dòng điện tích tụ trên cuộn cảm là E(t)
t

E (t )   u (t ).i (t ).dt
0
t

 L
0

di
.i (t ).dt
dt

t

 L  i (t ) di (t )
0

1
1
 Li 2 (t )  Li 2 (0)
2

2

-

Nếu tại thời điểm ban đầu dòng điện qua cuộn cảm bằng 0 thì năng lượng
trên cuộn cảm tại thời điểm bất kỳ là
E (t ) 

1 2
Li (t )
2

Nhận xét:
o Nếu dòng điện chạy qua cuộn cảm không đổi thì điện áp trên cuộn
cảm bằng 0.
o Dòng điện qua cuộn cảm là hàm liên tục theo thời gian.
o Để giải phương trình vi phân cho cuộn cảm cần biết điều kiện đầu
iL(0).
1.3.2. Hỗ cảm
-

Hỗ cảm là hiện tượng tương tác từ giữa các dòng điện đặt đủ gần nhau.

-

Ta chỉ xét hiện tượng hỗ cảm giữa các cuộn cảm.

-

Xét 2 cuộn cảm có các dòng điện i1, i2 như hình vẽ:

i1

M
*

*

uH1

uH2
L1

-

i2

L2

Do hiện tượng hỗ cảm:
o Dòng điện i1 gây ra điện áp hỗ cảm uH2 trên cuộn L2.
o Dòng điện i2 gây ra điện áp hỗ cảm uH1 trên cuộn L1.
 Cần tìm chiều và độ lớn của các điện áp hỗ cảm.

-

Quy tắc xác định chiều điện áp hỗ cảm:
o Mỗi cuộn cảm có một đầu cùng tên được đánh dấu *. (Xem hình vẽ).

13

Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

o Nếu dòng điện đi vào cuộn cảm ở đầu có dấu * sẽ được gọi là dòng
điện vào. Nếu dòng điện đi vào ở đầu không có dấu * sẽ được gọi là
dòng điện ra.
o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là cùng tên thì điện áp hỗ cảm
trên mỗi cuộn sẽ cùng chiều với dòng điện đi qua nó.
o Nếu 2 dòng điện đi qua 2 cuộn cảm là khác tên thì điện áp hỗ cảm
trên mỗi cuộn sẽ ngược chiều với dòng điện đi qua nó.
-

Công thức tính độ lớn điện áp hỗ cảm:
o Giữa các cuộn cảm có hiện tượng hỗ cảm sẽ xác định một thông số
đặc trưng, gọi là thông số hỗ cảm, ký hiệu là M.
o Độ lớn điện áp hỗ cảm:
di2
dt
di
M 1
dt

uH 1  M
uH 2

14

Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

CHƯƠNG 2. CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN
Bài giảng số 2
 Thời lượng: 4 tiết.
 Tóm tắt nội dung
 Cấu tạo diode.
 Đặc tuyến của diode
 Sơ đồ tương đương

Diode là một trong những linh kiện điện tử được sử dụng rộng rãi nhất và
đóng vai trò quan trọng trong các mạch điện tử như mạch chỉnh lưu, mạch ghim...

2.1. Diode:
Diode được tạo thành từ lớp bán dẫn pha tạp loại p và bán dẫn pha tạp loại n ghép
tiếp xúc công nghệ với nhau như hình vẽ:
p

n

Các quá trình vật lý xảy ra giữa hai lớp bán dẫn này được sử dụng để tạo thành
tính chất cho diode.
Ký hiệu quy ước của diode bán dẫn trong mạch điện được biểu diễn như sau:
A

K

Diode có hai cực:

+ Cực A (anốt) là cực nối với lớp bán dẫn p.
+ Cực K (katốt) là cực nối với lớp bán dẫn n.
Nguyên lý hoạt động: Sự tác động qua lại giữa hai lớp bán dẫn p và bán dẫn n tạo
nên tính chất đặc biệt của diode.
Với diode lý tưởng:
Khi UA≥UK thì diode phân cực thuận, hay còn gọi là diode thông mạch. Khi
đó, dòng điện qua diode hoàn toàn, trở kháng diode bằng không, đoạn mạch chứa
diode coi như ngắn mạch.

15


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

Khi UAđó, dòng điện đi qua diode là bằng không, trở kháng diode bằng vô cùng, đoạn
mạch chứa diode coi như hở mạch.
A

K

 UA≥UK
 UAtrong đó, vD là điện áp đặt trên diode, iD là dòng điện chạy qua diode.
vD = UA - UK
Do tính chất đóng mở mạch theo điện áp đặt trên diode nên diode được gọi
là có tính chất “van dòng điện”. Tức là dòng điện sẽ được cho qua hay không là do
trạng thái đóng hay mở của van, tức là do điện áp điều khiển.

2.1.1 Đặc tuyến Vol-Ampere của diode:
Đặc tuyến vol-ampere là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện
qua diode. Đặc tuyến vol-ampere của diode bán dẫn được mô tả như sau:

Đặc tuyến của diode chia thành 3 vùng:
 Vùng 1: diode phân cực thuận.
Khi một điện áp dương đặt tới hai đầu diode đủ lớn, diode sẽ cho dòng điện
chảy qua hoàn toàn. Diode có thể coi như ngắn mạch.

16


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

 Vùng 2: diode phân cực ngược.
Khi một điện áp âm đặt tới hai đầu diode, dòng điện chảy qua diode là rất
nhỏ. Khi điện áp âm lớn hơn vài phần trăm vol, dòng điện ngược sẽ không đổi
và đạt tới dòng bão hòa ngược là ID=-I0.
Tại vùng 1 và vùng 2, đặc tuyến vol-ampere của diode tuân theo biểu thức
Shockley:
 q.VD

I D  I 0 . e nkT  1



trong đó:

+ q là điện tích electron, 1.6022 x 10-19 C.
+ k là hằng số Boltzmann, 1.3806 x 10-23 J/K.
+ I0 là dòng điện bão hòa ngược, giá trị từ 10-16 đến 1μA.
+ T là nhiệt độ ở thang Kelvins (K).
+ n là hằng số hiệu chỉnh, về lý thuyết lấy giá trị 1, trên thực
tế lấy giá trị từ 1 đến 2 đối với diode thực.
Ở nhiệt độ phòng chuẩn (25oC, 77oF, 298.16K), q kT  38.92V 1 , ta có:
I D  I 0 .(e

38.92.VD

n

 1)

Để đơn giản, biểu thức Shockley thường được viết dưới dạng sau:
 VD

I D  I 0 . e VT .n  1



trong đó: VT  kT q gọi là điện áp nhiệt, là hàm chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Khi diode phân cực thuận với điện áp đủ lớn, thành phần -1 trong biểu thức
tính ID có thể bỏ qua. Ví dụ, khi n=1, VD=0.1 ở nhiệt độ phòng, thành phần
38.92.VD

e

n

 e 3.892  49.01 . So với giá trị 1, nếu chấp nhận sai số 2% thì ta có thể

bỏ qua giá trị -1 trong biểu thức tính ID khi vD>0.1V.
 VD VT .n 
 (VD>0.1V)
I D  I 0 . e


38.92.VD

n
 e 3.892  0.02
Khi diode phân cực ngược, với VD<-0.1V thì thành phần e
có thể bỏ qua khi so với 1, vì vậy:
I D  I 0
(VD<-0.1V)
 Vùng 3: vùng đánh thủng.
Khi điện áp âm đủ lớn đặt vào hai đầu diode (khoảng -100V), dòng điện
ngược qua diode tăng đột ngột khi điện áp không thay đổi, tính chất van của
diode bị phá hỏng. Hiện tượng này được gọi là Zener hay đánh thủng. Điện áp
mà tại đó xảy ra hiện tượng trên gọi là điện áp đánh thủng, ký hiệu là VBR.

17


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

Các tham số giới hạn của diode:
 Điện áp ngược cực đại Ungcmax là điện áp ngược lớn nhất để diode còn thể
hiện tính chất van (chưa bị đánh thủng). Ungcmax thường chọn bằng 80%
điện áp đánh thủng VBR.
 Dòng điện cực đại qua diode khi phân cực thuận IAcf .
 Công suất tiêu hao cực đại trên cho phép trên diode để chưa bị hỏng vì
nhiệt PAcf.
 Tần số giới hạn của điện áp (dòng điện) đặt lên diode để nó còn có tính chất
van fmax.

2.1.2. Sơ đồ tương đương diode:
Việc tính toán toán học các mạch diode gặp rất nhiều khó khăn do tính phi
tuyến, đặc biệt là sự xuất hiện của các thành phần hàm mũ trong đó. Vì vậy, để
đơn giản người ta đưa ra một số các sơ đồ tuyến tính tương đương của diode. Mỗi
một sơ đồ có độ chính xác khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà người thiết kế
quyết định chọn sơ đồ nào cho phù hợp.
a. Sơ đồ tương đương ở chế độ 1 chiều:
Các sơ đồ tương đương tuyến tính của diode bán dẫn trong chế độ một
chiều được gọi là các mô hình tuyến tính thông minh piecewise-linear models. Đặc
tuyến vol-ampere của diode được xấp xỉ bằng một chuỗi các đoạn thẳng. Bốn sơ
đồ tương đương của diode ở chế độ 1 chiều được chỉ ra như hình vẽ:

Với mỗi hình vẽ, hình phía trên là sơ đồ tương đương, đồ thị phía dưới là đặc
tuyến vol-ampere tương ứng. Trong mỗi đồ thị, đường nét đứt là đường của diode
thực, đường nét đậm là đặc tuyến tạo ra được của các sơ đồ tương đương.
Hình (a) là sơ đồ tương đương đơn giản nhất cho diode bán dẫn gọi là
diode lý tưởng. Khi vD>0 thì diode cho dòng điện đi qua hoàn toàn. Diode coi như
bị ngắn mạch. Khi vD<0 thì diode ngăn không cho dòng điện đi qua. Diode coi như
bị hở mạch. Hình biểu diễn của diode lý tưởng giống như diode bán dẫn nhưng có
thêm chữ Ideal (lý tưởng) ở phía trên.

18


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

Hình (b) là một sơ đồ tương đương chính xác hơn. Điện trở Rth cho phép
điện áp phân cực thuận nhận giá trị khác 0.Giá trị của Rth nằm trong khoảng 1 đến
50Ω.
Hình (c) một nguồn điện 1 chiều V0 mắc nối tiếp với điện trở sẽ làm cho
đặc tuyến vol-ampere gần với đặc tuyến thực hơn. Giá trị của V0 nằm trong
khoảng 0.4 đến 0.7V.
Từ sơ đồ tương đương hình (c) ta có:
V D  V0  I D .Rth
(khi V D  V0 )
Hình (d) là sơ đồ tương đương cho vùng đánh thủng Zener.Giá trị của
nguồn 1 chiều đúng bằng điện áp đánh thủng VBR .
b. Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều:
Sơ đồ tương đương chế độ 1 chiều xây dựng ở phần trước thường được
dùng để tính toán điểm làm việc DC của diode bán dẫn.
 Sơ đồ tương đương diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số thấp
Ở đây, ta sẽ xem xét các mạch tín hiệu nhỏ, tức là tín hiệu có biên độ là nhỏ
so với điện áp và dòng điện 1 chiều tại điểm làm việc. Khi tín hiệu nhỏ, chỉ cần
mô hình tương đương tuyến tính là phù hợp. Khi các thành phần tần số của tín
hiệu là thấp, chúng ta có thể bỏ qua tác động điện dung trong diode.
Sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ chỉ là một
điện trở động r được xác định như hình vẽ.

Chú ý giá trị điện trở động chỉ phụ thuộc vào điểm làm việc 1 chiều (ID) và
nhiệt độ (VT).
 Sơ đồ tương đương ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ, tần số cao
Khi ở tần số cao, diode sẽ tạo ra giá trị điện dung tác động lên tín hiệu. Vì
vậy, mô hình cuối cùng mà ta tìm hiểu sẽ cho thấy tác động của diode lên các tín
hiệu tần số cao.

Hình (a) là sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ,
tần số cao khi phân cực ngược.
Hình (b) là sơ đồ tương đương của diode ở chế độ xoay chiều tín hiệu nhỏ,
tần số cao khi phân cực thuận.
19


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

2.1.3. Một số ứng dụng của diode:
a. Mạch chỉnh lưu:
Mạch chỉnh lưu là mạch biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều.
 Mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ:

+ V1 là điện áp lưới 220V, 50Hz.
+ T1 là biến áp, thực hiện biến đổi dòng xoay chiều thành
dòng xoay chiều có biên độ thay đổi.
+ D1 là diode, nhờ tính chất van dòng điện sẽ chỉnh lưu dòng
xoay chiều phía thứ cấp của biến áp thành dòng 1 chiều.
Mạch điện thực hiện biến đổi điện áp lưới thành điện áp một chiều.

Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán
trên 1 chu kỳ từ 0 đến T. Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn.
 0 < t < T/2:
U2>0 => diode phân cực thuận => U0=U2.
 T/2 < t < T:
U2<0 => diode phân cực ngược => U0=0.
Nhận xét:

20


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

+ Tại đầu ra, điện áp luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh lưu
điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Tuy nhiên, điện áp ra chỉ tồn tại
trong nửa chu kỳ dương của điện áp vào. Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh
lưu 1 nửa chu kỳ.
+ Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U 2 là
điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2)
T
___
T
2 .U 2  cos( 2ft )
2 .U 2
1
2
U 0   2 .U 2 . sin(t ) dt 

.

 0.45U 2
0
T 0
T
2f

+ Tín hiệu ra U0 là tín hiệu 1 chiều tuy nhiên tín hiệu này không ổn
định. Tín hiệu 1 chiều mong muốn là tín hiệu bằng phẳng và ổn định. Để làm
cho tín hiệu ra bằng phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch như sau:
D1
V1

T1

220 V
50 Hz
0Deg

U2

C1

R1

Do quá trình phóng và nạp của tụ điện làm cho điện áp ra bằng phẳng hơn.

 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ:
D1

V1
220 V
50 Hz
0Deg

T1

U 21

U 22

R1
10k

D2

21


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

+ V1 là điện áp lưới, 220V, 50Hz.
+ T1 là biến áp có điểm đất chung ở giữa. Hai điện áp ra U 21 và U22
sẽ ngược pha nhau.
+ Hai diode D1 và D2 phối hợp với nhau đảm bảo điện áp ra tồn tại
trong cả hai chu kỳ.
Mạch điện thực hiện biến đổi điện áp lưới thành điện áp một chiều.

Tín hiệu vào là tín hiệu tuần hoàn theo chu kỳ T, do đó ta chỉ cần tính toán
trên 1 chu kỳ từ 0 đến T. Các chu kỳ còn lại tín hiệu sẽ tuần hoàn.
 0 < t < T/2:
U21>0 => Diode 1 phân cực thuận
U22<0 => Diode 2 phân cực ngược
 T/2 < t < T:
U21<0 => Diode 1 phân cực ngược
U22>0 => Diode 2 phân cực thuận

=> U0=U21

=> U0=U22

Nhận xét:
+ Tại đầu ra, điện áp ra luôn ≥0 nên mạch đã thực hiện việc chỉnh
lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Điện áp ra tồn tại trong cả hai
nửa chu kỳ. Vì vậy, mạch được gọi là mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ.
+ Giá trị trung bình của điện áp ra được tính như sau (giả sử U21 và
U22 là điện áp hình sin, có giá trị hiệu dụng là U2). Dễ thấy giá trị trung bình
của điện áp ra trong mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ gấp đôi trường hợp chỉnh lưu
___

1 nửa chu kỳ, vậy U 0  0.9U 2
+ Để đánh giá độ bằng phẳng của điện áp ra, thường sử dụng hệ số
gợn sóng được định nghĩa đối với thành phần sóng bậc n:
22


Bài giảng Điện tử tương tự và số
qn 

Bộ môn KTMT

U nm
với Unm là biên độ sóng có tần số n.ω, U0 là thành phần điện áp 1
U0

chiều trên tải. Đối với mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ta có: q1 = 0.67
+ Tín hiệu ra U0 là tín hiệu 1 chiều tuy nhiên tín hiệu này không ổn
định. Tín hiệu 1 chiều mong muốn là tín hiệu bằng phẳng và ổn định. Để làm
cho tín hiệu ra bằng phẳng hơn, ta mắc thêm tụ điện vào mạch như sau:
D1
V1

T1

U

21

C1

220 V
50 Hz
0Deg

U

22

R1

D2

Do quá trình phóng và nạp của tụ điện làm cho điện áp ra bằng phẳng hơn.

___

Khi có thêm tụ điện, giá trị trung bình của điện áp ra sẽ tăng U 0  2 .U 2 và
hệ số gợn sóng giảm q1 ≤ 0.02.
 Mạch chỉnh lưu cầu:
V1
220 V
50 Hz
0Deg

T1

D1

D2

U2
D4

U0

D3
R1

+ 4 diode D1, D2, D3, D4 mắc như trên gọi là mắc theo hình cầu.
+ V1 là nguồn điện áp lưới.
+ T1 là biến áp.

23


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

Mạch thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp lưới thành dòng
điện một chiều như hình vẽ sau:

0 < t < T/2:
U2 > 0 => D1, D3 phân cực ngược; D2, D4 phân cực thuận => U0 = U2
 T/2 < t < T:
U2 < 0 => D1, D3 phân cực thuận; D2, D4 phân cực ngược => U0 = -U2
b. Mạch ghim:
 Mạch ghim trên nối tiếp:
Mạch ghim trên là mạch giữ cho điện áp ra không vượt quá một giá trị
ngưỡng E. Khi điện áp vào nhỏ hơn E, điện áp ra bằng điện áp vào. Khi điện áp
vào lớn hơn E, điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E.
Sơ đồ mạch ghim trên nối tiếp được biểu diễn trên hình vẽ:
D1

U0

U1
R

E

+ U1 là tín hiệu vào
+ E là nguồn 1 chiều, cũng là mức hạn chế trên.
+ D1 là diode.
Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:
+ Điện áp vào U1 đặt tới đầu Katốt của diode.
+ Nguồn 1 chiều E đặt tới đầu Anốt của diode.
24


Bài giảng Điện tử tương tự và số

Bộ môn KTMT

Phân tích hoạt động của mạch:
 0 < t < t1 :
U1 < E => Diode phân cực thuận => U0 = U1
 t1 < t < t2:
U1 > E => Diode phân cực ngược => U0 = E
 t2 < t < t3:
U1 < E => Diode phân cực thuận => U0 = U1
Nhận xét:
+ Khi điện áp vào nhỏ hơn E thì điện áp ra bằng điện áp vào. Khi
điện áp vào lớn hơn E thì điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E. Như vậy, mạch sẽ ghim
không cho điện áp ra lớn hơn E. Đó chính là mạch ghim trên.
 Mạch ghim dưới nối tiếp:
Mạch ghim dưới là mạch giữ cho điện áp ra không nhỏ hơn một giá trị
ngưỡng E. Khi điện áp vào lớn hơn E, điện áp ra bằng điện áp vào. Khi điện áp

vào nhỏ hơn E, điện áp ra sẽ bị cắt và bằng E.
Sơ đồ mạch ghim trên nối tiếp được biểu diễn trên hình vẽ:
D1

U0
U1
R

E

+ U1 là tín hiệu vào
+ E là nguồn 1 chiều, cũng là mức hạn chế dưới. Chú ý nguồn
E mắc ngược lại so với trường hợp mạch ghim trên nối tiếp. Khi đó, mức ghim
dưới bằng –|E|.
+ D1 là diode.
Từ sơ đồ mạch, ta nhận xét thấy:
+ Điện áp vào U1 đặt tới đầu của Anốt diode.
+ Nguồn 1 chiều E đặt tới đầu Katốt của diode.
25