Lý thuyết mạch điện tử và tự động thiết kế mạch bằng máy tính

TS. DƯƠNG TỨ CƯỜNG

LY T H U Y E T
M ẠCH ĐIỆN TỬ
& T ự ĐỘNG
TH IET k ĨẾ m ạ c h
BẰ N G M ÁY TÍNH

ĐHQGHN
T Rl l NG TÂM TT-TV

621.38

Dư-C
2001


TS. D Ư Ơ N G T Ử C Ư Ờ N G

LÝ THUYẾT
MẠCH ĐIỆN TỬ
& T ự ĐỘNG
THIẾT KẾ MẠCH
BẰNG MÁY TÍNH
■

■

(In lần t h ứ ha i có chỉnh lý)

H iệ u đ ín h :

PGS. TS Đ ỗ H u y G iác

QC-7
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VẢ KỸ THUẬT
HÀ NỘI -2 0 0 1


LỜI NÓI »ẦU

Tr o n g n h ữ n g nam gán đâ y sự phát triổn n h ư vũ b ă o c ủ a các cổn g nghệ sán xuất
mới đà kéo th e o sự xuất hiện của

một loạt cấc kicu linh kiện với một số tính chất và

c h ứ c năn g mơi. Đ iề u này đ ã ch o phép ỉhiốỉ kê cá c thiết bị diộn lử vơi các yỏu cẩu về
tính luiim kỹ thuật cao hơn và d o đổ cũn g phức lạp hơn. Sự tien hộ này dẫn đốn những
m â u thuẫn k h ô n g thố tránh khỏi giữa yêu cầu vổ thực tố và đòi hói về phương pháp, thiết
bị và p hư ơn e tiện tronu q u á trình th i ít k í. Sự phất trien và lien hộ của q u á trình thiết kế
chi c ố llìe dượ c thực hiộn I1ÍU nó đượ c đ ồ n g hộ với viộc ứng d ụ n g và phái Ilion các
p h ư ơ n g pháp lien tien dựa trôn nh ữ n g thành tựu vổ lý thuyế t c ũ n g n hư việc áp d ụ n g các
th àn h quá mới nhất của ng àn h kỹ thuật lính.
Lý thuy ết m ạc h điện tử là một trong cấc m ô n họ c c ơ sơ n h ằ m trang bị các kiín
thức vổ lý thuyết c h o sinh viên thuộc ng àn h v ỏ luyến điộĩì lử cũ ng đa trái qua một số
thay đổi đ á n il ko de có the đ á p ứng đượ c các nhu cầu vổ thiết kố vơi một loạt các
phư ơn g ph á p mới được sử d ụ n g trong q u á trình phùn lích, tối ưu và tổng hợp các mạ ch
điện lứ. Một n gu y ỏ n nhan qu a n trọng c ổ vai trò thúc đ á y q u á trình phái Irien củ a lý
tluiyít m ạ c h điẹ n íử về p hư ơ n g ph áp đ ỏ là sự lien bộ vượt bạc của ngành cỏng lìghẹ
ỉhỏnu tin mà cụ Ihổ là ứng d ụ n g của cá c phư ơng ph ấp lính tr o n é lĩnh vực ihiíl ke’mạch.
Tài liộu này n h ằm m ụ c đích đưa ra một sổ ph ươ ng p h ấ p mới được sứ chint: troné

quá trình thiốl k í m ạc h điện tử m à tập Irunii chú y í u vào cá c m ạ c h lích cực cỏ chứa các
đòn bấn dẫn lưỡng cực, đèn hán dẫ n trưừna, khuếch đại thuậ! loan v.v. T rô n a lài liệu
CÙ11U de cập tươ ng đối chi tiíl đ ế n một sổ thuật toán đư ợc sử d u n g tr on é quá trình ihiốt
ke m ạ c h đế uiííp hạn đọ c làm q u e n với một hướng mới tron g q u á trình ihiốt k í m ạc h đố
là lự đ ộim hoá q u á trình ihiít kố m ạ c h đi ện lử billig m á y tính.
Tài liệu h a o g ố m 6 chương. C h ư ơ n g I đưa ra cá c kiến thức cơ hàn trong lĩnh vực
điộn lử nh ằm uiú p bạn đ ọ c nam hái lại các kiến thức ban đầu. C h ư ơn g 11 SC giới thiộu
một loạt m ỏ p h ó n g của các m ạ c h điện lử nói ch u n g c ũ n g n h ư các linh kiện điộn tử như
transistor, tliocl, và k hu ếch đại thuật toán. Các m ỏ ph ón g n à y sè đ ổ im một vai trò hốt sức
quan Irọng troim qu á trình thiít k ế lự đ ộ ng . Q u a ch ươ ng III và ch ươ ng IV hạn đ ọ c sè
làm qu en vơi c á c khái niệm, phư ơng p h á p và một loại thuật toán d ù n g đổ phân tích


mạch. C hư ơn g V giới thiệu các phương ph á p phân tích m ạc h phi luy en cun g n h ư ihuật
toán tiling do phân tích các m ạ c h điện có tính chất phi luyến. C h ư ơ n g VI đưa ra các kiến
thức cơ hàn về đ ộ nhạy, đ ộ ổn định của các th a m số của m ạ c h và cá c phư ơng p h á p d ù n g
đỏ xác định đ ộ nhạy của cá c tha m số. T r o n g ch ư ơn g này c ũ n g xây d ự n g các thuật loan
d ùn g đổ xác định đ ộ nhạy c ủ a m ạc h thô ng q u a m á y tính.
Cu ốn sách c ó thế đư ợc dù n g đe làm lài liệu c h o các sinh vieil, cao học chLiycn
ngành

v ỏ

tuyến điện cũ n g n h ư làm tài liệu th a m kh ả o c h o cá c kv

SƯ

q u a n lâm đốn quá

trình thiết k ế tự đ ộ n g b ằ n g m á y tính.

T r o n g q uá trình biổn soạn tài liộu, tác giả đ ã nhận dư ợc rất nh iề u V kiến d ó n g
góp q u ý báu củ a các đ ổ n g n gh iệ p và được N hà xuất hán k h o a học và kỹ thuật tạo dic u
kiộn đổ cuố n sách có thể phát hành kịp thời và đạt chất lượng lốt. T á c già xin hày tó lời
cả m ơn chân thành về sự đ ó n g gó p và giúp đ ỡ q u ý báu này.
M ặc dù đã rất c ố g ắ n g trong q u á trình bien soạn tài liệu nh ư n g chác ràn u k h ỏ n e
tránh khỏi nhữ ng thiếu sót và hạn chế. T á c giả rất m o n g nhộn đượ c nh iều ý k i í n đ ỏ n g
g ổ p của hạn đ ọc c h o tài liẹu.

Tác giả


NHỮNG KHÁI NIỆM
■

co BẢN

1.1. THIẾT KẼ TRONG ĐIỆN TỬ, CÁC GIAI ĐOẠN
Thiẻt kê là một từ được sử dụng trong r ất nhiều lĩnh vực của quá trình thiết kế: thiết
kê máy, thi ết kê các công trì nh xây dựng v.v... Tuy vậy ỏ t r o n g mỗi chuyên ngành việc thiết kê
m a n g nhiều nét đặc trưng khác nhau. Mặc dù mang tính c h ấ t đa dạn g nh ưn g vẫn có thể thảy
dược nét đặc tr ư n g n h ấ t trong công việc thiêt kế, đó là việc giải quyết một loạt các vân để phức
tạp được đưa ra bát nguồn từ các yêu cầu vê kỹ thuật, kinh t ế với kết quả là các tài liệu chi tiết
phục vụ cho vấn đê được đặt ra. Các tài liệu này thông thường được gọi là (proekt) và bao gồm
các tính toán chi tiết, các bản vẽ, lòi giải thích, nguyên vật liệu, máy móc thiết bị cùng nhiều
vấn đê có liên quan. Trên cơ sở của tài liệu này cá n h â n hoặc đơn vị khác có thẻ xảy dựng hoặc
ch ế tạo ra đôi tượng đả được thi ết kê và tổ chức việc sản x u ấ t h à n g loạt các đôi tượng đó.
Khác

VỚI

một sô ng ành n h ư xây dựng và chê tạo máy, thiêt kê trong kỹ t h u ậ t điện tử

ma ng nhiêu n é t đặc trưn g xu ất p h á t từ một sô* yêu cầu và đặc điểm của chuyên ngành. Có thể
í.hay rằ ng công việc thiết kê trong điện tử không đơn th u ầ n được thực hiện qua các b ản vẽ, sách
tra cứu và qua việc tính toán các con sô v.v...và càng không thẻ thực hiện trên các bàn giây.
Ngoài các công việc tính toán cần thiết, việc thiết kê trong điện tử còn liên quan ch ặt chè đến
các thực nghiệm, đo đạc, kiểm t r a trên Maket trong các ph òng thí nghiệm với các thiêt bị đo
lường hiện đại v.v...
Lĩnh vực th i ết k ế trong n h ữ ng năm gần đây đã có nhiề u sự th a y dổi lớn cả về phương
pháp lẫn công nghệ, đặc biệt trong lình vực điện tử. Các th a y đối này chịu ảnh hưởng lỏn của
sự p h á t triển m ạ n h mẽ và liên tục của các phương ph áp tính, kỹ t h u ậ t tin học, sự tự động hoá
trong quá tr ì n h s ản x u ất v.v. Một trong n hững yếu tô' có ý nghĩa quyết định đó là việc ứng dụng
máy tí n h khi giải quyết các vấn để đòi hỏi nhiều phép tính lốn và phức tạp. Với sự giúp đỡ của
máy tính, các bài toá n này thông thường được tiến hà n h tr ên các mô hình toán học của đôi
tượng cần thi ết k ế mà không cần xây dựng các Ma ket của đổi tượng. Mặc dầu vậy công việc
thiết kê trong n g à n h điện tử vẫn không mâ't đi các nét đặc tr ư n g của nó. Sự cần thi êt của việc
tiến h à n h thực nghiệm, c h ế tạo nguyên mẫu của đôi tượng cần t h i ế t kê, khả nă n g của các


6

LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩử VÀ TỤ Đ Ộ N G THIẾT KỀ M Ạ C H BANG

m á y t ín h

ch uyên gia trong việc sử dụ n g các thiết bị do phức tạp cũng như n h u cầu về sự tr an g bị các
kiến thức cơ bản vê lý th u y ế t và thực hàn h v.v... vẫn sẽ quyết định các đặc trưng cơ bản của
việc thiết kẻ trong lĩnh vực điện tử trong tương lai.
Trên quan điểm kỷ thuậ t, quá trìn h thiêt kê có thể được chia làm ba giai đoạn chính:
thiết kẻ vê chức nàng, thiết kẻ vê cấu trúc và thiết kê vê công nghệ. Các khái niệm này củng

được sử dụ ng trong các lĩnh vực khác của các ngành kỹ thuật.
Thiết k ế chức n ản g bao gồm việc chọn lựa nguyên lý làm việc của thiết bị, xác định các
p h ầ n tử cấu t h à n h nên thi ết bị và cách liên hệ, nôi kết cúa p h ầ n tử này với nhau. Nói cách
khác đây là quá trình chọn lựa mạch nguyên lý làm việc của thiết bị. Thi ết kê chức n ă n g còn
bao gồm việc tính toán n h ằ m đạt được các chỉ sô kỹ t h u ậ t cần thi ết của thiêt bị, việc kiêm
nghiệm mạch trên thực tế, đo đạc với mục đích chửng minh k hả n à n g của thiết bị so với các
tiêu chu ẩn được đặt ra.
Thiết k ế cấu trúc n h ằ m mục đích đưa ra các giải ph áp vê cấu trúc cho toàn bộ thiêt bị
cũng nh ư của các ph ần tứ cơ học, mạch in, panel v.v.
Thiết k ế về công nghệ cho phép giải quyết vấn đê chê tạo các linh kiện, các p h ầ n tủ
chuyên dụng trong điểu kiện sản xuất. Thiết kê vê công nghệ củng bao gồm việc chọn lựa các
phương tiện, máy móc cần thiết cho quá trình sản xu ất cũng như các chê độ làm việc của các
th i ết bị này và chi ra các phương pháp kiểm tra chất lượng sả n p h ẩ m v.v.
Ở đây chúng ta chỉ đề cập đến một giai đoạn trong quá trình th iế t kê đó là thiét ké về
chức nảng của các thiết bị diện tử. Bản t h ả n thiết kê chức n ă n g lại có th ể chia làm một sô giai
đoạn:
- Đưa ra các yêu cầu vê kinh tê - kỷ t h u ậ t của thiết bị.
- Tổng hợp mạch.
- P hân tích mạch.
- Tôi ưu hoá.
- Đ ánh giá
- Chê tạo.
Các giai đoạn này có thê được biểu diễn thông qua sơ đồ ỏ hình 1. 1 .
Giai đoạn đầu của quá trình thiết kê chức năn g phải đưa ra các yêu cầu vê kỹ th u ậ t
cùa thiết bị và th oạ t nhìn qua có thê được xem là công việc tương đôi dễ dàng. Tuy vậy để có
thê đưa ra được n h ữ n g yêu cầu hợp lý, cần phải đòi hỏi một t r ì n h độ ch uỵê n môn cao và kinh
nghiệm làm việc phong phú. Trong khi các yêu cầu được đ ặ t ra nếu qu á cao so VÓI mức cần
thiết sẽ làm phức tạp và gây khó k h ă n thê m r ất nh iêu cho qu á tr ìn h th iê t kê và chè tạo cũng
n h ư làm cho giá t h à n h sản ph ẩm lên cao thì việc đưa ra n h ữ n g yên cầu quá th ấ p sẽ làm giảm
c h ẵt lượng củng n h ư giá trị thực của thiết bị.

Chương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BÀN

7

H ìn h 1.1
Giai đoạn tổng hợp có nhiệm vụ đưa ra nh ữn g nguyên tắc chung trong việc xây dựng
thiết bị, các p h ần tử cấu t h à n h nên thi ết bị củng n h ư cách thức liên hệ giữa các ph ần từ này.
Nói một cách tông quát , giai đ oạ n này n h ằ m mục đích dưa ra mạch nguyên lý chung m à trên
cơ sở đó có thể đáp ứng được các yêu cầu về kỹ t h u ậ t được đ ặt ra.
Giai đoạn p h â n tích m ạ c h thông thưòng thực hiện việc nghiên cứu chi tiết vể lý thuyết
song song với các phé p tính cầ n thiết, kiểm tra về thực nghiệm tr ên mạch đã được tổng hợp
trước đó và xác định giá trị c h í n h xác, chê độ làm việc của các p h ần tử qua đó đưa ra đ á n h giá
vê kết quả đạt được. N h ư vậy giai đoạn n à y có th ể được chia làm nhiều giai đoạn nhỏ, đó là:
- Xây dựng mô h ìn h vê lý th u yế t (toán học) và thực nghiệm (vật lý).
- P hâ n tích mạch.
- Đánh giá kết quả.


8

LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VẢ ĩự Đ Ộ N G THIẾT KỀ M Ạ C H BANG MÁY TÌNH

Giai đoạn chê tạo được tiên hàn h sau khi các kết quả nh ận được thoà m ã n các yêu cầu
đã được đặ t ra, tuy nhiên, trên thực kết quá thu được lần đẩu thông thường chưa thể đáp ung
được các yêu cầu đã dặt ra và do đỏ cần phải tiên hàn h giai đoạn tối ưu hoá. Mục đích của giai
đoạn này là n h ầ m diều chỉnh lại các thông sô của mạch đê có the đạt được kết quả tôi ưu gần
VỚI

yêu cầu được đưa ra n h ấ t trong những điểu kiện xác định. Tôi líu hoá có the được tiên hành

trên một hoặc nhiều thông sô của mạch, thông thường đây là các thông số có ản h hường nhiều
nhất đên các chỉ tiêu kỹ t h u ậ t của mạch như độ ôn định, an toàn, giá thành, khôi lượng, kìeh
thước v.v. Có hai phương pháp được dùng đê tôi ưu hoá mạch: tối ưu hoá th an h p h ầ n và toi ưu
hoá câu trúc. Trong khi tôi líu hoá t h à n h ph ần dược thực hiện thông qua việc thay đổi giá trị
r ủ a các p h ần tử cũng như chê độ làm việc của mạch, thì tôi ưu hoá câu trúc đòi hỏi phải tông
hợp lại mạch và nghiên cứu lại một lần nữa.
Sau khi kết quả của quá trình tôi ưu hoá được đánh giá tôt sẻ chuyên sang giai đoạn
ch ế tạo thử sản p hẩ m mầu (prototype). Đây vẫn chưa phải là giai đoạn cuôi cùng của việc sân
xuất ra sản phẩm. Trong nhiều trường hợp, sản ph ẩm mẫu vẫn có thể chưa thoả mã n yêu cầu
đ ặ t ra sau khi tiến h àn h thử nghiệm một cách toàn diện trên sản phẩm. Điêu này có the phát
sinh do việc sử dụng các mô phỏng vặt lý và toán học với độ chính xác chưa cao, chưa tính hêt
các ảnh hưởng bên ngoài đến sản ph àm trong điếu kiện làm việc thực tế trong các mồ phỏng
toán học. Các yếu tô này có thế là điện dung ký sinh giữa các phần tử, độ cảm ứng giữa các dày
d ẫ n v.v. Việc t h ử nghiệm độ tin cậv của thiết bị nhiều lúc cũng làm cho sản ph ẩm cần được
điều chỉnh lại. Nh ư vậy giai đoạn cuối cùng: hoàn th à nh giai đoạn kỹ t h u ậ t (bản vẽ, mạch điện,
các thông sô của các p hần tử cấu th à n h nên mạch (thiêt bị), phương pháp sản xuât, kiêm t r a và
phát hiện hóng hóc) và san xuất sản phàm hàng loạt sẽ dược tiên h à n h sau khi tấ t cá các giai
đoạn trước đều cho kết quả thoả mã n yêu cầu đặt ra.
Có th ể n h ặ n thấ y rằng khôi lượng công việc của thiêt ké th ậ t lớn và phức tạp do đó với
các phương phá p đơn sơ sử dụng trước đây, việc giải quyêt một cách đầy đủ và n h a n h chóng các
còng việc này là hết sức phức tạp và khó khăn. Trong nh ững năm gần đây, nhờ việc ứng dụng
các phương pháp thiết kẻ và công nghệ mới với sự trợ giúp của máy tính, một loạt các công việc
của quá trình thiêt kê như ch u ẩn bị tài liệu, làm mạch in, các tính toán phức tạp, chương trình
điểu khiển, ph át hiện và kiêm tra hòng hóc đả được thực hiện và làm cho quá trình thiẻt kê
được tự động hoá với chất lượng sản ph ẩm cao hơn, thòi gian thiết kê s ản ph ẩm được r ú t ngàn
một cách đán g kể.
Lý t h u y ế t mạch điện tử n h à m giải quyết các bài toán cụ thê sau:
1-

Nghiên cứu và xây dựng các phương pháp ứng dụng mới th u ậ n tiện cho việc xác

định (phân tích) các tính ch ất cơ bản, các đặc tính và th a m số của các mạch điện tử. Đó là hệ sô
khuếch đại của điện áp, dòng điện và công s uất của toàn mạch củng n h ư từng p h ần của mạch,
h à m tru yền cua mạch dưới tác dụng của tín hiệu đầu vào, chê độ làm việc tĩnh củng nh ư sự ôn
định của mạch, độ n h ạy của mạch đôi với một sô' yếu tố nh ư sự thay đổi giá trị của một số p hần
tử của mạch v.v...


Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN

9

2- Xây d ựn g cấu trúc cũng như xác định giá trị các p hần tử của mạch n h à m đ áp ứng
các đặc tính đã dược xác định trước (quá trình tống hợp).
3- Tôi ưu hoá mạch điện tử đê có thỏ n h ặn được các mạch diện với các chì tiêu tôi ưu.
Tài liệu n ày chí đế cập các vấn đề liên qu an đến các phương pháp phâ n tích các mạch
diện tử (các mạch tương tự) làm việc trong chê dộ tuyến tính, ch ế độ phi tuyến, các phương
pháp xác định độ nh ạy của mạch củng như tôi ưu hoá các mạch điện tử. Lĩnh vực tông hợp các
mạch điện tủ đòi hòi một kinh nghiệm làm việc phong p hủ củng như khã năn g chuyên môn sâu
sác hơn và ch ún g tỏi hy vọng sẽ giới thiệu với các bạn trong các tài liệu tiếp theo. Bẽn cạnh
phan lý th u y ế t chung, một điều cần lưu ý là trọng tâm của cuôn sách này sè cho phép độc giả
làm quen

VỚI

một sô phương pháp hiện đại đê giải các bài toán ph ân tích, tôi ưu v.v - sử dụn g

các t h u ậ t toán, phư ơng pháp tính thông qua máy tính. P hầ n tiếp theo của chương I sè để cập

đến một sô khái niệm cơ bản trong kỹ t h u ậ t mạch điện tư.

1.2. CÁC PHẤN TỬ VÀ MẠCH ĐIỆN
Trên thực tê các mạch điện tử chính là cách liên kết của các linh kiện điện tử (điện trỏ,
tụ điện, cuộn cảm, đèn bán d ẫn v.v) theo một cấu trúc n h ất định. Sự liên kết của các linh kiện
này luôn n h ằ m mục đích tạo ra một mạch diện vối một sô yêu cầu kỷ t h u ậ t cần đạt đến (hệ sô
khuếch đại dòng, hệ sô khuếch đại điện áp V.V.). Cách thức liên hệ giừa các p h ần tử trong mạch
được biêu diễn tr ê n bản vẽ qua sơ đồ nguyên lý của mạch điện tương ứng. Qu a mạch nguy ên lý
ta có thê n h ậ n được các thông tin sau:
- T h a m sô cùa các p h ần tử trong mạch.
- Cách thức liên hộ giữa các phần tử đó.
+ 12 v
R2
1 00 k

R8 s

47k
Đầu vào

R,

330

Rs

Dầu ra

Rĩ
CTlOOn

-o

T
H ình 1.2 a


10

LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN ĩừ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG

m á y tín h

H ìn h 1.2 b
H ình 1.2 a và 1.2 b đưa ra hai sơ đồ nguyên lý của mạch điện tử. Hình 1.2 a biểu diễn
sơ đồ n g u v ê n lý của mạch tiên khuếch đại của các máy quay đĩa trên thực tê. Trên sơ đồ này có
th ể xác đ ịn h được các loại p h ầ n tử th a m gia vào mạch điện, gì á trị của các p h ần tử đó và cách
thức liên hệ giữa các p h ầ n tử này. Hình 1.2b đưa ra sơ đồ n g u y ên lý của bộ lọc điện tử tích cực
có sử d ụ n g khuếch đại t h u ậ t toá n với các hồi tiếp âm. Khác với mạch nguyên lý trên, trê n sơ dồ
này chỉ ký hiệu các p h ầ n tử của mạch và cách liên kết giữa c h ú n g mà không đưa ra các giá trị
cụ thế. Các giá trị này được đ ưa ra ở các bả n liệt kê riêng.
C ủ n g cần phải nhắc lại rằng, thông thường trên sơ đồ nguy ên lý chỉ đưa ra các ph ần tử
(linh kiện) được lắp ráp trong th iế t bị. Một số yếu tố không được vẽ trên sơ đồ nguy ên lý, tuy
vậy, trong nhiều trường hợp củ ng ản h hưởng đến sự làm việc của mạch. Các yếu tô đó là các
đại lượng ký sinh n h ư điện trỏ của các c h ấ t cách điện, đ iệ n trở và hỗ c ảm của các d â y dân
c ủ n g n h ư các đường d ẫ n đ i ệ n t r ê n mạ ch in, điện d u n g ký s i n h giữa các p h ầ n tử của
m ạ c h đ iệ n , đ iệ n d u n g r i ê n g c ủ a các cuộn cảm, đèn b á n d ẫ n , các m ạ ch IC v.v. Các p h ầ n
tử n à y m ặ c d ầ u k h ô n g được đ ư a vào m ạ ch n g u y ê n lý đ ể t r á n h gây r a sự phức tạp trong
mạch, tu y vậy, khi thiết kê luôn luôn phải được lưu ý bài vi sự có mặt của chủng có t h ể làm cho
mạch kh ôn g làm việc hoàn to à n theo ý muôn của người thi ết kế, trong một vài trường hợp

ch úng có t h ể làm cho thi ết bị làm việc không được ổn định hay gây ra quá trình tự kích của
mạch.
Các linh kiện (ph ần tử) của mạch củng như chính b ản th â n các mạch do các p h ầ n tử
này cấu t h à n h nên có th ể chia làm các loại sau: thụ động và tích cực, tuyến tính và không
tuyến tính, hai cực và nhiều cực.

1.2.1. P h ầ n tử thụ đ ộ n g và tíc h cực
Tín h th ụ động hay tí n h tích cực của một ph ần tử được đ á n h giá qua k h ả n ă n g tiêu thụ
hay p h á t sin h n ă n g lượng của p h ầ n tử đó. Trên quan điểm này, p h ầ n tử t h ụ động là các phầ n
tử chỉ có t h ể tiêu th ụ n ă n g lượng. Các phần tử nàv có th ể là điện trỏ R tụ điện với điện d un g c
điện cảm của cuộn cảm L, diod bán dẫn v.v. Hình 1.3 đưa ra một sô ký hiệu hay d ùn g tr ên các
mạch n g uy ên lý của các p h ầ n tử này.


Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c ơ BÀN

E
*—

— ©

---------- *

(d)
H ình 1.3

H ìn h 1.4

Các p h ần tử mang t í n h kháng điện lý tưởng thuộc loại điện cảm và điện du ng chỉ tiêu
thụ các n ăn g lượng mang tính k hán g điện trong khi các p h ầ n tử k h á n g điện tr ê n thực tê tiêu

th ụ cả hai loại n ăng lượng: n ă n g lượng kh á n g và nàng lượng thực (tích cực) do sự tồn tại của
diện trỏ trong các phầ n tử này.
Khac với các p hần tử t h ụ động, các phầ n tử tích cực có t h ể ph át sinh ra n à n g lượng, hay
nói cách khác các phần tử n ày là các nguồn năn g lượng điện: nguồn điện áp hoặc nguồn dòng.
Nguồn điện áp lý tương luôn d ảm bảo giữa hai cực của nó một s u ấ t điện động với một giá trị
không đôi E mà không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện chạy qua nó (hình 1.4 a), điểu đó có
nghĩa là các nguồn điện áp lý tưởng luôn có điện trở trong b ằn g không. Chiều của điện áp được
biêu diễn như hình vẽ. Nguồn dòng lý tưởng luôn ph át sinh ra một dòng diện có giá trị J không
dổi và không phụ thuộc vào giá trị của điện trở được nôi trong mạch. N h ư vậy có th ể xem r ằ n g
giá trị điện trỏ trong của nguồn điện lý tưởng là vô cùng lớn.
Các nguồn điện áp và dòng điện trên thực tế, tuy vậy luôn tiêu thụ n ă n g lượng ỏ một
mức độ n h ấ t định. Nguyên n h â n của hiện tượng này là sự có m ặ t của điện trở trong ở các
nguồn nă n g lượng này. Sơ đồ của nguồn điện áp và dòng điện tr ê n thực tê được biểu diễn ỏ
hình 1.4 c, d.
Tiêu chu ẩn để đá n h giá một ph ần tử là th ụ động hay tích cực n h ư ở tr ê n cho đên báy
giờ có thể nói không đáp ứng được các yêu cầu trong điện tử. Trong kỹ t h u ậ t điện tử hiện nay
đang sử dụng một tiêu ch u ẩn mới, đó là khả n ăng của p h ầ n tử có t h ể làm giảm hoặc tă ng công


LÝ ĨH UYỀĨ M ẠCH ĐIỆN ĩ ù VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

12

suất của tín hiệu được tr u yề n qua nó. Kha năng này được biếu diễn thông qua hộ sô khuếch đại
công suất, một dại lượng được xác định bởi tý sô giữa công suất đầu ra Pra và công suất đáu vào
i \ ao: Kị, = Pvao/Pra. Các đèn điện tứ, đèn bán dẫn. mạch khuếch đại toán tứ và IC là các p hần từ
tích cực do chúng có kha nă ng khuếch đại công suất cùa tín hiệu điện truyền qua hoặc các
ph ần tứ này có thể tự tạo ra được các dao động. Đôi với các p hần tủ tích cực thì Kp > 1. Chính
nhò n hữ n g tính chất này của đèn điện từ và đèn bán dẫn mà ngày nay đã đ ạ t được r ấ t nhiều
th à n h tựu vĩ đại trong kỹ t h u ậ t điện tử. Các mạch điện có chứa các p hầ n tứ tích cực được gọi là

các mạch điện tích cực. C ùng ở trong nhóm này còn có các Rơle điện tử bởi vì mạch điện của các
loại Rơle này tiêu th ụ một lượng nàng lượng rất nhỏ trong khi lại có khả nă n g đóng mỏ một
lượng công suất r ất lớn. Ngoài các phầ n tử kể trên ỏ trong nhóm các ph ần tử tích cực còn có
Thiryctor, các thiết bị khuếch đại điện tử.
Điện trỏ, cuộn cảm, tụ diện, biến áp và một ph ần lớn trong sô các diod dược liệt vào loại
ph ần tử th ụ động. Ngu vê n n hâ n là các phần tử này làm giảm công suất của các tín hiệu đi
qua chúng. Ở các ph ần tử này ta luôn có Kp < 1. Tuy vậy có một vài loại diod lại được xem như
các p h ầ n tử tích cực như Tunel diod v.v...bởi vì các ph ần tử này cũng có khà nă n g làm phát
sinh các dao động điện.

1.2.2. P h ầ n tử tu y ế n tín h và k h ô n g tu y ế n tính
Các linh kiện điện tử có thể được chia làm hai loại - tuyến tính và không tu y ế n tính
phụ thuộc vào đặc tuyến Volt-Ampe của các linh kiện đó. Đặc tuyến Volt-Ampe là sự p h ụ thuộc
của điện thê đặt trên p h ần tử và dòng điện chạy qua chính ph ần tủ đó.
Đôi VỚI các p hầ n tử tuyến tính, đặc tuyến Volt-Ampe của c h ún g là một đường th á ng
trong khi đặc tuyến Volt - Ampe của các ph ần tử không tuyến tính không phải là một đưòng
thảng. Một tinh chất cơ bàn của của phần tử tuyến tính là có thể áp d ụn g nguyên tắc xẻp chồng
trong khi nguyên tác này không thê áp dụng cho các ph ần tử không tuyên tính.
N h ư vậy, có thê nói, một ph ần tử được gọi là tuy ến tính khi các thông số của nó không
phụ thuộc điện áp được đặt. ỏ hai dầu hay dòng điện di qua phần tủ đó. Trong n h ữ n g trường
hợp ngược lại, khi thông sô của p h ần tứ phụ thuộc điện áp ỏ hai đầu hay dòng diện di qua,
p hần tử được gọi là không tuyến tính.
T ín h chất cua các mạch điện tử hoàn toàn phụ thuộc vào các p h ần tử t h a m gia vào câu
trúc của mạch. Mạch điện được gọi là tuyến tính nếu nó chỉ chứa các p h ầ n tử tuyến tính. Nêu
trong mạch có chứa dù chỉ một thông số’ mà giá trị ph ụ thuộc vào điện áp hay dòng điện đi qua
nó thì mạch được gọi là không tuyến tính.
Đại diện cho các p hần tử t uyế n tính có thể kể đến là điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Đặc
tuyên Volt-Ampe của các phầ n tử này là một đường t h ẳ n g đi qua gốc toạ độ - h ìn h 1.5.
Đối vói các p h ầ n tử tuyến tính, nếu gọi i lf i2, i3 v.v... là giá trị các dòng điện đi qua
chúng khi đặ t một điện áp lên hai đầu là u Ịt u 2,

113V.V...

thì dòng điện đi qua các p h ầ n tử này sẽ


Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN
có giá trị là tống giá trị (ij+i 2+i3...) của ij, i2 i3... khi ta đặt một điện áp có giá trị bằng tống các
diện áp

U|,

u.,,

U3V.V...

lên hai dầu các phần tứ đó.

P h ần lớn các linh kiện điện tử là các phần tứ không tuyến tính. Hình 1.6 chi ra các đặc
tuyến Volt-Ampe của ba loại diod: Si-diod, Ge-diod và diod Shotki.
Hình 1.7 chí ra họ đặc tuyến Volt- Ampe của transistor lưỡng cực.
Đôi vối các phầ n tủ không tuyên tính cần phải phân biệt điện trở R 0 = U/I tại một điểm
xác định trên đặc tuvến Volt-Ampe đôi với dòng điện không đối và điện trở R= d u / di củng tại
diêm đo đỏi vói dòng điện thay đối (điện trỏ vi phân), hai điện trỏ này thường có gia tri khác
nhau.

H ìn h 1.5

H ình 1.6

H ìn h 1.7


LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẺ M Ạ C H BANG M Á Y TÍNH

14

1.2.3. P hần tử hai cực và n h iều cực
Các ph án í ừ nh ư điện trở, cuộn cam, tụ điện, các nguồn điện và nguồn dòng là n h ữ n g
p h ầ n tử hai cực. Đòi với các p h ầ n tử thụ động, sự phụ thuộc giữa điện áp và dòng điện di qua
c h ún g có thể biêu diễn qua các phương trình:
- Điện trớ R:

ur = R ik

;

iR = G u K

(1.1)

trong đó R là điện trỏ và G là điện dẫn: G = 1/R.
Điện trỏ có thứ nguyên là Volt/Ampe

và được đo bàng Q, điện dẩn có thứ n g uy ên là

Sime n (S).
- Tụ điện C :
trong đó

u r( = —
c jfirc d t , i rc = c ^ dll(
t

(1.2)

c có thứ nguyên Ampe * thời gian/Volt và đo bàng đơn vị Far a (F) khi điện áp đo b àng

Volt, dòng điện đo bằng Ampe và thời gian đo bàng giây.
Cuộn cam L:

T di.
.
1 r
.
U|I. - L —
dt—; 11I. = —
L j U iI.d t

(1.3)

Điện cảm L có thứ nguyên là Volt*thời gian/Ampe và đo băng đơn vị Henri (H).
Có thê n h ậ n thấy rằng các phương trình cơ bàn của ba phầ n tử trên bao gồm cả ba loại:
đại sô, vi p hâ n và tích phân. Nh ư vậy trong trường hợp tống quát, phương trình biếu diền sự
p h ụ thuộc giữa điện áp và dòng điện của mạch điện được thiết lập từ các p hần tử đó sẽ có dạn g
vi-tích phân.
Nếu gọi p là toán tử của tầ n sô phức:
p = ơ +jo

(1.4)

với các điều kiện ban đầu bằng 0, phương trình (1.1), (1.2), (1.3) có thể được biểu diễn t h u ậ n
tiện hơn:
U(p) = Z(p) I(P),

I(p) = Y(p) U(p)

(1.5)

Z(p) = ZR(P) = R

Y(p) = Yr(p) = G = 1/R

( 1.6 )

Z(p) = zc(p) = 1/pC,

Y(p) = Yc(p) = pC

( 1. 7 )

Z(p) = ZL(p) = pL,

Y(p) = Yl (p) = 1/pL

( 1.8 )

trong dó:

dưới dạng toán tủ ta thu được các phương trình đại sô sau:

ƯR(p) = RI(p),

IR(p) = GU(p)

(1.9)

Uc(p) F - — I(p),
pC

Ic(p) - pCƯ(p)

( 1. 10 )

U L(p) = pLI(p),

IL(p) = —— U(p)
pL


Chương 1 - NHỮNG KHÁI NIỆM c ơ BẢN

15

Việc biểu diển phương trình của các p hần tử thụ động dưới dạn g toán tử sẽ cho phép
các phép toán dưới dạng vi phân và tích ph ân theo thời gian của các đại lượng gốc i(t) và u(t) có
thể được tha y thê bảng các phép toán nhản, chia đại số với các giá trị phức của ảnh các đại
lượng này I(p) và U(p). Nhìn chung các phương trình được viết dưới dạn g toán tử thuộc dạn g
(1.5) được thiết lập và giải tương đôi dễ dàng. Sau khi đả tìm được các nghiệm của các phương
tr ì n h này, để có thể tìm được các hàm gốc của thòi gian, thông thường người ta sử dụng phép
biên đổi ngược của Lapplas.

Trong tài liệu này, chủng ta sẽ dùng ký hiệu u,i đẽ chì giá trị tức thời của điện áp và
dong diện, hai giá trị này là hàm của thòi gian u(t) và i(t), các ký hiệu u , I- giá trị không đối
hoặc biên độ phức của dòng điện, các ký hiệu U(P), I(P) - ảnh của u(t) và i(t) và là hàm phức
của tầ n sỏ.

(a)

(b)

(c)

(d)

H in h 1.8

3

1

1

2

2

3

4

H ìn h 1.9

Khi điểu kiện ban đầu khác không (điện áp ban đầu của tụ điện có giá trị u0, dòng điện
ban đ ầu qua cuộn cảm có giá trị i0), trong phương tri n h 1.4 cần phải đưa thêm các th à n h p h ần
mới - điện áp hay là dòng điện theo các sơ đồ được chỉ ra trên hình 1.8 . Các giá trị này được
phản á n h tr ên mạch thực của các p h ần tử
sơ đồ của p h ầ n tử

c và L n h ư trên hình vẽ 1.8. Hình 1.8 a,b biểu diễn

c lý tưởng với điện áp ban đầu bà ng u 0, hình 1.8 c,d - ph ần tử L lý tưởng với

dòng điện b an đầu bằng i0. Các giá trị này được biểu diễn thông qua nguồn điện áp lý tưởng
Uọ/ p

và i0L hay qua nguồn dòng lý tưởng U0C và io/p. Phương trình của các ph ần tử 2 cực tích

cực lý tưởng - nguồn điện áp và nguồn dòng (hình 1.4 a,b) là n hữ ng phương trình r ấ t giản đơn:
E(t) = const và j(t) = const hay viết dưới dạn g toán tử: E(p) =const và J(p) = const. Các p h ần tử
2 cực tích cực cỏn được gọi là nguồn tác động.


LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN ĩ ù VÀ Tự Đ Ộ N G ĨH IẼ Ĩ KẼ M Ạ C H B A N G M ÁY TÍNH

16

Các ph ần tủ nhiêu cực củng có thế dược chia làm 2 loại - t h ụ dộng và tích cực. Một ví
dụ về phần tử th ụ động nhiều cực được mô tả trên hình 1.9. Đây là mạch của p h ẩn tứ với độ hỗ
cám M. Phần tử này có chứa 2 ph ần tử 2 cực - Cuộn cảm L l và L2, với độ hỗ cám giữa chủitg là
M. Trôn hình vẽ mô tả 2 cách biêu diễn của p h ần từ này theo mạch 3 cực hoặc 4 cực. Sơ đổ này
củng chính là cách biểu diễn của biến áp trong các sơ dồ nguyên lý ỏ c h ế độ tần sô th ấ p và cao.

c

A

I)

ọ
G
Gọ

K

E

(a)

(b)

s
(c)

(d)

(e)

H ìn h 1.10
Các p h ầ n tử tích cực n h i ề u cực n h ư đèn điện tử, đèn b án d ẫn lưỡng cực, đèn b á n
d ẫ n tr ư ờn g và các mạ ch IC đóng một vai trò r ấ t to lớn tr o n g điện tử ứng d ụ n g và lý thu yế t.
Hình (1.10) mô tả cách biểu diễn của một SÔI ph ần tử tích cực (a - đèn điện tử 3 cực, b- đèn bán
dẫn loại NPN, c- đèn bán dẫn PNP, d- đèn bán dẫn trường N - kanal (JFET ), e - đèn bán dẫn

MOS (MOSFET). Sự đa dạn g của các phầ n tử nhiều cực cùng các quá trình phức tạ p xảy ra
trong các p h ần tử đó đã xác định vai trò r ấ t q uan trọng của lý th uy ế t các mạch điện tứ được
thiết lập từ các ph ần tử nhiều cực. Tính chất của các phầ n tử tích cực có thể được biểu diễn qua
nhiêu cách khác n h a u tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và phương ph áp lý t h u y ê t được chọn.
Có một số cách biểu diễn hay dược chọn trên thực tế:
- Biểu diễn sự phụ thuộc giữa dòng điện và điện áp trên các p h ầ n tử và các th a m sô
chính qua đồ thị.
- Biểu diễn các phần tử như mạch bôn cực thông qua các giá trị tiêu chuẩ n, các giá trị
cực đại, tới hạn và qua các t h a m sô chính của các ph ần tử đó.
- Biểu diễn các ph ần tử nhiều cực bằng mạch tương đương qua việc sử d ụn g các nguồn
phụ thuộc.
- Sử dụng mô phỏng toán học của các ph ần tử dà n h cho việc phâ n tích tự động các
mạch điện tử bằn g máy tính.

1.3. CÁC KHÁI NIỆM VẢ OỊNH LUẬT

cợ BẢN TRONG LÝ THUYẾT MẠCH ĐIỆN TỬ

1.3.1. N h á n h và nú t của m ạch đ iện
Các mạch điện tử được xây dựng từ n hữ ng p hầ n tử thụ động và tích cực hai cực và
nhiều cực. Đê định nghĩa các khái niệm và định luậ t cơ bản bước đầu ch ún g ta h ã y xem xét các
mạch điện được xây dựng từ các ph ần tử hai cực. Trong mạch điện này, tập hợp một sô p h ầ n tử
hai cực cấu th à n h lên mạch được gọi là nh ánh. Nh ư vậy n h á n h bao gồm các thôn g sô nối tiếp


Chương I ; NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BẢN

17

nh au (điện trở, tụ điện, cuộn cảm, các nguồn điện áp lý tưởng v.v. hoặc các thông sô mác song

song với n h a u n h ư diện dẫn, nguồn dòng lý tưởng V.V.).
b

H ìn h 1.11
N ú t là giao điểm của từ ba n h á n h trỏ lên. Hình 1.11 là một ví dụ vể một mạch điện gồm
6 nh ánh , 4 điểm nút.

1.3.2. M ạch v ò n g và m ặt cắt
Các n h á n h nôi kết liên tục với n h a u và tạo t h à n h một mạch khép kín được gọi là vòng.
Trên hình 1.11 chỉ ra hai mạch vòng được vẽ bằn g các đường nét đứt. Một vòng có chứa các
n h á n h 1, 4 và 5; vòng kia có chứa các n h á n h 1, 2, 3 và 4. Nh ư đả biết, đôì với mỗi vòng có thể
thiết lập phiíơng trì nh theo định luậ t hai của Kirchhoff. Theo định lu ậ t này thì tổng đại sô của
sụt áp trên các nhánh u k(t) của mạch vòng ỏ mọi thời điểm có giá trị bằng 0:

• £ u k(t) = 0

( 1. 12 )

Trong phương trình này khi ghi các giá trị của các điện áp ta cần phải chú ý đến dấu
của các điện áp đó. Để thực hiện điêu này cần phải chọn một chiểu dương của vòng đan g xét,
chăng h ạ n theo chiểu quay của kim đồng hồ. Theo cách chọn này, điện áp của các n h á n h có
chiều t r ù n g với chiều dương đã chọn của vòng sẽ có giá trị dương (+), điện áp trên các n h á n h
còn lại sẽ có giá trị âm (-). Nguyên tắc n ày cũng được áp d ụn g cho các nguồn tác động.
M ặ t cắt là một đường vòng khép kín tưởng tượng cắt một số n h á n h nào đó của mạch
điện. Tr ên hình 1.11 có chỉ ra hai m ặ t cắt trong sô" các m ặ t cắt có th ể được tạo ra tr ên mạch.
Mặt cặt th ử n h ấ t là một đường khép kín bình thường có cắt các n h á n h 1, 4 và 6 . M ặt cắt này
chí bao q u a n h nú t (a). M ặt cát t h ứ hai có dạng phức tạp hơn, mặt cắt này đi qua các n h á n h 6 ,
4, 5, 2 và bao q u a n h hai n ú t (c) và (d). Chiều của mủi tên là chiều đóng kín của mặt cắt bởi vi
theo định nghĩa ta cũng không cần phải vẽ toàn bộ đường khép kín này. Điều quan trọng là đôì
2 -LTMDT

18

LÝ ĨH U YỄ Ĩ M ẠC H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KỄ M Ạ C H BANG MÁY TÍNH

vói mỗi mật cắt có thể áp d ụn g định luật thứ n h ấ t của Kirchhoff. Theo định luật này thì tống
(lại sô của các dòng điện của các n h án h bị cắt bơi mặt cắt trong mọi thòi điểm sẽ có giá trị bàng 0 :
l i k(t) = 0

(1.13)

Khi thiết lập phương trình này, chiều của m ặ t cát được chọn là chiêu đi vào trong mặt
cắt. Với cách chọn đó thì các dòng điện cùng chiêu với m ặ t cắt sẽ có dấu (+), và ngược chiểu
dấu (-).
Các định luậ t của Kirchhoff củng có hiệu lực ỏ dạn g toán tử.
E U k (P) = 0 ; Z l K (P) = 0

(1.14)

Khi p hân tích một mạch điện, để có thể giải quyết được bài toán đặt ra cần phái chọn
các mạch vòng hoặc m ặ t cát mà các phương trình được thiết lập từ chúng phái độc lập tuyên
tính với nhau. Các mạch vòng hoặc mặt cắt này được gọi là không phụ thuộc.

1.3.3. P hư ơng trìn h n h á n h
N h á n h trong mạch điện được chia làm hai loại: n h á n h z và n h á n h Y. Trong khi n h á n h
z là một n h á n h bao gồm các phần tử như điện trỏ, tụ điện, cuộn cảm mác nôi tiếp VỚI nhau thì

n h án h Y củng bao gồm các p hầ n tử đó n hư ng lại mắc song song với nhau.
•

Đôi với n h á n h Z:
Rk = l R ; L k = X L ;

Ek = X E ; ~ - = ỵ ~
Ck
e

Hình 1.12 là một n h á n h z tống quát được nôi giữa hai n ú t (a) và (b) của mạch điện,
trong đó :
Rk + P L k + ~
= Zk
pCk

(1.15)

Trong n h á n h này, nếu cho r ằn g diện t h ế (b), thì chiều của dòng điện trong n h á n h IK sẽ có hướng từ điểm (a) đến điểm (b).

H ình 1.12
Phương trình n h á n h khi đó có dạng:

Hay
U k = Ọa "

= ZKIK + E k

phướng t rình này có dạng của một phương tr ìn h đại sô> tuyến tính y = ax +b .

(1.16)


Chương I - NHỮNG KHÁI NIỆM c o BẢN

19

Trong n h á n h trên, chiều của dòng điện, diện áp của n h án h dược xác định theo quy tác
sau chiểu dương của điện áp U K là chiều của nguồn tác dộng E K và nh ư vậy sẽ có chiểu ngược
vôi chiếu dòng điện IK. Qui ước này sè tạo điêu kiện dễ dàng khi ph ản tích mạch bỏi vì ngoài
\ lọ c

cho phép n h ậ n được một phương trinh của điện áp trên n h án h dưới dạng phương trình

tu vén tính, qui ước này còn đưa đến cách xác định dấu r ất đơn giản trong phương trình: dấu
cúa U K và E k trong phương trì nh (1.16) là dấu (+) khi chiều của c hủng tr ù n g nh au và sò là dấu
(-) khi

và Ek có dấu ngược nhau.
Tư phương trình 1.16 và cách qui ước vê chiêu của điện áp và dòng diện trê n nhánh ,

việc xác định phương trình của n h á n h

z trong các chê dộ khác n h au và chiều của các đại lượng

Ưk và Ik có thê được xây dựng một cách dễ dàng. H ã y xét một ví dụ của mạch điện trên hình
1.13 với cách qui ước vê chiều được chỉ ra trên mạch, phương trình của n h á n h z với các p h ần từ
Kk , Kk sẽ là :

(a)

(b)
H ình 1.13

Trong khi phương trình của n h á n h bên phải (n hán h chứa RT ) sẽ có dạng:
u k

=-Io,„

Rt

• Đôi với n h á n h Y
H ì n h 1.14 là một n h á n h Y tổ n g q u á t dược nôi giữa 2 đ i ể m (a) và (b) c ủ a một
r.iạch diện.
Trong n h á n h này thì:

(1.17)

t"0 ng đc

Ik = Yk u k + J k

(1.18)


20

LÝ THUYẾT M Ạ C H ĐIỆN TỪ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M Ạ C H BANG MÁY TÍNH

H ìn h 1.14

Việc chuyển đối một n h á n h từ dạng z sang dạng Y có thê được thực hiện dễ dàng nêu
sử dụng phương trình (1.16) và (1.18). Nếu chọn chiêu của nguồn tác động Ek và nguồn dòng Ik
là tr ù n g n h au trong cả 2 loại n h á n h (hình 1.15) thì đối với n h á n h z ta có :
Ưk = Ik z k - E k;

Nếu n h á n h z này được biểu diễn dưới dạng n h á n h Y thì ta có thể viết:

Ik = z T U k + f L
So sá nh kết quả này với d ạng của phương trì nh n h á n h Y (1.18) thì một n h á n h

z cỏ t h ê

chuyên t h à n h n h á n h Y với các ph ân tử mới:
(1.19)
Ngược lại nếu một n h á n h Y được chuyển sang dạng n h á n h

z (hình 1.15b), các ph ần tủ

•ủa z được n h ậ n từ n h á n h Y qua các phép chuyển đổi:
zk =

;Ek

( 1. 20 )

Yk

u,

Ik

z, = —

e
(b)

H ìn h 1.15
Việc chuyển dổi từ n h á n h Y sang n h á n h

z và ngược lại cỏ Ihể gặp khó k h ă n khi tro n g

n h á n h chì chứa các ng uồn lý tưởng, c h ẳ n g h ạ n n gu ồ n dòng với Yk = 0, và n g u ồ n điộn a p
với

zk = 0 . Trong trường hợp này có t h ể sử dụng một sô phương p háp khác nhau.


Ch ương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c o BẢN

(a)

21

(b)

(c)

H ìn h 1.16
Phương ph áp thứ n h ấ t đó là cách chập các n ú t của nhánh. C h ẳn g hạn mạch điện ở
hình (1.16 a) có thê được chuyển sang hai dạn g khác n h a u (1.16 b) và (1.16 c).
Phương phá p th ứ hai được dùn g khi chuyển n h á n h đó là mác nôi tiếp vối nguồn điện áp

hai diện trở có giá trị trái ngược n hau , chẳng hạn 1Q và - 1Q (hình 1.17). Khi đó việc chuyển đổi
sẽ có thê tiến h à n h theo phương pháp bình thường. Cách này hay được sử dụng khi mô phỏng
và p h ân tích mạch bằng máy tính.

1Q

1S

El = 12V

= 12A

H ìn h 1.17
Củng giông như nhánh z, trong trường hợp n hán h Y chi chứa nguồn điện lý tưởng (Yk = 0),
việc chuyển đổi có thể được thực hiện nếu các ngiiồn này được chuyển vị trí. Hình 1.18 mô tả 2 cách
chuyển vị trí của nguồn điện lý tưởng từ 1.18 a sang 1.18 b và 1.18 c.
Tuy vậy trên thực tê không tồn tại các nguồn lý tưởng, do vậy giá trị của điện trỏ trong
luôn tồn tại. Trong trường hợp giá trị này bị bỏ qua, khi xây dựng mạch chúng ta có th ể lấy giá
trị đó bằng 0 , 1Q hoặc th ậ m chí 0 ,0 01 Q mà không ản h hưởng gi đến kết quả tính toán.

H ìn h 1.18


‘22

LÝ THUYẾT M ẠC H ĐIỆN TỬ VÀ Tự Đ Ộ N G THIẾT KẼ M ẠC H BANG MÁY TÍNH

1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ
Nhìn ch un g các phương pháp p hản tích mạch điện tử đều được xây dựng và phát trièn
dựa trên các phương pháp p hà n tích các mạch điện tuyến tính và phi tuyến tính. Các phương

pháp này đà có một lịch sử ph át triển lâu dài, tuy nhiên lại có r ất nhiều hạn chế trong lình vực
ứng dụn g và thường dược áp dụng trong các mạch thụ dộng tuyên tính và một vài mạch phi
tuyến tính đơn giản. Sự có mặt của các phân từ điện tử tích cực (transistor, IC, v.v) đã làm cho
việc p hân tích các mạch tuyên tính cũng như phi tuyến trỏ th à n h hết sức phức tạp và đặc biệt.
Nguyên n h ân dẫn đến diếu này là do tính phức tạp và đa dạng của đặc tuyến Volt - Ampe của
các ph ần tử tích cực, tính qu án tính của các phầ n tử khi tần sô tăn g và sự phức tạp của việc mỏ
phông các p h ần tứ tích cực này bằng các mô hình toán học. Chính vì các nguyên n h ả n này mà
việc phả n tích các mạch điện dược p h át triển như một n h á n h độc lập với các phương p háp riêng
của chính mình.
Các phương p háp lý t h u yế t phâ n tích mạch với các ph ần tử tích cực được ph át triển hầu
như đồng thời với việc c h ế tạo ra các linh kiện điện tử mới. Trong khi các định luật cơ bản như
định luậ t Kirchhoff I, II, phương ph áp mạch tương đương v.v. có thê dùng để giải quyết tỏt các
bài toán ph ân tích mạch đôi vối các mạch điện có chứa các ph ần tử là đèn diện tử (đèn điện tử
làm việc ở chê độ không có dòng điện vào) thì chủng lại tỏ ra chưa đầy đủ khi p h ân tích các
mạch có chứa các p h ần tử được làm từ chất bán dẫn. Sự x uất hiện của các phần tử bán dan với
ản h hưỏng rấ t lớn của đầu vào đòi hỏi phải đưa thêm một sô phương pháp mới: phương phá p
ma tr ận và phương pháp Topo và để có thể ứng dụn g các phương ph áp này một cách co hiệu
quả thì sự p h át triển của các phương pháp tính và ứng dụng của máy tính đã đóng một vai trò
hết sức q uan trọng. Chính sự có m ặ t của các phương pháp títth là yếu tô quyết định sự tồn tại
và p h á t triển của các phương pháp ma tr ận và th ậ m chí làm cho các phương pháp ma tr ận trở
t h à n h các phương pháp chủ yếu được sử dụng trong ph ân tích mạch diện tử.

1.4.1. P h ư ơ n g ph áp p h ân tích m ạch tu y ế n tính
1.4.1.1. Phương pháp dai số
Phương p háp này có th ể được chia làm một sô nhóm nhỏ:
a. Phương p h á p mạch tương đ ư ơng:
Theo phương pháp này, các ph ần tử tính cực (đèn bán dẳn, mạch khuêch đại được th a y
thê bởi các mạch tương đương với các ph ần tử thụ động R, L,

c và các ph ần tử ph ản á nh tí nh

tích cực và tính khóng tương hỗ của các p h ần tử này. Công việc tiếp theo là thiết lập các
phương trình theo các định luậ t cổ điển đôi với điện áp và dòng điện. Phương p háp mạch tương
đương chỉ có tác dụ ng đôi với các mạch điện đơn giản, có thể tính toán

bằng tay và tỏ ra không

hiệu quả đôi với các mạch phức tạp.
b. Phương p h á p m ạch 4 cực:
Phương p háp này được sử dụng khi phâ n tích các mạch t h ụ động ví dụ n h ư mạch lọc
hoặc để xác định t h a m số của các p h ầ n tử tích cực. Mặc dù có một s ố ưu điểm n h ư n g phương


Chương I - NHỮNG KHẢI NIỆM c ơ BẢN

23

ph.jp không tỏ ra đa năng do không có khả n ăng sử dụng đối với một sô loại mạch củng như tò
ra rất phức tạp vì đòi hỏi phải sứ dụ ng các dặc tuyên v.v...
! .4.1.2. Phương pháp ma trán
Phương pháp ma tr ận được xảy dựng dựa trên việc thiết lập các phương trình của mạch
điện dưới d ạ n g ma tr ận và được sử dụng r ấ t có hiệu quả với sự trợ giúp của máy tính. Một
trong 2 phương pháp ma tr ận hay gặp đó là phương pháp điện t h ế diện n ú t và phương pháp
dong diện mạch vòng.
ỉ .4.1.3. Phương pháp Topo
Phương pháp này thông thường được sử dụng đê giải quyết các bài toán liên qua n đến
một số đặc tính của mạch (như h àm truyền) theo phương pháp Graph.
ỉ .4.1.4. Phương pháp bàng
Phương pháp bảng được thiêt lập dựa trên việc xây dựng các bảng chứa thông tin của
mạch. Phương pháp này chí dược sứ dụng cho các mạch diện lớn với sự trợ giúp của máy tính.

1.4.2. P h ư ơ n g pháp phân tích m ạch phi tu y ên
ỉ .4.2.1. Phương pháp phán tích bằng đổ thị
Phương pháp này sử dụng đồ thị (các đặc tuyến của các p h ầ n tử) mô tả quan hệ giữa
dòng điện, điện áp và các đại lượng khác của các ph ần tử tuyến tính. Sử dụn g các đồ thị cùng
các phép tính đơn giản có thể xác dịnh được các th a m sô cơ bản của mạch. Mặc dù được xây
dựng đã khá lâu, phương pháp này vẫn tỏ ra r ấ t hữu hiệu khi phâ n tích các mạch với tín hiệu
có biên độ và công suất lớn. Để sử dụng được phương pháp này, tuy vậy đòi hỏi người thiêt ké
phải được t r a n g bị các tài liệu t r a cứu và đặc tuyến của các p h ần tử.
1.4.2.2. Phương pliáp tuyên tinh hoá gán đúng theo đường gãy khúc
Phương pháp này dòi hỏi phải biểu diễn đặc tính phi tuyên của các p hần tử tích cực
qua các quan hệ tuyến tính. Khi biểu diễn qua qu an hệ tuyến tính, các đặc tính phi tuyên của
các p h ần tử được tuyến tính hoá bởi các đoạn t h ả n g g ă y khúc nôi tiêp nhau. Phương pháp này
có ưu điểm là đơn giản, tuy vậy lại có nhược điểm là không chính xác. Trong thời gian gần đây
người ta đã đưa ra một sô phương pháp đại số mới để ph ân tích các mạch phi tuyên vối sự giúp
đờ của máy tính, các t h u ậ t toán và chương trình. Chẳng h ạn có th ê sử dụn g phương pháp
tuyến tính hoá hàm thực ở các điểm theo phương pháp Newton và giải các phương tr ì n h tuyên
tính t h u được theo các phương ph áp ma trận. Kết quả nh ận được tại điểm đang xét sẽ được sử
dụng dể tuy ên tính hoá ỏ các điểm tiếp theo v.v... cho đến khi nhậ n được kêt quả với giá trị sai
số’cho trước. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp tru y chứng.


II

MÔ PHỎNG CÁC LINH KIỆN
ĐIỆN
TỬ
■
■

2.1. MỒ PHỎNG VÀ PHÂN LOẠI

2.1.1. Đ ặc đ iể m của p h ư ơng pháp m ỏ ph ỏn g
Mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khoa học bao gồm việc xây dựng, tìm hiểu
các đặc tính của đối tượng cần nghiên cứu. v ề thực chất, mô phỏng của một đôi tượng, một hiện
tượng hay của một quá tr ì n h nào đó chính là hình ản h của chúng được xây dựng thôn g qua các
ý tưởng của con người trong một điểu kiện n h ấ t định. Có thể xem mỏ phỏng là một hệ thông
bao gồm các p h ầ n tử mà với ch ún g có thể tạo ra các đặc tính, chức năng, q ua n hệ tổn tại trong
đồi tượng mà mô phỏng này p h ả n ánh. Việc sử dụ ng mô phỏng của các đôi tượng sẽ cho phép đi
sâu vào nghiên cứu bản ch ất của đôi tượng và tạo tiền để đê xây dựng lên mô phỏng toá n học
của đỗi tượng đó. Mô phỏng toán học của đôi tượng mà cụ thể hơn là các phương trìn h toá n học
mô tả quan hệ của các quá trình xảy ra bên trong đôì tượng cùng chính là tiền đê' cho việc xây

dựng các phương phá p và t h u ậ t toán trong việc thiết kê các m ạ c h ‘bằng máy tính.

2.1.2. Các n g u y ê n tắc của quá trìn h m ỏ p h ỏ n g
Việc xây dựng mô phỏng của các linh kiện điện tử cần phải x u ất p h át từ các ng u yê n tác

- Với một độ chính xác n h ấ t định từ mô phòng phải đảm bảo n h ậ n được các đặc tính
của đôì tượng trong một dải rộng của điện áp, dòng điện và nhiệt độ.
- Phải tồn tại sự tương ứng duy n h ấ t giữa các th a m sô của mô phóng và các q u á trình
vật lý bên trong các đối tượng.

- Mô phỏng có thể được chuyển về d ạng đơn giản hơn để có th ể được sử dụng một cách
dễ dàng đổi với các bài toán có yêu cầu với độ chính xác thấp hơn.
- Mô phỏng phải phù hợp và tạo điêu kiện dễ dàng cho việc thiết kê b ằn g máy tính.


Chương II - M Ô P H Ỏ N G C Á C LINH KIỆN ĐIỆN TỪ

25

2.1.3. P h ân lo ạ i m ỏ ph ỏn g
Phụ thuộc vào phương pháp được sử dụng, mô phỏng của các p hầ n tứ có thê được phán
loại t h à n h hai nhó m chính:
2.1.3.1. Mo phông hình thức
Với mô phỏng này, các đôi tượng được biêu diễn như một hộp đen với một sô cực ngoài
nhất định. Mô phỏng ỏ dạng này chỉ ph ản á nh một cách gần đúng các đặc tính thực của các
linh kiện điện tử ỏ các cực mà không qu an tâm đến cấu trúc củng nh ư các quá trình vật lý xãy
ra ỏ bên trong. T r ê n thực tế, các mạch 4 cực, nhiều cực có thê được xem như các ví dụ điên hình
vè các mô phỏng hình thức.
2.1.3.2. Mo phòng vật lý
Trong một chừng mực nào đó loại mô phỏng này có thê ph ản án h các hiện tượng củng
như các quá t r ì n h vật lý xảy ra bên trong cấu trúc của các phần tử được mô phỏng. Mô phóng
vật lý có t h ể được chia làm một sô dạng sau:
Mỏ p h ó n g đ iệ n : Với loại mô phỏng này, các đặc tính của các ph ần tử dược biểu diễn
thông qua các q u a n hệ toán học. Các qu an hệ này được xác định thông qua các đặc tuyến và các
th a m sô điện cơ bản được đo ở các cực của p hần tử. Đây là loại mô phỏng hay dược sứ dụng
nhất.
Mô p h ỏ n g công nghệ: Loại mô phỏng này được xây dựng thông qua các th a m sô công
nghệ được sử d ụ n g trong quá trì n h

sản xuấ t các linh kiện điện tử,

Mô p h ò n g vật lý - Topo: mô phỏng này được xây dựng từ kích thước hình học của các
vùng và các đặc tuy ến vật lý của các cấu trúc bán dẫn. Đây là loại mô phỏng đ ư ợ c sử dụng
trong quá trình th i ết kê các linh kiện điện tử.
Ngoài việc p hân loại các loại mô phỏng theo cách mà từ đó chúng được tạo ra, phụ
thuộc vào lĩnh vực ứng dụng và chê độ làm việc của các đôi tượng các loại mô phòng còn có thể
được p h â n loại theo một sô cãch khác. Với cách p h â n loại này, dấu hiệu cơ bản n h ấ t được sử

dụng đê p h ân biệt các loại mô phỏng là dạng tín hiệu mà mô phỏng làm việc. Nh ư vậy mô
phỏng sẽ được p h â n loại phụ thuộc vào sự th ay đổi của dải biên và dải tầ n mà phần tử làm việc
và có t h ể chia theo các loại dưới đây:
2.1.3.3. Mò phỏng phi tuyến
Vói mô p h òn g phi tuyến, các p h ầ n tử được mô phỏng trong chê độ làm việc với tín
hiệu

có biên độ lớn thô ng qua các

q u a n hệ không tu y ế n tính giữa dòng điện và điện áp. Mô

phòng này cũ ng p h ả n á n h c h ế độ làm việc một chiều cùn g nh ư c h ế độ làm việc biên đôi động
của p hần tử.