Giáo trình nguyên lý điện tử 2

1
I HC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN
~~~~~***~~~~~
BÀI GING:
NGUYÊN LÝ N T 2
Ngi biên son : ThS. V Chin Thng.
2
MC LC
C LC 1
CHNG 1: CÁC MCH TO QUAN H HÀM S DÙNG KHUCH I THUT TOÁN4
1.1. Khái nim chung 4
1.2. Các mch tính toán và u khin tuyn tính 4
1.2.1. Mch cng o 4
1.2.2. Mch tr 5
1. 2. 3. Mch tích ph ân o 6
1.2. 4. Mch tích ph ân tng 7
1. 2. 5. Mch tích ph ân hi u 7
1.2.6. Mch vi phân 8
1.3. Các mch khuch i và tính toán phi tuyn liên tc 9
1.3.1. To quan h hàm s có dng c tuyn ca phn t phi tuyn. 9
1.3.2. To quan h hàm i ca dng c tuyn volt-ampe ca phn t phi tuyn 10
1. 3.3 . Mch khuch i Loga 1 0
1.3 .4. Mch khuch i i Loga 12
1.3.5. Mch nhân dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga 12
1.3 .6. Mch ly tha bc hai 13
1.3.7. Mch chia theo nguyên tc nhân o 14
1.3.8. Mch chia dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga: 15
1.3.9. Mch khai cn 15
1.4. Các mch phi tuyn không liên tc 17
1.4.1. Mch to hàm chnh lu hn ch: 17

1.4 .2. Mch so sánh tng t 22
Chng 2: U CH 31
2.1.  nh ngha 31
2.2. u biên 31
2.2.1.  nh ngh a 31
2.2 .2. u b iên thông thng 31
2.2.3. Các ch tiêu c bn ca dao ng ã u biên 34
2.2.4 Phng pháp tính toán mch u biên : 36
2.2.5. Các mch u biên c th : 40
2. 2. 6. u ch n bi ên 45
2.3. Gii u biên 53
2.3.1. Gii u biên vi tín hiu u biên thông thng 53
2.3.2 Gii u chn biên: 55
2.4 . u tn và u pha 56
2.5. Gii u tn 60
2.5.1. Nguy ên lý chung 60
2.5.2. Các mch gii ch tn s 60
Chng 3: I TN 63
3.1.  nh ngha 63
3.1.1. t vn : 63
3.1.2. Khái ni m: 64
3. 2. Ng uyên lý i tn : 65
3.2.1. S khi và nguyên lý làm vic: 65
3.2.2. Nhiu sinh ra ca b trn tn và cách khc phc 67
3.2.3 Thu i tn trong 1 di tn rng 70
3.2.4 i tn  thc hin i bng tn s 70
3
3.3. Mch i tn dùng Diode 71
3. 3. 1. Mch i tn n 71
3.3 .2. Mch i tn cân b ng 71

4. 4. 3 . Mch i tn vòng 72
3.3.2 Mch i tn dùng Transistor 73
CHNG 4: CHUYN I AD VÀ DA 76
4.1. C  s l ý th uy t 76
4.2 . Các thô ng s c bn. 78
4.3. Nguyên tc làm vic ca ADC 79
4.4. Các phng pháp chuyn i tng t - s 80
4.4.1 Phân loi 80
4.4.2. Chuyn i AD theo phng pháp song song 81
4.4 .3. Chu yn i AD ni tip . 82
4.4.4. Chuyn i AD theo phng pháp kt hp 83
4.4.5. Chuyn i AD ni tip dùng vòng hi tip 84
4.4.6. Chuyn i AD theo phng pháp tich phân n gin: 85
4.4.7. Chuyn i AD theo phng pháp tích phân hai sn dc 88
4.5. Các phng pháp chuyn i s - tng t 92
4.5.1. Chuyn i DA bng phng pháp n tr bc thang 93
4.5.2. Phng pháp mng n tr: 94
4.5.3. Phng pháp Shano n – Rack: 97
Chng 5: NGUN CUNG CP 101
5.1. Khái nim chung 101
5.1.1. t vn  101
5.1 .2. Thô ng s ngun cung cp 101
5.2 . Ngun chnh lu n gin 103
5.2.1. S khi 103
5.2.2. Bin áp 103
5.2.3. Chnh lu 104
5.2.4. Lc 105
5.2.5. Các b chnh lu bi áp 106
5.3. n áp: 107
5.3.1. t vn : 107

5. 3. 2 . n áp th ôn g s: 10 7
5. 3. 3 . n áp so sán h: 108
5.4. n áp xung: 113
5.5 . Các vi mch n áp: 114
TÀI LIU THAM KHO 118
4
CHNG 1: CÁC MCH TO QUAN H HÀM S DÙNG KHUCH I
THUT TOÁN
Chng này nhm gii thiu vic ng dng mch khuch i thut toán (KTT)
trong các mch to quan h hàm s. Kho sát các mch khuch i loga và i loga, khai
n, bình phng, mch nhân, mch chia, mch chnh lu hn ch, mch to hàm so sánh
1.1. Khái nim chung
Hin nay, các b khuch i thut toán (KTT) óng vai trò quan trng và c ng
dng rng rãi trong k thut khuch i, tính toán, u khin, to hàm, to tín hiu hình
sin và xung, s dng trong n áp và các b lc tích cc Trong k thut mch tng t,
các mch tính toán và iu khinc xây dng ch yu da trên b TT. Khi thay
i các linh kin mc trong mch hi tip ta s có c các mch tính toán và iu khin
khác nhau.
Có 2 dng mch tính toán và iu khin: Tuyn tính và phi tuyn.
Tuyn tính: có trong mch hi tip các linh kin có hàm truyn t tuyn tính.
Phi tuyn: có trong mch hi tip các linh kin có hàm truyn phi tuyn tính.
V mt k thut,  to hàm phi tuyn có th da vào mt trong các nguyên tc sau ây :
1. Quan h phi tuyn Volt - Ampe ca mt ghép pn ca diode hoc BJT khi phân cc
thun (mch khuch i loga)
2. Quan h phi tuyn gia  dc ca c tuyn BJT lng cc và dòng Emit (mch
nhân tng t).
3. Làm gn úng c tuyn phi tuyn bng nhng n thng gp khúc (các mch to
hàm dùng diode).
4. Thay i cc tính ca n áp t vào phân t tích cc làm cho dòng in ra thay i
(khoá diode, khoá transistor).

1.2. Các mch tính toán và iu khin tuyn tính
1.2.1. Mch cng o
5
Hình 1.1. S mch cng o
Áp dng quy tc dòng in nút cho N ta có:
1.2.2. Mch tr
Hình 1.2. S mch tr
R
1
= R
N
/a
R
2
= R
P
/a
in áp  ca vào thun:
in áp  ca vào o:
Vì:
Nu R
N
= R
P
:
6
1.2.3. Mch tích phân o
Hình 1.3.a. S mch tích phân o
Phng trình dòng in nút ti N:
i

1
+ i
C
= 0
Hay:
Suy ra:
=> in áp ra t l vi tích phân n áp vào.
Thng chn hng s thi gian  = RC = 1s. V
out
(t=0) là iu kin u, không ph thuc
vào in áp vào V
in1.
Nu V
in1
là in áp xoay chiu hình sin: v
in1
= V
in1
sint thì:
=> Biên n áp ra t l nghch vi tn s. c tuyn biên  - tn s ca mch tích
phân f() có  dc -20dB/decade:
Mch c gi là mch tích phân trong mt phm vi tn s nào ó nu trong phm vi tn
só c tuyn biên - tn ca nó gim vi  dc 20dB/decade.  gim nh hng ca
dòng tnh I
t
và in áp lch không có th gây sai sáng k cho mch tích phân,  ca
thun ca b KTT ngi ta mc thêm mt n tr thayi c R
1
và ni xung
masse.

7
Hình 1.3.b Mch tích phân o có bin tr R
1
bù dòng lch không
iu chnh R
1
sao cho R
1
 R thì gim c tác dng ca dòng in lch không I
0
= I
P
–
I
N
và in áp lch không V
0
= V
P
– V
N
(khi V
out
= 0)
1.2.4. Mch tích phân tng
Hình 1.4. S mch tích phân tng
Dùng phng pháp xp chng và vit phng trình dòng in nút i vi nút N ta tìm
c:
1.2.5. Mch tích phân hiu
Hình 1.5. Mch tích phân hiu

8
Vit phng trình i vi nút N:
i vi nút P:
Bin i và cho V
N
= V
P
, R
1
C
N
= R
2
C
P
= RC
Suy ra:
1.2.6. Mch vi phân
Hình 1.6. S mch vi phân
Ta có:
Gi thit: v
in1
= V
in1
sint
9
H s khuch i ca mach:
K’ tng theo tn s và  th bode có  dc 20dB/decade.
Vy : Mch c gi là mch vi phân trong mt phm vi tn s nào ó nu trong phm vi
tn só c tuyn biên - tn ca nó tng vi  dc 20dB/decade.

1.3. Các mch khuch i và tính toán phi tuyn liên tc
1.3.1. To quan h hàm s có dng c tuyn ca phn t phi tuyn.
Gi s ta có mt phn t tuyn tính trong ó nó có c tuyn:
( )
I fv
=
Dòng in qua diode và in áp t lên diode có quan h:
D
0
T
v
exp
v
D
iI

=


Hình 1.7. Mch to quan h hàm s có dng c tuyn ca phn t phi tuyn
Ta có: V
h
= V
P
– V
N
Mà do KTT lý tng nên: V
P
= V
N

V
P
= 0
 V
P
= V
N
= 0
Lúc ó in tr vào nó vô cùng ln, và dòng vào KTT vô cùng bé: I
N
= 0.
Mà: V
N
= V
ht
+V
out
= 0
( )
( )
.
.
.
out ht ht ht
out ht
out ht
out in ht
V V IR
V IR
V fvR

V fVR
⇒ =− =−
⇒ =−
⇒ =−
⇒ =−
10
1.3.2. To quan h hàm i ca dng c tuyn volt-ampe ca phn t phi tuyn.
Gi s ta có mt phn t tuyn tính trong ó nó có c tuyn:
( )
v fI
=
Ta có:
h PN
VVV
=−
Mà do KTT lý tng nên:
PN
VV
=
0
0
P
PN
V
VV
=
⇒==
Lúc ó in tr vào nó vô cùng ln, và dòng vào KTT vô cùng bé:
0
N

I
=
.
Do ó:
( )
ht
I I fv
==
( )
1
0
N ht out out
VVV V VfI
−
= + =⇒ =−=
Mà:
in N in
NN
VVV
I
RR
−
==
1
in
out
N
V
Vf
R

−

⇒ =−


1.3.3. Mch khuch i Loga
Hình 1.8.a S mch khuch i Loga dùng Diode
 to mch khuch i loga, mc diode hoc BJT  mch hi tip ca b KTT. Mch
in dùng diode (1.8.a.) có th làm vic tt vi dòng in I nm trong khong nA –› mA.
Dòng in qua diode và in áp t lên diode có quan h:
Trong ó:
I
D
, v
D
: dòng in qua diode và ip áp t lên diode.
11
I
0
: dòng in ban u, có tr s bng dòng qua diode ng vi n áp ngc cho
phép.
V
T
: in áp nhit.  nhit  bình thng thì V
T
= 26mV
Hình 1.8.b. S mch khuch i Loga dùng BJT.
Mch (1.8.b) làm vic tt vi dòng in trong khong pA –› mA
Dòng Colect i
C

ph thuc vào in áp Baz – Emit theo quan h :
Trong ó:
A
N
: h s khuch i dòng in khi mc Baz chung (BC)
I
Ebh
: là dòng in emit  trng thái bão hòa.
Khi :
Ta có :
Mà V
out
= -V
BE
và i
C
= V
in
/R
Nhn xét :
- Mch ch làm vic vi n áp vào dng (do mi ni p-n).
- Mun làm vic vi n áp âm ta thay BJT npn bng BJT pnp.
12
1.3.4. Mch khuch i i Loga
Hình 1.9.a S mch khuch i i Loga dùng Diode
Vì :
Hình 1.9.b S mch khuch i i Loga dùng Transitor
Do V
BE
= -V

in
:
1.3.5. Mch nhân dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga
a, S khi
Hình 1.10. Mch nhân dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga
13
Các mch khuch i loga và i loga có th dùng mch nhã xét  mc trên.
Coi mch tng có th dùng mt khuch i tng KTT. Mch ch làm vic c vi các
tín hiu v
x
, v
y
> 0 (do tính cht hàm loga). Mch nhân 4200 là mt trong nhng mch tiêu
biu c ch to theo nguyên tc này.
A = K
1
ln(Vx/K
2
)
B = K
1
ln(Vy/K
2
)
C = A+ B = K
1
ln(VxVy/K
2
2
)

C = ln(VxVy/K
2
2
)
z
V
= K
3
VxVy/K
2
2
b)S nguyên lý
Vout
Vin2
Vin1
D3
D2
D1
R6
R5
R4
R3
R2
R1
Hình 1.11. S nguyên lý mch nhân
1.3.6. Mch ly tha bc hai
u hai u vào ca mch nhân vi nhau ta s có mch ly tha:
Hình 1.12. S mch ly tha bc hai
Lúc này v
x

= v
y
=> v
z
= K.v
x
2
Gi sn áp vào có dng sin: v
x
= Vcost
Thì in áp ra:
14
=> Có th dùng mch ly tha bc hai  thc hin nhânôi tn s.
1.3.7. Mch chia theo nguyên tc nhân o
a, Mch chia thun
Hình 1.13. S mch chia thun
Ta có:
b, Mch chia o
Hình 1.14. S mch chia o
Phng trình cân bng dòng ti N:
15
1.3.8. Mch chia dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga:
Hình 1.15. Mch chia dùng nguyên t Loga và i Loga
Hình 1.18 Mch chia tng t dùng nguyên tc khuch i Loga và i Loga
b) S nguyên lý:
R7
Vout
Vin2
Vin1
D3

D2
D1
R6
R5
R4
R3
R2
R1
Hình 1.16.  nguyên lý mch chia dùng nguyên tc loga và i loga
1.3.9. Mch khai cn
Mch khai cn c thc hin bng cách mc vào mch hi tip ca b KTT mt mch
ly tha.
16
Hình 1.17.a Mch khai cn o
Dùng phng pháp xp chng ta có:
Do:
Hình 1.17.b Mch khai cn thun
Ta có: V
z
= V
N
Mà:
Mch n hình 1.17.a ch làm vic vi n áp vào v
Z
< 0, còn mch n hình 1.17.b thì
v
Z
> 0. Trong trng hp ngc li thì mch s có hi tip dng làm mch b kt. 
17
ngn nga ngi ta mc thêm diode (mi mch mt diode) u ra ca b TT nh

hình v.
1.4. Các mch phi tuyn không liên tc
1.4.1. Mch to hàm chnh lu hn ch:
1.4.1.1. t vn :
Xét mch chnh lu dùng diode :
Vout
Vin
R
D
Hình 1.18. Mch chnh lu dùng D
Mch này có hn ch là nu nh yêu cu chnh lu tín hiu vào c mV thì mch không
thc hin c. Vì vy ta kt hp vi mch KTT  có ng c tuyn nh sau:
Hình 1.19. Chnh lu vi tín hiu nh
Khi ng c tuyn qua gc ta  gi là mch hn ch mc 0. Còn không qua gc
ta  gi là mch hn ch khác mc 0.
1.4.1.2. Chnh lu hn ch mt Diode:
18
Hình 1.20. S mch chnh lu hn ch 1 Diode
- Khi V
in
< 0
→
V
a
<0 thì D tt
→
V
out
= 0
- Khi V

in
> 0
→
V
a
>0 thì D thông
→
V
out
= V
a
−
V
Dthông
V
a
= K
0
V
h
Mà: V
h
= V
P
−
V
N
⇒
V
a

= K
0
( V
P
– V
N
)
⇒
V
a
=
K
0
( V
in
– V
out
)
→
K
0
( V
in
– V
out
) = V
a
+ V
Dthông
⇒

0
out
00
11
Dthong
in
V
K
VV
KK
=−
++
Vi
0
K
>>
và
Dthong
V
<<
⇒
out in
VV
≈
Hình 1.21. ng dng chnh lu hn ch mc 0 dùng 1D.
Nhn xét:
- Do ng c tuyn truyn t qua gc ta nên mch có th chnh lu c
khi tín hiu vào nh.
19
- Mch trên là mch hn ch di.  có mch hn ch trên ta o chiu Diode.

1.4.1.3. Mch chnh lu hn ch 2 Diode.
Hình 1.22. S mch chnh lu hn ch 2 Diode
- Khi V
in
>
0
→
V
a
<0 thì D
1
thông, D
2
tt
⇒
0
out
V
=
- Khi V
in
< 0
→
V
a
>0 thì D
1
tt, D
2
thông

V
a
=K
0
(V
P
– V
N
)= - K
0
V
N
= V
Dthong
+ V
out
.
Áp dng nguyên lý xp chng :
21
12 12
N in out
RR
VVV
RR RR
=+
++
21
12120
Dthong out
in out

VV
RR
VV
RR RR K
+
⇒ + =−
++
12
12 0 12 0
1
Dthong
out in
V
RR
VV
RR K RR K
−
  
⇒ +=
  
++
  
Vi
0
K
>>
,
Dthong
V
<<

2
1
out in
R
VV
R
⇒ =−
20
Hình 1.23. ng dng ca mch chnh lu hn ch mc 0 dùng 2 D.
Nhn xét:
- ng c tuyn truyn t i qua gc ta  nên ta có th thc hin chnh lu
c các tín hiu nh
- Mch chnh lu nh hình v trên là chnh lu hn ch trên mc 0. Mun có mch
chnh lu hn ch di mc 0 ta ch vic i chiu 2diode.
- Nu R
1
= R
2
thì biên  tín hiu ra = biên  tín hiu vào.
- Nu R
1
> R
2
thì biên  tín hiu vào > biên  tín hiu ra.
- Nu R
1
< R
2
thì biên  tín hiu vào < biên  tín hiu ra.
1.4.1.4. Mch chnh lu hn ch khác mc 0:

Hình 1.24. S mch chnh lu hn ch khác mc 0
- Khi V
in
> E
0
à V
h
< 0 à V
a
= K
0
V
h
< 0
→
D
1
thông, D
2
tt
- Khi V
in
< E
0
à V
h
> 0 à V
a
= K
0

V
h
> 0
→
D
1
tt, D
2
thông
21
( )
00
a Dthong out N
V V V K EV
=+=−
2
12
N in
R
VV
RR
=
+
+
1
12
out
R
V
RR

+
(
21
00
12 12
Dthong out in out
RR
VVKEVV
RR RR

+=−−

++

21
0
0 12 12
Dthong
out
in out
o
V
V
RR
EVV
K K RR RR
+=−−
++
Vi K
0

c
45
10 10
÷
122
0
11
22
0
11
1
out in
in
RRR
V EV
RR
RR
VE
RR
+
=−

=− ++


Hình 1.25. ng dng ca mch chnh lu hn ch khác mc 0.
1.4.1.5. ng dng ca mch chnh lu hn ch
Mch chnh lu hn ch 1 hoc 2 diode  chnh lu hn ch 2 na chu ki vi tín
hiu nh.
Vi mch hn ch 1 diode

22
Hình 1.26. Mch chnh lu vi tín hiu vào nh dùng mch hn ch 1D
Vi mch hn ch 2 diode
Hình 1.27. Mch chnh lu vi tín hiu vào nh dùng mch hn ch 2D
1.4.2. Mch so sánh tng t
Mch so sánh tng t có nhim v so sánh mt in áp vào V
in
vi mt n áp chun
V
ch
. Tín hiu vào dng tng t sc bin thành tín hiu ra di dng mã nh phân.
Ngha là u ra hoc  mc thp (L) hoc  mc cao (H). Nó là mch ghép ni gia
ANALOG và DIGITAL.
c m: Phân bit gia b KTT thông thng vi b so sánh chuyên dng (mà thc
cht cng là mt b KTT).
- B so sánh có tc áp ng cao hn  thi gian xác lp và phc hi nh.
- Là KTT làm vic  trng thái bão hòa nên mc ra thp (L) và mc ra cao (H) ca nó
là mc dng và mc âm ca ngun. Các mc này phi tng ng vi mc logic.
Hình 1.28. Mch so sánh và c tuyn vào ra
23
1.4.2.1. B so sánh không có tr
a) V
in
, E
0
a vào 2 ca khác nhau ca KTT
V
in
a vào ca thun:
(a) (b)

Hình 1.29. Vin a vào ca thun, Eo a vào ca o ca KTT
- Khi V
in
< E
0
→
V
h
< 0
⇒
V
out
= V
rL
- Khi V
in
> E
0
→
V
h
> 0
⇒
V
out
= V
rH
V
in
a vào ca o:

Hình 1.30. Vin a vào ca o, Eo a vào ca thun ca KTT
- Khi V
in
< E
0
→
V
h
< 0
⇒
V
out
= V
rH
- Khi V
in
> E
0
→
V
h
> 0
⇒
V
out
= V
rL
b) V
in
, E

0
a vào cùng 1 ca ca KTT:
V
in
a vào ca thun:
24
Eo
R2
Vout
Vin
R1
Hình 1.31. V
in
, E
0
cùnga vào ca thun ca KTT
- Ti ca o
N
V
=
0
- Ti ca thun
2
0
12
P
R
VE
RR
=

+
+
1
12
in
R
V
RR
+
Vi KTT lý tng
Ta cân bng:
in SS
VV
=
→
2
0
12
R
E
RR
+
1
12
SS
R
V
RR
+
+

=
0
→
SS
V
=
02
1
0
ER
R
−<
- Khi V
in
> V
ss
→
V
h
> 0
→
V
out
= V
rH
- Khi V
in
< V
ss
→

V
h
< 0
→
V
out
= V
rL
- Khi V
in
= V
ss
→
V
h
= 0 (chuyn trng thái)
Hình 1.32. ng c tuyn so sánh
V
in
a vào ca o:
25
Eo
R2
Vout
Vin
R1
Hình 1.33. Vin và Eo cùng a vào ca o ca KTT
- Ti ca thun V
P
= 0

- Ti ca o
N
V
=
2
0
12
R
E
RR
+
+
1
12
in
R
V
RR
+
Vi KTT lý tng
V
N
= V
P
Ta cân bng: V
N
vi V
P
,
in SS

VV
=
→
2
0
12
R
E
RR
+
+
1
12
SS
R
V
RR
+
=
0
→
SS
V
=
−
2
0
1
R
E

R
0
<
−
Khi V
in
> V
ss
→
V
h
< 0
→
V
out
= V
rL
−
Khi V
in
< V
ss
→
V
h
> 0
→
V
out
= V

rH
−
Khi V
in
= V
ss
→
V
h
= 0 (chuyn trng thái)
Hình 1.34. c tuyn so sánh
Nhn xét: Khi V
in
, E
0
a vào cùng 1 ca, ca kia ni t thì V
ss
ngc du vi E
0
và ph
thuc vào t s gia 2 n tr.
c) Hn hp: