Nội dung

§µo Thanh To¶n Ph¹m Thanh HuyÒn Vâ Quang S¬n ----- ----- Vr Vro Bµi gi¶ng Kü thuËt m¹ch ®iÖn tö Chuyªn ngµnh: KTVT, KTTT, §KH-THGT Hµ néi 5/ 2005 BomonKTDT-§HGTVT Lêi nãi ®Çu: Bµi gi¶ng Kü thuËt M¹ch §iÖn tö ®−îc biªn so¹n dùa trªn c¸c gi¸o tr×nh vµ tµi liÖu tham kh¶o míi nhÊt hiÖn nay, ®−îc dïng lµm tµi liÖu tham kh¶o cho sinh viªn c¸c ngµnh: Kü thuËt ViÔn th«ng, Kü thuËt Th«ng tin, Tù ®éng ho¸, Trang thiÕt bÞ ®iÖn, TÝn hiÖu Giao th«ng. Trong qu¸ tr×nh biªn so¹n, c¸c t¸c gi¶ ®· ®−îc c¸c ®ång nghiÖp ®ãng gãp nhiÒu ý kiÕn, mÆc dï cè g¾ng söa ch÷a, bæ sung cho cuèn s¸ch ®−îc hoµn chØnh h¬n, song ch¾c ch¾n kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt, h¹n chÕ. Chóng t«i mong nhËn ®−îc c¸c ý kiÕn ®ãng gãp cña b¹n ®äc! Xin liªn hÖ: daothanhtoan@uct.edu.vn 2 DTT_PTH_VQS 3 BomonKTDT-§HGTVT Ch−¬ng I. Nh÷ng kh¸i niÖm chung vµ c¬ së ph©n tÝch m¹ch ®iÖn tö I. M¹ch ®iÖn tö: M¹ch ®iÖn tö lµ lo¹i m¹ch cã nhiÖm vô gia c«ng tÝn hiÖu theo nh÷ng thuËt to¸n kh¸c nhau, chóng ®−îc ph©n lo¹i theo d¹ng tÝn hiÖu ®−îc xö lý. TÝn hiÖu: lµ sè ®o ®iÖn ¸p huÆc dßng ®iÖn cña mét qu¸ tr×nh, sù thay ®æi cña tÝn hiÖu theo thêi gian t¹o ra tin tøc h÷u Ých. TÝn hiÖu ®−îc chia lµm 2 lo¹i lµ tÝn hiÖu t−¬ng tù Anolog vµ tÝn hiÖu sã Digital. TÝn hiÖu t−¬ng tù lµ tÝn hiÖu biÕn thiªn liªn tôc theo thêi gian vµ cã thÓ nhËn mäi gi¸ trÞ trong kho¶ng biÕn thiªn cña nã. TÝn hiÖu sè: lµ tÝn hiÖu ®· ®−îc rêi r¹c ho¸ vÒ mÆt thêi gian vµ l−îng tö ho¸ vÒ mÆt biªn ®é, nã ®−îc biÓu diÔn bëi tËp hîp xung t¹i nh÷ng ®iÓm ®o rêi r¹c. TÝn hiÖu cã thÓ ®−îc khuÕch ®¹i; ®iÒu chÕ; t¸ch sãng; chØnh l−u; nhí; ®o ; truyÒn ®¹t; ®iÒu khiÓn; biÕn d¹ng; tÝnh to¸n b»ng c¸c m¹ch ®iÖn tö. §Ó gia c«ng 2 lo¹i tÝn hiÖu sè vµ t−¬ng tù dïng 2 lo¹i m¹ch c¬ b¶n: m¹ch t−¬ng tù vµ m¹ch sè, trong khu«n khæ gi¸o tr×nh nµy chØ xem xÐt c¸c m¹ch t−¬ng tù. Víi m¹ch ®iÖn tö t−¬ng tù, chØ quan t©m tíi 2 th«ng sè: biªn ®é tÝn hiÖu vµ ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu. Biªn ®é tÝn hiÖu: liªn quan mËt thiÕt ®Õn ®é chÝnh x¸c cña qu¸ tr×nh gia c«ng tÝn hiÖu vµ x¸c ®Þnh møc ®é ¶nh h−ëng cña nhiÔu ®Õn hÖ thèng. Khi biªn ®é tÝn hiÖu nhá mV, huÆc µV, th× nhiÔu cã thÓ lÊn ¸t tÝn hiÖu, v× vËy khi thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng ®iÖn tö cÇn l−u ý n©ng cao biªn ®é tÝn hiÖu ngay ë tÇng ®Çu cña hÖ thèng. KhuÕch ®¹i tÝn hiÖu lµ chøc n¨ng quan träng nhÊt cña m¹ch t−¬ng tù, cã thÓ thùc hiÖn trùc tiÕp huÆc gi¸n tiÕp trong c¸c phÇn tö chøc n¨ng cña hÖ thèng, th«ng th−êng trong mét hÖ th«ng l¹i chia thµnh tÇng gia c«ng tÝn hiÖu, tÇng khuÕch ®¹i c«ng suÊt. HiÖn nay c¸c m¹ch tæ hîp(IC) t−¬ng tù ®−îc dïng phæ biÕn, kh«ng nh÷ng ®¶m b¶o c¸c chØ tiªu kü thuËt mµ cßn cã ®é tin cËy cao vµ chi phÝ thÊp, tuy nhiªn chóng ®−îc dïng chñ yÕu cho tÝn hiÖu cã ph¹m vi tÇn sè thÊp. Xu h−íng ph¸t triÓn cña kü thuËt m¹ch ®iÖn tö t−¬ng tù lµ n©ng cao ®é tÝch hîp, vµ kh¶ n¨ng øng dông cña m¹ch. II. C¸c kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ transistor Xem l¹i ë c¸c gi¸o tr×nh CÊu kiÖn §iÖn tö, nh÷ng néi dung sau: 1- CÊu t¹o, nguyªn lý ho¹t ®éng, 2- Cã 3 c¸ch m¾c c¬ b¶n cña BJT(FET) : EC(SC); CC(DC); BC(GC). 3- C¸c øng dông cña BJT vµ FET, tuú theo viÖc ph©n cùc mµ T sÏ lµm viÖc theo c¸c chÕ ®é sau: + ChÕ ®é khuÕch ®¹i tÝn hiÖu: ph©n cùc ë chÕ ®é khuÕch ®¹i + Lµm viÖc ë chÕ ®é kho¸: miÒn b·o hoµ vµ miÒn c¾t 4- C¸c s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña T 5- §Æc tÝnh tÇn sè cña T 6- S¬ ®å vµ c¸ch tÝnh to¸n cu¶ T khi khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá 7- So s¸nh gi÷a BJT vµ FET, Gîi ý : 4 DTT_PTH_VQS Fet cã −u ®iÓm kÝch th−íc vµ ®iÖn ¸p cung cÊp(dÉn ®Õn c«ng suÊt tiªu thô) nhá h¬n vµ ®é tin cËy cao h¬n BJT, nh−ng Fet l¹i cã nh−îc ®iÓm lµ ®iÖn dÉn g nhá vµ nh¹y c¶m víi ®iÖn tÝch tÜnh, v× vËy Fet th−êng ®−îc tÝch hîp trong m¹ch IC, cßn BJT th−êng dïng cho m¹ch rêi. III. M¹ch cÊp nguån vµ æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc 1. §Æt vÊn ®Ò: Trong c¸c tÇng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu nhá, ®iÓm lµm viÖc n»m trong miÒn tÝch cùc cña BJT, trong miÒn th¾t cña FET, ë chÕ ®é tÜnh, trªn c¸c cùc cña T cã c¸c dßng ®iÖn tÜnh Ic(TD); IB(IG) vµ ®iÖn ¸p mét chiÒu UCE(UDS); UBE(UGS). §iÓm lµm viÖc t−¬ng øng víi chÕ ®é nµy lµ ®iÓm lµm viÖc tÜnh Q. Khi cã tÝn hiÖu vµo th× ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn thay ®æi xung quanh gi¸ tri tÜnh, ®Ó ®¶m b¶o cho c¸c tÇng lµm viÖc b×nh th−êng trong nh÷ng ®iÒu kiÖn kh¸c nhau, ngoµi viÖc cung cÊp ®iÖn ¸p thÝch hîp cho c¸c cùc, cßn cÇn ph¶i æn ®Þnh ®iÓm lµm viÖc tÜnh ®· chän, nÕu kh«ng chÊt l−¬ng lµm viÖc cña tÇngbÞ gi¶m sót. 2. Víi BJT. a. S¬ ®å æn ®inh tuyÕn tÝnh: S¬ ®å phæ biÕn lµ s¬ ®å håi tiÕp- mét chiÒu: nh»m biÕn ®æi ®iÖn ¸p m¹ch vµo cña T sao cho cã thÓ h¹n chÕ sù di chuyÓn ®iÓm tÜnh trªn ®Æc tuyÕn ra, g©y nªn bëi c¸c yÕu tè mÊt æn ®Þnh. S¬ ®å nh− sau: VÝ dô h×nh a: Vcc Vcc Rc R1 I1 C1 Ic R1 C1 Ur C2 Uv Uv Q2 C2 Ur Q1 Re R2 h.b Vcc h.a Rc Q3 Uv Ur R1 C5 I1 R2 h.c M¹ch cung cÊp vµ æn ®Þnh ®iÓm lµm viÖc b»ng håi tiÕp ©m ®iÖn ¸p ha. EC; hb:CC; hc: BC 5 BomonKTDT-§HGTVT Nguyªn t¾c æn ®Þnh: nÕu cã mét nguyªn nh©n mÊt æn ®Þnh nµo ®ã lµm cho dßng mét chiÒu ICEo trªn colector t¨ng th× ®iÖn thÕ UCEo gi¶m, do ®ã dßng ®Þnh thiªn IBo= UCEo/R1 gi¶m theo, lµm ICEo gi¶m xuèng, nghÜa lµ dßng tÜnh ban ®Çu gi÷ nguyªn. Còng cã thÓ dïng s¬ ®å håi tiÕp dßng ®iÖn: Nguyªn t¾c æn ®Þnh nh− sau: Vcc Vcc ha Rc R1 C1 C1 R1 Ur C2 Uv C2 Q2 Uv Q1 Ur R2 Re R2 Re Ce Vcc R1 hb Rc Q3 Uv Ur R2 C 1k 1uF Re hc S¬ ®å cung cÊp vµ æn ®Þnh ®iÓm lµm viÖc b»ng håi tiÕp - dßng ®iÖn mét chiÒu. ha. EC; hb: CC; hc: BC Khi IC t¨ng, th× ®iÖn ¸p UEo=Ie. Re, t¨ng. v× ®iÖn ¸p Ue lÊy trªn bé ph©n ¸p R1 vµ R2 kh«ng ®æi, nªn UBEo=IBR2- UEo gi¶m lµm cho IB gi¶m, do vËy IC kh«ng t¨ng. Tô Ce cã t¸c dông tr¸nh håi tiÕp - xoay chiÒu. a. S¬ ®å æn ®inh phi tuyÕn : ¸p dông ph−¬ng ph¸p bï nhiÖt nhê c¸c phÇn tö cã tham sè phô thuéc vµo nhiÖt ®é nhø T, D, §iÖn trë nhiÖt, ph−¬ng ph¸p nµy thÝch hîp cho m¹ch tæ hîp. - NÕu D vµ T nh− h×nh a ®Òu ®−îc s¶n xuÊt tõ mét lo¹i b¸n dÉn nh− nhau, vµ nhiÖt ®é mÆt ghÐp cña chóng nh− nhau, th× ®Æc tÝnh nhiÖt cña ®iÖn ¸p B-E vµ cña ®iÖn ¸p h¹ trªn D lµ nh− nhau; h¬n n÷a UBE; UD cã chiÒu ng−îc nhau, nªn ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®−îc bï hoµn toµn. - S¬ ®å h×nh B còng lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®ã, khi m¾c nèi tiÕp R2 víi D ph©n cùc thuËn, th× R1, R2, D t¹o thµnh m¹ch ph©n ¸p ®−a ®iÖn ¸p vµo B, nÕu chän R2<>2 Tõ ®©y ta thÊy cã thÓ dïng I1 ®Ó ®iÒu khiÓn trÞ sè cña IC2. §Ó I1 æn ®Þnh, ®¬n gi¶n nhÊt lµ nèi A víi Vcc qua R. Ucc Ucc Ucc Ucc R A Q2 Q1 Q2 Q1 Trong c¸c m¹ch tæ hîp, tr¸nh chÕ t¹o c¸c ®iÖn trë cã trÞ sè l¬n, do vËy khã cã dßng I1 nhá, v× vËy ®Ó ®¹t ®−îc I1 nhá th−êng dïng s¬ ®å bªn ph¶i. 3. víi FET VÊn ®Ò æn ®Þnh nhiÖt cña FET lµ lµm cho ®iÓm lµm viÖc kh«ng phô thuéc vµo ®é t¹p t¸n tham sè cña FET, kh«ng phô thuéc nhiÖt ®é, thêi gian, vµ c¸c biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p nguån cung cÊp, còng gièng BJT biÖn ph¸p æn ®Þnh nhiÖt cña FET còng dïng nguyªn t¾c håi tiÕp - dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p. vÝ dô: C¸c lo¹i s¬ ®å håi tiÕp - dßng ®iÖn th«ng qua RS cã d¹ng nh− h×nh sau: NÕu coi IG=0, ta cã U'G=IDRS + UGS; biÓu thøc nµy cho biÕt d¹ng cña ®−êng ®iÖn trë Rs víi ®é dèc: UDD RD Ur Q1 RG + RS Vs1 - IS 7 BomonKTDT-§HGTVT tgα=-(dID/dUGS) U'G ph¶i chän sao cho dßng m¸ng ID kh«ng ®æi khi thay FET, chän U'G chÝnh lµ chän RG , ®iÖn trë æn ®Þnh. 8 DTT_PTH_VQS ch−¬ng 2. Håi tiÕp I. Kh¸i niÖm: 1. §Þnh nghÜa: Håi tiÕp lµ ghÐp mét phÇn tÝn hiÖu ra(®iÖn ¸p huÆc dßng ®iÖn) cña m¹ng 4 cùc tÝch cùc(phÇn tö khuÕch ®¹i- Transistor huÆc K§TT) vÒ ®Çu vµo th«ng qua mét m¹ng 4 cùc, m¹ng 4 cùc nµy gäi lµ m¹ng håi tiÕp. XV K +(-) XR Xh Xht Kht XV: tÝn hiÖu vµo XR: tÝn hiÖu ra Xht: tÝn hiÖu håi tiÕp K: HÖ sè khuÕch ®¹i cña m¹ch KhuÕch ®¹i Kht: HÖ sè khuÕch ®¹i m¹ch håi tiÕp H×nh. S¬ ®å khèi bé khuÕch ®¹i cã håi tiÕp Håi tiÕp ®ãng vai trß quan träng trong kü thuËt m¹ch ®iÖn tö t−¬ng tù, nã cho phÐp c¶i thiÖn c¸c tÝnh chÊt cña bé khuÕch ®¹i nh−: trë kh¸ng vµo, trë kh¸ng ra, b¨ng th«ng,... 2. Ph©n lo¹i: Theo t¸c dông håi tiÕp cã hai lo¹i vÒ håi tiÕp c¬ b¶n: - Håi tiÕp (-) : TÝn hiÖu håi tiÕp – ng−îc pha víi tÝn hiÖu vµo - Håi tiÕp (+): TÝn hiÖu håi tiÕp – cïng pha víi tÝn hiÖu vµo Trong c¸c lo¹i håi tiÕp ta l¹i quan t©m: tÝn hiÖu håi tiÕp lµ mét chiÒu hay xoay chiÒu, håi tiÕp ©m mét chiÒu ®−îc dïng ®Ó æn ®Þnh chÕ ®é c«ng t¸c, cßn håi tiÕp ©m xoay chiÒu ®−îc dïng ®Ó æn ®Þnh c¸c tham sè cña bé khuÕch ®¹i. Quan t©m ®Õn c¸ch ghÐp nèi tiÕp hay song song. Tæng hîp ta cã c¸c lo¹i nh− sau: + Håi tiÕp nèi tiÕp ®iÖn ¸p: tÝn hiÖu håi tiÕp ®−a ®Õn ®Çu vµo nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi ®iÖn ¸p ®Çu ra. + Håi tiÕp song song ®iÖn ¸p: tÝn hiÖu håi tiÕp ®−a ®Õn ®Çu vµo song song víi nguån tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi ®iÖn ¸p ®Çu ra. + Håi tiÕp nèi tiÕp dßng ®iÖn: tÝn hiÖu håi tiÕp ®−a ®Õn ®Çu vµo nèi tiÕp víi nguån tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi dßng ®iÖn ®Çu ra. + Håi tiÕp song song dßng ®iÖn: tÝn hiÖu håi tiÕp ®−a ®Õn ®Çu vµo song song víi nguån tÝn hiÖu ban ®Çu vµ tû lÖ víi dßng ®iÖn ®Çu ra. 9 BomonKTDT-§HGTVT K uR uV uht Kht H×nh. S¬ ®å khèi håi tiÕp nèi tiÕp ®iÖn ¸p K uR uV iht Kht uht H×nh. S¬ ®å khèi håi tiÕp nèi tiÕp dßng ®iÖn K uR uV Kht uht H×nh. S¬ ®å khèi håi tiÕp song song ®iÖn ¸p K uR uV iht uht Kht H×nh. S¬ ®å khèi håi tiÕp song song dßng ®iÖn 10