Khoa C«ng nghÖ th«ng tin Bé m«n §IÖn Tö ViÔn Th«ng Bµi Gi¶ng Người biên soạn: Nguyễn Văn Thắng Thái Nguyên 2009 Chương I CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN TRONG MẠCH TUYẾN TÍNH 1.1. Các đại lượng cơ bản 1.1.1. Điện áp, dòng điện và công suất Điện áp và dòng điện là hai đại lương cơ bản của một mạch điện, chúng cho biết trạng thái về điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau cuả mạch điện và như vậy chúng còn được gọi là các thông số cơ bản của một mạch điện. Điện áp: Khái niệm điện áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lý. Là hiệu số điện thế giữa hai điểm khác nhau. Thường chọn một điểm nào đó của mạch để làm điểm gốc có điện thế bằng không (điểm đất). Khi đó điện thế của mọi điểm khác trong mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp tại điểm đó. Một cách tổng quát điện áp giữa hai điểm A và B được kí hiệu là U AB được xác định bởi U AB =V A -V B với V A , V B là điện thế của điểm A, B so với điểm gốc. Dòng điện: Khái niệm dòng điện là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong vật chất do tác động của trường hay do tồn tại một gradien nồng độ theo hạt trong không gian. Dòng điện trong mạch có chiều chạy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp và như vậy có chiều ngược chiều với chiều của điện tử. Công suất: là công mà dòng điện sản ra trên đoạn mạch trong một đơn vị thời gian. Do đó công suất P được sinh ra bởi dòng điện I khi chảy giữa 2 điểm của đoạn mạch có điện áp đặt vào U sẽ là: Error! Objects cannot be created from editing field codes. (1.1) Trong thực tế còn tính đến công suất trung bình trong một khoảng thời gian T đã cho. Giá trị này gọi là công suất hiệu dụng và bằng: ∫ = T eff dttP T P 0 )( 1 (1.2) 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính Các phần tử tuyến tính là R, L, C 2 1. Định nghĩa điện trở: Tỉ số giữa điện áp ở hai đầu và dòng điện chạy qua một phần tử là một hằng số và hằng số đó gọi là điện trở của phần tử. R= I U (1.3) 2. Định nghĩa tự cảm: tỉ số điện áp giữa hai đầu phần tử chia cho đạo hàm của dòng điện theo thời gian qua phần tử ấy thì đại lượng ấy cuàng là một hằng số và hằng số đó gọi là tự cảm. L= dt di U (1.4) 3. Điện dung: Nghịch đảo tỉ số giữa điện áp giữa hai đầu phần tử và tích phân của dòng điện là một hằng số và hằng số đó gọi là điện dung ∫ = idt U C 1 (1.5) 4. Mạch tuyến tính là mạch chỉ gồm các phần tử tuyến tính. Một mạch tuyến tính có các tính chất sau: - Đặc tuyến Vôn – Ampe (thể hiện quan hệ U(i) là một đường thẳng - Tuân theo nguyên lý chồng chất. Tác động tổng cộng bằng tổng các tác động riêng rẽ lên nó - Không phát sinh thành phần tần số lạ khi làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây méo phi tuyến) 1.2. Các đặc trưng của mạch RC và mạch RLC 1.2.1. Mạch tích phân Mạch tích phân là mạch RC nối tiếp lối ra trên tụ điện và có điện áp lối ra tỉ lệ với tích phân điện áp lối vào u r = ∫ dtu RC v 1 (1.6) u v R u r C i Hình 1.1 Mạch tích phân 3 ta có u v = u R +u C u C = ∫ idt C 1 điều kiện đồi với mạch tích phân là U C << U R (hay ωRC>>1) Khi đó ta có U V ≈ U R i= R U R U V R = u r =u C = ∫ idt C 1 = ∫ dtu RC v 1 1.2.2. Mạch vi phân Mạch vi phân là mạch đối với mạch vi phân ta có điều kiện UR << UC ( hay ωRC<<1) chứng minh tương tự như mạch tích phân ta cũng có biểu thức sau: U r =RC dt du v Uv UrR C 4 Hình 1.2 Tín hiệu lối vào a) và lối ra b) tương ứng của mạch tích phân a b Hình 1.3. Mạch vi phân 1.2.3. Đặc trưng dừng của mạch RC a) Định nghĩa Một mạch tuyến tính nói chung là có hai lối vào và hai lối ra. Điện áp vào là hình sin thì sau một thời gian ở lối ra xuất hiện một điện áp điều hoà có tần số cùng với điện áp lối vào. Nghĩa là trong mạch xuất hiện một trạng thái dừng Một điện áp điều hoà được biểu diễn dưới dạng phức u(t)= tj eU ω  U  là biên độ phức U  =Ue j ϕ ta có u 1 (t) = tj eU ω 1  1 U  =U 1 e j ϕ 1 u 2 (t)= tj eU ω 2  2 U  =U 2 e j ϕ 2 1 2 U U A    = gọi là đặc trưng dừng của mạc00h thay các biểu thức ở tử và mẫu ta được ϕ ϕ ϕ j j j Ae eU eU A == 2 2 1 2  A= 1 2 U U cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng tần số của mạch ϕ = ϕ 2 - ϕ 1 cũng là hàm của tần số gọi là đặc trưng pha (nó là độ lệch pha giữa tín hiệu lối ra so với tín hiệu lối vào) đặc trưng dừng trước hết trong mạch phải có trạng thái dừng. Đặc trưng dừng là đặc trưng của hai tần số và pha. b) Lối ra trên tụ điện Ta có tj eIR ω  tjtj eUeI Cj ϖω ϖ 1 1  = +IR  1 1 UI Cj  = ϖ Cj I U ϖ   = 2 5 u 1 u 2 u 1 R u 2 C i Hình 1.4. Mạch RC lối ra trên tụ điện 1 2 U U A    = = 2 )(1 1 1 1 CR CRj CRj ω ω ω + − = + A= * .AA  = 2 )(1 1 RC ω + tgϕ = -ϖRC ϕ=-arctg(ϖRC) ϖ*c gọi là tần số giới hạn về phía tần số cao. tại đó A giảm đi 2 lần và khi đó coi như tín hiệu được bào toàn. A = 2 1 => ϖ*c = RC 1 từ 0 - ϖ*c gọi là khoảng truyền của mạch. tức là trong khoảng đó thì tín hiệu không bị mất mát, biên độ của tín hiệu gần như được bảo toàn. mạch này là mạch lọc thông thấp (chỉ cho tần số thấp đi qua) c) Lối ra trên điện trở Tương tự như trên ta chứng minh được đặc trưng tần số và đặc trưng pha như sau: 2 )(1 RC RC A ϖ ϖ + = RC crctg ω ϕ 1 = 6 ϖ * c 1 2 1 A 0 ϖ ϖ - ϕ 0 u 1 u 2 R C Hình 1.5. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên tụ điện Hình 1.6. Mạch RC lối ra trên tụ điện mạch lọc này cho tần số cao đi qua (không hoặc ít cho tần số thấp đi qua) gọi là mạch lọc tần số thấp hay mạch lọc thông cao. d) Ví dụ1 Cho mạch điện RC lối ra trên R. biết R =1K, C=1nF. Tìm tần số tại đó tín hiệu lối ra bằng 0.8 tín hiệu lối vào. 1.2.4. Đặc trưng quá độ của mạch RC 1) Định Nghĩa Đặc trưng quá độ của mạch (người ta còn gọi là đáp ứng xung) cho biết tín hiệu lối ra của mạch khi lối vào tác dụng một tín hiệu nhảy bậc. h(t) =u 2 (t)/u 1 (t) u 2 (t) là tín hiệu lối ra u 1 (t) là tín hiệu nhảy bậc tín hiệu nhảy bậc đơn vị δ(t-t 0 ) =      1 0 2) Đặc trưng quá độ lối ra trên tụ điện u R + u C =δ(t) u R =iR u C = ∫ idt C 1 => i= dt du C C R dt du C C +u C =δ(t) 7 ϖ 2 π ϕ 0 ϖ * t 1 2 1 A 0 ϖ Khi t<t 0 Khi t>=t 0 δ(t) R u c C Hình 1.7. a) Đặc trưng biên độ tần số b) Đặc trưng pha của mạch RC lối ra trên điện trở Hình 1.8 Đặc trưng quá độ của mạch RC Đây là phương trình vi phân giải phương trình này ta được u C (t)=u C T (t) + u C * (t) (nghiệm riêng cộng với nghiệm tổng quát) tìm nghiệm tổng quát u C T (t) để tìm nghiệm tổng quát ta cho vế phải bằng 0 khi đó ta có RC dt u du C C −= đặt τ =RC là hằng số thờì gian của mạch u T C (t)= Ae t τ − nghiệm riêng của phương trình vi phân có vế phải là u C * (t) =1 => u C (t) = Ae t τ − +1 tại t=0 u c (0) =0 => A=-1 vậy h(t) = u C (t) =1- e t τ − t=0 h(t) =0 t=∞ h(t) =1 lối ra sau một thời gian mới nhảy bậc đơn vị 3) Đặc trưing quá độ lối ra trên điện trở h(t) =u R (t) =1 –u C (t) => h(t) = e t τ − t=0 h(t) =1 t=∞ h(t) =0 1.2.5. Sự truyền tín hiệu vuông góc qua mạch RC a) Lối ra trên R Xét một tín hiệu vuông góc có thời gian kéo dài của xung là t ’ . để đơn gian ta coi biên độ là 1V Trong khoảng 0<t<t ’ u 1 (t) =δ(t) u R (t) =h(t) = e t τ − t>t ’ => u 1 (t) =δ(t)- δ(t-t ’ ) 8 u 1 u 2 R C t ’ Hình 1.9. Tín hiệu vuông góc qua mạch RC lối ra trên điện trở u R (t) = h(t) –h(t-t ’ ) = e t τ − - e tt τ ' − − =-(1 - e t τ ' − ) τ ' tt e − − trường hợp t ’ >> τ thì tín hiệu lối ra biến thành hai xung kim nếu t ’ nhỏ thì tín hiệu lối ra gần giống với tín hiệu lối vào. b) Lối ra trên tụ điện * 0<= t <=t ’ => u 1 (t) = δ(t) u c (t) =h(t) = 1- e t τ − * t>=t ’ => u c (t) =h(t) – h(t-t ’ ) =1 - e t τ − - 1 + τ ' tt e − − = τ ' tt e − − - e t τ − Nếu τ nhỏ thì lối ra gần giống với lối vào, biến dạng ít ngược lại 1.2.6. Đặc trưng dừng của mạch RLC mắc nối tiếp - Cộng hưởng điện áp e(t) = Ecosωt = tj eE ω  sau một thời gian trong mạch xuất hiện dòng hình sin i(t) có tần số cùng với tần số của ngoại lực 9 t ’ t ’ 1- e t τ ' − -(1- e t τ ' − ) u 1 R u c C t ’ t u c (t) Hình 1.10. Tín hiệu vuông góc qua mạch RC lối ra trên tụ điện i(t) = Icos(ωt -ϕ) = tj eI ω  ∫ =++ tj eEidt C Ri dt di L ω  1 tjtjtjtj eEeI Cj eIRejIL ωωωω ω ω  =++ 1 EI C LjR  =−+ )] 1 ([ ω ω Z E I    = 22 ) 1 ( C LR E I ω ω −+ = tgϕ= R C L ω ω 1 − tại tần số LC 1 0 = ω thì xảy ra cộng hưởng khi đó I=E/R hệ số phẩm chất Q = C L R 1 Q thông thường lớn hơn 1 và nó thường nhận giá trị 10 – 80 tại giá trị cộng hưởng U C =U L ≈ QE (R<<ωL) 2 0 0 2 max )(1 1 ω ω ω ω −+ = Q I I Q càng lớn thì độ cong cộng hưởng càng hẹp ∆ω =ω * C - ω * t ≈ ω 0 /Q đây là mạch lọc dải lấy một số lân cận ω 0 . gọi là mạch lọc dải hẹp Ứng dụng của mạch này là chọn tần số lấy tín hiệu từ máy thu. 10 ω * C ω * t ω 0 ω I/I max 1 Q 2 > Q 1 Q 1 Hình 1.11 Mạch RLC nối tiếp [...]... Zener và Tunel) Các loại điốt có điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp, điốt phát quang, … 2.1.1.2 Một số ứng dụng của điốt Lớp tiếp giáp p-n có thể được dùng trong nhiều mục đích như chỉnh lưu dòng điện, tách sóng tần số cao, biến đổi tín hiệu phi tuyến, v.v Vì vậy cũng có rất nhiều loại diode Diode được phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau tu thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v Còn tu theo... được định nghĩa theo biểu thức: D DS GS GS GS tuyến tính RT 0 0V t -VGS t ID +VD 0 Source Drain c Gate M= K ; K Mc= K0 Kc Trong đó: K là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình K là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao miền nghèo lớp p Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp Kênh N Méo tần số cũng U được tính theo đơn vị dB I -4 0 Méo phi tuyến Mạch Méo phi tuyến là hiện tượng ở đầu ra xuất hiện các... điện áp cực góp ứng với đoạn đầu của đặc tuyến lối ra (còn gọi là điện áp UCE bão hoà) IC0(E) là dòng cực góp ban đầu, chính là độ cao của đường đặc tuyến ra ứng với dòng IB =0 Quan hệ dòng ra với điện áp ra có dạng ^ ^ Ur U = r IC = RC // Rt R XC ^ Dựa vào dòng cực góp đã chọn ta có thể tính được dòng cực gốc tĩnh IB0 = I C 0 − I C 0 (E) β từ đó dựa vào đặc tuyến vào của Transistor ta tìm được điện... kênhhêj sẵn cường mô đun |K| cho biết quan có về Đặc tuyến ϕk là góc lệch pha giữatruyền đạt chúng Ký hiệu − độ giữa các đại lượng ra và vào góc độ lớn của K và ϕk Vphụ thuộc vào tần số ω của tín hiệu vào Nếu ta biểu I 0 diễn độ lớn K qua tần số ta nhận được đường đặc trưng biên độ - tần số của U GS D GS I tầng khuếch đại Đường biểu diễn ϕk =F(ω) gọi là đặc tuyến pha của mạch S D D G K được tính theo đơn... dải động của bộ khuếch đại và méo phi tuyến hồi tiếp làm tăng giải động của bộ khuếch đại thật vậy khi không có khuếch đại thì toàn bộ tín hiệu vào được đưa vào khuếch đại còn khi có hồi tiếp thì chỉ có một phần tín hiệu được đưa vào khuếch đại Ngoài ra vì tín hiệu vào của bộ khuếch đại 33 có hồi tiếp Xn nhỏ hơn 1+KKht lần so với không có hồi tiếp nên méo phi tuyến tương ứng vì thế cũng giảm đi ít... B D IB ^ IC P P IB=IB0 IB1 IB=0 IC0 UCEmi UCE0 C A UC UB0 UBE ^ n UC Hình 2.20 Xác định chế độ tĩnh của tầng EC Dựa vào đặc tuyến vào IB=f(UBE) ta chọn dòng cực gốc tĩnh cần thiết IB0 chính là xác định được điểm P là giao điểm của đường I B=IB0 với đường tải một chiều trên đặc tuyến ra Để xác định được thành phần xoay chiều của điện áp ra và dòng điện ra cực góp của Transistor người ta phải dùng đường... khuếch đại4 dòng điện yêu cầu K imax, ZvàoZtải hay S U bộ khuếch đại công suất cần Kpmax, Zvào=Znguồn, Zra=Ztải N-JFET D GS GS P G + + - D |K| NJ-FET IDS ID (mA) Đặc tuyến truyền đạt UDS ID ω U HìnhGS2.14 Đặc tuyến biên độ - tần số Ký hiệu Cực tính b) 10 Trở kháng lối vào và lối ra 8 Trở kháng lối vào và lối ra được định nghĩa 6 Zv= Uv ; Iv Zr = Ur Ir 4 2 Nói chung chúng là các đại lượng... xoay chiều trong mạch cực gốc với mức tín hiệu vào lớn nhất Lúc này thì thiên áp UBE0 gần như không phụ thuộc vào trị số dòng cực gốc I B0, do đó có thể dùng cho mạch khuếch đại tín hiệu lớn (chế độ B) Tuy nhiên khi gí trị R1, R2 nhỏ thì công suất tiêu thụ nguồn cũng tăng Để nâng cao độ ổn định điểm làm việc người ta thường hay dùng các mạch cấp điện áp như sau: Hình 2.16 Mạch cung cấp và ổn định làm... optron) Thời gian đáp ứng của chúng có thể từ cỡ mili giây tới các xung hẹp cỡ nanô giây Ngoài các linh kiện diode kể trên còn nhiều loại khác hiện đang được sử dụng nhiều trong thực tế như diode đường hầm (tunel), diode laser, diode siêu cao tần, v.v và các diode công suất lớn hoạt động với thế phân cực ngược và dòng rất lớn 21 Nguyên tắc hoạt động và đặc điểm kỹ thuật của các diode loại này cùng các sơ... điện công nghiệp • Mạch chỉnh lưu nửa sóng của điện áp xoay chiều từ nguồn điện công nghiệp 50 Hz có sơ đồ như hình 4.3.a Trong tính toán gần đúng bậc nhất khi biên độ điện áp vào đủ lớn, có thể coi đặc tuyến của diode là một đường gấp khúc như hình 4.3.b có điện trở thông là rd = ∆U d / ∆I d = const Do đó trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào, diode được phân cực thuận và trở nên thông cho dòng điện . dung ∫ = idt U C 1 (1.5) 4. Mạch tuyến tính là mạch chỉ gồm các phần tử tuyến tính. Một mạch tuyến tính có các tính chất sau: - Đặc tuyến Vôn – Ampe (thể hiện quan hệ U(i) là một đường thẳng - Tu n theo nguyên. suất hiệu dụng và bằng: ∫ = T eff dttP T P 0 )( 1 (1.2) 1.1.2. Các phần tử tuyến tính - Mạch tuyến tính Các phần tử tuyến tính là R, L, C 2 1. Định nghĩa điện trở: Tỉ số giữa điện áp ở hai đầu. đổi tín hiệu phi tuyến, v.v Vì vậy cũng có rất nhiều loại diode. Diode được phân loại theo nhiều đặc điểm khác nhau tu thuộc vào công nghệ chế tạo, phạm vi ứng dụng, v.v Còn tu theo kích thước