Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 43 CHƯƠNG 3. CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh kiện chuyển mạch vì chúng có hai vùng hoạt động: vùng tắt và vùng dẫn. Ở vùng tắt, các linh kiện chuyển mạch được xem như không dẫn điện/dẫn điện ở vùng phân cực nghòch/bão hòa. Do đó, muốn hiểu rõ nguyên lý hoạt động các mạch biến đổi xung, trước hết cần nắm vững về cấu trúc và bản chất lý thuyết của những linh kiện trên. Khảo sát các phần tử ở 2 chế độ: chế độ xác lập và chế độ quá độ I. CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 1. Diode Đường Đặc Tính Của Diode và mạch tương đương Quan hệ Volts – Amperes của Diode được mô tả như sau: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −= 1 0 nkT qv D D eIi (1) Các số hạng trong phương trình được đònh nghóa như sau : i D : Dòng qua diode (A) v d : Hiệu điện thế rơi trên Diode (V) I o : Dòng bão hòa ngược q : Điện tích electron, 1,6.10 -19 J/V ( C ) k : Hằng số Boltzmann , 1,38.10 -23 J/ o k T : Nhiệt độ tuyệt đối ( o K) n : Hằng số kinh nghiệm , 1 ≤ n ≤ 2 Ở nhiệt độ phòng (300 o K) V T = k.T/q = 25 (mV) Do đó phương trình (1) có thể viết lại là Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 44 ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −= 1 0 T D nV v D eIi (2) Phương trình (2) cho ta thấy: Nếu v D ≤ V T thì dòng i D là dòng bão hòa nghòch -I o , I 0 hầu như không phụ thuộc điện áp phân cực nghòch Tùy theo cách chế tạo I 0 ≈ nA đối với Si và I 0 ≈ μ A đối với Ge I 0 rất nhạy với nhiệt độ: tăng 2 lần khi T tăng 6 0 C đối với Si, va khi T tăng 10 0 C đối với Ge Mạch tương đương diode phân cực nghòch là Hoặc nếu v D > V T và hoạt động ở nhiệt độ 25 o C thì dòng điện thuận của Diode được giản lược như sau: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = T D nV v D eIi 0 Những phương trình trên được minh họa ở hình sau cho cả hai vật liệu Sillicon và Germanium. Hình 3.1: Đặc tuyến Volts- Amperes A K R Io A K Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 45 Đặc tuyến thực của Diode có dạng hàm mũ. Khi phân cực thuận mối nối p-n, ở bên phải đặc tuyến V-A, thì điện trở tiếp xúc của chất liệu bán dẫn tỉ lệ thuận với điện trở thuận. Khi phân cực nghòch mối nối p-n, bên trái đặc tuyến V-A, thì dòng điện rỉ I o tỉ lệ nghòch với điện trở nghòch. Khi Diode chòu một điện áp ngược lớn sẽ làm phá hủy tiếp giáp p-n. Điện áp rơi trên Diode khi được phân cực thuận là V γ = 0,1 v đến 0,3 v (chọn 0,2 v ) , Đối với Diode loại Ge. V γ = 0,6 v đến 0,8 v (chọn 0,7 v ) , Đối với Diode loại Si. Mạch tương của Diode khi được phân cực thuận là: r d : Điện trở động r d = nV T / (i D + I o ) ≈ nV T / i D Diode lý tưởng có r d = 0 và V γ = 0. Trong khi sử dụng diode P-N làm chuyển mạch ở chế độ xác lập phân cực thuận, tùy trường hợp ta có thể xem như 2. Diode ổn áp bán dẫn (diode zener) a. Đại cương Hình 3.2 Mối nối P-N được chế tạo đặc biệt để có đặc tuyến V-A như hình vẽ N P A K Si + pha tạp chất đặc biệt r d V γ Diode lý tưởng A K K A A K K A r d V γ V γ V γ V z I zmin I ZMax I 0 V Dz I Dz A K Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 46 Khi phân cực thuận Diode Zener hoạt động như diode nắn điện Si bình thường V γ = 0.6V Khi phân cực nghòch Khi V < V Z thì I zener = I 0 dòng bão hòa Khi V > V Z thì V D = V Z Các giá trò giới hạn Sử dụng diode Zener ta phải quan tâm đến • V Z • P Zmax hay I Zmax (dòng tối đa qua zener) Nhà sản xuất thường cho P Zmax Thông thường V Z = 2 ÷ 200V P Zmax = 0.5W ÷ 100W Chú ý Khi sử dụng diode zener luôn luôn phải có điện trở hạn chế dòng (điện trở xác đònh dòng) Hình 3.3 LL Z II VV R 2.0+ − = Từ đó tính được công suất trên zener là ZL Z DZ VI R VV P . ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 0.2.I L R I L V R L Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 47 b. Mạch tương đương Từ đó ta có mạch tương đương như sau: Hình 3.4 I V R Z Δ Δ = 3. Transistor Transistor thuộc họ linh kiện ba cực, bao gồm hai bán dẫn loại p và một bán dẫn loại n đối với loại PNP, hai bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p đối với loại NPN. Sơ đồ ký hiệu của Transistor được mô tả ở hình 1.8. Chiều dòng điện được qui ước theo chiều của mũi tên. Ký hiệu B E C NPN Ký hiệu B C E PNP Hình 3.5 I V ΔI ΔV V γ V z V γ Mô hình PCN Mô hình PCT Vz Rz Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 48 Đường cong đặc tính của Transistor được biểu diễn như sau Hình 3.6 Đường đặc tính này là đường cong đặc tính Collector – Emitter, với thông số ngõ vào là dòng i B và v BE theo quan hệ như sau i B = f(v BE ) và thông số ngõ ra là i C và v CE theo quan hệ như sau i C = f(v CE ). Nhìn trên đường đặc tính ta có thể phân thành ba vùng làm việc của Transistor như sau : Vùng tắt Transistor rơi vào vùng hoạt động này khi thõa mãn điều kiện sau: Mối nối BE phải được phân cực nghòch . Khi đó, các thông số ngõ ra là dòng i C gần như bằng 0 và điện áp v CE gần bằng V CC . ` Hình 3.7 Transistor được xem là tắt hoàn toàn nếu I E = 0 I E = 0 B C E I CO R L R L C VccVcc Vout = Vcc neu R L >> Rc Rb E RcRc Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 49 Xét trường hợp khi I B = 0 transistor có tắt không? Đối với transistor, có quan hệ I C = -αI E + I Co I B + I C = I E Khi I B = 0 α − =→ 1 CO C I I • Nếu BJT thuộc họ Ge: 1≈ α → I C rất lớn: không tắt Để BJT tắt ta phải cưỡng bức bằng cách phân cực nghòch mối nối BE • Nếu BJT thuộc họ Si: 0≈ α → I C = I CO :tắt Vùng khuếch đại Transistor hoạt động trong vùng khuếch đại khi mối nối BE được phân cực thuận (V B > V E ) và mối nối BC được phân cực nghòch (V C >V B ). Ở chế độ này thì I B = β I C Với β là hệ số độ lợi dòng DC, giá trò điển hình của β biến thiên trong phạm vi từ 20 đến 800 tùy theo loại Transistor. Vùng khyếch đại đã được khảo sát trong các tài liệu về điện tử 1, 2. Trong phần chuyển mạch sẽ chỉ khảo sát ở 2 chế độ tắt và bão hòa Vùng bão hòa Transistor làm việc ở vùng bão hòa cần thõa mãn các điều kiện sau: • Mối nối BC và mối nối BE đều được phân cực thuận. Hình 3.8 B C E Vcc Rc C R L Rt E Rb Rc Vcc Vout = 0 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 50 Transistor rơi vào vùng bão hòa khi ngõ vào phải được cung cấp tín hiệu đủ lớn sao cho điện áp tại cực nền (V B ) lớn hơn một mức ngưỡng để Transistor phân cực bão hòa. Mức điện áp ngưỡng này là V BEsat , nó có trò số tùy thuộc vào từng loại chất bán dẫn . • V BEsat = 0,7 V đến 0,8 V , Transistor loại Si • V BEsat = 0.3 V , Transistor loại Ge Khi sử dụng ở chế độ chuyển mạch, Transistor thông thường mắc theo dạng E chung ( mắc CE ). Khảo sát một dạng mạch mắc CE làm việc ở chế độ bão hòa. Hình 3.9 Ở trạng thái bão hòa : V C = V CEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V I Csat được tính theo công thức sau : I Csat = Rc VV CEsatCC − . Khi đã có dòng điện tải I C , ta phải tính dòng điện cần thiết cấp cho cực nền B, nhằm chọn trò số R B thích hợp. Ta xác đònh I Bsat theo biểu thức : I Bsat = β 1 .I Csat Trường hợp cần cho Transistor làm việc ở chế độ bão hòa sâu, thì có thể tính I B theo công thức: I Bsat = β Csat I .k ,Trong đó, k là hệ số bão hòa sâu (k = 2 ÷ 5). Khi Transistor bão hòa, các giá trò I Bsat và I Csat , đều do mạch ngoài quyết đònh Ta có thể xác đònh R B theo công thức sau R B = Bsat BEsat I VV − Rb 0 Vbb 0 Vcc Rc Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 51 4. OpAmp (Operational-Amplifier) Op-amp là loại linh kiện được ứng dụng phổ biến trong lónh vực điện tử. Gần như mọi chức năng trong lónh vực này đều có thể dùng Op-amp để thực hiện. Chẳng hạn, thực hiện các phép tính: Cộng, trừ , tích phân trong máy tính tương tự, làm thành phần nồng cốt trong các mạch khuếch đại, mạch đo, bộ dao động, mạch tạo âm, mạch cảm biến. Op-amp là loại linh kiện được tích hợp, gồm hai ngõ vào: Đảo và không đảo, một ngõ ra. Op-amp hoạt động được phải cần cung cấp cặp nguồn điện áp đối xứng dương và âm, điểm giữa của cặp nguồn này được xem là mass (0V). Do vậy, tín hiệu ở ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán có thể biến đổi cả về phía dương hay phía âm so với mass. Ký hiệu và sơ đồ tương đương của OpAmp như sau: Hình 3.10 Mô hình gồm một nguồn áp phụ thuộc (phụ thuộc vào điện áp ngõ vào), trở kháng ngõ vào (R in ) và trở kháng ngõ ra (R o ). Điện áp vào vi sai v d = v + - v - Trở kháng ngõ vào của Op-amp tương đương như một điện trở. Điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với điện áp ngõ vào, và ta biểu thò hệ số tỉ lệ này là độ lợi vòng hở (G). Vì vậy, điện áp ngõ ra khuếch đại G lần điện áp vào vi sai và được xác đònh theo công thức sau: v o = G (v + - v - ) = G .v d Op-amp lý tưởng có những đặc điểm như sau: Trở kháng ngõ vào, R in = ∞ Trở kháng ngõ ra, R o = 0 Độ lợ vòng hở, G → ∞ Băng thông BW → ∞ v o = 0, khi v + = v - Ta có v + - v - = v o /G (*) Vì G → ∞, do đó phương trình (*) được viết lại như sau: v + - v - = 0 → v + = v - Bởi điện trở ngõ vào R in → ∞, nên dòng điện chạy vào hai ngõ vào đảo và không đảo là zero i + = i - = 0 -Vcc V+ V- Vout + - +Vcc Ro V+ Rin Vout V- Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 52 Tùy thuộc điện áp ở hai ngõ vào này so sánh với nhau mà Op-amp sẽ làm việc một trong hai trạng thái sau: • Nếu v + > v - thì v o = +V, gọi là trạng thái bão hòa dương . • Nếu v + < v - thì v o = -V, gọi là trạng thái bão hòa âm. Hai trạng thái bão hòa này tương đương với ngõ ra của Op-amp ở hai mức điện áp cao và điện áp thấp, để tạo ra các xung điện. Đặc tuyến truyền được thể hiện như sau Hình 3.11 II. CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ Trong phần này chủ yếu nghiên cứu các hiện tượng xảy ra trong quá trình chuyển mạch (lúc quá độ). Sẽ không đi quá sâu về bản chất vật lý mà chủ yếu nêu hiện tượng và đề ra biện pháp cải thiện dạng sóng ra 1. Diode bán dẫn PN a. Đại cương Hình 3.12 Do ảnh hưởng của hạt tải điện thiểu số trong thời gian T 1 nên diode chưa tắt hoàn toàn, dạng của dòng điện như hình bên V V I D t V v +V -V 0 t I D T R R V + 0 T R R V − I 0 T 1 T 2 nh hưởng do hat tải điện thiểu số nh hưởng do điện dung C D R L [...]... + Vγ Mắc thêm 1 mạch ghim điện áp (sẽ học ở chương 4) như sau GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 54 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 0.3V Hình 3.16 Mạch ghim có tác dụng ngăn không cho VBC tăng quá làm cho BJT bão hòa sâu Ngoài ra còn sử dụng diode Schottky hay transistor Schottky để tăng tốc độ chuyển mạch GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 55 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Bài tập chương 3 1 Cho mạch như sau Vcc=10V... lên tr (2) chủ yếu phụ thuộc điện dung ngõ vào CV của BJT GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 53 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Thời gian tắt (6) bao gồm • Thời gian tồn trữ tS (4), thời gian cần thiết để xả điện tích thừa khi bão hòa Bão hòa càng sâu thì tS càng lớn • Thời gian xuống tf (5) chủ yếu do ảnh hưởng điện dung CV ngõ vào của BJT b Cải thiện sóng ra • Sử dụng BJT chuyển mạch, hay BJT cao tần có fT... lần T1 b Cải thiện • Tốt nhất nên dùng diode chuyển mạch (switching diode) • Nếu không, thêm tụ C (thường do nhà chế tạo cung cấp thông số) để giảm ảnh hưởng của tụ Cd như sau Cd Vr RL I0 0 C t Hình 3.13 2 Transistor 2 mối nối Quá trình quá độ xảy ra trong BJT là phức tạp Ở đây chỉ khảo sát các yếu tố gây nên sự méo dạng của xung ra V v a Thời gian chuyển mạch V1 t 0 -V2 Vcc IB V1 VV Rc Rb V1 t 0 -V2... Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 3 Bài tập chương 3 1 Cho mạch như sau Vcc=10V Rb Rc=1K 0 IB = 0.2mA a Xác đònh β min để BJT bão hòa b Nếu thay RC = 220 và sử dụng transistor có β min =60 tại IC = 50mA Mạch có bão hòa không 2 Nếu BJT của bài 1 có β min =60, ICo = 50nA, RC = 1K Tìm công suất nhiệt của BJT khi a BJT tắt b BJT bão hòa c VCE =2V 3 Tìm quan hệ Y theo A, B Biết diode có Vγ = 0,6; rD = 0 A . Trang 43 CHƯƠNG 3. CHUYỂN MẠCH ĐIỆN TỬ Các linh kiện điện tử như diode, transistor, đèn chân không được gọi là các linh kiện chuyển mạch vì chúng có hai. Transistor. Vùng khyếch đại đã được khảo sát trong các tài liệu về điện tử 1, 2. Trong phần chuyển mạch sẽ chỉ khảo sát ở 2 chế độ tắt và bão hòa Vùng bão