ĐIỆN TỬ CƠ BẢN ThS Nguyễn Lê Tường Bộ môn Cơ điện tử ĐH Nông Lâm Tp. HCM

Transcript

1 ĐIỆN TỬ CƠ BẢN ThS Nguyễn Lê Tường Bộ môn Cơ điện tử ĐH Nông Lâm Tp. HCM

2 Nội dung Chương 1: Vật liệu bán dẫn Chương 2: Diode vaø caùc maïch öùng duïng Chương 3: Transistor BJT Chương 4: Mạch khuếch đại thuật toán 2 cơ bản

3 Chöông 1 VAÄT LIEÄU BAÙN DAÃN 3 cơ bản

4 Chaát baùn daãn Moät baùn daãn laø moät nguyeân toá hoaù hoïc coù ñaëc tính daãn ñieän naèm giöõa chaát daãn ñieän vaø chaát caùch ñieän, coù boán electron hoùa trò. Caùc chaát baùn daãn phoå bieán trong töï nhieân laø Si, Ge, As, Te, Se Si laø nguyeân toá raát phoå bieán, coù trong caùt Quyõ ñaïo hoùa trò cơ bản

5 Tinh thể Silicon Khi caùc nguyeân töû Si lieân keát nhau taïo thaønh khoái Si, chuùng töï saép xeáp theo moät traät töï coù hình daùng nhaát ñònh goïi laø tinh thể. Caùc electron goùp chung cuûa hai nguyeân töû Si ôû gaàn seõ taïo thaønh moät lieân keát coäng hoaù trò. Ở nhieät ñoä phoøng (25oC) tinh theå Si hoaøn toaøn laø chaát caùch ñieän. 5 cơ bản

6 Lỗ trống và sự tái hợp (a) (b) 6 cơ bản

7 Baùn daãn tinh khieát loaïi i Baùn daãn loaïi i laø loaïi baùn daãn tinh khieát khoâng chöùa baát kyø moät nguyeân töû taïp chaát naøo trong tinh theå. Ôû nhieät ñoä phoøng, baùn daãn loaïi loaïi i gioáng nhö moät vaät lieäu caùch ñieän vì chuùng coù raát ít electron töï do vaø loã troáng sinh ra bôûi nhieät naêng Loã troáng A C D B Electron töï do E n = p F i i

8 Baùn daãn loaïi n Ñeå gia taêng soá löôïng electron töï do cuõng nhö gia taêng khaû naêng daãn ñieän cuûa baùn daãn ngöôøi ta theâm vaøo baùn daãn tinh khieát caùc nguyeân töû taïp chaát thuoäc nhoùm naêm nhö Arsenic (As), Antimony (Sb) vaø Phosphorus (P) Electron töï do Nguyeân töû donor nn = nd ni nd 8

9 Baùn daãn loaïi p Ñeå gia taêng khaû naêng daãn ñieän ngöôøi ta cuõng coù theå gia taêng soá löôïng loã troáng. Soá löôïng loã troáng trong trong baùn daãn ñöôïc gia taêng baèng caùch theâm caùc nguyeân töû taïp chaát nhoùm ba nhö Aluminum (Al), Boron (Bo) hay Gallium (Ga) vaøo baùn daãn tinh khieát Lo troáng Nguyeân töû acceptor pp = pa pi pa 9

10 Tieáp xuùc p-n khoâng phaân cöïc (a) (b) p n (c) p n p n 10 (a) (b) Ôû 25oC haøng raøo ñieän theá cuûa diode Ge khoaûng 0.3V vaø cuûa diode Si khoaûng 0.7V Ñieän tröôøng toàn taïi trong vuøng ngheøo khi diode ôû traïng thaùi caân baèng coù chieàu höôùng töø n sang p.

11 Phaân cöïc thuaän tieáp xuùc p-n p n V 11

12 Phaân cöïc nghòch tieáp xuùc p-n 12

13 Hieän töôïng ñaùnh thuûng Doøng ñieän ngöôïc taêng voït, chuyeån tieáp p-n daãn ñieän maïnh caû theo chieàu nghòch, phaù hoûng ñaëc tính van voán coù cuûa noù => hieän töôïng ñaùnh thuûng. Nguyeân nhaân Do ñieän: coù theå phuïc hoài ñaëc tính chænh löu cuûa chuyeån tieáp p-n neáu coù bieän phaùp haïn cheá doøng ngöôïc sao cho coâng suaát tieâu taùn chöa vöôït quaù giaù trò cöïc ñaïi cho pheùp. Ñaùnh thuûng thaùc luõ Ñaùnh thuûng xuyeân haàm Do nhieät: phaù hoûng vónh vieãn ñaëc tính chænh löu cuûa chuyeån tieáp p-n 13

14 Chöông 2 DIODE VAØ CAÙC MAÏCH ÖÙNG DUÏNG 14 Bài giảng Kỹ thuật giao tiếp máy tính

15 Diode chænh löu 15

16 Diode chænh löu Ñaëc tính V-A cuûa diode chænh löu 16

17 Moâ hình töông ñöông Moâ hình 1 Moâ hình 2 17

18 Caùc loaïi diode Diode Tunnel Diode Zener Diode Schottky Power diode 18

19 Light-Emitting Diode LED ñôn LED 7 ñoaïn 19

20 Light-Emitting Diode LED ma traän 20

21 ÖÙng duïng cuûa diode chænh löu Maïch chænh löu baùn kyø 0 < t < T/2 Vin Vout - Vin - Vout - T/2 < t < T - Vin Vout - 21

22 ÖÙng duïng cuûa diode chænh löu Maïch chænh löu toaøn kyø Vin Vout - 22

23 ÖÙng duïng cuûa diode chænh löu Tuï loïc thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå oån ñònh ñieän aùp ra Vin C Vout - Vin C Vout - 23

24 Maïch xeùn 24

25 Maïch xeùn Maïch xeùn vôùi nguoàn DC ñöôïc boå sung 25

26 Maïch xeùn Maïch xeùn vôùi nguoàn DC ñöôïc boå sung 26

27 Maïch ghim Maïch ghim laø maïch coá ñònh ñænh treân hay ñænh döôùi cuûa tín hieäu ôû moät giaù trò ñieän aùp nhaát ñònh 27

28 Chöông 3 Transistor löôõng cöïc Bipolar Junction Transistor - BJT 28 Bài giảng Kỹ thuật ñieän töû

29 Caáu taïo vaø kyù hieäu 29

30 Caáu taïo vaø kyù hieäu I = I E B I C I = αi C E I CBO 30

31 Cheá ñoä laøm vieäc Cheá ñoä khuyeách ñaïi (J E phaân cöïc thuaän, J C phaân cöïc nghòch) Cheá ñoä khoùa ñieän töû hay cheá ñoä ñoùng môû: chuyeån tieáp J E, J C ñeàu phaân cöïc thuaän (traïng thaùi daãn baõo hoøa hay coøn goïi laø traïng thaùi môû), chuyeån tieáp J E, J C ñeàu phaân cöïc nghòch (traïng thaùi ngöng daãn hay coøn goïi laø traïng thaùi taét) 31

32 Caùc cheá ñoä hoaït ñoäng cuûa transistor BJT Maïch Emitter chung (EC) Maïch Collector chung (CC) Maïch Base chung (BC) 32

33 Mạch khuếch đai E chung (EC) Ñieän aùp U CE khoaûng 60% 70% Vcc Maïch khueách ñaïi ñieän aùp Doøng ñieän tín hieäu ra lôùn hôn doøng tín hieäu vaøo nhöng kho6nf ñaùng keå Tín hieäu ra ngöôïc pha vôùi tín hieäu vaøo Ñöôïc öùng duïng nhieàu nhaát trong thieát bò ñieän töû 33

34 Mạch khuếch ñaïi C chung (CC) Bieân ñoä tín hieäu ra baèng bieân ñoä tín hieäu vaøo Cöôøng ñoä doøng ñieän tín hieäu ra maïnh hôn tín hieäu vaøo gaáp nhieàu laàn Tín hieäu ra cuøng pha vôùi tín hieäu vaøo Ñöôïc öùng duïng nhieàu trong caùc maïch khueách ñaïi ñeäm vaø maïch oån aùp nguoàn 34

35 Mạch khuếch ñaïi B chung (BC) aát ít ñöôïc söû duïng trong thöïc teá 35

36 Maïch EC 36

37 Ñieåm laøm vieäc tónh vaø ñöôøng taûi moät chieàu Maïch Emitter chung (EC) 37

38 Phaân cöïc BJT Yeâu caàu oån ñònh ñieåm laøm vieäc tónh Doøng ngöôïc collector cuûa BJT taêng nhanh theo nhieät ñoä Caùc heä soá truyeàn ñaït doøng ñieän α, β taêng theo nhieät ñoä β 2 1 ( T ) = β ( T ) T T Ñieän aùp treân chuyeån tieáp emitter V BE öùng vôùi moät doøng ñieän I B = const giaûm khi nhieät ñoä taêng ε dv dt BE o ( I = const) = ( 2 2,5) mv C BE T = B / S laø ñoä baát oån ñònh: tieâu chuaån ñaùnh giaù ñoä oån ñònh cuûa caùc maïch ñieän.. Tröôøng hôïp lí töôûng: S = 1, maïch oån ñònh nhaát. Neáu S caøng lôùn, maïch caøng keùm oån ñònh. S = I I C CBO B

39 Caùc maïch phaân cöïc BJT Maïch phaân cöïc ñònh doøng I B khoâng coù E 39

40 Caùc maïch phaân cöïc BJT Maïch, phaân cöïc ñònh doøng I B khoâng coù E V = V V C = I V (*) CC CE C C CE V = V V = I V B CC BE B B BE (**) ( ) V V Baøi toaùn tính toaùn V BEQ =0.7 V I BEQ V CC V BEQ ( ** ) I = BQ B C = βi B VCE = VCC I C C Baøi toaùn thieát keá V V V V = = CC CE CC BE CC BE * C = (**) B I I I B C C β 40

41 Caùc maïch phaân cöïc BJT Maïch, phaân cöïc ñònh doøng I B coù E 41

42 Caùc maïch phaân cöïc BJT Maïch, phaân cöïc ñònh doøng I B coù E V = V V V = I V I CC CE E C C CE E E C V = V V V = I V I CC BE E B B BE E E B (*) (**) S = ( β 1) B E B ( β 1) E E B B β 1 42

43 Maïch phaân cöïc caàu phaân aùp E BB = V CC B1 B2 B2 E = I V BB B BB BE I E E 43 BB = B1 B1 B2 B2 S = 1 BB E VCC = ICC VCE I EE

44 Maïch phaân cöïc hoài tieáp cöïc C V = V V = ( I I ) V CC CE C B C CE V = V V V = ( I I ) I V CC BE C B C B B BE C C B S = ( β 1) B C B = ( β 1) C C ( 1 α ) B C B 44

45 Moät soá daïng phaân cöïc khaùc β = 50 / Si β = 100 / Si β = 100 / Si 45

46 Ví duï 1 Cho mạch phân cực với đặc tuyến ngõ ra của BJT như hình dưới. Xác định V CC, C, B. 8 I C (ma) IC I 6 I B =40µA 4 IB 2 U CE (V)

47 Ví duï 1 Vcc ICsat = = 8 ma C = 2.5 kω c V CE =V CC - C I C V CC =20V ( ) ( ) V BE =0.7V I B VCC VBE 20V 0.7V = = = 40( ( µ A ) B B = B 482.5( kω) Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: B =470 KΩ, C =2.4 KΩ.. 47

48 Ví duï 2 Thiết kế mạch phân cực như hình dưới. I C =2mA, V CE =10V IC IB β = 150 / Si IE 48

49 Ví duï 2 Thực nghiệm, thường chọn V E khoảng 1/10V CC ( ) VE = VCC = = V c E VE VE 2V = = = = 1 Ω I I 2mA E C ( k ) VC VCE VE 20V 10V 2V = = = 4 kω I 2mA C ( µ ) I B = IC = = A β 150 ( ) V = V V V = = 17.3( V ) B B CC BE E VB 17.3V = = = 1.3 Ω I µ A B ( M ) Chọn B =1.2 MΩ 49

50 Ví duï 3 Thiết kế mạch phân cực có dạng như hình dưới V cc =20V 2 = 6,8( kω) 1 I B C V CE =10V I C =2mA βmin = 80 / Si 1 =39kΩ hoặc 47kΩ E =1kΩ C =4kΩ 2 E 100µF 50

51 Cheá ñoä khoùa ñieän töû 51

52 Cheá ñoä khoùa ñieän töû 52

53 Cheá ñoä khoùa ñieän töû 53

54 Maïch gheùp Darlington 54

55 Chöông 4 Maïch khueách ñaïi thuaät toaùn Operational Amplifier - OA 55 Bài giảng Kỹ thuật ñieän töû

56 Caáu taïo vaø kyù hieäu 56

57 Caáu taïo 57

58 Ñaëc tuyeán laøm vieäc 58 - Vùng khuếch đại tuyến tính: trong vùng này điện áp ngõ ra V o tỉ lệ với tín hiệu ngõ vào theo quan hệ tuyến tính. Nếu sử dụng mạch khuếch đại điện áp vòng hở (Open Loop) thì vùng này chỉ nằm trong một khoảng rất bé. - Vùng bão hoà dương: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở V cc. - Vùng bão hoà âm: bất chấp tín hiệu ngõ vào ngõ ra luôn ở -V cc.

59 Thoâng soá 59

60 Phương phaùp phaân tích Op-amp Sơ đồ tương đương Tuần tự thực hiện ba bước sau: - Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V - Viết phương trình Kirchhoff cho đầu vào V _ - Cho V =V _, tìm mối quan hệ giữa V in và V o 60

61 Caùc maïch öùng duïng Op-amp Maïch khueách ñaïi ñaûo Vi I 1 Ii=0-2 Vo V o 2 A v = = V i 1 61

62 Maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo I 2 1 Vi Ii=0 - Vo V A v = = = 1 V o i

63 Maïch ñeäm, Vi - Vo Vo Vo = Vi A v = 1 V = i 63

64 Maïch khueách ñaïi coäng ñaûo daáu Vi1 11 I1 Vi2 12 I2 Vi3 13 Vi I I=I1I2I3 Vo V o =V o1v o2v o3=-( Vi1 Vi2 V i3) = = = V =- (V V V ) 2 o i1 i2 i

65 Maïch khueách ñaïi coäâng khoâng ñaûo daáu 1, 2 Vi1 11 Vi - Vo Vi = V =V V =(1 ) ( )V ( )V o o1 o2 i1 i2 2 Vi1 Vi2 V o =(1 )( ) 2 1 = = = V =V V o i1 i2 65

66 Maïch khueách ñaïi vi sai, Vi1 3 4 =, = Vi2 1 - Vo 2 V o = (Vi1 V i1) 1 2 = = = V =V V = (1 )( )V V o o1 o2 i2 i V =V V o i1 i1 66

67 Maïch tích phaân C, Vi i - Vo 1 A V o = Vi dt C Maïch vi phaân Vi C i A - i Vo dv i V o =-C dt 67