Bài giảng môn Kỹ thuật điện
Giảng viên: Vũ Minh Quang
Bộ môn: Kỹ thuật điện
Khoa: Năng lượng
Email: quangvmtl@gmail.com
Giáo trình:
Nhập môn Kỹ thuật điện – Bm.Kỹ thuật điện, DHTL
Introduction to electrical engineering - Sarma, Mulukutla S
Đường link:
http://www.4shared.com/dir/26631729/c66310dd/Ky_thuat_dien.html
http://cid-aef65ac247949ece.skydrive.live.com/browse.aspx/Public
Nhập môn Kỹ thuật điện
Phần 2. Kỹ thuật điện tử
Chương 5
Chương 6
Chương 7
Chương 8
Chương 5-Khối tương tự và khuếch đại thuật toán
Khuếch đại thuật toán
Khuếch đại thuật toán lý tưởng
Phần 2
Chương 5
5.1 Khuếch đại thuật toán
Một bộ khuếch đại được mô hình hóa như là thiết bị hai cổng. Đó là một hộp với hai cặp cực được gắn là đầu vào và đầu ra như trên hình 5.1.1(a). Mô hình mạch điện của khối khuếch đại cho trên hình 5.1.1(b) được phát triển dựa trên cơ sở của các dẫn giải sau đây.
Bởi vì, với hầu hết các bộ khuếch đại, dòng điện đầu vào là tỉ lệ với điện áp đầu vào, do đó các cực đầu vào trong mô hình được nối với nhau bằng một điện trở , là điện trở đầu vào(input resistance) của bộ khuếch đại.
Do bộ khuếch đại cấp công suất điện (ví dụ đến loa), dòng điện đầu ra có thể mô tả bằng mô hình nguồn Thévenin của nó. Điện trở Thévenin được hiểu là điện trở ra(output resistance) và điện áp Thévenin là nguồn điện áp phụ thuộc(dependent voltage source) , được gọi là hệ số khuếch đại điện áp hở mạch.
Chương 5
Chương 5
5.1 Khuếch đại thuật toán
Hết 5.1
Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
1. Khái niệm
Khuếch đại thuật toán được coi là các khối được xây dựng sẵn có (building blocks).
Những khối này được mô tả bằng điện trở đầu vào, điện trở đầu ra, và hệ số khuếch đại điện áp hở mạch.
Hai cực đầu vào không đảo và đầu vào đảo được gắn nhãn + và –.
Cực chung được biểu thị bằng ký hiệu nối đất (ground)  








Điện áp ra quan hệ với vi sai giữa hai điện áp vào như sau
Trong đó là A hệ số khuếch đại điện áp vòng hở
Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
1. Khái niệm
Khuếch đại thuật toán lý tưởng được xấp xỉ gần gần đúng theo hai đặc tính sau.
Dòng điện vào và ra bằng 0,
Điện áp vi sai bằng 0,
Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Khuếch đại đảo












Hệ số khuếch đại đảo là:

Với :
Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Khuếch đại không đảo












Hệ số khuếch đại đảo là:

Với :
Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Khuếch đại cộng đảo













Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Khuếch đại cộng không đảo













Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Bộ tích phân













Chương 5
Chương 5
5.2 Khuếch đại lý tưởng
2. Ứng dụng của khuếch đại thuật toán
Bộ vi phân













Chương 5
Hết 5.2
Chương 6- Mạch điện tử số
Khái niệm chung về tín hiệu số
Các khối logic
Phương pháp biểu diễn hàm logic và tối thiểu hàm logic
Phần 2
Chương 6
6.1 Khái niệm chung về tín hiệu số
Tín hiệu tương tự là tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục theo thời gian









Chương 6
Chương 6
6.1 Khái niệm chung về tín hiệu số
Tín hiệu rời rạc (hình 6.0.2) tín hiệu chỉ xác định trên một tập rời rạc của thời gian (một tập những thời điểm rời rạc).






Chương 6
Chương 6
6.1 Khái niệm chung về tín hiệu số
Lấy mẫu tín hiệu tương tự nghĩa là rời rạc tín hiệu đó theo thời gian.
Tín hiệu số là tín hiệu có lượng hữu hạn biên độ rời rạc tại bất kỳ thời điểm xác định nào.
Thông qua quá trình lượng tử hóa (quantization), các giá trị mẫu được làm tròn chính xác tới gần nhất tập các biên độ rời rạc
Tín hiệu số có dạng tín hiệu nhị phân (binary signal). Hình 6.0.3 mô tả các tín hiệu nhị phân điển hình.





Chương 6
Chương 6
6.1 Khái niệm chung về tín hiệu số





Chương 6
Hết 6.1
Chương 6
6.2 Các khối logic
Hệ đếm:
Hệ thập phân: {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, cơ số 10.
Hệ nhị phân: {0,1}; cơ số 2.
Hệ bát phân: {0,1,2,3,4,5,6,7}; cơ số 8.
Hệ thập lục phân: {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}; cơ số 16

Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối OR
Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối AND
Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối NOT
Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối NAND
Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối NOR
Chương 6
Chương 6
6.2 Các khối logic
Khối XOR
Khối XNOR
Chương 6
Hết 6.2
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Các phép tính cơ bản đại số logic

Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Các ví dụ
Ví dụ 6.1.3: Hàm (khóa) vẽ tổ hợp các khối logic tương ứng và lập bảng chân lý.
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Các ví dụ
Ví dụ 6.1.4: Xác định hàm Logic cho mạng tổ hợp cho trên hình E6.1.4(a).
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Các ví dụ
Ví dụ 6.1.6: Biểu diễn định luật DeMorgan được cho dưới đây
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic
Khái niệm về số hạng nhỏ nhất (minterm) và thừa số lớn nhất (maxterm).
Tích của n biến của một hàm được gọi là số hạng nhỏ nhất, với n biến có thể có 2n số hạng nhỏ nhất. Ký hiệu là mi .
Tổng của n biến của một hàm được gọi là thừa số lớn nhất, là bù của số hạng nhỏ nhất. Ký hiệu Mi .

Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic
Bảng liệt kê số hạng nhỏ nhất và thừa số lớn nhất cho ba biến
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic
Từ bảng chân lý của hàm số logic bất kỳ, có thể thành lập được hàm F là tổng của các mi (minterm) hoặc là tích của các Mi (maxterm).
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic theo Karnaugh
Tối thiểu hàm logic bằng phương pháp Karnaugh là phương pháp biểu đồ là một dạng biến đổi của bảng chân lý, biểu đồ này cung cấp một phương pháp rất tiện lợi cho việc mô tả hàm đại số logic dưới dạng SOP (Sum of product) hay POS (product of sum)
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic theo Karnaugh
Phương pháp đơn giản bằng bảng Karnaugh(K) theo SOP





Chỉ quan tâm tới các ô có giá trị 1
Gộp các ô có giá trị 1 kề nhau theo nguyên tắc
Số lần lặp lại là ít nhất
Số ô liền kề là lớn nhất, 2n
Khử các biến có thay đổi trạng thái trong các ô có liên quan
Viết hàm F theo dạng tổng của các ô kết quả
Chương 6
Chương 6
6.3 Biểu diễn và tối thiểu hàm logic
Tối thiểu hàm logic theo Karnaugh
Phương pháp đơn giản bằng bảng Karnaugh(K) theo POS





Chỉ quan tâm tới các ô có giá trị 0
Gộp các ô có giá trị 0 kề nhau theo nguyên tắc
Số lần lặp lại là ít nhất
Số ô liền kề là lớn nhất, 2n
Khử các biến có thay đổi trạng thái trong các ô có liên quan
Viết hàm nghịch đảo của F theo dạng tổng của các ô kết quả
Chương 6
Hết 6.3
Chương 7- Các dụng cụ bán dẫn
Khái niệm chung về bán dẫn
Diode
Transistor lưỡng cực
http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_2/6.html
http://www.radartutorial.eu/21.semiconductors/hl11.en.html
Phần 2
Chương 7
7.1 Khái niệm chung về chất bán dẫn
Chất bán dẫn
Tồn tại dưới dạng tinh thể rắn.
Độ dẫn điện nằm giữa độ dẫn điện chất dẫn điện và cách điện; độ dẫn điện nằm trong khoảng 10-6 10-5 S/m.
Chất bán dẫn quan trọng nhất là Silicon, có hóa trị 4
Các điện tử tự do
Khi điện tử tự do mang điện tích âm chuyển động trong tinh thể, tính dẫn điện trong chất bán dẫn tăng lên với chiều dòng điện ngược chiều với chiều chuyển động của các điện tử.
Lỗ trống
Khi một điện tử tham gia liên kết hóa trị bị khuyết (bứt ra khỏi liên kết), chỗ khuyết đó được gọi là lỗ trống; lỗ trống mang điện tích dương và chuyển động cùng chiều với chiều dòng điện.
Hạt dẫn
Cả điện tử tự do và lỗ trống được gọi chung là các hạt dẫn
Chương 7
Chương 7
7.1 Khái niệm chung về chất bán dẫn
Chương 7
Chất bán dẫn thuần(không có tạp chất):
Có ít hạt dẫn, do đó được liệt vào là chất cách điện (ở 0oK) và chất dẫn điện kém (ở nhiệt độ bình thường).
Chất bán dẫn không thuần (có tạp chất):
Bán dẫn loại P: bằng cách thêm vào bán dẫn thuần (hóa trị 4) một lượng nhỏ các tạp chất hóa trị 3 như In, Ga; hạt dẫn đa số là lỗ trống, điện tử là thiểu số trong bán dẫn loại P
Bán dẫn loại N: bằng cách thêm vào bán dẫn thuần (hóa trị 4) một lượng nhỏ các tạp chất hóa trị 5 như As: điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là thiểu số trong bán dẫn loại N
Chương 7
7.1 Khái niệm chung về chất bán dẫn
Chất bán dẫn thuần và chất bán dẫn tạp
Chương 7
Chương 7
7.1 Khái niệm chung về chất bán dẫn
Chất bán dẫn thuần và chất bán dẫn tạp
Chương 7
Hết 7.1
Chất bán dẫn loại P Chất bán dẫn loại N
Lớp tiếp giáp P-N:



Phân cực thuận lớp tiếp giáp p-n:

Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Lớp tiếp giáp P-N
Chương 7
Phân cực thuận:
Điện áp phân cực dương làm giảm hàng rào thế, do đó tăng số lượng điện tử và lỗ trống khuếch tán qua tiếp giáp. Khuếch tán tăng làm xuất hiện dòng điện thuận, hướng từ p sang n.
Phân cực ngược
Điện áp phân cực âm làm tăng hàng rào thế năng và giảm các thành phần khuếch tán qua tiếp giáp. Thành phần trôi được tạo ra bởi điện trường từ phía n sang p tạo ra dòng điện nhỏ, dòng điện này được gọi là dòng điện ngược (hay dòng điện bão hòa). Biên độ của dòng điện bão hòa phụ thuộc vào mật độ tạp chất trong bán dẫn loại p và n và phụ thuộc vào kích thước vật lý của tiếp giáp.
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Lớp tiếp giáp P-N
Chương 7
DIODE BÁN DẪN
Tiếp giáp P-N: hình thành khi cho chất bán dẫn P và N tiếp xúc công nghệ với nhau
Diode: Tiếp giáp P-N nối với mạch điện ngoài được gọi là diode bán dẫn.

Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Diode
Chương 7
Đặc điểm
V >0, diode được phân cực thuận, quan hệ dòng điện và điện áp là
V<0, diode được phân cực ngược, dòng điện qua diode nhỏ, gọi là dòng điện ngược bão hòa (diode lí tưởng coi dòng này bằng 0); khi tăng điện áp ngược đến một giá trị giới hạn nào đó, diode bị đánh thủng

Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Diode
Chương 7
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Diode thực và diode lý tưởng
Chương 7
Sự khác biệt lớn nhất giữa diode thực và diode lý tưởng là điện áp rơi khác không khi diode thực dẫn dòng theo chiều thuận. Điện áp rơi hữu hạn trên diode được hiểu là điện áp lệch (offset), hoặc điện áp mở, điện áp tối thiểu, hoặc điện áp ngưỡng. Giá trị điển hình là 0,6 đến 0,7V với diode bán dẫn silicon và 0,2 đến 0,3V với diode bán dẫn germanium.
Đặc tuyến V-A diode thực




Đặc tuyến V-A diode lí tưởng

Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Diode thực và diode lý tưởng
Chương 7
1. Mô hình 1( diode offset)
Diode thực được xấp xỉ thành diode lí tưởng mắc nối tiếp với điện áp mở Von : 0,6-0,7V với diode Si và 0,2-0,3 với diode Ge
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mô hình toán học của diode
Chương 7
2. Mô hình 2 (piecewise –linear)
Diode thực được xấp xỉ thành diode lí tưởng mắc nối tiếp với điện trở Rf và điện áp mở Von
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mô hình toán học của diode
Chương 7
VÍ DỤ: thay diode
Thay Diode thực ở sơ đồ a bằng diode lí tưởng mắc nối tiếp với điện áp mở (ngưỡng) 0,6V



Sử dụng định luật LKA cho hai vòng ta được

điện áp đặt trên diode là:
Điều kiện để diode dẫn là
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mô hình toán học của diode
Chương 7
Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mạch ứng dụng diode
Chương 7
Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mạch ứng dụng diode
Chương 7
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mạch ứng dụng diode
Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ
Chương 7
Mạch lọc dùng tụ điện
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mạch ứng dụng diode
Chương 7
Chương 7
7.2 Diode bán dẫn
Mạch ứng dụng diode
Mạch lọc dùng tụ điện (tiếp)
Chương 7
Hết 7.2
Ba lớp bán dẫn, ghép thành hai tiếp giáp: n-p-n hoặc p-n-p;
Ba vùng: vùng gốc, phát, góp; ba cực tương ứng ba vùng là: cực gốc(B), phát (E), góp(C); vùng gốc được chế tạo mỏng nhất và vùng phát được làm giầu các hạt dẫn đa số nhất



Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
1.Cấu tạo
Chương 7

Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
2. Ký hiệu Transistor (BJT–transistor lưỡng cực)
Chương 7

Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
2. Ký hiệu Transistor (BJT–transistor lưỡng cực)
Chương 7
Phân cực cho transistor




Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
2. Ký hiệu Transistor (BJT–transistor lưỡng cực)
Chương 7
Nguyên lý làm việc



Chế độ tích cực(khuếch đại) (VBE=0,7; VCE>0,7V )
Chế độ bão hòa (iB>0; VBE=Von= 0,7V; VCE=Vsat≈ 0,2-0,3V) ;
Chế độ khóa (iB=0; vBE Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
3.Các chế độ làm việc của BJT npn
Chương 7
Để xác định điểm làm việc tĩnh (chỉ có nguồn một chiều) IBQ, ICQ, VCEQ
Xác định chế độ làm việc của mạch đã cho
Nếu mạch được định chế độ là tích cực: sử dụng các công thức tính toán ở chế độ tích cực (xem các công thức 7.3.1-7.3.5 sách GT); chú ý rằng khi tính toán các dòng điện ICBO và ICEO là nhỏ (cỡ nA), nên được bỏ qua (trong GT này tác giả bỏ qua);
Nếu mạch định chế độ là bão hòa hay khóa thì không được áp dụng các công thức từ 7.3.1-7.3.5.
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
4.Xác định điểm làm việc tĩnh của transistor
Chương 7
Quan hệ các đại lượng dòng điện ở chế độ tích cực



Hệ số khuyếch đại dòng điện gốc chung =0,9-0,98

ICBO :Dòng điện bão hòa ngược nhỏ, bỏ qua
Hệ số khuyếch đại dòng điện gốc phát =5 - 900


Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
4.Xác định điểm làm việc tĩnh của transistor
Chương 7
Tính toán chế độ làm việc của Transistor β=80
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
Ví dụ
Chương 7
VBE=VCE- RBIB
Nếu mạch làm việc ở chế độ bão hòa thì
- VCE=0.2-0.3V và IB>0 VBE<0.7V
Điều này không thỏa mãn để làm cho transistor làm việc ở chế độ bão hòa.
Nếu mạch làm việc ở chế độ khóa (cutoff), IB=0; VCE≈20V
VBE=20V> 0.7V  Transistor không làm việc ở chế độ khóa
Chương 7
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
Ví dụ
Loại bỏ hai chế độ trên, thay sơ đồ transistor tương đương ở chế độ tích cực
Áp dụng các công thức
IE=IC+IB ; IC=IB;IE=(+1)IB
Áp dụng LKA:
20-60IB-0.7-4*81IB=0
 IBQ=0.05mA, ICQ=4mA, và VCEQ=3.8V
Chương 7
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
Ví dụ
Sơ đồ tương đương của BJT khi làm việc với tín hiệu nhỏ
Các thông số iC=f(vBE, vCE), tuyến tính hóa quanh điểm làm việc một chiều (xem thêm hiệu ứng Early trang 361)

Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
5.Sơ đồ tương đương của BJT
Chương 7
Sơ đồ tương đương của BJT với tín hiệu lớn:
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
5.Sơ đồ tương đương của BJT
Chương 7
Chương 7
7.3 Transistor lưỡng cực
5.Sơ đồ tương đương của BJT
Chương 7
Hết 7.3
Chương 8- Khuếch đại transistor
Phân cực transistor lưỡng cực (BJT)
Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
Phần 2
Chương 8
8.1 Phân cực transistor lưỡng cực (BJT)
Không có phương pháp chung để phân cực cho transistor.
Có thể sử dụng cách sau để phân cực cho transistor:
VCE = Vcc/2
VRC = 3Vcc/8
VRE = Vcc/8
Chương 8
Chú ý rằng VB = VE +VBE = VE + 0,7 với silicon và I2 = 5IBQ
Hết 8.1
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
Có ba mạch khuếch đại cơ bản
Khuếch đại transistor mắc theo kiểu phát chung
Khuếch đại transistor mắc theo kiểu góp chung
Khuếch đại transistor mắc theo kiểu gốc chung
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
1.Khuếch đại mắc theo kiểu phát chung (CE)
Các điện trở R1, R2, RC, RE được xác định nhờ phân cực
Tụ CB, CC, CE được chọn để coi như ngắn mạch tại tần số thấp nhất trong dải tần quan tâm
Sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ ở hình 7.3.7 (ngắn mạch nguồn 1 chiều)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
1.Khuếch đại mắc theo kiểu phát chung (CE)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
2.Khuếch đại mắc theo kiểu góp chung (CC)
Các điện trở R1, R2, RE được xác định nhờ phân cực
Tụ CB, CE được chọn để coi như ngắn mạch tại tần số thấp nhất trong dải tần quan tâm
Sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ ở hình 7.3.7 (ngắn mạch nguồn 1 chiều)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
2.Khuếch đại mắc theo kiểu góp chung (CC)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
3.Khuếch đại mắc theo kiểu gốc chung (B)
Các điện trở R1, R2, RC, RE được xác định nhờ phân cực
Tụ CB, CC, CE được chọn để coi như ngắn mạch tại tần số thấp nhất trong dải tần quan tâm
Sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ ở hình 7.3.7 (ngắn mạch nguồn 1 chiều)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
3.Khuếch đại mắc theo kiểu gốc chung (B)
Chương 8
Chương 8
8.3 Khuếch đại transistor lưỡng cực (BJT)
So sánh mạch khuếch đại mắc E, C, B chung
Mạch khuếch đại mắc theo kiểu E chung: khuếch đại điện áp, dòng điện, tín hiệu vào/ra là ngược pha với nhau.
Mạch khuếch đại C chung: hệ số́ khuếch đại điện áp xấp xỉ bằng 1; hệ số khuếch đại dòng điện lớn.
Mạch khuếch đại B chung: không khuếch đại dòng điện, chỉ khuếch đại điện áp.
Hết 8.3
Chương 8