GT ĐIỆN TỬ CƠ BẢN - dulieu.tailieuhoctap.vndulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/dien-dien-tu/file_goc_768328.pdf · A. Các định luật mạch điện • Định

1

GT. ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

ÔN TẬP – CÔNG THỨC

2

A. Các định luật mạch điện

• Định luật Kirchhoff về thế , về dòng

• Định lý Thevenin VTH, RTH, Norton IN, RN = RTH

• Công thức cầu chia thế

• Công thức cầu chia dòng

• Nguyên lý chồng chập (xếp chồng)

y= y1(t) + y2(t)

1

0n

j

j

i

1

0,n

k

k

V

Mạchx1

x2

3

B.Cách hoạt động và công thức linh kiện

• Nối pn- Diod

• MOSFET

• BJT

• Op.Amp.

4

1. MOSFET

5

• Biểu thức điện thế và dòng điện

a.Biểu thức điện thế

Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm có VDSbh

cho bởi:

VDSbh = VGS – VTH (1).

b. Biểu thức dòng điện thoát ID.

- Trong vùng điện trở : VGS < VTH hay VDS < VGS – VTH ta có

ID = k[ 2( VGS-VTH)VDS – (VDS)2] (2)

- Trong vùng bão hoà :VGS >VTH hay VDS > VGS-VTH ta có :

ID = k(VGS – VTH )2 (3)

k=K/2 hằng số tuỳ thuộc linh kiện .

Transistor nối lưỡng cực-BJT• Công thức dòng điện

• Phân cực:

- Tính điểm tĩnh điều hành ( IB,IC, VCE)

- Đường tải tĩnh (DCLL)

• Khuếch đại ( chế độ động, AC):

• - Tính Ri, AV, AI, Ro

• Ba cách ráp: CE, CB, CC ( hay EF)6

1

E C B

C E

C B

I I I

I I

I I

7

.Biểu thức dòng điện trong BJT ( ráp CE)

• Theo định luật Kirchhoff ta có:

IE = IB + IC (1)

• Theo cách hoạt động của BJT vừa xét có:

IE = InE + IpE = InE (2)

IC = Inc + Ico (3)

Gọi hệ số truyền đạt dòng điện phát – thu :

số đ t td đến cực thu InC IC

sốđttd phát đ từ cực phát InE IE

Thay vào (3) cho:

Ic = IE + ICO = IE + ICBO (4)

11 (5)

1 1C BB CO CO

II II I

1

11;

1

8

.Cách ráp cực phát chung ( CE-common emitter)

Do:

Tín hiệu vào nền – phát BE

Tín hiệu ra thu – phát CE

Cả 2 ngõ vào và ra có cực phát chung

Vo+

-

vi

Q

RB

RC

Ci

Co

RL

+VBB + VCC

9

Mạch tương đương (AC)

1

1 (5)1 1

C BB CO COII II I

1

11;

1

CB

E

-

vce

+

-

vbe

+

Bib

ic

-e-

vce

c

+

vbe

B

+

rbb

rc

rerbe rcib

ieib

ic

10

C. Phân tích các thành phần phi tuyến

• Cách gần đúng thứ nhứt

• Cách gần đúng thứ hai

• Cách gần đúng thứ ba

• Phương pháp giải tích

• Phương pháp đồ thị

2

2

2

1....

2!

D D

D D D D

D D D DD D

df v d f vi f V v v

v V v Vdv dv

D

D D D

D DD

df vi f V v

v Vdv

11

12

D. Cổng logic

• Các định luật đại số Boole

• Phương pháp rút gọn hàm logic

• Các cổng logic: AND, OR, NAND, NOR…

• Logic tổ hợp

• Logic tuần tự

vGS> VTH

S

= 1VVT

ON

G

D

vGS<VTH

S

OFF

D

G

iDS

13

Inverter (Maïch Ñaûo)

VDD

= 5 V

RL

B

A

vout

5V

0 VT

=1V 5V vin

=/ABA

14

Cách hoạt động chế độ giao hoán

• Khi không có xungvào:MOSFET không dẫn .Ta có: +VDD

RD

Vo

• Khi có xung vào: MOSFET dẫnR RDS(off)

Ta có:

+VDD

Vo

RDS(ON)

( )( )

( )

20 201

DSDD OHo DD

D DS

offRoff V VV V

offR R

V Vk

( )( ) 0

( )

1020 0,198 0,2

1 10

DSOLo DD

D DS

onRon V VV V

onRR

V V Vk

15

Möùc ñieän theá logic qui ñònh cuûa MOSFET:

VOH max

VIHmax

VOHmin

NM VIHmin

NM VILmax

VOLmax

VOLmin

VILmin

1 VOH

1

VOH

min VIHmin

Sender Receiver

VIL max

0 VOL

max 0

0 0

Khoâng

xaùc ñònh

Möùc logic 1

Möùc logic0

Möùùc logic1

Khoâng

xaùc ñònh

Möùc logic 0

Khoâng

xaùc ñònh

Leà nhieãu

Leà nhieãu

max

min min

max

OH

OL

IHNMH

NML IL

V V V

V V V

16

• Hàm số truyền ra – vào vo

Vo = f(vi) VS

VOH

VOL

0 VTHVIL VIH VS vi(V)

vo(V)

5V

4,4 V

0,5V

0 1 1,6 3,2 5 Vi(V)

Thí dụ: Cho Vs = 5V,

VOH =4,4V, VOL = 0,5V

ViH = 3,2V, ViL=1,6C

17

E. Khuếch đại tín hiệu lớn

• MOSFET

• Điện thế ra cho bởi

1 1 2 L S

TH I TH

L

KR VV v V

KR

Daûi ñieän theá ngoõ vaøo cöïc đaïi:

Daûi ñieän aùp ra cöïc ñaïi:

Daûi dong thoaùt töông öùng:

1 1 2 L S

S

L

KR VV

KR

2

02

THI

Kv V

GS TH

THDS GS

v V

v v V

2

2

i TH L

O S

K v V Rv V

18

Ñoä lôïi ñieän theá coøn goïi laø haøm soá truyeàn: Vs

vo

cutoff Bieân ñoä cuûa

vo

vuøng (vi– V

TH) ñoä doác lôùn

Vs hôn moät

MOSFET trong vuøng baûo hoaø VTH

vi

vôùi ( vO

> vi– V

THvaø v

iV

TH)

Vuøng diod (vo

<(vi– V

THvaø v

iV

TH)

VTH

vi

2

S i TH LOV

i i

V K v V RvA

v v

19

• Dưới dạng:

• Với thành phần DC và thành phần gia tăng:

• Đồ thị biểu diễn: iDS

Nhận xét: iD Ids

Điểm phân cực

ID Vgs

gm hệ số hỗ dẫn

Vá: VGS = VI

0 vTH VI vi vGS

2

2

I TH

D D d I TH i

K V Vi I i K V V v

2,

2D I TH

d I TH i

KI V V

i K V V v

2

2GS TH

Kv V

2. .,

2D I TH

d I TH i m i

KI V V h s DCbias

i K V V v g v

20

Thí duï 2 :

Cho maïch khueách ñaïi MOSFET nhö thí duï 1, MOSFET hoaït ñoäng

trong ñieàu kieän baûo hoaø vôùi daûi ñieän theá vaøo 1V 1,9V, ta phaûi choïn

ñieän theá vaøo ñieåm hoaït ñoäng taïi trò soá trung taâm daûi ñoäng ñoù, goïi

Vi= 1,45V. Söï choïn löïa naøy ñöôïc bieåu dieãn treân hình veõ laïi döôùi ñaây:

iD

(mA)

0,5

0,41 VGS

= 1,9V

Ñieåm hoaït ñoäng Q(4V, 0,1 mA)

0,1 vGS

= 1,45V

vGS

= 1 V

0 0,9 4 5 vDS

Ta bieát ngoõ ra thay ñoåi giöõa 0,9V vaø 5V khi ngoõ vaøo thay ñoåi giöûa 1V

vaø 1,9V.

21

Tính ñöôïc ñieän theá ngoõ ra:

vo

Vaø: 5V

4V [1,45V,4V]

Do ñoù ñieåm hoaït ñoäng cuûa maïch 0,9V

khueách ñaïi:

0 1V 1,45V 1,9V vI

VI

= 1,45V 0,45 0,45

VO

= 4V

ID

= 0,1 mA

Ñieåm hoaït ñoäng ñoù laøm cöïc ñaïi trò soá ñænh – ñænh ñieän theá vaøo ñu ñöa (swing)

Ñeå cho maïch khueách ñaïi hoaït ñoäng döôùi ñieàu kieän baûo hoaø.

2 2

3 41,45 1

5 10 102 2

4

i TH

O S L

v Vv V K R

V

3

2 21.101,45 1

2 2

0,1

D i TH

Ki v V

mA

vO=vI -VTH

• Mạch SF ( Source Follower) hay DC (Drain common)

22

Maïch theo nguoàn (SF- Source Follower)

Coøn goïi laø maïch ñeäm (buffer), maïch

hoaït ñoäng trong vuøng baûo hoaø.

Taïi nuùt ngoõ ra cho:

1oo D S D

S

vv i R i

R

i o THv v V

23

G. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ• Dòng điện hoạt động ngõ ra ID được tinh trực tiếp hệ thức đặc

tính MOSFET như:

•

• Điện thế hoạt động ngõcung cấp ra có được bằng cách áp dụng

định luật Kirchhoff cho vòng bao gồm nguồn, MOSFET, và RL

như sau:

•

2

2D I TH

KI V V

vo

vs

+

-

vi

iD=K(vi-VTH)2/2

RL

vo

+

-

vi

ids=K(VGS-VTH)vgs

ids=gmvgsRL

2

2

O S D L

S I TH L

V V I R

KV V V R

24

• Do đó, độ lợi tín hiệu nhỏ cho:

• Với :

là hệ số hỗ dẫn của MOSFET.

2

2

2

. .2

DS GS TH

ds GS TH gs GS TH gsv VGS GSGS

m gs

Ki v V

Ki v V v K V V v

v

g v

vo

+

-

vi

ids=K(VGS-VTH)vgs

ids=gmvgsRL

oI TH L

i

m L

vK V V R

v

g R

GSm THg K V V

GS Iv v

25

• MOSFET

• Khi có tín hiệu vào vI = vGS:

2

.2

O Lo S I TH i

I II I

dv d R Kv V v V v

v Vdv dv

.o I TH L i

I I

I TH L i

m L i

oV m L

i

m I TH

v K v V R vv V

K V V R v

g R v

vA g R

v

g K V V

26

6. 5 Điện trở ngỏ vào, ngỏ ra , Độ lợi dòng điện và độ

lợi công suất

• Mạch tương đương (AC)

• Tổng trở (Điện trở) ngỏ vào:

27

• Điện trở ra

Độ lợi dòng

Vì Ri = nên độ lợi dòng cũng bằng vô cực 28

• Độ lợi công suất

• Vì Ri = nên độ lợi công suất cũng vô hạn.

• Tuy nhiên , trong mạch thực tế, điện trở ngõ vào và độ

lợi công suất là hữu hạn ( xác định) .

29

• Thí dụ : Mạch theo nguồn (SF)

• Xét mạch:

• Và mạch điện tương đương (AC):

Tính được:

Trong đó vgs = vi – vo thay vào trên cho:

30

• Sắp xếp lại cho:

Cho thấy độ lợi thế nhỏ hơn 1.

• Trường hợp đặc biệt quan trọng khi RL rất lớn, khi RL :

và khi có thêm gm Rs >>1 , cho:

Ta sẽ thấy vì sao mạch SF hữu dụng khi xét điện trở vào và

điện trở ra (xem ở sau)

31

• Điện trở vào và điện trở ra tín hiệu nhỏ

• Điện trở vào rất bằng vô hạn ( vô cực) vì dòng vào MOSFET

bằng không .

• Điện trở ra được tính theo h. :

• Áp dụng KCL tại nút a:

• Sắp sếp lại và đơn giản cho:

Do đó: gmRL, và RS rất lớn , RL+RS trở nên không đáng kể so với

gmRLRS, nên: :

vì gm rất lớn nên ro rất bé, và Ai tất

lớn (đặc điểm của mạch buffer) 32

33

Mạch tương đương BJT

1

1 (5)1 1

C BB CO COII II I

1

11;

1

CB

E

-

vce

+

-

vbe

+

Bib

ic

-e-

vce

c

+

vbe

B

+

rbb

rc

rerbe rcib

ieib

ic

34

• 2. Phân giải chế độ động- AC (ráp CE)

Ta có mạch tương đương tín hiệu nhỏ

Tính được:

Độ lợi thế:

Độ lợi dòng:

Tổng trở vào:

Tổng trở ra:

o C bv

be b

C C

be e

v R iA

v r i

R R

r r

oi fe

i

iA h

i

i be bi be e

i b

v r ir r r

i i

oo ce C C

o

vr r R R

i

fe

be e ie

Te

CQ

h

r r h

Vr

I

bi

-

vo

+

=vce

vi

+

hfeib

-

RB rbe Rcro

ib

35

H. DIOD

Khi phaân cöïc thuaän : V > 4VT exp(V/V

T>>1 :

ID

=IF= I

sexp(V/V

T) lôùn

Khi phaân cöïc nghòch: V << 4VTexp(-V/V

T) <<1:

ID

= IR=-I

S

2. Ñaëc tuyeán Ampe-Volt

Ta coù ñöôøng bieåu dieãn : ID

Vz 0

0,6 V VD

Izk

IzM

36

Ñieän trôû noái pn ID

a.Ñieän trôû tónh

ID

Q

0 VD

V

b.Ñieän trôû ñoäng:

DD

D Q

VR

I

D D

dD DQ Q

V dVr

I dI

37

Phân cực thuận Diod dẫn

Phân cực nghịch Diod ngưng

38

I. Mạch RC và RL

• Phương trình vi phân bậc nhất

• Phương trình đặc trưng

• Nghiệm tự do (quá độ)

• Nghiệm xác lập (cưỡng bức)

• Nghiệm tổng cộng (điều kiện ban đầu bằng zero)

1

cc s

c ctd cxl

t

s

t

s

dvRC v V

dt

v t v t v t

Ke V

V e

RC

1

s

td xl

t S

ts

s

di tL Ri t V

dt

i t i t i t

VKe

R

Ve

R

L

R

39

Các thành phần lưu trạng thái

• Tụ điện, cuộn cảm

• Tụ MOS

• Các mạch FlipFlop

• Công thức:

- Tụ nạp điện:

- Tụ xã điện:

0 ,

0

C C I

t

C Cf Ci Cf

v t f v v t

v t V v V e

t

cv t Ve

40

Thieát keá phaàn töû nhôù

A. Maïch thöû laàn ñaàu

Phaàn töû nhôù

vC

trò soá löu tröû 5V

luoân bò ró

VOH

Ñoä roäng xung store >> RON

C

T t

store

storage node dOUTdIN

C

=1store

storage node dOUTdIN

C

=0store

storage node dOUTdIN

C RL

5.

ln5

Lt R C

C

OHL

v e

VT R C

dOUT*

store

dIN

CM

41

buffer=0store

RIN

dOUTdIN

CM RL

buffer=0store

RIN

dOUTdIN

CM RL

Rp

/Storage

buffer=0store

RIN

dOUTdIN

*

CM

dOUT

/store

store

dIN

*

CM

42

K. Trạng thái dừng sinus - Mạch lọc

• Mạch RC, RL, RLC

• Hàm số truyền H(s)

• Đáp ứng tần số

• Mạch lọc

1

R

L

C

Z R

Z j L

jZ

j C C

+

- -

Vi

+

--

vI C

i(t)

vc

+

R =RZR

=1/jwC

ZcVc

Ic+

1

1

1

1C

c i i

C R

c i

Z j CV V V

Z ZR

j

V

C

Vj RC

43

+

-

Viexp(jwt)

Vicoswt

Vr

L

Vrcos(wt+/_Vr)

C

Vrexp(jwt)R

-

Ir+

Thí dụ : Mạch RLC

2

1

1

Rr i i

L C

r i

R

Z RV V V

Z Z Zj L R

j

j CR

C

V VLC j CR

44

Mạch lọc

• Định nghĩa:

• Mạch lọc là mạch có nhiệm vụ cho qua hoặc loại bỏ một tần số

hoặc một dải tần số theo mong muốn.

• Phân loại:

• 1. Mạch lọc thấp qua ( Hạ thông – LPF))

• 2. Mạch lọc cao qua (thượng thông- HPF)

• 3. Mạch lọc dải thông ( BPF)

• 4. Mạch lọc dải loại ( BSF)

• Vo(t) vo(t) vo(t) vo(t)

• f f f f

45

Mạch Op. Amp.

• Cấu trúc mạch OP.Amp.

• Đặc tính mạch Op.Amp.

• Công thức cơ bản :

- Khuếch đại đảo

- Khuếch đại không đảo

• Các mạch làm toán:

- Mạch nhân

- Mạch tổng

- Mạch trừ (mạch khuếch đại vi sai)

- Mạch tích phân, Mạch vi phân

- Mạch lấy logarit, mạch lấy antilogarit

• Các mạch khác : mạch lọc,

mạch so sánh….

FV

I

RA

R

1 FV

I

RA

R

46

. Mạch làm tóan

1.Mạch nhân

vo = - kvi với k = - RF / RI

+_

R F

i in

v+

+

–

R I v–

iI

iF

v S v out

+

–

47

2. Mạch cộng ( tổng)

Áp dụng nguyên lý chồng chất, cho:

48

3. Mạch trừ - Mạch khuếch đại vi sai

+_

+_

R 1

+

–

ì

R 3

R F

i1

v1

v2

iF

v out+

–

49

• Mạch khuếch đại trừ còn được thực hiện như

sau:

• Nếu chọn R1 = R2 = RF ta có:

Vo =V1 – V2

-v1vo

v2

v1

O.A .1O.A.2

R2

R1

RF

R

R

1 2 1 2

1 2

-F F

o O O

R RV V V V V

R R

50

• 4.Mạch tích phân

• Ta có :

dq = iF dt

dq = C dvc = Cdvo iF = C dvo / dt ( 1)

Mặt khác : ii = -iF và ii = vi / R ( 2) Thay (2) vào (1) :

1

0OO

i Oi i

dvRCv Ri

dtdtv v v

RC

51

5. Mạch vi phân:

• Theo trên ta có:

dq = C dvc = Cdvi

dq = iit ii = Cdvi / dt

và ii = iF = -Vo /R

0Vvivo

Op-Amp3C

R

ii

iF

iO

dVRCV

dt

52

L. Năng lượng và công suất

• Năng lượng

• Công suất

• Công suất của MOSFET

• Công suất tiêu tán của CMOS ( công suất tĩnh = 0 )

• Công suất tiêu tán của BJT

Công suất tĩnh của MOSFET khi dẫn:

Công suất của cổng Inverter

2

Sstatic

L ON

VP

R R

2

2 2 2 2

2 2

2

Sstatic

L ON

S L L S L Ldynamic

L ON L ON

VP

R R

V R C V R C fP

R R T R R

53

M. Chuyển đổi năng lượng

• Chuyển đổi AC – DC

• Chuyển đổi DC – DC

• Mạch chỉnh lưu

• Mạch chỉnh lưu và lọc

• Mạch ổn áp Zener

• IC ổn áp tuyến tính

• Bộ cấp điện DC

• Mạch ổn áp chuyển mạch ( giao hoán)

54

Khái niệm chuyển đổi công suất

• Chuyển đổi AC – DC

• Chuyển đổi DC – DC

+

220 V 5 VDC

50Hz -

3V +

solar cell 5 VDC

battery -

Hiệu suất công suất của bộ chuyển đổi quan trọng thường

dùng một lô linh kiện sau: Bậc MOSFET, tụ điện, cuộn cảm,

diod,Op. amp.

PCC

PCC

55

Caùc maïch diod

I. Maïch chænh löu

1.Chænh löu baùn kyø( H.1)

VDC

0 II 2II

VLDC = 0,318Vp

56

2.Chænh löu toaøn kyø ( toaøn soùng)

a. Chænh löu toaøn kyø 2 diod

Vip

Vipn1: n2

D1

D2

VL

RL

i1

i2

VLDC = 0,636 Vp

57

b.Caàu chænh löu ( 4Diod)

Xeùt maïch chænh löu toaøn kyø 4 diod :

VoDC

D4

D2D3

D1

=Vpsinwt

Viac

50Hz

Bridge

RL

ILDC

58

3.Maïch loïc

a. Maïch loïc trong chỉnh lưu baùn kyø

Do tuï loïc coù trò soá lôùn,neân daïng soùng naïp

nhanh vaø xaõ chaäm , neân daïng soùng ra khaù

thaúng ( phaúng)

Ta coù hình veõ sau ( vôùi caùch veõ phoùng ñaïi):

Vcmax

=Vp

Vrp

Vrpp

0 II Vcmin

VLDC

4II

59

Daïng soùng ngoõ ra maïch chænh löu

vaø loïc toaøn kyø:

Vcmax

= Vp

Vrp

Vrpp

VLDC

T2

=T Vcmin

60

1 0,011 1

2

0,011

2

LDC p p

L L

p

rp p

L L

V V Vf C CR R

VV V

f C CR R

1 0,0051 1

4

0,0051

4

LDC p p

L L

p

rp p

L L

V V Vf C CR R

VV V

f C CR R

1. Chỉnh lưu và lọc bán kỳ

2.Chỉnh lưu toàn kỳ

61

Boä caáp ñieän DC

1.Boä caáp ñieän ñôn giaûn

Macïh goàm caùc thaønh phaàn chuû yeáu sau:

VAC

Ñieän theá

khu vực

Trong haàu heát caùc thieát bò ñieän töû baùn daãn

ñeàu söû duïng bieán theá haï theá .

Bieán theá Ch.löu Loïc Taûi

62

2.Boä caáp ñieän oån ñònh ñôn giaûn

a.Maïch ñieän:

Rs ñieän trôû giôùi haïn doøng

RL

ñieän trôû taûi

63

Các công thức mạch ổn áp Zener

• Điện thế ngõ ra:

VODC = VLDC = VZ

• Dòng điện:

I1 = IZ + IL

I1 = (ViDC – VZ) / RS

IL = VLDC / RL

IZ = I 1 - IL

• Công suất tiêu tán :PZ= VZ IZ < PZM

PRS = I 12 RS

PL = VL2 / RL

64

Ổn áp chuyển mạch

1. Bộ tăng thế

• Mạch nguyên tắc

Taûi

Coù 3 traïng thaùi

1. S daãn, diod ngöng

2. S khôûi ngöng, diod khôûi daãn, C naïp, vo taêng

3. S ngöng, , diod khôûi ngöng, C giöû vöõng vo ( xaõ qua taûi )

65

Ñeå giöû vöûng vo, ta phaæ ñieáu khieån thôøi gian S daãn/ ngöng

T + Vref

Tp

Caùch ñieàu cheá ñoä roäng xung (PWM) cho:

- Neáu (vo – vref) taêng thì T giaûm, Vo giaûm laïi ñeå giöû vo khoâng ñoåi

- Neáu (vo –vref) giaûm thì T taêng, Vo taêng leân ñeå giöû vo khoâng ñoåi

+

vo

-

+

-VI

L

C

DIODE

Taûi

Ñieàu khieån

thay ñoåi T

66

2 Mạch hạ thế

1. Mạch cơ bản