GIAO TRINH MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG Tự VÀ SÔ TS. NGUYỄN HOÀNG MAI GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỦ TƯŨNG Tự VÀ SỐ TRƯỜNG OẠI HỌC QUY NHỠN _ TH Ư nặn. _ _ vV ã AU €53 NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI-2016 LỜI NÓI ĐẦU Trong các thiết bị đo hrờng-điều khiến, các ứng dụng hiện đại của nhiều lĩnh vực kỹ thuật công nghệ cao, thiết bị điện tử chiếm một tỉ trọng rất lớn. Cỏ thể nói hiện nay, thiết bị điện tử và kĩ thuật điện tử xuất hiện khắp mọi nơi trong các hoạt động của con người.
Chỉnh vì vậy, việc đưa các kiến thức cơ bàn và nâng cao về kĩ thuật điện tử vào trong các trường đại học kĩ thuật, các trường nghề là rất cần thiết. Hiện nay kĩ thuật điện tử được tách ra bốn hướng nghiên cứu ứng dụng chính: - Kĩ thuật điện tử truyền thông: chủ yếu đi vào nghiên cứu phát triển các thiết bị, công cụ truyền dẫn thông tin sử dụng công nghệ mạch và thiết bị điện tử. - Kĩ thuật điện lử điều khiển: chù yếu đi sâu vào nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển kỹ thuật và sau đó áp dụng vào các phần cứng là thiết bị điện tử chuyên dụng nhic các mạch tuyển tính, vỉ xừ lí vi điều khiển. - Kĩ thuật vật liệu điện tử: chủ yếu nghiên cửu và phát triển về công nghệ vật liệu ứng dụng trong chế tạo linh kiện, thiết bị điện lử, thiết bị công suất lớn tích hợp, các vi mạch, các thiết bị siêu nhỏ như MEMS, NEMS.
- Kĩ thuật điện lử tin học: chủ yếu nghiên cứu phát triển các ứng dụng của công nghệ kỹ thuật số vào trong thiết bị điện tử: như nghiên cứu các thiết bị lưu trữ, xử lí dữ liệu sổ hóa. Tuy phân biệt các hưởng chính như vậy, nhưng ranh giới giữa các hướng cũng không tách biệt rõ ràng, mà chúng có sự giao nhau rất khó thây. Chính vì điều đó mà những nghiên cứu, ứng dụng của hướng này cũng có thế áp dụng hiệu quà vào hướng kia. Do vậy việc dùng chung nguôn tài nguyên là cần thiết và nên phát huy.
Trong ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử cũng như ngành Kỹ thuật điêu khiển VCÌ Tự dộng hóa, thiết bị và kỹ thuật điện từ đóng một vai trò then chốt. Đặc biệt là theo hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điện từ điêu khiển để cung cấp tín hiệu cho các thiết bị công suất lớn. Trong đổ kết hợp cù kỹ thuật tương tự (analog) và kỹ thuật số (digital). Những ứng dụng điện 3 tư trong công nghiệp, ngày càng đa dạng, xuất hiện nhiều yêu câu rât đặc biệt như chịu đựng môi trường, độ tin cậy, tuôi thọ, phát triên thuật toán liên lục.
Mục tiêu đào tạo của môn học là sau khi ra trường, các kỹ stt có thể áp dụng ngay kiến thức của mình dể thiết kế, tỉnh toán các mạch diện tử, cải tiến các thiết bị mà vẫn đctm bào chất lượng, độ chính xác và độ tin cậy. Đồng thời kiểm soát được các quá trình, các thiết bị công suất lớn như động cơ, thiết bị điều khiển lưới điện, các dây chuyền sản xuất. Tránh sự phụ thuộc công nghệ không cần thiết. Dựa trên những tinh thần cơ bản đó, giáo trình " Mạch điện tìc tương tự và số" nhắm vào hai mục tiêu chính: cung cấp cho sinh viên, kỹ sư ngành "Kỹ thuật điện-điện từ" và ngành "Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa" kiến thức chuyên môn về kỳ thuật điện tử, và cung cấp các kỹ năng để thiết kế, tính toán, mô phỏng, chế tạo các mạch điện tử írng dụng trong các thiết bị điện, điện tử.
Đàm bảo cho các sản phẩm có chất lượng tốt vù độ tin cậy cao. Có thể đưa áp dụng ngay vào thực tế công việc. Dãy là lân xuât bản đầu tiên nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác già mong nhận được những thông tin đóng góp ý kiến, phản hồi nhận xét đê giáo trình được hòan thiện tốt hơn.
Thông tin phàn hồi vui lỗng gửi về email: nhmai(cỳ. Tác giá ghi nhận và cảm ơn những ý kiến dóng góp của mọi người. Đà Nằng, ngày 25 tháng 07 năm 2015 Tác giả 4 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình biên soạn giáo trình, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về thông tin, kiến thức và tinh thần để giáo trình được hòan chỉnh và đưa vào sử dụng. Tác giả chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà năng đỡ tạo nhiều điều kiện biên soạn thuận ỉợi và đóng góp nhiêu ỷ kiến quý báu về nội dung giáo trình để phù hợp với ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và ngcinh Kỹ thuật điều khiến và Tự động hóa.
Chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong nước và nirớc ngoài dã biên soạn những cuốn sách cổ nội dung hay về chuyên ngành Kỹ thuật điện tử để tác giả tham khảo và bổ sung những kiến thức bo ích cần thiết vào trong giáo trình. Chân thành cảm ơn những người thán thích, bè bạn đã rất nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ để giáo trình được hòan thiện và kịp thời đưa vào sử dụng. Chân thành cám ơn những người đọc và dóng góp ý kiến xây dựng để giáo trình ccing ngciy ccmg ìĩòan chinh hơn sau nciy. Đà nẵng, ngày 26 tháng 07 năm 2015 Tác giả.
5 BẢNG KÍ HIỆU HÌNH VẼ VÀ THAM SỐ (Dùng trong giáo trình này và thường dùng trong các tài liệu kĩ thuật khác) Kí hiệu Giải thích p Bán dẫn loại p n Bán dẫn loại n Ho Mức năng lượng vùng hóa trị cao nhất Ed Mức năng lượng vùng dẫn thấp nhất Mức năng lượng chuyển tiếp từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, còn AE(1 được gọi là mức năng lượng cấm.(Energy Band gap) ni, Pi Số lượng hạt dẫn khuếch tán nhiệt tự do trong chất bán dẫn. Số lượng hạt (nồng độ) diện tử tự do và lỗ trống trong lớp bán n(n) "n »“n(n) p dẫn loại n n(p) n(p) Số lượng hạt (nồng độ) lỗ trống và điện tử tự do trong lớp bán **p ’"n dẫn loại p BJT Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor) FET Transistor trường (Field Effect Transistor) JFET Transistor trường tiếp giáp (Junction FET) Transistor trường cách li ôxit kim loại (Metal Oxide MOSFET Semiconductor FET) Vcc —li— Điện áp nguồn cung cấp một chiều H llH Uo Điộn áp tiếp xúc của tiếp giáp p-n Ho Điện trường tiếp xúc của tiếp giáp p-n OA Khuếch dại thuật toán (Operational Amplifier) Is Dòng bão hòa ngược trong các tiếp giáp p-n Ia Dòng chảy qua diode qui ước 6 Kí hiệu Giải thích Ube>V be Diện áp giữa cực B và cực E của transistor BJT Ubeo»Vbeo Diện áp phân cực một chiều giữa cực B và cực E của transistor BJT Uce, Vce Diện áp giữac cực c và cực E của transistor BJT Uceo»Vceo :Diện áp phân cực một chiều giữa cực c và cực E của transistor BJT Ue, Ve Diện áp giữa cực E so với mass (hay GND) U eo»Veo :Diện áp một chiều phân cực giữa cực E so với mass (hay GND) Uc, Vc :Diện áp giữa cực c so với mass (hay GND) Uco, Vco Điện áp một chiều phân cực giữa cực c so với mass (hay GND) Ub, Vb Điện áp giữa cực B so với mass (hay GND) Ubo»Vbo Điện áp một chiều phân cực giữa cực B so với mass (hay GND) V dd Điện áp nguồn nuôi một chiều dùng trong FET Vds Điện áp giữa cực D với cực s dùng trong FET Vgs Điện áp giữa cực Gvới cực s dùng trong FET Vd Điện áp giữa cực D so với mass (GND) Vq Điện áp giữa cực G so với mass (GND) Vs Điện áp giữa cực s so với mass (GND) f, (O Tần số và tần số góc 9 Góc pha Ic> Ic, ic Dòng điện chày trong cực góp của transistor BJT Ie? ^C9 *e Dòng điện chạy qua cực E của BJT IB»Ib, ib Dòng điện chảy qua cực gốc của BJT Id Dòng điện chạy từ cực D đến cực s của FET hoặc ngược lại. Hỉe Điện trờ tiếp giáp B-E đẳng trị trong BJT rC'E Điên trờ khuếch tán đẳng trị từ lóp c đến lóp E trong BJT E, En Điện trường ngoài đặt lẽn phần tử e(t) Nguồn tín hiệu đầu vào R Điện trở —w v — Hi-Z Trạng thái trở kháng cao 7 Ki hieu Giải thích J_ n Tụ điện T L Điện cảm Rn Điện trở nguồn tín hiệu vào Rt Điện trờ tải Rv Tổng trở vào mạch điện Rr Tổng trở ra của mạch điện D Diode z Diode Zener P, hFE Hệ số khuếch đại dòng điện nội tại của BJT 8m Điện dẫn của một phần từ, một kênh dẫn hay một tiếp giáp p-n p Điện trở động của kênh dẫn DS, dùng trong FET A,anot Anốt của diode, là cực nối với miền bán dẫn p K, catot Ca tốt của diode, là cực nối với miền bán dẫn loại n CPU Vi xử lí trung tâm (Central Proccessing Unit) ALU Bộ số học và logic (Arithmetic Logic Unit) ROM Bộ nhớ bán dẫn chỉ đọc sau khi đã lập trình một lần duy nhất (Read Only Memory) RAM Bộ nhớ bán dẫn truy cập ngẫu nhiên (Randomize Access Memory) EPROM Bộ nhớ ROM nhưng có thể xóa bằng tia cực tím và lập trình lại (Eresable Programable ROM) EEPROM Bộ nhớ ROM có khả năng lập trình nhiều lần và xóa bằng điện (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) Cache Vùng nhớ đệm trong CPU PWM Điều chế độ rộng xung MUX Bộ dồn kênh (Multiplexer) DEMUX Bộ phân kênh (Demultiplexer) CODE Bộ mã hóa tín hiệu số 8 Kí hiệu Giải thích DECODE 3Ộ giải mã tín hiệu số FF Vlạch triger (Flip-Flop) - e - Nguồn áp lí tưởng (có tổng trở nguồn bằng 0) - ® - Nguồn dòng lí tưởng (có tổng trở nguồn bằng vô cùng) — © — Nguồn tín hiệu xoay chiều hoặc biến thên Diode chỉnh lưu - w - -c > b - Diode ổn áp (Zener) - Ú - - 4 - Diode Schottky Diode biến dung (varicap) Kí hiệu BJT loại ngược (n-p-n) B^ l Kí hiệụ BJT loại thuận (p-n-p) D G ẵ Transistor trường kênh n s D G ^ Transistor trường kênh p s D!