Giáo Trình Mạch Tương Tự: Phân Tích và Thiết Kế Mạch Điện Tử

Giáo trình mạch tương tự của Trương Phong Tuyên, Huỳnh Kim Hoa, Dương Thái Bình, Nguyễn Thị Trâm, Phạm Duy, NXB Đại học Cần Thơ 2021 cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giáo Trình Mạch Tương Tự - Hướng Dẫn Phân Tích và Thiết Kế Mạch Điện Tử
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• LỜI TỰA
• 1. CHƯƠNG 1: MẠCH DIODE
• 1.1. ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN
• 1.2. DIODE TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU
• 1.3. DIODE TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU - MẠCH CHỈNH LƯU
• 1.3.1. Khái niệm về trị trung bình và trị hiệu dụng
• 1.3.2. Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)
• 1.3.3. Chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa
• 1.3.4. Chỉnh lưu toàn sóng dùng cầu diode
• 1.3.5. Chỉnh lưu với tụ lọc
• 1.4. MẠCH CẮT
• 1.4.1. Mạch cắt nối tiếp
• 1.4.2. Mạch cắt song song
• 1.6. MẠCH DÙNG DIODE ZENER
• 1.6.1. Diode zener với điện thế ngõ vào Vi và tải RL cố định
• 1.6.2. Nguồn Vi cố định và RL thay đổi
• 1.6.3. Tải RL cố định, điện thế ngõ vào Vi thay đổi
• 1.7. MẠCH CHỈNH LƯU BỘI ÁP
• 1.7.1. Chỉnh lưu tăng đôi điện thế
• 1.7.2. Mạch chỉnh lưu tăng ba, tăng bốn
• 1.8. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 2. CHƯƠNG 2: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT
• 2.1. PHÂN CỰC CỐ ĐỊNH
• 2.2. PHÂN CỰC ỔN ĐỊNH CỰC PHÁT
• 2.3. PHÂN CỰC BẰNG CẦU CHIA THẾ
• 2.3.1. Cách phân tích mạch gần đúng
• 2.4. PHÂN CỰC VỚI HỒI TIẾP ĐIỆN THẾ
• 2.5. MỘT SỐ DẠNG MẠCH PHÂN CỰC KHÁC
• 2.6. THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC
• 2.7. BJT HOẠT ĐỘNG NHƯ MỘT CHUYỂN MẠCH
• 2.8. TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT
• 2.8.1. Dạng đầy đủ
• 2.9. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỰC PHÁT CHUNG
• 2.9.1. Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực ổn định cực phát
• 2.9.2. Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực phát
• 2.9.3. Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát
• 2.10. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỰC THU CHUNG
• 2.11. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỰC NỀN CHUNG
• 2.12. PHÂN GIẢI THEO THÔNG SỐ H ĐƠN GIẢN
• 2.12.1. Mạch khuếch đại cực phát chung
• 2.12.2. Mạch khuếch đại cực thu chung
• 2.12.3. Mạch khuếch đại cực nền chung
• 2.13. PHÂN GIẢI THEO THÔNG SỐ H ĐẦY ĐỦ
• 2.14. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 3. CHƯƠNG 3: MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET
• 3.1. PHÂN CỰC JFET VÀ DE-MOSFET ĐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM
• 3.1.1. Phân cực cố định
• 3.1.2. Phân cực tự động
• 3.1.3. Phân cực bằng cầu chia điện thế
• 3.2. DE-MOSFET ĐIỀU HÀNH KIỂU TĂNG
• 3.2.1. Phân cực bằng cầu chia điện thế
• 3.2.2. Phân cực bằng mạch hồi tiếp điện thế
• 3.3. MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET
• 3.3.1. Phân cực bằng hồi tiếp điện thế
• 3.3.2. Phân cực bằng cầu chia điện thế
• 3.4. MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET
• 3.5. THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC DÙNG FET
• 3.6. TÍNH KHUẾCH ĐẠI CỦA FET VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG XOAY CHIỀU
• 3.7. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG JFET VÀ DE-MOSFET ĐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM
• 3.7.1. Mạch cực nguồn chung
• 3.7.2. Mạch khuếch đại cực máng chung
• 3.8. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG E-MOSFET
• 3.9. THIẾT KẾ MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG FET
• 3.10. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA NỘI TRỞ NGUỒN TÍN HIỆU (Rs) VÀ TỔNG TRỞ TẢI (RL) LÊN MẠCH KHUẾCH ĐẠI
• 4.1. HỆ THỐNG 2 CỔNG
• 4.2. HIỆU ỨNG CỦA TỔNG TRỞ TẢI RL
• 4.3. ẢNH HƯỞNG CỦA NỘI TRỞ NGUỒN
• 4.4. ẢNH HƯỞNG CHUNG CỦA Rs VÀ RL
• 4.5. MẠCH CỰC PHÁT CHUNG DÙNG BJT
• 4.5.1. Mạch phân cực cố định
• 4.5.2. Mạch dùng cầu chia điện thế
• 4.5.3. Mạch cực phát chung không có tụ phân dòng
• 4.5.4. Mạch hồi tiếp cực thu
• 4.6. MẠCH CỰC THU CHUNG
• 4.7. MẠCH CỰC NỀN CHUNG
• 4.8. MẠCH DÙNG FET
• 4.8.1. Điện trở cực nguồn có tụ phân dòng
• 4.8.2. Điện trở cực nguồn không có tụ phân dòng
• 4.8.3. Mạch cực thoát chung
• 4.8.4. Mạch cực cổng chung
• 4.9. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CỦA BJT VÀ FET
• 5.2. MẠCH LỌC THƯỢNG THÔNG RC
• 5.3. MẠCH LỌC HẠ THÔNG RC
• 5.4. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BJT
• 5.5. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ THẤP CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG FET
• 5.6. HIỆU ỨNG MILLER
• 5.7. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG BJT
• 5.7.1. Các thông số của hệ thống
• 5.7.2. Sự biến thiên của hfe (hay β) theo tần số
• 5.8. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ CAO CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG FET
• 5.9. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 6. CHƯƠNG 6: CÁC DẠNG LIÊN KẾT CỦA BJT VÀ FET
• 6.1. LIÊN KẾT NỐI TIẾP
• 6.1.1. Liên kết bằng tụ điện
• 6.1.2. Liên lạc nối tiếp trực tiếp
• 6.2. LIÊN KẾT CHỒNG
• 6.3. LIÊN KẾT DARLINGTON
• 6.4. LIÊN KẾT CẶP HỒI TIẾP
• 6.6. MẠCH NGUỒN DÒNG ĐIỆN
• 6.6.1. Nguồn dòng điện dùng JFET
• 6.6.2. Dùng BJT như một nguồn dòng điện
• 6.6.3. Nguồn dòng điện dùng BJT và zener
• 6.7. MẠCH KHUẾCH ĐẠI VI SAI (DIFFERENTIAL AMPLIFIER)
• 6.7.1. Dạng mạch căn bản
• 6.7.2. Mạch phân cực
• 6.7.3. Khảo sát thông số của mạch
• 6.7.4. Trạng thái mất cân bằng
• 6.8. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 7. CHƯƠNG 7: OP-AMP: KHUẾCH ĐẠI VÀ ỨNG DỤNG
• 7.1. VI SAI TỔNG HỢP
• 7.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI OP-AMP CĂN BẢN
• 7.2.1. Mạch khuếch đại đảo
• 7.2.2. Mạch khuếch đại không đảo
• 7.3. MỘT SỐ ỨNG DỰNG CỦA OP-AMP
• 7.3.1. Mạch làm toán
• 7.3.2. Mạch so sánh
• 7.3.3. Mạch lọc tích cực
• 7.4. TRẠNG THÁI THỰC TẾ CỦA OP-AMP
• 7.4.1. Dòng điện phân cực ngõ vào
• 7.4.2. Dòng điện offset ngõ vào
• 7.4.3. Điện thế offset ngõ vào
• 7.4.4. Đáp ứng tần số của Op-Amp
• 7.4.5. Nhiễu trên điện thế ngõ ra
• 7.5. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 8. CHƯƠNG 8: MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP
• 8.1. PHÂN LOẠI MẠCH KHUẾCH ĐẠI
• 8.1.1. Khuếch đại điện thế
• 8.1.2. Khuếch đại dòng điện
• 8.1.3. Khuếch đại điện dẫn truyền
• 8.1.4. Khuếch đại điện trở truyền
• 8.2. ĐẠI CƯƠNG VỀ HỒI TIẾP
• 8.2.1. Mạch so sánh hoặc trộn
• 8.2.2. Tỉ số truyền hay độ lợi
• 8.3. ĐỘ LỢI TRUYỀN VỚI HỒI TIẾP
• 8.4. TÍNH CHẤT CĂN BẢN CỦA MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÓ HỒI TIẾP ÂM
• 8.4.1. Giữ vững độ khuếch đại
• 8.4.2. Giảm sự biến dạng
• 8.4.3. Gia tăng dải tần hoạt động
• 8.5. ĐIỆN TRỞ NGÕ VÀO
• 8.5.1. Mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp
• 8.5.2. Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp
• 8.5.3. Mạch hồi tiếp dòng điện song song
• 8.5.4. Mạch hồi tiếp điện thế song song
• 8.6. ĐIỆN TRỞ NGÕ RA
• 8.6.1. Mạch hồi tiếp điện thế nối tiếp
• 8.6.2. Mạch hồi tiếp điện thế song song
• 8.6.3. Mạch hồi tiếp dòng điện song song
• 8.6.4. Mạch hồi tiếp dòng điện nối tiếp
• 8.7. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÓ HỒI TIẾP
• 8.7.1. Mạch khuếch đại có hồi tiếp
• 8.7.2. Mạch khuếch đại không có hồi tiếp
• 8.8. MẠCH HỒI TIẾP ĐIỆN THẾ NỐI TIẾP (VOLTAGE-SERIES FEEDBACK)
• 8.8.1. Mạch source-follower
• 8.8.2. Mạch Emitter follower
• 8.9. CẶP HỒI TIẾP ĐIỆN THẾ NỐI TIẾP
• 8.10. MẠCH HỒI TIẾP DÒNG ĐIỆN NỐI TIẾP
• 8.11. MẠCH KHUẾCH ĐẠI HỒI TIẾP DÒNG ĐIỆN SONG SONG
• 8.12. MẠCH HỒI TIẾP ĐIỆN THẾ SONG SONG
• 8.12.1. Mạch khuếch đại không hồi tiếp
• 8.12.2. Mạch khuếch đại có hồi tiếp
• 8.13. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 9. CHƯƠNG 9: MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
• 9.1. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A
• 9.1.1. Khảo sát phân cực
• 9.1.2. Khảo sát xoay chiều
• 9.1.3. Khảo sát công suất
• 9.2. MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LOẠI A DÙNG BIẾN THẾ
• 9.2.1. Đường thẳng lấy điện
• 9.3. KHẢO SÁT MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT LOẠI B
• 9.3.1. Công suất cung cấp (công suất vào)
• 9.3.2. Công suất tiêu tán trong transistor công suất
• 9.3.3. Công suất ra tối đa
• 9.4. DẠNG MẠCH CÔNG SUẤT LOẠI B
• 9.4.1. Mạch khuếch đại công suất đẩy - kéo liên lạc bằng biến thế
• 9.4.2. Mạch công suất kiểu đối xứng - bổ túc
• 9.4.3. Khảo sát vài dạng mạch thực tế
• 9.5. IC CÔNG SUẤT
• 9.6. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG
• 10. CHƯƠNG 10: MẠCH DAO ĐỘNG (OSCILLATORS)
• 10.1. MẠCH DAO ĐỘNG SIN TẦN SỐ THẤP
• 10.1.1. Dao động dịch pha (phase shift oscillator)
• 10.1.2. Mạch dao động cầu Wien (Wien bridge oscillators)
• 10.2. MẠCH DAO ĐỘNG SIN TẦN SỐ CAO
• 10.2.1. Mạch cộng hưởng
• 10.2.2. Tổng quát về dao động LC
• 10.2.3. Mạch dao động Colpitts
• 10.2.4. Dao động Clapp
• 10.2.5. Dao động Hartley
• 10.3. DAO ĐỘNG THẠCH ANH
• 10.3.1. Dao động thạch anh
• 10.4. DAO ĐỘNG KHÔNG SIN
• 10.4.1. Dao động tích thoát dùng Op-Amp
• 10.4.2. Tạo tín hiệu vuông, tam giác và răng cưa với mạch dao động đa hài
• 10.4.3. Tạo tín hiệu tam giác từ mạch so sánh và tích phân
• 10.4.4. Tạo tín hiệu tam giác đơn cực
• 10.4.5. Tạo tín hiệu răng cưa
• 10.5. BÀI TẬP CUỐI CHƯƠNG

Tóm tắt

I. Tổng quan Giáo trình Mạch Tương tự và vai trò cốt lõi

Giáo trình Mạch Tương tự của nhóm tác giả Trương Phong Tuyên (chủ biên) là tài liệu nền tảng, cung cấp kiến thức cốt lõi về phân tích và thiết kế mạch điện tử. Nội dung giáo trình được biên soạn chuyên sâu, bắt đầu từ những khái niệm điện tử cơ bản đến các cấu trúc mạch phức tạp. Đây là học phần quan trọng, cùng với Linh kiện điện tử, tạo thành bộ khung kiến thức không thể thiếu cho sinh viên các ngành Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính và Tự động hóa. Việc nắm vững lý thuyết mạch trong giáo trình này mở ra cánh cửa để tiếp cận các công nghệ tiên tiến, từ hệ thống viễn thông đến các thiết bị điều khiển công nghiệp. Giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học không chỉ lý thuyết suông mà còn cả phương pháp luận để áp dụng vào thực tế. Các chương được sắp xếp một cách logic, từ linh kiện điện tử đơn giản như Diode đến các mạch tích hợp phức tạp như bộ khuếch đại thuật toán (Op-amp). Mỗi chương đều đi kèm các ví dụ minh họa và bài tập mạch tương tự có lời giải, giúp củng cố kiến thức và rèn luyện kỹ năng phân tích. Theo lời giới thiệu, giáo trình được đúc kết từ hơn 30 năm kinh nghiệm giảng dạy tại Đại học Cần Thơ, đảm bảo tính thực tiễn và chiều sâu học thuật, giúp người học xây dựng một nền tảng vững chắc để phân tích và thiết kế các hệ thống điện tử tương tự hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về lý thuyết mạch điện tử tương tự

Mạch điện tử tương tự là nền tảng của ngành kỹ thuật điện tử, chuyên xử lý các tín hiệu liên tục theo thời gian. Khác với mạch số chỉ hoạt động ở hai mức logic, mạch tương tự có khả năng xử lý một dải vô hạn các giá trị. Lý thuyết mạch tương tự bao gồm các định luật cơ bản như định luật Ohm, Kirchhoff và các phương pháp phân tích mạch phức tạp hơn. Nội dung của Giáo trình Mạch Tương tự tập trung vào việc áp dụng những lý thuyết này để phân tích hoạt động của các mạch sử dụng linh kiện bán dẫn. Các khái niệm như đường thẳng lấy điện (load line) được giới thiệu ngay từ Chương 1 để xác định điểm làm việc của Diode, cho thấy sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và ứng dụng. Việc hiểu rõ các nguyên tắc này là điều kiện tiên quyết để có thể thiết kế các mạch chức năng như khuếch đại, lọc tín hiệu hay tạo dao động.

1.2. Tầm quan trọng của các linh kiện điện tử bán dẫn

Các linh kiện điện tử bán dẫn như Diode, Transistor BJT, và Transistor MOSFET là những viên gạch xây dựng nên mọi mạch tương tự hiện đại. Giáo trình này dành phần lớn nội dung để phân tích sâu về đặc tính và ứng dụng của chúng. Chẳng hạn, Chương 2 và 3 tập trung hoàn toàn vào các phương pháp phân cực và xây dựng mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT và FET. Việc hiểu rõ cách các linh kiện này hoạt động ở các chế độ khác nhau (ngưng, bão hòa, khuếch đại) là chìa khóa để thiết kế mạch ổn định và hiệu quả. Giáo trình nhấn mạnh: "Nội dung của Giáo trình Mạch điện tử trang bị cho người đọc, người học cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích, thiết kế các mạch điện tử tương tự sử dụng các linh kiện bán dẫn." Điều này khẳng định vai trò trung tâm của linh kiện trong toàn bộ học phần, là cơ sở để xây dựng các hệ thống phức tạp hơn.

II. Thách thức thường gặp khi phân tích thiết kế mạch điện

Việc phân tích và thiết kế mạch điện tử tương tự đặt ra nhiều thách thức cho cả sinh viên và kỹ sư mới vào nghề. Một trong những khó khăn lớn nhất là sự phi tuyến của các linh kiện điện tử bán dẫn. Đặc tính của transistor thay đổi phụ thuộc vào điểm làm việc, nhiệt độ và tần số tín hiệu, đòi hỏi người thiết kế phải có phương pháp phân tích chính xác. Giáo trình Mạch Tương tự giải quyết vấn đề này bằng cách giới thiệu các mô hình tương đương tín hiệu nhỏ. Tuy nhiên, việc lựa chọn mô hình phù hợp và tính toán các tham số như độ lợi, trở kháng vào/ra vẫn là một bài toán phức tạp. Một thách thức khác là đảm bảo sự ổn định của mạch. Các yếu tố như hồi tiếp không mong muốn, ảnh hưởng của điện dung ký sinh có thể gây ra hiện tượng tự dao động, làm mạch hoạt động sai lệch. Đặc biệt, khi thiết kế các mạch khuếch đại đa tầng hoặc các mạch hồi tiếp, việc phân tích sự ổn định thông qua giản đồ Bode và tiêu chuẩn pha là cực kỳ quan trọng. Cuốn giáo trình này cung cấp các phương pháp phân tích bài bản, giúp người học từng bước vượt qua những rào cản kỹ thuật này, từ đó xây dựng được các mạch điện tử hoạt động đúng như mong muốn.

2.1. Khó khăn trong việc phân cực Transistor BJT và MOSFET

Phân cực là bước đầu tiên và quan trọng nhất trong thiết kế mạch khuếch đại, nhằm thiết lập một điểm làm việc tĩnh (Q-point) ổn định. Thách thức chính là điểm Q rất nhạy cảm với sự thay đổi của hệ số khuếch đại β (đối với Transistor BJT) và nhiệt độ. Một mạch phân cực không tốt sẽ khiến transistor dễ dàng đi vào vùng bão hòa hoặc vùng ngưng khi tín hiệu đầu vào thay đổi, gây méo tín hiệu. Giáo trình Mạch Tương tự đã trình bày chi tiết nhiều cấu trúc phân cực khác nhau như phân cực cố định, phân cực ổn định cực phát, và phân cực bằng cầu chia thế. Trong đó, phương pháp phân cực bằng cầu chia thế được xem là tối ưu nhất về độ ổn định, như được phân tích trong Chương 2, mục 2.3. Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp để điểm Q không phụ thuộc nhiều vào β là một kỹ năng thiết kế cốt lõi mà người học cần nắm vững.

2.2. Vấn đề đáp ứng tần số và hiệu ứng Miller phức tạp

Một mạch khuếch đại không hoạt động giống nhau ở mọi tần số. Đáp ứng tần số mô tả sự thay đổi độ lợi của mạch khi tần số tín hiệu đầu vào thay đổi. Các tụ điện liên lạc và tụ bypass trong mạch gây ra sự suy giảm độ lợi ở tần số thấp, trong khi các điện dung ký sinh bên trong transistor lại giới hạn hiệu suất ở tần số cao. Một hiện tượng phức tạp là Hiệu ứng Miller, được đề cập trong Chương 5, mục 5.6. Hiệu ứng này làm tăng điện dung đầu vào của mạch khuếch đại đảo, từ đó làm giảm đáng kể dải tần hoạt động. Việc phân tích và tính toán các tần số cắt (cutoff frequencies) để xác định băng thông của mạch là một nhiệm vụ đòi hỏi sự chính xác cao. Sử dụng giản đồ Bode là công cụ không thể thiếu để trực quan hóa đáp ứng tần số và đánh giá hiệu năng của mạch.

III. Phương pháp phân tích mạch tương tự tín hiệu nhỏ hiệu quả

Để vượt qua sự phức tạp của các linh kiện phi tuyến, phương pháp phân tích tín hiệu nhỏ được xem là công cụ mạnh mẽ và hiệu quả nhất. Nguyên tắc cơ bản là tuyến tính hóa hoạt động của transistor xung quanh một điểm làm việc tĩnh (Q-point) đã được thiết lập trước. Tại đây, transistor được thay thế bằng một mô hình mạch tuyến tính, bao gồm các nguồn phụ thuộc và các điện trở. Giáo trình Mạch Tương tự dành nhiều chương để hướng dẫn chi tiết cách xây dựng và sử dụng các mô hình này cho cả Transistor BJT và Transistor MOSFET. Cách tiếp cận này cho phép áp dụng các định luật mạch điện tuyến tính để tính toán các thông số quan trọng như độ lợi điện áp (Av), độ lợi dòng điện (Ai), trở kháng vào (Zin) và trở kháng ra (Zout). Đây là nền tảng để đánh giá hiệu năng của một mạch khuếch đại. Giáo trình cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tách biệt phân tích một chiều (DC analysis) để xác định điểm Q và phân tích xoay chiều (AC analysis) để tìm các đặc tính của tín hiệu. Sự phân tách rạch ròi này giúp đơn giản hóa bài toán, tránh nhầm lẫn và mang lại kết quả phân tích chính xác, là chìa khóa để làm chủ việc thiết kế mạch điện tử tương tự.

3.1. Kỹ thuật phân tích tín hiệu nhỏ cho mạch khuếch đại

Kỹ thuật phân tích tín hiệu nhỏ là trọng tâm khi khảo sát các mạch khuếch đại. Sau khi xác định điểm phân cực DC, tất cả các nguồn điện một chiều được cho bằng không (nối mass) và các tụ điện được xem như ngắn mạch (ở tần số làm việc). Lúc này, transistor được thay thế bằng mô hình tương đương như mô hình hybrid-π hoặc mô hình re. Từ đó, các tham số của mạch khuếch đại được tính toán một cách dễ dàng. Ví dụ, trong Chương 2, mục 2.9, giáo trình đã hướng dẫn cách phân tích mạch khuếch đại cực phát chung, xác định độ lợi và trở kháng. Việc nắm vững kỹ thuật này không chỉ giúp giải quyết các bài tập mạch tương tự có lời giải mà còn cung cấp khả năng đánh giá, so sánh và lựa chọn cấu hình khuếch đại phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể.

3.2. Ứng dụng Diode trong mạch chỉnh lưu và ổn áp

Diode là linh kiện điện tử cơ bản nhất nhưng có vô số ứng dụng quan trọng. Chương 1 của giáo trình tập trung vào các mạch ứng dụng của Diode. Mạch chỉnh lưu, với mục đích chuyển đổi điện xoay chiều (AC) thành một chiều (DC), là ứng dụng phổ biến nhất. Các cấu hình chỉnh lưu nửa sóng, toàn sóng dùng biến thế có điểm giữa và chỉnh lưu cầu được phân tích chi tiết. Một ứng dụng quan trọng khác là mạch ổn áp sử dụng Diode Zener. Như mô tả trong mục 1.6, Diode Zener có khả năng duy trì một điện áp gần như không đổi ở hai đầu của nó khi được phân cực ngược, biến nó thành một linh kiện lý tưởng để tạo ra các điện áp tham chiếu hoặc ổn định nguồn cung cấp cho các tải nhạy cảm. Phân tích các mạch này đòi hỏi phải xác định đúng trạng thái dẫn hoặc ngưng của Diode dựa trên điện áp đặt vào.

IV. Hướng dẫn thiết kế mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp

Thiết kế mạch là một bước tiến cao hơn so với phân tích. Nó đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn để tạo ra một mạch đáp ứng các yêu cầu cụ thể về độ lợi, băng thông, và độ ổn định. Giáo trình Mạch Tương tự cung cấp một lộ trình bài bản để thiết kế các loại mạch điện tử phổ biến. Đối với mạch khuếch đại, quá trình thiết kế bắt đầu từ việc lựa chọn cấu hình (cực phát chung, cực thu chung, hay cực nền chung) dựa trên yêu cầu về trở kháng và độ lợi. Sau đó, tiến hành thiết kế mạch phân cực để đạt được điểm làm việc mong muốn. Chương 7 giới thiệu về bộ khuếch đại thuật toán (Op-amp), một linh kiện tích hợp đa năng giúp đơn giản hóa đáng kể quá trình thiết kế. Với Op-amp, người thiết kế có thể dễ dàng xây dựng các mạch khuếch đại có độ lợi chính xác, các mạch lọc tích cực, và nhiều ứng dụng khác. Một khái niệm nâng cao và cực kỳ quan trọng là mạch hồi tiếp, được trình bày trong Chương 8. Hồi tiếp âm giúp cải thiện độ ổn định, mở rộng băng thông và giảm méo tín hiệu, là kỹ thuật không thể thiếu trong các mạch khuếch đại chất lượng cao.

4.1. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại thuật toán Op amp

Bộ khuếch đại thuật toán (Op-amp) là một mạch tích hợp có độ lợi rất cao, trở kháng vào vô cùng lớn và trở kháng ra rất nhỏ. Những đặc tính lý tưởng này làm cho nó trở thành một khối xây dựng cực kỳ linh hoạt. Chương 7 của giáo trình đi sâu vào hai cấu hình cơ bản: khuếch đại đảo và không đảo. Trong các cấu hình này, độ lợi của toàn mạch không còn phụ thuộc vào các tham số của Op-amp mà chỉ được quyết định bởi các điện trở bên ngoài. Điều này cho phép thiết kế các mạch có độ khuếch đại chính xác và ổn định. Ngoài ra, Op-amp còn được dùng để xây dựng các mạch chức năng khác như mạch cộng, trừ, tích phân, vi phân và mạch so sánh, mở ra vô số ứng dụng trong xử lý tín hiệu và điều khiển.

4.2. Xây dựng các mạch hồi tiếp âm và mạch lọc tích cực

Mạch hồi tiếp là mạch trích một phần tín hiệu ở ngõ ra và đưa ngược trở lại ngõ vào. Hồi tiếp âm, tức tín hiệu hồi tiếp ngược pha với tín hiệu vào, mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Như được phân tích trong Chương 8, nó giúp ổn định độ lợi, giảm độ nhạy của mạch với sự thay đổi của các tham số linh kiện, giảm méo và tăng băng thông. Kết hợp Op-amp với các mạng RC trong vòng hồi tiếp, ta có thể tạo ra các mạch lọc tích cực. Khác với mạch lọc thụ động chỉ dùng R, L, C, mạch lọc tích cực có thể cung cấp độ lợi, cho phép thiết kế các bộ lọc với đặc tính tần số sắc nét hơn và không làm suy hao tín hiệu. Các bộ lọc thông thấp, thông cao, thông dải là những ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật này.

4.3. Thiết kế mạch dao động tạo tín hiệu chuẩn

Mạch dao động là các mạch điện tử có khả năng tự tạo ra một tín hiệu tuần hoàn ở ngõ ra mà không cần tín hiệu kích thích từ bên ngoài. Chúng là thành phần cốt lõi trong các hệ thống truyền thông, đồng hồ số và các bộ tạo xung. Chương 10 của giáo trình phân loại và hướng dẫn thiết kế nhiều loại mạch dao động khác nhau. Các mạch dao động sin tần số thấp như mạch dịch pha và mạch cầu Wien thường sử dụng Op-amp. Trong khi đó, các mạch dao động tần số cao như Colpitts, Hartley lại dựa trên nguyên lý cộng hưởng của mạch LC. Điều kiện để một mạch có thể dao động là độ lợi vòng lặp phải bằng một và tổng dịch pha của vòng lặp phải bằng 0 hoặc bội số của 360 độ (tiêu chuẩn Barkhausen). Việc thiết kế đòi hỏi phải tính toán chính xác các giá trị linh kiện để thỏa mãn điều kiện này.

V. Cách mô phỏng mạch điện bằng phần mềm PSpice LTspice

Trong lĩnh vực thiết kế mạch điện tử hiện đại, việc mô phỏng mạch điện trước khi chế tạo là một bước không thể thiếu. Các phần mềm mô phỏng như phần mềm PSpice và phần mềm LTspice cho phép kỹ sư kiểm tra hoạt động, phân tích các đặc tính và gỡ lỗi mạch ngay trên máy tính. Công cụ này giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, chi phí và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc linh kiện. Mặc dù Giáo trình Mạch Tương tự tập trung vào phân tích lý thuyết, các nguyên tắc và mô hình được học là nền tảng để sử dụng hiệu quả các phần mềm này. Người học có thể dùng PSpice hoặc LTspice để vẽ lại các mạch trong giáo trình, sau đó chạy các phân tích như DC Sweep để vẽ đường thẳng lấy điện, AC Sweep để dựng giản đồ Bode cho đáp ứng tần số, và Transient Analysis để quan sát dạng sóng tín hiệu theo thời gian. Việc đối chiếu kết quả mô phỏng với kết quả tính toán lý thuyết là một cách học tập vô cùng hiệu quả. Nó không chỉ giúp xác nhận lại sự hiểu biết về lý thuyết mạch mà còn cung cấp một cái nhìn trực quan về cách các tham số linh kiện ảnh hưởng đến hoạt động của toàn hệ thống.

5.1. Tầm quan trọng của việc mô phỏng mạch điện tử

Việc mô phỏng mạch điện cho phép kiểm tra một thiết kế trong các điều kiện vận hành lý tưởng và cả những trường hợp cực đoan mà không cần đến phần cứng thực tế. Kỹ sư có thể dễ dàng thay đổi giá trị của các linh kiện điện tử, quan sát ngay lập tức sự ảnh hưởng của chúng lên hiệu năng của mạch. Hơn nữa, các công cụ mô phỏng cho phép thực hiện các phép đo phức tạp mà khó có thể thực hiện trong phòng thí nghiệm, ví dụ như phân tích nhiễu hoặc phân tích độ nhạy theo nhiệt độ. Điều này giúp tối ưu hóa thiết kế, đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy trong môi trường thực tế. Sử dụng mô phỏng là một kỹ năng thiết yếu, giúp thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành.

5.2. Các bước cơ bản để sử dụng PSpice và LTspice hiệu quả

Để sử dụng hiệu quả phần mềm PSpice hoặc phần mềm LTspice, người dùng cần tuân theo một quy trình cơ bản. Đầu tiên là vẽ sơ đồ mạch (schematic capture) bằng cách chọn các linh kiện từ thư viện và kết nối chúng lại với nhau. Tiếp theo là thiết lập các nguồn tín hiệu và cấu hình loại phân tích cần thực hiện (DC, AC, Transient). Sau khi chạy mô phỏng, bước cuối cùng là phân tích kết quả thông qua các đồ thị dạng sóng hoặc dữ liệu số. Để có kết quả chính xác, việc lựa chọn đúng mô hình (model) cho các linh kiện bán dẫn như Transistor BJT hay Op-amp là rất quan trọng, vì các mô hình này chứa đựng những thông tin chi tiết về đặc tính vật lý của linh kiện.

VI. Bí quyết giải bài tập mạch tương tự có lời giải hiệu quả

Việc giải bài tập là cách tốt nhất để củng cố kiến thức và phát triển kỹ năng phân tích mạch. Giáo trình Mạch Tương tự cung cấp một hệ thống bài tập phong phú ở cuối mỗi chương, bao quát tất cả các nội dung lý thuyết đã học. Để giải quyết hiệu quả các bài tập mạch tương tự có lời giải, người học cần xây dựng một phương pháp luận rõ ràng. Bước đầu tiên luôn là đọc kỹ yêu cầu và xác định mục tiêu của bài toán: đó là phân tích DC, phân tích AC hay thiết kế một mạch mới? Tiếp theo, cần áp dụng đúng các công thức và mô hình tương đương đã học. Ví dụ, khi phân tích mạch khuếch đại, phải tách bạch giữa phân tích phân cực một chiều và phân tích tín hiệu nhỏ xoay chiều. Việc vẽ lại mạch tương đương cho từng loại phân tích sẽ giúp tránh sai sót. Một bí quyết quan trọng là luôn kiểm tra tính hợp lý của kết quả. Ví dụ, điện áp tại cực thu của transistor NPN trong mạch khuếch đại phải nhỏ hơn điện áp nguồn Vcc. Nếu kết quả tính toán vô lý, cần xem lại các bước giải và các giả định đã đưa ra. Tận dụng các ví dụ đã giải trong giáo trình và đối chiếu với lời giải của mình là cách học hỏi nhanh chóng và hiệu quả.

6.1. Phương pháp luận giải các dạng bài tập mạch khuếch đại

Các bài tập về mạch khuếch đại thường yêu cầu tính toán các thông số như điểm làm việc tĩnh (ICQ, VCEQ), độ lợi, trở kháng vào và trở kháng ra. Phương pháp luận chuẩn bao gồm: 1. Phân tích DC: Coi các tụ là hở mạch, tính toán các dòng điện và điện áp một chiều để xác định điểm Q. 2. Phân tích AC: Nối tắt các nguồn DC, ngắn mạch các tụ, thay thế transistor bằng mô hình tín hiệu nhỏ (re hoặc hybrid-π). 3. Áp dụng các định luật mạch điện vào mô hình AC để tìm Av, Zin, Zout. Việc thực hành thường xuyên với các dạng mạch khác nhau như Emitter chung, Collector chung sẽ giúp hình thành phản xạ và kỹ năng giải quyết vấn đề nhanh chóng.

6.2. Nguồn tài liệu và ví dụ minh họa từ giáo trình gốc

Giáo trình Mạch Tương tự của Trương Phong Tuyên và cộng sự là nguồn tài liệu tham khảo chính thống và đáng tin cậy nhất. Nội dung được trình bày từ đơn giản đến phức tạp, mỗi khái niệm mới đều đi kèm với ví dụ minh họa chi tiết. Như nhóm tác giả chia sẻ: "chú trọng việc giúp cho đọc giả, sinh viên khả năng vận dụng, củng cố các kiến thức được trang bị thông qua các bài tập vận dụng." Do đó, người học nên khai thác tối đa nguồn tài nguyên này. Việc đọc kỹ phần lý thuyết trước khi bắt tay vào giải bài tập sẽ cung cấp nền tảng vững chắc. Đồng thời, nên tự giải các bài tập cuối chương trước khi tham khảo các nguồn bài tập mạch tương tự có lời giải khác để rèn luyện tư duy độc lập.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mạch tương tự do TS. Trương Phong Tuyên làm chủ biên, cùng nhóm tác giả ThS. Huỳnh Kim Hoa, ThS. Dương Thái Bình, ThS. Nguyễn Thị Trâm và ThS. Phạm Duy Nghiệp biên soạn, được Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ phát hành năm 2021 (ISBN: 9786049654541, độ dày 320 trang, mã phân loại DDC: 621.381).

Về vị trí trong chương trình đào tạo, học phần Mạch tương tự (mã số CT134) với thời lượng 45 tiết là học phần chuyên môn cốt lõi, tiếp nối trực tiếp sau học phần tiên quyết Linh kiện điện tử (mã số CT132) thuộc khối kiến thức ngành Điện - Điện tử của Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ.

Mục tiêu học tập của giáo trình là trang bị cho người học hệ thống cơ sở lý thuyết, các mô hình toán học giải tích, cùng phương pháp phân tích và thiết kế các dạng mạch điện tử tương tự căn bản sử dụng linh kiện bán dẫn tích cực và thụ động.

Về cấu trúc và phương pháp tiếp cận, giáo trình được bố cục thành 10 chương theo tiến trình logic từ đơn giản đến phức tạp: khởi đầu từ các mạch phi tuyến dùng diode, phát triển qua các mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng Transistor lưỡng cực (BJT) và Transistor hiệu ứng trường (FET), phân tích ảnh hưởng tải và đáp ứng tần số, tiếp nối với các cấu hình ghép tầng, mạch khuếch đại thuật toán (Op-Amp), mạch hồi tiếp, và hoàn thiện ở các cấu hình mạch khuếch đại công suất cùng mạch tạo dao động.

Nội dung giáo trình được chỉnh sửa, kế thừa và hệ thống hóa từ bài giảng cùng tư liệu chuyên môn qua hơn 30 năm giảng dạy của thầy Trương Văn Tám và các giảng viên Bộ môn Điện tử - Viễn thông, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết định lượng và bài tập thiết kế kỹ thuật.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung toàn văn 10 chương của giáo trình bao quát các mảng kiến thức mạch điện tử tương tự tuyến tính và phi tuyến:

• Chương 1: Mạch diode: Trình bày phương trình diode, đường thẳng lấy điện (load line), điểm điều hành Q; mô hình lý tưởng và gần đúng trong mạch DC/AC; mạch chỉnh lưu nửa sóng, toàn sóng (biến thế điểm giữa, cầu diode), mạch lọc tụ, tính toán hệ số sóng dư (ripple factor $r$); mạch cắt (clippers), mạch ghim áp (clampers), mạch điều hòa điện áp dùng diode Zener và các mạch chỉnh lưu bội áp (nhân 2, 3, 4).
• Chương 2: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT: Phân tích các mạch phân cực (cố định, ổn định cực phát, cầu chia điện thế, hồi tiếp điện thế); điều kiện tính gần đúng $\beta R_E \ge 10 R_2$; xác định điểm bão hòa ($I_{C,sat}$); chế độ chuyển mạch của BJT; khảo sát các cấu hình khuếch đại cực phát chung (CE), cực thu chung (CC), cực nền chung (CB) dựa trên hệ thông số lai $h$ (đơn giản và đầy đủ).
• Chương 3: Mạch phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng FET: Khảo sát các dạng phân cực (cố định, tự động, cầu chia áp, hồi tiếp) cho JFET, DE-MOSFET (chế độ hiếm và tăng) và E-MOSFET; mạch phối hợp BJT-FET; các cấu hình khuếch đại cực nguồn chung (CS), cực máng chung (CD), cực cổng chung (CG) và quy trình thiết kế mạch.
• Chương 4: Ảnh hưởng của nội trở nguồn tín hiệu ($R_S$) và tổng trở tải ($R_L$) lên mạch khuếch đại: Ứng dụng mô hình hệ thống 2 cổng để khảo sát sự suy giảm độ lợi điện thế, độ lợi dòng điện và tổng trở vào/ra khi có tải $R_L$ và nội trở nguồn $R_S$ trên các cấu hình BJT và FET.
• Chương 5: Đáp ứng tần số của BJT và FET: Phân tích mạch lọc thông cao/thông thấp RC; xác định tần số cắt thấp và tần số cắt cao của mạch khuếch đại BJT/FET; ứng dụng định lý Miller; khảo sát sự phụ thuộc của hệ số khuếch đại dòng $h_{fe}$ ($\beta$) theo tần số hoạt động.
• Chương 6: Các dạng liên kết của BJT và FET: Khảo sát mạch ghép nhiều tầng (ghép RC, ghép trực tiếp, ghép chồng Cascode, liên kết Darlington, liên kết cặp hồi tiếp); mạch nguồn dòng điện không đổi dùng JFET/BJT/Zener; nguyên lý và thông số mạch khuếch đại vi sai (Differential Amplifier).
• Chương 7: Op-Amp: Khuếch đại và ứng dụng: Cấu trúc vi sai tổng hợp; mạch khuếch đại đảo, không đảo; các ứng dụng tính toán (cộng, trừ, tích phân, vi phân), mạch so sánh, mạch lọc tích cực; khảo sát các tham số thực tế như dòng phân cực, dòng/áp offset ngõ vào, đáp ứng tần số và nhiễu ngõ ra.
• Chương 8: Mạch khuếch đại hồi tiếp: Phân loại 4 cấu hình hồi tiếp âm (điện thế nối tiếp, điện thế song song, dòng điện nối tiếp, dòng điện song song); đánh giá định lượng tác động của hồi tiếp âm lên độ ổn định độ lợi, giảm độ méo phi tuyến, mở rộng dải tần và biến đổi trở kháng vào/ra; phương pháp giải tích mạch có hồi tiếp.
• Chương 9: Mạch khuếch đại công suất: Phân tích chế độ làm việc Class A (phân cực, tải xoay chiều, hiệu suất công suất, ghép biến thế); chế độ làm việc Class B (công suất cung cấp, tiêu tán trên transistor, công suất cực đại); mạch công suất đẩy - kéo (push-pull) dùng biến thế và mạch đối xứng bổ túc (complementary-symmetry); giới thiệu vi mạch IC công suất.
• Chương 10: Mạch dao động (Oscillators): Điều kiện dao động Barkhausen; mạch tạo dao động sin tần số thấp (dịch pha RC, cầu Wien); dao động sin tần số cao (mạch cộng hưởng LC, Colpitts, Clapp, Hartley, dao động thạch anh); mạch dao động tạo tín hiệu phi sin (dao động tích thoát dùng Op-Amp, mạch đa hài tạo xung vuông, tam giác, răng cưa).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống lý thuyết bán dẫn và giải tích mạch tương tự dựa trên:

• Mô hình phi tuyến của tiếp giáp P-N và biểu thức Shockley đối với diode.
• Phương pháp đường thẳng lấy điện (DC/AC load line) để định vị điểm làm việc tĩnh Q.
• Mô hình tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của transistor thông qua tham số lai $h$ (hybrid parameters) và thông số dẫn truyền tương hỗ $g_m$.
• Lý thuyết hàm truyền số phức, đáp ứng biên độ - tần số Bode, định lý Miller cho phân tích băng thông.
• Lý thuyết điều khiển hồi tiếp âm Black áp dụng cho mạch khuếch đại tín hiệu điện.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Thiết kế mạng phân cực một chiều ổn định nhiệt độ cho BJT và FET; tính toán lựa chọn linh kiện theo dải giá trị tiêu chuẩn công nghiệp ($R, C$); tính toán các tham số mạch khuếch đại ($A_v, A_i, Z_i, Z_o, P_{out}$).
• Kỹ năng phân tích: Đánh giá định lượng ảnh hưởng của nội trở nguồn tín hiệu, điện trở tải, điện dung ký sinh đối với băng thông mạch; nhận diện và phân loại cấu hình hồi tiếp âm; phân tích trạng thái bão hòa và chuyển mạch của transistor.
• Kỹ năng thực hành giải tích: Thiết lập và giải hệ phương trình mạch dựa trên định luật Kirchhoff, định lý Thévenin áp dụng vào các cấu trúc vi sai, Op-Amp và mạch tạo dạng sóng.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được xây dựng trên phương pháp sư phạm diễn dịch kết hợp quy nạp kỹ thuật, dẫn dắt người học từ việc thiết lập các mô hình lý tưởng, chuyển sang mô hình gần đúng thực tế, và áp dụng vào việc giải quyết bài toán mạch cụ thể.

Phương pháp phân tích mạch một chiều (DC) được chuẩn hóa thành quy trình 3 bước tường minh:

1. Khảo sát mạch ngõ vào để tìm dòng điện kích thích ($I_B$ hoặc $I_G$).
2. Xác định dòng điện ngõ ra thông qua phương trình liên hệ đặc trưng của linh kiện ($I_C = \beta I_B$, $I_D = I_{DSS}(1 - V_{GS}/V_P)^2$).
3. Khảo sát mạch ngõ ra để xác định điện thế làm việc giữa các cực ($V_{CE}, V_{DS}$).

Sau mỗi chương lý thuyết, giáo trình cung cấp hệ thống bài tập định lượng phong phú với yêu cầu rõ ràng: tính toán phân cực, phân tích dạng sóng điện áp theo thời gian (đối với mạch xén, mạch ghim, mạch chỉnh lưu), và giải quyết các bài toán thiết kế ngược (xác định giá trị linh kiện điện trở, tụ điện từ các yêu cầu định mức dòng - áp cho trước).

Về mặt đánh giá, hệ thống bài tập cuối chương là căn cứ chuẩn để giảng viên xây dựng ngân hàng đề thi, bài kiểm tra định kỳ và bài tập lớn. Đối với sinh viên, tài liệu đưa ra yêu cầu tự học rõ ràng: người học cần ôn tập lý thuyết linh kiện từ học phần CT132, thực hiện tuần tự các bước phân tích mạch DC trước khi tiến hành phân tích mạch xoay chiều tín hiệu nhỏ (AC).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Kế thừa và chuẩn hóa học liệu giảng dạy đại học: Nội dung được tổng hợp, cập nhật và chuẩn hóa từ hệ thống giáo trình, bài giảng được kiểm chứng qua hơn ba thập kỷ đào tạo kỹ sư tại Bộ môn Điện tử - Viễn thông, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ.
• Phương pháp tính toán kỹ thuật gần đúng: Cung cấp các tiêu chí phân tích gần đúng có điều kiện (ví dụ tiêu chí $\beta R_E \ge 10 R_2$ trong mạch phân cực BJT cầu chia áp), giúp tối ưu hóa thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác kỹ thuật cho phép.
• Hệ thống hóa toàn diện linh kiện FET hiện đại: Không chỉ dừng lại ở JFET cơ bản, giáo trình dành dung lượng phân tích chi tiết các chế độ hoạt động của MOSFET gồm DE-MOSFET (chế độ hiếm/chế độ tăng) và E-MOSFET, cùng các cấu hình phân cực hồi tiếp đặc thù.
• Phân tích sâu các yếu tố phi lý tưởng: Trong chương Op-Amp và mạch khuếch đại, giáo trình khảo sát chi tiết ảnh hưởng của dòng phân cực ngõ vào, điện áp offset ngõ vào, méo phi tuyến, trôi nhiệt và nhiễu điện áp ngõ ra, gắn liền lý thuyết giải tích với điều kiện vận hành thực tế của linh kiện.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học: Phục vụ trực tiếp cho sinh viên năm thứ hai và năm thứ ba theo học các ngành kỹ thuật:
  • Điện tử - Viễn thông (Kỹ thuật Điện tử Truyền thông)
  • Kỹ thuật Máy tính
  • Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
  • Kỹ thuật Cơ điện tử
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành học phần Linh kiện điện tử (mã số CT132), nắm vững lý thuyết mạch điện căn bản (định luật Ohm, định luật Kirchhoff, định lý Thévenin, định lý biến đổi nguồn) và các phép toán giải tích tích phân - vi phân.
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn mực cho học phần CT134 (thời lượng phân bổ 45 tiết), xây dựng đề cương chi tiết môn học, bài tập thực hành và đề thi học phần.
• Tham khảo học thuật: Nguồn tư liệu tham khảo phù hợp cho sinh viên các ngành gần như Kỹ thuật Điện, Vật lý kỹ thuật, cũng như kỹ sư và cán bộ kỹ thuật cần tra cứu phương pháp tính toán, thiết kế mạch phần cứng tương tự.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên bậc đại học thuộc khối ngành Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa, Cơ điện tử và các ngành kỹ thuật liên quan đang học phần Mạch tương tự.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình này?

Người học cần hoàn thành học phần Linh kiện điện tử (CT132), nắm chắc nguyên lý hoạt động của tiếp giáp bán dẫn P-N, cấu tạo BJT/FET, cùng các kiến thức cơ bản về phân tích mạch điện (định luật Kirchhoff, định lý Thévenin).

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình phân loại rõ ràng quy trình giải tích mạch DC/AC theo 3 bước chuẩn hóa, cung cấp các điều kiện tính gần đúng thực tế, tích hợp song song cả hai loại transistor BJT và FET trong toàn bộ các cấu hình khuếch đại, đáp ứng tần số và mạch ghép tầng.

4. Làm sao để tự học giáo trình này hiệu quả?

Người học nên học tuần tự theo tiến trình 10 chương: nắm vững phân cực DC và vẽ đường tải tĩnh, chuyển mạch sang mô hình xoay chiều tín hiệu nhỏ bằng thông số $h$ hoặc $r_e$, giải bài tập cuối mỗi chương từ bài toán phân tích đến bài toán thiết kế ngược.

5. Giáo trình có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu được sử dụng đồng bộ với hệ thống bài giảng, giáo trình Linh kiện điện tử của Bộ môn Điện tử - Viễn thông và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành lưu trữ tại Trung tâm Học liệu Trường Đại học Cần Thơ.

---

Kết luận

Giáo trình Mạch tương tự của nhóm tác giả Khoa Công nghệ - Trường Đại học Cần Thơ là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, cung cấp nền tảng lý thuyết và phương pháp thiết kế kỹ thuật về mạch điện tử tương tự sử dụng linh kiện bán dẫn.

Lộ trình học tập đề xuất: Khởi đầu từ mạch Diode (Chương 1) $\rightarrow$ Phân cực và khuếch đại tín hiệu nhỏ BJT/FET (Chương 2, 3) $\rightarrow$ Khảo sát ảnh hưởng tải và đáp ứng tần số (Chương 4, 5) $\rightarrow$ Khảo sát các cấu hình ghép Cascode, Darlington, Vi sai, Op-Amp và Hồi tiếp (Chương 6, 7, 8) $\rightarrow$ Ứng dụng công suất lớn và tạo dao động (Chương 9, 10). Người học có thể tham khảo thêm các giáo trình chuyên sâu về mạch tích hợp và xử lý tín hiệu tại Trung tâm Học liệu Trường Đại học Cần Thơ để mở rộng kiến thức chuyên ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 MẠCH DIODE Trong chương này, chúng ta khảo sát một số mạch ứng dụng căn bản của diode bán dẫn gồm diode chỉnh lưu và diode zener - các diode đặc biệt khác sẽ được bản đến lúc cần thiết. Tùy theo nhu cầu ứng dụng, các mô hình lý tưởng, gần đúng hay thực sẽ được đưa vào trong tính toán mạch.1 DUONG THANG LAY DI.1 Xem mach Hinh 1.1a, nguén dign mét chiéu E mac trong mach lam cho diode phân cực thuận. Gọi Ip 1a dong dign chay qua diode va Vp la higu thé 2 dau diode. Vv, I) ý =1 len || (1) trong đó I„ là dòng điện rỉ nghịch vị =XF „0,026V ở nhiệt độ bình thường (300 °K) me n=1 khi Ip Ion (vai mA tré lên) Tị=l khi Ip nhỏ và diode cầu tạo bằng Ge nỊ=2 khi Ip nhỏ và diode cầu tạo bằng Sỉ Giáo trình Mạch tương tw Ngoài ra, từ mạch điện ta còn có.2) Phương trình (1.2) xác định điềm làm việc của diode (điểm điều hành Q) gọi là phương trình đường thẳng lấy điện (load line).

Giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến truyền của điode Ip= f(Vọ) là điểm điều hành Q.2 DIODE TRONG MẠCH ĐIỆN MỘT CHIEU Trong mạch điện một chiều, người ta thường dùng kiểu mẫu gần đúng hoặc lý tưởng trong việc phân tích mạch. Xem mạch điện Hình 1.2, trong kiêu mẫu gần đúng, khi nguồn một chiều E còn nhỏ hơn điện thế ngưỡng Vẹ của diode (Vk= 0,7V ở diode Si và Vk = 0,3V ở điode Ge) thì diode được xem như chưa dẫn điện, nghĩa là Io= 0. Mạch lúc này được xem như hở. Khi E>V thì diode dẫn điện và điện thế giảm qua diode Vo duge xem như không đổi và bằng điện thể ngưỡng Vx khi dòng điện chạy qua Hình 1.2 Như vậy khi phân cực thuận (E > V), ta có Vy=Vy Ngược lại khi E < Vẹ, mạch được xem như hở, nên =0mA;V„ =RI„ =0V:V„ =E~V„ =E Hinh 1.3 Giáo trình Mạch tương ae 1.3 DIODE TRONG MACH DIEN XOAY CHIỀU - MẠCH CHỈNH LƯU Mạch chỉnh lưu là ứng dụng thông dụng và quan trọng nhất của diode ban din, có mục đích đồi từ điện xoay chiều (mà thường là tín hiệu sine hoặc vuông) thành điện một chiều.1 Khái lệm về trị trung bình và u dụng 1.1 Trị trung bình - hay còn gọi là trị một chiều Trị trung bình của một sóng tuần hoàn được định nghĩa bằng tông đại số trong một chu kỳ củ tích nằm trên trục 0 (dương) và diện tích nằm dưới trục 0 (âm) chia cho chu kỳ.

Một cách tổng quát, tổng đại số điện tích trong một chu kỳ T của một sóng tuần hoàn v(t) được tính bằng công thức S [toa 2 7 Do đó trị trung bình được tính bằng công thức Vụ. = xÍt& (13) Một vài ví dụ Dạng sóng Tri trung bình vo* Voc ‡xo Ss. Si t> Voc = a4 $ ,_—1—> Hinh 1.4 Giáo trình Mạch tương tw 1.2 Trị hiệu dụng Trị hiệu dụng được định nghĩa của một sóng tuần hoàn (ví dụ dòng điện) là trị số tương đương của dòng một chiều Ipc mà khi chạy qua một điện trở R trong một chu kỳ sẽ có năng lượng tỏa nhiệt bằng nhau. + RET = [RP (Ode a : Nhu vay Be = zJP ox + Trị hiệu dụng được ký hiệu là Tỷ =zÍP(0& 5 Do đó ly i [£pea (14) Nếu là điện thế ta cũng có V.

(Đ)át (5) Vài ví dụ Tín hiệu Trị trung bình và hiệu dụng x9 y. 4 ‘ yo X We wo al : M v0 Hình 1.5 Giáo trình Mạch tương tự.2 Mạch chính lưu nửa sóng (một bán kỳ) Trong mạch này ta dùng kiểu mẫu lý tưởng hoặc gần đúng của diode trong việc phân tích mạch. vio, Vin 0| t In. > Vn DSi ví) wy (© R.6 Dạng mạch căn bản cùng các dạng sóng (ví dụ hình sine) ở ngõ vào và ngõ ra chỉ dẫn điện khi bán kỳ dương của ví) đưa vào mạch.

- Biên độ đỉnh của vo(Ð) Veen ‘om = Vn ~ 0,7V (1.6) - Điện thế trung bình ngõ ra =0318V,.7) ~ Dòng điện trung bình qua tải trong đó I„ =Ae trị đỉnh của dòng điện qua tải. x - Điện thế đỉnh phân cực nghịch của diode là Vout = Vn (1.8) Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách déi dau diode. Giáo trình Mạch tương tự.3 Chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa Mạch cơ bản như Hình 1.7a; Dạng sóng ở 2 cuộn thứ cấp như Hình 1.7b vị A | : D,/Si # Ve (a) w (b) Hinh 1.7 - 6 bin ky duong, diode Di phan cue thuan và dẫn điện trong hic diode Dz phân cực nghich nén xem nhw hé mach Hinh 1. Vpị= 07V ll—— Dị + fa Vị SRi Viên 0 Hinh 1.8 ~ Ở bán kỳ âm, diode D› phân cực thuận và dẫn điện trong lúc diode D¡ phân cực.

nghịch nên xem như hở mạch Hình 1. Giáo trình Mạch tương tự Đề ý là trong 2 trường hợp, lu đều chạy qua Ri theo chiều từ trên xuống và dòng điện đều có mặt ở hai bán kỳ. Điện thế đỉnh ở 2 đầu Ri 1a Vacm = Van = 9,7V (1.9) 'Và điện thể đỉnh phân cực nghịch ở mỗi diode khi ngưng dẫn lalà V, et + Vạ =2V„ —0,7V = Veen (1.10) ~ Dạng sóng thường trực ở 2 dau Ri. duge dign ta 6 Hinh 1.10 VỊ, % Vem of t Hinh 1.10 - Dign thé trung binh 6 hai dau Ri 1a Vig = 28z =0,637V,.11) ~ Dò Dòng điện đi trung bình ì qua Rụ làà lạ.

=—2 Voc RL Trong các ứng dụng thụ tế có thê chỉnh lưu để tạo ra điện thế âm ở 2 đầu Rạ bằng cách đổi cực của 2 diode lạ 1.4 Chính lưu toàn sóng dùng cầu diode Mạch cơ bản Vn Dự, DySi > » Vị Vin + i Pv SR DySi DỊ: Hình 1.11 Giáo trình Mạch tương tw - Ở bán kỳ dương của nguồn điện, D› và Dạ phân cực thuận và dẫn điện trong lúc Dị và D› phân cực nghịch và ngưng dẫn xem như hở mạch. Dùng kiểu mẫu điện thế ngưỡng, mạch điện được vẽ lại như Hình 1.12 Dz {i Vp=0,7V Vn Ds Vat Hinh 1.12 - Ở bán kỳ âm của nguôn điện, Dị và D› phân cực thuận và dẫn điện trong lúc Da, D¿ phân cực nghịch và ngưng dẫn xem như hở mạch Hình I.13 Từ các mạch tương đương trên có - Điện thế đỉnh Va.m ngang qua hai đầu Rụ là Vaem = Vn —2Vp = Ven —1,4V_ (1.12) - Điện thế đỉnh phân cực nghịch Vạu ở mỗi điode là Vay = Vien + Vp = Vn —Vo Vent = Vn —0,7V (1.13) Giáo trình Mạch tương tự. -Di ién thé trung binh & 2 dau Ri la 2 Vv.15) trong rong d6đó 1, my = V,=pYe Đổ ý là dòng điện trung bình chạy qua mỗi cặp diode khi din dign chi bang 1/2 dòng điện trung bình qua tải.5 Chỉnh lưu với tụ lọc Ta xem lại mạch chỉnh lưu toàn sóng với biến thế có điểm giữa, xem lại hình phần tụ giữ diện AG) Vài d| " NI + Veen =0.637Vsm Reve % - T/2 “0 Ye Tụgiữ điện Vee eV c= Vier AM», t “Tự nạp điện ) W “TH phóng điện + Ven i. Tump dign ~ © Hinh 1.14 Giáo trình Mạch tương tw - Điện thế đỉnh ở 2 đầu Rr là Veen = Vin -0,7V - Điện thể trung bình ở 2 đầu Rị là Voc ,637 V, am Nếu thay Ri bang 1 tụ điện có điện dung C.

Trong thời điểm từ t=0 đến tụ C sẽ nạp nhanh đến điện thế đỉnh Va:m„. Nếu dòng rỉ của tụ điện không đáng kẻ, tụ C sẽ không phóng điện và điện thé 2 đầu tụ được giữ không đổi là Va. Đây là trường hợp lý tưởng. Thực tế, điện thế trung bình thay đồi từ 0,637Vam dén Veen.

Thyre ra nguồn điện phải cung cấp cho tải, ví dụ Rị mắc song song với tụ C. Ở bán kỳ đương tụ C nạp điện đến trị Vae„. Khi nguồn điện bắt đầu giảm, tụ C phóng điện qua R¿. cho đến khi gặp bán kỳ kế tiếp tụ C mới nạp điện lại đến Vu.m và chu kỳ này cứ lặp đi lặp lại.15 mô tả chỉ tiết dạng sóng ở 2 đầu tụ C (hoặc R¿).

Hiệu thế sóng dư đỉnh đối đỉnh được ký hiệu là Vuop,. Vi) 4 Vaem Vi ip) Vụ VenJom = Ya 10,637V dem Hinh 1.15 Do dién thé dinh tdi da 1a Vaem nén dién thé trung binh tdi thiéu 1 Mu = Viem ~ Vp Một cách gần đúng, sóng dư có dạng tam giác nên trị trung bình của sóng dư là Vv, (pop) 2. 2V, Khi chưa mắc tụ C vào, tị trung bình là Vụ. z Khi có tụ lọc C V„„„ = Vy„ — V, fo Nên trị trung bình ở ngõ ra Vạ.„,~ Giáo trình Mạch tương ae 1.1 Hệ số sóng dư.0 ‘Vuem Vo} se= = Vpoep-———————— __ + gt ol 1 Hinh 1.16 lạng sóng 6 2 dau Ri.

Bằng nguyên lý chồng chất, có thể xem như điện thế 2 đầu tải bằng tổng của thành phần một chiều Vọc với thành phần sóng dư xoay chiều có tần số gấp đôi tần số của nguồn điện chỉnh lưu. ‘Vi thời gian nạp điện thường rất nhỏ so với thời gian phóng điện nên dạng của thành phần sóng dư có thể xem gần đúng như dạng tam giác. Như vậy trị hiệu dụng của sóng dư là ii m9 =. mm Vv, Người ta định nghĩa hệ số sóng dư rà V, hen " Voc vio) vat) ˆ Vipp | “Ỷ t < >.

* as Chu ki T/2 Chu ki T/2 Hinh 1.17 V, hoặc r =— 2 [00% be Hệ số sóng dư (ripple factor) quyết định chất lượng của mạch chỉnh lưu. Giáo trình Mạch tương tw 1.2 Phương trình điện thế sóng dự Nếu gọi ic là dòng phóng điện của tụ điện có điện dung € và Ve là điện thế 2 đầu ty dign thi i, =C đV: AV,. Nếu sự thay đổi điện thế 2 đầu tụ là tuyến tính thì dòng dt At. điện ic là dòng điện một chiều.

_ Nếu coi sóng dư có dạng tam giác thì dòng phóng của tụ là hang so va ký hiệu 1a Ipc. Dé chinh là dòng điện qua tải. AVe _ Nie») — 2C Vipgi. pe At T/2 T =lIic=2fCVy lu Vie See 2C (1.18) với f là tần số của nguồn điện chỉnh lưu, nếu gọi f, là tần số sóng dư, ta có Voyen p = FE (1.19 Nhu vay sóng dư tỉ lệ thuận với dòng điện trung bình qua tải và tỉ lệ nghịch với điện dung C.

Sóng dư sẽ tăng gấp đôi khi chỉnh lưu nửa sóng vì lúc đó f= f, 1.4 MACH CAT Mạch cắt (clippers) này dùng đẻ cắt một phần tín hiệu xoay chiều. Mạch chỉnh lưu nửa sóng là một ví dụ đơn giản về mạch cắt.1 Mạch cắt nối tiếp. Dạng căn bản như Hình I.