Sách hướng dẫn học tập môn Điện tử tương tự - Khoa Kỹ thuật Công nghệ ĐH Thủ Dầu Một

Khám phá sách hướng dẫn học tập điện tử tương tự, cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho việc học hiệu quả trong thời đại số.

• Tác giả: ThS. Ngô Sỹ
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Hướng Dẫn Học Tập Điện Tử Tương Tự
• Loại tài liệu: sách hướng dẫn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thủ Dầu Một

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CHẤT BÁN DẪN - DIODE
• 1.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 1.2. CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE
• 1.3. ỨNG DỤNG CỦA DIODE
• 2. CHƯƠNG 2: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC
• 2.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 2.2. CẤU TẠO, KIỂU VỎ, PHÂN LOẠI THEO MÃ HIỆU
• 2.3. CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANSISTOR
• 2.4. PHÂN CỰC CHO BJT
• 3. CHƯƠNG 3: KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT
• 3.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 3.2. SƠ ĐỒ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG BJT. TẦNG KHUẾCH ĐẠI E CHUNG (CE)
• 3.3. TẦNG KHUẾCH ĐẠI C CHUNG (CC)
• 3.4. TẦNG KHUẾCH ĐẠI B CHUNG (CB)
• 3.5. ĐƯỜNG TẢI AC
• 3.6. MỘT SỐ MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÁC
• 3.7. PHƯƠNG PHÁP GHÉP CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI
• 3.8. TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
• 4. CHƯƠNG 4: TRANSISTOR TRƯỜNG
• 4.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 4.2. TRANSISTOR TRƯỜNG – JFET
• 4.3. PHÂN CỰC CHO JFET
• 4.4. SO SÁNH GIỮA BJT VÀ JFET
• 4.5. MOSFET KÊNH CÓ SẴN (D-MOSFET: DEPLETION MOSFET)
• 4.6. MOSFET CHƯA CÓ SẴN KÊNH (E-MOSFET)
• 4.7. TRANSISTOR ĐƠN NỐI UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR)
• 4.8. MÔ HÌNH FET
• 4.9. THÔNG SỐ CỦA FET
• 4.10. ỨNG DỤNG UJT TRONG MẠCH DAO ĐỘNG TẠO XUNG
• 5. CHƯƠNG 5: KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
• 5.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 5.2. CÁC TÍNH CHẤT CHUNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
• 5.3. MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG OP - AMP
• 5.4. MẠCH VI PHÂN, TÍCH PHÂN
• 6. CHƯƠNG 6: CÁC MẠCH TẠO DAO ĐỘNG
• 6.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 6.2. KHÁI NIỆM VỀ MẠCH TẠO DAO ĐỘNG
• 6.3. MẠCH DAO ĐỘNG BẰNG THẠCH ANH
• 6.4. MẠCH TẠO XUNG VUÔNG
• 6.5. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI BẤT ỔN DÙNG IC555
• 7. CHƯƠNG 7: NGUỒN ĐIỆN
• 7.1. MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
• 7.2. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN
• 7.3. NGUỒN ỔN ÁP BẰNG ZENER
• 7.4. NGUỒN ỔN ÁP NỐI TIẾP
• 7.5. NGUỒN ỔN ÁP SONG SONG
• 7.6. ỔN ÁP BẰNG VI MẠCH
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Hướng Dẫn Học Tập Điện Tử Tương Tự Tại Trường Đại Học Thủ Dầu Một

Chương trình học tập Điện tử tương tự tại Trường Đại học Thủ Dầu Một được thiết kế nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản và nâng cao về các linh kiện điện tử như Diode, Transistor, và các mạch điện. Tài liệu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững lý thuyết mà còn thực hành trên các phần mềm mô phỏng, từ đó phát triển kỹ năng thực tiễn trong lĩnh vực điện tử.

1.1. Tổng Quan Về Điện Tử Tương Tự

Điện tử tương tự là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện, bao gồm các linh kiện như Diode, BJT, và FET. Những linh kiện này có vai trò thiết yếu trong việc điều khiển và xử lý tín hiệu điện.

1.2. Mục Tiêu Của Chương Trình Học

Chương trình học tập nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức vững chắc về lý thuyết và thực hành trong lĩnh vực điện tử tương tự, từ đó giúp sinh viên có thể áp dụng vào thực tiễn.

II. Những Thách Thức Trong Học Tập Điện Tử Tương Tự

Học tập Điện tử tương tự không chỉ đơn thuần là việc tiếp thu lý thuyết mà còn đòi hỏi sinh viên phải đối mặt với nhiều thách thức. Những thách thức này bao gồm việc hiểu rõ các khái niệm phức tạp và áp dụng chúng vào thực tế.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Hiểu Lý Thuyết

Nhiều sinh viên gặp khó khăn trong việc nắm bắt các khái niệm lý thuyết như điện áp, dòng điện và các đặc tính của linh kiện điện tử. Việc này có thể dẫn đến sự thiếu tự tin trong quá trình học tập.

2.2. Thực Hành Trên Phần Mềm Mô Phỏng

Việc sử dụng phần mềm mô phỏng để thực hành các mạch điện có thể gây khó khăn cho sinh viên, đặc biệt là những người chưa quen với công nghệ. Điều này yêu cầu sinh viên phải có thời gian làm quen và thực hành nhiều hơn.

III. Phương Pháp Học Tập Hiệu Quả Trong Điện Tử Tương Tự

Để vượt qua những thách thức trong học tập Điện tử tương tự, sinh viên cần áp dụng những phương pháp học tập hiệu quả. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện khả năng tiếp thu mà còn nâng cao kỹ năng thực hành.

3.1. Học Tập Qua Thực Hành

Thực hành là một phần quan trọng trong việc học tập Điện tử tương tự. Sinh viên nên tham gia vào các buổi thực hành để áp dụng lý thuyết vào thực tế, từ đó củng cố kiến thức.

3.2. Sử Dụng Tài Liệu Học Tập Đầy Đủ

Việc sử dụng tài liệu học tập đầy đủ và chính xác sẽ giúp sinh viên nắm vững kiến thức. Tài liệu như sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự là nguồn tài nguyên quý giá.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Điện Tử Tương Tự

Điện tử tương tự có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống và công nghiệp. Những ứng dụng này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về lý thuyết mà còn tạo cơ hội cho họ áp dụng kiến thức vào thực tế.

4.1. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Mạch

Các linh kiện điện tử như Diode và Transistor được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch điện. Việc hiểu rõ cách hoạt động của chúng là rất cần thiết cho sinh viên.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghệ Thông Tin

Điện tử tương tự cũng đóng vai trò quan trọng trong công nghệ thông tin, từ việc xử lý tín hiệu đến việc phát triển các thiết bị điện tử thông minh.

V. Kết Luận Về Học Tập Điện Tử Tương Tự

Học tập Điện tử tương tự tại Trường Đại học Thủ Dầu Một là một hành trình đầy thử thách nhưng cũng rất thú vị. Sinh viên cần kiên trì và áp dụng các phương pháp học tập hiệu quả để đạt được thành công.

5.1. Tương Lai Của Điện Tử Tương Tự

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, lĩnh vực điện tử tương tự sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội cho sinh viên. Việc nắm vững kiến thức sẽ giúp sinh viên tự tin hơn trong tương lai.

5.2. Khuyến Khích Học Tập Liên Tục

Sinh viên nên khuyến khích bản thân học tập liên tục và cập nhật kiến thức mới. Điều này không chỉ giúp nâng cao kỹ năng mà còn mở rộng cơ hội nghề nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự là tài liệu học tập lưu hành nội bộ của Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một, do ThS. Ngô Sỹ và ThS. Lê Trường An thuộc bộ môn Điện tử - Viễn thông biên soạn vào tháng 7 năm 2017. Học phần Điện tử tương tự giữ vị trí khối kiến thức cơ sở ngành quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư và cử nhân kỹ thuật điện tử, viễn thông và công nghệ kỹ thuật điện.

Về mục tiêu đào tạo (learning outcomes), giáo trình trang bị cho người học hệ thống lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặc tuyến của các linh kiện bán dẫn cơ bản (Diode, BJT, FET, UJT, Op-Amp), đồng thời phát triển năng lực phân tích, tính toán thiết kế và mô phỏng các cấu trúc mạch chức năng như mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, mạch khuếch đại công suất, mạch tạo dao động sóng và mạch nguồn ổn áp.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo tiến trình tuyến tính từ cấp độ linh kiện vật lý đến các phân hệ mạch chức năng phức hợp, phân bổ trong 7 chương học thuật. Cách tiếp cận của tài liệu kết hợp giữa phân tích mô hình toán học giải tích, phương pháp gần đúng trong kỹ thuật và kiểm chứng đồ thị thông qua các công cụ mô phỏng mạch điện tử chuyên ngành như PSpice. Điểm đặc thù của sách là việc đối chiếu liên tục giữa giả thiết linh kiện lý tưởng và thực tế vận hành có sụt áp tiếp giáp $0,7\text{V}$, giúp sinh viên lượng hóa chính xác sai số kỹ thuật trong tính toán mạch thực tế.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình gồm 7 chương với khối lượng kiến thức được phân định cụ thể:

• Chương 1: Chất bán dẫn - Diode (Trang 2 – 58): Khảo sát cấu trúc chất bán dẫn loại P, loại N, cơ chế khuếch tán hình thành vùng nghèo và điện áp tiếp xúc cân bằng ($0,6\text{V}$ với Silicon, $0,3\text{V}$ với Germani). Khảo sát thông số và đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode chỉnh lưu (như dòng xung $I_{\text{surge}}$, dòng thuận $I_{\text{Fmax}}$, điện áp đánh thủng $V_{\text{BR}}$ trên mẫu linh kiện 1N4007), Diode Zener (hiệu ứng Zener, mạch ổn áp và mạch xén tín hiệu), Diode phát quang LED (bước sóng ánh sáng từ $470\text{nm}$ đến $650\text{nm}$, điện áp thuận $U_{\text{F}}$ từ $1,6\text{V}$ đến $3\text{V}$). Phân tích chi tiết ba cấu hình mạch chỉnh lưu một pha: chỉnh lưu bán kỳ, chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode có điểm giữa máy biến áp và chỉnh lưu cầu 4 Diode kèm hệ thống công thức giải tích cho điện áp trung bình $U_{\text{DC}}$, dòng điện trung bình $I_{\text{DC}}$, công suất $P_{\text{DC}}$, hiệu suất $\eta$, hệ số gợn sóng $k_{\text{r}}$ và hệ số sử dụng biến áp (TUF).
• Chương 2: Transistor lưỡng cực (Trang 59 – 86): Trình bày cấu tạo vật lý, nồng độ tạp chất của BJT loại NPN và PNP, mã hiệu quy chuẩn và kiểu vỏ thông dụng. Phân tích các chế độ làm việc (tác động, bão hòa, ngắt), họ đặc tuyến $I_{\text{C}} - U_{\text{CE}}$, hệ số khuếch đại dòng điện $\beta$ ($h_{\text{FE}}$ trên linh kiện thực nghiệm C535), phương trình đường tải một chiều (DC loadline) và các cấu hình phân cực: hai nguồn riêng, phân cực cố định, phân cực hồi tiếp cực phát, phân cực hồi tiếp cực thu và phân cực bằng cầu phân áp có/không có điện trở $R_{\text{E}}$.
• Chương 3: Khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng BJT (Trang 87 – 117): Thiết lập sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ sử dụng hệ thông số lai $h$ cho ba cấu hình cơ bản: Emitter chung (CE), Collector chung (CC), Base chung (CB). Khảo sát đường tải xoay chiều (AC loadline), các mạch khuếch đại ghép tầng (ghép bằng tụ điện, ghép biến áp, ghép trực tiếp), mạch Darlington và mạch khuếch đại vi sai. Phân tích các chế độ khuếch đại công suất lớp A, lớp B, lớp AB, cấu trúc đẩy kéo (push-pull) và nguyên nhân gây méo xuyên tâm (crossover distortion).
• Chương 4: Transistor trường (Trang 118 – 145): Khảo sát cấu trúc kênh dẫn và đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh N và kênh P; các dạng mạch tự phân cực và phân cực cầu phân áp cho FET. Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý của MOSFET kênh có sẵn (D-MOSFET) và MOSFET chưa có sẵn kênh (E-MOSFET). Trình bày cấu tạo, đặc tuyến và ứng dụng của Transistor đơn nối UJT trong mạch tạo xung răng cưa kích hoạt.
• Chương 5: Khuếch đại thuật toán (Trang 146 – 173): Khảo sát vi mạch Op-Amp, các chế độ cấp nguồn (đơn/kép), tổng trở ngõ vào, điện áp bão hòa $\pm U_{\text{sat}}$, chế độ làm việc vòng hở và vòng kín hồi tiếp âm/hồi tiếp dương. Phân tích giải tích các sơ đồ ứng dụng: khuếch đại đảo, khuếch đại không đảo, mạch đệm (voltage follower), mạch cộng đảo/không đảo, mạch Mixer AC 2 kênh, mạch trừ, mạch vi phân và mạch tích phân.
• Chương 6: Các mạch tạo dao động (Trang 174 – 191): Cung cấp nguyên lý tự kích dao động, khảo sát mạch tương đương và hoạt động của thạch anh, mạch dao động dịch pha RC, mạch dao động dùng BJT và Op-Amp. Thiết kế mạch tạo sóng vuông (độ rộng mức cao 50% chu kỳ), mạch đơn ổn kích bằng nút nhấn hoặc mạch vi phân và mạch dao động đa hài bất ổn sử dụng vi mạch định thời IC555.
• Chương 7: Nguồn điện (Trang 192 – 218): Phân tích sơ đồ khối nguồn DC, mạch ổn áp dùng Zener, cấu trúc nguồn ổn áp tuyến tính nối tiếp và song song sử dụng Op-Amp phối hợp 1 hoặc 2 BJT công suất. Khảo sát vi mạch ổn áp cố định 3 chân họ 78XX (điện áp dương), họ 79XX (điện áp âm), kỹ thuật ghép nguồn đối xứng $\pm V$ và thiết kế mạch nguồn ổn áp điều chỉnh điện áp liên tục hoặc theo nấc sử dụng vi mạch LM317/LM317T.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật chính của mạch chỉnh lưu một pha

Đại lượng / Thông số kỹ thuật	Ký hiệu / Công thức	Chỉnh lưu bán kỳ	Chỉnh lưu toàn kỳ (2 Diode)
Điện áp trung bình trên tải	$U_{\text{DC}}$	$\frac{U_{\text{tm}}}{\pi} \approx 0,318 U_{\text{tm}}$	$\frac{2 U_{\text{tm}}}{\pi} \approx 0,636 U_{\text{tm}}$
Dòng điện trung bình qua tải	$I_{\text{DC}}$	$\frac{U_{\text{tm}}}{\pi R_{\text{t}}}$	$\frac{2 U_{\text{tm}}}{\pi R_{\text{t}}}$
Điện áp hiệu dụng trên tải	$U_{\text{rms}}$	$\frac{U_{\text{tm}}}{2} = 0,5 U_{\text{tm}}$	$\frac{U_{\text{tm}}}{\sqrt{2}} \approx 0,707 U_{\text{tm}}$
Hiệu suất chỉnh lưu	$\eta = \frac{P_{\text{DC}}}{P_{\text{T}}}$	$40,53%$	$81%$
Hệ số gợn sóng	$k_{\text{r}} = \frac{U_{\text{r,rms}}}{U_{\text{DC}}}$	$1,21\ (121%)$	$0,484\ (48,4%)$
Điện áp ngược cực đại trên Diode	$\text{PIV}$	$U_{2\text{m}}$	$2 U_{2\text{m}}$
Hệ số sử dụng máy biến áp	$\text{TUF} = \frac{P_{\text{DC}}}{P_2}$	$28,66%$	$57,3%$

Ghi chú: $U_{\text{tm}} = U_{2\text{m}} - 0,7\text{V}$ trong đó $U_{2\text{m}}$ là giá trị biên độ đỉnh của điện áp xoay chiều thứ cấp máy biến áp.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp các nguyên lý vật lý và mô hình giải tích nền tảng của kỹ thuật điện tử:

• Nguyên lý tiếp xúc P-N: Hiện tượng tái hợp hạt dẫn, sự tạo thành vùng nghèo và cơ chế điện áp tiếp xúc cân bằng của vật liệu Si ($0,6\text{V} - 0,7\text{V}$) và Ge ($0,2\text{V} - 0,3\text{V}$).
• Lý thuyết phân cực và ổn định điểm làm việc tĩnh Q: Xây dựng phương trình đường tải DC/AC và mô hình tham số tứ cực (hệ thông số $h$).
• Cơ chế điều khiển dòng bằng điện trường trong FET và cấu trúc tiếp giáp bán dẫn - điện môi trong MOSFET.
• Lý thuyết hồi tiếp âm (Negative Feedback) nhằm ổn định hệ số khuếch đại, mở rộng dải thông và hạ tổng trở ngõ ra trong các mạch Op-Amp và BJT.

Kỹ năng phát triển

Thông qua nội dung giảng dạy, sinh viên được rèn luyện các nhóm năng lực thực hành kỹ thuật:

• Kỹ năng giải tích mạch: Đọc và diễn giải sơ đồ nguyên lý mạch tương tự, tính toán các điểm điện áp, dòng điện tĩnh $I_{\text{CQ}}, U_{\text{CEQ}}$, hệ số khuếch đại điện áp $A_{\text{v}}$, trở kháng vào $Z_{\text{in}}$, trở kháng ra $Z_{\text{out}}$.
• Kỹ năng thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất trở hạn dòng, công suất tiêu tán trên Diode Zener ($P_{\text{zm}}$), kích thước nhôm tản nhiệt cho vi mạch 78XX/LM317 và giải thuật phân cực ổn định nhiệt cho BJT.
• Kỹ năng mô phỏng và kiểm chứng: Ứng dụng phần mềm PSpice phân tích miền thời gian (Transient analysis), trích xuất dạng sóng và so sánh sai số giữa phương pháp tính gần đúng lý tưởng với số liệu mạch thực tế.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tài liệu áp dụng phương pháp sư phạm tiếp cận theo mục tiêu đầu ra. Đầu mỗi chương đều xác định rõ các yêu cầu về kiến thức và kỹ năng cần đạt. Cấu trúc bài học triển khai từ mô tả cấu trúc vật lý, lập luận nguyên lý hoạt động, xây dựng mô hình toán giải tích, sau đó minh chứng bằng các bài toán tính mẫu chi tiết.

Giáo trình sử dụng các ví dụ định lượng gắn liền với linh kiện thương mại cụ thể:

• Bài toán so sánh sai số dòng trung bình $I_{\text{Dav}}$ qua Diode khi xét nguồn $2\sin(\omega t)$ (sai số mô hình lý tưởng gấp đôi thực tế) và nguồn $20\sin(\omega t)$ (sai số giảm xuống còn $8,4%$).
• Bài toán tính toán thiết kế mạch ổn áp Zener công suất $1\text{W}$, xác định điện trở hạn dòng $R_{\text{min}} = 47\Omega$ và tải trở cực tiểu $R_{\text{t,min}} = 103\Omega$ ứng với điều kiện vận hành an toàn $x% I_{\text{zm}} = 50%$.
• Bài toán thiết kế mạch chỉnh lưu tính toán đầy đủ 15 thông số công suất và hiệu suất với máy biến áp $12\text{V}$ và tải $50\Omega$.

Phương pháp học tập và đánh giá yêu cầu người học:

• Thực hiện tuần tự các bước phân tích phân cực DC trước khi áp dụng mô hình xoay chiều tín hiệu nhỏ AC.
• Tự thiết lập lại các phương trình giải tích đối với các trường hợp mở rộng biên độ tín hiệu hoặc thay đổi tham số tải.
• Kiểm tra tính đúng đắn của kết quả tính toán trên giấy thông qua việc đo đạc dạng sóng và giản đồ thời gian trên phần mềm mô phỏng PSpice.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Minh họa dạng sóng và sơ đồ chi tiết: Tài liệu bao gồm hơn 100 hình vẽ kỹ thuật, sơ đồ khối, họ đặc tuyến thực nghiệm và giản đồ xung thời gian (như giản đồ điện áp ngược Diode, quan hệ $U_{\text{in}} - U_{\text{out}}$ của mạch xén Zener, mạch đơn ổn và dao động tạo sóng vuông).
• Khảo sát đa dạng các họ linh kiện công nghiệp: Tích hợp trực tiếp dữ liệu kỹ thuật của các dòng linh kiện chuẩn như Diode chỉnh lưu 1N4007, BJT C535, vi mạch định thời NE555, vi mạch ổn áp họ 78XX/79XX và LM317 kèm mô tả quy cách chân và kiểu đóng vỏ chuẩn công nghiệp TO-220, D-PAK.
• Bảng thông số quang điện thực nghiệm của LED: Cung cấp bảng dữ liệu chính xác về mối liên hệ giữa bước sóng ánh sáng và sụt áp thuận $U_{\text{F}}$ tại dòng định mức $20\text{mA}$ cho 5 dải màu thông dụng (Đỏ $650\text{nm}/1,6-1,8\text{V}$, Cam $635\text{nm}/2\text{V}$, Vàng $585\text{nm}/2,2\text{V}$, Xanh lá $565\text{nm}/2,4\text{V}$, Xanh da trời $470\text{nm}/3\text{V}$).
• Đánh giá định lượng tính tương đối của mô hình lý tưởng: Phân tích rõ ranh giới áp dụng giữa mô hình tính toán gần đúng (bỏ qua $0,7\text{V}$) và giải tích chính xác, giúp người học nhận thức rõ mức độ ảnh hưởng của sụt áp ngưỡng khi tín hiệu ngõ vào ở mức điện áp thấp.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học chính quy: Tài liệu học tập bắt buộc cho sinh viên năm thứ hai hoặc năm thứ ba chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử tại Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng gồm Vật lý đại cương (phần Điện và Từ học), Mạch điện / Lý thuyết mạch (các định luật Kirchhoff, phương pháp dòng nhánh, điện áp nút) và Toán học cao cấp (phép tính vi phân, tích phân và đại số ma trận).
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn, định khung phân phối thời lượng các chương bài giảng lý thuyết và xây dựng nội dung bài tập, ngân hàng câu hỏi thi kết thúc học phần.
• Cán bộ kỹ thuật và tự học: Dùng làm tài liệu tra cứu các công thức giải tích mạch khuếch đại, bảng thông số chân linh kiện bán dẫn và phương pháp thiết kế khối nguồn điện một chiều ổn áp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên theo học học phần Điện tử tương tự thuộc Khoa Kỹ thuật – Công nghệ, Trường Đại học Thủ Dầu Một, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật liên quan đến phần cứng điện tử.

2. Sinh viên cần chuẩn bị kiến thức tiên quyết gì trước khi học giáo trình này?

Người học cần nắm vững kiến thức về phân tích mạch điện xoay chiều/một chiều (định luật Ohm, Kirchhoff, công suất), giải tích hàm số, phương trình vi phân và các nguyên lý cơ bản về trường điện từ trong vật lý đại cương.

3. Giáo trình tiếp cận việc tính toán mạch theo phương pháp nào?

Tài liệu kết hợp phương pháp giải tích mạch chính xác (có tính đến sụt áp $0,7\text{V}$ trên tiếp giáp P-N) và phương pháp gần đúng (xem linh kiện là lý tưởng khi điện áp nguồn lớn hơn nhiều lần sụt áp tiếp giáp), kèm theo việc kiểm chứng qua phần mềm mô phỏng mạch PSpice.

4. Giáo trình cung cấp những cấu hình mạch ổn áp nguồn nào?

Chương 7 của giáo trình trình bày chi tiết các cấu hình: ổn áp dùng Diode Zener, ổn áp tuyến tính nối tiếp/song song dùng BJT kết hợp Op-Amp, nguồn ổn áp cố định dùng vi mạch 78XX/79XX tạo điện áp đơn và nguồn đối xứng, cùng vi mạch ổn áp thay đổi LM317/LM317T.

5. Phần bài tập và mô phỏng được định hướng triển khai như thế nào?

Sau mỗi phần lý thuyết, tài liệu cung cấp bài toán mẫu có lời giải chi tiết từng bước. Sinh viên được yêu cầu tự thay đổi thông số tải và nguồn để giải lại bài toán, sau đó thiết lập sơ đồ trên phần mềm PSpice để kiểm chứng dạng sóng ngõ ra và giá trị đo đạc.

---

Kết luận

Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự của Trường Đại học Thủ Dầu Một cung cấp một hệ thống tri thức hoàn chỉnh và chuẩn hóa về kỹ thuật điện tử bán dẫn tương tự. Nội dung giáo trình dẫn dắt người học qua một lộ trình logic chặt chẽ: từ nguyên lý tiếp xúc P-N của Diode, các kỹ thuật phân cực và mô hình thông số lai của BJT/FET, đến các mạch tích hợp tuyến tính Op-Amp, mạch tạo dao động sóng và hệ thống nguồn ổn áp. Tài liệu kết hợp phương pháp giải tích giải thuật toán học với kiểm chứng mô phỏng PSpice, đóng vai trò là học liệu kỹ thuật nền tảng cho sinh viên và giảng viên khối ngành kỹ thuật công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: CHẤT BÁN DẪN - DIODE MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Trong chương này, chúng ta khảo sát tính chất của Diode, Diode zener, LED và hoạt động của chúng. Ngoài ra, ứng dụng của các linh kiện này cũng được trình bày trong chương này. Chương này còn cung cấp các kiến thức cơ bản phục vụ cho các chương sau. Cho nên, sinh viên phải thực hiện lại được các ví dụ và bài tập.

Từ đó, tự cho mình các ví dụ, bài tập tương tự và giải chúng để tự khám phá tri thức. CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE 1. Khái niệm chất bán dẫn và phân loại 1. Xét về điện học, vật chất được chia thành 3 loại Các chất hoặc môi trường có chứa các hạt mang điện tự do (electron, Ion+, Ion-) có khả năng dẫn điện được và gọi là chất dẫn điện.

Các chất hoặc môi trường không chứa hạt mang điện tự do thì không thể dẫn điện được, chúng là các chất cách điện. Có những vật chất trung gian giữa 2 loại trên, bình thường chúng không có các hạt mang điện tự do nên không dẫn điện nhưng khi nhận năng lượng kích thích từ bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng thì một số hạt mang điện như electron bị bứt khỏi ràng buộc nguyên tử trở thành tự do và sẳn sàng tham gia dẫn điện. Những chất như vậy gọi là chất bán dẫn, có thể gọi chúng là những chất dẫn điện có điều kiện. Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N Chất bán dẫn có chứa những hạt mang điện tự do có điện tích (+) gọi là bán dẫn loại P (Positive: dương).

Các hạt mang điện (+) tự do trong bán dẫn loại P thường là các lỗ trống (lỗ trống là một nguyên tử trung hoà bị mất electron nên trở thành Ion+). Chất bán dẫn có chứa các hạt mang điện tự do có điện tích (–) (thường là hạt electron) được gọi là bán dẫn loại N. 9 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 1. Nguyên lý cấu tạo chung của Diode Các linh kiện: Diode chỉnh lưu, Diode Zener, các Diode khác nói chung và các loại LED đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N (xem hình 1-1).

Anode + Cathode P - - N + + - Hình 1-1 Cấu tạo Diode Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện (+) nên khi ghép với khối N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sáng khối N gây thiếu hụt điện tích (+) bên khối P, trong khi đó khối P lại nhận thêm các e (-) từ khối N chuyển sang nên kết quả là khối P tích điện âm (-). Khối N chứa nhiều e tự do nên khi ghép với khối P, các e tự do có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối P gây thiếu hụt điện tích (–) bên khối N, đồng thời khối N lại nhận thêm các lỗ trống mang điện (+) nên kết quả là khối N tích điện (+). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số e (-) bị lỗ trống (+) thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà, quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng và tuỳ theo mức năng lượng giải phóng là cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng khác nhau tức màu sắc khác nhau. Sự tích điện (-) bên khối P và (+) bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc.

Điện trường sinh ra bởi điện áp này có hướng từ N  P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc, lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0,6V đối với Diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0,3V đối với Diode làm bằng bán dẫn Ge. 10 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các e (-) và lỗ trống (+) dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hoà. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn tự do nên được gọi là vùng nghèo.

Maët gheùp Ñieän tröôøn g tieáp xuùc P Anode Cathode P N coù höôùng töø N Vuøng ngheøo Hình 1-2 Lớp tiếp giáp Diode 1. DIODE CHỈNH LƯU Diode chỉnh lưu có cấu tạo là một mối nối P-N được chế tạo chịu được điện áp ngược cao và dòng điện thuận lớn. Những đặc điểm chế tạo này cho phép Diode làm việc trong các hệ thống chỉnh lưu điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) hiệu quả và tin cậy. Ký hiệu và dạng thực tế Anode (A) Cathode (K) Hình 1-3 Ký hiệu Diode 1.

Tính chất của Diode Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ A  K. Theo nguyên lý dòng điện chỉ chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp thì muốn có dòng điện qua Diode theo chiều này, ta phải đặt ở A một điện thế cao hơn ở K. Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc. Như vậy muốn có dòng qua Diode thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là UAK phải lớn hơn Utx.

Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0,6V); phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua Diode. 11 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Khi UAK > 0, ta nói rằng Diode phân cực thuận và dòng điện qua Diode lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IForward hoặc ID tức IDiode). Dòng điện thuận có chiều từ A  K. Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì Diode trở nên dẫn điện rất tốt nghĩa là điện trở của Diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục ).

Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utx. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với Utx cần khoảng 0,6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0,1 đến 0,5V tuỳ theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài A. Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua Diode khoảng 0,6V đến 1,1V. Ngưỡng 0,6V là ngưỡng Diode bắt đầu dẫn và khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA (xem đặc tuyến Vôn-Ampe điển hình của Diode).

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược từ K  A. Thực tế là vẫn tồn tại dòng điện ngược nếu Diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ A) và thường không quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi Diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (  VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì Diode bị đánh thủng, dòng điện qua Diode tăng nhanh và đốt cháy Diode.

Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ 2 điều kiện sau đây:  Thứ 1: Dòng điện thuận qua Diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, ta phải tra cứu trong các tài liệu của hãng SX để xác định).  Thứ 2: Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của Diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp). Ngoài ra khi cần thiết kế mạch với độ chính xác cao, ta cần tham khảo thêm đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode và tần số hoạt động cho phép từ tài liệu tra cứu. Ví dụ: Diode 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau: VBR = 1000V; IFmax = 1A; VF = 1,1V khi IF = IFmax.

Những thông số trên cho biết: 12 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự  Dòng điện thuận qua Diode không được lớn hơn 1A.  Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode không được lớn hơn 1000V. Điện áp thuận (tức UAK) có thể tăng đến 1,1V nếu dòng điện thuận bằng 1A. Cũng cần lưu ý rằng đối với các Diode chỉnh lưu nói chung thì khi UAK = 0,6V thì Diode đã bắt đầu dẫn và khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode đã đạt đến vài chục mA.

Đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode Đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua Diode theo điện áp UAK đặt vào Diode. Có thể chia đặc tuyến này thành 2 đoạn:  Đoạn ứng với UAK > 0 mô tả quan hệ dòng-áp khi Diode phân cực thuận.  Đoạn ứng với UAK  0 mô tả quan hệ dòng-áp khi Diode phân cực nghịch. ID vaøi chuïc mA VBR UAK 0v 0,6v 0,7v Ñieän aùp ñaùnh thuûng 1 2 Ñoaïn phaân cöïc nghòch Ñoaïn phaân cöïc thuaän - + + - A K A K 1 Phaân cöïc thuaän: chöa daãn Ñaëc tuyeán Voân-Ampe 2 Phaân cöïc thuaän: daãn ñieån hình cuûa Diode Hình 1-4 Đặc tuyến Diode Khi Diode được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với Diode).

Dòng điện phụ thuộc rất ít 13 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự vào điện trở thuận của Diode vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện. Ví dụ : Một thí nghiệm được thực hiện với mạch điện như hình 1-5 Khi khoá K ở vị trí 1. Ampekế chỉ 9,33mA; Vôn kế chỉ 0,67V. Khi chuyển khoá K sang vị trí 2, chỉ số trên Ampekế là 92,8mA, chỉ số trên Vôn kế là 0,72V.

D 1 A K 2 V R1 R2 + 10v 1000 100 - Hình 1-5 Hoạt động Diode Qua thí nghiệm trên ta nhận thấy khi thay đổi khóa K từ vị trí 1 sang vị trí 2, điện trở mắc nối tiếp với Diode giảm 10 lần và dòng điện qua Diode tăng lên gần 10 lần (thực tế là 9,946 lần) trong khi đó điện áp UAK biến tăng rất ít (từ 0,67V  0,72V; tăng 0,05V). Như vậy cho thấy khi Diode đã dẫn điện thì dòng điện qua Diode chủ yếu phụ thuộc vào mạch ngoài còn bản thân Diode ảnh hưởng rất ít. Điện áp trên Diode khi dẫn điện thuận thường lấy trung bình khoảng 0,7V nếu dòng điện qua Diode < 100mA. Nếu giá trị 0,7V là khá nhỏ so với một điện áp đang xét thì có thể bỏ qua và xem như không có sụt áp trên Diode (lúc đó ta nói rằng Diode là lý tưởng).