Sổ tay hướng dẫn giải mạch điện tử và thiết bị điện tử - Boylestad 10 ed

• Tác giả: Robert L. Boylestad
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử và lý thuyết mạch
• Đề tài: Tài liệu hướng dẫn giảng dạy cho Thiết bị điện tử và Lý thuyết mạch, phiên bản thứ 10
• Loại tài liệu: Tài liệu hướng dẫn giảng dạy
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Upper Saddle River

Tóm tắt

I. Tổng quan về lý thuyết mạch và thiết bị điện tử Boylestad

Cuốn sách Electronic Devices and Circuit Theory của Robert L. Boylestad và Louis Nashelsky là giáo trình kinh điển trong lĩnh vực điện tử. Ấn bản thứ 10 do Pearson Education xuất bản năm 2009. Nội dung bao gồm lý thuyết bán dẫn, mạch diode, transistor lưỡng cực và hiệu ứng trường. Sách trình bày nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cơ bản. Nội dung đi từ lý thuyết nguyên tử đến mạch ứng dụng phức tạp. Cuốn sách cung cấp giải pháp chi tiết cho hơn 500 bài toán. Phần hướng dẫn phòng thí nghiệm đi kèm giúp sinh viên thực hành. Đây là tài liệu tham khảo không thể thiếu cho kỹ sư điện tử. Sách được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học trên toàn thế giới. Phiên bản Instructor's Resource Manual hỗ trợ giảng viên trong quá trình dạy học.

1.1. Cấu trúc nội dung sách

Cuốn sách được chia thành nhiều chương logic. Chương đầu giới thiệu vật lý bán dẫn và cấu trúc nguyên tử. Tiếp theo là lý thuyết về chất bán dẫn nội tại và pha tạp. Phần giữa sách trình bày mạch diode và transistor. Cuối sách là các mạch ứng dụng nâng cao. Mỗi chương có bài tập từ cơ bản đến nâng cao. Phần Solutions to Problems cung cấp hướng dẫn giải chi tiết. Phần Laboratory Manual hỗ trợ thực hành thực tế.

1.2. Đối tượng và phạm vi áp dụng

Cuốn sách phục vụ sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện tử. Giáo viên sử dụng tài liệu này để xây dựng bài giảng. Kỹ sư tham khảo sách để giải quyết vấn đề thực tế. Nội dung phù hợp cho người mới bắt đầu học điện tử. Phạm vi bao gồm từ vật lý bán dẫn đến thiết kế mạch. Sách cũng hữu ích cho người ôn thi chứng chỉ kỹ thuật. Tài liệu hỗ trợ cả học tập lý thuyết lẫn thực hành phòng lab.

II. Phân tích nội dung bán dẫn và mạch diode trong sách

Phần bán dẫn trong sách giải thích cấu trúc nguyên tử chi tiết. Đồng có 20 electron quay quanh với một electron ở lớp ngoài cùng. Electron thứ 29 liên kết lỏng lẻo với hạt nhân nguyên tử. Áp dụng điện trường đúng cực sẽ kéo electron này ra để dẫn điện. Silicon và germanium nội tại có vỏ ngoài hoàn chỉnh nhờ liên kết cộng hóa trị. Chất bán dẫn nội tại được tinh chế ở độ tinh khiết cao nhất. Hệ số nhiệt độ âm nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Sách trình bày bán dẫn loại N có electron dẫn điện dư thừa. Bán dẫn loại P hình thành bằng cách pha tạp nguyên tử thu. Mỗi loại có carrier đa số và thiểu số riêng biệt. Phần mạch diode phân tích kẹp điện áp và chỉnh lưu. Mạch clipper giới hạn biên độ tín hiệu ở mức xác định.

2.1. Lý thuyết bán dẫn cơ bản

Chất bán dẫn nội tại là vật liệu được tinh chế ở độ tinh khiết cao nhất. Liên kết cộng hóa trị tạo cấu trúc mạng tinh thể ổn định. Bán dẫn loại N có nguyên tử cho với nhiều electron hóa trị hơn cần thiết. Electron là carrier đa số trong loại N. Lỗ trống là carrier thiểu số trong loại N. Bán dẫn loại P ngược lại với loại N. Gallium Phosphide có Eg bằng 2.24 eV. Zinc Sulfide có Eg bằng 3 eV.

2.2. Mạch diode và ứng dụng

Mạch kẹp điện áp sử dụng diode để dịch mức tín hiệu. Khi điện áp đầu vào lớn hơn 6V, diode silicon bên trái dẫn điện. Điện áp đầu ra bằng 6V cho vi lớn hơn hoặc bằng 6V. Khi vi nhỏ hơn 6V, cả hai diode phân cực ngược. Điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào trong vùng này. Ở vùng âm, diode bên phải dẫn khi vi âm hơn 7V. Điện áp đầu ra bằng -8V cho vi nhỏ hơn hoặc bằng -8V.

III. Phương pháp phân tích mạch transistor và biasing hiệu quả

Sách trình bày nhiều phương pháp bias transistor khác nhau. Mạch phản hồi dòng phát cực tăng độ ổn định điểm làm việc. Điện trở nền tính từ công thức phân áp với hệ số ổn định cao. Điều kiện βRE ≥ 10R2 đảm bảo độ ổn định tăng cường. Điện áp nền VB được tính từ nguồn VCC qua mạch phân áp. Dòng điện cực phát IE xác định điện áp cực phát VE. Điện áp cực collect VC tính từ VCC trừ đi điện áp rơi RC. Mạch gương dòng sử dụng điện trở 3kΩ và 2.4kΩ. Dòng điện IDQ bằng IDSS chia 2 ở điểm tĩnh. Điện trở RC tính từ điện áp bão hòa chia dòng bão hòa. Dòng nền cực đại IBmax phải nhỏ hơn dòng bão hòa chia β. Thời gian bật và tắt transistor phụ thuộc vào dòng collect. Khi IC tăng từ 2mA lên 10mA, thời gian bật giảm đáng kể.

3.1. Kỹ thuật tính toán bias transistor

Điện trở nền RB tính từ hiệu điện thế nguồn trừ VBE chia dòng nền. Điện trở RC bằng điện áp bão hòa chia dòng collect bão hòa. Dòng IBmax bằng ICsat chia hệ số khuếch đại β. Với β bằng 100, IBmax bằng 80μA khi ICsat bằng 8mA. Giá trị chuẩn của RB thường chọn 43kΩ. Giá trị chuẩn của RC thường chọn 625Ω. Điện áp nền VB phải lớn hơn VBE để transistor dẫn điện.

3.2. Phân tích thời gian chuyển mạch

Thời gian bật ton bằng tổng thời gian tăng tr và thời gian trễ td. Với IC bằng 2mA, ton bằng 168ns và toff bằng 148ns. Với IC bằng 10mA, ton giảm xuống còn 37ns. Tỷ lệ giảm thời gian bật là 4.54:1. Thời gian tắt chỉ giảm nhẹ từ 148ns xuống 132ns. Tỷ lệ giảm thời gian tắt là 1.12:1. Dòng collect lớn hơn giúp transistor chuyển mạch nhanh hơn.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của lý thuyết mạch Boylestad

Cuốn sách Electronic Devices and Circuit Theory là nền tảng vững chắc cho kỹ sư điện tử. Nội dung bao quát từ vật lý bán dẫn đến thiết kế mạch phức tạp. Phương pháp giải bài tập rõ ràng giúp nắm vững nguyên lý hoạt động. Phần thí nghiệm hướng dẫn thực hành kỹ năng đo lường và phân tích. Kiến thức từ sách áp dụng được trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Thiết kế mạch nguồn, mạch khuếch đại và mạch số đều dựa trên nền tảng này. Sách cung cấp công cụ phân tích mạch AC và DC toàn diện. Mạch gương dòng và bias transistor là kiến thức cốt lõi. Sinh viên tốt nghiệp có kỹ năng thiết kế mạch thực tế. Cuốn sách đã qua 10 lần tái bản chứng minh giá trị lâu dài. Đây là tài liệu không thể thiếu cho bất kỳ ai theo đuổi ngành điện tử.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp điện tử

Kiến thức từ sách áp dụng trong thiết kế mạch nguồn tuyến tính. Mạch khuếch đại âm thanh sử dụng nguyên lý transistor từ sách. Mạch lọc và xử lý tín hiệu dựa trên lý thuyết diode. Công nghiệp viễn thông sử dụng mạch dao động và khuếch đại. Thiết bị y tế điện tử cần mạch chính xác cao. Hệ thống điều khiển công nghiệp áp dụng mạch logic số. Ô tô hiện đại chứa hàng trăm mạch điện tử phức tạp.

4.2. Giá trị giáo dục và tham khảo

Cuốn sách được dịch và sử dụng tại nhiều quốc gia. Ấn bản thứ 10 cập nhật công nghệ bán dẫn mới nhất. Giải pháp bài tập chi tiết hỗ trợ tự học hiệu quả. Phần Laboratory Manual phát triển kỹ năng thực hành. Giáo viên sử dụng sách để xây dựng chương trình đào tạo. Kỹ sư lâu năm tham khảo sách khi gặp vấn đề phức tạp. Sách là cầu nối giữa lý thuyết và ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Instructor’s Resource Manual to accompany Electronic Devices and Circuit Theory Tenth Edition Robert L. Boylestad Louis Nashelsky Upper Saddle River, New Jersey Columbus, Ohio www.net Copyright © 2009 by Pearson Education, Inc., Upper Saddle River, New Jersey 07458. Pearson Prentice Hall. All rights reserved. Printed in the United States of America. This publication is protected by Copyright and permission should be obtained from the publisher prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or likewise. For information regarding permission(s), write to: Rights and Permissions Department. Pearson Prentice Hall™ is a trademark of Pearson Education, Inc. Pearson® is a registered trademark of Pearson plc Prentice Hall® is a registered trademark of Pearson Education, Inc. Instructors of classes using Boylestad/Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, 10th edition, may reproduce material from the instructor’s text solutions manual for classroom use. 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN-13: 978-0-13-503865-9 ISBN-10: 0-13-503865-0 www.net Contents Solutions to Problems in Text 1 Solutions for Laboratory Manual 185 iii www. Copper has 20 orbiting electrons with only one electron in the outermost shell. The fact that the outermost shell with its 29th electron is incomplete (subshell can contain 2 electrons) and distant from the nucleus reveals that this electron is loosely bound to its parent atom. The application of an external electric field of the correct polarity can easily draw this loosely bound electron from its atomic structure for conduction. Both intrinsic silicon and germanium have complete outer shells due to the sharing (covalent bonding) of electrons between atoms. Electrons that are part of a complete shell structure require increased levels of applied attractive forces to be removed from their parent atom. Intrinsic material: an intrinsic semiconductor is one that has been refined to be as pure as physically possible. That is, one with the fewest possible number of impurities. Negative temperature coefficient: materials with negative temperature coefficients have decreasing resistance levels as the temperature increases. Covalent bonding: covalent bonding is the sharing of electrons between neighboring atoms to form complete outermost shells and a more stable lattice structure.4 × 10−19 C is the charge associated with 4 electrons. GaP Gallium Phosphide Eg = 2.24 eV ZnS Zinc Sulfide Eg = 3. An n-type semiconductor material has an excess of electrons for conduction established by doping an intrinsic material with donor atoms having more valence electrons than needed to establish the covalent bonding. The majority carrier is the electron while the minority carrier is the hole. A p-type semiconductor material is formed by doping an intrinsic material with acceptor atoms having an insufficient number of electrons in the valence shell to complete the covalent bonding thereby creating a hole in the covalent structure. The majority carrier is the hole while the minority carrier is the electron. A donor atom has five electrons in its outermost valence shell while an acceptor atom has only 3 electrons in the valence shell. Majority carriers are those carriers of a material that far exceed the number of any other carriers in the material. Minority carriers are those carriers of a material that are less in number than any other carrier of the material. Same basic appearance as Fig.7 since arsenic also has 5 valence electrons (pentavalent). Same basic appearance as Fig.9 since boron also has 3 valence electrons (trivalent). For forward bias, the positive potential is applied to the p-type material and the negative potential to the n-type material.1 μA (b) The result is expected since the diode current under reverse-bias conditions should equal the saturation value.1 μA ⇒ 16:1 increase due to rise in temperature of 40°C. For most applications the silicon diode is the device of choice due to its higher temperature capability. Ge typically has a working limit of about 85 degrees centigrade while Si can be used at temperatures approaching 200 degrees centigrade. Silicon diodes also have a higher current handling capability. Germanium diodes are the better device for some RF small signal applications, where the smaller threshold voltage may prove advantageous.05 μA VF decreased with increase in temperature 1.83:1 Is increased with increase in temperature 1. An “ideal” device or system is one that has the characteristics we would prefer to have when using a device or system in a practical application. Usually, however, technology only permits a close replica of the desired characteristics. The “ideal” characteristics provide an excellent basis for comparison with the actual device characteristics permitting an estimate of how well the device or system will perform. On occasion, the “ideal” device or system can be assumed to obtain a good estimate of the overall response of the design. When assuming an “ideal” device or system there is no regard for component or manufacturing tolerances or any variation from device to device of a particular lot. In the forward-bias region the 0 V drop across the diode at any level of current results in a resistance level of zero ohms – the “on” state – conduction is established. In the reverse-bias region the zero current level at any reverse-bias voltage assures a very high resistance level − the open circuit or “off” state − conduction is interrupted. The most important difference between the characteristics of a diode and a simple switch is that the switch, being mechanical, is capable of conducting current in either direction while the diode only allows charge to flow through the element in one direction (specifically the direction defined by the arrow of the symbol using conventional current flow).65 V RDC = D = = 325 Ω ID 2 mA 3 www. At ID = 15 mA, VD = 0.67 Ω I D 15 mA As the forward diode current increases, the static resistance decreases. VD = −10 V, ID = Is = −0.1 μ A VD = −30 V, ID = Is= −0.1μ A As the reverse voltage increases, the reverse resistance increases directly (since the diode leakage current remains constant).6 Ω ID 10 mA (c) quite close 29. ID = 10 mA, VD = 0.76 V RDC = D = = 76 Ω I D 10 mA ΔVd 0.03 V rd = ≅ = =3Ω ΔI d 15 mA − 5 mA 10 mA RDC >> rd ΔVd 0. ID = 1 mA, rd = = = 55 Ω ΔI d 2 mA − 0 mA ΔVd 0.78 V ID = 15 mA, rd = = =2Ω ΔI d 20 mA − 10 mA ⎛ 26 mV ⎞ 31. ID = 1 mA, rd = 2 ⎜ ⎟ = 2(26 Ω) = 52 Ω vs 55 Ω (#30) ⎝ ID ⎠ 26 mV 26 mV ID = 15 mA, rd = = = 1.73 Ω vs 2 Ω (#30) ID 15 mA ΔVd 0.5 Ω ΔI d 7 mA − 3 mA 4 mA (relatively close to average value of 24.29 Ω ΔI d 14 mA − 0 mA 14 mA 35. Using the best approximation to the curve beyond VD = 0.1 V rav = ≅ = =4Ω ΔI d 25 mA − 0 mA 25 mA 36.75 pF VR = −10 V: CT ≅ 1.033 pF/V ΔVR 10 V − 25 V 15 V (b) VR = −10 V: CT ≅ 1.25 pF VR = −1 V: CT ≅ 3 pF ΔCT 1.88:1 ≅ 6:1 Increased sensitivity near VD = 0 V 37. The transition capacitance is due to the depletion region acting like a dielectric in the reverse- bias region, while the diffusion capacitance is determined by the rate of charge injection into the region just outside the depletion boundaries of a forward-biased device. Both capacitances are present in both the reverse- and forward-bias directions, but the transition capacitance is the dominant effect for reverse-biased diodes and the diffusion capacitance is the dominant effect for forward-biased conditions.3 pF) VD = −20 V, CT = 0. If = = 1 mA 10 kΩ ts + tt = trr = 9 ns ts + 2ts = 9 ns ts = 3 ns tt = 2ts = 6 ns 41. As the magnitude of the reverse-bias potential increases, the capacitance drops rapidly from a level of about 5 pF with no bias. For reverse-bias potentials in excess of 10 V the capacitance levels off at about 1. At VD = −25 V, ID = −0.2 nA and at VD = −100 V, ID ≅ −0. Although the change in IR is more than 100%, the level of IR and the resulting change is relatively small for most applications. Log scale: TA = 25°C, IR = 0.5 nA TA = 100°C, IR = 60 nA The change is significant.5 nA = 120:1 Yes, at 95°C IR would increase to 64 nA starting with 0.1 mA: rd ≅ 700 Ω IF = 1.5 mA: rd ≅ 70 Ω IF = 20 mA: rd ≅ 6 Ω The results support the fact that the dynamic or ac resistance decreases rapidly with increasing current levels. T = 25°C: Pmax = 500 mW T = 100°C: Pmax = 260 mW Pmax = VFIF P 500 mW IF = max = = 714.7 V P 260 mW IF = max = = 371. Using the bottom right graph of Fig.37: IF = 500 mA @ T = 25°C At IF = 250 mA, T ≅ 104°C 48.8 V) The 20 V Zener is therefore ≅ 77% of the distance between 6.8 V and 24 V measured from the 6.6 V) The 5 V Zener is therefore ≅ 44% of the distance between 3.8 V measured from the 3.2 mA: ≅ 400 Ω 1 mA: ≅ 95 Ω 10 mA: ≅ 13 Ω The steeper the curve (higher dI/dV) the less the dynamic resistance.0 V, which is considerably higher than germanium (≅ 0. For germanium it is a 6.7:1 ratio, and for silicon a 2.53 (f) IF ≅ 13 mA Fig. (a) Relative efficiency @ 5 mA ≅ 0.82 (b) Relative efficiency @ 30 mA ≅ 1.38 (c) For currents greater than about 30 mA the percent increase is significantly less than for increasing currents of lesser magnitude. For the high-efficiency red unit of Fig.2 mA 20 mA = °C x 20 mA x= = 100°C 0. The load line will intersect at ID = = = 24.24 mA and VD = 8 V.5 mA VR = E − VDQ = 8 V − 0.2 mA VR = E − VDQ = 8 V − 0.24 mA VR = E − VDQ = 8 V − 0 V = 8 V For (a) and (b), levels of VDQ and I DQ are quite close. Levels of part (c) are reasonably close but as expected due to level of applied voltage E.2 kΩ The load line extends from ID = 2.27 mA to VD = 5 V.7 V, I DQ ≅ 2 mA E 5V (b) ID = = = 10.47 kΩ The load line extends from ID = 10.64 mA to VD = 5 V.8 V, I DQ ≅ 9 mA E 5V (c) ID = = = 27.18 kΩ The load line extends from ID = 27.78 mA to VD = 5 V.5 mA The resulting values of VDQ are quite close, while I DQ extends from 2 mA to 22. Load line through I DQ = 10 mA of characteristics and VD = 7 V will intersect ID axis as 11.2 kΩ VD = 0 V, VR = 30 V Yes, since E  VT the levels of ID and VR are quite close. (a) I = 0 mA; diode reverse-biased.965 A 20 Ω 10 V (c) I = = 1 A; center branch open 10 Ω 6.2 kΩ (b) Diode forward-biased, 8 V − 0. (a) Determine the Thevenin equivalent circuit for the 10 mA source and 2. 2kΩ Diode forward-biased 22 V − 0.51 V (b) Diode forward-biased 20 V + 5 V − 0.