Lý thuyết Mạch và Thiết bị Điện tử – Electronic Devices and Circuit Theory (7th Ed.) - Boylestad & Nashelsky

• Tác giả: Robert Boylestad
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Thiết bị điện tử và lý thuyết mạch
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Địa điểm: Upper Saddle River, New Jersey

Tóm tắt

I. Tổng quan về lý thuyết mạch và linh kiện điện tử Boylestad Nashelsky 7ed

Electronic Devices and Circuit Theory của Robert Boylestad và Louis Nashelsky là giáo trình hàng đầu về lý thuyết mạch điện tử. Ấn bản thứ 7 do Prentice Hall phát hành, cung cấp kiến thức toàn diện từ bán dẫn cơ bản đến phân tích mạch nâng cao. Sách trình bày cấu trúc diode, transistor lưỡng cực BJT, transistor hiệu ứng trường FET, cùng các phương pháp phân tích DC và AC. Nội dung bao gồm 16 chương, mỗi chương đi kèm bài tập thực hành và mô phỏng PSpice. Ấn bản này cập nhật công nghệ mới nhất trong lĩnh vực điện tử. Cách trình bày logic, từ đơn giản đến phức tạp, giúp sinh viên xây dựng nền tảng vững chắc. Sách được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Đây là tài liệu không thể thiếu cho kỹ sư điện tử và sinh viên ngành kỹ thuật điện.

1.1. Cấu trúc nội dung sách lý thuyết mạch điện tử Boylestad

Sách được chia thành ba phần chính. Phần đầu giới thiệu linh kiện bán dẫn: diode, BJT, FET và đặc tính V-A. Phần hai trình bày kỹ thuật phân tích mạch DC bao gồm các mạch bias cố định, phân áp và phản hồi. Phần ba tập trung vào phân tích tín hiệu nhỏ AC với các mô hình tương đương như mô hình re và mô hình hybrid. Mỗi chương đều có mục tiêu học tập rõ ràng và ví dụ minh họa chi tiết.

1.2. Vai trò của sách trong đào tạo kỹ thuật điện tử

Giáo trình Boylestad Nashelsky đóng vai trò nền tảng trong chương trình đào tạo kỹ thuật điện tử tại nhiều trường đại học. Sách cung cấp kiến thức lý thuyết kết hợp thực hành mô phỏng PSpice, giúp sinh viên hiểu sâu nguyên lý hoạt động của linh kiện. Nội dung phù hợp cho cả bậc đại học và sau đại học. Đây cũng là tài liệu tham khảo quý giá cho kỹ sư hành nghề trong lĩnh vực thiết kế mạch điện tử.

II. Phân tích nội dung cốt lõi trong lý thuyết mạch Boylestad Nashelsky 7ed

Ấn bản thứ 7 trình bày các khái niệm cốt lõi về bán dẫn và mạch điện tử một cách hệ thống. Chương về diode giới thiệu vật liệu nội và ngoại lai, mạch tương đương diode, thông số kỹ thuật, điện dung chuyển tiếp và thời gian phục hồi ngược. Phần BJT phân tích cấu hình common-base, common-emitter và common-collector với giới hạn hoạt động chi tiết. Nội dung FET bao gồm JFET, MOSFET loại cạn kiệt và loại tăng cường. Mỗi loại linh kiện đều được mô tả đặc tính tĩnh và động. Sách cũng đề cập đến diode Zener với ứng dụng điều áp và diode phát quang LED. Các mạch chỉnh lưu sóng nửa và sóng đầy, mạch nhân điện áp được trình bày rõ ràng. Phương pháp phân tích dòng tải và xấp xỉ diode giúp đơn giản hóa tính toán thực tế.

2.1. Đặc tính V A của diode và phương trình Shockley

Phương trình Shockley mô tả mối quan hệ giữa dòng và điện áp qua diode: ID = Is(e^(VD/nVT) - 1). Tại điện áp dương, dòng tăng theo hàm mũ. Tại điện áp âm, dòng bão hòa ở giá trị Is. Điện áp nhiệt VT thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính dòng-điện áp. Mạch tương đương diode giúp đơn giản hóa phân tích trong các mạch phức tạp.

2.2. Cấu hình bias cho transistor BJT và FET

Mạch bias cố định sử dụng điện trở RB để đặt dòng cực BJT. Mạch bias ổn định hóa phát xạ dùng điện trở RE để giảm nhạy cảm với biến thiên beta. Mạch phân áp là cấu hình phổ biến nhất nhờ tính ổn định nhiệt tốt. Đối với FET, các cấu hình bias cố định, tự bias và phân áp được trình bày chi tiết. Đường cong bias JFET phổ quát giúp xác định điểm làm việc chính xác.

III. Phương pháp học tập và ứng dụng mô phỏng PSpice trong sách

Sách tích hợp phần mềm mô phỏng PSpice trong mỗi chương, cho phép sinh viên xác minh kết quả lý thuyết bằng mô phỏng số. Phương pháp phân tích dòng tải đồ thị giúp trực quan hóa điểm làm việc của mạch phi tuyến. Các xấp xỉ diode lý tưởng, diode silic và diode germanium đơn giản hóa quá trình tính toán thủ công. Mô hình transistor re sử dụng điện trở phát xạ nội tại để phân tích tín hiệu nhỏ. Mô hình hybrid với các tham số h cung cấp cách tiếp cận chính xác hơn cho phân tích AC. Việc áp dụng lý thuyết vào thiết kế mạch thực tế được nhấn mạnh qua nhiều ví dụ thực hành. Sinh viên cần nắm vững cả lý thuyết lẫn kỹ năng mô phỏng để đạt hiệu quả học tập tối ưu. Cách tiếp cận song song giữa tính toán tay và mô phỏng máy tính tạo nền tảng vững chắc cho nghề nghiệp kỹ thuật.

3.1. Sử dụng PSpice để mô phỏng mạch điện tử

PSpice là công cụ mô phỏng mạch điện tử mạnh mẽ, được tích hợp trong sách Boylestad Nashelsky 7ed. Sinh viên có thể xây dựng sơ đồ mạch, chạy phân tích DC, AC và transient. Kết quả mô phỏng giúp kiểm chứng tính toán lý thuyết và phát hiện lỗi thiết kế. Phần mềm cung cấp đồ thị đặc tính, dạng sóng và bảng dữ liệu chi tiết. Kỹ năng sử dụng PSpice là yêu cầu thiết yếu trong ngành kỹ thuật điện tử hiện đại.

3.2. Kỹ năng phân tích mạch tín hiệu nhỏ AC

Phân tích tín hiệu nhỏ yêu cầu thay thế transistor bằng mô hình tương đương nhỏ tín hiệu. Mô hình re sử dụng β và điện trở phát xạ để tính gain điện áp, trở kháng đầu vào và đầu ra. Mô hình hybrid cung cấp tham số hfe, hie, hoe, hre cho phân tích chính xác hơn. Các cấu hình CE, CB, CC và source-follower có đặc tính khuếch đại khác nhau. Việc chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác và độ phức tạp của mạch.

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

Electronic Devices and Circuit Theory 7th Edition là tài liệu học thuật chuẩn mực cho lĩnh vực điện tử. Nội dung sách bao quát toàn bộ kiến thức từ cơ bản đến nâng cao về linh kiện bán dẫn và mạch điện tử. Ứng dụng thực tế bao gồm thiết kế bộ khuếch đại, mạch nguồn, mạch số và hệ thống điều khiển. Kiến thức về diode Zener phục vụ thiết kế mạch ổn áp. Hiểu biết về transistor switching áp dụng trong kỹ thuật số và điều khiển công suất. LED và các thiết bị quang điện tử ngày càng quan trọng trong đời sống hiện đại. Sách cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc để tiếp cận các chủ đề nâng cao như mạch tích hợp và hệ thống nhúng. Đọc giả hoàn thành giáo trình này sẽ có đủ kiến thức để tham gia các dự án thiết kế mạch điện tử chuyên nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong thiết kế mạch nguồn và khuếch đại

4.2. Hướng phát triển tiếp theo sau khi hoàn thành giáo trình

Sau khi nắm vững nội dung Boylestad Nashelsky, đọc giả nên tiếp tục học mạch tích hợp analog và kỹ thuật số. Các chủ đề nâng cao bao gồm bộ khuếch đại thuật toán, bộ lọc tích cực và bộ chuyển đổi ADC/DAC. Thiết kế mạch công suất với MOSFET và IGBT là hướng phát triển quan trọng. Kiến thức nền tảng từ sách giúp tiếp cận dễ dàng các tài liệu chuyên sâu hơn về điện tử hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

SEVENTH EDITION ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY ROBERT BOYLESTAD LOUIS NASHELSKY PRENTICE HALL Upper Saddle River, New Jersey Columbus, Ohio www.net Contents PREFACE xiii ACKNOWLEDGMENTS xvii 1 SEMICONDUCTOR DIODES 1 1.5 Extrinsic Materials—n- and p-Type 7 1.8 Diode Equivalent Circuits 24 1.9 Diode Specification Sheets 27 1.10 Transition and Diffusion Capacitance 31 1.11 Reverse Recovery Time 32 1.12 Semiconductor Diode Notation 32 1.15 Light-Emitting Diodes (LEDs) 38 1.16 Diode Arrays—Integrated Circuits 42 1.17 PSpice Windows 43 2 DIODE APPLICATIONS 51 2.2 Load-Line Analysis 52 2.3 Diode Approximations 57 v www.4 Series Diode Configurations with DC Inputs 59 2.5 Parallel and Series-Parallel Configurations 64 2.6 AND/OR Gates 67 2.7 Sinusoidal Inputs; Half-Wave Rectification 69 2.8 Full-Wave Rectification 72 2.12 Voltage-Multiplier Circuits 94 2.13 PSpice Windows 97 3 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS 112 3.4 Common-Base Configuration 115 3.5 Transistor Amplifying Action 119 3.6 Common-Emitter Configuration 120 3.7 Common-Collector Configuration 127 3.8 Limits of Operation 128 3.9 Transistor Specification Sheet 130 3.11 Transistor Casing and Terminal Identification 136 3.12 PSpice Windows 138 4 DC BIASING—BJTS 143 4.3 Fixed-Bias Circuit 146 4.4 Emitter-Stabilized Bias Circuit 153 4.5 Voltage-Divider Bias 157 4.6 DC Bias with Voltage Feedback 165 4.7 Miscellaneous Bias Configurations 168 4.9 Transistor Switching Networks 180 4.13 PSpice Windows 199 5 FIELD-EFFECT TRANSISTORS 211 5.2 Construction and Characteristics of JFETs 212 5.3 Transfer Characteristics 219 vi Contents www.7 Depletion-Type MOSFET 228 5.8 Enhancement-Type MOSFET 234 5.13 PSpice Windows 247 6 FET BIASING 253 6.2 Fixed-Bias Configuration 254 6.3 Self-Bias Configuration 258 6.4 Voltage-Divider Biasing 264 6.5 Depletion-Type MOSFETs 270 6.6 Enhancement-Type MOSFETs 274 6.12 Universal JFET Bias Curve 291 6.13 PSpice Windows 294 7 BJT TRANSISTOR MODELING 305 7.2 Amplification in the AC Domain 305 7.3 BJT Transistor Modeling 306 7.4 The Important Parameters: Zi, Zo, Av, Ai 308 7.5 The re Transistor Model 314 7.6 The Hybrid Equivalent Model 321 7.7 Graphical Determination of the h-parameters 327 7.8 Variations of Transistor Parameters 331 8 BJT SMALL-SIGNAL ANALYSIS 338 8.3 Common-Emitter Fixed-Bias Configuration 338 8.3 Voltage-Divider Bias 342 8.4 CE Emitter-Bias Configuration 345 8.3 Emitter-Follower Configuration 352 8.6 Common-Base Configuration 358 Contents vii www.7 Collector Feedback Configuration 360 8.8 Collector DC Feedback Configuration 366 8.9 Approximate Hybrid Equivalent Circuit 369 8.10 Complete Hybrid Equivalent Model 375 8.13 PSpice Windows 385 9 FET SMALL-SIGNAL ANALYSIS 401 9.2 FET Small-Signal Model 402 9.3 JFET Fixed-Bias Configuration 410 9.4 JFET Self-Bias Configuration 412 9.5 JFET Voltage-Divider Configuration 418 9.6 JFET Source-Follower (Common-Drain) Configuration 419 9.7 JFET Common-Gate Configuration 422 9.8 Depletion-Type MOSFETs 426 9.9 Enhancement-Type MOSFETs 428 9.10 E-MOSFET Drain-Feedback Configuration 429 9.11 E-MOSFET Voltage-Divider Configuration 432 9.12 Designing FET Amplifier Networks 433 9.15 PSpice Windows 439 10 SYSTEMS APPROACH— EFFECTS OF Rs AND RL 452 10.2 Two-Port Systems 452 10.3 Effect of a Load Impedance (RL) 454 10.4 Effect of a Source Impedance (Rs) 459 10.5 Combined Effect of Rs and RL 461 10.6 BJT CE Networks 463 10.7 BJT Emitter-Follower Networks 468 10.8 BJT CB Networks 471 10.12 PSpice Windows 481 11 BJT AND JFET FREQUENCY RESPONSE 493 11.3 Decibels 497 viii Contents www.4 General Frequency Considerations 500 11.5 Low-Frequency Analysis—Bode Plot 503 11.6 Low-Frequency Response—BJT Amplifier 508 11.7 Low-Frequency Response—FET Amplifier 516 11.8 Miller Effect Capacitance 520 11.9 High-Frequency Response—BJT Amplifier 523 11.10 High-Frequency Response—FET Amplifier 530 11.11 Multistage Frequency Effects 534 11.12 Square-Wave Testing 536 11.13 PSpice Windows 538 12 COMPOUND CONFIGURATIONS 544 12.7 Current Source Circuits 561 12.8 Current Mirror Circuits 563 12.9 Differential Amplifier Circuit 566 12.10 BIFET, BIMOS, and CMOS Differential Amplifier Circuits 574 12.11 PSpice Windows 575 13 DISCRETE AND IC MANUFACTURING TECHNIQUES 588 13.2 Semiconductor Materials, Si, Ge, and GaAs 588 13.6 Monolithic Integrated Circuit 595 13.7 The Production Cycle 597 13.8 Thin-Film and Thick-Film Integrated Circuits 607 13.9 Hybrid Integrated Circuits 608 14 OPERATIONAL AMPLIFIERS 609 14.2 Differential and Common-Mode Operation 611 14.3 Op-Amp Basics 615 14.4 Practical Op-Amp Circuits 619 14.5 Op-Amp Specifications—DC Offset Parameters 625 14.6 Op-Amp Specifications—Frequency Parameters 628 14.7 Op-Amp Unit Specifications 632 14.8 PSpice Windows 638 Contents ix www.net 15 OP-AMP APPLICATIONS 648 15.1 Constant-Gain Multiplier 648 15.7 PSpice Windows 666 16 POWER AMPLIFIERS 679 16.1 Introduction—Definitions and Amplifier Types 679 16.2 Series-Fed Class A Amplifier 681 16.3 Transformer-Coupled Class A Amplifier 686 16.4 Class B Amplifier Operation 693 16.5 Class B Amplifier Circuits 697 16.7 Power Transistor Heat Sinking 708 16.8 Class C and Class D Amplifiers 712 16.9 PSpice Windows 714 17 LINEAR-DIGITAL ICs 721 17.2 Comparator Unit Operation 721 17.3 Digital-Analog Converters 728 17.4 Timer IC Unit Operation 732 17.5 Voltage-Controlled Oscillator 735 17.6 Phase-Locked Loop 738 17.8 PSpice Windows 745 18 FEEDBACK AND OSCILLATOR CIRCUITS 751 18.2 Feedback Connection Types 752 18.3 Practical Feedback Circuits 758 18.4 Feedback Amplifier—Phase and Frequency Considerations 765 18.6 Phase-Shift Oscillator 769 18.7 Wien Bridge Oscillator 772 18.8 Tuned Oscillator Circuit 773 18.10 Unijunction Oscillator 780 x Contents www.net 19 POWER SUPPLIES (VOLTAGE REGULATORS) 783 19.2 General Filter Considerations 783 19.5 Discrete Transistor Voltage Regulation 792 19.6 IC Voltage Regulators 799 19.1 OTHER TWO-TERMINAL DEVICES Introduction 810 810 20.2 Schottky Barrier (Hot-Carrier) Diodes 810 20.9 Liquid-Crystal Displays 831 20.11 Thermistors 837 21 pnpn AND OTHER DEVICES 842 21.2 Silicon-Controlled Rectifier 842 21.3 Basic Silicon-Controlled Rectifier Operation 842 21.4 SCR Characteristics and Ratings 845 21.5 SCR Construction and Terminal Identification 847 21.7 Silicon-Controlled Switch 852 21.8 Gate Turn-Off Switch 854 21.9 Light-Activated SCR 855 21.16 Programmable Unijunction Transistor 875 Contents xi www.net 22 OSCILLOSCOPE AND OTHER MEASURING INSTRUMENTS 884 22.2 Cathode Ray Tube—Theory and Construction 884 22.3 Cathode Ray Oscilloscope Operation 885 22.4 Voltage Sweep Operation 886 22.5 Synchronization and Triggering 889 22.7 Measurement Using Calibrated CRO Scales 893 22.8 Special CRO Features 898 22.9 Signal Generators 899 APPENDIX A: HYBRID PARAMETERS— CONVERSION EQUATIONS (EXACT AND APPROXIMATE) 902 APPENDIX B: RIPPLE FACTOR AND VOLTAGE CALCULATIONS 904 APPENDIX C: CHARTS AND TABLES 911 APPENDIX D: SOLUTIONS TO SELECTED ODD-NUMBERED PROBLEMS 913 INDEX 919 xii Contents www.net Acknowledgments Our sincerest appreciation must be extended to the instructors who have used the text and sent in comments, corrections, and suggestions. We also want to thank Rex David- son, Production Editor at Prentice Hall, for keeping together the many detailed as- pects of production. Our sincerest thanks to Dave Garza, Senior Editor, and Linda Ludewig, Editor, at Prentice Hall for their editorial support of the Seventh Edition of this text. We wish to thank those individuals who have shared their suggestions and evalua- tions of this text throughout its many editions. The comments from these individu- als have enabled us to present Electronic Devices and Circuit Theory in this Seventh Edition: Ernest Lee Abbott Napa College, Napa, CA Phillip D. Anderson Muskegon Community College, Muskegon, MI Al Anthony EG&G VACTEC Inc. Duane Bailey Southern Alberta Institute of Technology, Calgary, Alberta, CANADA Joe Baker University of Southern California, Los Angeles, CA Jerrold Barrosse Penn State–Ogontz Ambrose Barry University of North Carolina–Charlotte Arthur Birch Hartford State Technical College, Hartford, CT Scott Bisland SEMATECH, Austin, TX Edward Bloch The Perkin-Elmer Corporation Gary C. Mott Community College, Flint, MI Jeffrey Bowe Bunker Hill Community College, Charlestown, MA Alfred D. Buerosse Waukesha County Technical College, Pewaukee, WI Lila Caggiano MicroSim Corporation Mauro J. Caputi Hofstra University Robert Casiano International Rectifier Corporation Alan H. Czarapata Montgomery College, Rockville, MD Mohammad Dabbas ITT Technical Institute John Darlington Humber College, Ontario, CANADA Lucius B. Day Metropolitan State College, Denver, CO Mike Durren Indiana Vocational Technical College, South Bend, IN Dr. Stephen Evanson Bradford University, UK George Fredericks Northeast State Technical Community College, Blountville, TN F. Fuller Humber College, Ontario, CANADA xvii www.net Phil Golden DeVry Institute of Technology, Irving, TX Joseph Grabinski Hartford State Technical College, Hartfold, CT Thomas K. Grady Western Washington University, Bellingham, WA William Hill ITT Technical Institute Albert L. Ickstadt San Diego Mesa College, San Diego, CA Jeng-Nan Juang Mercer University, Macon, GA Karen Karger Tektronix Inc. Kent DeKalb Technical Institute, Clarkston, GA Donald E. King ITT Technical Institute, Youngstown, OH Charles Lewis APPLIED MATERIALS, INC. Donna Liverman Texas Instruments Inc. William Mack Harrisburg Area Community College Robert Martin Northern Virginia Community College George T. Mason Indiana Vocational Technical College, South Bend, IN William Maxwell Nashville State Technical Institute Abraham Michelen Hudson Valley Community College John MacDougall University of Western Ontario, London, Ontario, CANADA Donald E. McMillan Southwest State University, Marshall, MN Thomas E. Bates Vocational-Technical Institute, Tacoma, WA Byron Paul Bismarck State College Dr. Robert Payne University of Glamorgan, Wales, UK Dr. Powell Oakland Community College E. Rockafellow Southern-Alberta Institute of Technology, Calgary, Alberta, CANADA Saeed A. Shaikh Miami-Dade Community College, Miami, FL Dr. Noel Shammas School of Engineering, Beaconside, UK Ken Simpson Stark State College of Technology Eric Sung Computronics Technology Inc. Szymanski Owens Technical College, Toledo, OH Parker M. Tabor Greenville Technical College, Greenville, SC Peter Tampas Michigan Technological University, Houghton, MI Chuck Tinney University of Utah Katherine L. Usik Mohawk College of Applied Art & Technology, Hamilton, Ontario, CANADA Domingo Uy Hampton University, Hampton, VA Richard J. Walters DeVry Technical Institute, Woodbridge, NJ Larry J. Wheeler PSE&G Nuclear Julian Wilson Southern College of Technology, Marietta, GA Syd R. Wilson Motorola Inc. Jean Younes ITT Technical Institute, Troy, MI Charles E. Yunghans Western Washington University, Bellingham, WA Ulrich E. Zeisler Salt Lake Community College, Salt Lake City, UT xviii Acknowledgments www.net p n CHAPTER Semiconductor Diodes 1 1.1 INTRODUCTION It is now some 50 years since the first transistor was introduced on December 23, 1947. For those of us who experienced the change from glass envelope tubes to the solid-state era, it still seems like a few short years ago. The first edition of this text contained heavy coverage of tubes, with succeeding editions involving the important decision of how much coverage should be dedicated to tubes and how much to semi- conductor devices. It no longer seems valid to mention tubes at all or to compare the advantages of one over the other—we are firmly in the solid-state era. The miniaturization that has resulted leaves us to wonder about its limits. Com- plete systems now appear on wafers thousands of times smaller than the single ele- ment of earlier networks. New designs and systems surface weekly. The engineer be- comes more and more limited in his or her knowledge of the broad range of advances— it is difficult enough simply to stay abreast of the changes in one area of research or development. We have also reached a point at which the primary purpose of the con- tainer is simply to provide some means of handling the device or system and to pro- vide a mechanism for attachment to the remainder of the network. Miniaturization appears to be limited by three factors (each of which will be addressed in this text): the quality of the semiconductor material itself, the network design technique, and the limits of the manufacturing and processing equipment.2 IDEAL DIODE The first electronic device to be introduced is called the diode. It is the simplest of semiconductor devices but plays a very vital role in electronic systems, having char- acteristics that closely match those of a simple switch. It will appear in a range of ap- plications, extending from the simple to the very complex. In addition to the details of its construction and characteristics, the very important data and graphs to be found on specification sheets will also be covered to ensure an understanding of the termi- nology employed and to demonstrate the wealth of information typically available from manufacturers. The term ideal will be used frequently in this text as new devices are introduced. It refers to any device or system that has ideal characteristics—perfect in every way. It provides a basis for comparison, and it reveals where improvements can still be made. The ideal diode is a two-terminal device having the symbol and characteris- Figure 1.1 Ideal diode: (a) tics shown in Figs.