Giáo trình Điện tử cơ bản (ôn tập – công thức)

1GT. ĐIỆN TỬ CƠ BẢN ƠN TẬP – CƠNG THỨC 2A. Các định luật mạch điện • Định luật Kirchhoff về thế , về dịng • Định lý Thevenin VTH, RTH, Norton IN, RN = RTH • Cơng thức cầu chia thế • Cơng thức cầu chia dịng • Nguyên lý chồng chập (xếp chồng) y= y1(t) + y2(t) 1 0 n j j i   1 0, n k k V   Mạch x1 x2 3B.Cách hoạt động và cơng thức linh kiện • Nối pn- Diod • MOSFET • BJT • Op.Amp. 41. MOSFET 5• Biểu thức điện thế và dịng điện a.Biểu thức điện thế Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm cĩ VDSbh cho bởi: VDSbh = VGS – VTH (1). b. Biểu thức dịng điện thốt ID. - Trong vùng điện trở : VGS < VTH hay VDS < VGS – VTH ta cĩ ID = k[ 2( VGS-VTH)VDS – (VDS) 2] (2) - Trong vùng bão hồ :VGS >VTH hay VDS > VGS-VTH ta cĩ : ID = k(VGS – VTH ) 2 (3) k=K/2 hằng số tuỳ thuộc linh kiện . Transistor nối lưỡng cực-BJT • Cơng thức dịng điện • Phân cực: - Tính điểm tĩnh điều hành ( IB,IC, VCE) - Đường tải tĩnh (DCLL) • Khuếch đại ( chế độ động, AC): • - Tính Ri, AV, AI, Ro • Ba cách ráp: CE, CB, CC ( hay EF) 6 1 E C B C E C B I I I I I I I            7.Biểu thức dịng điện trong BJT ( ráp CE) • Theo định luật Kirchhoff ta cĩ: IE = IB + IC (1) • Theo cách hoạt động của BJT vừa xét cĩ: IE = InE + IpE = InE (2) IC = Inc + Ico (3) Gọi hệ số truyền đạt dịng điện phát – thu : số đ t td đến cực thu InC IC sốđttd phát đ từ cực phát InE IE Thay vào (3) cho: Ic = IE + ICO = IE + ICBO (4)     1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 8.Cách ráp cực phát chung ( CE-common emitter) Do: Tín hiệu vào nền – phát BE Tín hiệu ra thu – phát CE Cả 2 ngõ vào và ra cĩ cực phát chung Vo+ - vi Q RB RC Ci Co RL + VBB + VCC 9Mạch tương đương (AC)   1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 CB E - vce + - vbe + Bib ic - e - vce c + vbe B + rbb rc re rbe rc ib ie ib ic 10 C. Phân tích các thành phần phi tuyến • Cách gần đúng thứ nhứt • Cách gần đúng thứ hai • Cách gần đúng thứ ba • Phương pháp giải tích • Phương pháp đồ thị           2 2 2 1 .... 2! D D D D D D D D D DD D df v d f v i f V v v v V v Vdv dv              DD D D D DD df v i f V v v Vdv     11 12 D. Cổng logic • Các định luật đại số Boole • Phương pháp rút gọn hàm logic • Các cổng logic: AND, OR, NAND, NOR • Logic tổ hợp • Logic tuần tự vGS> VTH S = 1VVT ON G D vGS<VTH S OFF D G iDS 13 Inverter (Mạch Đảo) V DD = 5 V R L B A v out 5V 0 V T =1V 5V v in =/ABA 14 Cách hoạt động chế độ giao hốn • Khi khơng cĩ xungvào:MOSFET khơng dẫn . Ta cĩ: +VDD RD Vo • Khi cĩ xung vào: MOSFET dẫnR RDS(off) Ta cĩ: +VDD Vo RDS(ON)   ( ) ( ) ( ) 20 20 1 DS DD OHo DD D DS offR off V VV V offR R V V k           ( ) ( ) 0 ( ) 10 20 0,198 0,2 1 10 DS OLo DD D DS onR on V VV V onRR V V V k           15 Mức điện thế logic qui định của MOSFET: V OH max V IHmax V OHmin NM V IHmin NM V ILmax V OLmax V OLmin V ILmin 1 V OH 1 V OH min V IHmin Sender Receiver V IL max 0 V OL max 0 0 0 Không xác định Mức logic 1 Mức logic0 Mứùc logic1 Không xác định Mức logic 0 Không xác định Lề nhiễu Lề nhiễu max min min max OH OL IHNMH NML IL V V V V V V     16 • Hàm số truyền ra – vào vo Vo = f(vi) VS VOH VOL 0 VTHVIL VIH VS vi(V) vo(V) 5V 4,4 V 0,5V 0 1 1,6 3,2 5 Vi(V) Thí dụ: Cho Vs = 5V, VOH =4,4V, VOL = 0,5V ViH = 3,2V, ViL=1,6C 17 E. Khuếch đại tín hiệu lớn • MOSFET • Điện thế ra cho bởi 1 1 2 L S TH I TH L KR V V v V KR       Dải điện thế ngõ vào cực đại: Dải điện áp ra cực đại: Dải dong thoát tương ứng: 1 1 2 L S S L KR V V KR       2 0 2 THI K v V  GS TH THDS GS v V v v V      2 2 i TH L O S K v V R v V    18 Độ lợi điện thế còn gọi là hàm số truyền: Vs vo cutoff Biên độ của v o vùng (v i – V TH ) độ dốc lớn Vs hơn một MOSFET trong vùng bảo hoà V TH v i với ( v O > v i – V TH và v i V TH ) Vùng diod (v o <(v i – V TH và v i V TH ) V TH v i   2 S i TH LO V i i V K v V Rv A v v        19 • Dưới dạng: • Với thành phần DC và thành phần gia tăng: • Đồ thị biểu diễn: iDS Nhận xét: iD Ids Điểm phân cực ID Vgs gm hệ số hỗ dẫn Vá: VGS = VI 0 vTH VI vi vGS     2 2 I TH D D d I TH i K V V i I i K V V v           2 , 2 D I TH d I TH i K I V V i K V V v       2 2 GS TH K v V     2 . ., 2 D I TH d I TH i m i K I V V h s DCbias i K V V v g v       20 Thí dụ 2 : Cho mạch khuếch đại MOSFET như thí dụ 1, MOSFET hoạt động trong điều kiện bảo hoà với dải điện thế vào 1V 1,9V, ta phải chọn điện thế vào điểm hoạt động tại trị số trung tâm dải động đó, gọi V i = 1,45V. Sự chọn lựa này được biểu diễn trên hình vẽ lại dưới đây: i D (mA) 0,5 0,41 V GS = 1,9V Điểm hoạt động Q(4V, 0,1 mA) 0,1 v GS = 1,45V v GS = 1 V 0 0,9 4 5 v DS Ta biết ngõ ra thay đổi giữa 0,9V và 5V khi ngõ vào thay đổi giửa 1V và 1,9V. 21 Tính được điện thế ngõ ra: vo Và: 5V 4V [1,45V,4V] Do đó điểm hoạt động của mạch 0,9V khuếch đại: 0 1V 1,45V 1,9V v I V I = 1,45V 0,45 0,45 V O = 4V I D = 0,1 mA Điểm hoạt động đó làm cực đại trị số đỉnh – đỉnh điện thế vào đu đưa (swing) Để cho mạch khuếch đại hoạt động dưới điều kiện bảo hoà.     2 2 3 4 1,45 1 5 10 10 2 2 4 i TH O S L v V v V K R V           3 2 21.10 1,45 1 2 2 0,1 D i TH K i v V mA       vO=vI -VTH • Mạch SF ( Source Follower) hay DC (Drain common) 22 Mạch theo nguồn (SF- Source Follower) Còn gọi là mạch đệm (buffer), mạch hoạt động trong vùng bảo hoà. Tại nút ngõ ra cho:  1oo D S D S v v i R i R    i o THv v V  23 G. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ • Dịng điện hoạt động ngõ ra ID được tinh trực tiếp hệ thức đặc tính MOSFET như: • • Điện thế hoạt động ngõcung cấp ra cĩ được bằng cách áp dụng định luật Kirchhoff cho vịng bao gồm nguồn, MOSFET, và RL như sau: •   2 2 D I TH K I V V  vo vs + - vi iD=K(vi-VTH)2/2 RL vo + - vi ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs RL   2 2 O S D L S I TH L V V I R K V V V R      24 • Do đĩ, độ lợi tín hiệu nhỏ cho: • Với : là hệ số hỗ dẫn của MOSFET.       2 2 2 . . 2 DS GS TH ds GS TH gs GS TH gs v V GS GSGS m gs K i v V K i v V v K V V v v g v                vo + - vi ids=K(VGS-VTH)vgs ids=gmvgs RL  o I TH L i m L v K V V R v g R       GSm THg K V V GS Iv v 25 • MOSFET • Khi cĩ tín hiệu vào vI = vGS:   2 . 2 O L o S I TH i I II I dv d R K v V v V v v Vdv dv                .o I TH L i I I I TH L i m L i o V m L i m I TH v K v V R v v V K V V R v g R v v A g R v g K V V               26 6. 5 Điện trở ngỏ vào, ngỏ ra , Độ lợi dịng điện và độ lợi cơng suất • Mạch tương đương (AC) • Tổng trở (Điện trở) ngỏ vào: 27 • Điện trở ra  Độ lợi dịng  Vì Ri = nên độ lợi dịng cũng bằng vơ cực 28  • Độ lợi cơng suất • Vì Ri = nên độ lợi cơng suất cũng vơ hạn. • Tuy nhiên , trong mạch thực tế, điện trở ngõ vào và độ lợi cơng suất là hữu hạn ( xác định) . 29  • Thí dụ : Mạch theo nguồn (SF) • Xét mạch: • Và mạch điện tương đương (AC): Tính được: Trong đĩ vgs = vi – vo thay vào trên cho: 30 • Sắp xếp lại cho: Cho thấy độ lợi thế nhỏ hơn 1. • Trường hợp đặc biệt quan trọng khi RL rất lớn, khi RL  : và khi cĩ thêm gm Rs >>1 , cho:  Ta sẽ thấy vì sao mạch SF hữu dụng khi xét điện trở vào và điện trở ra (xem ở sau) 31  • Điện trở vào và điện trở ra tín hiệu nhỏ • Điện trở vào rất bằng vơ hạn ( vơ cực) vì dịng vào MOSFET bằng khơng . • Điện trở ra được tính theo h. : • Áp dụng KCL tại nút a: • Sắp sếp lại và đơn giản cho: Do đĩ: gmRL, và RS rất lớn , RL+RS trở nên khơng đáng kể so với gmRLRS, nên: : vì gm rất lớn nên ro rất bé, và Ai tất lớn (đặc điểm của mạch buffer) 32 33 Mạch tương đương BJT   1 1 (5) 1 1 C BB CO CO II II I                      1 1 1; 1 CB E - vce + - vbe + Bib ic - e - vce c + vbe B + rbb rc re rbe rc ib ie ib ic 34 • 2. Phân giải chế độ động- AC (ráp CE) Ta cĩ mạch tương đương tín hiệu nhỏ Tính được: Độ lợi thế: Độ lợi dịng: Tổng trở vào: Tổng trở ra: o C b v be b C C be e v R i A v r i R R r r          o i fe i i A h i    i be b i be e i b v r i r r r i i       o o ce C C o v r r R R i    fe be e ie T e CQ h r r h V r I       bi - vo + =vce vi + hfeib - RB rbe Rc ro ib 35 H. DIOD Khi phân cực thuận : V > 4V T  exp(V/V T >>1 : I D =I F = I s exp(V/V T ) lớn  Khi phân cực nghịch: V << 4V T exp(-V/V T ) <<1: I D = I R =-I S 2. Đặc tuyến Ampe-Volt Ta có đường biểu diễn : I D Vz 0 0,6 V V D I zk I zM 36 Điện trở nối pn I D a.Điện trở tĩnh I D Q 0 V D V b.Điện trở động: D D D Q V R I  D D d D DQ Q V dV r I dI     37 Phân cực thuận  Diod dẫn Phân cực nghịch Diod ngưng 38 I. Mạch RC và RL • Phương trình vi phân bậc nhất • Phương trình đặc trưng • Nghiệm tự do (quá độ) • Nghiệm xác lập (cưỡng bức) • Nghiệm tổng cộng (điều kiện ban đầu bằng zero)        1 c c s c ctd cxl t s t s dv RC v V dt v t v t v t Ke V V e RC                          1 s td xl t S ts s di t L Ri t V dt i t i t i t V Ke R V e R L R                39 Các thành phần lưu trạng thái • Tụ điện, cuộn cảm • Tụ MOS • Các mạch FlipFlop • Cơng thức: - Tụ nạp điện: - Tụ xã điện:             0 , 0 C C I t C Cf Ci Cf v t f v v t v t V v V e        tcv t Ve  40 Thiết kế phần tử nhớ A. Mạch thử lần đầu Phần tử nhớ v C trị số lưu trử 5V luôn bị rĩ V OH Độ rộng xung store >> R ON C T t store storage node dOUT dIN C =1store storage node dOUTdIN C =0store storage node dOUTdIN C RL 5. ln 5 Lt R C C OH L v e V T R C    dOUT* store dIN CM 41 buffer =0store RIN dOUTdIN CM RL buffer =0store RIN dOUTdIN CM RL Rp /Storage buffer =0store RIN dOUT dIN * CM dOUT /store store dIN * CM 42 K. Trạng thái dừng sinus - Mạch lọc • Mạch RC, RL, RLC • Hàm số truyền H(s) • Đáp ứng tần số • Mạch lọc 1 R L C Z R Z j L j Z j C C         + - - Vi + - - vI C i(t) vc + R =RZR =1/jwC Zc Vc Ic + 1 1 1 1 C c i i C R c i Z j C V V V Z Z R j V C V j RC            43 + - Viexp(jwt) Vicoswt Vr L Vrcos(wt+/_Vr) C Vrexp(jwt) R - Ir + Thí dụ : Mạch RLC 2 1 1 R r i i L C r i R Z R V V V Z Z Z j L R j j CR C V V LC j CR                44 Mạch lọc • Định nghĩa: • Mạch lọc là mạch cĩ nhiệm vụ cho qua hoặc loại bỏ một tần số hoặc một dải tần số theo mong muốn. • Phân loại: • 1. Mạch lọc thấp qua ( Hạ thơng – LPF)) • 2. Mạch lọc cao qua (thượng thơng- HPF) • 3. Mạch lọc dải thơng ( BPF) • 4. Mạch lọc dải loại ( BSF) • Vo(t) vo(t) vo(t) vo(t) • f f f f 45 Mạch Op. Amp. • Cấu trúc mạch OP.Amp. • Đặc tính mạch Op.Amp. • Cơng thức cơ bản : - Khuếch đại đảo - Khuếch đại khơng đảo • Các mạch làm tốn: - Mạch nhân - Mạch tổng - Mạch trừ (mạch khuếch đại vi sai) - Mạch tích phân, Mạch vi phân - Mạch lấy logarit, mạch lấy antilogarit • Các mạch khác : mạch lọc, mạch so sánh. F V I R A R   1 FV I R A R   46 . Mạch làm tĩan 1.Mạch nhân vo = - kvi với k = - RF / RI + _ R F i in v + + – R I v – iI iF v S v out + – 47 2. Mạch cộng ( tổng) Áp dụng nguyên lý chồng chất, cho: 48 3. Mạch trừ - Mạch khuếch đại vi sai + _ + _ R 1 + – ì R 3 R F i1 v1 v2 iF v out + – 49 • Mạch khuếch đại trừ cịn được thực hiện như sau: • Nếu chọn R1 = R2 = RF ta cĩ: Vo =V1 – V2 -v1 vo v2 v1 O.A .1 O.A.2 R2 R1 RF R R   1 2 1 2 1 2 - F F o O O R R V V V V V R R           50 • 4.Mạch tích phân • Ta cĩ : dq = iF dt dq = C dvc = Cdvo  iF = C dvo / dt ( 1) Mặt khác : ii = -iF và ii = vi / R ( 2)  Thay (2) vào (1) :   1 0O O i Oi i dv RCv Ri dt dtv v v RC       51 5. Mạch vi phân: • Theo trên ta cĩ: dq = C dvc = Cdvi dq = iit  ii = Cdvi / dt và ii = iF = -Vo /R  0Vvi vo Op-Amp3C R ii iF i O dV RCV dt   52 L. Năng lượng và cơng suất • Năng lượng • Cơng suất • Cơng suất của MOSFET • Cơng suất tiêu tán của CMOS ( cơng suất tĩnh = 0 ) • Cơng suất tiêu tán của BJT Cơng suất tĩnh của MOSFET khi dẫn: Cơng suất của cổng Inverter 2 S static L ON V P R R         2 2 2 2 2 2 2 2 S static L ON S L L S L L dynamic L ON L ON V P R R V R C V R C f P R R T R R       53 M. Chuyển đổi năng lượng • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC • Mạch chỉnh lưu • Mạch chỉnh lưu và lọc • Mạch ổn áp Zener • IC ổn áp tuyến tính • Bộ cấp điện DC • Mạch ổn áp chuyển mạch ( giao hốn) 54 Khái niệm chuyển đổi cơng suất • Chuyển đổi AC – DC • Chuyển đổi DC – DC + 220 V 5 VDC 50Hz - 3V + solar cell 5 VDC battery - Hiệu suất cơng suất của bộ chuyển đổi quan trọng thường dùng một lơ linh kiện sau: Bậc MOSFET, tụ điện, cuộn cảm, diod,Op. amp. PCC PCC 55 Các mạch diod I. Mạch chỉnh lưu 1.Chỉnh lưu bán kỳ( H.1) V DC 0 II 2II VLDC = 0,318Vp 56 2.Chỉnh lưu toàn kỳ ( toàn sóng) a. Chỉnh lưu toàn kỳ 2 diod Vip Vip n1: n2 D1 D2 VL RL i1 i2 VLDC = 0,636 Vp 57 b.Cầu chỉnh lưu ( 4Diod) Xét mạch chỉnh lưu toàn kỳ 4 diod : VoDC D4 D2D3 D1 =Vpsinwt Viac 50Hz Bridge RL ILDC 58 3.Mạch lọc a. Mạch lọc trong chỉnh lưu bán kỳ  Do tụ lọc có trị số lớn,nên dạng sóng nạp nhanh và xã chậm , nên dạng sóng ra khá thẳng ( phẳng)  Ta có hình vẽ sau ( với cách vẽ phóng đại):  V cmax =V p V rp V rpp 0 II Vc min V LDC 4II 59  Dạng sóng ngõ ra mạch chỉnh lưu và lọc toàn kỳ: V cmax = V p V rp V rpp V LDC T 2 =T V cmin 60 1 0,01 1 1 2 0,011 2 LDC p p L L p rp p L L V V V f C CR R V V V f C CR R                 1 0,005 1 1 4 0,0051 4 LDC p p L L p rp p L L V V V f C CR R V V V f C CR R                 1. Chỉnh lưu và lọc bán kỳ 2.Chỉnh lưu tồn kỳ 61 Bộ cấp điện DC 1.Bộ cấp điện đơn giản  Macïh gồm các thành phần chủ yếu sau: V AC Điện thế khu vực  Trong hầu hết các thiết bị điện tử bán dẫn đều sử dụng biến thế hạ thế . Biến thế Ch.lưu Lọc Tải 62 2.Bộ cấp điện ổn định đơn giản a.Mạch điện: Rs điện trở giới hạn dòng R L điện trở tải 63 Các cơng thức mạch ổn áp Zener • Điện thế ngõ ra: VODC = VLDC = VZ • Dịng điện: I1 = IZ + IL  I1 = (ViDC – VZ) / RS IL = VLDC / RL IZ = I 1 - IL • Cơng suất tiêu tán :PZ= VZ IZ < PZM PRS = I 1 2 RS PL = VL 2 / RL 64 Ổn áp chuyển mạch 1. Bộ tăng thế • Mạch nguyên tắc Tải Có 3 trạng thái 1. S dẫn, diod ngưng 2. S khởi ngưng, diod khởi dẫn, C nạp, vo tăng 3. S ngưng, , diod khởi ngưng, C giử vững vo ( xã qua tải ) 65 Để giử vửng vo, ta phaỉ điếu khiển thời gian S dẫn/ ngưng T + Vref Tp Cách điều chế độ rộng xung (PWM) cho: - Nếu (vo – vref) tăng thì T giảm, Vo giảm lại để giử vo không đổi - Nếu (vo –vref) giảm thì T tăng, Vo tăng lên để giử vo không đổi + vo - + - VI L C DIODE Tải Điều khiển thay đổi T 66 2 Mạch hạ thế 1. Mạch cơ bản