dien tu-tuong-tu

Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự

§1. CHẤT BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT VÀ CHẤT BÁN DẪN TẠP CHẤT

1. Chất bán dẫn nguyên chất (chất bán dẫn thuần)

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Si (14) và Ge (32), chúng có đặc điểm chung là ở

lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị. Ta xét nguyên tử Si trong mạng tinh thể .

Khi vật liệu Si đƣợc chế tạo thành

tinh thể thì từ trạng thái xắp xếp lộn

xộn chúng trở thành trạng thái hoàn

toàn trật tự. Khi đó khoảng cách giữa

các nguyên tử cách đều nhau.

- Bốn điện tử lớp ngoài cùng của

một nguyên tử không những chịu sự

ràng buộc với hạt nhân của chính

nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn

nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp

chung.

- Mỗi một điện tử trong đôi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân của

nó vừa chuyển động trên quỹ đạo của điện tử góp chung. Sự liên kết này đƣợc gọi là

liên kết đồng hoá trị.

Ở nhiệt độ xác định, do chuyển động nhiệt, một số điện tử góp chung dễ dàng

tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do, đó là hạt dẫn điện tử.

- Khi một điện tử tách ra trở thành điện tử tự do thì để lại một liên kết bị khuyết (lỗ

trống). Khi đó các điện tử góp chung ở đôi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống đó tạo

thành sự di chuyển của các điện tử góp chung. Sự di chuyển này giống nhƣ sự di

chuyển của các điện tích dƣơng, đó là sự di chuyển của lỗ trống.

Nhƣ vậy, lỗ trống cũng là loại hạt mang điện. Khi đặt một điện trƣờng lên vật

liệu bán dẫn thì xuất hiện hai thành phần dòng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện

do các điện tử tự do chuyển động có hƣớng và thành phần dòng điện lỗ trống do điện

tử góp chung dịch lấp lỗ trống. Điện tử tự do mang điện âm, lỗ trống mang điện

dương.

Các điện tử chuyển động ngƣợc chiều với véc tơ cƣờng độ điện trƣờng còn các lỗ

trống thì chuyển động cùng chiều tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Lỗ trống

Điện tử tự do

Liên kết đồng hoá trị


* Nhƣ vậy: Bán dẫn mà dẫn xuất đƣợc thực hiện bằng cả hai loại hạt mang điện (điện

tử tự do và lỗ trống) có số lƣợng bằng nhau đƣợc gọi là chất bán dẫn thuần (bán dẫn

nguyên chất).

2. Chất bán dẫn tạp chất

Để nâng cao tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn, ta thực hiện pha thêm tạp chất

vào chất bán dẫn nguyên chất, gọi là chất bán dẫn tạp.

2.1. Chất bán dẫn tạp loại P

Ta pha thêm tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn

(Ga, In…) vào trong mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó trong mạng tinh thể, một

số nguyên tử Ga sẽ thay thế vị trí một số nguyên tử Si, ba điện tử hoá trị của Ga sẽ

tham gia vào ba mối liên kết với ba nguyên tử Si bên cạnh, còn mối liên kết với

nguyên tử Si thứ tƣ bị thiếu một điện tử đƣợc coi nhƣ một lỗ trống. Các mối liên kết bị

thiếu một điện tử này dễ dàng đƣợc lấp đầy bởi một điện tử đƣợc bắn ra từ các mối

liên kết bên cạnh bị phá vỡ, nhƣ vậy lỗ trống có thể di chuyển đƣợc, tạo thành dòng

điện.

- Khi nhiệt độ tăng lên số mối

liên kết bị phá vỡ càng nhiều làm cho

số lƣợng điện tử tự do và lỗ trỗng

tăng. Nhƣng ở bán dẫn có pha thêm

các tạp chất thuộc nhóm III thì số

lƣợng các lỗ trống bao giờ cũng lớn

hơn số lƣợng các điện tử tự do.

* Nhƣ vậy:

Vật liệu bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các lỗ trống gọi là chất

bán dẫn tạp loại P. Lỗ trống gọi là hạt dẫn điện đa số. Điện tử tự do là hạt dẫn điện

thiểu số.

2.2. Chất bán dẫn tạp loại N

Ta pha thêm các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (As, P…) vào

trong cấu trúc mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó một số nguyên tử P sẽ thay thế

một số vị trí nguyên tử Si trong mạng tinh thể.

Si

Si

Si

Si

Ga

a Si

Si

Si

Si

Lỗ trống

Điện tử tự do

Cặp điện tử tự do-lỗ trống

+3


Nguyên tử P có năm điện tử hoá

trị, bốn trong năm điện tử hoá trị sẽ

tham gia vào bốn mối liên kết với bốn

nguyên tử Si đứng xung quanh nó, còn

điện tử hoá trị thứ năm không tham

gia vào mối liên kết nào mà chịu sự

ràng buộc rất yếu với hạt nhân, chúng

dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt

nhân để trở thành các điện tử tự do và

sẽ tham gia vào việc vận chuyển dòng

điện.

Khi nhiệt độ tăng lên, số mối liên kết bị phá vỡ càng tăng sinh ra nhiều cặp điện tử

tự do - lỗ trống. Nhƣng ở chất bán dẫn pha thêm tạp chất thuộc nhóm V thì số lƣợng

các điện tử tự do bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các lỗ trống.

* Nhƣ vậy, loại bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các điện tử tự

do gọi là chất bán dẫn tạp loại N. Điện tử tự do là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn

thiểu số.

§2. TIẾP GIÁP P - N. TÍNH CHẤT CHỈNH LƢU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN

1. Tiếp giáp P-N khi chƣa có điện trƣờng ngoài

Khi cho hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc

công nghệ với nhau, giữa hai khối bán dẫn hình

thành một mặt tiếp xúc P-N, do sự chênh lệch về

nồng độ hạt dẫn giữa hai khối sẽ xảy ra sự

khuyếch tán. Các lỗ trống ở khối P sẽ khuyếch

tán sang khối N và các điện tử từ khối N sẽ

khuyếch tán sang khối P.

Kết quả làm cho bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối P nghèo đi về điện tích dƣơng và

giàu lên về điện tích âm. Bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối N mất điện tích âm và nhận

thêm lỗ trống nên tích điện dƣơng. Nếu sự chênh lệch về nồng độ các loại hạt mang

điện ở hai khối này càng lớn thì sự khuếch tán diễn ra càng mạnh.

P N

- - - -

+ + + + Et.xúc Ik.tán

Itrôi

Mặt tiếp xúc

Ut.xúc

l0

U

Si

Si

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Điện tử tự do +5


Kết quả: Hai bên mặt tiếp giáp hình thành nên điện trƣờng vùng tiếp xúc Etx có

chiều hƣớng từ khối N sang khối P. Điện trƣờng tiếp xúc này cản trở sự khuyếch tán

của các hạt mang điện đa số từ khối này sang khối kia. Khi Etx cân bằng với lực

khuyếch tán thì trạng thái cân bằng động xảy ra. Khi đó vùng điện tích không gian

không tăng nữa, vùng này gọi là vùng nghèo kiệt (vùng thiếu vắng hạt dẫn điện) đó là

chuyển tiếp P-N bao gồm các ion không di chuyển đƣợc. Khi cân bằng động, có bao

nhiêu hạt dẫn điện khuyếch tán từ khối này sang khối kia thì cũng bấy nhiêu hạt dẫn

đƣợc chuyển trở lại qua mặt tiếp xúc, chúng bằng nhau về trị số nhƣng ngƣợc chiều

nhau nên chúng triệt tiêu nhau, kết quả dòng điện qua tiếp xúc P-N bằng 0.

Kết luận: Không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp P – N khi chƣa có điện trƣờng

ngoài.

2. Tiếp giáp P- N khi có điện trƣờng ngoài

2.1. Trường hợp phân cực thuận

Đặt điện áp một chiều vào tiếp giáp P-N sao cho cực dƣơng nối vào khối P, cực

âm nối vào khối N. Điện áp này tạo ra một điện trƣờng ngoài Eng có chiều hƣớng từ

khối P sang khối N. Khi đó điện trƣờng ngoài Eng có chiều ngƣợc với điện trƣờng vùng

tiếp xúc Etx nên điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc giảm.

E = Etx – Eng giảm. Khi đó bề rộng

vùng nghèo giảm làm cho sự khuyếch tán

diễn ra dễ dàng. Các hạt mang điện đa số dễ

dàng khuyếch tán từ khối này sang khối kia.

Do mật độ hạt mang điện đa số lớn nên dòng

khuyếch tán Ikt lớn, dòng điện này gọi là

dòng điện thuận Ith. Ta nói tiếp giáp P-N

thông.

Trong đó:

l0: Bề rộng vùng nghèo khi chƣa có điện trƣờng ngoài

l‟0: Bề rộng vùng nghèo khi phân cực thuận

Do số lƣợng hạt dẫn thiểu số ít, nên dòng điện trôi dạt rất nhỏ, Itr 0. Điện trở

tiếp giáp P- N trong trƣờng hợp này gọi là điện trở thuận, có giá trị nhỏ Rth 0.

P N

- - - -

+ + + + Et.xúc

l0‟

Ut.xúc

Ut.xúc - Ungoài

U

Engoài

(+) (-)

IThuận

l0

Ungoài


2.2. Trường hợp phân cực ngược

Đặt cực dƣơng vào khối N, cực âm vào

khối P. Khi đó Eng cùng chiều với Etx nên

điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc tăng, do đó

bề rộng vùng nghèo tăng, nó ngăn cản các hạt

dẫn đa số khuếch tán từ khối này sang khối

kia, do vậy dòng khuếch tán coi Ikt = 0. Dòng

điện trôi có giá trị nhỏ do số hạt dẫn thiểu số

rất ít, Itr = 0, nên dòng điện qua tiếp giáp P-N

khi phân cực ngƣợc có giá trị bằng 0.

Ta nói tiếp giáp P-N bị khoá, trong trƣờng hợp này tiếp giáp P-N coi nhƣ một

điện trở có giá trị vô cùng lớn gọi là điện trở ngƣợc, Rng .

* Nhƣ vậy: Tiếp giáp P-N chỉ có tác dụng dẫn điện theo một chiều (từ khối P

sang khối N) khi đƣợc phân cực thuận. Tính chất này gọi là tính chất van hay tính chất

chỉnh lƣu, đó là tính chất chỉnh lƣu của điốt bán dẫn.

3. Điốt bán dẫn.

3.1. Cấu tạo, kí hiệu.

Điốt thực chất là một tiếp giáp P-N. Điện cực nối với khối P đƣợc gọi là Anốt (ký

hiệu là A), điện cực nối với khối N gọi là Katốt (ký hiệu là K), toàn bộ cấu trúc trên

đƣợc bọc trong một lớp vỏ bằng kim loại hay bằng nhựa.

* Nguyên lý làm việc: Chính là các hiện tƣợng vật lý xảy ra ở tiếp giáp P-N trong

các trƣờng hợp: chƣa phân cực, phân cực thuận và phân cực ngƣợc đã xét ở trên.

3.2. Đặc tuyến V-A.

Đặc tuyến V-A đƣợc chia làm 3 vùng:

+ Vùng : Ứng với trƣờng hợp phân cực

thuận. Khi tăng UAK , lúc đầu dòng tăng từ từ,

sau khi UAK > U0 (thƣờng U0 = (0,60,7)V nếu

điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Silic,

P N Anốt Katốt

Hình a: Cấu tạo

A K

Hình b: Kí hiệu

Ungoài

P N

- - - -

+ + + + Et.xúc

l0

Ut.xúc+ Ungoài

Ut.xúc

U

Engoài

(-) (+)

l0‟

Ingƣợc

UAK

)1( T

AKu

ngbhth eIi

0

Ungƣợc Ung.max

Uthuậ

n

IA

Ingƣợc


U0 = (0,20,3)V nếu điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Gecmani) thì dòng điện tăng theo

điện áp với quy luật của hàm số mũ.

+ Vùng : Tƣơng ứng với trƣờng hợp phân cực ngƣợc với giá trị dòng điện

ngƣợc ing có giá trị nhỏ (ing Ibhòa).

+ Vùng : Gọi là vùng đánh thủng, tƣơng ứng Ung > Ung.max (Uđánh thủng).

Dòng điện ngƣợc tăng lên đột ngột, dòng điện này sẽ phá hỏng điốt (vì vậy để

bảo vệ điốt thì chỉ cho chúng làm việc dƣới điện áp: U = (0,7 0,8).Uz , Uz là điện áp

đánh thủng) trong khi đó điện áp giữa Anốt và Katốt không đổi tính chất van của

điốt bị phá hỏng. Tồn tại hai dạng đánh thủng: do nhiệt độ cao và điện trƣờng mạnh

làm cho các hạt dẫn chuyển động nhanh, gây va đập và gây nên hiện tƣợng ion hoá do

va chạm làm cho quá trình tạo thành hạt dẫn ồ ạt, dẫn đến dòng điện tăng nhanh.

3.3. Các tham số cơ bản của điốt: chia ra 2 nhóm

* Các tham số giới hạn:

- Ung.max là giá trị điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên điốt mà tính chất van của nó

chƣa bị phá hỏng.

- Imax.cp là dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi điốt mở.

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp.

- Tần số làm việc cho phép: fmax

* Các tham số làm việc:

- Điện trở một chiều của điốt Rđ

- Điện trở xoay chiều của điốt rđ

3.4. Phân loại

- Theo vật liệu chế tạo: điốt Ge, điốt Si…

- Theo cấu tạo: điốt tiếp xúc điểm, tiếp xúc mặt…

- Theo dải tần số làm việc: điốt tần số thấp, điốt tần số cao, siêu cao…

- Theo công suất: điốt công suất lớn, trung bình, nhỏ.

- Theo công dụng: điốt chỉnh lƣu, điốt tách sóng, điốt ổn áp, điốt quang…

4. Một số ứng dụng của điốt bán dẫn

Ta xét một số ứng dụng của điốt trong các mạch chỉnh lƣu, các mạch hạn chế

biên độ điện áp ....

4.1. Các mạch chỉnh lƣu

Định nghĩa: Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều thành

năng lƣợng điện một chiều cung cấp cho các phụ tải điện một chiều.


Sau đây ta xét các bộ chỉnh lƣu công suất nhỏ

Để đơn giản cho quá trình phân tích, ta giả thiết các van điốt là lý tƣởng, điện áp

vào là hình sin 110/220 V xoay chiều, tần số 50 Hz, tải là thuần trở.

a. Mạch chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính

* Sơ đồ nguyên lý

Trong sơ đồ, cuộn thứ cấp của biến áp đƣợc chia làm hai nửa có số vòng dây

bằng nhau, chiều quấn dây ngƣợc nhau, với cách cuốn đó tạo ra hai điện áp u21, u22 có

cùng biên độ nhƣng lệch pha nhau 1800.

* Nguyên lý hoạt động:

- Khi t = 0 : u21>0, u22<0, điện thế điểm 1 dƣơng hơn điểm 2, điểm 2 dƣơng

hơn điểm 3, điốt D1 phân cực thuận nên mở, D2 phân cực ngƣợc nên bị khoá, cho dòng

i1 chạy qua D1 và phụ tải Rt về điểm 2.

Khi đó: ura = ut = u21 - uD1 = u21 = U21m.sint.

- Khi t = 2 : u21< 0, u22 > 0, điện thế điểm 3 dƣơng hơn điểm 2, điểm 2

dƣơng hơn điểm 1, D1 khoá, D2 mở, cho dòng i2 chạy qua: D2, Rt về điểm 2.

Khi đó: ura = ut = u22 - uD2 = u22 = U22m.sint..

Kết quả: Dòng điện (điện áp) nhận đƣợc trên tải có dạng là các nửa hình sin liên

tiếp nhau, trong 1 chu kỳ của điện áp lƣới các điốt thay phiên nhau làm việc.

+ Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

với: U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp trên 1 cuộn dây thứ cấp MBA.

*

D1

D2

Rt

1

3

2

*

*

u21

u22

i1

i2

it

i1

i2

u1

Hình a: Sơ đồ nguyên lý

Hình b: Giản đồ điện áp

t

0

0

0

0

u1

u2

ut

uDng

D2 mở

D1

D2 mở D1 mở D1 mở

D2 D2 D1

2 3 4

u21 u21 u22 u22

Ungmax

=2.U2m

u1

=U1m.sint

tải C

UTB

t

t

t

0

U0 = 2. U2m.sint.dt 0,9.U2

2

1


+ Giá trị trung bình của dòng điện trên tải:

+ Dòng trung qua các điốt:

+ Điện áp ngƣợc cực đại đặt vào mỗi điốt khi khoá bằng tổng điện áp cực đại trên

hai cuộn dây thứ cấp biến áp. Ung.max = 2.U2m

b. Mạch chỉnh lƣu cầu

Cầu gồm có bốn nhánh với bốn điốt đƣợc nối theo nguyên tắc: hai cạnh đối diện

các điốt nối cùng chiều, tạo hai nhóm điốt: một nhóm có Katốt chung, một nhóm có

Anốt chung.


- t=0: điện thế điểm 1 dƣơng hơn điểm 2, D2, D4 phân cực ngƣợc khoá. D1,

D3 phân cực thuận mở cho dòng điện i1 chạy qua D1, Rt, D3 về điểm 2.

- t=2: điện thế điểm 2 dƣơng hơn điểm 3, D1, D3 phân cực ngƣợc, khoá. D2,

D4 phân cực thuận mở cho dòng điện i2 chạy qua D2, Rt, D4 về điểm 1.

Kết quả:

Điện áp (dòng điện) ra trên tải là các nửa hình sin liên tiếp nhau trong một chu kỳ

giống nhƣ sơ đồ chỉnh lƣu 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính. Các biểu thức tính dòng và

áp hoàn toàn giống nhƣ sơ đồ có điểm trung tính. Chỉ khác, nếu cùng 1 giá trị của điện

áp trên tải thì trong sơ đồ này điện áp ngƣợc đặt lên mỗi điốt khi khoá giảm đi một

nửa: Ung.max = U2m đây chính là ƣu điểm cơ bản của sơ đồ cầu. Do đó sơ đồ này là sơ

đồ cơ bản đƣợc sử dụng chủ yếu trong các mạch chỉnh lƣu trong thực tế.

i1


C

D1

Rt

it

i2

u1

u2~

D2

D3

D4

1

2

i1

i1

i2

i2

* *

M

N

M

P

M

Q


I0 =

Rt

U0

ID1 = ID2 =

2

I0

0

uDng

Ungmax

=U2m

t

0

u2

2 3 4

u2 =U2m.sint

D2D4 D1D3 D2

D4

D1D3

D1D3 D1D3 D2D4 D2D4

t

t

0

ut D2 mở D2 mở D1 mở D1 mở tải C

UTB


4.2. Các mạch hạn chế biên độ

- Các mạch hạn chế biên độ đƣợc sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn

hơn, nhỏ hơn hoặc nằm giữa hai giá trị nào đó gọi là các mức ngƣỡng.

- Thông thƣờng, giá trị của các mức ngƣỡng không vƣợt quá biên độ lớn nhất của

điện áp đƣa vào hạn chế.

- Tuỳ theo cách mắc của phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra mà ta

có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dƣới và mạch hạn chế 2

phía.

a. Các mạch hạn chế nối tiếp: là mạch mà điốt hạn chế mắc nối tiếp với mạch

tải.

t

0

uvào

2 3 4

uv =Um.sint

0

ura1

2 3 4

E

E

t1 t2 t3 t4

Hình c: Giản đồ điện áp

0

uvào

2 3 4

uv =Um.sint

0

ura2

2 3 4

E

E

t1 t2 t3 t4

Hình d: Giản đồ điện áp

ura1

ura2

t

t

t

Rng

~

D

R

E

+ _

uv ura2

Hình b: Mạch hạn chế dƣới mức E

D

R

E

+ _

uv ura1

Hình a: Mạch hạn chế trên mức E

Rng

~


Để đơn giản khi phân tích, ta giả thiết tín hiệu vào là hình sin, điốt là lý tƣởng.

Trong đó:

RDth và RDng là giá trị trung bình của điện trở thuận và điện trở ngƣợc của điốt.

Nếu thoả mãn điều kiện: RDth + Rng << R << RDng + Rng

Do đó với mạch hạn chế trên, khi UD 0 thì ura1 = uv; UD < 0 thì ura2 = E

Với mạch hình a:

Khi uv E UD < 0 D khoá ura1 = E

Khi uv < E UD > 0 D mở ura1 = uv

Với mạch hình b:

Khi uv E UD > 0 D mở ura2 = uv

Khi uv < E UD < 0 D khoá ura2 = E

b. Các mạch hạn chế song song: là các mạch mà điốt hạn chế mắc song song

với mạch tải.

Với mạch hình a:

Khi uv E UD > 0 D mở ura = E

Khi uv < E UD < 0 D khoá ura = uv

Với mạch hình b:

Khi uv E UD < 0 D khoá ura = uv

Khi uv < E UD > 0 D mở ura = E.

4.3. Ổn định điện áp bằng điốt Zener (Điốt ổn áp)

- Điốt ổn áp làm việc dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ

của tiếp giáp P-N khi phân cực ngƣợc, bị đánh thủng nhƣng không hỏng.

- Điốt ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải.

- Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng điốt Zener nhƣ hình vẽ.

Rng

~

Hình a: Mạch hạn chế trên mức E

D

E

+ _

uv ur

Rng

~

Hình b: Mạch hạn chế dƣới mức E

D

E

+ _

uv ur


- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của điốt này giống nhƣ điốt chỉnh lƣu thông thƣờng

nhƣng nhánh ngƣợc có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngƣợc còn nhỏ thì Ingƣợc có trị

số nhỏ giống nhƣ các điốt thông thƣờng.

+ Khi điện áp ngƣợc đạt tới giá trị điện áp ngƣợc đánh thủng thì dòng điện ngƣợc

qua điốt tăng lên đột ngột còn điện áp ngƣợc trên điốt đƣợc giữ hầu nhƣ không đổi.

Đoạn đặc tuyến gần nhƣ song song với trục dòng điện (đoạn A-B). Đoạn (A-B) đƣợc

giới hạn bởi (Iôđmin , Iôđmax) là đoạn làm việc của điốt ổn áp.

+ Để đảm bảo cho hiện tƣợng đánh thủng về điện không kéo theo đánh thủng về

nhiệt làm cho điốt bị hỏng, khi chế tạo ngƣời ta đã tính toán để tiếp giáp P-N chịu

đƣợc dòng điện ngƣợc. Mặt khác, trong mạch điện còn đặt điện trở hạn chế để hạn chế

không cho dòng điện ngƣợc qua điốt vƣợt quá dòng điện ngƣợc cho phép.

+ Khi dòng điện qua điốt nhỏ hơn giá trị Iôđmin thì điốt làm việc ở đoạn OA nên

không có tác dụng ổn định điện áp.

+ Khi dòng điện qua điốt lớn hơn giá trị Iôđmax thì công suất toả ra trên điốt vƣợt

quá công suất cho phép có thể làm cho điốt bị phá hỏng vì nhiệt.

- Trong mạch ổn áp điốt ổn áp mắc song song với phụ tải.

- Nếu uv thay đổi, Rt không đổi, trên đặc tuyến V-A khi uV thay đổi 1 lƣợng uv

khá lớn nhƣng ura thay đổi một lƣợng ura rất nhỏ, dƣờng nhƣ mọi sự thay đổi của

uv đều hạ trên Rhc, đảm bảo điện áp ra tải không thay đổi.

- Nếu uv không đổi, Rt thay đổi. Lúc đó nội trở của điốt thay đổi dẫn tới sự phân

bố lại dòng điện qua điốt và qua tải đảm bảo cho điện áp ra tải là không đổi.

Rhc

DZ Rt

_

+

+

_

Uv Ur

Hình c: Sơ đồ ổn áp đơn giản

A

K

Hình a: Kí hiệu

Hình b: Đặc tuyến V-A của điốt ổn áp

A

B

Ung

đánhthủng

Uođ =ura

ura

uv

Iôđ.min

Iôđ.max

iA

Ing

uAK

0

ung

)1( T

AKu

ngbhthA eIi

Iôđ.tb P1

P2

Ibh


§3. TRANZITO LƢỠNG CỰC ( Transistor Bipolar)

Nếu trên cùng một đế bán dẫn ngƣời ta tạo ra hai tiếp giáp P-N ở gần nhau, dựa

trên đặc tính dẫn điện của mỗi tiếp giáp và tác dụng tƣơng hỗ giữa chúng sẽ làm cho

dụng cụ này có khả năng khuếch đại đƣợc những tín hiệu điện và khi đó ngƣời ta gọi

là đèn bán dẫn 3 cực hay Tranzito.

1. Cấu tạo

Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn điện cùng

loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo cách sắp xếp các

khối bán dẫn mà ta có Tranzito thuận p-n-p (hình a) và Tranzito ngƣợc n-p-n (hình b)

đƣợc chỉ ra trên hình vẽ.

- Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là nồng độ

tạp chất lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E.

- Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thƣớc rất mỏng cỡ m và nồng độ

tạp chất ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B.

- Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ), điện cực

nối với nó gọi là cực góp C.

- Tiếp giáp giữa lớp phát với lớp gốc gọi là tiếp giáp phát JE

- Tiếp giáp giữa lớp gốc với lớp góp gọi là tiếp giáp góp JC

- Chiều mũi tên trong ký hiệu của Tranzito bao giờ cũng là chiều của điện áp phân cực

thuận cho tiếp giáp phát JE (có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N).

P N P Cực phát Cực góp

Cực gốc

E C

B

JE JC

N P N Cực phát Cực góp

Cực gốc

E C

B

JE JC

Hình a: Cấu tạo tranzito PNP Hình b: Cấu tạo tranzito NPN

B

C

E

Hình d: Kí hiệu tranzito PNP

B

C

E

Hình d: Kí hiệu tranzito NPN


2. Nguyên lý làm việc

Để cho Tranzito có thể làm việc ở chế độ khuyếch đại tín hiệu điện, ngƣời ta phải

đƣa điện áp một chiều tới các điện cực của nó gọi là phân cực cho tranzito, sao cho

tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nhƣ hình vẽ.

Giả sử ta xét tranzito pnp nhƣ hình vẽ

Do tiếp giáp JE đƣợc phân

cực thuận bằng nguồn UEB, điện

trƣờng EEB này có tác dụng gia

tốc các hạt dẫn điện đa số

(lỗ trống) từ vùng phát qua JE

đến vùng gốc tạo thành dòng

điện cực phát IE. Do nồng độ các lỗ trống ở vùng phát lớn nên dòng điện cực phát IE

có giá trị lớn.

Khi đến vùng gốc, một phần nhỏ lỗ trống sẽ tái hợp với các điện tử đến từ cực âm

của nguồn UEB tạo thành dòng điện cực gốc IB. Do vùng gốc có bề dày mỏng và nồng

độ các hạt dẫn điện tử rất ít nên dòng điện cực gốc IB rất nhỏ. Phần lớn các lỗ trống

còn lại khuyếch tán qua vùng gốc và di chuyển đến tiếp giáp góp JC. Tại tiếp giáp góp,

điện trƣờng UCB thuận chiều với các hạt này nên sẽ cuốn chúng qua tiếp giáp JC sang

lớp góp để tạo thành dòng điện cực góp IC.

Thực tế, vì tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nên trên nó vẫn tồn tại một dòng điện

ngƣợc có trị số nhỏ (giống nhƣ dòng điện ngƣợc của điốt) ICB0 , do mật độ các hạt dẫn

thiểu số nhỏ nên dòng ICB0 có trị số nhỏ, ta có thể bỏ qua.

Khi đó, ta có biểu thức dòng điện trong tranzito là:

IE = IB + IC . Do IB << IE , IB << IC nên IE IC

P N P

JE JC

E

B

C

UEB + _ +

_

UCB

IE IC

IB

+++++++++++++

- - - - - - - - - - - -

-

-

-

+

-

ICB

0

Hình b: Phân cực cho trazito PNP

+

_

_

+ UBE < 0

UCE < 0

B

C

E

IB IC

IE

Hình a: Phân cực cho trazito NPN

_ +

+ _

UBE > 0

UCE > 0

B

C

E

IB

IC

IE


Để đánh giá mức độ hao hụt của dòng điện cực phát tại vùng cực gốc, ngƣời ta

đƣa ra khái niệm gọi là hệ số truyền đạt dòng điện :

= IC / IE , 1 càng tốt. (1)

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện cực gốc tới dòng điện cực góp

ngƣời ta đƣa ra hệ số khuyếch đại dòng điện : = IC / IB . (2)

Thƣờng = vài chục vài trăm lần , từ (1) và (2) ta có quan hệ: = / 1+

Đối với Tranzito ngƣợc P-N-P, nguyên lý làm việc cũng tƣơng tự nhƣ tranzito

thuận, chỉ khác là ở tranzito ngƣợc phần tử mang điện đa số ở cực phát là điện tử, đồng

thời để cho sơ đồ hoạt động ta phải đổi lại cực tính của các nguồn điện cũng nhƣ đổi

lại chiều của các dòng điện IE, IB, IC .

3. Các cách mắc Tranzito ở chế độ khuếch đại

Khi sử dụng về nguyên tắc có lấy hai trong số ba cực của tranzito làm đầu vào,

cực thứ ba còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Nhƣ vậy có tất cả sáu cách

mắc mạch khác nhau. Nhƣng dù mắc nhƣ thế nào cũng cần có một cực chung cho cả

đầu vào và đầu ra. Trong số sáu cách mắc đó thì chỉ có ba cách mắc là tranzito có thể

khuếch đại đƣợc công suất, đó là cách mắc chung Emitơ (EC), chung Bazơ (BC) và

chung Colectơ (CC). Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế.

Từ cách mắc đƣợc dùng trong thực tế của tranzito, về

mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một mạng 4 cực gần tuyến

tính có hai đầu vào và hai đầu ra.

Có thể viết ra 6 cặp phƣơng trình mô tả quan hệ giữa

đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực trong đó dòng điện và

điện áp là những biến số độc lập. Nhƣng trong thực tế tính

toán thƣờng dùng nhất là 3 cặp phƣơng trình tuyến tính sau:

B

C

E

ua uvào

Hình a: Mắc EC

E

C

B

ura uvào

Hình b: Mắc BC

B

E

C

ura uvào

Hình c: Mắc CC

U1 U2

vào ra

T

I1 I2


Cặp phƣơng trình trở kháng có đƣợc khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là

biến có dạng sau:

Cặp phƣơng trình dẫn nạp có đƣợc khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp :

Cặp phƣơng trình hỗn hợp :

Trong đó: rij , gij , hij tƣơng ứng là các tham số trở kháng, dẫn nạp và hỗn hợp của

tranzito.

Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phƣơng trình trên, ta sẽ xác định đƣợc các

tham số vi phân tƣơng ứng của tranzito. Ví dụ:

là điện trở ra vi phân;

là hỗ dẫn truyền đạt;

là điện trở vào vi phân;

là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân.

* Sơ đồ tƣơng đƣơng của tranzito: có 2 loại cơ bản là sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên và

sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế.

- Sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên: dạng của sơ đồ phụ thuộc vào dạng mắc mạch của

tranzito và các tham số của sơ đồ trực tiếp biểu thị những tính chất vật lý của tranzito,

vì thế các tham số của nó còn gọi là các tham số bản thân hay các tham số vật lý.

- Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế: dạng của sơ đồ không phụ thuộc vào dạng mắc mạch

của tranzito và đƣợc thành lập dựa trên cơ sở các hệ phƣơng trình cơ bản của các tham

số.

2

1

2221

1211

222121212

212111211

..,

..,

I

I

rr

rr

IrIrIIfU

IrIrIIfU

2

1

2221

1211

222121212

212111211

..,

..,

U

U

gg

gg

UgUgUUfI

UgUgUUfI

2

1

2221

1211

222121212

212111211

..,

..,

U

I

hh

hh

UhIhUIfU

UhIhUIfU

222

222

1

1

hI

Ur

constI

SrU

Ig

constU

121

221

1

2

11

1

111

2

hI

Ur

constI

constUI

Ih

21

221


Sơ đồ tương đương tự nhiên hình T

của tranzito mắc theo sơ đồ gốc chung (BC)

Các tham số cơ bản:

rE - điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực emitơ.

rB - điện trở khối của vùng bazơ

rC - điện trở vi phân của tiếp giáp góp

CE - điện dung của tiếp giáp phát

CC - điện dung của tiếp giáp góp

IE – nguồn dòng tƣơng đƣơng của cực emitơ đƣa tới colectơ.

Sơ đồ tương đương thay thế

của tranzito dựa theo tham số h.

U1, I1, U2, I2 lần lƣợt tƣơng ứng là điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch.

h11 - Điện trở đầu vào của tranzito khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:

h12 - Hệ số phản hồi điện áp khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:

h21 - Hệ số khuếch đại dòng điện khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:

h22 - Điện dẫn đầu ra khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:

Nếu tranzito đƣợc mắc theo mạch phát chung thì các tham số h còn phải có thêm

chữ E bên cạnh các chữ số, ví dụ nhƣ: h21E để nói lên rằng các tham số đƣợc xác định

cho tranzito mắc theo mạch phát chung, tƣơng tự khi tranzito đƣợc mắc theo mạch gốc

rE

CE

iE

rC

CC

rB

C E

B

A iE

I1

U1 U2

I2

h11

~

h12U2

h21I1 h22

1

onstcII

Uh

2

1

111

onstcIU

Uh

1

2

112

onstcUI

Ih

2

1

221

onstcIU

Ih

1

2

222


chung ta phải thêm chữ B và khi tranzito đƣợc mắc theo mạch góp chung ta phải thêm

chữ C

Mối quan hệ giữa những tham số h của tranzito trong sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế

và những tham số vật lý của nó trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên, khi nó đƣợc mắc

theo mạch gốc chung có thể thiết lập đƣợc nếu các phƣơng trình liên hệ giữa dòng điện

và điện áp trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên cũng đƣợc viết dƣới dạng tƣơng tự với

các phƣơng trình:

Ta có thể đƣa ra các quan hệ giữa các tham số của hai sơ đồ trên nhƣ sau:

Khi U2 = 0 với mạch đầu vào ta có:

hay

Với mạch đầu ra: 12 .II do đó Bh21 khi I1 = 0

Dòng mạch ra: )(

2

)(

22

BCBBC

U

rr

UI

do đó

)(

22

1

BCrh

và nên ta có: )(

12

BC

B

r

rh

4. Các họ đặc tuyến tĩnh của Tranzito

Trƣờng hợp tổng quát, có 4 họ đặc tuyến tĩnh:

4.1. Đặc tuyến vào : uv = f(iv) khi ura = hằng số

4.2. Đặc tuyến ra: ira = f(ura) khi iv = hằng số

4.3. Đặc tuyến truyền đạt: ira = f(iv) khi ura = hằng số

4.4. Đặc tuyến phản hồi: uv = f(ura) khi iv = hằng số

2221212

2121111

..

..

UhIhU

UhIhU

BEB rrh )1(11

BE rrIU )1(.11

)(22

21

.

.

BC

B

rIU

rIU


§4. CÁC DẠNG MẮC MẠCH CƠ BẢN VÀ CÁC HỌ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANZITO

1. Sơ đồ Emitơ chung (EC)

Trong cách mắc EC, điện áp vào đƣợc lấy giữa cực B và cực E, điện áp ra lấy từ

cực C và cực E. Dòng điện vào, điện áp vào, dòng điện ra và điện áp ra đƣợc đo bằng

miliampe kế và vôn kế nhƣ hình vẽ:

1.1. Họ đặc tuyến vào:

Ta dùng các nguồn U1, U2 để phân cực cho các tiếp giáp JE, JC.

Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ UCE = const,

thay đổi trị số điện áp UBE bằng cách điều chỉnh

biến trở VR1 và ghi lại các giá trị tƣơng ứng IB,

thay đổi UCE đến một giá trị khác và làm tƣơng

tự ta sẽ nhận đƣợc họ đặc tuyến vào nhƣ hình

vẽ bên.

Ta thấy, đặc tuyến vào giống nhƣ đặc tuyến thuận của tiếp giáp P-N.

Khi UBE > U0 thì dòng IB tăng nhanh theo UBE.

- Ứng với một giá trị của UBE khi tăng UCE thì đặc tuyến dịch sang phải, dòng IB

giảm, vì: khi tăng UCE tức là UCE = UCB + UBE, coi UBE = const, tức là tăng UCB, điện áp

ngƣợc của tiếp giáp JC tăng vùng nghèo mở rộng chủ yếu về miền bazơ pha tạp ít, do đó

khả năng tái hợp của điện tử và lỗ trống trong miền gốc giảm do đó dòng IB giảm.

1.2. Họ đặc tuyến ra:

Để vẽ đặc tuyến ra, giữ IB = const, thay

đổi UCE và ghi lại các giá trị tƣơng ứng của

dòng IC. Thay đổi IB đến giá trị cố định khác

và làm tƣơng tự nhƣ trên sẽ nhận đƣợc họ đặc

tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa UCE với

dòng IC.

- Họ đặc tuyến ra chia làm 3 vùng:

tuyến tính, bão hoà, cắt dòng:

+ Vùng (vùng cắt dòng): với tiếp

giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp JE

IB = f(UBE)

UCE = const

IB (A)

UBE (V)

IB1

IB2

0

UCE1 < UCE2

IC =f(UCE) khi IB = const

mA

mV

µA

V UCE

UBE

U1

U2

IB IC

IE

+

_

+

_

Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến

VR1

VR2

iC (mA)

uCE(V) ICB0 uCEbh

3

2

1 0 iB = 0

iB > 0


đƣợc phân cực không (uBE=0) hoặc phân cực ngƣợc. Dòng điện trên cực góp chỉ là

dòng điện ngƣợc của tiếp giáp JC (iC=iCB0 0).

+ Vùng (vùng khuếch đại): với tiếp giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp phát

JE phân cực thuận. Vùng này dòng điện cực gốc iB gần nhƣ tỷ lệ thuận với uBE (trong

phạm vi tín hiệu bé) và đƣợc dùng làm vùng làm việc của các bộ khuếch đại vì:

vào

vào

CCCra

vào

vàoBC

vào

vào

vào

BEB

uR

RERiEu

R

uii

R

u

R

ui

..

;;

+ Vùng (vùng bão hòa) : là vùng mà với mọi giá trị iB khác nhau thì dòng iC

chỉ có một giá trị cố định (với các tham số xác định của mạch). Khi đó điện áp giữa

các cực của tranzito rất nhỏ và tranzito có thể xem nhƣ quy tụ thành 1 điểm.

- Họ đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ IC = f(IB) khi UCE = const đƣợc

suy ra từ họ đặc tuyến ra.

2. Sơ đồ bazơ chung (BC)

2.1. Đặc tuyến vào: IE =f(UEB) khi UCB = const

- Đặc tuyến vào cũng giống nhƣ đặc tuyến

thuận của điốt, khi tăng UEB thì dòng IE tăng

tƣơng ứng.

Ứng với cùng một giá trị của UEB khi tăng

UCB thì dòng IE tăng, vì: tăng UCB làm điện áp

phân cực ngƣợc tại IC tăng, điện trƣờng ngƣợc

tại vùng này chính là điện trƣờng thuận đối với

các hạt dẫn điện đa số ở miền phát làm cho các hạt dẫn điện từ miền gốc chuyển sang

miền góp tăng, IC tăng do đó IE tăng.

Cực bazơ B dùng chung cho cả đầu

vào và đầu ra. Tín hiệu vào đặt giữa cực

E và cực B, tín hiệu ra đặt giữa cực C và

cực B.

IE (mA)

UEB (V)

IE2

IE1

0

UCB2 > UCB1


mA

mV

mA V UCB

UEB

U1

U2

IE

IC

IB

+

_

_

+


2.2. Đặc tuyến ra: IC =f(UCB) khi IE = const

- Đặc tuyến ra là các đƣờng thẳng

gần nhƣ song song nhau. IC IE

(thƣờng IC IE ). Đặc tuyến ra không

xuất phát từ gốc 0.

- Khi UCB = 0 vẫn tồn tại dòng IC 0. Vì khi đó trên tiếp giáp JC vẫn tồn tại một điện

trƣờng tiếp xúc hƣớng từ khối N sang khối P, nó đẩy các hạt dẫn điện từ miền gốc sang

miền góp, do đó IC 0.

3. Sơ đồ Côlêctơ chung (CC): Cực Côlêctơ dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra.

- Họ đặc tuyến vào của sơ đồ CC có dạng khác hẳn, nó không xuất phát từ gốc 0, vì

trong cách mắc này điện áp vào UBC phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UEC. Khi UBC

tăng, UEC = const, khi đó UEB giảm làm giảm dòng IB . Dòng IB giảm về bằng 0 khi

UBC = UEC, khi đó UEB = 0.

- Họ đặc tuyến ra tƣơng tự nhƣ họ đặc tuyến ra của sơ đồ mắc EC bởi vì coi IC IE.

IE (mA)

V

UEC IB

A

Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra

IB = 0

IB1

IB2

IB3

IB4

IB5 = IBmax

IC0(E) 0

Hình c: Đặc tuyến ra

UCB

V

IC mA

UBC

IE1

IE2

IE3

IE4

Miền khuyếch đại Miền bão hoà

0


mA

V

µA V UEC

UBC

U1

U2

IB IE

IC

+

_

+

_

Hình b: Đặc tuyến vào

UBC(V)

IB (A)

0

UCE1 UCE2

20

40

60

80

100


§5. TRANZITO TRƢỜNG <FET> (Field Effect Transistor)

* Định nghĩa: Tranzito trƣờng FET (hay đúng hơn là tranzito hiệu ứng trƣờng) là

một loại tranzito đơn cực, nó làm việc dựa trên hiệu ứng trƣờng và là dụng cụ điều

khiển bằng điện áp và chỉ dẫn điện bằng một loại hạt dẫn (n hoặc p). FET chia ra hai

loại:

+ Loại có cực cửa tiếp giáp JFET.

+ Loại có cực cửa cách ly MOSFET.

1. Tranzito trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET

1.1. Cấu tạo và kí hiệu

Trên một khối bán dẫn loại n (hoặc p) có nồng độ tạp chất thấp, ngƣời ta tạo ra

xung quanh nó một lớp bán dẫn loại p (hoặc n) có nồng độ tạp chất cao.

Toàn bộ cấu trúc lấy ra ba điện cực: cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain),

cực cửa G (Gate).

Nhƣ vậy, giữa cực S và cực D hình thành nên một kênh dẫn điện loại n và nó

đƣợc cách ly với cực cửa G bởi một lớp tiếp giáp p-n.

Cực cửa G đóng vai trò là cực điều khiển khi thay đổi điện áp đặt vào nó.

1.2. Nguyên lý hoạt động

Xét loại kênh dẫn n.

Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi hai nguồn điện áp: UDS > 0, UGS < 0.

- Giữa cực D và cực S có một điện trƣờng mạnh do nguồn điện cực máng UDS

cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S

tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID .

- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngƣợc, do đó

bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần,

điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngƣợc lại.

////////////////////////////

/

////////////////////////////

/

G

G

S D

UDS

UGS

+ + _ _


p+

n- ID

D

S

G

+

_

D

S

G

+

_

Kênh n

Kênh

n

Kênh p

Hình b: Kí hiệu


Nhƣ vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực

máng ID.

- Trƣờng hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị

phụ thuộc vào UDS.

- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với

cách mắc nhƣ hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực

ngƣợc tăng dần từ S tới D tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần.

1.3. Các họ đặc tuyến của JFET

- Họ đặc tuyến ra: ID = f(UDS) khi UGS = const

- Họ đặc tuyến truyền đạt: : ID = f(UGS) khi UDS = const

- Đặc tuyến ra chia làm ba vùng:

+ Vùng gần gốc (đoạn OA): Dòng ID tăng gần nhƣ tuyến tính theo UDS vì khi đó

kênh dẫn đóng vai trò nhƣ một điện trở thuần cho đến khi đặc tuyến bị uốn mạnh tại

điểm A. Tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tƣợng thắt kênh, dòng ID hầu nhƣ không tăng

theo UDS. Hoành độ điểm A gọi là điện áp thắt kênh.

+ Vùng bão hoà (đoạn AB): Dòng ID hầu nhƣ không phụ thuộc vào UDS nhƣng

phụ thuộc mạnh vào UGS. Khi UGS < 0 tăng dần dòng ID càng giảm, hiện tƣợng thắt

kênh xảy ra sớm hơn, điểm thắt kênh dịch dần về gốc toạ độ.

+ Vùng đánh thủng: Khi UDS đủ lớn, dòng ID tăng đột ngột do tiếp giáp p-n bị

đánh thủng tại khu vực gần D do tại vùng này điện áp phân cực ngƣợc đặt lên tiếp giáp

p-n là lớn nhất.

Hình c: Đặc tuyến ra

ID (mA)

(V)

UDS

Vùng bão hoà

0

Vùng đánh thủng

Vùng

gần

gốc

UDS = 0V

- 0,5V

- 1V

- 1,5V

UDS0 Uđt

A B

-UGS UDS UGS0

ID (mA)

IDmax

UDS tăng

0

Hình d: Đặc tuyến truyền đạt


1.4. Các tham số của JFET

a- Tham số giới hạn: - ID. max là dòng cực đại qua đèn ứng với điểm B trên đặc

tuyến ra ứng với UGS = 0 V ( 50mA).

- UDS.maxcp UB / (1,21,5) vài chục vôn.

b- Tham số làm việc. - Điện trở trong: ri = rDS = UDS / ID 0,5 M. Thể hiện

độ dốc của đặc tuyến ra trong vùng bão hoà.

- Hỗ dẫn truyền đạt: cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cửa UGS tới

dòng điện cực máng ID.

2. Tranzito trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET)

Có hai loại: - Kênh n (hoặc p) đặt sẵn.

- Kênh p (hoặc n) cảm ứng.

2.1. Cấu tạo

Xét loại kênh dẫn n.

Trên một khối bán dẫn loại p, ngƣời ta tạo ra hai vùng bán dẫn loại n có nồng độ tạp

chất cao. Hai vùng này đƣợc nối thông với nhau bằng một kênh dẫn loại n có thể là

kênh đặt sẵn hay kênh cảm ứng.

- Trên hai khối bán dẫn n+ lấy ra hai điện cực là cực nguồn S và cực máng D.

Phía đối diện với kênh dẫn sau khi phủ một lớp cách điện SiO2 lấy ra điện cực thứ ba

gọi là cực cửa G.

- Nếu trong quá trình chế tạo, cực S đã đƣợc nối với phiến đế thì MOSFET có ba

cực: S, D, G. Trƣờng hợp phiến đế chƣa đƣợc nối với S mà đƣợc dẫn ra ngoài nhƣ là

cực thứ tƣ, cực này gọi là cực đế.

Hình a: Kênh n đặt sẵn Hình b: Kênh n cảm ứng

G D S

n+

p _

Cực đế

n

+

+ SiO2

G D S

n+

p _

Cực đế

n

+

G

D

S

G

D

S

Kênh n đặt sẵn Kênh p đặt sẵn Kênh n cảm ứng Kênh p cảm ứng

G

D

S

G

D

S


2.2. Nguyên lý làm việc

a. Với kênh n đặt sẵn

- Khi UDS > 0; UGS > 0, các điện tử tự do từ vùng đế đƣợc hút về phía gần cực

cửa G làm cho kênh dẫn có nồng độ hạt dẫn tăng lên điện trở R kênh dẫn giảm

dòng ID tăng, ta nói đèn làm việc ở chế độ giàu.

- Nếu UGS < 0, một số điện tử từ kênh dẫn bị đẩy ra khỏi kênh dẫn làm cho các

hạt dẫn điện của kênh dẫn giảm R kênh tăng dòng ID giảm ta nói đèn làm việc

ở chế độ nghèo.

b. Với kênh n cảm ứng

- Khi UDS > 0; UGS 0 dòng ID qua đèn = 0 vì giữa cực D và cực S tồn tại một

điện trở rất lớn.

- Khi UDS > 0; UGS > 0 các điện tử bị hút về phía cực G tập trung tạo thành

kênh dẫn nối giữa cực D và cực S xuất hiện dòng ID. Khi UGS càng lớn R kênh

dẫn càng giảm dòng ID càng tăng. Nhƣ vậy loại này chỉ làm việc ở chế độ giàu.

2.3. Đặc tuyến V-A

* Nhận xét: Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của MOSFET tƣơng tự nhƣ JFET,

chỉ khác:

- Với MOSFET kênh n đặt sẵn, điện áp điều khiển UGS có thể âm hoặc dƣơng

tƣơng ứng đèn làm việc ở chế độ giàu và chế độ nghèo.

- Loại MOSFET kênh n cảm ứng chỉ làm việc ở chế độ giàu.

2.4. Đặc điểm của Tranzito trƣờng

- Vì kênh dẫn và cực điều khiển cách ly về điện nên việc điều khiển dòng điện ra

không ảnh hƣởng đến công suất của nguồn tín hiệu vào.

-UGS UGS UDS0

ID (mA)

0

Hình b: Đặc tuyến truyền đạt Hình a: Đặc tuyến ra kênh n đặt sẵn

ID (mA)

(V)

UDS

Vùng bão hoà

0

Vùng

gần

gốc UGS = 0V

Uthắt Uđt

A B

UGS < 0

UGS > 0

Chế độ giàu

Chế độ nghèo

Chế độ giàu

Chế độ nghèo


- Điện trở đầu vào lớn (109 10

12), dòng điện rò đầu vào xấp xỉ không, cho

phép tranzito trƣờng có khả năng khuyếch đại đƣợc những nguồn tín hiệu có công suất

cực kỳ yếu.

- Giữa cực D và cực S có tính chất đối xứng, khi thay đổi vị trí của hai cực này,

tính chất của tranzito hầu nhƣ không thay đổi.

* Ứng dụng: dùng để khuyếch đại tín hiệu, tạo sóng, phối hợp trở kháng và đƣợc

dùng trong các mạch nắn điện có điều khiển

§6. THYRISTO

1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc

1.1. Cấu tạo

Gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 đặt xen kẽ nhau, giữa các lớp bán dẫn hình

thành các tiếp giáp J1, J2, J3.

Điện cực nối với P1 gọi là Anốt (A), điện cực nối với P2 gọi là cực điều khiển G,

điện cực nối với N2 gọi là Katốt (K).

1.2. Nguyên lý làm việc

Để tiện cho quá trình phân tích nguyên lý làm việc của Thyristo, ta coi Thyristo

nhƣ hai tranzito T1, T2 khác loại mắc nối tiếp nhau nhƣ hình vẽ b.

* Trường hợp cực G hở mạch (IG = 0).

- Khi UAK > 0 J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngƣợc, khi đó toàn bộ điện áp

UAK đặt lên J2. Khi UAK còn nhỏ trong mạch chỉ có dòng bão hoà ngƣợc của chuyển

tiếp J2 (Ico1).

- Khi UAK > 0 đủ lớn tăng mức độ phân cực thuận cho tiếp giáp J1, J3, tăng

phân cực ngƣợc cho J2. Khi UAK tăng tới điện áp đánh thủng J2 J2 bị đánh thủng trở

thành dẫn điện. Khi đó J1, J3 coi nhƣ hai điốt phân cực thuận mắc nối tiếp và nối tắt

qua J2 khi đó Thyristo chuyển sang trạng thái mở. Khi Thyristo mở, nội trở của nó

giảm về giá trị rất nhỏ coi nhƣ bằng không. Điện áp rơi trên hai cực A và K sẽ là:

P1

N1

P2

N2

P1

N1

P2

N1

P2

N2

J1

J2

J3

A A

K K

G

G

T1

T2


A

K

G

IB1

Ic2

IB2

Ic01

Ic1

IG

T1

T2

P1

P2

P2

N1

N1

N2

Hình b: Sơ đồ tƣơng đƣơng

A

K

G

Hình c: Kí hiệu


UAK = UEC1 + UBE2 0,2V + 0,7V 0,9V

Nhƣ vậy: Phƣơng pháp tăng điện áp phân cực thuận UAK để Thyristo chuyển từ

khoá sang mở gọi là phƣơng pháp kích mở bằng điện áp thuận (phƣơng pháp kích mở

tự nhiên).

phƣơng pháp này không dùng trong thực tế

- Khi UAK < 0 J1, J3 phân cực ngƣợc, J2 phân cực thuận, dòng qua Thyristo là

dòng rò ngƣợc (chiều từ K A) có trị số nhỏ.

- Khi UAK < 0 đến giá trị Ung.max J1, J3 bị đánh thủng dòng ngƣợc qua

Thyristo tăng nhanh Thyristo bị hỏng.

* Trường hợp IG 0 (phương pháp kích mở bằng dòng điều khiển).

Khi UAK < Ukích mở tự nhiên ta đặt một điện áp UGK > 0 điện áp UGK tạo ra dòng

(IG + Ico1), nếu dòng này lớn hơn dòng mở của tranzito T2 T2 mở T1 mở

Thyristo chuyển sang trạng thái mở hoàn toàn. Khi Thyristo đã mở thì sự có mặt của

dòng IG không còn có ý nghĩa. Nhƣ vậy, ta chỉ cần đƣa một điện áp UGK có giá trị nhỏ

(một xung điện áp dƣơng có biên độ, độ rộng đủ lớn) làm mở Thyristo.

2. Đặc tuyến V-A

Trong đó: UF là điện áp dẫn thuận (điện áp ghim)

- Đặc tuyến V-A của Thyristo chia làm 3 vùng: miền chắn thuận, miền chắn

ngƣợc, miền dẫn thuận.

- Từ đặc tuyến, thực tế đã chứng minh: điện áp thuận đặt lên A và K càng giảm

nếu dòng điều khiển IG càng tăng.

U1> U2> U3…

IG1< IG2< IG3….

IH

U1 U2 U3

UAK (V)

Đ/áp chọc thủng

thuận

Miền chắn thuận

Miền chắn ngƣợc

Uđánh thủng Ung

IAK

UF

A K _ +

A K

+ _

IG1 < IG2 < IG3

Hình d: Đặc tuyến V-A của Thyristor

J1 J3 J2 J2

Miền dẫn thuận

A K

+ _

J2

J1 J3

Uctth

Ing

IG= 0

IG

1

IG2

IG

3

U1 > U2 > U3

0


* Chú ý: Khi Thyristo đang thông (mở), để duy trì trạng thái mở của nó ta phải

giữ cho dòng IAK lớn hơn một giá trị gọi là dòng điện ghim IH.

Muốn khoá Thyristo:

- Giảm dòng IAK < IH (không dùng)

- Phân cực ngƣợc UAK < 0 (đƣợc dùng trong thực tế).

* Tóm lại: Điều kiện Thyristo mở là: UAK > 0, UGK > 0

3. Một số ứng dụng của Thyristo

3.1. Mạch chỉnh lƣu khống chế kiểu pha xung

Nếu đƣa đến cực khống chế G một chuỗi xung kích thích để Thyristo chỉ mở ở

các thời điểm nhất định thì dòng và áp trên tải chỉ là từng phần của nửa chu kỳ dƣơng.

Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

Ví dụ: Cho Uv = 220sint, f = 50Hz, UTB = 40V, xác định góc mở ?

Giải: Thay các thông số vào công thức trên, ta đƣợc: 820

3.2. Mạch biến đổi điện áp xoay chiều – xoay chiều dùng hai thyristo mắc song

song ngƣợc

cos12

1sin.

2

1 mmTB UttdUU

t

t


Rt Ut

RG

U

Uđk

I1 IG

IRG


Uđk

U

Ut

0

0

0

Um.sint

t 2

2


Rt Ut


Ti1

Uv Ti2

It

It

Uđk1

Uđk2

Uđk1

U

0

0

Um.sint

t

t

2

Ut

0 t

Uđk2

0 t

2


§7. TRIÁC


Triác có cấu trúc giống nhƣ hai Thyristo mắc song song ngƣợc, có chung cực điều

khiển. Do vậy ta không phân biệt Anốt, Katốt mà A1, A2 vừa đóng vai trò Anốt vừa

đóng vai trò Katốt, tuỳ thuộc vào điện áp phân cực UA1A2.

Ví dụ: UA1A2 > 0 A1 là Anốt, A2 là Katốt.

* Nhận xét: - Triác có khả năng

dẫn điện theo cả hai chiều.

- Cũng nhƣ Thyristo, Triác có

thể đƣợc kích mở bằng hai phƣơng

pháp đó là phƣơng pháp kích mở

bằng điện áp thuận (IG = 0) và

phƣơng pháp kích mở bằng dòng điều

khiển IG 0.

Do có tính dẫn điện theo cả hai chiều nên nó thƣờng đƣợc dùng trong các mạch

biến đổi điện áp xoay chiều thành xoay chiều.

* Đặc tuyếnV-A: gồm hai phần đối xứng nhau qua gốc toạ độ 0.

Hình d: Đặc tuyến V-A của Triác

UA1A2 U2 U1

U

F

U3

U2 U3 U1

UA2A

1

I

I

0


T1

T2

T4

T3

A1

A2

G

A1

N1 P1

N2

P2

N3

P3

N4

A2

G


G

A1

A2

Hình c: Kí hiệu


2. Ứng dụng

2.1. Mạch biến đổi xoay chiều – xoay chiều công suất nhỏ

Trong các mạch biến đổi xoay chiều - xoay chiều công suất nhỏ ta có thể dùng

trực tiếp Triác. Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp nhƣ hình vẽ.

* Tóm tắt nguyên lý hoạt động:

- Nửa chu kỳ dƣơng của Uv : D1 mở, D2 khoá xuất hiện dòng điều khiển qua

D1 R cực G tải.

- Nửa chu kỳ âm: D1 khoá, D2 mở dòng điều khiển qua D2 R cực G..

Nhƣ vậy: trên tải nhận đƣợc một phần điện áp xoay chiều. Khi điều chỉnh biến trở R ta

có thể thay đổi đƣợc góc mở , do đó thay đổi đƣợc giá trị trung bình của điện áp trên

tải.

2.2. Mạch biến đổi xoay chiều-xoay chiều công suất lớn.

Trong trƣờng hợp tải lớn mà Triác

không thoả mãn, ta sử dụng 2 Thyristo

mắc song song ngƣợc. Trong đó Triác

đóng vai trò tạo dòng điều khiển IG cho

các Thyristo.


- Nửa chu kỳ dƣơng của điện áp xoay chiều, nếu đồng thời có xung điều khiển đến

cực G của Triác thì Triác dẫn dòng điều khiển qua D1, R, Triác, D4, kích mở Thyristo

T1 (lúc đó D3 khoá).

- Nửa chu kỳ âm: D1 khoá, dòng điều khiển qua D3, Triác, R, D2, kích mở

Thyristo T2. Ta chọn D1, D2, D3, D4 cùng loại để dòng điều khiển vào hai Thyristo có

giá trị bằng nhau do đó góc mở của hai Thyristo bằng nhau.

D2 R

Ti1 Uv

Sơ đồ nguyên lý

D1

D4 D3

Ti2

Uđk

Rt lớn

G

A1

A2

D1

D2 Rt

R

UV Ur



Uđk

U

0

0

Um.sint

t

t

2

Ut

0 t

2


§8. ĐIÁC


Điác có cấu tạo giống nhƣ Triác nhƣng không có cực điều khiển G do đó Điác

cũng có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều nhƣng chỉ có thể mở bằng phƣơng pháp

kích mở bằng điện áp thuận.

2. Đặc tuyến V-A

Đặc tuyến V-A của Điác giống nhƣ Triác khi IG = 0

§9.TRANZITO MỘT TIẾP GIÁP (UJT-Unijuntion Tranzito)

(Điốt 2 cực gốc)

1. Cấu tạo

Trên một khối bán dẫn loại n- có nồng độ tạp chất thấp, ngƣời ta tạo ra một vùng

bán dẫn loại p+ có nồng độ tạp chất cao. Điện cực nối với khối bán dẫn p gọi là cực

phát Emitơ (E). Điện cực dẫn ra từ hai đầu khối bán dẫn n gọi là các cực gốc B1, B2.

Toàn bộ cấu trúc trên coi nhƣ tƣơng đƣơng với một điốt D và hai điện trở RB1 và RB2.

Nhƣ hình vẽ, do cực E lệch về phía cực gốc B1 nên RB1 < RB2. Ta đặt vào B1B2

một điện áp UB1B2 cực tính dƣơng ở B2.

I

IG = 0

IG = 0

UA1A2 UA2A1

Hình b: Đặc tuyến V-A Hình a: Kí hiệu

A1

A2

0

Hình c: Kí hiệu

E

B2

B1

E

B2

B1

n-

p+

l1

l2



E D

RB2

RB1 URB1

UB1B2

+ _

UEB1

IE

IE0

B2

B1


Khi đó: 1

21

211 B

BB

BBRB R

RR

UU

Ở đầu vào ta đặt điện áp UEB1 một chiều có trị số có thể thay đổi đƣợc.

2. Nguyên lý làm việc

- Khi UEB1 = 0, điốt D bị phân cực ngƣợc bởi điện áp URB1 nên khi đó qua D chỉ

có 1 dòng điện ngƣợc IE0 chảy qua có trị số nhỏ.

- Tăng dần UEB1 từ (0 URB1), khi đó mức độ phân cực ngƣợc của điốt D giảm

dần, cho tới khi UEB1 = URB1 thì điện áp phân cực trên điốt D bằng 0, dòng ngƣợc

IE0 = 0.

- Khi UEB1 > URB1 thì điốt phân cực thuận qua điốt xuất hiện dòng điện thuận IE

có trị số nhỏ.

- Khi tăng UEB1 tới giá trị UEB1.max , UJT mở khi đó các phần tử mang điện đa số

(lỗ trống) từ miền phát sẽ tràn vào thanh bán dẫn và đi về phía cực B1. Lúc đó tại vùng

B1 số hạt dẫn tăng lên đột ngột do đó điện trở của nó cũng giảm đi đột ngột. Khi dòng

IE đủ lớn sẽ làm xuất hiện ở tranzito một tiếp giáp hiệu ứng điện trở âm, đó là: Khi IE

tăng RB1 giảm URB1 giảm, vì điốt lý tƣởng hạ áp trên nó coi nhƣ bằng 0 nên UEB1

URB1, do vậy URB1 giảm thì UEB1 cũng giảm theo khi IE tăng.

- Khi UEB1 giảm tới giá trị UEB1.min thì UJT chuyển từ trạng thái mở sang trạng

thái khoá (trong mạch phát xung dùng UJT).

* Các tham số:

- Điện áp đỉnh (UEB1max): là giá trị điện áp đặt vào cực E và cực B1 để UJT mở.

- Dòng điện đỉnh (IE1): là giá trị cực tiểu của dòng IE khi UJT mở.

- Điện áp đáy (UEB1min) là điện áp đặt vào cực E và cực B1 để UJT chuyển từ khoá

sang mở (trong mạch phát xung dùng UJT).

- Dòng điện đáy (IE2) là giá trị cực đại của dòng IE chảy qua UJT khi nó mở.

- Điện áp nguồn UB1B2

Với:

UEB1max = .UB1B2 + UD , trong đó:

= RB1/RB1+RB2 : Hệ số cấu tạo

UD : sụt áp trên điốt.

- Điốt đang mở muốn duy trì sự mở của nó ta phải đặt một điện áp UEB1 > UEB1max

hoặc để nó khoá lại ta giảm UEB1 < UEB1min.


* Đặc tuyến V-A

Vùng mà iE > IE2 ; UBE > UBemin

là vùng làm việc bão hòa của UJT.

3. Ứng dụng

Ta xét một ví dụ dùng UJT để tạo các xung nhọn dƣơng.


- Tại t = 0, ta cấp nguồn +UBB cho UJT, tụ C đƣợc nạp điện, điện áp trên tụ tăng

dần và có dạng đƣờng cong tích phân. Xuất hiện dòng nạp cho tụ : +Ucc

RBTC -Ucc

- Tại t = t1, UC = UEB1max thì UJT mở, tụ điện C phóng điện theo đƣờng:

+CUJTRB1 -C. Ta có điện áp ra: Ura = UC – UEB1 , do khi UJT mở, UEB1 có trị

số nhỏ Ura = UC. Cùng với quá trình phóng điện, điện áp trên tụ giảm dần tới thời

điểm t2 thì UC = UEB1min UJT khoá lại Ura = URB1 =0 (trong đó URB1 là điện áp rơi

trên RB1 khi UJT khoá). Tụ điện C lại tiếp tục đƣợc nạp điện, cứ nhƣ vậy trên RB1 ta

nhận đƣợc dãy xung nhọn chính là sƣờn sau của xung điện áp trên tụ C (xung răng

cƣa).

IE

UEB1

UEB1max URB

1

UEB1min

IE1

IE2

IE0

+Ucc

RB2

RB1

R

BT E B2

B1

C + _

Ura


UC

UEB1max

UEB1min t

t

Ura

0

0 Tra URB1

t1 t2 t3



§10. CỦNG CỐ KIẾN THỨC

1. Khái niệm về chất bán dẫn.Trình bày về chất bán dẫn tạp loại n và chất bán dẫn tạp

loại p.

2. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của điốt bán dẫn.

3. Tại sao nói điốt bán dẫn có tính chất van (chỉnh lƣu)? Cho một ví dụ minh họa.

4. Nêu một số ứng dụng cơ bản của điốt bán dẫn. Cho các ví dụ minh họa.

5. Nêu chức năng, nhiệm vụ của các phần tử trong sơ đồ mạch điện sau và qua đó hãy

chứng minh điốt bán dẫn có tính chất van.

6. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của điốt ổn áp.

7. Nêu những điểm giống và khác nhau cơ bản giữa điốt bán dẫn và điốt ổn áp (điốt

Zener)?

8. Hãy thiết kế mạch điện dùng các linh kiện điện tử bán dẫn thông dụng sao cho nó có

giản đồ thời gian và đặc tuyến truyền đạt nhƣ sau:

a)

b)

9. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc và các tham số cơ bản của Tranzitor Bipolar

(BJT).

10. Hãy nêu ba kiểu mắc BJT và phân biệt các thành phần dòng điện, điện áp cổng vào

và cổng ra trong mỗi kiểu mắc.

Ur

UV

E

Ung 0

t 0

Uvµo

E

t 0

Ura

E

Ur

UV

E1

Ung1 0

Ung2

E2

t

Uvµo

-E2

Ura

t 0

-E

+E1

i1

C

D1

Rt

it

i2

u1

u2~

D2

D3

D4

1

2

i1

i1

i2

i2

* *

M

N

M

P

M

Q


9-6 -4

i( mA)

0

Uvao(V)

3 6

3

0

11. Các đặc tuyến tĩnh của Tranzito? Nêu cách mắc mạch và xây dựng các họ đặc

tuyến cho sơ đồ mắc kiểu EC (Emitơ chung).

12. Trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A của Thyristo.

13. Tại sao nói Thyristo là van bán dẫn có điều khiển? Cho một ví dụ minh hoạ.

14. Nêu những điểm giống và khác nhau cơ bản giữa điốt bán dẫn và Thyristo.

15. Cho mạch điện nhƣ hình 1 với các tham số sau: Điốt là các van lý tƣởng.

Biết E1 = +2V, E2 = -3V. u1(t) có dạng là một xung

tam giác đối xứng qua gốc 0 với biên độ

±U1m = ±5V, chu kỳ T1 = 20ms. Giả thiết R = 1k;

Rt = 20k >>R.

a) Phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ khi có

điện áp u1(t) tác động trong một chu kỳ

b) Vẽ các đồ thị u1(t), u2(t) và u2(u1).

c) Tính các tham số của điện áp u2(t) ở cả hai bán kỳ dƣơng và âm: biên độ, độ rộng

sƣờn trƣớc, sƣờn sau, độ rộng đỉnh.

16. Cho mạch điện nhƣ hình 2, giả thiết các van D1, D2 là

lý tƣởng (Rthuận <<R1, R2 <<Rngƣợc , R1 << R2, điện áp trên

điốt mở bằng 0)

Biết E1 = +3V, E2 = -2V. u1(t) là 1 điện áp tam giác đối

xứng qua gốc 0 với biên độ ±U1m = ±6V, chu kỳ

T1 = 30ms.

a) Phân tích nguyên lý hoạt động của sơ đồ khi có điện áp

u1(t) tác động trong 1 chu kỳ

b) Vẽ các đồ thị u1(t), u2(t) và u2(u1).

c) Tính các tham số của điện áp u2(t) ở cả hai bán kỳ dƣơng và âm: biên độ, độ rộng

sƣờn trƣớc, sƣờn sau, độ rộng đỉnh.

17. Cho sơ đồ nhƣ hình bên.Biết R=1(KΩ),

uvào =10.sin(2 ft+45 0 ) (vôn), E= -6 (vôn)

Điốt Đ là lý tƣởng.

a) Hãy tính toán và vẽ các đồ thị:

uvào(t),E(t),iR(t),uR(t),uD(t),ura(t).

b) Vẽ Đặc tuyến truyền đạt ura=f(uvào).

18. a) Tìm cấu trúc của mạch gồm các điot lý

tƣởng Đ,các điện trở R,các nguồn một chiều E và

giá trị của chúng để thỏa mãn đặc tuyến Von-

Ampe nhƣ hình bên.

b) Để cho đặc tuyến Von-Ampe là một đƣờng

thẳng chạy từ góc phần tƣ thứ ba qua hai điểm có

tọa độ: OU v = 0 (V),i=0 (mA) và

D1 D2

R u1(t) u2(t)

E1 E2

+

_

_

+

Hình 1

D1

u1(t) u2(t)

E1 E2

+

_

_

+

Hình 2

R1 R2

D2

6V

R= 1k uRa

D

-

+

uR

uvao


3020100

0

uvµo(V)

ura

6

-6

t(ms)

t(ms)

t(ms)iR0

uvao

AU v =3 (V),i=3(mA) thì cấu trúc và tham số của

mạch thế nào? Hãy vẽ mạch và chỉ ra tham số của

các linh kiện.

19. Cho mạch điện nhƣ hình vẽ.Biết Điốt Đ là lý

tƣởng, điện áp vào và nguồn một chiều E đƣợc cho

trên đồ thị.

a) Hãy tính toán và vẽ các đồ thị:

iR(t),uR(t),uD(t),ura(t)

b) Vẽ đặc tuyến truyền đạt ura=f(uvào)

6V

R= 1k uRa

D

-

+

uR

uvao


CHƢƠNG II. KHUẾCH ĐẠI

1 - Nội dung :

- Khái niệm về bộ khuếch đại

- Các tham số cơ bản của một tầng khuếch đại

- Phân loại

- Sử dụng các linh kiện điện tử để thiết kế một bộ khuếch đại

2 – Mục đích :

- Giúp sinh viên nắm đƣợc khái niệm về thực chất của một bộ khuếch đại

- Các yêu cầu cơ bản để xây dựng một tầng khuếch đại

- Từ lý thuyết về các linh kiện bán dẫn đã học ở chƣơng 1, ứng dụng vào để thiết

kế một tầng khuếch đại theo yêu cầu cho trƣớc.

- Ngoài các mục đích của bài học là cung cấp các kiến thức cho sinh viên trên

lớp, còn có mục đích đó là tăng khả năng đọc sách, tài liệu và khai thác các kiến

thức trên mạng Internet qua phần tự nghiên cứu ở nhà.

3 – Các tài liệu tham khảo

[1] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật điện tử,

NXB Giáo Dục, 2008.

[2] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Bài tập Kỹ thuật điện tử, Nhà xuất bản Giáo dục, 2008.

[3] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công

Nghiệp.

[4] TS. Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng, Nhà xuất bản

Giáo dục, 2005.

[5] TS Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật mạch điện tử, Nhà xuất bản Giáo dục, 2005.

[6] Các nguồn tài liệu mở (Internet và các nguồn tài liệu khác).

4 – Nội dung chƣơng trình

§1. KHÁI NIỆM CHUNG

1. Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại (dạy trên lớp).

2. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại (dạy trên lớp).

3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại (dạy trên lớp).

3.1. Chế độ A

3.2. Chế độ B

3.3. Chế độ AB


4. Hồi tiếp (phản hồi) trong khuếch đại. (tự nghiên cứu)

4.1. Định nghĩa

4.2. Phân loại

4.3. Ảnh hưởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch

§2. PHÂN CỰC VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA TRANZITO

1. Nguyên tắc chung phân cực cho Tranzito (dạy trên lớp).

2. Đƣờng tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh (dạy trên lớp).

3. Ổn định điểm làm việc tĩnh khi nhiệt độ thay đổi (dạy trên lớp).

4. Các phƣơng pháp phân cực cho tranzito

4.1. Phân cực tranzito bằng dòng không đổi (dạy trên lớp).

4.2. Phân cực Tranzito bằng điện áp phản hồi (tự nghiên cứu).

4.3. Phân cực bằng dòng Emitơ (tự phân cực) (dạy trên lớp).

§3. TẦNG KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO BIPOLAR

1. Tầng khuếch đại Emitơ chung (EC) (dạy trên lớp).

1.1. Sơ đồ nguyên lý

1.2. Nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại

1.3. Đặc điểm

2. Tầng khuếch đại Colectơ chung (CC) (tự nghiên cứu).


2.2. Đặc điểm

3. Mạch khuếch đại Bazơ chung (BC) (tự nghiên cứu).


3.2. Đặc điểm

§4. GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI (tự nghiên cứu).

1. Ghép tầng bằng điện trở và tụ điện (R-C)

2. Ghép tầng bằng máy biến áp và tụ điện

§5. TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT (dạy trên lớp).

1. Tầng khuếch đại công suất đơn

2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo làm việc ở chế độ A (hoặc AB)

§6. KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU (tự nghiên cứu).

1. Khái niệm chung

2. Khuếch đại một chiều ghép trực tiếp


3. Tầng khuếch đại vi sai (khuếch đại tín hiệu có sai lệch nhỏ)

3.1. Trường hợp khi chưa có tín hiệu vào

3.2. Khi có tín hiệu vào

§7. KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN (OA)

1. Khái niệm chung (dạy trên lớp).

2. Đặc tuyến truyền đạt: ura = f(uvào) (dạy trên lớp).

3. Các giả thiết lý tƣởng (dạy trên lớp).

4. Các hệ quả (dạy trên lớp).

5. Một số ứng dụng của KĐTT

5.1. Mạch khuếch đại đảo (dạy trên lớp).

5.2. Mạch khuếch đại không đảo (dạy trên lớp).

5.3. Mạch khuếch đại cộng đảo (tự nghiên cứu).

5.4. Mạch khuếch đại cộng không đảo (tự nghiên cứu).

5.5. Mạch khuếch đại trừ (tự nghiên cứu).

5.6. Mạch tích phân (dạy trên lớp).

5.7. Mạch vi phân (dạy trên lớp).

§8. CỦNG CỐ KIẾN THỨC (thảo luận trên lớp và tự nghiên cứu)



1. Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại

Bộ khuếch đại là thiết bị dùng để làm tăng các tham số tín hiệu điện (U,I,P), gồm

mạch vào nối với nguồn tín hiệu cần khuếch đại, mạch ra đƣợc nối với tải. Nó là thiết

bị cho phép biến đổi tín hiệu nhỏ bé ở đầu vào thành tín hiệu đầu ra có công suất lớn.

Một trong những ứng dụng của Tranzito là khuếch đại.

Thực chất khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lƣợng có điều khiển, trong

đó năng lƣợng của nguồn một chiều (không chứa đựng thông tin) đƣợc biến đổi thành

năng lƣợng xoay chiều (mang thông tin) và là quá trình xử lý thông tin dạng tƣơng tự.

Phần tử cơ bản tạo nên tầng khuếch đại là phần tử điều khiển PKĐ và điện trở tải

R, trong đó PKĐ có nội trở trong thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển đƣa tới

đầu vào do đó điều khiển đƣợc quy luật biến đổi của dòng điện, điện áp mạch ra theo

quy luật biến đổi biến đổi của dòng điện, điện áp vào nhƣng với biên độ lớn hơn nhiều

lần.

- Xét tầng khuếch đại có phần tử điều khiển là Tranzito Bipolar.

ra phải đƣợc coi là tổng của thành phần xoay chiều đƣợc xây dựng dựa trên nền thành

phần một chiều, tức là thoả mãn điều kiện: Irm Ir0 và Urm Ur0 (*)

Trong đó: Irm , Urm là biên độ cực đại của thành phần xoay chiều đầu ra.

Ir0 , Ur0 là thành phần một chiều, đặc trƣng cho chế độ tĩnh.

Nếu điều kiện (*) không thoã mãn thì dòng điện, điện áp mạch ra trong một

khoảng thời gian nào đó sẽ bằng 0, tín hiệu ra bị méo dạng. Nhƣ vậy để đảm bảo chế

độ công tác cho tầng khuếch đại khi có tín hiệu vào thì ở mạch ra của nó phải có thành

Tín hiệu vào đặt lên cực B và cực E, tín hiệu ra đặt lên

cực C và cực E. Khi tín hiệu vào là hình sin thì tín hiệu ra

cũng là hình sin mang đầy đủ quy luật của tín hiệu vào

nhƣng với biên độ lớn hơn nhiều lần. Dòng điện, điện áp

mạch

ura uvào

+EC

R I

PKĐ ura

uvào

+Ec

RC IC

IE

Rt

IB t 0

ira

Ir0

Irm

0

ura

Ur0

Urm t


phần một chiều Ir0 , Ur0 do đó ở mạch vào của tầng khuếch đại phải có thêm thành

phần một chiều Iv0 , Uv0 .

Các thành phần dòng, áp một chiều xác định chế độ tĩnh của tầng KĐ. Các tham

số theo chế độ tĩnh ở mạch vào Iv0 , Uv0 và mạch ra Ir0 , Ur0 đặc trƣng cho trạng thái

ban đầu của sơ đồ khi chƣa có tín hiệu vào.

2. Các tham số cơ bản của tầng khuếch đại

* Hệ số khuếch đại K:

K=

- Hệ số khuếch đại dòng điện: KI = Ira / Ivào

- Hệ số khuếch đại điện áp: KU = Ura / Uvào

- Hệ số khuếch đại công suất: KP = Pra / Pvào

* Trở kháng vào : Zvào = Uvào / Ivào . Trở kháng ra : Zra = Ura / Ira

* Méo không đƣờng thẳng : là méo do tính chất phi tuyến của Tranzito (đặc

tuyến vào -ra của tranzito không tuyến tính) gây ra, méo không đƣờng thẳng đƣợc

đánh giá bởi hệ số méo:

Với: U1m là biên độ sóng hài cơ bản (bậc 1) có tần số

U2m , U3m ...Unm là biên độ các sóng hài bậc cao có tần số 2, 3,...n.

3. Các chế độ làm việc của tầng khuếch đại

Để Tranzito làm việc ở chế độ khuyếch đại, cần thoã mãn hai điều kiện sau:

- Tiếp giáp JE luôn phân cực thuận.

- Tiếp giáp JC luôn phân cực ngƣợc

- Khi điều kiện phân cực đƣợc thoã mãn cần ổn định chế độ tĩnh đã đƣợc xác lập

để trong quá trình làm việc, chế độ làm việc của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộc vào

dòng điện và điện áp điều khiển đƣa tới đầu vào. Khi đã đảm bảo các điều kiện phân

cực và ổn định điểm làm việc cho phần tử khuếch đại thì điểm làm việc tĩnh của tầng

khuếch đại sẽ cố định ở một vị trí trên họ đặc tuyến ra.

- Tuỳ theo vị trí điểm làm việc tĩnh P, ta có các chế độ làm việc nhƣ sau:

= U

22m + U

23m +...+U

2nm

U1m ()

Đại lƣợng điện đầu ra

Đại lƣợng điện tƣơng ứng ở đầu vào


iC

uCE UC0

IB=0

IBmax

IB0 P

IC0

iC~

uC~

M

N

0

Xét một mạch khuếch đại nhƣ hình vẽ (sơ đồ mắc theo kiểu EC):

- Khi Uvào = 0: phƣơng trình đƣờng tải tĩnh (đƣờng tải một chiều)

UCE0 = EC - IC0RC

Phƣơng trình đƣờng tải tĩnh đi qua các điểm A(Ec; 0); B(0; EC/RC);

- Khi Uvào ≠ 0: phƣơng trình đƣờng tải động (đƣờng tải xoay chiều)

uCE = EC - iC .(RC//Rt)

trong đó iC là tổng của thành phần một chiều IC0 và thành phần xoay chiều đƣa đến đầu

vào.

Điểm làm việc tĩnh P khi đó đƣợc xác định bởi tọa độ (UCE0, IC0) hoặc (UCE0, IB0).

Tùy theo vị trí của điểm điểm làm việc tĩnh trên đƣờng tải tĩnh, ngƣời ta phân ra các

chế độ làm việc khác nhau của một tầng khuếch đại.

3.1. Chế độ A:

- Điểm làm việc tĩnh P nằm giữa

điểm M và N, với M, N là giao điểm của

đƣờng tải tĩnh với các đƣờng đặc tuyến ra

tĩnh ứng với các chế độ tới hạn của

tranzito UBEmax (hay IBmax) và UBE = 0

(hay IB = 0).

- Đặc điểm:

+ Tín hiệu ra tồn tại trong cả chu kỳ của

tín hiệu vào

+ Méo không đƣờng thẳng A nhỏ.

+ Hiệu suất làm việc A thấp do dòng điện một chiều IC0 lớn

- Ứng dụng: là chế độ làm việc cơ bản của các tầng khuyếch đại điện áp và tầng

khuếch đại công suất đơn.

Uv

+EC

Ur Rt

RC

C

IB

IC

IE

Đƣờng tải một chiều

EC/RC

EC

IC

UCE UCE0

IC0

IB=0

IBmax

IB0 P

0

M

N

A

B


3.2. Chế độ B: Điểm làm việc tĩnh P đƣợc chọn ở vị trí thấp nhất của đƣờng

thẳng phụ tải (trùng với điểm N).

- Đặc điểm:

+ Tín hiệu ra chỉ tồn tại trong một nửa chu kỳ của tín hiệu vào

+ Méo không đƣờng thẳng B lớn.

+ Hiệu suất làm việc B khá cao do dòng IC0 nhỏ (chế độ một chiều không tiêu thụ

năng lƣợng).

- Ứng dụng: đƣợc dùng trong tầng khuếch đại công suất đẩy-kéo.

3.3. Chế độ AB: là chế độ làm việc trung gian giữa chế độ A và chế độ B, điểm

làm việc nằm trên đoạn PN. Vì nó là chế độ trung gian giữa chế độ A và chế B nên:

A AB B; A AB B

- Khi điểm làm việc nằm ngoài điểm M và N, tranzito làm việc ở chế độ giới hạn,

nếu điểm làm việc nằm ngoài M tranzito làm việc ở chế độ mở bão hoà. Nếu nằm

ngoài điểm N, tranzito làm việc ở chế độ cắt dòng (làm việc trong chế độ “xung”- xét

phần sau).

4. Hồi tiếp (phản hồi) trong khuếch đại.

4.1. Định nghĩa

Hồi tiếp (hay còn gọi là phản hồi) là quá trình đƣa một phần tín hiệu từ đầu ra

quay về đầu vào với mục đích thay đổi các tham số cũng nhƣ chế độ làm việc cho bộ

khuếch đại. Phản hồi cho phép cải thiện các tính chất của bộ khuếch đại, nâng cao về

chất lƣợng.

Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại có phản hồi.

Trong đó:

K: hệ số khuếch đại khi chƣa có phản hồi.

: hệ số phản hồi;

Uv : tín hiệu vào; Ura : tín hiệu ra;

U : tín hiệu sai lệch; Uph : tín hiệu phản hồi.

4.2. Phân loại

- Tuỳ theo cách mắc mạch phản hồi, ta có:

+ Phản hồi nối tiếp

+ Phản hồi song song

+ Phản hồi nối tiếp - nối tiếp; song song - song song

K

Uv

Uph

U Ura


+ Phản hồi nối tiếp - song song ; song song - nối tiếp

- Tuỳ thuộc vào đại lƣợng phản hồi về đầu vào, ta có:

+ Phản hồi dòng điện

+ Phản hồi điện áp

+ Phản hồi hỗn hợp

- Phụ thuộc vào pha của tín hiệu phản hồi, ta có hai loại phản hồi cơ bản:

+ Phản hồi âm: là phản hồi mà tín hiệu phản hồi ngƣợc pha (ngƣợc dấu) so với

tín hiệu vào bộ khuếch đại nên làm yếu tín hiệu vào, giảm hệ số khuếch đại của mạch

nhƣng các tính chất khác đƣợc cải thiện nhƣ nâng cao độ ổn định, mở rộng dải thông,

giảm độ méo ...

+ Phản hồi dƣơng: là phản hồi mà tín hiệu phản hồi cùng pha (cùng dấu) so với

tín hiệu vào, cho nên làm tăng tín hiệu vào, tăng hệ số khuếch đại nhƣng lại làm cho

mạch làm việc không ổn định có thể gây nên hiện tƣợng tự kích (tự dao động).

Ngoài ra, phụ thuộc vào loại dòng điện đƣợc truyền từ đầu ra trở lại đầu vào bộ

khuếch đại ta có các loại phản hồi theo dòng một chiều và phản hồi theo dòng xoay

chiều, trong đó phản hồi âm dòng một chiều dùng để ổn định chế độ làm việc cho

tranzito khi chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ, còn phản hồi âm dòng xoay chiều để ổn định

các tham số cho mạch khuếch đại.

4.3. Ảnh hưởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch

Từ sơ đồ khối ta có: U = Uv Uph Uv = U Uph (*) Chia hai vế của (*) cho Ura

ta có: .r

ph

rr

V

U

U

U

U

U

U

Trong đó: Kph = Ura / Uv : hệ số khuếch đại khi có phản hồi

K = Ura / U : hệ số khuếch đại khi chƣa có phản hồi.

= Uph / Ura : hệ số truyền đạt của khâu phản hồi.

Kph = K / (1 K.). Dấu (-) là hồi tiếp dƣơng, dấu (+) là hồi tiếp âm.

* Nếu là phản hồi âm: Kph = K / (1 + K.) K. Tức là hệ số khuếch đại khi có

phản hồi âm bị giảm, tuy nhiên độ ổn định của mạch sẽ tăng, khi tăng độ sâu hồi tiếp

độ ổn định của mạch càng tăng, vì vậy hồi tiếp âm hay đƣợc dùng trong khuếch đại.

* Nếu là phản hồi dƣơng: Kph = K / (1 - K.) > K. Tức là hệ số khuếch đại của

mạch tăng, độ ổn định của mạch bị giảm. Trƣờng hợp đặc biệt, khi K. = 1 thì Kph =

. Khi đó sơ đồ làm việc ở chế độ tự kích thích, khi đó nhận đƣợc tín hiệu ra ngay cả

khi không có tín hiệu vào nên hồi tiếp dƣơng ít đƣợc sử dụng trong khuếch đại.


§2. PHÂN CỰC VÀ ỔN ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA TRANZITO

1. Nguyên tắc chung phân cực cho tranzito

Muốn tranzito làm việc nhƣ một phần tử tích cực thì các tham số của tranzito

phải thoả mãn các điều kiện thích hợp, các tham số này phụ thuộc rất nhiều vào điện

áp phân cực của các tiếp giáp JE và JC. Có nghĩa là các tham số này phụ thuộc vào vị

trí điểm làm việc của tranzito.

Muốn Tranzito làm việc ở chế độ khuyếch đại cần thoả mãn các điều kiện sau:

- Tiếp giáp JE phân cực thuận

- Tiếp giáp JC phân cực ngƣợc

2. Đƣờng tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh

* Đƣờng tải tĩnh đƣợc vẽ trên họ đặc tuyến ra tĩnh để nghiên cứu mối quan hệ

giữa dòng điện và điện áp trên các cực của tranzito khi mắc nó trong một mạch cụ thể

nào đó.

* Điểm làm việc tĩnh (hay còn gọi là điểm phân cực) là giao điểm của đƣờng tải

tĩnh với đƣờng đặc tuyến ra tĩnh xác định dòng điện và điện áp trên tranzito khi không

có tín hiệu vào hay xác định điều kiện phân cực cho tranzito.

- Xét mạch mắc chung EC.

Ta có:

Phƣơng trình của đƣờng tải một chiều: UCE = EC – IC.RC , đây là phƣơng trình

đƣờng thẳng nên chỉ cần xác định 2 điểm đặc biệt:

+ Điểm không tải: A (EC, 0).

+ Điểm ngắn mạch: B (0, EC / RC).

Ta có phƣơng trình mạch vào: IB.RB + UBE = EC IB = IB0 = (Ec – UBE) / RB.

Thƣờng UBE (0,3 0,7) V.

UCE UBE

+Ec

RC RB IB IC

IE

Rt

IC (mA)

UCE (V)

Đặc tuyến ra

IB = 0

IB1

IB2 = IB0

IB3

IB4

UCE0

IC0

A

B EC/R

C

EC

P

0


- Giao điểm của đƣờng tải tĩnh AB với đặc tuyến ra tĩnh tại giá trị IB = IB0 gọi là

điểm làm việc tĩnh P. Từ P gióng xuống các trục toạ độ tìm đƣợc IC0, UCE0. Các giá trị

IB0, IC0, UCE0 xác định chế độ tĩnh của tranzito khi chƣa có tín hiệu vào.

3. Ổn định điểm làm việc tĩnh khi nhiệt độ thay đổi

Tranzito là linh kiện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, hai đại lƣợng phụ thuộc rõ rệt

nhất vào nhiệt độ là điện áp UBE và dòng điện ngƣợc ICB0. Nhƣng ảnh hƣởng của nhiệt

độ tới dòng ICB0 lớn hơn nhiều so với ảnh hƣởng của nhiệt độ tới điện áp UBE. Do đó,

khi nói tới ổn định nhiệt cho tranzito là nói tới ổn định nhiệt cho dòng ICB0.

4. Các phƣơng pháp phân cực cho tranzito

4.1. Phân cực tranzito bằng dòng không đổi

Phân cực bằng dòng không đổi là phƣơng pháp tạo ra dòng điện không đổi trong

suốt quá trình làm việc của tranzito.

Giả sử ta có sơ đồ phân cực nhƣ hình bên:

dòng IB đƣợc cố định bằng nguồn EC và điện trở RB.

Ta có: B

BECB

R

UEI

Khi làm việc UBE (0,3 0,7) V, rất nhỏ có thể bỏ qua

IB EC / RB = không đổi.

* Nhận xét: - Độ ổn định nhiệt khá lớn và nó phụ thuộc vào hệ số khuyếch đại dòng

điện của tranzito.

- Phƣơng pháp phân cực này đƣợc sử dụng khi yêu cầu về độ ổn định nhiệt không

cao.

4.2. Phân cực tranzito bằng điện áp phản hồi

Một phần điện áp ra UCE đƣợc đƣa về đầu vào qua RB tạo nên dòng IB điều khiển cho

sơ đồ.

Ở cách mắc này, lợi dụng sự tăng của dòng IC làm giảm dòng IB dẫn tới dòng IC giảm,

đƣa dòng IC quay trở về giá trị ban đầu.

Ta có phƣơng trình điện áp ở mạch ra:

EC = (IB + IC). RC + UCE (1)

Phƣơng trình điện áp ở mạch vào:

EC = (IB + IC). RC + IB. RB + UBE (2)

Vì UBE nhỏ nên có thể bỏ qua. Từ (1) và (2) suy ra:

UCE UBE

+Ec

RC RB IB IC

IE

Rt

UCE

UBE

+EC

RC

RB IB

(IB+IC)

IE

Rt

IC


IB. RB UCE (3)

- Nếu t0

tăng ICB0 tăng IC tăng UCE giảm IB giảm IC giảm.

- Nếu t0

giảm ICB0 giảm IC giảm UCE tăng IB tăng IC tăng.

Nhƣ vậy với cơ cấu hồi tiếp này dòng IC đƣợc giữ tƣơng đối ổn định.

* Sơ đồ này có độ ổn định nhiệt tốt hơn mạch phân cực bằng dòng không đổi, tuy

nhiên cả hai mạch phân cực này không thể tăng độ ổn định nhiệt lên cao vì điểm làm

việc tĩnh và độ ổn định nhiệt của mạch phụ thuộc lẫn nhau nên chất lƣợng ổn định

không cao.

4.3. Phương pháp tự phân cực

Ở sơ đồ này, điện trở R1, R2 tạo thành bộ phân áp tạo điện áp UB đặt vào cực gốc

của tranzito.

Vì: E

BEB

E

EE

R

UU

R

UI

Vì dòng IB nhỏ nên dòng qua R1 bằng dòng qua R2

2

21

.RRR

EU C

B

. Nếu UBE rất nhỏ so với UB , thì:

IE UB/RE = const

- Nếu t0

tăng ICB0 tăng IC tăng IE tăng UE tăng UBE giảm

Tranzito khoá bớt lại làm giảm dòng IB giảm dòng IE IC giảm.

- Nếu t0

giảm ICB0 giảm IC giảm IE giảm UE giảm UBE tăng

Tranzito mở thêm làm tăng dòng IB tăng dòng IE IC tăng.

* Nhận xét: Sơ đồ có độ ổn định nhiệt cao, đây là sơ đồ phân cực cơ bản đƣợc sử

dụng nhiều trong thực tế..

§3. TẦNG KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO BIPOLAR

1. Tầng khuếch đại Emitơ chung (EC)


- Trên sơ đồ, các tụ C1, C2 là các tụ nối tầng.

+ Tụ C1 ngăn ảnh hƣởng của nguồn tín hiệu đến

chế độ làm việc tĩnh của tầng khuếch đại theo

dòng một chiều đồng thời dẫn tín hiệu xoay chiều

đến cực gốc của Trazitor.

UCE

+Ec

RC R1 IR1 IC

IE

R2 IR2

IB

UE RE

ura uvào Rt

C2

CE

C1

RE

R2

C

E

B

Rc

+Ec

IB

IC

IE

R1 IR1

IR1


+ Tụ C2 để ngăn thành phần một chiều không cho qua tải và dẫn tín hiệu xoay chiều

từ cực góp ra tải.

- Bộ phân áp R1 , R2 để xác định chế độ tĩnh của tầng (xác định UB0).

- Điện trở RE để tạo phản hồi âm theo thành phần dòng một chiều IE để ổn định điểm

làm việc tĩnh của tầng khuếch đại khi nhiệt độ thay đổi.

- Tụ CE để ngăn phản hồi âm theo thành phần dòng xoay chiều iE, là phản hồi làm

giảm hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại.

- Dòng điện tĩnh của phần tử điều khiển IC0 đƣợc tạo thành do dòng điện tĩnh IE0 thông

qua sự điều khiển của RE và dòng IB0.

1.2. Nguyên lý hoạt động của tầng khuếch đại

Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết nhiệm vụ lựa

chọn một cách hợp lý các phần tử trên sơ đồ để nhận đƣợc các tham số cần thiết. Có

thể xác định các tham số đầu ra Irm và Urm khi biết tín hiệu vào bằng phƣơng pháp đồ

thị.

- Khi chƣa có tín hiệu vào (uv = 0) thì tầng khuếch đại làm việc ở chế độ tĩnh với

phụ tải tĩnh. Khi đó dòng điện trong tầng khuếch đại và điện áp giữa các điểm là dòng

điện và điện áp một chiều, ura = 0. Khi đó phƣơng trình đƣờng tải tĩnh là:

1);(0000 ECCCEECCCCE RRIERIRIEU

Phƣơng trình đƣờng tải tĩnh đi qua 2 điểm A (EC, 0) và B (0, EC/(RC+RE), điện

trở phụ tải tĩnh là ECt RRR .

a)

iB~

uB~ uC~

iC~

iC

EC uC

IB=0

IBmax

Ec/

(Rc+RE)

IC0

Irm

Urm ∆UC0

ICE0

iB

uB

P μA

IBm

UBm

IB0

b)

Xác định chế độ tĩnh của tầng EC

a. Trên họ đặc tuyến ra; b. Trên đặc tuyến vào

UBE0

UC0

P

t

t t

t


- Khi có tín hiệu xoay chiều đƣa đến đầu vào của tầng khuếch đại thì nó sẽ chuyển

sang làm việc ở chế độ động với phụ tải động. Điện áp xoay chiều của tín hiệu sẽ làm

xuất hiện dòng điện xoay chiều cực gốc iB~ , ở mạch ra xuất hiện dòng iC~ xoay chiều ,

hạ áp trên RC tạo nên điện áp xoay chiều trên Colectơ. Điện áp này thông qua tụ CP2 sẽ

đƣợc đƣa tới phụ tải.

Khi có tín hiệu vào (uvào ≠ 0) thì dòng iB thay đổi, iB đƣợc coi là tổng của thành

phần một chiều IB0 (xác lập trong chế độ tĩnh) và thành phần xoay chiều do uvào tạo ra:

iB = IB0 + iB~. Kết quả là iC thay đổi theo với hệ số β lần dòng iB. Dòng iC tạo trên điện

trở RC một lƣợng điện áp biến thiên, chính điện áp biến thiên này đƣợc đƣa tới đầu ra.

Do đó đƣờng tải động phải đi qua điểm làm việc tĩnh.

Đƣờng tải động biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp cực góp với thành phần xoay

chiều của dòng điện cực góp.

iIi

RRiUu

CCC

tCCCEC

~0

0 )//(

Vì điện trở phụ tải của thành phần xoay chiều nhỏ hơn điện trở phụ tải đối với

thành phần một chiều do đó đƣờng tải xoay chiều dốc hơn đƣờng tải một chiều.

Với cách xây dựng nhƣ vậy, đƣờng tải xoay chiều đặc trƣng cho sự thay đổi giá

trị tức thời của dòng điện và điện áp trên cực góp của tranzito (uCE) khi giá trị tức thời

của tín hiệu vào thay đổi. Hay nói cách khác nếu tín hiệu vào có dạng hình sin thì

điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm làm việc tĩnh. Từ đó ta thấy nếu muốn tín

hiệu ra không bị méo so với tín hiệu vào thì điểm làm việc trong chế độ động (ứng với

tín hiệu vào là lớn nhất hoặc bé nhất) không đƣợc rơi vào vùng bão hòa cũng nhƣ vùng

cắt dòng trên đặc tuyến). Tức là:

00

00

CErmC

CErmC

III

UUU

trong đó: ∆UCE0 là điện áp colectơ ứng với đoạn đầu của đặc tuyến ra (UCE bão

hòa hay khi đó dòng điện cực góp không phụ thuộc dòng điện cực gốc), ICE0 là dòng

điện cực góp ban đầu, Urm, Irm là biên độ điện áp và dòng điện đầu ra. Urm, Irm có mối

quan hệ:

~// t

rm

tC

rmrm

R

U

RR

UI


Lựa chọn giá trị của các linh kiện

- Tính chọn RC.

Để tăng hệ số khuếch đại thƣờng chọn giá trị của điện trở RC lớn hơn Rt từ 3 ÷ 5 lần.

- Dựa vào dòng IC0 đã chọn ta tính dòng bazơ, emitơ tĩnh:

00

0000 ; CE

CCECB II

IIII

- Từ đó chỉ số nguồn EC đƣợc chọn theo:

)(00000 ECCCEEECCCEC RRIURIRIUE

- Điện trở của khâu ổn định nhiệt RE càng lớn thì khả năng ổn định nhiệt cho

điểm làm việc tĩnh càng cao, tuy nhiên nếu chọn RE lớn thì hiệu suất giảm, do đó

thƣờng chọn sao cho sụt áp rơi trên RE bằng (0.1 † 0.3) điện áp nguồn.

0

)3.01.0(

C

CE

I

ER

- Khi tính đến khâu phân áp đầu vào: để ổn định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh thì

phải đảm bảo sao cho sự thay đổi của dòng IB0 ít ảnh hƣởng đến UB0, muốn vậy thì

dòng IP >> IB0 (IP là dòng điện chạy qua điện trở R2) muốn IP lớn thì R1R2 phải nhỏ.

Mặt khác trong chế độ xoay chiều thì R1 nối song song với R2 và song song với mạch

vào của tranzito gây ra tác dụng rẽ mạch ảnh hƣởng xấu đến đầu vào của bộ khuếch

đại, do đó thƣờng chọn

vrRR )52(// 21

uvào

uBE UBE0

t

IB0

uE UE0

iC IC0

UC0

ura

uvào

t

t

t

t

t

t

t

Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại EC


với rv là điện trở đầu vào của tranzito đối với thành phần xoay chiều.

0)52( BP II

P

EBE

P

B

I

UU

I

UR 000

2

0

01

BP

BC

II

UER

* Phƣơng pháp giải tích để tính chế độ xoay chiều tín hiệu bé:

Các tham số quan trọng của tầng khuếch đại nhƣ hệ số khuếch đại dòng KI, hệ số

khuếch đại áp KU, hệ số khuếch đại công suất KP, tổng trở đầu vào đầu ra Rv, Rr đƣợc

xác định khi tính toán cho tầng khuếch đại ở chế độ xoay chiều. Phƣơng pháp tính dựa

trên cơ sở thay thế tranzito tƣơng đƣơng bằng sơ đồ hình T trong chế độ tín hiệu bé.

Các tụ điện CE, CC là các tụ điện ký sinh của các tiếp giáp trên tranzito, CE là điện

dung của tiếp giáp phát, CC là điện dung của tiếp giáp góp, CP là điện dung ký sinh của

phụ tải. Ở những tần số thấp và trung bình thì trở kháng của các tụ điện ký sinh CE, CC

có giá trị lớn.

Khi tầng khuếch đại làm việc với tín hiệu hình sin với tần số trung bình thì trở

kháng các tụ C1, C2 nhỏ CE, CC, CP lớn, do đó có thể bỏ qua ảnh hƣởng của các tụ này

trong sơ đồ thay thế.

+ Rv = R1//R2//rV với rV là điện trở đầu vào của tranzito.

EB

B

EEBB

B

BEV rr

I

rIrI

I

Ur )1(

thƣờng chọn R1//R2 khá lớn nên

Rv rB + (1+β).rE

+ CCCr RrRR // vì rC >> RC

+ tC

C

t

tC

t

tC

B

C

B

t

v

tI

RR

R

R

RR

R

RR

I

I

I

I

I

IK

////.

+ )(

.).(

.

Vn

tI

VnV

ttU

RR

RK

RRI

RIK

Rn

en

R1//R2

rB rC

rE RC Rt

B C

E

Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại phát chung

CC

βiB C1 C2

CP C

E


+ IUP KKK ; thƣờng khoảng (0.2 ÷ 5).103

→ Tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng và áp khá lớn, nếu chọn RC đủ lớn

thì IK do đó hệ số khuếch đại công suất lớn. Đây là tầng khuếch đại đảo pha, tín

hiệu ra ngƣợc pha so với tín hiệu vào.

1.3. Đặc điểm

- Điện áp ra ngƣợc pha so với điện áp vào. Giả sử việc tăng điện áp vào theo

chiều dƣơng sẽ làm tăng dòng bazơ iB dòng colectơ iC tăng , hạ áp trên RC tăng

làm giảm điện áp trên Colectơ (tức là làm giảm điện áp có cực tính dƣơng trên cực

Colectơ) hay là xuất hiện ở đầu ra nửa chu kỳ âm điện áp

- Hệ số khuếch đại dòng : Ki >>1

- Hệ số khuếch đại điện áp : Ku >>1

- Hệ số khuếch đại công suất : KP >>1

Đây là tầng khuếch đại cơ bản hay dùng trong thực tế.

2. Tầng khuếch đại Colectơ chung (CC)


- Phân áp R1 , R2 làm nhiệm vụ chọn điểm làm việc tĩnh.

- Các tụ C1 , C2 là các tụ nối tầng. Điện trở RE dùng để tạo điện áp rơi xoay chiều từ đó

dẫn qua tụ CP2 sang phụ tải.

Việc tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại góp chung giống nhƣ tính

toán trong tầng khuếch đại phát chung. Việc tính toán chế độ xoay chiều trong chế độ

tín hiệu bé đƣợc dựa trên sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng. Để đơn giản, giả thiết tầng

khuếch đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hƣởng của các tụ điện.

+ Rv = R1//R2//rV

)//)(1()//(

tEEB

B

tEEEBB

B

BEV RRrr

I

RRrIrI

I

Ur

ura

+Ec

R1 IR1

IE

R2 IR2

IB

uvào

RE

B C

Rt

C1

C2

IC

CE

CP Rt

C1

C2

CC

βiB

Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng của

tầng khuêch đại góp chung (CC)

Rn

en

R1//R2

RE

rC rB

rE


vì rE << RE//Rt và nếu chọn R1//R2 đủ lớn thì ta có:

)//)(1( tEBV RRrR

+ EEE

nBCEEr rrR

RRRrrrRR

//

1

////////( 21

(vì rC rất nhỏ; (1+β) rất lớn)

+ tE

E

t

tE

t

tE

B

E

B

t

v

tI

RR

R

R

RR

R

RR

I

I

I

I

I

IK

)1(

//)1(

//.

+ )//)(1(

)//)(1(

)(

)//)(1(

).(

.

tEBn

tE

Vn

tE

VnV

ttU

RRrR

RR

RR

RR

RRI

RIK

nếu Rn << thì KU → 1

+ IIUP KKKK

→ Nhƣ vậy bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại dòng lớn, hệ số khuếch đại áp xấp

xỉ bằng 1, điện áp ra gần nhƣ lặp lại điện áp vào cả về biên độ (trị số) và góc pha, vì

vậy bộ khuếch đại còn có tên bộ khuếch đại lặp phát. Mạch có tổng trở vào lớn, tổng

trở ra nhỏ thƣờng đƣợc sử dụng làm tầng đệm để phối hợp giữa tầng khuếch đại có

tổng trở đầu ra lớn và tầng khuếch đại sau nó có tổng trở đầu vào nhỏ hoặc khi muốn

giữ nguyên điện áp tăng dòng điện.

uvào

UB0 t

IB

0

iE

UE0

IE

0

ura

uvào

t

t

t

t

t

t

uB

iB

U

E

Đồ thị thời gian minh họa sự hoạt động của tầng khuếch đại CC


2.2. Đặc điểm

- Mạch khuếch đại CC có điện trở đầu vào lớn do đó dễ dàng phối hợp với tầng

phía trƣớc (hay với nguồn tín hiệu có điện trở trong lớn), điện trở ra nhỏ do đó đƣợc

dùng làm tầng đệm.

- Mạch khuếch đại CC tuy không khuếch đại đƣợc điện áp (hệ số khuếch đại điện

áp KU = 1) nhƣng vẫn khuếch đại đƣợc công suất, do đó nó thƣờng đƣợc mắc ở tầng ra

của mạch khuếch đại công suất để dễ dàng phối hợp trở kháng.

- Điện áp ra vẫn giữ nguyên pha nhƣ ở đầu vào, biên độ coi nhƣ bằng biên độ

điện áp đầu vào (đƣợc gọi là mạch khuếch đại lặp lại).

3. Mạch khuếch đại Bazơ chung (BC)


- Các phần tử Ec, RE để xác định dòng tĩnh IE .

- Các phần tử còn lại cũng chức năng giống nhƣ sơ đồ EC.

Vị trí của điểm làm việc tĩnh đƣợc chọn bằng phƣơng pháp dòng điện cực gốc ổn

định với điện trở RB. Tụ C1 đảm bảo trên điện trở RB chỉ có thành phần một chiều.

Việc tính toán tầng khuếch đại gốc chung theo thành phần xoay chiều đối với tín hiệu

bé đƣợc thực hiện trên sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng. Để đơn giản, giả thiết tầng khuếch

đại làm việc ở tần số trung bình, khi đó bỏ qua sự ảnh hƣởng của các tụ điện.

+ BE

E

BBEE

E

EBV rr

I

rIrI

I

UR )1(

; vì BCEEC IIIII ;.

+ CCCr RrRR //

+ 1////

.

tC

C

t

tC

t

tC

E

E

E

t

v

tI

RR

R

R

RR

R

RR

I

I

I

I

I

IK

+Vn

tC

VnE

tCEU

RR

RR

RRI

RRIK

//

)(

)//(

ura

+Ec

RC RE IE IC

IB

uvào

B

C

Rt

Cp1 Cp2

-Ec

E

CE

C2

Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế tương đương của tầng

khuêch đại gốc chung (BC)

E

RB

rB

rC

rE

Rn

en

CC

αi

E

B

C

RC Rt

C1

CP

Rt

C2

C1

RB RC

EC -

+

Uv


Tầng khuếch đại BC có các đặc tuyến ra tĩnh có độ tuyến tính cao, do đó có thể

đƣa ra tín hiệu xoay chiều với biên độ lớn hơn so với tầng khuếch đại nối theo sơ đồ

phát chung mà vẫn đảm bảo méo không đƣờng thẳng nhỏ. Ngoài ra, vì nối chung cực

gốc nên tầng khuếch đại làm việc ổn định với tần số cao. Nhƣợc điểm của tầng khuếch

đại BC là tổng trở vào nhỏ nên khi ghép tầng khuếch đại nó sẽ là tải lớn đối với tầng

khuếch đại trƣớc nó.

3.2. Đặc điểm:

- Mạch khuếch đại BC không làm đảo pha tín hiệu vào.

- Điện trở đầu vào nhỏ, khoảng (10 ÷ 50) . Điện trở vào nhỏ là nhƣợc điểm cơ

bản của tầng BC vì tầng đó sẽ là tải lớn đối với nguồn tín hiệu vào , do đó tầng khuếch

đại BC thƣờng đƣợc dùng làm cuối trong bộ khuếch đại nhiều tầng

§4. GHÉP GIỮA CÁC TẦNG KHUẾCH ĐẠI

* Lý do phải ghép tầng:

Trong thực tế tín hiệu đầu vào thƣờng rất nhỏ (mV hoặc V) mà điện áp đầu ra

đòi hỏi có giá trị đủ lớn, hệ số khuếch đại lên tới hàng nghìn hàng vạn lần, một tầng

khuếch đại không thể đảm nhiệm đƣợc mà phải ghép nhiều tầng khuếch đại với nhau.

Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại nhiều tầng:

Trong sơ đồ này, tín hiệu ra của tầng đầu hay của tầng trung gian bất kỳ sẽ là tín

hiệu vào của tầng sau và tải của một tầng sẽ là điện trở vào của tầng sau đó. Điện trở

vào và ra của bộ khuếch đại đƣợc tính theo tầng đầu và tầng cuối.

Khi đó hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại nhiều tầng bằng tích hệ số khuếch đại

của mỗi tầng (tính theo số lần): K = Ku1.Ku2.Ku3 ...Kun

Việc ghép giữa các tầng khuếch đại có thể dùng tụ điện hoặc máy biến áp.

1. Ghép tầng bằng điện trở và tụ điện (R-C)

* Sơ đồ nguyên lý

Trên sơ đồ, tụ C2 là tụ ghép tầng

(nối tầng). Một linh kiện muốn làm

đƣợc nhiệm vụ ghép tầng thì phải

đồng thời làm tốt hai nhiệm vụ sau:

- Về mặt điện một chiều: phải cách ly hoàn toàn tầng trƣớc và tầng sau .

KU1

KU2 KU3 KUn UV

Ur1 Uv2 Ur2 Uv3 Ur3 Uvn

Ut

it

Rt

Rn

en

C1

RC1 R1

R2

RE1

C2

+Ec

RC2 R3

R4

RE2

C3

CE1 CE2

ura

Rn

en

T1 T2

Rt

RL1 RL2

CL2 CL1 CL3


- Về mặt điện xoay chiều: phải nối thông đƣợc hoàn toàn từ tầng trƣớc sang tầng

sau, tổn hao thất thoát là ít nhất.

Trên hình vẽ là sơ đồ bộ khuếch đại gồm 2 tầng mắc nối tiếp. Tầng thứ nhất có

tranzito T1 có điểm làm việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2.

Phụ tải tĩnh của tầng thứ nhất là RC1 nối song song với điện trở đầu vào tầng thứ

hai. RE1CE1 có nhiệm vụ ổn định nhiệt cho tranzito. Các phần tử của tầng thứ hai tƣơng

tự nhƣ tầng thứ nhất.

Việc tính toán các tham số cho mỗi tầng khuếch đại đƣợc thực hiện nhƣ cách tính

toán trong các sơ đồ khuếch đại dùng tranzito.

Điện dung các tụ phải chọn sao cho ở dải tần thấp thì dung kháng của tụ phải rất

nhỏ đối với tổng trở vào của tầng sau để sụt áp trên tụ nhỏ, không ảnh hƣởng đến tín

hiệu truyền đi.

RL1CL1, RL2CL2, CL3 có nhiệm vụ khử các thành phần xoay chiều sang tầng khuếch

đại khác và chạy về qua nguồn cung cấp.

* Ƣu, khuyết điểm :

- Ƣu điểm :

+ Mạch điện đơn giản, gọn nhẹ, bền chắc đƣợc dùng rộng rãi trong các mạch rời rạc.

- Nhƣợc điểm:

+ Mạch không khuếch đại đƣợc tín hiệu có tần số thấp.

+ Không có khả năng phối hợp trở kháng giữa tầng sau và tầng trƣớc cũng nhƣ giữa

tải và tầng ra, công suất không đƣa ra đƣợc tối đa.

2. Ghép tầng bằng máy biến áp và tụ điện

* Sơ đồ ghép tầng

Sơ đồ của mạch khuếch đại

điện áp hai tầng với mối liên hệ

biến áp giữa các tầng đƣợc trình

bày trên hình vẽ.

Mỗi tầng khuếch đại có điểm

làm việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ

phân áp R1R2, RECE có tác dụng ổn

định nhiệt cho điểm làm việc tĩnh.

Tụ C1 ngăn cản thành phần một chiều tác động vào nguồn, tụ C2 dẫn dòng xoay

chiều và ngăn cản thành phần một chiều ra cuộn thứ cấp máy biến áp.

* Ƣu điểm:

- Dùng biến áp ghép tầng về mặt điện một chiều là hoàn toàn cách ly đƣợc giữa bên sơ

cấp và bên thứ cấp.

C1

R1

R2

RE1

-Ec

R3

R4

RE2 CE1 CE2

T1 T2

en

Rn

MBA1 MBA2

C2

Rt

* * * *


- Về mặt điện xoay chiều đã chuyển đƣợc tín hiệu từ sơ cấp sang thứ cấp thông qua

chuyển đổi từ điện.

- Sụt áp một chiều trên cuộn sơ cấp có trị số nhỏ, điều này cho phép tăng hiệu suất của

mạch cũng nhƣ tăng biên độ điện áp ra. Ngoài ra, biến áp có thể dễ dàng phối hợp trở

kháng rất tốt giữa tầng trƣớc và tầng sau; giữa tải và tầng ra.

Công thức phối hợp trở kháng: Z' = n

2.Z

với n = tỷ số biến áp = Số vòng dây sơ cấp / Số vòng dây thứ cấp.

Z' : trở kháng phản ánh từ thứ cấp sang sơ cấp.

Z : trở kháng thực tế của tải.

* Nhƣợc điểm:

- Mạch ghép bằng biến áp có dải tần làm việc hẹp.

- Kích thƣớc và trọng lƣợng lớn,mạch cồng kềnh, giá thành cao.

- Không thể ghép một chiều đƣợc, khó IC hoá ít đƣợc dùng.

§5. TẦNG KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT

Các tầng khuếch đại công suất là các tầng khuếch đại cuối cùng trong bộ khuếch

đại nhiều tầng, có nhiệm vụ cung cấp cho phụ tải một công suất theo yêu cầu với độ

méo không đƣờng thẳng nằm trong phạm vi cho phép. Tùy thuộc vào yêu cầu và tính

chất phụ tải mà ta lựa chọn cho tầng khuếch đại làm việc ở chế độ A, B hay AB.

Thƣờng thì điện trở phụ tải nhỏ hơn nhiều so với điện trở đầu ra của tâng khuếch đại

công suất, vì vậy mà để phối hợp giữa trở kháng ra của tầng khuếch đại công suất với

trở kháng của phụ tải ngƣời ta thƣờng sử dụng máy biến áp.

1. Tầng khuếch đại công suất đơn

Sơ đồ mạch khuếch đại công suất dùng tranzito làm việc ở chế độ A mắc theo

mạch phát chung EC đƣợc trình bày nhƣ hình vẽ. Trong sơ đồ, điểm làm việc tĩnh

Sơ đồ nguyên lý

uv

CP

CE

ur

R2

R1

EC+

RE

Rt * *

0

ic

IC0

P

UC0

L M

O

N Ec

uCE

UBE =0


đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2, ổn định vị trí làm việc đƣợc thực hiện nhờ RECE.

Máy biến áp có nhiệm vụ phối hợp trở kháng đầu ra lớn của tầng với trở kháng nhỏ

của phụ tải.

Vì đây là tầng khuếch đại công suất, dòng và áp thƣờng lớn do đó việc lựa chọn

bộ phân áp, bộ ổn định cho điểm làm việc tranzito phải thật cẩn thận. Trong sơ đồ thì

RE đƣợc chọn không quá vài chục Ω nên việc lựa chọn CE để khử hồi tiếp dòng xoay

chiều phải phù hợp. Trong chế độ một chiều thì tải chỉ có RE do đó đƣờng tải tĩnh gần

nhƣ thẳng đứng. Điểm làm việc tĩnh P đƣợc lựa chọn sao cho công suất tỏa ra trên cực

góp của tranzito phải nhỏ hơn công suất cho phép trên cực góp của tranzito đã chọn.

)(00 CCCC EEIP

∆EC là điện áp rơi trên cuộn sơ cấp của máy biến áp, điện áp rơi trên RE rất nhỏ.

Đƣờng phụ tải động không đƣợc cắt đƣờng giới hạn LMON (LM – là giới hạn

dòng điện cực góp; MO – giới hạn công suất tỏa ra trên cực góp; ON – là giới hạn điện

áp trên cực góp). Khi đƣờng tải động cắt đƣờng giới hạn thì gây sự méo tín hiệu, hoặc

hỏng tranzito.

2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo làm việc ở chế độ B (hoặc AB)

Tầng khuếch đại đẩy kéo có sơ đồ nguyên lý nhƣ hình vẽ trên. Máy biến áp đầu

vào có cuộn sơ cấp chia hai nửa bằng nhau với chiều quấn dây ngƣợc nhau, do đó điện

áp trên cuộn thứ cấp bằng nhau về trị số nhƣng ngƣợc nhau về cực tính. Tầng khuếch

đại đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ B hoặc chế độ AB, trong chế độ AB thì điểm làm

việc tĩnh đƣợc chọn nhờ bộ phân áp R1R2, còn trong chế độ B thì do dòng điện cực gốc

tranzito IB = 0 nên bỏ qua R2 của bộ phân áp. Xét hoạt động của tầng khuếch đại làm

việc ở chế độ B:

- Khi uv = 0: Ở máy biến áp đầu vào có điện áp cuộn sơ cấp vào có giá trị

uv1 = uv2 = 0, tranzito T1 và T2 chỉ có dòng điện ban đầu IC0 nhỏ chạy qua cực góp

tranzito, sụt áp trên máy biến áp nhỏ do đó điện áp một chiều trên cực góp của tranzito

xấp xỉ bằng điện áp nguồn Ec.

- Khi uv ≠ 0: Giả sử tín hiệu vào có dạng hình sin (cực tính nhƣ hình vẽ), ở nửa

chu kỳ đâu ta có: theo cách nối mạch thì điện áp ra trên cuộn thứ cấp máy biến áp đầu

vào có uv1 có cực tính âm, uv2 có cực tính dƣơng, kết quả là tranzito T2 mở, dòng trên

Rt uV

-EC + R1

R2

T1

T2

w11

w21

w’21

w21

w’12

w12

*

*

uv1

uv2

* *

* *


cực góp tranzito 22 . BC ii dòng này chạy trên cuộn sơ cấp máy biến áp và tạo nên trên

cuộn thứ cấp máy biến áp điện áp có cực tính nhƣ hình vẽ. Nửa chu kỳ sau tƣơng tự

nhƣ chu kỳ đâu nhƣng cực tính điện áp ra ngƣợc chiều với nửa chu kỳ đầu.

Nhƣ vậy nếu đầu vào có tín hiệu xoay chiều thì tín hiệu ra cũng là tín hiệu xoay

chiều và có cùng cực tính với tín hiệu vào.

Trong chế độ làm việc loại B, do tính không đƣờng thẳng của các đặc tuyến vào

mà điện áp ra bị méo dạng đáng kể so với điện áp vào. Để cải thiện độ méo của điện

áp ra ta chuyển chế độ làm việc của tâng khuếch đại sang làm việc ở chế độ AB.

§6. KHUẾCH ĐẠI MỘT CHIỀU


Bộ khuếch đại một chiều là bộ khuếch đại các tín hiệu một chiều (biến thiên

chậm) và có đặc tuyến biên độ - tần số nhƣ hình vẽ.

- Việc ghép giữa nguồn tín hiệu với đầu vào bộ khuếch đại và giữa các tầng

không thể dùng tụ điện hay máy biến áp. Vì vậy để truyền đạt tín hiệu một chiều cần

phải ghép trực tiếp theo dòng một chiều giữa nguồn tín hiệu vào với mạch vào bộ

khuếch đại và giữa các tầng với nhau. Trong bộ khuếch đại ghép trực tiếp, không có

phần tử để cách ly thành phần một chiều. Vì vậy điện áp ra không những đƣợc xác

định bằng tín hiệu ra có ích mà còn có cả tín hiệu giả do sự thay đổi chế độ một chiều

của các tầng theo thời gian, nhiệt độ hay một nguyên nhân nào đó.

- Sự thay đổi ngẫu nhiên điện áp ra trong bộ khuếch đại một chiều khi tín hiệu

vào không đổi gọi là hiện tƣợng "trôi điểm không" (tức là Ura 0 khi Uvào = 0).

KĐMC Uv= Ur=

K

K0

f 0

Méo tín hiệu trong chế độ B và giảm méo trong chế độ AB

iB

UB0

IB0

t

T1

T2

T1

ib1

ib2

iB

T2

uBE t


Nguyên nhân trôi là do tính không ổn định của nguồn cung cấp, các tham số của

tranzito và điện trở theo nhiệt độ và thời gian. Hiện tƣợng này cần phải loại bỏ một

cách triệt để.

2. Khuếch đại một chiều ghép trực tiếp

Trên sơ đồ là mạch khuếch đại một chiều dùng 2 tầng khuếch đại ghép trực tiếp,

colectơ của tầng đầu nối trực tiếp với cực bazơ của tầng thứ hai. Để loại bỏ hiện tƣợng

trôi điểm không thì ta nối thêm nguồn phụ Eb (nhƣ hình vẽ), giá trị của nguồn đƣợc xác

định

2020 CCCCb RIEUE

hoặc ta có thể thay nguồn sức điện động bằng bộ phân áp R3R4 đƣợc mắc ở hai nhánh

để tạo mạch cầu cân bằng.

Bộ khuếch đại một chiều ghép trực tiếp do mắc nối tiếp các tầng khuếch đại do

có sự kém ổn định của các thiết bị điện tử (do nhiệt độ hoặc nhiễu) nên vẫn xảy ra hiện

tƣợng trôi điểm không (mặc dù đã có biện pháp hạn chế). Để giảm hơn nữa sự trôi

điểm không ta sử dụng mạch khuếch đại vi sai.

3. Tầng khuếch đại vi sai (khuếch đại tín hiệu có sai lệch nhỏ)

Để khắc phục hiện tƣợng "trôi điểm không" ngƣời ta dùng tầng khuếch đại vi sai.

Tầng khuếch đại vi sai làm việc dựa trên nguyên lý cầu cân bằng song song. Hai

nhánh của cầu là hai điện trở Rc1 = Rc2, hai nhánh kia là hai tranzito T1, T2 cùng loại.

T1 T2

Rt R1

R2

R3

R4

RC1

RE1

RC2

RE2

+ EC

Eb

Uv +

-

RC1

T1

Ec2

RC2

T2

Ura

+

-

uv2 uv1

ur2 = uC2 ur1 = uC1

Ec1 -

+

IC1 IC2

IE1 IE2

IE (a)

Hình (a): Mạch nguyên lý tầng khuếch đại vi sai

Hình (b,c): Phƣơng pháp đƣa tín hiệu vào

(b) (c)

T1 T2

uv2

IE

T1 T2

uv1

IE


- Điện áp đƣợc lấy ra giữa hai colectơ của T1, T2 gọi là kiểu ra đối xứng hay trên

mỗi côlectơ đối với đất gọi là kiểu ra không đối xứng. Nguồn dòng IE giữ cho dòng IE

= IE1+IE2 luôn không đổi.

- Điện áp một chiều cung cấp cho tầng vi sai là hai nguồn Ec1 và Ec2 có thể bằng

hoặc không bằng nhau về trị số. Vì Ec1 và Ec2 nối tiếp nên E = Ec1 + Ec2.

3.1. Trƣờng hợp khi chƣa có tín hiệu vào: uvào1 = uvào2 = 0

Khi uvào = 0 thì:

IB01= IB02 ; IC01= IC02 ; IE01=

IE02 UC01 = EC1 - IC01. RC1

UC02 = EC1 - IC02. RC2

UC01 = UC02 = EC1 - (IE.

RC/2).

- Điện áp trên mạch côlectơ:

Ur = Ur1 - Ur2 = 0. Trạng thái

này của sơ đồ đặc trƣng cho

chế độ cân bằng của tầng gọi

là chế độ cân bằng tĩnh.

3.2. Khi có tín hiệu vào: Giả sử uv1 > 0; uv2 = 0

Khi uv1 > 0; uv2 = 0 sẽ làm tăng dòng IB1 , giảm dòng IB2 , do đó: IC1 tăng IE1

tăng; IC2 giảm IE2 giảm. Sự thay đổi dòng điện của các tranzito xảy ra ngƣợc chiều

nhau với cùng một gia số IE = IE1+IE2 = const.

Khi đó: uC1 = EC1 - IC1. RC1 giảm một lƣợng là uC1 ngƣợc dấu so với uvào.

uC2 = EC1 - IC2. RC2 tăng một lƣợng là uC2 cùng dấu so với uvào.

2

CE RI

0201 CC UU

1CE

Hình d: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv = 0

Hình e: Biểu đồ tín hiệu ra

RC1

T1

Ec2

RC2

T2

Ura

+

-

uC02 uC01

Ec1 -

+

IC01 IC02

IE01 IE02

IE0

IB01 IB02

(d) (e)

Hình g: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai khi uv1 > 0, uv2 = 0

Hình f: Biểu đồ tín hiệu ra

(f)

11. CC RI

1CE

1CU

2CU

22 . CC RI

1CU

2CU

rau

RC1

T1

Ec2

RC2

T2

Ura

+

-

ur2

Ec1 -

+

IC1 IC2

IE1 IE2

IE

IB1

IB2

(g)

Rn

uv1 +

-

ur1


Với cách đƣa tín hiệu vào nhƣ sơ đồ thì ur1 gọi là đầu ra đảo còn đầu ra ur2 gọi là

đầu ra không đảo. Tín hiệu lấy giữa 2 côlectơ gọi là tín hiệu vi sai:

ur = uC2- uC1 = UC2 + UC1 = 2. UC

§7. KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN (OA)


Danh từ "Khuếch đại thuật toán" (OA- Operational Amplifier) thuộc về bộ

khuếch đại dòng một chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu

ra chung. Tên gọi này có quan hệ tới việc ứng dụng đầu tiên của chúng chủ yếu để

thực hiện các phép tính cộng, trừ, tích phân, vi phân.. v.v . Hiện nay các bộ khuếch đại

thuật toán đóng vai trò quan trọng và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch

đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực.. v.v.

Ký hiệu quy ƣớc của một bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) cho trên hình 1 với

đầu vào không đảo (ký hiệu bằng dấu „+‟) và đầu thứ hai là đầu vào đảo (ký hiệu bằng

dấu „-‟).

Khi có tín hiệu đƣa vào đầu không đảo thì

gia số tín hiệu ra cùng dấu (cùng pha) với gia số

tín hiệu vào.Nếu tín hiệu đƣợc đƣa vào đầu vào

đảo thì gia số tín hiệu ra ngƣợc dấu (ngƣợc pha )

so với gia số tín hiệu vào. Đầu vào đảo thƣờng

đƣợc dùng để thực hiện phản hồi âm bên ngoài

cho KĐTT.

Cấu tạo cơ sở của KĐTT là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộ

khuếch đại. Tầng ra của KĐTT thƣờng là tầng lặp phát (CC) đảm bảo khả năng tải yêu

cầu của các sơ đồ. Vì hệ số khuếch đại của tầng lặp phát gần bằng 1 nên hệ số khuếch

đại đạt đƣợc nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại trung gian mắc giữa tầng vi sai và

tầng ra. Tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại của KĐTT mà quyết định số lƣợng tầng trung

gian. Ngoài ra KĐTT còn có các tầng phụ nhƣ tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng

tạo nguồn ổn dòng, mạch hồi tiếp.

Hình 1: Ký hiệu khuếch đại

thuật toán trong sơ đồ điện tử

ur

+Ec

-

+

uvd

uvk

-Ec

U0

I0-

I0+


Sơ đồ cấu tạo bên trong của khuếch đại thuật toán µA741

2. Đặc tuyến truyền đạt: ura = f(uvào)

Đặc tuyến quan trọng nhất của KĐTT là đặc tuyến truyền đạt hình 2, gồm hai

đƣờng cong tƣơng ứng với các đầu vào đảo và không đảo.

Mỗi đƣờng cong gồm hai đoạn nằm ngang và một đoạn dốc. Đoạn nằm ngang

tƣơng ứng với chế độ Tranzitor tầng ra thông bão hòa hoặc cắt dòng. Trên những đoạn

đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ KĐTT không đổi và đƣợc

xác định bằng các giá trị U+

ra max, U-ra max gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện áp bão

hoà) gần bằng nguồn cung cấp EC (thƣờng nhỏ hơn nguồn Ec từ (13) V). Đoạn dốc

ur

U+

rmax

U-rmax

Đầu vào đảo Đầu vào không

đảo

+Ec

-Ec

uv 0

Hình 2: Đặc tuyến truyền đạt của khuếch đại

thuật toán


biểu thị phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số

khuếch đại của KĐTT (khi không có mạch phản hồi bên ngoài).

K = ura / uvào

- Điện áp vào vi sai:

Hiệu giữa các điện áp ở các đầu vào không đảo và đầu vào đảo đƣợc định nghĩa

là điện áp vào vi sai u0: u0 = uv+ - uv - .

Khi đó điện áp ra ura (so với mass) đƣợc tính : ura = K.u0 = K. (uv+ - uv -).

3. Các giả thiết lý tƣởng:

+ Trở kháng vào của KĐTT nhìn từ hai đầu lối vào là vô cùng lớn: Zv =

+ Trở kháng ra của KĐTT nhìn từ đầu ra so với mass là bằng 0: Zra = 0()

+ Hệ số khuếch đại (chƣa thực hiện phản hồi) tiến tới vô cùng: K = vô cùng

+ Độ "trôi điểm không " bằng 0 - các đƣờng đặc tuyến đi qua gốc toạ độ.

4. Các hệ quả:

+ Với giả thiết trở kháng vào là vô cùng lớn nên không có dòng điện nào chạy

vào hoặc chạy ra khỏi đầu lối vào nào của KĐTT: I0+ = I0

- = I0 = 0 .

+ Giả thiết trở kháng ra bằng 0 nên giá trị điện áp ở đầu ra Ura không phụ thuộc

vào dòng điện tải.

+ Vì ura = K. u0 = K (uv+ - uv-) , với giả thiết K = (giá trị điện áp ra ura hữu

hạn) u0 0 uv+ = uv- .

Lưu ý: các đầu vào với ký hiệu là "+", "-" không đƣợc đọc là các đầu vào

"dƣơng", "âm". Sau đây ta xét một số ứng dụng cơ bản của KĐTT ở chế độ làm việc

trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt và có sử dụng phản hồi âm để điều

khiển các tham số của mạch.

5. Một số ứng dụng của KĐTT

5.1. Mạch khuếch đại đảo

Điện áp vào cần khuếch đại đƣợc đƣa đến

đầu vào đảo thông qua điện trở R1.

Đầu vào không đảo đƣợc nối với điểm chung

của sơ đồ (nối đất). Để lấy phản hồi âm ta dùng điện trở Rph đƣa từ đầu ra quay về đầu

vào đảo. Giả thiết IC KĐTT là lý tƣởng. Giả sử chiều các dòng điện nhƣ hình vẽ.

Theo định luật Kirchhoff 1, tại nút N ta có: i1 - iph - i0 = 0.

-

+

+E

-E

R1

Rph

uv

ura N

i1

iph

i0+

u0

i0-

P


Với : ph

RNph

NV

R

uui

R

uui

;

1

1

i0: Dòng điện đầu vào đảo của KĐTT.

u0: Điện áp giữa hai đầu vào của KĐTT (u0 = uN - uP = 0)

Do KĐTT có trở kháng đầu vào là vô cùng lớn (Zv ) nên i0 = 0.

i1 - iph - i0 = i1 - iph = 0 i1 = iph ph

raNNV

R

uu

R

uu

1

Mặt khác khi K , điện áp đầu vào u0 = ur/K 0

ph

raV

R

u

R

u

1

(*)11 R

R

u

uKu

R

Ru

ph

v

raV

ph

r

Dấu (-) trong biểu thức (*) thể hiện tín hiệu ra và tín hiệu vào có cực tính (pha)

ngƣợc nhau. Ta nhận thấy hệ số khuếch đại của mạch chỉ phụ thuộc vào thông số của

các phần tử thụ động trong sơ đồ. Khi thay đổi giá trị điện trở Rph ta có thể thay đổi

đƣợc hệ số khuếch đại của toàn mạch. Nếu chọn Rph = R1 K = -1, khi đó ta có mạch

đảo tín hiệu.

5.2. Mạch khuếch đại không đảo

Điện áp vào đƣợc đƣa đến đầu vào không đảo.

Mạch thực hiện phản hồi âm điện áp thông qua

điện trở R1 , Rph đƣa đến đầu vào đảo.

Giả thiết KĐTT là lý tƣởng, ta có:

uv = U0 + uN . Vì U0 = 0 uv = uN

Ta có định luật K1 tại nút N: Iph = I1 + I0

do I0 = 0 nên: ph

raph

RR

uII

1

1

Mặt khác: 1

1

111 . RRR

uuRIuu

ph

raNRN

ra

ph

v uRR

Ru .

1

1

11

11

R

R

R

RR

u

uK

phph

v

ra

+E

-E

+

-

uv

ura

R1 Rph

N

U0

I0

Iph

I1


5.3. Mạch khuếch đại cộng đảo

Giả thiết KĐTT là lý tƣởng.

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có:

I1 + I2 +...+ In =I0 + Iph. Do I0 = 0 nên

I1 + I2 +...+ In = Iph hay ta có:

ph

raN

n

NnNN

R

uu

R

uu

R

uu

R

uu

...

2

2

1

1

Do uN = uP = u0 = 0, ph

ra

n

n

R

u

R

u

R

u

R

u ...

2

2

1

1 . Khi R1 R2 Rn , Ta có:

n

nphra

R

u

R

u

R

uRu ...

2

2

1

1

Nếu chọn R1 = R2 = Rn = Rph , ta có:

n

i

inra uuuuu1

21 ...

5.4. Mạch khuếch đại cộng không đảo

Do KĐTT lý tƣởng nên:

U0 = UN - UP = 0 UN = UP.

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút P ta có:

I1 + I2 +...+ In =I0 = 0 (1)

Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút N ta có:

Iph - IR1 - I0- Iph = IR1 do I0

- = 0 (2)

Từ (1), ta có:

0...21

R

uu

R

uu

R

uu PnPP (3)

Từ (2), ta có:

1

1

11

1

..1

RRR

uRIu

RR

uII

ph

raRN

ph

raRph

(4). Thay (4) vào (3), ta đƣợc:

n

i

i

ph

n

ph

rara

ph

n uR

RRuuu

R

RRuu

RR

Rnuuu

11

1

21

1

1

1

121 .)....(.....

Nếu chọn các tham số của sơ đồ thích hợp, ta có:

1. 1

1

Rn

RR ph và

n

i

inra uuuuu1

21 )...(

-

+

+E

-E

Rph

ura N

un In

Iph

I0+

U0

I0-

P

u2 I2

R1 u1

I1 R2

Rn .

.

.

.

.

-

+

+E

-E

ura P

un In

I0-

I0+

N

u2 I2

R u1

I1 R

R .

.

.

.

.

Rph Iph

R1

U0

IR1


5.5. Mạch khuếch đại trừ

Khi cần trừ hai điện áp, ngƣời ta

có thể thực hiện theo sơ đồ sau. Khi đó

điện áp đầu ra đƣợc tính theo:

ur = K1.u1 + K2.u2

Có thể tìm K1 và K2 theo phƣơng pháp sau:

* Cho u2 = 0, khi đó mạch làm việc nhƣ một bộ khuếch đại đảo, tức là:

ura1 = -a.u1 , vậy K1= -a (1)

* Cho u1 = 0, khi đó mạch làm việc nhƣ một bộ khuếch đại không đảo có phân áp.

Để tìm ura2 theo u2 ta áp dụng định luật Kiếchốp 1 tại nút P, ta có: 043 III

(giả thiết IC lý tƣởng nên I-0 = I

+0 = 0)

bbb RR

uII

/2

43 , ta có:

b

bbb

RbP RRR

uuu .

/

2

(*). Ta có định luật Kiếchốp 1 tại nút N: 0021 III

Hay: aa

aaa

raN

a

Nra

aa

N RRR

uu

R

uu

R

u

/.

/0

/

22

(**). Mặt khác:

Do U0 = UP – UN = 0 UP =UN , từ (*) và (**) ta có:

2222 .1.

1.

//.

/uuR

RR

uR

RR

ua

b

brab

bbb

aa

aaa

ra

(2)

a

b

bK

1.

12 . Vậy ura = ura1 + ura2 12 ..1.

1uuu aa

b

bra

Nếu a = b = thì K1 = - , K2 = và ura = (u2 – u1)

5.6. Mạch tích phân

Sơ đồ mạch tích phân cho trên hình vẽ.

Giả thiết IC lý tƣởng, ta có định luật Kiếchốp 1

tại nút N: iR = iC + I-0 = iC ( Do I

+0 = I

-0 = 0)

Hay:

dt

uudC

R

uu raNNv

, mặt khác do uN = uP = 0

Nên: 0

0

1ra

t

vrarav Udtu

RCu

dt

duC

R

u

Trong đó: Ura0 là điện áp trên tụ C khi t = 0 ( là hằng số tích phân xác định từ điều kiện

ban đầu), thƣờng khi t = 0, uv = 0 và ura = 0, nên ta có:

-

+

+E

-E

R uv

ura N

iR

iC

I0+

U0

I0-

P

C

Ra

u1

ura

Ra/a

Rb

_

+ Rb/b

u2

N

P

I0-

I0+

I1 I2

I3

I4


dtuu

t

vra 0

1

, trong đó: = RC là hằng số tích phân của mạch

- Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra sẽ bằng:

RC

U

t

U Vra

nghĩa là ở đầu ra mạch tích phân sẽ có điện áp tăng (hay giảm) tuyến tính theo thời

gian.

- Đối với tín hiệu hình sin, bộ tích phân sẽ là bộ lọc tần thấp quay pha tín hiệu

hình sin đi 900 và hệ số khuếch đại của nó tỷ lệ nghịch với tần số.

5.7. Mạch vi phân

Sơ đồ mạch vi phân cho trên hình vẽ.

Giả thiết IC lý tƣởng, ta có định luật Kiếchốp 1

tại nút N: iC = iR + I-0 = iR ( Do I

+0 = I

-0 = 0)

Hay:

dt

uudC

R

uu NvraN

, mặt khác do uN = uP = 0

Nên: dt

duC

R

u vra dt

du

dt

duRCu vv

ra

Trong đó: = RC là hằng số vi phân của mạch

- Khi tín hiệu vào là hình sin, bộ vi phân làm việc nhƣ là bộ lọc tần cao, hệ số

khuếch đại của nó tỷ lệ thuận với tần số tín hiệu vào và làm quay pha uvào một góc 900.

- Thƣờng bộ vi phân làm việc kém ổn định ở tần cao vì khi đó 01

C

ZC

làm hệ số hồi tiếp âm giảm.

U0

-

+ I0

+

uv

+E

-E

R

ura N

iC

iR

I0-

P

C



1. Nguyên lý chung xây dựng một tầng khuếch đại. Các tham số cơ bản của một tầng

khuếch đại.

2. Các chế độ làm việc cơ bản của một tầng khuếch đại. Nêu đặc điểm của từng chế độ.

3. Phản hồi trong khuếch đại. Ảnh hƣởng của phản hồi đến hệ số khuếch đại của mạch.

4. Nêu các đặc điểm cơ bản của ba tầng khuếch đại EC, BC và CC.

5. Nêu chức năng, nhiệm vụ của các phần tử trong sơ đồ sau.Trình bày nguyên lý hoạt

động của mạch.

6.Tại sao phải ghép tầng khuếch đại? Trình bày các phƣơng pháp ghép tầng khuếch

đại. Ƣu, nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp.

7. Hãy nêu các giả thiết lý tƣởng, các hệ quả và đặc tuyến truyền đạt của IC KĐTT.

8. Khái niệm, kí hiệu của IC khuếch đại thuật toán.Với giả thiết IC KĐTT là lý tƣởng,

thiết lập công thức tính hệ số khuếch đại cho mạch khuếch đại cộng đảo.

9. Phân cực một chiều cho BJT nhằm mục đích gì? Hãy trình bày các phƣơng pháp

phân cực một chiều cho BJT.

10. Cho tầng khuếch đại điện áp tần số thấp mắc theo

sơ đồ EC nhƣ hình 1, biết: Ec = +12V, R1 = 22k,

R2 = 4,7k, R3 = 2,7k, R4 = 1k, Rt = 3,9 k,

= 100, UBE = 0,6V.

a) Xác định các giá trị dòng điện, điện áp một chiều trên các cực của tranzito.

b) Xác định giá trị điện trở tải một chiều và điện trở tải xoay chiều của tầng khuếch

đại.

c) Vẽ đƣờng tải một chiều và xác định vị trí điểm làm việc tĩnh P.

ura

+EC

RC R1 IR1 iC0

iE0

R2 IR2

iB0

uvµo

RE

Rt

C1 C2

CE IP

R4

R1

Ec +

Rt

R2

R3

uv

ura B

C

E

C1

C2

C3

Hình 1


11. Cho tầng khuếch đại điện áp tần số thấp mắc theo sơ đồ CC

nhƣ hình 2, biết Ec = +12V, RB = 300k, RE = 2,7k,

Rt = 2,7 k, = 100, UBE = 0,7V

a) Xác định các giá trị dòng điện, điện áp một chiều

trên các cực của tranzito.

b) Xác định giá trị điện trở tải một chiều và điện trở

tải xoay chiều của tầng khuếch đại.

c) Vẽ đƣờng tải một chiều và xác định vị trí điểm

làm việc tĩnh P.

12. Cho mạch khuếch đại nhƣ hình 3, biết các tham số của mạch:

± E = ± 15V, điện áp ra bão hoà của IC là

± Uramax = ± 12V, R1 = 1,5k, R2 = 6,8k,

WR = 150k, uv = 150mV

a) Thiết lập công thức tính v

ra

u

uK ?

b) Xác định dải điện áp ura khi WR thay đổi? Mạch làm việc ổn định hơn khi WR = 0

hay khi WR = 150k ?

c) Xác định khoảng giá trị của WR gây méo cho tín hiệu ra.

13. Cho mạch khuếch đại nhƣ hình 4, biết các tham số

của mạch:


± Uramax = ± 9V, điện áp vào uvào = 150mV, R1 =3k,

R2 = 6,8k, WR = 150k.

a) Thiết lập công thức tính v

ra

u

uK ?

b) Xác định dải uramin ÷ uramax khi WR = 0÷150k? Mạch làm việc ổn định hơn khi

WR = 0 hay WR = 150k ? Vì sao?

c) Xác định khoảng giá trị của WR để IC làm việc không bị bão hoà?

14. Cho mạch khuếch đại nhƣ hình 5, biết các tham số của mạch:


± Uramax = ± 9V, R1 =3k, R2 = 6,8k, R3 = 1k,

R4 = 20k, WR = 150k.

a) Thiết lập biểu thức quan hệ ura theo uv1 và uv2?

Hình 4

ura _ +

+E

-E

R2 WR R1

uv

uv1

uv2

R1

R2

R4

WR

_

+

+E

-E R3

ura

Hình 5

Hình 2

RB

RE

C2

uv

Ec

+ _

ura

Rt

C1

B

C

E

uv

R1

R2

WR

_

+

+E

-E

ura

Hình 3


+E

-E-E

+E

u1

2u

3u

R4R1

R2

R6

R7

rau

-+

+

-R3

R5

b) Khi uv1 = 50mV, uv2 = 100mV, xác định dải uramin ÷ uramax khi WR = 0÷150k?

Mạch làm việc ổn định hơn khi WR = 0 hay WR = 150k ? Vì sao?

c) Xác định khoảng giá trị của WR để IC làm việc không bị bão hoà?

15. Cho mạch khuếch đại thuật toán nhƣ hình 6. Biết E = 12V; R1=15k; R3=1k;

R5=10k; R6=20k.Các IC KĐTT là lý tƣởng.

Hình 6

a) Tìm biểu thức tổng quát xác định ura theo các điện áp vào u1, u2, u3 và các tham số

của mạch.

b) Xác định các giá trị điện trở R2, R4 và R7 để có quan hệ ura = 2u1 + 4u2 – 3u3


CHƢƠNG III: CÁC MẠCH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG

1 - Nội dung :

- Khái niệm về xung điện

- Các tham số cơ bản và các dạng của tín hiệu xung

- Tìm hiểu về chế độ khóa của các linh kiện điện tử

- Tìm hiểu về các mạch trigơ, các mạch tạo đa hài tự kích, các mạch tạo điện áp

biến đổi đƣờng thẳng và các mạch sửa xung.


- Giúp sinh viên nắm đƣợc ý nghĩa của việc tạo ra các dạng xung điện khác nhau.

- Sinh viên có thể hiểu đƣợc điều kiện để các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ

khóa (chế độ xung).

- Nắm bắt đƣợc phƣơng pháp xây dựng các mạch tạo xung.

- Sinh viên có thể lựa chọn các tham số của mạch điện để tạo ra dạng xung theo

yêu cầu cho trƣớc.





[1] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật

điện tử, NXB Giáo Dục, 2008.


[3] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử, Trƣờng Đại học Kỹ thuật

Công Nghiệp.

[4] TS. Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng, Nhà xuất

bản Giáo dục, 2005.


[6] Bộ môn Điện tử, Cơ sở Kỹ thuật điện tử số, Đại học Thanh Hoa Bắc Kinh, Nhà

xuất bản Giáo dục, .

[7] Nguyễn Tấn Phƣớc, Kỹ thuật xung căn bản và nâng cao, NXB Thành phố Hồ

Chí Minh, .

[8] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật xung, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công

Nghiệp.





1. Tín hiệu xung và các dạng của tín hiệu xung (dạy trên lớp)

1.1. Tín hiệu xung

1.2. Các dạng tín hiệu xung

2. Các tham số của tín hiệu xung (dạy trên lớp)

§2. CHẾ ĐỘ KHÓA CỦA CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN

1. Chế độ khóa của tranzito (dạy trên lớp)

2. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán

2.1. Mạch so sánh một ngƣỡng (dạy trên lớp)

2.2. Mạch so sánh hai ngƣỡng (dạy trên lớp)

2.3. Một số mạch so sánh cơ bản (tự nghiên cứu)

§3. CÁC MẠCH TRIGƠ

1. Mạch Trigơ đối xứng (RS-trigơ) dùng tranzito (dạy trên lớp)

2. Mạch Trigơ Smit

2.1. Trigơ Smit dùng tranzito (dạy trên lớp)

2.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính

a) Với trigơ Smit đảo (dạy trên lớp)

b) Với trigơ Smit không đảo (tự nghiên cứu)

§4. CÁC MẠCH ĐA HÀI TỰ KÍCH (dạy trên lớp)

1. Đa hài tự dao động dùng Tranzito

2. Đa hài tự dao động dùng IC KĐTT

§5. CÁC MẠCH ĐA HÀI ĐỢI (tự nghiên cứu)

1. Đa hài đợi dùng tranzito

2. Đa hài đợi dùng IC khuếch đại thuật toán

§6. MẠCH TẠO XUNG VUÔNG DÙNG IC555 (dạy trên lớp)

1. Khái niệm

2. Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC555

2.1. Sơ đồ chân

2.2. Cấu trúc bên trong của IC555

3. Mạch đa hài tự kích dùng IC555

§7. CÁC MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƢA

1. Mạch tạo xung răng cƣa dùng mạch tích phân đơn giản (dạy trên lớp)

2. Mạch tạo xung răng cƣa dùng phần tử ổn dòng

2.1. Mạch tạo xung răng cƣa dùng mạch hai cực ổn dòng (tự nghiên cứu)

2.2. Mạch tạo xung răng cƣa dùng tranzitor có khâu ổn dòng (dạy trên lớp)


3.Mạch tạo xung răng cƣa dùng phƣơng pháp bù điện áp (phản hồi điện áp) (dạy trên

lớp)

4. Mạch tạo xung răng cƣa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

4.1. Mạch tạo xung răng cƣa một cực tính dùng vi mạch KĐTT (dạy trên lớp)

4.2. Mạch tạo xung răng cƣa hai cực tính dùng vi mạch KĐTT (tự nghiên cứu)

§8. CÁC MẠCH SỬA XUNG

1. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân và khuếch đại thuật toán (dạy trên lớp)

2. Mạch sửa xung dùng tranzitor kết hợp với mạch vi phân (tự nghiên cứu)

3. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân kết hợp với các cổng logic (tự nghiên cứu)

4. Mạch sửa xung dùng IC 555 kết hợp với các cổng logic (dạy trên lớp)

5. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân, khuếch đại xung dùng Tranzito loại pnp lắp

theo mạch Dalingtơn có biến áp ra (tự nghiên cứu)

§9. CỦNG CỐ KIẾN THỨC (thảo luận trên lớp và tự nghiên cứu)



“Kỹ thuật xung - số” là thuật ngữ bao gồm một lĩnh vực khá rộng và quan trọng

của ngành kĩ thuật điện tử - tin học. Ngày nay trong bƣớc phát triển nhảy vọt của kĩ

thuật tự động hoá, nó mang ý nghĩa là khâu then chốt và là công cụ không thể thiếu để

giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể hƣớng tới mục đích làm giảm chi phí về năng

lƣợng và thời gian cho một quá trình công nghệ hay kỹ thuật, nâng cao tính hiệu quả

của chúng. Trong chƣơng này, do thời gian có hạn nên chúng ta chỉ đề cập đến một số

vấn đề có tính chất cơ bản về kỹ thuật xung cũng nhƣ một số mạch tạo và biến đổi

dạng xung.

Ngày nay có rất nhiều các thiết bị làm việc trong một chế độ đặc biệt, đó là chế độ

xung. Khác với các thiết bị điện tử làm việc trong chế độ liên tục, trong chế độ xung,

dòng điện hay điện áp tác dụng lên mạch một cách rời rạc theo môt quy luật nào đó. Ở

những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ, phá

huỷ chế độ làm việc tĩnh của mạch. Vì vậy việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong

các thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu quá trình quá độ trong các

mạch đó. Các thiết bị xung đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học

kỹ thuật hiện đại nhƣ: thông tin, điều khiển, rađa, vô tuyến truyền hình, máy tính điện

tử, điện tử ứng dụng….

Tùy theo từng nhiệm vụ mà trong các thiết bị có sử dụng nhiều loại sơ đồ xung

khác nhau. Chúng khác nhau về nguyên tắc cấu tạo, nguyên lí làm việc cũng nhƣ về

tham số. Tổ hợp tất cả các phƣơng pháp và thiết bị để tạo và biến đổi dạng xung, để

biểu thị và chọn xung gọi là “KỸ THUẬT XUNG”.

Trƣớc khi đi vào nghiên cứu các quá trình xung, ta cần hiểu thế nào là tín hiệu xung

và các tham số đặc trƣng của nó.

1. Tín hiệu xung và các dạng của tín hiệu xung

1.1. Tín hiệu xung:

Các tín hiệu điện có giá trị thay đổi theo thời gian đƣợc chia ra làm hai loại cơ bản

là tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn. Tín hiệu liên tục còn đƣợc gọi là tín hiệu

tƣơng tự, tín hiệu gián đoạn còn đƣợc gọi là tín hiệu xung hay số.

Nói cách khác: Xung điện là những điện áp hay dòng điện tồn tại trong một

khoảng thời gian ngắn có thể so sánh đƣợc với thời gian quá độ trong mạch điện mà

chúng tác dụng.


Bộ môn: Kỹ thuật Điện tử - Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên 78

t

u

+Um

-Um

0 0

U

t

U

H

L

u

1.2. Các dạng tín hiệu xung:

Tín hiệu hình sin đƣợc xem nhƣ là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên

tục.Với tín hiệu hình sin, có đƣờng biểu diễn nhƣ hình 3.1, ta có thể tính đƣợc giá trị

của nó ở từng thời điểm.

Hình 3.1: Tín hiệu hình sin Hình 3.2: Tín hiệu hình vuông

Ngƣợc lại tín hiệu hình vuông đƣợc xem là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu

gián đoạn. Với tín hiệu hình vuông, có đƣờng biểu diễn nhƣ hình 3.2, thì nó có 2 giá trị

là mức cao (UH) và mức thấp (UL), thời gian để chuyển từ mức thấp lên mức cao hay

từ mức cao xuống mức thấp rất ngắn và đƣợc xem nhƣ tức thời.

Trên thực tế thì tín hiệu xung không chỉ có loại hình vuông, mà còn có các dạng

khác nhƣ xung tam giác, xung răng cƣa, xung nhọn, xung hình thang…Trong nhiều

trƣờng hợp xung tam giác có thể gọi là xung răng cƣa và ngƣợc lại.

Hình 3.3: Một số dạng xung thƣờng gặp:

a - xung vuông; b - xung tam giác; c - xung hình thang ; d - xung kim

Tx

t

u

c) tx

Um

Tx

u

u u

t t

b) d) Tx Tx

t

a)


Bộ môn: Kỹ thuật Điện tử - Trƣờng ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên 79

Các dạng xung cơ bản nhƣ trong hình 3.3 rất khác nhau về dạng sóng, nhƣng có

một điểm chung đó là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên giá trị từ thấp

lên cao (nhƣ xung nhọn) hay từ cao xuống thấp (xung tam giác) xảy ra rất nhanh.

2. Các tham số của tín hiệu xung

Thông thƣờng hay gặp là những dãy xung có chu kỳ lặp lại Tx, khi đó dãy xung

đƣợc đặc trƣng bằng các tham số nhƣ: Tần số lặp lại fx , độ rỗng Qx và hệ số đầy .

+ Độ rỗng của một dãy xung là tỷ số giữa chu kỳ lặp lại Tx với độ rộng của

xung tx

x

xx

t

TQ

+ Trị số nghịch đảo của Qx là hệ số đầy của xung

= x

x

T

t

Thông thƣờng phạm vi biến đổi của Qx khá lớn từ một vài cho đến hàng trăm, thậm

chí hàng nghìn đơn vị .

+ Tần số lặp lại của dãy xung đƣợc đo bằng Hz tức là số xung trong một giây

và liên hệ với độ rỗng theo biểu thức :

fx = xxx tQT .

11

Dạng xung là qui luật biến đổi của trị số điện áp (dòng điện) xung theo thời gian,

cũng là một tham số cơ bản của tín hiệu xung. Tuỳ theo mục đích công tác mà ngƣời ta

sử dụng các dãy xung có hình dạng khác nhau.

Qua các ví dụ trên ta thấy thông thƣờng thời gian tồn tại của xung t x rất nhỏ so với

chu kỳ lặp lại T x và có những thời điểm xung biến đổi đột ngột. Tuy vậy trong thực tế

còn gặp những dãy xung mà thời gian tồn tại tx bằng một nửa hoặc lớn hơn một nửa

chu kỳ lặp lại. Những dãy xung nhƣ vậy đƣợc gọi là dãy xung rộng. Tuy nhiên khái

niệm này hoàn toàn không phải là tuyệt đối, ví dụ: trong điều khiển tự động thƣờng

dùng xung có độ rộng đến hàng giây, trong thông tin liên lạc dùng xung có độ rộng vài

chục s đến vài ms còn trong vật lý lại dùng xung cỡ ns hoặc xung có độ rộng hẹp

hơn.

Để đặc trƣng cho dạng của tín hiệu xung, ngƣời ta thƣờng dùng một số các tham số

cơ bản sau (hình 3.4).


- Độ rộng xung tx: là khoảng thời gian tồn tại của xung.

- Biên độ xung Um (Im): là giá trị cực đại của xung.

- Độ rộng sƣờn trƣớc ts1 : là khoảng thời gian tăng của giá trị xung từ 0,1Um tới

0,9Um.

- Độ rộng sƣờn sau ts2 : là khoảng thời gian giảm của giá trị xung từ 0,9Um tới

0,1Um.

Đôi khi để thay cho tham số về độ rộng sƣờn xung ngƣời ta còn sử dụng tham số

“độ dốc sƣờn xung" tức là tốc độ tăng hoặc giảm của xung (độ dốc sƣờn trƣớc SS1 , độ

dốc sƣờn sau SS2 )

;S , 2

S2

1

1

S

m

S

mS

t

U

t

US

- Độ sụt đỉnh xung U: là độ giảm giá trị xung ở phần đỉnh xung. Trong thực tế

thƣờng dùng độ sụt đỉnh tƣơng đối để dễ dàng so sánh mức sụt đỉnh của xung với

biên độ của nó:

mU

UU

Trong thực tế rất khó xác định các điểm bắt đầu và kết thúc sƣờn xung cũng nhƣ

đỉnh xung. Bởi vậy ngƣời ta thƣờng đo độ rộng sƣờn xung theo quy ƣớc là khoảng

thời gian để xung tăng từ 0,1Um đến 0,9Um hoặc ngƣợc lại. Khi đó độ rộng xung đƣợc

đo bằng khoảng thời gian xung lớn hơn 0,1Um . Có thể lấy mức Um tuỳ ý, nhƣng

thông thƣờng ngƣời ta lấy = 0,1; 0,01; 0,05 . Trong thực tế ngƣời ta còn sử dụng

thông số độ rộng hiệu dụng của xung tx , tức là độ rộng của xung ở mức giá trị xung

bằng 0,5Um .

t

U

u

Um

ts1 ts2

tx

0,9 Um

Hình 3.4

0,1 Um

0,9Um

0,1Um

0


Trong kỹ thuật xung - số, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp số đối với dạng tín

hiệu xung với quy ƣớc chỉ có hai trạng thái phân biệt:

Trạng thái có xung ( khoảng t x ) với giá trị xung lớn hơn một mức ngƣỡng U H

gọi là mức cao hay mức “1”, mức U H thƣờng đƣợc chọn cỡ bằng 1/2 điện áp

nguồn cung cấp.

Trạng thái không có xung (khoảng t ng ) với giá trị nhỏ hơn một mức ngƣỡng U L

gọi là mức thấp hay mức “0”, mức U L đƣợc chọn tuỳ theo phần tử khoá

(tranzito,IC).

Các mức điện áp ra trong dải U L < u ra < U H là các trạng thái cấm.

§2. CHẾ ĐỘ KHÓA CỦA CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN

Trong các thiết bị xung, các dụng cụ điện tử và bán dẫn thƣờng làm việc ở tất cả

các chế độ, song chủ yếu nhất là làm việc trong chế độ đóng mở. Khi đó về thực chất,

các đèn điện tử và dụng cụ bán dẫn đóng vai trò nhƣ một cái khóa điện tử nằm ở một

trong hai trạng thái: khóa hở là đèn tắt và khoá đóng là đèn thông. Chế độ đóng mở

này đƣợc đặc trƣng bằng sự chuyển đổi của khoá một cách nhanh chóng từ trạng thái

đèn tắt sang trạng thái đèn thông bão hoà, và ngƣợc lại, dƣới tác dụng của tín hiệu vào

đặt lên các điện cực điều khiển. Khi đèn đã nằm ở một trong hai trạng thái trên thì mọi

sự thay đổi nhỏ ở đầu vào đều không làm ảnh hƣởng gì đến điện áp hoặc dòng điện ở

đầu ra.

Một cách gần đúng, khi so với các sơ đồ thực tế, ta có thể coi các khóa lý tƣởng có

nội trở bằng vô cùng khi khóa hở và bằng không khi khóa đóng. Nhƣ vậy một khóa

điện tử có thể đƣợc đặc trƣng bằng các giá trị nội trở của khóa ở hai trạng thái. Ngoài

ra khóa còn đƣợc đặc trƣng bằng công suất yêu cầu đối với các tín hiệu điều khiển ở

đầu vào và thời gian cần thiết để chuyển khóa từ trạng thái này sang trạng thái khác.

Về mặt năng lƣợng mà nói, các khóa điện tử dùng tranzito yêu cầu công suất điều

khiển nhỏ hơn so với đèn điện tử. Song nội trở của khóa tranzito khi khóa mở lại nhỏ

hơn nhiều so với đèn điện tử. Đó là điều cần hết sức lƣu ý trong những sơ đồ thực tế.

Nhìn chung, trong các thiết bị xung, các đèn điện tử và bán dẫn làm việc trong chế

độ mà điện áp điều khiển trên các điện cực thay đổi trong phạm vi lớn thƣờng đƣợc

gọi là chế độ tín hiệu lớn. Khi đó đặc tuyến vôn – ampe của đèn có độ cong rất lớn và

tuỳ theo độ chính xác, có thể thay chúng bằng những đƣờng cong toán học khác nhau.


Song việc thay thế đặc tuyến vôn – ampe của đèn bằng những đƣờng cong nhƣ vậy chỉ

dùng đƣợc trong một phạm vi rất hẹp để giải những bài toán đặc biệt, không đƣợc áp

dụng rộng rãi trong tính toán kỹ thuật.

Bởi vậy, trong thực tế thƣờng thay thế các đƣờng cong đó bằng những đƣờng gẫy

và đƣợc gọi là phƣơng pháp tuyến tính hoá từng đoạn. Khi đó, với những công cụ toán

thông thƣờng, việc giải các bài toán cụ thể trở nên dễ dàng, thuận lợi hơn .

1. Chế độ khóa của tranzito

Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động nhƣ một khóa điện tử đóng mở mạch

với tốc độ nhanh (10-9

–10-6

s), nó có trạng thái làm việc hoặc ở khu vực cắt dòng hoặc

ở khu vực bão hòa, chỉ trong khoảnh khắc của quá trình quá độ (chuyển từ bão hòa

sang cắt dòng & ngƣợc lại) tranzito mới làm việc trong khu vực khuếch đại.

* Các yêu cầu cơ bản:

Yêu cầu cơ bản với một tranzito ở chế độ khoá là điện áp đầu ra có hai trạng thái khác

biệt :

ura UH khi uvào ≤ UL (tranzito khóa)

ura ≤ UL khi uvào UH (tranzito mở)

Chế độ khoá của tranzito đƣợc xác định bởi chế độ điện áp hay dòng điện một

chiều cung cấp từ ngoài qua một mạch phụ trợ (khoá thƣờng đóng hay thƣờng mở).

Việc chuyển trạng thái của khóa thƣờng đƣợc thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực

tính thích hợp (biên độ đủ lớn) tác động tới đầu vào. Cũng có trƣờng hợp khoá tự động

chuyển đổi trạng thái một cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dƣơng nội bộ, khi đó

không cần xung điều khiển (xem các phần mạch tạo xung tiếp sau).

Để đƣa ra những đặc điểm chủ yếu của chế độ khoá, hãy xét mạch cụ thể (hình

3.5).

(3-1)

Hình 3.5: Mạch khóa (đảo) dùng Tranzitor

_

T

Rc

Rt

+ Ec

IC

IE

IB E

B

C

uv ur

RB


Sơ đồ thực hiện đƣợc điều kiện (3-1) khi lựa chọn các mức UH, UL cũng nhƣ các

giá trị Rc và RB thích hợp.

- Ban đầu (khi uv = 0 hay uv ≤ UL) tranzito ở trạng thái cắt dòng, dòng điện ra

Ic = 0, lúc không có tải Rt .

ura +Ec

- Khi có xung điều khiển cực tính dƣơng đƣa tới đầu vào uvào UH , tranzito

chuyển sang trạng thái mở (bão hòa), điện áp ra khi đó phải thỏa mãn điều kiện

ura ≤ UL

ura = U CEbh = (0,20,3)V

Đối với tranzito silic ngƣời ta thƣờng chọn UL = 0,4V. Điện trở Rc chọn thích hợp

để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng Ic không quá lớn, chẳng hạn Rc =5k.

Một điểm cần lưu ý là khi sử dụng tranzito làm phần tử khóa cần chú ý tới các tính

chất động (quá độ) của mạch và yêu cầu cơ bản là cần nâng cao tính tác động nhanh

của khóa.

Hoàn toàn tƣơng tự có thể sử dụng các FET (tranzito trƣờng) làm phần tử khóa với

nhiều ƣu điểm về mức tiêu hao công suất tín hiệu nhỏ, tác động nhanh.

Ví dụ: Xác định RB để khi uv = UH = 1,5V thì ura ≤ UL = 0,4V. Biết ICbh=Ecc /Rc =1mA

với = 100 khi đó dòng bazơ IBbh =10 A .Để tranzito bão hoà vững, chọn IB=100 A

(tức là có dự trữ 10 lần ), lúc đó lƣu ý UBE =0,6V ta có:

RB =

kA

V9

100

)6,05,1(

.

2. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán

Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động nhƣ một khóa

điện tử đóng, mở mạch với tốc độ nhanh, điểm làm việc luôn nằm trong vùng bão hoà

của đặc tuyến truyền đạt ura = f (uvào ). Khi đó điện áp ra chỉ nằm ở một trong hai mức

bão hoà U+

ramax và U-ramax ứng với các giá trị uv đủ lớn. Để minh hoạ nguyên lý hoạt

động của một IC khoá ta xét một ví dụ điển hình là mạch so sánh (comparator).


2.1. Mạch so sánh một ngƣỡng

Hình 3.6: a),c) – Bộ so sánh dùng IC thuật toán với hai kiểu mắc khác nhau và

b),d) – Hàm truyền đạt tƣơng ứng của chúng

Mạch so sánh (hình 3.6) thực hiện quá trình so sánh giá trị của điện áp đƣa vào (uvào )

với một điện áp chuẩn (Ungƣỡng ) có cực tính có thể là dƣơng hay âm. Thông thƣờng giá

trị Ungƣỡng đƣợc định trƣớc cố định và mang ý nghĩa là một thông tin chuẩn (tƣơng tự

nhƣ quả cân trong phép cân trọng lƣợng kiểu so sánh), còn giá trị uvào là một lƣợng

biến đổi theo thời gian cần đƣợc giám sát theo dõi, đánh giá, mang thông tin của quá

trình động (thƣờng biến đổi chậm theo thời gian) cần đƣợc điều khiển trong một dải

hay ở một trạng thái mong muốn.

Khi hai mức điện áp này bằng nhau (uvào = Ungƣỡng ) tại đầu ra bộ so sánh sẽ có sự

thay đổi cực tính của điện áp từ U+

ramax tới U-ramax hoặc ngƣợc lại. Trong trƣờng hợp

riêng, nếu chọn Ungƣỡng = 0 thì thực chất mạch so sánh đánh dấu lúc đổi cực tính của

uvào .

Trong mạch hình (3.6a), uvào và Ungƣỡng đƣợc đƣa tới hai đầu vào đảo và không đảo

tƣơng ứng của IC. Hiệu của chúng u0 = uv - Ungƣỡng là điện áp giữa hai đầu vào của IC

sẽ xác định hàm truyền của nó:

Khi uv < Ungƣỡng thì u0 < 0 do đó ura = U+

ramax.

Khi uv Ungƣỡng thì u0 > 0 do đó ura = U-ramax.

(3-2 )

-E

+E

U +

ra max

U -

ra max

ura

uvào

0

-E

Ungƣỡng

b)

+E

d)

U +

ra

max

U- ra max

ura

uvào

0 Ungƣỡng

c)

+E

ura uvào

-E Ungƣỡng

a)

+E

ura uvào

-E Ungƣỡng

U0

U0


tức là điện áp ra đổi cực tính khi uvào chuyển qua giá trị ngƣỡng Ungƣỡng . Nếu uvào và

Ungƣỡng trong hình (3.6a) đổi vị trí cho nhau hay cùng đổi cực tính (khi vị trí giữ

nguyên) thì đặc tính hình (3.6b) đảo ngƣợc lại nghĩa là hình 3.6c và d.

* Chú ý : Trong những trƣờng hợp giá trị của uvào và Ungƣỡng lớn hơn giá trị điện áp

đầu vào tối đa cho phép của IC, cần mắc chúng qua bộ phân áp điện trở hoặc nối hai

điốt mắc song song ngƣợc trƣớc khi đƣa tới các đầu vào của IC. Giống nhƣ khoá

tranzito, khi làm việc với các tín hiệu xung biến đổi nhanh cần lƣu ý tới tính chất quán

tính (trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay, thời gian tăng

của điện áp ra khoảng V/ s , do đó việc dùng chúng trong các mạch so sánh

(comparator) có nhiều hạn chế khi đòi hỏi độ chính xác cao. Trong điều kiện tốt hơn,

việc sử dụng các IC chuyên dụng đƣợc chế tạo sẵn sẽ có tốc độ chuyển biến nhanh

hơn nhiều cấp (cỡ V/ns ví dụ loại A710, A110, LM310-339 hay NE521...). Hoặc

dùng các biện pháp kĩ thuật mạch để giảm khoảng cách giữa hai mức U

maxra .

2.2. Mạch so sánh hai ngƣỡng

Để xác định xem điện áp vào có nằm trong một giới hạn giá trị cho trƣớc hay

không, ngƣời ta sử dụng mạch so sánh hai ngƣỡng hình 3.7a. Thực chất mạch này là

sự kết hợp các mạch hình 3.6a và 3.6c trong cùng một sơ đồ. Để phối hợp các đầu ra

cửa K1 và K2, ở đây dùng một cửa logic phụ G (gọi là cửa “Và”). Tại lối ra của G, ura

=Y = 1 (tƣơng ứng với mức điện áp cao ) chỉ khi tại các lối ra của K1 và K2 có X1 =

X2 = 1. Các trƣờng hợp còn lại với mọi giá trị X1 và X2 (tức là khi X1.X1 = 0 ) , ura = Y

= 0 (tƣơng ứng với mức điện áp thấp).

Hình 3.7: Mạch nguyên lí bộ so sánh hai ngƣỡng

(a) và đặc tuyến truyền đạt (b)

uvào 0

b)

uvào 0

ura

uvào 0

X1

X2

Ungƣỡng 2 Ungƣỡng 1

0

1

0

1

1

1

ura Ungƣỡng 1

Ungƣỡng 2

K2

K1

X2

X1

uvào

a)


Kết hợp các tính chất của mạch hình 3.6a và c với tính chất của cửa G ta nhận đƣợc

đặc tính truyền đạt X1, X2 và Y = ura phụ thuộc uvào thể hiện trên hình 3.7b.

Từ hình 3.7b thấy rõ: ura = 1 khi Ungƣỡng1 < uvào < Ungƣỡng2

ura = 0 khi uvào < Ungƣỡng1 hoặc uvào > Ungƣỡng2 (3-3)

(lƣu ý ở đây cần chọn Ungƣỡng2 > Ungƣỡng1)

Bộ so sánh hai ngƣỡng đƣợc ứng dụng đặc biệt thuận lợi khi cần theo dõi và khống

chế tự động một thông số nào đó của một quá trình trong một giới hạn cho phép đã

đƣợc định sẵn (thể hiện ở hai giá trị điện áp ngƣỡng) hoặc ngƣợc lại không cho phép

thông số này rơi vào một vùng giới hạn cấm đã chỉ ra nhờ hai ngƣỡng điện áp tƣơng

ứng.

Hai trạng thái ngƣng và dẫn của khóa dùng tranzito và mạch so sánh hai ngƣỡng

của khuếch đại thuật toán OP-AMP đƣợc dùng để cho ra hai điện áp mức cao và mức

thấp, tạo ra các tín hiệu xung điện.

2.3. Một số mạch so sánh cơ bản

a) Mạch so sánh lấy tổng

Có thể mở rộng chức năng của mạch so sánh nhờ mạch hình 3.8a với đặc tính

truyền đạt cho trên hình 3.8b, gọi là bộ so sánh tổng.

Hình 3.8: Bộ so sánh lấy tổng (a) và đặc tuyến truyền đạt của nó (b).

Từ đặc tính hình 3.8b thấy rõ bộ so sánh tổng sẽ chuyển trạng thái ở đầu ra lúc

tổng đại số của hai điện áp vào (đƣa tới cùng một đầu vào ) đạt tới giá trị ngƣỡng (đƣa

tới đầu vào kia).

Nếu chọn Ungƣỡng = 0 thì mạch lật lúc có điều kiện u1 + u2 = 0. Các nhận xét khác

đối với mạch hình 3.6a ở đây đều đúng cho bộ so sánh tổng khi đảo lại : đặt u1 và u2

tới đầu vào N và Ungƣỡng tới đầu vào P.

U +

ra max

U -

ra max

ura

uP 0

u2

b)

u1

ura

+E

u1

-E

a)

u2

R1

R2

P

N


* Thực vậy ta xét cụ thể mạch so sánh lấy tổng nhƣ sau (hình 3.9). Trong sơ đồ

này ta so sánh hai tín hiệu điện áp có cực tính khác nhau đó là uđk và urc . Trong đó uđk

là tín hiệu điện áp một chiều có giá trị thay đổi đƣợc và có cực tính âm , còn u rc là tín

hiệu điện áp biến đổi đƣờng thẳng (điện áp răng cƣa) có giá trị không đổi (Urc =const).

Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung của mạch so sánh lấy tổng dùng khuếch đại thuật

toán nhƣ hình sau:

+ Nguyên lý làm việc:

Điện áp răng cƣa có điện thế dƣơng ( Urc > 0 ) đƣợc xem là điện áp tựa (điện áp

chuẩn), điện áp điều khiển có điện thế âm ( uđk < 0 ), thời điểm điện áp ra của bộ so

sánh lật trạng thái đƣợc xác định khi rcdk Uu (quá trình so sánh đƣợc thực hiện ở

sƣờn trƣớc của xung răng cƣa).

+ Urcudk uSS + Ucc.

+ Urcudk uSS - Ucc.

Nhƣ vậy ta có thể thay đổi thời điểm lật trạng thái của điện áp đầu ra bộ so sánh

bằng cách cho uđk thay đổi từ 0 Urcmax.

b) Mạch so sánh song song dùng khuếch đại thuật toán

Ta xét cụ thể mạch so sánh song song nhƣ hình 3.10. Trong sơ đồ này ta so sánh

hai tín hiệu điện áp có cực tính dƣơng đó là uđk và urc .Trong đó uđk là tín hiệu điện áp

một chiều có giá trị thay đổi đƣợc, còn urc là tín hiệu điện áp biến đổi đƣờng thẳng

(điện áp răng cƣa) có biên độ không đổi (Urcm = const).

Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung của mạch so sánh song song dùng khuếch đại

thuật toán nhƣ hình sau:

R11

R12

+UCC

-UCC

1 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 14-Nov-2000 Sheet of

File: D:\SS.SCH Drawn By:

A2

R11-U®k

Uss

R13

Urc R12

Hình 3.9: a) Sơ đồ nguyên lý b) Giản đồ điện áp

0 t1 t2 t3 t4

uđk

u

Urc

t

t

0

uSS


Với sơ đồ này :

dku > urc uss0 - Ucc.

dku urc usso + Ucc.

Trong quá trình làm việc urc đƣợc xem nhƣ điện áp tựa. Còn điện áp uđk là tín hiệu điện

áp một chiều có giá trị thay đổi đƣợc. usso là dãy xung vuông có cực tính thay đổi, nhờ

R11, DZ3 mà điện áp uss chỉ còn là phần xung dƣơng, biên độ bằng UDZ3.

§3. CÁC MẠCH TRIGƠ

Trigơ (Flip - Flop) là phần tử cơ bản nhất để từ đó chế tạo ra các mạch dãy (mạch

logic có nhớ). Mạch Trigơ thuộc loại mạch không đồng bộ có 2 trạng thái ổn định bền

theo thời gian ở đầu ra ứng với hai mức logic “1” và “0”. Trạng thái của Trigơ có thể

thay đổi khi tác động xung lên các đầu vào. Trạng thái tƣơng lai của Trigơ không

những phụ thuộc vào các biến vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái hiện tại. Khi ngừng

tác động xung lên các đầu vào, trạng thái Trigơ đƣợc giữ nguyên, với đặc điểm này

các mạch Trigơ đƣợc dùng để lƣu trữ thông tin (ghi,đọc) dƣới dạng mã nhị phân.

1. Mạch Trigơ đối xứng (RS-trigơ) dùng tranzito

Hình 3.11 a và b đƣa ra dạng mạch nguyên lí của một trigơ RS đối xứng (lƣu ý

rằng cách vẽ 3.11b hoàn toàn tƣơng tự nhƣ 3.11a) và hình 3.11c là giản đồ thời gian

mô tả hoạt động của mạch.

DZ3

R11

Urc(+)

uđk(+)

uss0

-Ucc

+Ucc

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh (a)

Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch so sánh (b)

uss

-Ucc

+Ucc

usso

t

t

t uđk

uđko uđk

u

0

0

0

-UDZ3

a)

b)

uss


Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý (a, b) và giản đồ thời gian (c)

của trigơ đối xứng RS dùng tranzito


Mạch 3.11a, b chỉ có hai trạng thái ổn định bền là : T1 mở T2 khoá ứng với mức

điện áp ra Q=1, Q =0 hay T1 khoá T2 mở ứng với trạng thái ra Q=0, Q =1.

Các trạng thái còn lại là không thể xảy ra (T1 và T2 cùng khoá ) hay là không ổn

định (T1 và T2 cùng mở). T1 và T2 không thể cùng khoá do nguồn +Ecc khi đóng mạch

sẽ đƣa một điện áp dƣơng nhất định tới các cực bazơ. T1 và T2 có thể cùng mở nhƣng

do tính chất đối xứng không lí tƣởng của mạch, chỉ cần một sự chênh lệch vô cùng bé

giữa dòng điện trên hai nhánh (IB1IB2 hay IC1IC2), thông qua các mạch hồi tiếp

dƣơng, độ chênh lệch này sẽ bị khoét sâu nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển về một

trong hai trạng thái ổn định bền đã nêu (chẳng hạn thoạt đầu IB1>IB2 từ đó IC1>IC2, các

giảm áp âm trên colectơ của T1 và dƣơng trên colectơ của T2 thông qua phân áp R2R4

hay R1R3 đƣa về làm IB1>>IB2...dẫn tới T1 mở T2 khoá. Nếu ngƣợc lại lúc đầu IB1<IB2

thì sẽ dẫn tới T1 khoá T2 mở ).

Tuy nhiên, không nói chắc đƣợc mạch sẽ ở trạng thái nào trong hai trạng thái ổn

định đã nêu. Để đầu ra đơn trị, trạng thái vào ứng với lúc R = S = 1 (cùng có xung

dƣơng) là bị cấm. Nói khác đi điều kiện cấm là R.S = 1).

t

t

t

t

S

R

Q = UCE2

Q = UCE1

0 0 0 01 1 1

1 1 1 0 0 0

c)

RC RC

T2 T1

Q

Q

+Ec

R2 R1

R3 R4

S R


Bảng 3.1: Bảng trạng thái của trigơ RS

Trigơ RS không đồng bộ là loại trigơ cơ bản nhất để từ đó tạo ra các loại trigơ

khác gồm có hai đầu vào là R,S và hai đầu ra Q, Q với Q là đầu ra chính thƣờng đƣợc

sử dụng và Q là đầu ra phụ (luôn thoả mãn điều kiện Q+ Q =1). Đầu vào R gọi là đầu

vào xoá (Reset). Đầu vào S gọi là đầu vào thiết lập (Set).

Ý tƣởng thiết kế trigơ R-S không đồng bộ theo các điều kiện sau:

+ Rn = Sn = 0, trạng thái của trigơ giữ nguyên Qn+1 = Qn.

+ Rn = 0; Sn = 1 đầu ra trigơ nhận giá trị "1" Qn+1 = 1.

+ Rn = 1; Sn = 0 đầu ra trigơ nhận giá trị "0" Qn+1 = 0.

+ Rn = 1; Sn = 1 đây là trạng thái cấm, trạng thái Trigơ là không xác định, trong

bảng trạng thái đƣợc đánh dấu bằng dấu "x".

Từ việc phân tích trên rút ra bảng trạng thái của trigơ RS cho phép xác định trạng

thái ở đầu ra của nó ứng với tất cả các khả năng có thể của các xung đầu vào trong

bảng 3.1. Ở đây:

- n: Trạng thái hiện tại của đầu ra.

- n + 1: Trạng thái tƣơng lai của đầu ra.

- "-": Giá trị tuỳ chọn - có thể lấy giá trị "1" hoặc "0".

- x: Trạng thái cấm tại đó giá trị của hàm ra là không xác định.

2. Mạch Trigơ Smit

2.1. Trigơ Smit dùng tranzito

Sơ đồ trigơ RS ở trên lật trạng thái khi đặt vào cực bazơ của tranzito đang khoá một

xung dƣơng có biên độ thích hợp để mở nó (chỉ xét với quy ƣớc logic dƣơng).

Có thể sử dụng chỉ một điện áp vào duy nhất với cực tính và hình dạng tuỳ ý (chỉ

yêu cầu mức biên độ đủ lớn ) để lật trạng thái của mạch trigơ. Loại mạch này có tên là

trigơ Smit đƣợc cấu tạo từ các tranzito hay IC tuyến tính (còn gọi là bộ so sánh có trễ).

Trạng thái của Trigơ RS

Đầu vào Đầu ra

Rn Sn Qn+1 Q n+1

0 0 Qn Q n

0 1 1 0

1 0 0 1

1 1 x x

Trigơ

R-S

R

S

Q

Q


Hình 3.12: Trigơ Smit

dùng tranzitor (a),

đặc tuyến truyền đạt (b)

và giản đồ thời gian (c)

Hình 3.12 đƣa ra mạch nguyên lí trigơ Smit dùng tranzito, đặc tuyến truyền đạt và giản

đồ thời gian của nó. Qua đặc tuyến hình 3.12b thấy rõ :

Lúc tăng dần uvào từ một trị số âm lớn thì :

khi uv < uvđóng ; ura = Uramin (3-4)

khi uv uvđóng ; ura = Uramax

Lúc giảm dần uvào từ một trị số dƣơng lớn thì :

khi uv > uvngắt ; ura=Uramax (3-5)

khi uv uvngắt ; ura=Uramin

Có thể giải thích hoạt động cuả mạch như sau:

Ban đầu T1 khoá (do B1 đƣợc đặt tới một điện áp âm lớn ) T2 mở (do Rc định dòng

làm việc từ Ec) lúc đó: ura = UCE2bãohoà = Uramin. Khi tăng uv tới lúc uv uvđóng T1 mở ,

ura =uCE2

uCE1

0

t

t

t

0uvµo ng¾t

uvµo ®ãng

uvµo ,uvµo ®ãng,uvµo ng¾t

uvµo

0

uCE1 b·ohßa

uCE2 b·o hßa

uCE1 khãa

uCE2 khãa

c)

ur

a

RC RC

T2 T1

+Ec

R1

R2

uvào a)

uvào

ura

Ura max

Ura min

uv ngắt uvđóng

b)

0


qua mạch hồi tiếp dƣơng ghép trực tiếp từ colectơ T1 về bazơ T2 làm T2 bị khoá do đột

biến điện áp âm từ C1 đƣa tới, qua mạch R1R2 đột biến điện áp dƣơng tại C2 đƣa tới

bazơ T1 ...quá trình dẫn tới T1 mở bão hoà, T2 khoá và ura=Uramax. Phân tích tƣơng tự,

mạch sẽ lật trạng thái về T1 khoá, T2 mở lúc uvào giảm qua giá trị uvngắt .

Các giá trị uvđóng và uvngắt do việc lựa chọn các giá trị Rc, R1, R2 của sơ đồ 3.12a

quyết định. Hiện tƣợng trên cho phép dùng trigơ Smit nhƣ một bộ tạo xung vuông,

nhờ hồi tiếp dƣơng mà quá trình lật trạng thái xảy ra tức thời ngay cả khi uvào biến đổi

từ từ.

Hình 3.13 mô tả một ví dụ biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông nhờ trigơ

Smit. Giá trị hiệu số uvđóng - uvngắt gọi là độ trễ chuyển mạch và càng nhỏ (điều mong

muốn), nếu hiệu Uramax – Uramin càng nhỏ hay hệ số suy giảm tín hiệu do phân áp R1,R2

gây ra càng lớn tức là hệ số hồi tiếp dƣơng càng giảm, (điều này làm xấu tính chất của

dạng xung ).

Hình 3.13: Giản đồ thời gian

biến đổi tín hiệu hình sin thành

xung vuông nhờ trigơ Smit.

Nhƣ trên đã phân tích, mọi cố gắng làm giảm độ trễ chuyển mạch Utrễ =Uramax -

Uramin đều làm xấu đi tính chất hồi tiếp dƣơng và có thể làm mất đi hai trạng thái ổn

định đặc trƣng của sơ đồ hình 3.12a. Để khắc phục nhƣợc điểm này, ngƣời ta dùng

trigơ Smit ghép cực emitơ nhƣ trên hình 3.14a .

Mạch hình 3.14a là 1 tầng khuếch đại vi sai có hồi tiếp dƣơng qua R1, R2 và hồi

tiếp âm dòng điện qua RE. Bằng cách lựa chọn tham số thích hợp, có thể đạt tới trạng

thái khi mạch lật dòng Ic của một tranzito (từ mở chuyển sang khoá) hoàn toàn truyền

tới tranzito kia, nói khác đi, không xảy ra trạng thái bão hòa ở các tranzito lúc mở và

do đó nâng cao đƣợc mức Uramin (Uramin UCEbh) làm tăng tần số chuyển mạch lên đáng

kể (100MHz).

uvào

ura

uvđóng

uvngắt

0

0

t

t

Uramin

Uramax


0

t

t

0

uCE1

t

uvào ,uvµo ®ãng ,uvµo ng¾t

uv ®ãng

uvµo ng¾t

uvào

ura =uCE2

0uCE2 bão hòa

uCE1 bão hòa

c)

Hình 3.14: Mạch nguyên lí trigơ Smit ghép emitơ (a), đặc tuyến truyền đạt (b)

và giản đồ thời gian của nó (c).

2.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính

Trigơ Smit dùng IC tuyến tính thực chất là mạch phát triển tiếp theo của sơ đồ hình

3.14a, có dạng cơ bản là một mạch so sánh hình 3.6a hoặc c, nhƣng nhờ có mạch hồi

tiếp dƣơng nên mức nối và ngắt mạch không trùng nhau nhƣ ở bộ so sánh bình thƣờng.

Do có hai dạng cơ bản của mạch so sánh, theo đó cũng có hai dạng cơ bản của trigơ

Smit cho trên hình 3.15a và hình 3.16a.

a) Với trigơ Smit đảo

RC RC

R1

R2 RE

T1 T2

uV

ur

a)

+EC

uvào

ura

Uv ngắt Uvđóng

Ura max

Ura min

b)


Hình 3.15: Trigơ Smit đảo (a), đặc tuyến truyền đạt (b) và giản đồ thời gian (c)

Với trigơ Smit đảo (hình 3.15a) khi tăng dần uvào từ một giá trị âm lớn, ta thu đƣợc đặc

tính truyền đạt dạng hình 3.15b.

+ Khi uv có giá trị âm lớn: ura = U )(

max

ra trên lối vào không đảo (P) có:

UPmax = 1

21

)(

max RRR

U ra

= uvngắt (3-6)

Tăng dần uvào , trạng thái này không đổi chừng nào uvào chƣa đạt tới uvngắt. Khi

uvào uvngắt, điện áp U0 giữa hai đầu vào IC đổi dấu, dẫn tới ura= Ura min = U )(

max

ra , qua

mạch hồi tiếp dƣơng có:

UPmin=21

max

RR

Ura

R1=uvđóng (3-7)

và tiếp tục giữ nguyên khi uv tăng.

+ Khi giảm uvào từ một giá trị dƣơng lớn, cho tới lúc uv =uvđóng mạch mới lật trạng

thái làm ura chuyển từ U )(

max

ra tới U )(

max

ra .

uvào

ura

-Ucc

+Ucc

uv

R1

R2

P

U0

a)

b)

ura

uv ngắt

uvđóng

U )(

max

ra

U )(

max

ra

0

(-)(-)

Uramax = Ubh

(+)(-)

u0 = uv - uv

(+)

uv = uR1

Uramax = Ubh

(+) (+)

ura

0

0

0

t

t

t

t

(-)

uv = uvào uvào

0uvµo ®ãng

uvµo ng¾t

c)


+ Để đạt đƣợc hai trạng thái ổn định cần có điều kiện:

21

1

RR

R

K 1 (3-8)

với K là hệ số khuếch đại không tải của IC.

Khi đó độ trễ chuyển mạch đƣợc xác định bởi:

Utrễ =12

1

RR

R

(U )(

max

ra -U )(

max

ra ) =õ(U )(

max

ra -U )(

max

ra ) (3-9)

b) Với trigơ Smit không đảo

Hình 3.16: Trigơ Smit không đảo (a), đặc tuyến truyền đạt (b)

và giản đồ thời gian (c)

Với trigơ Smit không đảo (hình 3.16a) có đặc tính truyền đạt (hình 3.16b) dạng ngƣợc

với đặc tính hình 3.15b và giản đồ thời gian (hình 3.16c). Thực chất sơ đồ hình 3.16a

có dạng là một bộ so sánh tổng nhƣ sơ đồ hình 3.8a với một trong số hai đầu vào đƣợc

nối tới đầu ra (u2 = ura) .

Áp dụng định luật 1 Kiếchốp tại nút P ta có :

21 R

u

R

u rav (3-10)

R2

uvào

0

t

t

t

uvµo ,uvµo ®ãng ,uvµo ng¾t

uvµo ®ãng

uvµo ng¾t

ura

u0 = uP - uN

uvµo

0

0

c)

-E

+E

uv ura

R1

P

a)

ura

uv ngắt

uvđóng

b)

U)(

max

ra

U)(

max

ra

0


Từ (3-10) ta suy ra các giá trị ngƣỡng :

uvngắt = - 2

1

R

R U )(

max

ra (3-11)

uvđóng= -2

1

R

R U )(

max

ra (3-12)

hay độ trễ chuyển mạch xác định bởi :

Utrễ = 2

1

R

R(U )(

max

ra -U )(

max

ra ) (3-13)

Do cách đƣa điện áp vào tới lối vào không đảo (P) nên khi uv có giá trị âm lớn :

ura = - Uramax và khi uv có giá trị dƣơng lớn: ura = +Uramax . Các phân tích khác tƣơng tự

nhƣ với mạch 3.15a đã xét .

* Tƣơng tự nhƣ sơ đồ trigơ Smit dùng tranzito hình 3.12a, có thể dùng các mạch 3.15a

và 3.16a để tạo các xung vuông góc từ dạng điện áp vào bất kì (tuần hoàn). Khi đó chu

kì xung ra Tra = Tvào điều này đặc biệt có ý nghĩa khi cần sửa và tạo lại dạng một tín

hiệu tuần hoàn với thông số cơ bản là tần số giống nhau (hay chu kì đồng bộ nhau).

Các hệ thức từ (3-6) đến (3-13) cho phép xác định các mức ngƣỡng lật của trigơ

Smit và những thông số quyết định tới giá trị của chúng. Trigơ Smit là dạng mạch cơ

bản để từ đó xây dựng các mạch tạo dao động xung dùng IC tuyến tính sẽ đƣợc xét

trong các phần tiếp của chƣơng này.


§4. CÁC MẠCH ĐA HÀI TỰ KÍCH

Để tạo ra dãy xung vuông liên tục có thể điều chỉnh một cách dễ dàng biên độ cũng

nhƣ tần số ngƣời ta thƣờng sử dụng các mạch đa hài tự kích (đa hài tự dao động) dùng

Tranzitor hay IC tuyến tính hoặc dùng IC chuyên dụng nhƣ IC 555....

1. Đa hài tự dao động dùng Tranzito

Mạch đa hài tự kích dùng Tranzistor có cấu tạo từ hai tầng khuếch đại phụ tải cực

góp mắc hồi tiếp với nhau bởi các tụ C1, C2 nhƣ hình 3.17a.


Ta giả thiết mạch là đối xứng thì khi đóng mạch nguồn cung cấp cả hai Tranzito

đều thông, dòng điện qua hai Tranzito là bằng nhau, điện thế trên cực góp của các

Tranzito là nhƣ nhau. Tuy nhiên hiện tƣợng đối xứng tuyệt đối trong thực tế là không

tồn tại do có sai số giữa các điện trở, tụ điện, độ tản mạn các tham số của các Tranzito

cùng loại .. v.v nên một trong hai Tranzito sẽ dẫn mạnh hơn.

Giả thiết Tranzistor T1 dẫn mạnh hơn iC1 tăng UC1 giảm, lƣợng giảm áp này

thông qua tụ C1 đƣa cả sang cực gốc đèn T2 làm uB2 giảm theo. Điện áp điều khiển uB2

của T2 giảm làm iC2 giảm và uC2 tăng. Lƣợng tăng áp trên cực góp của T2 thông qua tụ

C2 đƣa cả đến cực gốc của T1 nên UB1 tăng iC1 tiếp tục tăng. Quá trình này chỉ kết

thúc khi iC2 giảm về bằng “0” (T2 khoá hẳn: uC2 EC) và iC1 đạt giá trị IC1bh (T1 mở bão

hòa: uC1 0).

Ngay khi T1 mở bão hoà, T2 khoá chắc chắn thì tụ C2 đƣợc nạp theo đƣờng: +EC

RC2 C2 rbeTr1 mát (âm nguồn EC). Đồng thời với quá trình nạp điện của tụ C2

là quá trình phóng điện của tụ C1: +C1 rceTr1 EC (qua nội trở của nguồn) RB2

-C1. Chính quá trình phóng điện của tụ C1 tạo nên một sụt áp âm trên tiếp giáp gốc

- phát của T2 giữ cho T2 ở trạng thái khóa chắc chắn.

+ - - +

RC1 RC2

T2 T1

RB2 RB1

C1 C2

+Ec

UC2 UC1

(a)

(b)

0

0

0

0

t

t

t

t

uB1

uB2

uC1

uC2

t1 t2 t3 t4 t5

-Ec

0,6V

Hình 3.17


Theo thời gian dòng phóng của tụ C1 giảm dần, điện thế trên cực gốc của T2 bớt âm

dần. Khi điện áp ubeTr2 0,6V thì tranzito T2 sẽ thông lại bắt đầu một quá trình hồi tiếp

nhƣ sau:

iC2 tăng uC2 giảm uB1 giảm iC1 giảm uC1 tăng uB2 tăng

Kết thúc quá trình hồi tiếp trên, T1 khóa, T2 thông bão hòa bắt đầu quá trình nạp

điện của tụ C1 và phóng điện của tụ C2. Kết thúc các quá trình nạp của tụ C1 và phóng

của tụ C2 thì uC1 EC, uC2 0.

Qua các phân tích ở trên ta thấy mạch có thể tự động chuyển từ trạng thái cân bằng

không ổn định này sang trạng thái cân bằng không ổn định khác mà không cần tín hiệu

kích thích từ ngoài. Mạch có hai đầu ra đƣợc lấy trên hai cực góp của hai Tranzito T1

(uC1) và T2 (uC2). uC1, uC2 thực chất là hai dãy xung có biên độ sấp xỉ bằng nguồn nuôi

của mạch là Ec và UC1m = UC2m. Chu kỳ T của hai dãy xung ra này đƣợc tính theo

biểu thức: T = 1 + 2.

Trong đó 1 = RB2.C1.Ln2 0,7. RB2.C1 (3-14)

2 = RB1.C2.Ln2 0,7. RB1.C2 (3-15)

1, 2 là hằng số thời gian phóng của tụ C1 và tụ C2.

T 0,7.(RB2.C1 + RB1.C2)

Nếu ta chọn RB1 = RB2 = R, C1 = C2 = C thì:

T =1,4.R.C (3-16)

Nhìn vào biểu thức của T ta thấy khi muốn thay đổi tần số xung ra ta chỉ việc thay

đổi điện dung tụ C hoặc giá trị điện trở R.

Ở hình 3.18, khi ta thay đổi biến trở WR

thì hằng số thời gian phóng nạp của tụ C1 và

C2 đều thay đổi, dẫn đến độ rộng xung ra

thay đổi.

Với cách mắc trên ta có chu kỳ T là:

T 1,4.(WR + R).C

Trong mạch ta chọn Tranzito là loại

N-P-N có công suất nhỏ nhƣng hệ số khuếch

đại lớn nhƣ loại Tranzistor Silic có nhãn

hiệu C828, hoặc C945.

Hình 3.18

RC RC

T2 T1

R R C C

+Ec

uC2 uC1

WR

R


2. Đa hài tự dao động dùng IC KĐTT

Để lập các xung vuông tần số thấp hơn 1000Hz sơ đồ đa hài (đối xứng hoặc không

đối xứng) dùng IC tuyến tính dựa trên cấu trúc của một mạch so sánh hồi tiếp dƣơng

có nhiều ƣu điểm hơn sơ đồ dùng Tranzito đã nêu. Tuy nhiên do tính chất tần số của

IC khá tốt nên ở tần số cao việc ứng dụng sơ đồ IC mang nhiều ƣu điểm hơn. Hình

3.19 là sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ thời gian (b) làm việc của mạch phát xung dùng

vi mạch khuếch đại thuật toán.

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung (a) và giản đồ thời gian (b).

+

_

KĐTT

R

R1 R2

C ura

N

P

+Ucc

-Ucc

a)

t3

t2

t1

-Uramax

+Uramax

(-)

Uramax

Uramax (+)

uR

uR2

u0 = uC - uR1

uR1

ura

uC

0

0

0

0

0

t

t

t

t

t

t

0

t 1 t 2

T

uP +

-uP

b)


Nhìn vào sơ đồ nguyên lý ta thấy KĐTT (khuếch đại thuật toán) cùng hai điện trở

R1 và R2 tạo thành một mạch trigơ Smit có điện áp ngƣỡng lấy trên điện trở R1: uP =

uR1. Điện áp đặt tới đầu vào của trigơ Smit (đầu vào đảo của KĐTT) đƣợc lấy trên tụ C

và tuân theo quy luật biến thiên của điện áp trên tụ: uN = uC.

Với cách mắc của trigơ Smit nói trên cùng mạch R, C nhƣ hình vẽ ta đƣợc một

mạch dao động tự kích có giản đồ thời gian mô tả hoạt động nhƣ hình 3.19b.

* Nguyên lý hoạt động của mạch:

Khi điện thế trên đầu vào N (điện áp trên tụ C) đạt tới ngƣỡng lật của trigơ Smit thì

sơ đồ sẽ lật trạng thái và điện áp ra đột biến giá trị ngƣợc lại với giá trị cũ. Sau đó thế

trên đầu vào N thay đổi theo hƣớng ngƣợc lại và tiếp tục cho đến khi đạt ngƣỡng lật

khác. Quá trình thay đổi uN đƣợc điều khiển bởi thời gian phóng nạp của tụ C từ ura

qua R.

+ Khoảng thời gian (0 t1) điện áp ra của KĐTT ở giá trị ura = +Ura max.

.max

21

1max raraPP U

RR

RUUu

, với 21

1

RR

R

Đến thời điểm t1 điện thế trên N đạt đến ngƣỡng .maxraPc UUu của trigơ Smit

nên sơ đồ lật trạng thái.

+ Từ t1 t2 , ura = - Uramax điện áp ngƣỡng cũng lật trạng thái:

.maxraPP UUu , đồng thời tụ C phóng điện từ + C R KĐTT -Ucc nội

trở nguồn mát - C. Khi điện áp trên tụ giảm về bằng không thì tụ lại nạp theo

chiều ngƣợc lại từ mát C R KĐTT - Ucc, điện áp trên tụ tăng dần với cực

tính ngƣợc lại. Tại t2 điện thế trên N đạt đến giá trị ngƣỡng uC = U

P = -.Uramax sơ

đồ lại lật trạng thái ura = + Uramax .maxraPP UUu , đồng thời tụ C phóng

điện theo đƣờng +C mát nội trở nguồn +Ucc R - C. Khi điện áp trên tụ

giảm về “0” thì tụ đƣợc nạp theo chiều ngƣợc lại từ +Ucc KĐTT R C

mát.

Qua các phân tích trên ta thấy quá trình phóng và nạp của tụ C đều thông qua điện

trở R trong các khoảng thời gian 0 t1, t1 t2, lúc đó phƣơng trình vi phân để xác

định uN(t) có dạng:

RC

uU

dt

du NraN max

(3-17)


Giải phƣơng trình vi phân trên với điều kiện đầu là uN(t = 0) = U

P = - Ura max. ta có

nghiệm sau:

)).1(1)( .max

CR

t

raN eUtu (3-18)

Tại thời điểm t1 điện áp trên tụ đạt giá trị uN(t1) = U

P = Ura max.

maxmax1 ..11)(1

raRC

raPN UeUUtu

(*)

Với 1 là hằng số thời gian phóng nạp của tụ C khi ura = Ura max.

(*) RCe1

.1)1(

, thay 21

1

RR

R

, tối giản và lấy ln hai vế ta đƣợc:

)21(..)21(. 2

11

2

11

R

RLnCR

R

RLn

CR

(3-19)

Nếu ta chọn R1 = R2 thì : 1 = R.C.Ln3 1,1. R.C

Do quá trình phóng nạp của tụ đều qua R nên ta có 1 = 2 = 1,1.R.C nên chu kỳ

T của xung ra :

T = 2. 2.1,1.R.C = 2,2.R.C (3-20)

Nhìn vào biểu thức trên ta thấy: khi muốn thay đổi tần số của dẫy xung ra ta có thể

thực hiện bằng cách thay đổi điện dung của tụ C hoặc thay đổi giá trị điện trở R.

Hình 3.20 là sơ đồ nguyên lý một mạch phát xung dùng khuyếch đại thuật toán dùng

vi mạch A741 có độ rộng thay đổi đƣợc nhờ biến trở WR. Với mạch này ta có công

thức tính chu kỳ của xung ra nhƣ sau:

T = 2. 2.1,1.(WR + R).C = 2,2.(WR + R).C (3-21)

C +

_

A741

R

R1 R2

ura

N

P

+Ucc

-Ucc

WR

Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý mạch phát

xung sử dụng A741.


* Khi cần dạng xung ra không đối xứng, ta có sơ đồ nguyên lý (hình 3.21a) và giản

đồ thời gian (hình 3.21b). Sơ đồ này có đặc điểm là tạo ra sự không đối xứng giữa

mạch phóng ( qua R4 , D2 ) và mạch nạp ( qua R3 , D1) với R3 R4 .

Khi đó : )

21ln()(

)2

1ln(

)2

1ln(

2

14321

2

132

2

141

R

RRRCT

R

RCR

R

RCR

(3-22)

Nhƣ vậy bằng cách thay đổi giá trị của R3 và R4 ta sẽ thay đổi đƣợc 1 hoặc 2 trong

khi đó chu kỳ T = 1 + 2 đƣợc giữ nguyên không đổi . Các điốt D1 và D2 có nhiệm vụ

khoá , ngắt nhánh tƣơng ứng khi nhánh kia làm việc hoặc ngƣợc lại.

§5. CÁC MẠCH ĐA HÀI ĐỢI

Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền .Trạng thái thứ hai của nó chỉ ổn

định trong một khoảng thời gian nhất định nào đó (phụ thuộc vào tham số của mạch )

sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn định bền ban đầu .Vì thế mạch còn có tên là trigơ

một trạng thái ổn định hay đa hài đợi hay đơn giản hơn là mạch rơle thời gian .

1. Đa hài đợi dùng tranzito

Hình 3.22a là mạch điện nguyên lí và hình 3.22b là giản đồ điện áp - thời gian

minh hoạ nguyên lí hoạt động của mạch đa hài đợi dùng tranzito.

+

_

KĐTT

R3

R1 R2

C ura

N

P

(a)

+Ucc

-Ucc

R4

D1

D2

ur Ur

Urmax

Urmin

Urmax

uc(t)

1 2 (b)

Hình 3.21


Thực chất mạch hình 3.22a là một trigơ RS, trong đó một trong các điện trở hồi tiếp

dƣơng đƣợc thay bằng một tụ điện. Trạng thái ban đầu T2 mở T1 khoá nhờ R, T2 mở

bão hoà làm UCE2 UBE1 0 nên T1 khoá, đây là trạng thái ổn định bền (gọi là trạng

thái đợi ). Lúc t = t0 có xung điện áp dƣơng ở lối vào mở T1 , điện thế cực colectơ của

T1 giảm từ +E xuống gần bằng 0. Bƣớc nhảy điện thế này thông qua bộ lọc tần cao RC

đặt toàn bộ đến cực bazơ của T2 làm điện thế ở đó đột biến từ mức thông (khoảng

+0,6V) đến mức -E + 0,6V -E, do đó T2 bị khoá lại. Khi đó T1 đƣợc duy trì ở trạng

thái mở nhờ mạch hồi tiếp dƣơng R1R2 ngay cả khi điện áp vào bằng 0 .Tụ C (đấu qua

R đến điện thế +E) bắt đầu nạp điện làm điện thế cực bazơ T2 biến đổi theo quy luật :

uB2 E

)exp(21

RC

t (3-23)

với điều kiện đầu : uB2(t =t0) = - E và điều kiện cuối : RB2(t ∞ ) = E

T2 bị khoá cho tới lúc t = t1 (h.3.22b) khi uB2 đạt tới giá trị +0,6V, khoảng thời gian

này xác định từ điều kiện uB2(t1) 0 và quyết định độ dài xung ra tx :

t1 -t0 =tx =RCln2 = 0,7RC (3-24)

Hình 3.22: Đa hài đợi dùng Tranzitor

R C

a)

RC RC

T2 T1

R1

R2

uvào

ura

+EC

b)

uv

t 0

t

t

t

0

0

0

u B1

1

u B2

2

E

u r

E

t0 t1 t2

Tv

Tra

tx

0,6V

V

t x

-

-


Sau lúc t=t1 ,T2 mở và quá trình hồi tiếp dƣơng qua R1,R2 đƣa mạch về lại trạng thái

ban đầu, đợi xung vào tiếp sau (lúc t=t2). Lƣu ý những điều trình bày trên đúng khi :

T > tx > x (3-25)

( x là độ rộng xung vào và Tv là chu kì xung vào ) và khi điều kiện (3-25) đƣợc thoả

mãn thì ta luôn có chu kì xung ra Tra =Tv .

2. Đa hài đợi dùng IC khuếch đại thuật toán

(a) (b)

Hình 3.23: Mạch đa hài đợi dùng IC KĐTT

Hình 3.23 là mạch đa hài đợi dùng IC KĐTT với sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ

thời gian (b) miêu tả hoạt động của mạch . Để đơn giản ta giả thiết IC đƣợc cung cấp

bằng một nguồn đối xứng Ucc và khi đó Urmax = minrU = Umax . Ban đầu lúc t < t1 ,uV

= 0 , D thông nối đất (bỏ qua sụt áp thuận trên điốt ), ta có ur = -Urmax từ đó uN = uc =

0 . Qua mạch hồi tiếp dƣơng R1,R2 , -Urmax đƣa tới đầu vào P khi đó điện áp uP = -

Urmax với 21

1

RR

R

là hệ số phân áp mạch hồi tiếp. Đây là trạng thái ổn định bền

(trạng thái đợi ) của mạch.

Lúc t =t1 có xung nhọn cực tính dƣơng đƣa tới đầu vào P , nếu biên độ thích hợp

vƣợt hơn giá trị - Urmax , sơ đồ lật trạng thái cân bằng không bền với ur = +Urmax =

Umax và qua mạch hồi tiếp dƣơng có uP = Urmax . Sau lúc t1 , điện áp ra Umax nạp cho

ura +

_

KĐTT

R

R1 R2

C N +

_

+Ucc

-Ucc

Cg

P

D

uv

Tv

t2

t1

uv

0

0

t

t

0 t

uC=uN

t1

t1 t2

Ur max

Ur min

u

Ur max

Ur min

Tx

ur

Ur max

Ur min

t3


tụ C làm cho uc = uN dƣơng dần cho tới lúc t = t2 khi đó uN = Urmax thì xẩy ra đột

biến do điện thế đầu vào vi mạch uN -uP đổi dấu , điện áp ra đổi dấu lần thứ hai ur = -

Urmax .

Trong khoảng thời gian t1 đến t2 , uN =uC > 0 nên điốt bị phân cực ngƣợc và tách

khỏi mạch. Tiếp đó, sau lúc t2 tụ C phóng điện qua R hƣớng tới giá trị điện áp ra lúc

đó là -Urmax , đến khi t =t3 thì uN =uC 0 điốt D mở , ghim mức thế đầu vào đảo ở giá

trị 0, mạch quay về trạng thái ban đầu. Khi đó ta có độ rộng xung x = t2 -t1 có liên

quan tới quá trình nạp cho tụ C từ mức 0 tới mức Urmax , từ đó với giả thiết Urmax =

minrU = Umax ta có :

uC(t) = uN(t) = Umax )1(

)( 1

RC

tt

e

(3-26)

Thay các giá trị uC(t1) = 0 , uC(t2) = Urmax ,vào (3-26) ta có :

)1ln()1

1ln(

2

112

R

RRCRCttx

(3-27)

Gọi t3 - t2 = t hp là thời gian hồi phục về trạng thái ban đầu của sơ đồ, nó có liên quan

tới quá trình phóng điện của tụ C từ mức Urmax về 0 hƣớng tới lúc xác lập uC( ) = -

Umax xuát phát từ phƣơng trình :

RC

tt

CCCC etuuutu

)(

2

2

)()()()(

(3-28)

từ đó ta có :

)1ln()1ln(21

1

RR

RRCRCthp

(3-29)

So sánh (3-27) và (3-29) ta thấy do < 1 nên x >>thp . Ngƣời ta cố gắng chọn các

thông số và cải tiến mạch để t hp giảm nhỏ, nâng cao độ tin cậy của mạch khi có dãy

xung tác động đầu vào

x + thp < Tv = Tr (3-30)

* Nếu xung khởi động đầu vào có cực tính âm có thể dùng sơ đồ hình 3.24a, với tần

số xung ra thay đổi đƣợc nhờ R , hoạt động của mạch đƣợc minh hoạ trên hình 3.24b.


E0

uN = E0+uP

uP

ura

E0

ura max

ura min

t

t

t

t

t

t0

0

0

0

0

uvµo

uC2

uC

0

(a)

Hình 3.24

(b)

ura +

_

KĐTT R

R1 C1

N +Ucc

-Ucc +E0 P

D

uv

C2


§6. MẠCH TẠO XUNG VUÔNG DÙNG IC555

1. Khái niệm

Vi mạch định thì 555 và họ của nó đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực

điện nói chung và điện tử nói riêng , vì nếu nó đƣợc kết hợp với các linh kiện RC rời

bên ngoài một cách thích hợp thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng nhƣ định thì ,

tạo xung chuẩn , tạo tín hiệu kích thích ... Vi mạch 555 là loại vi mạch đƣợc dùng để

phát xung vuông chuyên dụng.

2. Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong của IC555

2.1. Sơ đồ chân

2.2. Cấu trúc bên trong của IC555

1 2 3 4

5 6 7 8

IC555

Hình 3.25

Chân 1 : GND (nối đất )

Chân 2 : Đầu kích mức thấp

Chân 3 : Output ( đầu ra )

Chân 4 : Reset (hồi phục )

Chân 5 : Điện áp điều khiển

Chân 6 : Đầu kích mức cao

Chân 7 : Xả điện (đầu phóng điện)

Chân 8 : Đầu cấp nguồn

R

S Q

R1

R1

R1

N

T

IC 555

A1

A2

CCU3

2

CCU3

1

T0 1

5

8 6

3

7

4 2

Hình 3.26

Uch=1,4V


* Cấu tạo của IC 555 gồm có :

+ Bộ phân áp gồm 3 điện trở R1 = 5K nối từ nguồn dƣơng xuống mass cho ra hai

điện áp chuẩn là : CCU3

2 và CCU

3

1 .

+ A1 và A2 là hai IC KĐTT mắc theo kiểu so sánh có ngƣỡng lật đƣợc lấy trên bộ phân

áp gồm 3R1 là CCU3

1 đối với A2 và CCU

3

2 đối với A1 . Tín hiệu đầu ra của A1 đƣợc đƣa

tới đầu vào R của Trigơ RS (Tín hiệu này phụ thuộc vào tín hiệu so sánh ở chân 6 ).

Tín hiệu đầu ra của A2 đƣợc đƣa tới đầu vào S của Trigơ RS (Tín hiệu này phụ thuộc

vào tín hiệu so sánh ở chân 2).

+ Trigơ RS là mạch có hai trạng thái cân bằng ổn định. Khi chân set (S) có điện áp cao

thì điện áp này kích đổi trạng thái của Trigơ làm đầu ra Q lên mức cao còn đầu ra Q

xuống mức thấp . Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái

của Trigơ làm đầu ra Q lên mức cao còn đầu ra Q xuống mức thấp. Khi chân Reset

(R) và chân set (S) đều có mức điện áp thấp hoặc chuyển từ mức điện áp cao về mức

điện áp thấp thì trạng thái đầu ra của Trigơ RS đƣợc giữ nguyên . Khi chân Reset (R)

và chân set (S) đều có mức điện áp cao thì trạng thái đầu ra của Trigơ RS là không xác

định .

+ Mạch Ouput là mạch khuyếch đại đầu ra để tăng độ khuyếch đại dòng cấp cho tải.

Đây là mạch khuếch đại đảo có đầu vào là chân Q của Trigơ RS , nên khi Q có mức

cao thì đầu ra chân 3 có mức điện áp thấp ( 0V) ,và ngƣợc lại Q có mức thấp thì đầu

ra chân 3 có mức điện áp cao ( Ucc) .

+ Tranzitor T0 có chân E nối vào điện áp chuẩn khoảng 1,4V , nên khi cực B nối ra

ngoài bởi chân 4 có điện áp cao hơn 1,4V thì T0 khoá và không ảnh hƣởng tới hoạt

động của mạch. Khi chân 4 mắc vói một điện trở nhỏ rồi nối mass thì T0 mở bão hoà,

làm đầu ra chân 3 có điện áp thấp. Chân 4 gọi là chân Reset , có nghĩa là nó Reset IC

555 bất chấp trạng thái ở các đầu vào khác. Khi sử dụng nếu không dùng chức năng

Reset thì nối chân 4 lên mức điện áp cao để tránh mạch bị Reset do nhiễu .

+ Tranzitor T có cực C để hở nối ra chân 7 . Do cực B đƣợc phân cực bởi mức điện áp

ra Q nên khi Q có mức cao thì T mở bão hoà và khi đó cực C của T coi nhƣ đƣợc nối

mass, lúc đó đầu ra chân 3 cũng có mức điện áp thấp ( 0V) ,và ngƣợc lại Q có mức

thấp T khoá cực C bị hở mạch , lúc đó đầu ra chân 3 có mức điện áp cao ( Ucc) .


+ Chân 5 thƣờng đƣợc nối với một tụ có dung lƣợng nhỏ khoảng 0,01 F , rồi nối

xuống mass để lọc nhiễu tần số cao có thể làm ảnh hƣởng tới điện áp chuẩn CCU3

2.

3. Mạch đa hài tự kích dùng IC555

Hình 3.27 là sơ đồ nguyên lý của một mạch đa hài tự kích dùng IC555. Muốn tạo ra

đƣợc dãy xung liên tục ngƣời ta tiến hành ghép vi mạch này với tụ điện và điện trở

nhƣ hình vẽ. Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của phát xung của vi mạch 555 ta quan

sát sơ đồ trải của vi mạch 555 (hình 3.28).

Hình 3.28: Sơ đồ trải của vi mạch định thời IC555

Ura R

_

+

_ +

R

OA1

OA2

R

Q S T

R

R

B

RA

8 4

3

7 2

6

C

XUNG RA

+Ucc

2Ucc 3

Ucc 3

Hình 3.27: Sơ đồ nguyên lý mạch

đa hài tự kích dùng IC 555

4 8 7

555 D1

+Ucc

3

1 2 6

C1

R1

WR1

WR2 Xung ra

R1


Phần đƣợc đóng khung bằng nét đứt là vi mạch 555, nó có cấu tạo cơ bản từ hai

phần tử khuếch đại thuật toán OA1, OA2 và một Trigơ R-S. Trong đó hai khuếch đại

thuật toán đƣợc mắc theo kiểu mạch so sánh có điện áp ngƣỡng đƣợc lấy trên bộ phân

áp dùng ba điện trở có cùng giá trị R. Với cách mắc nhƣ trên thì điện áp ngƣỡng của

các mạch so sánh là 3

Ucc đối với OA2 và

3

2Ucc đối với OA1. Quan sát trên sơ đồ ta

thấy điện áp trên tụ C đƣợc đặt tới đầu vào còn lại của hai mạch so sánh nên giá trị

điện áp trên tụ sẽ quyết định trạng thái của chúng.

Nguyên lý hoạt động của mạch phát xung:

Hình 3.29: Giản đồ thời gian của điện áp trên mạch phát xung.

* Giả sử tại thời điểm đầu (t = 0) điện áp trên tụ C là 3

2UccuC thì đầu ra OA1 có

mức logic “1” còn đầu ra OA2 có mức logic “0”, đầu ra Q có mức logic “1” (R = 1,

S = 0), tranzitor T thông. Tụ C phóng điện qua RB, qua T về mát làm cho điện áp trên

nó giảm dần. Đầu ra của mạch phát xung không có xung ra (mức logic “0”).

+ Khi 33

2 CC

C

CC Uu

U thì đầu ra của OA1 và OA2 đều có mức logic “0” trigơ vẫn

giữ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), T vẫn mở, tụ C tiếp tục phóng điện, điện áp trên

nó tiếp tục giảm, xung ra ở mức logic “0”.

+ Đến thời điểm t1 3

CC

C

Uu , đầu ra OA2 có mức logic “1”, còn đầu ra OA1 vẫn có

mức logic “0”, __

Q nhận trị “0” (R = 0, S = 1). Qua cổng NAND ta nhận đƣợc xung ra

ở mức logic “1”, đồng thời tranzitor T khoá tụ C đƣợc nạp từ +UCC RA RB C

mát. Quá trình tụ nạp điện áp trên nó tăng dần theo biểu thức sau:

t1 t2 t3 t4 t5 t6

UC

Ura

2Ucc/3

Ucc/3 0

0

t

t tn tp

T


CRR

t

cc

CRR

t

cc

cc

CRR

t

ccCRR

t

ccCBABABABA eUe

UUe

UeUu

).().().().(

3

21)

3

2.

31.

+ Trong khoảng thời gian điện áp trên tụ thoả mãn: 3

2

3

ccC

cc Uu

U các đầu ra bộ

so sánh đều nhận trị “0”, trigơ giữ nguyên trạng thái (R = 0, S = 0), xung ra vẫn tồn tại

ở mức logic “1”, T vẫn khóa tụ C tiếp tục đƣợc nạp điện.

+ Cho đến thời điểm t2, uC 2Ucc/3 đầu ra của OA1 chuyển trạng thái lên mức

logic “1”, đầu ra của OA2 vẫn giữ nguyên trạng thái ở mức “0”, __

Q nhận trị “1” (R =1,

S = 0), xung ra nhận mức logic “0” đồng thời T thông bão hoà, tụ C phóng điện, hoạt

động của mạch lặp lại nhƣ quá trình từ 0 t1. Kết quả là ta thu đƣợc một dẫy xung

vuông ở đầu ra trên chân 3 của vi mạch 555.

Để thay đổi tần số xung ra thì thay đổi hằng số thời gian phóng, nạp của tụ C bằng

cách thay đổi giá trị các điện trở RA và RB.

Thời gian để điện áp trên tụ đƣợc nạp từ giá trị UCC/3 đạt đến giá trị 2UCC /3 ta

tính đƣợc theo công thức sau:

CRR

t

CC

CRR

t

CCCC BA

n

BA

n

eUeUU ).().(

1..33

2

Đơn giản phƣơng trình ta đƣợc :

3.

32

).( CCCRR

t

CC Ue

UBA

n

Ln hai vế:

CRRCRR BABA )..(7,02ln.).(tn

Trong khoảng từ 0 t1 tụ C phóng điện từ giá trị ban đầu là 2UCC /3 đến UCC /3.

Biểu thức điện áp trên tụ: CR

t

CCCBeUtu

..

3

2)(

Tại t = t1: CR

tp

CCCC BeU

U ..

3

2

3

Với tp là hằng số thời gian phóng của tụ C

CRCR BB ..7,02ln..tp

Chu kỳ T của dãy xung ra:

T = tn + tp = 0,7(RA + RB).C + 0,7RB.C = 0,7(RA + 2RB).C


Nếu mắc thêm điôt D song song với điện trở RB nhƣ hình vẽ thì tụ C sẽ nạp điện

theo đƣờng +Ucc RA D C mát, thời gian nạp của tụ C sẽ đƣợc tính: tn =

0,69.C.RA, và khi này chu kỳ của dãy xung ra sẽ đƣợc tính:

T = tn + tp = 0,7.RA.C + 0,7.RB.C = 0,7.(RA + RB).C

Nếu ta chọn RA = RB tn = tp T = 2.tn = 2.tp = 2.0,7. RA.C = 1,4.RA.C. Trong

trƣờng hợp này xung ra có độ rộng và khoảng thời gian không tồn tại xung là bằng

nhau. Nhìn vào biểu thức ta thấy khi muốn thay đổi chu kỳ T của xung ra ta có thể

thực hiện bằng 2 cách là thay đổi dung lƣợng của tụ C hoặc thay đổi giá trị của điện

trở RA, và RB. Trên hình 3.27 để có thể thay đổi đƣợc T ta điều chỉnh hai biến trở WR1

và WR2, đây là hai biến trở đồng trục mà khi ta tăng thì chúng cùng tăng còn khi ta

giảm thì chúng cùng giảm nên WR1 = WR2 = WR. Với mạch nhƣ hình c công thức

tính chu kỳ của xung ra nhƣ sau:

T = 2.0,7.(WR+R1).C1 = 1,4.(WR+R1).C1

§7. CÁC MẠCH TẠO XUNG RĂNG CƢA

Xung tam giác đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện tử : thông tin, đo

lƣờng hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai chiều biên độ (mức) và thời gian

có vai trò quan trọng không thể thiếu đƣợc hầu nhƣ trong mọi hệ thống điện tử hiện

đại.

Các điện áp biến đổi đƣờng thẳng còn gọi là điện áp hình răng cƣa hay điện áp quét

vì căn cứ vào hình dạng và ứng dụng cơ bản của nó để quét tia điện tử trong các ống

tia điện tử của máy hiện sóng, máy thu hình.Các mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng

thẳng là một trƣờng hợp ứng dụng phổ biến của mạch tích phân và tích phân thuật

toán.

Hình 3.30

a

b

U0

Um

tq thp

t

Hình 3.31

u

Tx


Hình 3.30 và 3.31 là các dạng điện áp biến đổi đƣờng thẳng .Theo hình vẽ ta thấy

các điện áp biến đổi đƣờng thẳng là những xung có chứa một phần điện áp biến đổi

theo qui luật đƣờng thẳng theo thời gian. Các đoạn đó có thể là tăng hoặc giảm theo

qui luật đƣờng thẳng (hình 3.30a,b).

Các mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng có thể làm việc ở chế độ chờ hoặc tự

dao động. Ở chế độ chờ, trạng thái ban đầu của mạch là trạng thái ổn định và đƣợc

thiết lập sau mỗi chu kỳ dao động, còn chu kỳ dao động do chu kỳ của xung điều khiển

quyết định. Ở chế độ tự dao động, mạch không có trạng thái ổn định nào và chu kỳ dao

động do các tham số của mạch quyết định. Khi đó các xung điều khiển chỉ làm nhiệm

vụ đồng bộ chu kỳ dao động mà thôi. Song vì nhiều lý do ta chỉ xét đối với loại mạch

tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng làm việc ở chế độ chờ .

Thông thƣờng một xung điện áp biến đổi đƣờng thẳng (xung răng cƣa) có dạng nhƣ

hình 3.31.

Nó đƣợc đặc trƣng bằng các tham số sau:

+Um: biên độ xung quét.

+ t q : thời gian quét thuận.

+ t hp : thời gian hồi phục (quét ngƣợc), thông thƣờng t hp << tq

+ Ngoài ra còn đƣợc đặc trƣng bởi mức một chiều ban đầu U0 = u q (t=0) và tốc

độ biến đổi của điện áp quét thuận K=dt

tduq )( hay độ nghiêng vi phân của đƣờng quét.

Yêu cầu đối với một mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng là phải sao cho trong

thời gian quét thuận điện áp biến đổi theo quy luật càng đƣờng thẳng càng tốt và trong

thời gian quét ngƣợc càng nhỏ càng tốt. Để đặc trƣng cho tính đƣờng thẳng của điện

áp quét ngƣời ta sử dụng hệ số không đƣờng thẳng biểu thị sự sai lệch đối với quy

luật đƣờng thẳng của điện áp quét.

%100.)0(

)()0(

)0(/

)(/)0(/'

''

q

qqq

q

qqq

u

tuu

tdtdu

ttdtdutdtdu

(3-31)

Trong đó: )0(/ tdtduq và )(/ qq ttdtdu là tốc độ biến đổi điện áp quét tại điểm đầu

và điểm cuối của hành trình quét thuận. Trong thực tế thƣờng khoảng 0,1 10%.

Trong các máy hiện sóng 10%. Trong vô tuyến truyền hình 5%. Trong các

thiết bị ra đa 0,1%.


Ngoài ra còn các tham số khác nhƣ : tốc độ quét trung bình K TB = q

m

t

U và hệ số

sử dụng điện áp nguồn cung cấp E

Um (3-32)

Trong đó Um là biên độ của điện áp quét và E là điện áp nguồn cung cấp.

Các mạch tạo điện áp răng cƣa hiện nay chủ yếu dựa trên quá trình phóng nạp của

tụ điện qua một mạch nào đó. Nhƣ ta đã biết sự thay đổi điện áp trên hai bản cực của

tụ đƣợc tính theo công thức:

t

cc dttiC

tu0

)(1

)( (3-33)

Với ic là dòng qua tụ. Qua biểu thức trên ta thấy nếu iC không đổi thì:

const k; t.ktC

I)t(u C

C (3-34)

Rõ ràng khi đó uC(t) sẽ biến đổi tuyến tính theo thời gian. Sự phụ thuộc của điện áp

trên tụ điện theo thời gian càng tuyến tính khi dòng điện phóng hay nạp của tụ càng ổn

định.

Có hai dạng xung tam giác cơ bản là: trong thời gian quét thuận qt , qu tăng đƣờng

thẳng nhờ quá trình nạp cho tụ từ nguồn một chiều nào đó và trong thời gian quét

thuận qt , qu giảm đƣờng thẳng nhờ quá trình phóng của tụ điện qua một mạch tải.Với

mỗi dạng kể trên có các yêu cầu khác nhau, để đảm bảo hpt << qt , với dạng tăng

đƣờng thẳng cần nạp chậm phóng nhanh và ngƣợc lại với dạng giảm đƣờng thẳng cần

nạp nhanh phóng chậm.

Để điều khiển tức thời các mạch phóng nạp, thƣờng sử dụng các khóa điện tử

tranzito hay IC đóng mở theo nhịp điều khiển từ ngoài. Trên thực tế để ổn định dòng

điện nạp hay dòng điện phóng của tụ cần một khối tạo nguồn dòng điện để nâng cao

chất lƣợng xung tam giác.

Để tạo đƣợc một dãy các xung điện áp quét cần thực hiện việc đảo mạch nạp và

phóng của tụ điện tại thời điểm t = 0 và t = t q . Nhƣ vậy một mạch tạo điện áp răng cƣa

phải bao gồm hai phần tử cơ bản nhất là nguồn dòng điện không đổi và thiết bị đảo

mạch. Các thiết bị đảo mạch cần phải có nội trở nhỏ và ổn định trong khi ngắn mạch

và nội trở lớn khi hở mạch. Mặt khác chúng cần có khả năng điều khiển đƣợc bằng

những xung công suất nhỏ. Để tạo ra những dòng điện nạp và phóng của tụ có trị số ổn


định, ngày nay ngƣời ta sử dụng rất nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣ nạp điện (hoặc

phóng) cho tụ qua một điện trở có trị số lớn bằng nguồn điện áp một chiều, thực hiện

nạp phóng cho tụ qua mạch hai cực ổn dòng, hoặc sử dụng những sơ đồ bù điện áp

dùng Tranzitor hay dùng KĐTT. Sau đây ta sẽ xét lần lƣợt các phƣơng pháp trên.

1. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng mạch tích phân đơn giản

Sơ đồ cơ bản của một mạch tạo điện áp răng cƣa dùng mạch tích phân đơn giản có

dạng hình 3.32.

Đây là mạch tạo điện áp tăng đƣờng thẳng (ĐATĐT). Tại thời điểm t = 0 khoá K

hở mạch tụ C đƣợc nạp điện qua điện trở R từ nguồn E. Tới thời điểm t = t q khoá K

đóng lại tụ C phóng điện qua nội trở khoá RiK. Nếu nội trở của khoá RiK rất nhỏ thì

mạch điện sẽ nhanh chóng khôi phục lại trạng thái ban đầu. Giả thiết điện áp ban đầu

trên tụ là U0 thì trong quá trình quét thuận tụ C đƣợc nạp điện, điện áp trên tụ thay đổi

theo qui luật hàm số mũ và đƣợc xác định theo biểu thức:

)(tu = u q ( E - U0 ).(1 – e-t/

) + U0.

Với = R.C là hằng số thời gian của mạch

nạp. Nếu chỉ sử dụng phần đầu của đƣờng

cong u(t), thì điện áp biến thiên gần nhƣ qui

luật đƣờng thẳng. Tức là khi thảo mãn điều

kiện: t q <<

Sau khi khai triển biểu thức xác định u q

theo chuỗi Macloren và hạn chế các số hạng

từ bậc hai trở lên ta có :

q

q

tUEutu ).()( 0 + U0 (3-35)

Theo công thức xác định u(t) và ta có :

= /te1

Nếu

qt

qt

Nếu

q

q

t

E

tUE

).(

UE0

0

E +

+

K

RiK

uq

R in

Hình 3.32

C


Nhƣ vậy khi sử dụng mạch tích phân đơn giản để tạo điện áp răng cƣa hệ số không

đƣờng thẳng gần bằng hệ số lợi dụng điện áp (hiệu suất năng lƣợng). Do đó nó chỉ

đƣợc sử dụng trong những mạch yêu cầu chất lƣợng thấp ( > 10 %) và biên độ điện

áp ra nhỏ. Ví dụ nếu yêu cầu hệ số sử dụng điện áp nguồn cung cấp = 3 % khi sử

dụng nguồn E = 100 V thì biên độ xung ra Um = 3V.

Đến thời điểm t = t q kết thúc quá trình quét thuận khoá K đóng lại, tụ C phóng

điện qua điện trở khoá RiK nối song song với R. Do hằng số thời gian của mạch nhỏ,

điện áp trên tụ giảm nhanh chóng và đạt trị số U0 ban đầu theo phƣơng trình :

)R ( ..

. Voi

).()(

iKhp

00

RRCRR

RRC

Uet

UEtu

iK

iK

iK

tt

q hp

q

(3-36)

Do đó hp << .

Nếu coi ở cuối hành trình quét ngƣợc, khi điện áp trên tụ đạt 1,05 U0 là tới xác lập

thì khoảng thời gian hồi phục xấp xỉ 3 hp .

Có thể dùng Tranzitor đóng vai trò khoá K trong sơ đồ khi đó mạch điện có dạng

nhƣ hình vẽ sau :

(a)

Hình 3.33 (b)

+ _

T

RC

Rt

Ec

uv ur

Rb

Cg

C

uvào

uB

0

0

t

t

t

t

0

t

uC

0

0

uRC

iC

EC

EC

t0 t0+tx

tx


Nếu kể đến ảnh hƣởng của điện trở tải Rt thì hệ số không đƣờng thẳng của điện áp ra

tăng lên.

tt

q

t

t

q

R

R

R

R

CR

t

CRR

RR

t11.

..

.'

Rt ở đây bao gồm điện trở vào tầng sau và điện trở dò của tụ C bởi vậy muốn giảm

ảnh hƣởng của Rt cần dùng tầng sau có điện trở vào lớn và chọn tụ có dòng điện dò

nhỏ.

Nguyên lý làm việc của sơ đồ đƣợc tóm tắt nhƣ sau: Khi chƣa có xung điều khiển

( 0Vu ) tranzitor T mở bão hoà do việc chọn Rb đảm bảo điều kiện:

bh.b

b

IR

EI

Khi đó điện áp ra ura=UCmin = UCEbh ≈ 0V. Tại thời điểm t = t0 ở đầu vào có xung

điều khiển cực tính âm đƣa tới cực bazơ làm tranzitor T khoá lại. Tụ C bắt đầu đƣợc

nạp điện từ nguồn EC qua điện trở RC . Điện áp trên tụ tăng dần từ trị số ban đầu =

UCEbh theo quy luật uC(t) = E.(1- e-t/RC

). Tại thời điểm t = t0 + tx nếu ngừng xung điều

khiển ở đầu vào, tranzitor thông, tụ C phóng điện nhanh chóng qua nội trở của

tranzitor thông bão hoà (khá nhỏ) điện áp trên tụ giảm nhanh về giá trị ban đầu. Nếu tx

(độ rộng của xung điều khiển) << và UCEbh = 0 thì :

).(t .. x q

x

C

q

Cm tt

Et

EU

và C

m

E

U

Từ biểu thức hệ số không đƣờng thẳng ở trên ta thấy rõ muốn hệ số không đƣờng

thẳng bé cần chọn nguồn Ec lớn và biên độ ra của xung tam giác mU nhỏ.

2. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng phần tử ổn dòng

2.1. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng mạch hai cực ổn dòng

K

R C

b

a +E

Ur

I0

a)

I

I0=const

2

1

b)

Hình 3.34 : Sơ đồ nguyên lý (a) và

đặc tuyến vôn-ampe (b)

t


EC

EC

0

0 t

0

t

t

t

uB1

uvào

0

t0

iCT2

t

uC

uCmin

uCmax

iC2

uR

0

Để tăng tính đƣờng thẳng của điện áp quét có thể dùng phƣơng pháp nạp điện (hoặc

phóng điện) cho tụ qua một mạch hai cực ổn dòng. Sơ đồ mạch có dạng nhƣ hình 3.34.

Một mạch hai cực ổn dòng lý tƣởng phải có đặc tuyến V-A nhƣ đƣờng 1 hình

3.34b, song về mặt vật lý không tồn tại những mạch hai cực nhƣ vậy mà thông thƣờng

có dạng nhƣ đƣờng 2. Tại thời điểm t = 0 , giả sử khoá K hở, tụ C sẽ đƣợc nạp điện từ

+E qua khâu ổn dòng I0 , qua tụ và về mát , điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật .

0

0

00

1)( Ut

C

IUdtI

Ctuc với U0 là điện áp ban đầu trên tụ

Tại thời điểm t = t1, tụ C đã đƣợc nạp đầy (Ucmax < E) ta đóng khoá K, tụ sẽ phóng

điện qua R và điện tích trên tụ sẽ giảm dần tới Ucmin=U0 .

2.2. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng tranzitor có khâu ổn dòng

Với sơ đồ hình 3.35a Tranzitor T2 mắc theo kiểu bazơ chung có tác dụng nhƣ một

nguồn ổn dòng (có bù nhiệt nhờ dòng ngƣợc qua điốt ổn áp DZ ), cung cấp dòng ổn

định IE2 nạp cho tụ trong thời gian có xung vuông cực tính âm điều khiển làm khoá T1

, với điều kiện gần đúng dòng cực colector T2 không đổi thì :

tC

IdtI

Ctu C

t

Cc

q

2

0

2

1)( là quan hệ bậc nhất (3-37)

(a)

(b)

Hình 3.35: Mạch tạo xung răng cƣa

dùng tranzito

R1

T2

T1

+Ec

R2 D

Z

uv

RE

ur

C1

C2


Với sơ đồ này cho phép ta tận dụng toàn bộ nguồn E tạo xung tam giác với biên độ

nhận đƣợc là : Um E . Tuy vậy, khi có tải Rt nối song song trực tiếp với tụ C thì có

phần dòng qua Rt dẫn đến Um giảm và do đó hệ số không đƣờng thẳng tăng.

Để sử dụng tốt cần có biện pháp nâng cao Rt hay làm giảm ảnh hƣởng của Rt với

mạch ra của sơ đồ .

* Một dạng khác của mạch tạo điện áp răng cƣa dùng tranzitor có khâu ổn dòng, mà

hiện nay ngƣời ta hay sử dụng trong lĩnh vực tự động hoá, đó là sử dụng trực tiếp điện

áp xoay chiều làm tín hiệu điều khiển. Mạch này có ƣu điểm là tạo ra đƣợc sự đồng bộ

hoá trong quá trình điều khiển. Sơ đồ nguyên lý mạch và giản đồ điện áp của mạch

phát sóng răng cƣa nhƣ hình 3.36.

Trên sơ đồ nguyên lý mạch phát sóng răng cƣa gồm có:

+ BAĐB: Là biến áp đồng bộ để tạo tín hiệu đồng bộ hoá.

+ Các phần tử còn lại là mạch tạo điện áp răng cƣa, trong đó T1, Dz1, Re1, R4

tạo thành mạch ổn định dòng điện nạp cho tụ C1.

+ Uđb: là điện áp đồng bộ lấy trên cuộn thứ cấp BAĐB.


Trƣớc tiên ta tìm hiểu về nguyên lý làm việc của mạch ổn dòng, ổn định dòng điện

nạp cho tụ C1. Quan sát trên sơ đồ ta thấy:

URe1 + UebT1 - UDz = 0.

URe1 + UebT1 = UDz = const (UDz - điện áp ổn định trên điốt ổn áp Dz).

IeT1.Re1 + UebT1 = UDz = const.

Hình 3.36: Sơ đồ nguyên lý (a), giản đồ thời gian (b)

(a) (a)

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 1-Jan-1997 Sheet of

File: C:\ADVSCH\HH04.SCH Drawn By:

T2

T1

Re2R4R3

Re1

R2

DZ1

D1R1

BA§B

C1

*GND

Ucc1

Urc

T5

T4

R9

D5 D7

D6

*

*

G

K

U®kTi

GND

BAX

-Ucc2

Urc

urc

t

t

uđb

0

0

t2

UBEmax

(b)

t

1

*


Mặt khác IeT1 = IbT1 + IcT1 IcT1 (vì dòng IbT1 rất nhỏ so với dòng IcT1).

Ta giả thiết vì một lý do nào đó làm cho dòng IcT1 tăng quá giá trị ổn định, điều này

sẽ làm cho dòng IeT1 cũng tăng theo và làm IeT1.Re1 tăng. Do tổng điện áp IeT1.Re1 +

UebT1 luôn luôn bằng hằng số nên khi IeT1.Re1 tăng thì UebT1 phải giảm. Điện áp điều

khiển của T1 giảm sẽ làm cho T1 dẫn kém đi và vì thế mà IcT1 giảm dần về giá trị ổn

định. Chẳng hạn vì một lý do khác làm cho dòng IcT1 giảm nhỏ hơn giá trị ổn định thì

dẫn đến IeT1 cũng giảm theo và IeT1.Re1 giảm. Sự giảm của IeT1.Re1 làm UebT1 tăng, điện

áp điều khiển của T1 tăng làm T1 dẫn mạnh nên, IcT1 tăng nên giá trị ổn định. Nếu ta

giả thiết nguyên nhân gây ra các quá trình trên là do tải thì IcT1 luôn luôn đƣợc mạch

giữ ổn định mặc dù có sự thay đổi của tải.

Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kỳ dƣơng có cực tính dƣơng ở (*), phân cực

ngƣợc cho điốt D1, D1 khoá. Dƣới tác dụng của nguồn cung cấp Ucc1 qua điện trở định

thiên R2 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R2 và R3, tranzito T2 mở. Ngƣời

ta tính chọn R2 và R3 sao cho T2 mở bão hòa. Giả sử trƣớc đó tụ C1 đã có điện thì tụ sẽ

phóng điện theo đƣờng: +C1 T2 Re2 - C1. Điện áp trên tụ sẽ giảm về đến giá

trị Ucebh của Tranzistor T2, nhƣng giá trị này rất nhỏ nên ta coi nhƣ tụ C1 phóng hết

điện.

Khi điện áp đồng bộ chuyển sang nửa chu kỳ âm có cực tính âm ở (*), điốt D1 đƣợc

phân cực thuận nên thông. Trên điện trở R4 xuất hiện một điện áp có cực tính dƣơng

đặt tới chân E và cực tính âm đặt tới chân B của T2. Điện áp này gây ra bởi điện áp

đồng bộ uđb khi ở nửa chu kỳ âm. Khi điện áp này có giá trị đủ lớn thì T2 khoá do tiếp

giáp Je của nó bị phân cực ngƣợc. Tranzistor T2 khóa thì tụ C1 đƣợc nạp điện từ nguồn

ổn dòng, dòng nạp cho tụ C1 chính là dòng IcT1 = const. Điện áp trên tụ C1 tăng dần và

đƣợc tính theo biểu thức:

..1

.1

.1

1

1

1

10

1

1

1 tIC

tIC

dtIC

u cTC

t

CC

Ta thấy điện áp trên tụ C1 có dạng là một hàm bậc nhất, do đó điện áp trên tụ C1 khi

tụ nạp điện là một hàm tuyến tính theo thời gian.

Tại các điểm lân cận điểm “0”, điện áp đồng bộ chƣa đủ lớn để phân cực ngƣợc cho

tiếp giáp J e của T2 nên T2 vẫn mở bởi cặp điện trở định thiên R2 và R3.

Điện áp ra của mạch ĐBH-FSRC urc đƣợc lấy trên tụ C1 nên nó cũng có các quy luật

biến thiên theo điện áp uC1. Đây là một dẫy điện áp răng cƣa có tần số bằng tần số điện


áp uđb. Sƣờn trƣớc của điện áp răng cƣa đƣợc tạo bởi quá trình nạp điện của C1 từ

nguồn dòng ổn định do đó nó có dạng là đƣờng thẳng tuyến tính theo thời gian. Quá

trình phóng điện của tụ qua T2 tạo nên phần sƣờn sau của điện áp răng cƣa.

3. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng phƣơng pháp bù điện áp (phản hồi điện áp)

Mạch tạo điện áp răng cƣa kiểu bù điện áp (hồi tiếp dƣơng) dùng Tranzitor đƣợc vẽ

trên hình 3.37.

Ở trạng thái ban đầu uv= 0, Tranzitor T1 (đóng vai trò khoá K) thông và làm việc ở

chế độ bão hoà. Do đó điện áp ban đầu trên tụ C1 xấp xỉ bằng không, lúc này điốt D

cũng thông, tụ C2 đƣợc nạp điện tới điện áp UC20 ≈ Ec, vì sụt áp trên nội trở điốt D, Re

nhỏ có thể bỏ qua.

Khi đầu vào có xung dƣơng điốt D và tranzito T1 khoá, bắt đầu quá trình nạp điện

cho tụ C1, với cực tính nhƣ hình vẽ, làm cho điện áp trên tụ giảm theo quy luật đƣờng

thẳng. Do đó điện áp ra trên tải cũng giảm theo quy luật đƣờng thẳng. Lúc này điện thế

tại điểm B (cũng là điện thế tại cực bazơ T2 ) âm dẫn tới T2 mở mạnh, gia số Uc1

qua T2, qua C2 (có điện dung lớn) gần nhƣ đƣợc đƣa toàn bộ về điểm A bù thêm với

phần điện áp có sẵn tại A (đang giảm theo quy luật của điện áp uC1), giữ ổn định dòng

trên R nạp cho C1. Khi dòng hồi tiếp qua C2 về A có trị số bằng Ec/R thì không còn

dòng qua D dẫn tới cân bằng động, nguồn Ec hầu nhƣ tách khỏi mạch và C1 đƣợc nạp

nhờ điện áp Ec đã đƣợc nạp trƣớc trên C2.

Khi kết thúc xung dƣơng ở đầu vào, T1 thông và C1 phóng điện một cách nhanh

chóng qua T1. Do T1 làm việc ở chế độ bão hoà sâu nên thời gian phóng của C1 rất

ngắn có thể bỏ qua. Do đó thời gian hồi phục của sơ đồ chủ yếu do thời gian nạp điện

của tụ C2 quyết định. Bởi vì trong thời gian phóng điện của C1, D vẫn khoá nên mạch

Hình 3.37 T2

T1

-Ec

Rb

D

uv ur

C1

Cb

C2

A

B

Re

R


nạp cho tụ C2 bị ngắt, sau khi D thông tụ C2 đƣợc nạp điện qua nội trở của D và Re. Do

đó thời gian hồi phục có thể tính theo công thức : t hp = t 1pC + t 2nC tnc2

Trong đó : t 1pC là thời gian phóng điện của tụ C1, t 2nC là thời gian nạp điện của tụ

C2 có thể tính theo công thức: t 2nC 3C2 (Rđ + Re)

Để giảm thời gian nạp của C2 có thể giảm giá trị điện trở Re , song khi đó lại làm

giảm điện trở vào của Tranzito T2.

4. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

4.1. Mạch tạo điện áp răng cƣa một cực tính dùng vi mạch KĐTT

Sơ đồ này làm việc ở chế độ đợi, nhận dãy xung vào là uđbo, cho ra dãy xung răng

cƣa cùng tần số. Xung răng cƣa có sƣờn trƣớc biến đổi tuyến tính, có thể điều chỉnh

đƣợc trị số của biên độ.

Khi uđbo = 0 thì tranzito T khoá, khi đó điện áp -Ucc qua WR1, R2 đƣa đến đầu vào

đảo KĐTT nên đầu ra của KĐTT có điện áp dƣơng , tụ C đƣợc nạp điện, dòng nạp cho

tụ C trong mạch: +Ucc IC C R2 WR -Ucc. Dòng điện này có trị số không

đổi.

WRR

Ui cc

Cnap

2

vì điện áp giữa hai lối vào đảo và không đảo của KĐTT có trị số nhỏ nên điện áp ra có

trị số đƣợc xem bằng điện áp trên tụ C.

0

0

1C

t

Ccra UdtiC

uu

Hình 3.38: Sơ đồ nguyên lý (a), giản đồ thời gian (b).

uđbo

ura

t

t

0

0

-Ucc

+Ucc

C

ura

uđbo

R1

R2

WR

-Ucc

T

a) b)


Nếu tần số của xung đồng bộ là fđb0 = 100 Hz thì khoảng thời gian tụ C đƣợc nạp

có trị số 0,01 giây. Với giả thiết sau mỗi chu kỳ của xung đồng bộ tụ C phóng hết

điện tích, điện áp trên tụ C giảm về 0 thì UC0 = 0. Khi đó:

(V) 01,0..

1

2

01,0

0max

WRRC

Udti

Cu cc

Crc

Khi thiết kế bộ phát xung răng cƣa ta cần đƣa ra các thông số : Ucc, Urcmax, fđb0.

Trên cơ sở các thông số đã cho ta có thể tính đƣợc hằng số thời gian của khâu tích

phân, chọn giá trị của tụ C và suy ra giá trị của (R2 + WR).

- Tính chọn cho mạch tạo xung răng cƣa:

Từ công thức

(V) 01,0.2

maxWRRC

UU cc

rc

.

.01,0.max

2

rc

cc

U

UWRRC

Với +Ucc = +15 (V), chọn Urcmax = +5 (V).

0,03(s) 01,0.5

152 WRRC

Chọn tụ có dung lƣợng: C = 1 (F) = 1.10-6

(F).

).( 10.3 10.1

0,032 4

6

WRR

Chọn R2 = 10 000 () = 10 (K); WR = 20 000 () = 20 (K).

Khuếch đại thuật toán có thể chọn loại A 741.

4.2. Mạch tạo điện áp răng cƣa hai cực tính dùng vi mạch KĐTT

Nguyên lý làm việc của mạch tạo điện áp răng cƣa hai cực tính dùng vi mạch

KĐTT đƣợc trình bày trên hình 3.39.

Khi có xung điều khiển cực tính dƣơng, T mở bão hoà, thông mạch cho tụ C phóng

điện trong khoảng thời gian t0 ( t0 < tvào là thời gian có xung điều khiển ). Trong

khoảng thời gian t q (không có xung điều khiển) IC làm việc ở chế độ khuyếch đại

tuyến tính, nếu U0 = 0 thì : uP =uN =uC (3-38 )


Ta xác định quy luật biến đổi của uC(t) từ đó tìm điều kiện để có quan hệ tuyến tính

nhƣ sau:

Ta có phƣơng trình dòng điện tại nút N với mạch hồi tiếp âm :

1

20

1

21

21

0

R

RE

R

RRuu

R

uu

R

uENr

rNN

(3-39)

Ta có phƣơng trình dòng điện tại nút P với mạch hồi tiếp dƣơng:

43 R

uu

dt

duC

R

uE rPCP

(3-40)

Từ (3-39) và (3-40) ta có:

)(1

)1

(41

20

341

2

3 RR

RE

R

E

CRR

R

RC

u

dt

du CC (3-41)

Ta thấy (3-41) là phƣơng trình vi phân tuyến tính cấp 1, giải phƣơng trình này ta

sẽ tìm đƣợc uc(t). Mặt khác ta có nhận xét sau: Tính chất biến đổi của uC(t) phụ thuộc

vào hệ số của số hạng thứ hai vế trái của (3-41).

+ Nếu 2

413

R

RRR uC(t) có dạng đƣờng cong lồi.

+ Nếu 2

413

R

RRR uC(t) có dạng đƣờng cong lõm.

Hình 3.39: Sơ đồ nguyên lý (a) và giản đồ thời gian (b).

uv

uc

t

t

0

0

ur

Urmax

Urmin

t

tq tv

t0

0

b)

ur

a)

-Ucc

+Ucc

C T

+E0

R3

uv

R1

R2

R4

Rb

+E


+ Nếu 3

4

1

2

R

R

R

R uC(t) phụ thuộc vào t theo quan hệ bậc nhất.

tRR

RE

R

E

CuC )(

1

41

20

3

(3-42)

Nếu chọn R1 = R3 và R2 = R4 ta có biểu thhức rút gọn:

tEECR

uC )(1

0

3

(3-43)

Qua (3-43) ta thấy:

+ Nếu E > E0 thì ur là điện áp tăng đƣờng thẳng.

+ Nếu E < E0 có ur giảm đƣờng thẳng.

+ Nếu chọn E0 = 0 ta nhận đƣợc xung tam giác cực tính dƣơng, còn nếu chọn E0

là một nguồn điều chỉnh đƣợc thì ur có dạng hai cực tính với biên độ gần bằng 2Ucc

( ± Ucc là nguồn nuôi IC).

Trong thực tế thƣờng chọn E =Ucc và E0 lấy từ Ucc qua phân áp. Giá trị cực đại

của điện áp trên tụ đƣợc tính theo công thức : qC tEECR

U )(1

0

3

max

§8. CÁC MẠCH SỬA XUNG

Mạch sửa xung có nhiệm vụ sửa lại dạng xung cho phù hợp với yêu cầu, chẳng

hạn nhƣ để kích mở cho Thyristo khi xung vào chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu đó. Tuy

nhiên mạch sửa xung phải đảm bảo không dịch chuyển thời điểm xuất hiện xung vào

cần sửa .

1. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân và khuếch đại thuật toán

Sơ đồ nguyên lý của mạch sửa xung dùng mạch vi phân và khuếch đại thuật toán

(hình 3.40) và giản đồ thời gian (hình 3.41).

Hình 3.40: Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung.

DZ1

R4

-Ucc

+Ucc

uSS

D

C

R2

R3

WR Co DZ

uSX

R1


Các phần tử R2, C0, DZ, WR tạo nên mạch ổn áp thông số, điện áp trên WR có giá

trị không đổi. Điện áp uSS là xung điện áp cần sửa đƣợc đặt lên C và R1 nối tiếp, điện

áp trên R1 có dạng là hai xung hàm mũ có cực tính trái dấu, nhờ có điôt D ngắn mạch

phần xung âm chỉ còn phần xung dƣơng qua R3 đƣa tới đầu vào không đảo. Khuếch

đại thuật toán thực hiện việc so sánh điện áp vi phân (trên R1) và điện áp đặt lấy trên

WR. Đầu ra của khuếch đại thuật toán là dãy xung vuông có cực tính thay đổi, nhờ R4

và DZ1 , điện áp uSX là dãy xung vuông có sƣờn trƣớc của các xung trùng với sƣờn

trƣớc của xung uSS , độ rộng của xung uSX có thể thay đổi đƣợc. Ta nhận thấy độ rộng

xung ra phụ thuộc vào thông số của mạch vi phân (C, R1) và điện áp đặt Uđ .

Với giả thiết biên độ của uSS bằng 5V, điện áp trên điện trở R1 đƣợc tính:

1.

1 .5RC

t

R eu

Chọn điện áp đặt uđ = 2,5 V.

Nếu độ rộng theo yêu cầu của xung điều khiển là tx ta có: 1..55,2

RC

tx

e

(*)

Lấy Ln hai vế của (*): 69,0

...69,069,05,0ln.

11

1

xx

x tRCRCt

RC

t .

Trƣờng hợp tx = 500(s)

Ta có : C.R1=7,25.10-4

(s) , chọn C = 200nF = 2.10-7

F

2.10-7

.R1 = 7,25.10-4

(s) R1 =3,63.103() = 3,63 (k).

uSS

uC

uR1, uđ

uSX

0

0

0

0

tsx

uR1 uđ

t

t

t

t

Hình 3.41: Giản đồ xung mạch sửa xung


2. Mạch sửa xung dùng tranzitor kết hợp với mạch vi phân

Trong sơ đồ này tụ C và điện trở R là hai phần tử quyết định độ dài xung ra. Tụ C0 là

tụ ghép tầng dùng để truyền xung tới đầu vào mạch sửa xung. C1 có dung lƣợng đủ

nhỏ, chỉ cần đủ để kích mở T1 tại thời điểm có xung vào. Nguồn E và R3 dùng để khoá

T1 một cách chắc chắn. R0 là điện trở của mạch phản hồi dƣơng đƣợc dùng để duy trì

trạng thái mở T1 khi điện áp ra bằng Ucc .

* Nguyên lý làm việc của sơ đồ:

Giả sử trong khoảng thời gian t = 0 t < t1 chƣa có xung vào, nhờ điện trở định

thiên R1 mà T2 mở bão hoà nên điện áp ra ur có giá trị bằng không. Do ur = 0, chƣa có

tín hiệu vào nên trên gốc - phát của T1 có điện áp ngƣợc gây nên bởi nguồn thiên áp

ngƣợc E nên T1 khoá. Lúc này tụ C đƣợc nạp điện bởi nguồn một chiều UCC qua điện

trở R , C , gốc- phát T2 và về mass. Điện áp trên tụ tăng dần theo quy luật hàm số mũ

cho tới khi gần bằng Ucc .

Tại thời điểm t = t1, có xung dƣơng đƣa tới đầu vào, tụ C0 đƣợc nạp điện bởi xung

vào uvào , qua tiếp giáp BE của T1 làm cho T1 mở bão hoà. T1 mở tụ C sẽ phóng điện

qua T1, qua nguồn Ucc, qua R1 và về bản âm của tụ. Do sụt áp trên T1 rất nhỏ cho nên

gần nhƣ toàn bộ điện áp trên tụ C đƣợc đặt lên cực gốc - phát của T2.

Với cực tính của tụ C lúc này làm cho T2 khoá lại, bỏ qua sụt áp trên R2 ta có điện

áp ra ur Ucc, xuất hiện xung điện áp trên đầu ra. Mặc dù tụ C0 có giá trị rất nhỏ nên

chỉ một thời gian rất ngắn sau thời điểm xuất hiện xung vào thì tụ C0 đã nạp đầy và

dòng qua tụ bằng 0, tụ C0 không tác động tới đầu vào T1 nữa, nhƣng T1 vẫn đƣợc duy

trì mở bão hoà nhờ điện áp đầu ra lúc này ur Ucc đƣợc đƣa trở lại cực gốc T1 qua R0.

txv

Hình 3.42

R

R0

T2 T1

+Ucc

R2

R3

uv

ura

R1

E

C

Co

(a)

t

t

t

t

uv

uC0

uC

ur

txr

t1 t2 t3

t11 t21

Ucc

Ucc

(b)

0

0

0

0

E


Khi điện áp trên tụ C giảm về bằng không thì trên cực gốc T2 lại có điện áp thuận

do nguồn cung cấp truyền tới qua R1 nên T2 lại mở và điện áp ra ur 0 V. Do không

còn xung vào, mặt khác do ur 0V nên không có tín hiệu phản hồi dƣơng về cực gốc

của T1 và T1 khoá lại, tụ C lại tiếp tục đƣợc nạp điện từ nguồn qua C qua T2 và sẽ nạp

đến giá trị gần bằng UCC để chuẩn bị cho lần làm việc tiếp theo.

Nhƣ vậy, thời gian tồn tại của một xung điện áp ra (txr) bằng khoảng thời gian

phóng của tụ C qua T1 mở bão hoà. Điện áp trên C khi phóng là:

RC

tt

ccccc eUUtu

)( 1

2)(

(3-44)

Thay t = t1 + txr và cho uc(t1+txr) = 0, ta có : RC

t

RC

t

cccc

xrxr

eeUU

220

txr = RCln2 (3-45)

Nhƣ vậy ta thấy rằng độ dài xung ra chỉ phụ thuộc vào R và C mà không phụ thuộc

vào độ dài xung vào. Sơ đồ này tuy đơn giản, có thể sửa đƣợc độ dài xung, đảm bảo

đƣợc thời điểm xuất hiện xung vào và xung ra là nhƣ nhau, song việc tính chọn thiên

áp ngƣợc E và R3 là rất khó.

3. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân kết hợp với các cổng logic

Hình 3.43: Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung dùng các cổng logic.

Nếu điện áp ra của các phần tử lôgic ở mức "1" là E thì ở phần dƣơng của điện áp trên

R ta có: RC

tt

R eEeEu.

..

(3-46)

Để tính chọn thông số của mạch sửa xung (khâu vi phân) cần phải biết độ rộng

xung tx cần phải tạo ra. Trên giản đồ xung ta có:

LGORC

t

UeEx

.. (3-47)

Với ULGO là mức lôgíc "0" ở lối vào của IC lôgíc, thông số này đƣợc xác định dựa

vào sổ tay tra cứu.

Biết E, ULGO, tx tìm đƣợc trị số R,C bằng cách chọn C (tuỳ ý) và suy ra đƣợc R.

Uss

N1 N2

C

R N3 N4 usx


Hình 3.44: Giản đồ thời gian mạch sửa xung dùng cổng logic.

4. Mạch sửa xung dùng IC 555 kết hợp với các cổng logic

Mạch sửa xung có thể đƣợc thực hiện bởi mạch phát xung chùm (IC 555) kết hợp

với mạch AND.

Hình 3.45

Hình 3.45 là sơ đồ nguyên lý mạch phát xung chùm và giản đồ thời gian. Ở sơ đồ

này nếu RA = RB thì hằng số thời gian nạp, phóng của tụ C là bằng nhau, chu kỳ của

dãy xung vuông đƣợc tạo ra:

Tra = 1,4.(R+WR).C (R = RA = RB) (3-48)

Mỗi xung đơn đƣợc tạo ra phải có độ rộng tx để có thể mở Thyristor một cách chắc

chắn. Thông số RC đƣợc chọn theo công thức:

uss

t

t

t

Out2

Out1

t

t

Out3

usx

tx

uLGO

t

0

0

0

0

0

0

tss

uR,uLG0 ULG0

usx

uss

t

t

t

usx

uch

7

6

2

uss

uch

4 8

C

RB

WRA

WRB

RA

+Ucc

1

D

3


CWRRCWRR

t x )..(7,02

).(4,1

Chọn C và tìm đƣợc (R+WR).

Để xung vuông đƣợc tạo ra có độ rộng tx và thời gian nghỉ của xung tnghỉ là bằng

nhau thì RA = RB = R, WRA = WRB = WR.

- Tính chọn cho mạch phát xung chùm:

Đây là một mạch phát ra dãy xung vuông, độ rộng cũng nhƣ chu kỳ của dẫy xung

đƣợc tính chọn dựa trên cơ sở độ rộng xung theo yêu cầu đặt ra .

Ví dụ : Trƣờng hợp độ rộng xung theo yêu cầu tx = 200s thì:

T = 2.tx = 2.200 = 400 s = 4.10-4

s, với T là chu kỳ của xung ra.

Mặt khác T 1,4.(WR+R).C.

1,4.(WR+R).C = 4.10-4

.

.10.9,24,1

10.4C).RWR( 4

4

Ta chọn tụ C có dung lƣợng là C = 0,01(F) = 1.10-8

(F).

.10.2910.1

10.9,2)RWR( 3

8

4

Chọn R = 5000 () = 5 (K). WR = 24000 () = 24 (K).

Khi ta chỉnh biến trở WR về giá trị min thì độ rộng xung ra của mạch trên có giá trị

nhỏ nhất. Với các thông số trên và khi WR = 0 thì ta có chu kỳ Tmin nhƣ sau:

Tmin 1,4(WR + R).C = 1,4.5000.1.10-8

= 7.10-5

(s).

Vậy độ rộng xung tx min = Tmin/2 = 3,5.10-5

= 35 (s).

Tƣơng tự trên khi ta chỉnh WR nên giá trị max (WR = 24000) thì ta có Tmax nhƣ sau:

Tmax 1,4.(WR + R).C = 1,4.(5000 + 24000).1.10-8

= 40.10-5

(s).

tx max = Tmax/2 = 20.10-5

= 200 (s).

5. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân, khuếch đại xung dùng Tranzito loại pnp

lắp theo mạch Dalingtơn có biến áp ra

Hình 3.46 là sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung và khuếch đại xung để kích mở cho

Thyristo cùng giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch.Trong sơ đồ, mạch khuếch

đại xung đƣợc kết cấu từ hai Tranzitor T4, T5 ghép kiểu Darlington (mắc nối tiếp hai

Tranzito) theo sơ đồ cực phát chung. Hai Tranzito mắc nối tiếp nhƣ vậy tƣơng đƣơng

với một Tranzito có hệ số khuếch đại dòng điện () theo sơ đồ phát chung bằng tích hệ


số khuếch đại dòng của hai Tranzito thành phần: = 4. 5. Trong đó 4, 5 là hệ số

khuếch đại dòng điện của hai Tranzito T4 và T5.

Trong mạch ngƣời ta lợi dụng nội trở trên tiếp giáp Je của T4 và T5 để cùng tụ C3

tạo thành mạch sửa xung. Thực chất đây là mạch vi phân tín hiệu gồm tụ C3 và nội trở

rebT4 + rebT5 của hai Tranzistor. Điện áp vào của mạch vi phân là điện áp lấy ra của

mạch so sánh uss, còn điện áp ra của mạch vi phân đƣợc lấy trên điện trở của mạch hay

chính là điện áp UKAD4 trên điốt D4. Nhìn trên sơ đồ nguyên lý ta thấy điện áp này đặt

tới chân E của T5 và chân B của T4, đồng thời nó phân cực thuận cho hai tiếp giáp Je

của T4 và T5. Do đó điện áp này có tác dụng mở hai Tranzistor T4 và T5.

* Biến áp xung BAX trong mạch có chức năng chính là truyền xung từ mạch

khuếch đại xung đến Tiristor để cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực.

Ngoài ra nhờ vào tính chất bão hoà từ của lõi thép mà biến áp xung còn tham gia sửa

dạng xung khi độ rộng của xung đƣa tới mạch khuyếch đại còn quá rộng. Nguyên lý

sửa xung của máy biến áp xung đƣợc thể hiện trên hình 3.46. Trong đó tX là độ rộng

của xung vào cuộn sơ cấp BAX (uv), còn tbh là khoảng thời gian tính từ lúc cấp xung

cho BAX đến lúc từ thông trong lõi thép của BAX bão hòa.

0 t

uSS

Ucebh

0

0

0

uC3

uAKD4

uSX

t

t

t

b)

t1 t‟1 t2 t3 t4

uSX

Hình 3.46

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 1-Jan-1997 Sheet of

File: C:\ADVSCH\HH04.SCH Drawn By:

T5

T4

R8C3

D4

R9

D5 D7

D6

*

*

G

K

U®kTi

BAX-Ucc3

Uss

_

+

(a)


* Nguyên lý sửa xung của BAX :

Trên hình 3.47a là trƣờng hợp xung vào cuộn sơ cấp biến áp xung có độ rộng nhỏ

hơn hoặc bằng khoảng thời gian bão hòa từ của BAX. Do đó xung ra ur lấy trên cuộn

thứ cấp biến áp xung có độ rộng bằng độ rộng của xung vào.

Ở hình 3.47b là trƣờng hợp độ rộng của xung vào BAX lớn hơn thời gian bão hoà từ

của BAX. Tại thời điểm t1 có xung vào cuộn sơ cấp BAX nên trên cuộn sơ cấp BAX ta

cũng thu đƣợc một xung ra. Đến thời đểm t‟1 từ thông trong lõi thép BAX bão hòa nên

mất xung trên cuộn thứ cấp BAX mặc dù lúc này vẫn còn xung vào.

Nhƣ vậy xung ra lấy trên cuộn thứ cấp BAX có độ rộng lớn nhất là bằng khoảng

thời gian bão hòa từ của lõi thép BAX. Dƣới đây ta phân tích nguyên lý hoạt động của

mạch mạch sửa xung và khuếch đại xung với giả thiết xung đƣa đến mạch BAX có độ

rộng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng thời gian bão hoà của BAX.

* Nguyên lý hoạt động của mạch sửa xung và khuếch đại xung:

+ Từ thời điểm t = 0 đến thời điểm t = t1, điện áp uSS có giá trị USS = Ucebh 0 nên

ta coi điện áp vào mạch vi phân bằng không, Tranzistor T4 và T5 khoá, không có xung

ra trên cuộn thứ cấp biến áp xung.

+ Tại thời điểm t = t1 điện áp uSS = -UCC2 đặt tới mạch vi phân và có cực tính nhƣ

hình vẽ. Khi đó tụ C3 đƣợc nạp điện từ +uS rebT5 rebT4 C3 R8 nội trở của

nguồn uSS mát. Quá trình nạp điện của tụ C3 tạo nên dòng điện chảy qua các chân B

của hai Tranzistor T4 và T5 nên chúng đều mở dẫn dòng qua cuộn sơ cấp biến áp xung

theo chiều từ (*) đến không (*). Lúc này trên cuộn thứ cấp biến áp xung cũng xuất

hiện một điện áp có cực tính dƣơng ở (*) và âm ở không (*). Đây chính là xung đƣa

đến điều khiển Tiristor uđkTi > 0.

+ Đến thời điểm t = t‟1, điện áp vào mạch sửa xung vẫn có giá trị uSS = -Ucc2 nhƣng

tụ C3 đã đầy điện nên không nạp nữa, điện áp trên tụ giữ nguyên ở giá trị –uC3 = Ucc2.

Hình 3.47: Giản đồ thời gian mô tả nguyên lý hoạt động của BAX.

t

t

t1 t2 t3 t4

uv

ur

0

0

a) txvào tbh

t

t

t1 t2 t3 t4

uv

ur

0

0

b) txvào > tbh

t‟1 t‟3

txvào

txra

txvào

txra


Khi C3 ngừng nạp thì dòng nạp cho tụ chảy qua các chân B của Tranzisto T4, T5 cũng

chuyển về bằng không nên T4 và T5 khoá, ngừng dẫn dòng qua cuộn sơ cấp biến áp

xung. Lúc này điện áp trên cuộn sơ cấp biến áp xung bằng không nên điện áp trên

cuộn thứ cấp BAX cũng chuyển về bằng không: uđkTi = 0. Do dòng điện chạy qua cuộn

sơ cấp BAX đột ngột giảm về bằng không nên trên các cuộn dây sẽ sinh ra một sức

điện động tự cảm có cực tính dƣơng ở không (*) và âm ở (*) để chống lại sự biến

thiên của dòng điện. Sức điện động tự cảm này phân cực thuận cho điốt D5 nên D5

thông dập tắt sức điện động này. Điốt D6 mắc song song với cuộn thứ cấp biến áp

xung cũng có chức năng dập sức điện động tự cảm trên cuộn thứ cấp biến áp xung.

+Ở thời điểm t2 điện áp vào mạch vi phân lại chuyển về giá trị uSS = ucebh 0, tụ C3

bắt đầu thực hiện quá trình phóng điện theo đƣờng: +C3 D4 mát nội trở nguồn

uSS R8 -C3. Quá trình phóng điện của tụ C3 gây ra một sụt áp thuận trên D4, sụt

áp này đặt cả lên hai tiếp giáp Je của T4 và T5 và phân cực ngƣợc cho hai tiếp giáp này.

Đây là xung âm đặt tới hai tiếp giáp điều khiển của hai Tranzito và chúng đƣợc thể

hiện trên giản đồ thời gian bằng nét đứt ở trục UKAD4.

* Kết luận:

Quá trình trên cứ diễn ra liên tục và lặp đi lặp lại, kết quả là trên cuộn thứ cấp của

biến áp xung ta thu đƣợc một dẫy xung có tần số bằng tần số của dẫy xung uSS. Xung

ra của mạch khuếch đại xung uđkTi có sƣờn trƣớc không thay đổi so với xung uSS, song

độ rộng của xung đã đƣợc sửa với độ rộng thích hợp để mở Thyristor. Độ rộng của

xung uđkTi đúng bằng khoảng thời gian T4 và T5 dẫn dòng qua cuộn sơ cấp biến áp

xung, đây cũng chính là khoảng thời gian tụ C3 nạp điện từ giá trị – uC3 = Ucebh 0 đến

giá trị – uC3 = Ucc. Trong thực tế ngƣời ta thƣờng tính chọn cho mạch vi phân sao cho

độ rộng của xung đƣa đến mở Thyristor nằm trong khoảng từ 200s đến 600s.

* Tính chọn cho mạch sửa xung:

Để tính chọn cho mạch sửa xung và khuếch đại xung ta chọn nguồn nuôi có giá trị

Ucc3 = 12 (V).

Khâu sửa xung gồm tụ C3 và nội trở tiếp giáp Je của hai Tranzistor T4 và T5. Vì độ

rộng của xung uđkTi (tx) bằng khoảng thời gian tụ C3 nạp điện (tn) từ giá trị - uC3 = ucebh

-uC3 = Ucc2 nên nếu ta chọn độ rộng xung tx = 200s thì tn = 200s. Trong quá trình

tụ C3 nạp điện ta có biểu thức:


.)1(3 cebh

t

CCC UeUu

Trong đó t là thời gian nạp của tụ từ giá trị -uC3 = Ucebh = 0,6 (V) -uC3 = Ucc

là hằng số thời gian nạp của tụ C3 thì = (rebT5 + rebT4 + R8).C3, với rebT5, rebT4 là nội

trở tiếp giáp JE của hai Tranzitor T4, T5. Do nội trở tiếp giáp Je của Tranzitor rất nhỏ so

với R8 nên ta coi nhƣ không có, vậy ta có công thức nhƣ sau: = R8.C3. Đến thời

điểm t1‟ tụ C3 nạp đầy điện ta có biểu thức:

.)1()(

'1

3

'

13 cebh

t

CCC UeUtu

Thay các giá trị Ucc2 = 12 (V), Ucebh = 0,6 (V), t1‟ = 200s = 2.10

-4s, = R8.C3 , uC3(t1

‟)

= Ucc2 = 12 (V), vào biểu thức trên ta đƣợc:

7,16,0

6,0)1.(1212)1(

38

4

38

4

38

4'1

.

10.2

.

10.2

.

10.2

3

CRCR

CR

cebh

t

CCC

ee

eUeUu

Lấy ln hai vế và biến đổi ta đƣợc: R8.C3 = 4.10-4

. 3

4

8

10.4

CR

Chọn tụ C3 có dung lƣợng là 200 (nF) = 2.10-7

(F). Khi đó suy ra: R8 = 2(k).

* Tính chọn cho mạch khuếch đại xung:

Mạch khuếch đại xung gồm hai Tranzito T4 và T5 là các đèn thuận ghép Darlington

kết hợp với biến áp xung BAX. Để chọn đƣợc các Tranzito trong tầng khuếch đại ta

phải hiểu tại sao ngƣời ta thƣờng ghép nhƣ vậy để tạo ra một tầng khuếch đại. Nguyên

do là Tranzito công suất dùng để khuếch đại công suất xung lại có hệ số khuếch đại

nhỏ, trong khi đó Tranzistor có hệ số khuếch đại lớn lại có công suất nhỏ. Vậy muốn

có một tầng khuếch đại có công suất cũng nhƣ hệ số khuếch đại lớn thì chỉ có cách

ghép nối tiếp chúng lại với nhau. Khi đó hệ số khuếch đại của mạch sẽ tƣơng đƣơng

tích hệ số khuếch đại của hai Tranzistor thành phần. Đối với Tranzistor có hệ số

khuếch đại dòng điện lớn ta chọn là loại B562 hay một loại khác tƣơng đƣơng. Còn

Tranzistor công suất lớn ta chọn là loại A671 hoặc một loại khác tƣơng đƣơng.

Biến áp xung BAX ta chọn loại có tỉ lệ 1:1. Các điốt trong mạch ta chọn là điốt

chỉnh lƣu có nhãn hiệu IN 4007.



1. Tín hiệu xung và tham số.

2. Chế độ khoá của Tranzitor.

3. Chế độ khoá của Khuếch đại thuật toán.

4. Mạch đa hài tự kích dùng Tranzito.

5. Mạch đa hài tự kích dùng khuếch đại thuật toán.

6. Mạch đa hài tự kích dùng IC 555.

7. Mạch Trigơ đối xứng dùng Tranzitor.

8. Mạch Trigơ Smit dùng Tranzito.

9. Mạch Trigơ Smit đảo dùng khuếch đại thuật toán.

10. Mạch Trigơ Smit không đảo dùng khuếch đại thuật toán.

11. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng Tranzitor có khâu ổn dòng.

12. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng Tranzitor có hồi tiếp điện áp.

13. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng mạch tích phân đơn giản.

14. Mạch tạo điện áp răng cƣa dùng KĐTT.

15. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân và KĐTT.

16. Mạch sửa xung dùng Tranzitor và mạch vi phân.

17. Mạch sửa xung dùng IC 555.

18. Mạch sửa xung dùng mạch vi phân, khuếch đại xung dùng Tranzitor Darlingtơn có

biến áp ra .

19. Cho mạch điện nhƣ hình 1:

a) Vẽ và phân tích dạng đặc tuyến truyền đạt

của IC KĐTT.

b) Cho uV = 9sinωt, ±E = ±15V,

±Urmax = ±12V, IDZ = 10mA, UDZ = 3V.

- Vẽ và giải thích điện áp ra uA(t) , uB(t) theo uv(t).

- Tính giá trị điện trở R.

- Nêu các phƣơng pháp thay đổi độ rộng xung ra.

20. Cho mạch đa hài tự kích dùng IC 555 nhƣ hình 2

a) Vẽ các giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch

b) Tính chọn tham số các linh kiện của mạch sao cho

tần số điện áp ra thay đổi từ (100 ÷ 1500) Hz, biết

C = 100nF.

Hình 2

7

4 8

C

R

WR

WR

R +Ucc

1

D

3 6

2

ura

555

Hình 1

ur

a

+E

- E

R

Dz

uv

A -

+

Ungƣỡng = 6V - +

B


21. Cho mạch đa hài tự kích dùng KĐĐT nhƣ hình 3

a) Vẽ các giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch

b) Tính chọn tham số các linh kiện của mạch sao cho

tần số điện áp ra thay đổi từ (10 ÷ 1000) Hz, biết

C = 200nF.

22. Cho mạch đa hài tự kích dùng Tranzitor nhƣ hình 4

a) Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch.

b) Cho RB1 = RB2 = 10kΩ; RC1 = RC2 = 1,8kΩ;

C1 = C2 = 0,47μF.

Xác định giá trị WR để tần số xung ra là 50Hz.

c) Có nhận xét gì khi C1 ≠ C2.

23. Cho mạch điện nhƣ hình 5.

Biết uv là dãy xung vuông âm đối xứng tần số

100Hz

+EC = 12V, C = 1µF; C1 = 10µF; R1 =30k

R2 =1k; R =10k;

a) Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch

b) Xác định biên độ điện áp ra

c) Điện áp ra thay đổi thế nào nếu tụ C1 hở mạch

24. Cho mạch điện nhƣ hình 6:

Biết: +Ec = 10V; UDZ = 5,6V; R1 =20k

R2 =0,5k; RE =10k; C = 1µF

uv là dãy xung vuông âm đối xứng tần số

50Hz.

a) Phân tích hoạt động của mạch.

b) Xác định biên độ điện áp ra.

c) Điện áp ra thay đổi thế nào khi tăng

hoặc giảm RE.

C +

_

A741

R

R1 R2

Ura N

P

+UCC

-UCC

WR

Hình 3

Hình 5

T2

T1

+Ec

R1

D

uv ur C

Cp

C1

B

Re

R

A

R2

A

Hình 4

RC1

T2

+ -

RB2

+Ec

ura2

WR

C2

T1

C1 ura1

RB1

RC2

- +

R

T2 R1

Dz

uv

+Ec

ura

Cp

RE

T1 C

R2

Hình 6


25. Cho mạch điện nhƣ hình 7

a) Phân tích và vẽ đặc tuyến truyền đạt của

sơ đồ với giả thiết IC lý tƣởng.

b) Cho uv = 9sinωt, ±E = ±15V, R1 = 10kΩ,

R2 = 20kΩ, ±Urmax = ±12V, IDZ = 10mA,

UDZ = 3V.

- Vẽ và giải thích các điện áp uA(t); uB(t)

theo uv(t).

- Tính R3.


a) Phân tích và vẽ đặc tuyến truyền đạt

của sơ đồ với giả thiết IC lý tƣởng.

b) Cho uV = 9sinωt, ±E = ±15V,

R1 = 10kΩ, R2 = 20kΩ, ±Urmax = ±12V,

IDZ = 10mA, UDZ = 3V.

- Vẽ và giải thích các điện áp uA(t); uB(t) theo uv(t).

- Tính R3.


Biết:

uv là dãy xung vuông dƣơng có biên độ 5V

U0 là điện áp một chiều +2V;

C = 0,2µF; UDz =3,6V

a) Hãy vẽ các giản đồ điện áp minh hoạ hoạt động của mạch

b) Xác định giá trị của R1 để độ rộng xung ra tx = 300µs

28. Mạch sửa xung dùng IC 555 nhƣ hình 10,

biết:

uv là dãy xung vuông dƣơng tần số 100Hz;

C = 0,01µF

a) Vẽ các giản đồ thời gian mô tả hoạt động

của mạch

b) Xác định R, WR để độ rộng xung ra thay đổi

từ (100 ÷ 400) µs.

Hình 10

7

4 8

C

R

WR

WR

R +Ucc

1

D

3 6

2

uv

ura 555

Hình 7

ura

+E

- E

R3

Dz

uv

A -

+

B

R2

R1

R2

Hình 8

ura

+E

- E

R3

Dz

uv

A

-

+ B

R1

C

Hình 9

ura

+E

- E

R4

Dz

uv

-

+ R2

R3

U0

R1


CHƢƠNG IV. NGUỒN MỘT CHIỀU

1 - Nội dung :

- Khái niệm về nguồn một chiều

- Các ứng dụng của nguồn một chiều

- Sơ đồ khối của bộ nguồn một chiều

- Tìm hiểu về các mạch điện trong sơ đồ khối của nguồn một chiều

- Xây dựng một bộ nguồn một chiều hoàn chỉnh


- Sinh viên nắm đƣợc khái niệm về nguồn một chiều và các ứng dụng của nó.

- Sinh viên có thể ứng dụng các linh kiện điện tử để xây dựng các khối chức năng

trong sơ đồ của bộ nguồn một chiều.

- Sinh viên có thể lựa chọn các tham số của mạch điện để tạo ra nguồn một chiều

theo yêu cầu cho trƣớc.





[1] PGS. TS Đỗ Xuân Thụ, Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Viết Nguyên, Kỹ thuật

điện tử, NXB Giáo Dục, 2008.


[3] Bộ môn Kỹ thuật điện tử, Giáo trình Kỹ thuật điện tử, Trƣờng Đại học Kỹ thuật

Công Nghiệp.

[4] TS. Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử và ứng dụng, Nhà xuất

bản Giáo dục, 2005.




1. Khái niệm chung (dạy trên lớp)

2. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện (điện áp) ra tải (dạy trên lớp)

2.1. Bộ lọc bằng tụ điện

2.2. Bộ lọc bằng cuộn dây

3. Ổn định điện áp và dòng điện

3.1. Ổn định điện áp (dạy trên lớp)

3.2. Ổn định dòng điện (tự nghiên cứu)

4. Củng cố kiến thức (thảo luận trên lớp và tự nghiên cứu)



Năng lƣợng điện một chiều thƣờng đƣợc dùng để cung cấp cho một số thiết bị và

phụ tải nhƣ : nạp ắc quy, sạc pin và các hệ thống điện tử nói chung. Trong thực tế,

năng lƣợng một chiều có đƣợc chủ yếu đƣợc lấy từ nguồn năng lƣợng xoay chiều của

lƣới điện thông qua một quá trình biến đổi đƣợc thực hiện trong nguồn một chiều.

Sơ đồ khối của nguồn một chiều nhƣ hình vẽ:

Trong đó:

- Máy biến áp: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều u1 thành điện áp xoay chiều

u2 có cùng tần số và có giá trị thích hợp với yêu cầu.

- Mạch chỉnh lƣu: dùng để biến đổi điện áp xoay chiều u2 thành điện áp một

chiều U= không bằng phẳng (đập mạch).

- Bộ lọc: có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch thành điện áp một

chiều U01 ít nhấp nhô hơn.

- Bộ ổn áp (ổn dòng) một chiều: có nhiệm vụ ổn định điện áp (dòng điện) ở đầu

ra U02 (It) không đổi khi điện áp lƣới hay điện trở tải thay đổi trong một phạm vi nhất

định.

2. Lọc các thành phần xoay chiều của dòng điện (điện áp) ra tải

Trong các mạch chỉnh lƣu đã xét, điện áp hay dòng điện ra tải tuy có cực tính

không đổi nhƣng giá trị của chúng thay đổi theo thời gian một cách chu kỳ ngƣời ta

gọi là sự đập mạch của điện áp hay dòng điện sau chỉnh lƣu.

- Tổng quát: khi tải là thuần trở, dòng điện tổng ra tải là:

tnBtnAIin

n

n

nt cos.sin.11

0

. Trong đó: I0 là thành phần một chiều.

tnBtnAn

n

n

n cos.sin.11

là tổng các sóng hài có biên độ, pha, tần số khác

nhau. Các sóng hài này gây ra sự tiêu thụ năng lƣợng vô ích và gây nhiễu loạn cho sự

làm việc của tải, vì vậy ta phải lọc các sóng hài này để cho dòng điện ra tải it ít đập

mạch.

- Để đánh giá chất lƣợng điện áp chỉnh lƣu ngƣời ta đƣa ra định nghĩa hệ số đập

mạch KP của bộ lọc.

KP càng nhỏ thì chất lƣợng điện áp chỉnh lƣu càng cao.

Biến áp

u2 Ut

It

Rt Mạch

chỉnh lƣu

Bộ lọc

Ổn áp

Ổn dòng U= U01 U02 u1

Biên độ sóng hài lớn nhất của it (hay ut)

Giá trị trung bình của it (hay ut) KP =


2.1. Bộ lọc bằng tụ điện

Để lọc bằng tụ điện, tụ C đƣợc mắc song

song với tải, dựa vào quá trình nạp và phóng của

tụ điện ở mỗi nửa chu kỳ của điện áp chỉnh lƣu

mà ta nhận đƣợc điện áp ra trên tải bằng phẳng

hơn.

- Về mặt điện kháng: với các thành phần sóng hài có tần số càng cao thì dung

kháng CCX

..1

càng nhỏ, khi đó các sóng hài này bị nối tắt về điểm chung và tiêu

tán trên mạch vòng của cuộn dây thứ cấp, bộ chỉnh lƣu.

- Hệ số đập mạch KP khi lọc bằng tụ điện: CRP

tK

..2

Có nghĩa là tác dụng lọc càng rõ rệt khi C và Rt càng lớn nhƣ vậy bộ lọc này

thích hợp với tải có điện áp cao và dòng điện nhỏ.

2.2. Bộ lọc bằng cuộn dây

Cuộn cảm L đƣợc mắc nối tiếp với tải, do

dòng điện (điện áp) sau chỉnh lƣu biến thiên đập

mạch trong cuộn dây L sẽ xuất sức điện động tự

cảm chống lại, do đó làm giảm các sóng hài.

- Về mặt điện kháng: XL = .L , các sóng hài bậc n có tần số càng cao thì XL

càng lớn sẽ bị cuộn L chặn lại càng nhiều. Do đó dòng điện ra tải chỉ có thành phần

một chiều I0 và một lƣợng nhỏ các sóng hài.

- Hệ số đập mạch của bộ lọc dùng cuộn L là: L

R

PtK..3

Nghĩa là tác dụng lọc của cuộn L càng cao khi Rt càng nhỏ. Do đó cách lọc này thích

hợp với tải có điện áp thấp và dòng điện cao. Khi giá trị cuộn L càng lớn thì tác dụng

lọc càng tăng, tuy nhiên không nên dùng cuộn L quá lớn vì khi đó điện trở một chiều

của cuộn L lớn nên sụt áp một chiều trên nó tăng, làm giảm hiệu suất của bộ chỉnh lƣu.

Để tăng hiệu quả lọc ngƣời ta kết hợp tụ điện và cuộn cảm để tạo thành những

mắt lọc, cũng có thể mắc nối tiếp nhiều mắt lọc với nhau, tuy nhiên khi đó hiệu suất

của mạch sẽ giảm.

C Rt Ura Uvào

+

_

+ _

nạp phóng

Rt Ura Uvào

+

_

L


- Trên sơ đồ hình e, ngƣời ta sử dụng mạch cộng hƣởng LC song song do đó nó

sẽ chặn thành phần sóng hài có tần số bằng hoặc gần bằng tần số cộng hƣởng riêng của

mạch.

- Sơ đồ hình f, ngƣời ta mắc song song với tải một mạch cộng hƣởng LC nối

tiếp, khi đó nó sẽ nối tắt các tín hiệu có tần số bằng tần số cộng hƣởng riêng của mạch

không cho ra tải.

3. Ổn định điện áp và dòng điện

3.1. Ổn định điện áp

- Nhiệm vụ: Các bộ ổn định điện áp có nhiệm vụ ổn định điện áp một chiều ra

tải không đổi khi điện áp vào và tần số lƣới điện thay đổi, tải thay đổi.

Sau đây ta xét các bộ ổn áp cơ bản:

a) Bộ ổn áp tham số (đã xét ở phần ổn định điện áp dùng điốt Zener).

b) Ổn áp loại bù

Để nâng cao chất lƣợng ổn định, ta dùng bộ ổn áp kiểu bù (còn gọi là ổn áp so

sánh hay ổn áp có hồi tiếp). Ta xét loại ổn áp loại bù kiểu mắc nối tiếp (hình a)

D

Y

Uch

+

-

Uvào Rt ,Ura

Uph

Hình a: Sơ đồ khối bộ ổn áp mắc nối tiếp

(Hình d: Bộ lọc hình L ngƣợc)

C

Uvào

+

_

L

Rt ,Ut

(Hình c: Bộ lọc hình )

C1 Rt ,Ut Uvào

+

_

L

C2

Ck Rt ,Ut Uvào

+

_

Lk

C

(Hình e: Bộ lọc cộng hƣởng song song)

Uvào

+

_

L

Rt ,Ut

(Hình f: Bộ lọc cộng hƣởng nối tiếp)

Lk

Ck


Trong sơ đồ khối phần tử điều chỉnh D đƣợc mắc nối tiếp với tải, khi đó dòng

điện qua tải cũng bằng dòng qua phần tử điều chỉnh D. Nguyên lý hoạt động dựa trên

sự biến thiên điện trở trong của đèn D để thay đổi điện áp trên đầu ra của nó tuỳ theo

sự điều khiển của điện áp sau khối so sánh và khuếch đại tín hiệu sai lệch Y. Khối Y

sẽ so sánh tín hiệu từ nguồn điện áp chuẩn Uch với điện áp Uph tỷ lệ với Ura và khuếch

đại điện áp sai lệch giữa hai điện áp này. Từ sơ đồ ta có:

Uvào = UD + Ura Ura = Uvào – UD =const

Nếu giả sử khi điện áp vào Uv thay đổi làm cho điện áp ra có xu hƣớng thay đổi

Uph thay đổi theo, sau khi so sánh với Uch, lƣợng sai lệch U = Uph - Uch | sẽ tác

động vào phần tử điều chỉnh D làm cho sụt áp trên phần tử D là UD sẽ cùng tăng hay

cùng giảm so với điện áp vào để giữ cho điện áp ra đƣợc ổn định.

Hình b trình bày nguyên lý của một bộ ổn áp kiểu bù cực tính dƣơng mắc nối tiếp

cấu tạo theo sơ đồ hình a.

. . Mặt khác, ta có: Uv = UCET1 + Ura

Ura = Uv – UCET1 = const.

Trong sơ đồ:

+ Tranzito T1 đƣợc xem là phần tử điều chỉnh D

+ Điện trở R2 , DZ tạo nên mạch ổn áp thông số để lấy ra điện áp chuẩn Uch , điện

áp phản hồi đƣợc lấy trên bộ phân áp R3 , VR, R4

+ Tranzito T2 đóng vai trò là khối so sánh và khuếch đại tín hiệu sai lệch. Tín hiệu

phản hồi và Uch theo một vòng kín đƣợc đặt vào cực gốc – phát của Tranzito T2.

+ Các tụ C1, C2 có tác dụng lọc thêm nhằm giữ cho điện áp ra bằng phẳng hơn.

Từ sơ đồ, tại lối ra ta có:

Ta xét một sơ đồ dùng Tranzito

nhƣ hình vẽ. Giả sử khi UV tăng

Ura tăng Uph tăng. Trong đó Uch có

xu hƣớng khoá Tranzito T2 còn Uph có

xu hƣớng mở T2.

- Khi Uph tăng và lớn hơn Uch

UBET2 tăng Tranzito T2 mở thêm

UCET2 giảm một lƣợng là U UBET1

giảm T1 khoá bớt lại UCET1 tăng

T1

T2

DZ

C1

C2

R1 R2

R3

VR

R4

Uph

Uch

UCET1

Uvào Ura

+ +

_ _

+

_

Hình b: Ổn áp loại bù kiểu nối tiếp dùng Tranzito


4

43.RVR

RVRRUU phra

; Mặt khác: Uph = UBET2 + UDz = 0,6 + UDz

4

436,0RVR

RVRRUU Dzra

(*). Nhƣ vậy khi thay đổi VR ta có thể thay đổi

đƣợc điện áp ra theo biểu thức (*)

+ Nhận xét: Bộ ổn áp theo phƣơng pháp bù liên tục có chất lƣợng ổn định cao,

cho phép thay đổi đƣợc mức điện áp ra trong một dải nhất định, tuy nhiên có hiệu suất

thấp (khoảng 50%) do tổn hao công suất của nguồn một chiều trên bộ ổn định tƣơng

đối lớn.

c) Bộ ổn áp dùng IC tuyến tính

Sau đây ta xét các loại IC ổn áp cơ bản

+ IC ổn áp ba chân có điện áp ra không điều chỉnh đƣợc ( xét họ 78xx và 79xx).

Trong đó: họ IC 78xx có điện áp ra Ura dƣơng, còn họ 79xx có điện áp ra âm. Cả 2 loại

này có điện áp ra cố định không thay đổi đƣợc, dòng điện ra 1A. Chỉ số xx chỉ điện

áp ra ổn định, ví dụ:

7805 (Ura = +5V); 7812 (+12V); 7815 (+15V); 7824 (+24V)....

7905 (Ura = -5V); 7912 (-12V); 7915 (-15V); 7924 (-24V)....

- Tuỳ theo khả năng cung cấp dòng tải của IC ổn áp

ngƣời ta ghi thêm các mẫu tự sau họ 78; 79 để chỉ dòng ra danh định:

Ví dụ: 78Lxx : dòng ra 100mA; 78Mxx : dòng ra 500mA; 78xx : dòng ra 1A

78Txx : dòng ra 3A; 78Hxx : dòng ra 5A

+ Mạch ổn áp dƣơng và mạch ổn áp âm:

Ví dụ 1: Bộ nguồn một chiều cho điện áp ra ổn định +5V

78xx

1 2 3

79xx

1 2 3

- Uv U0 = -5V

C1 C2

2

1

3 7905 +Uv U0 = +5V

C1 C2

1

2

3 7805 từ (+735)V

220v ~

4x4007

7805

8v ~ C2 C1

+5V 1

2

3

MBA

~


Ví dụ 2: Bộ nguồn một chiều cho điện áp ra đối xứng 5V

3.2. Ổn định dòng điện (tự nghiên cứu)

4. Củng cố kiến thức

1. Nêu sơ đồ khối của một bộ nguồn một chiều? Phân tích chức năng của từng khối.

2. Các dạng bộ lọc cơ bản. Ƣu, nhƣợc điểm của từng loại?

3. Mạch ổn áp loại bù mắc nối tiếp?

4. Nêu một vài loại vi mạch ổn áp (sơ đồ chân, cách sử dụng…)?


Trong đó:

uv = 20V; UDZ = 9V

R2 = 4,7kΩ; R4= 220Ω; R3 = 120Ω

a. Thuyết minh nguyên lý làm việc của mạch.

b. Xác định R1 để Ut = 12V


Trong đó:

uv = 22V; Ut = 15V; R2 = 2,2kΩ

a. Thuyết minh nguyên lý làm việc.

b. Xác định R1 và UDZ.


Trong đó: UZ = 6,3V, UD = 0,7V; VR = 2,5kΩ,

R1 = 7,2kΩ; R2 = 1,8kΩ, E = +20V

IZ min = 12mA , βZ = 50; I0 max = 250mA.

a. Phân tích hoạt động.

b.Viết biểu thức tính E0 và tính R3

c. Xác định công suất tiêu tán trên Tranzito

khi dòng I0 max

220v ~

4x4007 7805

8v ~ C2 C1

+5V 1

2

3

7905 -5V

C3 C4

2

1

3

Hình 1

T1

T2

DZ

R3

R4 R1

R2

Uvào Rt

+

_

Ut

Hình 2

T1

DZ

R3 R1

R2

Uvào Rt

+

_

Ut

+

-

+

- t

R2

R3

r 1

Dz

D

VR

+E

Rt

E0

Hình 3

dien tu-tuong-tu

Engineering