Các thành phần cơ bản cơ điện tử TS.Trương Hữu Chí TS.Võ Thị Ry NXB khoa học và kỹ thuật cơ điện tử,kỹ thuật cơ điện tử,ngành cơ điện tử,công nghệ kỹ thuật cơ điện tử,điện tử cơ bản cơ điện tử bách khoa ngành kỹ thuật cơ điện tử giáo trình điện tử cơ bản điện tử căn bản ngành điện cơ khí ngành cơ khí điện tử kỹ thuật cơ điện tử bách khoa ngành cơ điện tử bách khoa cơ khí điện tử kỹ sư cơ điện tử học điện tử cơ bản kỹ thuật điện tử và tin học ngành công nghệ kỹ thuật cơ điện tử ngành cơ điện tử học trường nào linh kiện điện tử cơ bản hệ thống cơ điện tử co dien tu đồ án cơ điện tử sản phẩm cơ điện tử nghề cơ điện tử cơ điện tử ô tô dien tu co ban điện tử cơ bản pdf cơ điện tử nên học trường nào điện điện tử bách khoa kỹ thuật điện tử viễn thông bách khoa
KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ
CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N
2.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất a - Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể
Khi các nguyên tử đứng cô lập, cấu trúc năng lượng của chúng có dạng các mức rời rạc Tuy nhiên, khi các nguyên tử tương tác gần nhau, các mức này suy biến thành những dải năng lượng với nhiều mức gần sát nhau, được gọi là vùng năng lượng Đây là cấu trúc năng lượng đặc trưng của vật rắn tinh thể.
Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau:
Vùng hóa trị, hay còn gọi là vùng đầy, là khu vực trong đó tất cả các mức năng lượng đã được lấp đầy, không còn trạng thái năng lượng tự do nào.
- Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần
- Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0
Theo vị trí tương đối giữa ba loại vùng dẫn điện, các chất rắn có cấu trúc tinh thể được phân loại thành ba loại khác nhau khi xét ở nhiệt độ 0 K, như thể hiện trong hình 2.1.
Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện 0 < Eg £ 2eV; c) Chất dẫn điện
Để tạo ra dòng điện trong vật rắn, cần hai quá trình đồng thời: tạo ra hạt dẫn tự do qua kích thích năng lượng và chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện dưới tác dụng của trường Bài viết này sẽ xem xét cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất, với điểm khác biệt chủ yếu là quá trình sinh ra các hạt dẫn tự do trong mạng tinh thể.
Vùng hóa trị Vùng hóa trị
Vùng cấm Eg 0 < Eg £ 2eV a) Vùng cấm Eg b) c) b- Chất bán dẫn thuần
Chất bán dẫn thuần điển hình như Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúc vùng năng lượng với Eg lần lượt là 0,72 eV và 1,12 eV, thuộc nhóm bốn trong bảng tuần hoàn Mendeleev Cấu trúc mạng tinh thể của chúng có dạng một chiều, với các liên kết ghép đôi điện tử hóa trị Ở nhiệt độ 0 K, chúng hoạt động như chất cách điện Khi được kích thích bởi nguồn năng lượng bên ngoài, hiện tượng ion hóa xảy ra, tạo ra các cặp hạt dẫn tự do, trong đó điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi và để lại lỗ trống Sự chuyển điện tử này được thể hiện trên đồ thị vùng năng lượng.
Khi một mức năng lượng trong vùng hóa trị được nâng lên đến mức trong vùng dẫn, sẽ tạo ra một mức tự do trong vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự do này, dưới tác động của một trường ngoài hoặc gradien nồng độ, có khả năng dịch chuyển có hướng trong tinh thể, từ đó hình thành dòng điện trong chất bán dẫn thuần.
1) Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thích đủ lớn E kt ³ E g
2) Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau do qúa trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra (ni = Pi) c - Chất bán dẫn tạp chất loại n
Người ta bổ sung nguyên tử thuộc nhóm 5 vào mạng tinh thể của chất bán dẫn nguyên chất qua các công nghệ đặc biệt, với nồng độ từ 10^10 đến 10^18 nguyên tử/cm^3 Các nguyên tử tạp chất này có một điện tử ở lớp vỏ ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa bởi nguồn năng lượng yếu, tạo ra cặp ion dương tạp chất và điện tử tự do Hiện tượng phát sinh hạt dẫn vẫn xảy ra giống như trong chất bán dẫn thuần, nhưng ở mức độ yếu hơn Trên đồ thị vùng năng lượng, các mức năng lượng của tạp chất loại n (hay loại cho điện tử - Donor) nằm trong vùng cấm, gần sát đáy vùng dẫn với khoảng cách vài % eV.
Vùng dẫn n i p i Vùng hoá trị
Hình 2.2: a) Mạng tinh thể một chiều của Si b) Cấu trúc vùng năng lượng
Trong mạng tinh thể của chất bán dẫn loại n, tồn tại nhiều ion dương của tạp chất bất động Dòng điện trong chất bán dẫn này bao gồm hai thành phần không bằng nhau: điện tử, được gọi là hạt dẫn đa số với nồng độ nn, và lỗ trống, loại thiểu số có nồng độ thấp hơn.
P n (chênh nhau nhiều cấp: n n >>p n ) d - Chất bán dân tạp chất loại p
Khi pha tạp chất nhóm 3 vào tinh thể chất bán dẫn thuần, ta tạo ra chất bán dẫn tạp chất loại p, trong đó nguyên tử tạp chất thiếu một điện tử ở vành ngoài, dẫn đến sự hình thành lỗ trống liên kết có khả năng nhận điện tử Khi nguyên tử tạp chất ion hóa, sẽ sinh ra một cặp ion âm tạp chất và lỗ trống tự do Mức năng lượng của tạp chất loại p nằm trong vùng cấm gần đỉnh vùng hóa trị, giải thích cách sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn này Trong mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp chất loại p, tồn tại nhiều ion âm tạp chất với tính chất định xứ, và dòng điện trong chất bán dẫn loại p bao gồm hai thành phần: lỗ trống (hạt dẫn đa số) và điện tử (hạt thiểu số), với nồng độ tương ứng là pp và np (pp >> np).
Cách sinh hạt dẫn và tạo thành dòng điện trong chất bán dẫn thường liên quan trực tiếp tới các hiện tượng vật lí sau:
Hiện tượng ion hóa nguyên tử liên quan đến quá trình năng lượng của các hạt, trong đó số hạt sinh ra tương ứng với số mức năng lượng bị chiếm trong vùng dẫn hoặc số mức trống trong vùng hóa trị Vật lý thống kê lượng tử cho phép tính toán nồng độ các hạt này thông qua hàm thống kê Fermi – Dirac.
N(E)F(E)dE p (2-1) với n,p là nòng độ điện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị
Vùng hoá trị Å Å Mức tạp chất loại n a)
Vùng hoá trị Mức tạp chất loại p - - b)
Hình 2.3: Đồ thị vùng năng lượng a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p
Ec là mức năng lượng của đáy vùng dẫn,
Ev là mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị,
Emax là trạng thái năng lượng cao nhất có điện tử,
Emin là trạng thái năng lượng thấp nhất của lỗ trống,
N (E) là hàm mật đôn trạng thái theo năng lượng,
F (E) là hàm phân bố thống kê hạt theo năng lượng
Theo đó người ta xác định được:
E exp(E N p= V F - V (2-2) với N c , N v là mật độ trạng thái hiệu dụng trong các vùng tương ứng E F là mức thế hóa học (mức Fermi)
Kết quả phân tích cho thấy rằng ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ của hai loại hạt dẫn trong bất kỳ chất bán dẫn nào là một hằng số Điều này có nghĩa là khi nồng độ của một loại hạt tăng lên, nồng độ của loại hạt còn lại sẽ giảm tương ứng.
Trong chất bán dẫn loại n, nồng độ electron tự do (nn) lớn hơn nhiều so với nồng độ electron nội (ni) và nồng độ lỗ trống (pp), do đó số electron tự do luôn bằng số lượng ion dương của tạp chất, tức là nn = ND Ngược lại, trong chất bán dẫn loại p, nồng độ lỗ trống (pp) lớn hơn nồng độ electron nội (ni).
>> n p ) do đó số lỗ trống luôn bằng số lượng ion âm tạp chất: p p = N A -
- Hiện tượng tái hợp của các hạt dẫn
Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân bằng nhiệt động học của hệ hạt, đặc biệt là sự gia tăng nồng độ của các hạt thiểu số, có vai trò quan trọng trong các cơ chế phát sinh dòng điện trong dụng cụ bán dẫn Ngược lại, hiện tượng tái hợp hạt dẫn liên quan đến sự chuyển dời điện tử từ mức năng lượng cao trong vùng dẫn về mức thấp hơn trong vùng hóa trị, giúp làm mất đi một cặp hạt dẫn và đưa hệ hạt trở lại một trạng thái cân bằng mới.
Trong chất bán dẫn loại n, sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử xảy ra khi nồng độ điện tử cao, dẫn đến mức giảm của lỗ trống theo thời gian được biểu diễn bởi công thức Δp(t) = Δp(0)exp(-t/τp).
PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N
Khi hai tiếp giáp p-n được tạo ra gần nhau trên cùng một đế bán dẫn, ta có một linh kiện bán dẫn 3 cực gọi là tranzito bipolar, có khả năng khuếch đại tín hiệu điện Nguyên lý hoạt động của tranzito phụ thuộc vào đặc tính điện của từng tiếp giáp p-n và sự tương tác giữa chúng.
2.2.1 Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tranzito bipolar a) Cấu tạo: tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu tạo điển hình là pnp và npn như trên hình 2.16 Để cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi
Hình 2.16 mô tả mô hình lý tưởng hóa của tranzito PNP (a) và NPN (b) Miền bán dẫn đầu tiên là miền emitơ, nơi có nồng độ tạp chất cao nhất, được kết nối với điện cực gọi là cực emitơ Miền thứ hai, miền bazơ, có nồng độ tạp chất thấp và độ dày khoảng vài mm, với điện cực gọi là cực bazơ Miền còn lại là miền colectơ, có nồng độ tạp chất trung bình, và điện cực tương ứng là colectơ Tiếp giáp P-N giữa miền emitơ và bazơ được gọi là tiếp giáp emitơ (JE), trong khi tiếp giáp P-N giữa miền bazơ và colectơ là tiếp giáp colectơ (JC) Ký hiệu tranzito có mũi tên chỉ từ bán dẫn P sang bán dẫn N giữa cực emitơ và bazơ Về cấu trúc, tranzito có thể được coi như hai điôt mắc đối nhau, nhưng việc mắc hai điôt như vậy không thể thực hiện chức năng của tranzito nếu không có tác dụng tương hỗ giữa hai tiếp P-N Hiệu ứng tranzito chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai tiếp giáp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn.
Để tranzito hoạt động hiệu quả, cần cung cấp điện áp một chiều cho các điện cực của nó, quá trình này được gọi là phân cực tranzito Trong chế độ khuếch đại, điện cực JE được phân cực thuận trong khi điện cực JC được phân cực ngược, như minh họa trong hình 2-18.
Hình 2.18 minh họa sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) trong chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lý làm việc, chúng ta sẽ xem xét tranzito pnp Khi JE phân cực thuận, các hạt đa số (lỗ trống) từ miền p sẽ được phun qua JE, tạo thành dòng emitơ (IE) Những hạt này sẽ di chuyển vào vùng bazơ, trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ.
Trên đường khuếch tán, mộ phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số của bazơ, tạo nên dòng điện cực bazơ (IB) Cấu tạo miền bazơ mỏng giúp hầu hết các hạt khuếch tán tới bờ của J C và bị trường gia tốc cuốn tới miền colectơ, tạo thành dòng điện colectơ (IC) Qua phân tích, ta rút ra hệ thức cơ bản về các dòng điện trong tranzito, mặc dù hệ thức này là gần đúng do bỏ qua dòng ngược của JC.
Hệ số truyền đạt dòng điện a của tranzito được định nghĩa bằng công thức a = IC / IE, trong đó IE = IB + IC Hệ số a là chỉ số đánh giá chất lượng của tranzito, với giá trị càng gần 1 cho thấy tranzito có chất lượng tốt hơn.
Để đánh giá tác dụng của dòng điện IB đối với dòng colectơ IC, người ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện b của tranzito, được tính bằng công thức b = IC / IB Hệ số b thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm.
38), (2-39) có thể suy ra vài hệ thức hay được sử dụng đối với tranzito:
IE = IB (1 + b) (240) a = b / (1+ b) (2-41) c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế đố tín hiệu nhỏ
Khi sử dụng tranzito, có thể lấy 2 trong 3 cực làm đầu vào và cực còn lại làm đầu ra, tạo ra tổng cộng 6 cách mắc mạch khác nhau Tuy nhiên, tất cả các cách mắc đều cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra Trong số 6 cách mắc này, chỉ có 3 cách là tranzito có khả năng khuếch đại công suất, bao gồm cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC) và chung colectơ (CC) Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng thực tế.
Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito trong thực tế
Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ, chung colectơ
Tranzito có thể được xem như một phần tử 4 cực gần tuyến tính, với 2 đầu vào và 2 đầu ra, theo cách mắc thực tế và sơ đồ thể hiện.
Hình 2.20: Tranzito như mạng bốn cực
Trong mạng 4 cực, có thể thiết lập 6 cặp phương trình mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra, với dòng điện và điện áp là các biến số độc lập Tuy nhiên, trong thực tế, ba cặp phương trình tuyến tính sau đây thường được sử dụng nhiều nhất.
Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là biến có dạng sau:
Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp
I2 = f(U1 , U2) = g21 U1 + g22 U2 Cặp phương trình hỗn hợp
U 2 = f(I 1 , U 2 ) h 21 h 22 U 2 trong đó r ij , g ij , và h ij tương ứng là các tham số trở kháng dẫn nạp và hỗn hợp của tranzito
Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trình trên, ta sẽ xác định được các tham số vi phân tương ứng của tranzito Ví dụ : const 22
∂U r 1 gọi là điện trở ra vi phân (2-42)
∂I được gọi là hỗ dẫn truyền đạt (2-43) const 11
∂ là điện trở vào vi phân (2-44) β
∂I là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân (2-45)
Khi xác định đặc tuyến tĩnh của tranzito trong chế độ chưa có tín hiệu, việc sử dụng hệ phương trình hỗn hợp giúp dễ dàng xác định các tham số Đặc tuyến tĩnh có thể được xây dựng dựa trên các hệ phương trình này, trong đó một đại lượng được coi là hàm một biến và đại lượng thứ ba được xem như một tham số Tổng quát có bốn loại đặc tuyến tĩnh: Đặc tuyến vào U1 = f(I1) với U2 = const, đặc tuyến phản hồi U1 = f(U2) với I1 = const, đặc tuyến truyền đạt I2 = f(I1) với U2 = const, và đặc tuyến ra I2 = f(U2) với I1 = const.
Tùy thuộc vào cách mắc tranzito, các quan hệ giữa dòng điện và điện áp sẽ có tên gọi cụ thể khác nhau Chẳng hạn, với kiểu mắc EC, đặc tuyến vào thể hiện mối quan hệ giữa dòng vào IB và điện áp giữa hai cực E và B, ký hiệu là IB = f(UBE)│UCE const, trong khi đặc tuyến ra thể hiện mối quan hệ giữa dòng ra IC và điện áp giữa các cực C và E, ký hiệu là IC = f(UCE)│IB = const.
Bảng (2.1) dưới đây trình bày các phương trình đặc tuyến tương ứng được suy ra từ hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, EC và CC.
Bảng 2.1 Quan hệ hàm xác định họ đặc tuyến tĩnh của tranzito
Tổng quát BC EC CC
Có thể xây dựng sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của tranzito theo hệ phương trình tham số hỗn hợp
Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạng 4 cực theo tham số h
Chú ý rằng trong các sơ đồ EC, BC, CC, các đại lượng ∆I₁, ∆U₁, ∆I₂, ∆U₂ tương ứng với dòng vào (ra) và điện áp vào (ra) của từng cách mắc Bên cạnh đó, có thể biểu thị sơ đồ tương đương của tranzito thông qua các tham số vật lý, ví dụ như sơ đồ 2.22 đối với kiểu mắc BC.
Hình 2.22: Sơ đồ tương đương mạch BC Ở đây:
- rE là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và chất bán dẫn làm cực E
- rB điện trở khối của vùng bazơ
- rC(B) điện trở vi phân của tiếp giáp colectơ
- C C (B) điện dung tiếp giáp colectơ
- aIE nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới colectơ
KHUẾCH ĐẠI
2.3.1 Những vấn đề chung a – Nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của tranzito là sử dụng trong các mạch khuếch đại để tăng cường độ điện áp hoặc dòng điện của tín hiệu Quá trình khuyếch đại thực chất là sự biến đổi năng lượng từ nguồn cung cấp.
Quá trình chuyển đổi thông tin từ dạng một chiều không chứa đựng dữ liệu thành năng lượng xoay chiều có quy luật là một phương pháp gia công và xử lý thông tin analog.
Cấu trúc nguyên lý của tầng khuếch đại được minh họa trong Hình 2.57, với phần tử cơ bản là tranzito, có điện trở thay đổi theo điện áp hoặc dòng điện tại cực điều khiển bazơ Qua đó, tranzito điều khiển dòng điện trong mạch ra, bao gồm tranzito và điện trở Rc, cho phép thu được điện áp biến thiên tại lối ra giữa hai cực colectơ và emitơ, với độ lớn tăng lên nhiều lần so với tín hiệu vào Giả sử điện áp vào có dạng hình sin, dòng điện và điện áp ở mạch ra cần được xem như tổng của các thành phần xoay chiều trên nền thành phần một chiều I o.
Để đảm bảo tín hiệu không bị méo, biên độ thành phần xoay chiều cần phải lớn hơn hoặc bằng thành phần một chiều, tức là I o ≥ I m và U o ≥ U m Nếu không thỏa mãn điều kiện này, dòng điện trong mạch ra sẽ bằng không trong một khoảng thời gian nhất định.
Để xây dựng tầng khuếch đại, cần đảm bảo rằng mạch ra có thành phần dòng một chiều I o và điện áp một chiều U o Tương tự, ở mạch vào, ngoài nguồn tín hiệu cần khuếch đại, cần thêm điện áp một chiều Uvo (hoặc dòng điện một chiều Ivo) Các thành phần dòng điện và điện áp một chiều này xác định chế độ tĩnh của tầng khuếch đại Tham số chế độ tĩnh theo mạch vào (Ivo, Uvo) và mạch ra (Io, Uo) đặc trưng cho trạng thái ban đầu của sơ đồ khi không có tín hiệu vào Để đánh giá chất lượng của một tầng khuếch đại, người ta định nghĩa các chỉ tiêu và tham số cơ bản liên quan.
K= Đại lượng đầu ra / Đại lượng đầu vào
Nói chung vì tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng nên K là một số phức:
Phần môđun K thể hiện mối quan hệ về cường độ giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào, trong khi phần góc pha j k thể hiện độ dịch pha giữa chúng Độ lớn của K và j k phụ thuộc vào tần số w của tín hiệu đầu vào Khi biểu diễn K = f1(w), ta thu được đường cong đặc tính biên độ - tần số của tầng khuếch đại, còn đường biểu diễn j k = f2(w) được gọi là đặc tính pha - tần số.
Thường người ta tính K theo đơn vị logarit gọi là đơn vị đexiben (dB)
Khi ghép n tầng khuếch đại với các hệ số khuếch đại k1, k2, , kn, hệ số khuếch đại tổng cộng của bộ khuếch đại được xác định bằng cách nhân các hệ số khuếch đại của từng tầng lại với nhau.
Đặc tuyến biên độ - tần số và pha của tầng khuếch đại thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ra (Ura) và điện áp vào (Uvào) tại một tần số cố định trong dải tần số tín hiệu.
Dạng điển hình của K = f1(w) và Ura = f3(Uvào) cho một bộ khuếch đại điện áp tần số thấp được thể hiện trong hình 2.58 Trở kháng lối vào và lối ra của tầng khuếch đại được xác định rõ ràng.
Các đại lượng phức được biểu diễn dưới dạng Z = R + jX, trong đó sự méo tín hiệu không đường thẳng do tính chất phi tuyến của các phần tử như tranzito gây ra Điều này dẫn đến việc tần số đầu ra có thể xuất hiện các thành phần tần số lạ không có trong tần số đầu vào Khi đầu vào Uvào chỉ chứa thành phần tần số w, đầu ra U sẽ có các thành phần nw (với n = 0, 1, 2…) và biên độ tương ứng là Unm Hệ số méo không đường thẳng do tầng khuếch đại tạo ra được đánh giá bằng g m.
Một số chỉ tiêu quan trọng nhất của một tầng khuếch đại bao gồm hệ số K, Z vào, Z nguồn và Z tải Dựa vào các chỉ tiêu này, người ta có thể phân loại các bộ khuếch đại thành nhiều loại khác nhau Ví dụ, bộ khuếch đại điện áp yêu cầu K umax với Z vào lớn hơn nhiều so với Z nguồn và Z ra nhỏ hơn Z tải Trong khi đó, bộ khuếch đại công suất có Kpmax với Z vào tương đương Z nguồn và Z ra tương đương Z tải Cuối cùng, bộ khuếch đại dòng điện yêu cầu Kimax với Z vào phù hợp.
Cũng có thể phân loại theo dạng đặc tính K = f1(w), từ đó có các bộ khuếch đại
Để đảm bảo phần tử khuếch đại (tranzito) hoạt động hiệu quả và ổn định, cần hai điều kiện cơ bản: đầu tiên là xác lập điện áp 1 chiều cố định cho các điện cực bazơ, colectơ và emitơ, được gọi là phân cực tính cho phần tử khuếch đại, đạt được qua các phương pháp phân cực kiểu dòng hoặc kiểu định áp Thứ hai, chế độ tĩnh phải ổn định để quá trình làm việc của phần tử khuếch đại chỉ phụ thuộc vào điện áp điều khiển tại đầu vào, thường thực hiện thông qua các phương pháp hồi tiếp âm thích hợp Khi hai điều kiện này được thỏa mãn, điểm làm việc tĩnh của tranzito sẽ cố định tại một vị trí trên họ đặc tuyến.
Từ hình vẽ 2.57 có phương trình điện áp cho mạch ra lúc U vào =0 là:
UCeo= IcoRc= Ec (2-107) Khi Uvào ạ 0 UCE + IcEc (2-108)
Phương trình (2-107) xác định đường tải 1 chiều của tầng khuếch đại, trong khi phương trình (2-108) xác định đường tải xoay chiều Điểm làm việc tĩnh P được xác định bởi các tọa độ (Ico UCEO) hoặc (UCEO, UBEO) tùy thuộc vào vị trí của P trên đường thẳng tải Có ba chế độ làm việc của tầng khuếch đại: nếu P nằm giữa hai điểm M và N, nơi M và N là giao điểm của đường tải với các đường đặc tuyến ra tĩnh tương ứng với các chế độ tới hạn của tranzito UBEmax (hay IBmax) và UBE = 0 (hay IB = 0), thì tầng khuếch đại hoạt động ở chế độ A Chế độ này đặc trưng bởi vùng làm việc gây ra méo g nhỏ nhất và hiệu quả biến đổi năng lượng của tầng khuếch đại thấp nhất.
Hình 2.59: Đặc tuyến ra động (đường tải xoay chiều) của tầng khuếch đại (EC) và cách xác định điểm làm việc tĩnh P
Khi điểm P di chuyển đến điểm N, tầng khuếch đại chuyển sang chế độ AB, và khi P trùng với N, tầng khuếch đại hoạt động ở chế độ B Chế độ B đặc trưng bởi độ méo lớn do tín hiệu ra bị cắt khi dòng vào IB bằng 0, nhưng hiệu suất biến đổi năng lượng lại cao Khi P nằm ngoài N và gần M, tầng khuếch đại hoạt động ở chế độ khóa, với trạng thái tới hạn của tranzito là mở bão hòa khi P gần M và khóa dòng khi P nằm dưới N Chế độ này thường được sử dụng trong các mạch xung và hồi tiếp trong các tầng khuếch đại.
Hồi tiếp là quá trình truyền tín hiệu từ đầu ra về đầu vào của bộ khuếch đại, giúp cải thiện các chỉ tiêu chất lượng và mang lại những tính chất đặc biệt cho nó Việc thực hiện hồi tiếp trong bộ khuếch đại là cần thiết, đặc biệt trong thiết kế bộ khuếch đại bằng IC tuyến tính Chúng ta sẽ phân tích các quy luật chung liên quan đến hồi tiếp trong bộ khuếch đại.
KHUẾCH ĐẠI DÙNG VI MẠCH THUẬT TOÁN
Khuếch đại thuật toán (operational amplifier) là một loại bộ khuếch đại dòng một chiều với hệ số khuếch đại lớn, bao gồm hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung Tên gọi này xuất phát từ ứng dụng ban đầu của nó trong các phép tính như cộng, trừ và tích phân Ngày nay, khuếch đại thuật toán có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, cũng như trong các bộ ổn áp và bộ lọc tích cực.
Hình 2.102: Các kiểu IC khuếch đại thuật toán
Kí hiệu quy ước cho một bộ khuếch đại thuật toán (OA) được thể hiện trên hình 2.102, với đầu vào không đảo Uvk (hay Uv+) và đầu vào đảo Uvd (hay Uv-) Khi tín hiệu được đưa vào đầu không đảo, tín hiệu ra sẽ có cùng dấu với tín hiệu vào, tức là cùng pha Ngược lại, nếu tín hiệu vào đầu đảo, tín hiệu ra sẽ có dấu ngược lại, tức là ngược pha Đầu vào đảo thường được sử dụng để thực hiện hồi tiếp âm bên ngoài cho OA.
Cấu tạo cơ bản của OA bao gồm các tầng vi sai làm tầng vào và tầng giữa của bộ khuếch đại, với tầng ra thường là tầng lặp emitter (CC) để đảm bảo khả năng tải cho các sơ đồ Hệ số khuếch đại của tầng emitter gần bằng 1, do đó, hệ số khuếch đại đạt được nhờ vào tầng vào và các tầng khuếch đại bổ sung giữa tầng vi sai và tầng CC Số lượng tầng giữa phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của OA; trong OA hai tầng (thế hệ mới) có một tầng vi sai và một tầng bổ sung, trong khi OA ba tầng (thế hệ cũ) có một tầng vi sai và hai tầng bổ sung Ngoài ra, OA còn có các tầng phụ như tầng dịch mức điện áp một chiều, tầng tạo nguồn ổn dòng và mạch hồi tiếp.
Hình 2.103: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại thuật toán
Sơ đồ nguyên lý của OA ba tầng vẽ trên hình 2.103, được cung cấp từ hai nguồn
Ec1 và Ec2 có thể khác nhau hoặc giống nhau và có điểm chung Tầng khuếch đại đầu tiên sử dụng T1 và T2, trong khi tầng thứ hai sử dụng T5 và T6 theo sơ đồ vi sai Tầng ba bao gồm T7 và T8, với đầu ra kết nối vào đầu vào của T9 theo cấu trúc CC T7 được điều khiển qua mạch bazơ bằng tín hiệu từ tầng hai, trong khi T8 được điều khiển qua mạch emitơ nhờ điện áp trên điện trở R12 do dòng emitơ T9 tạo ra T8 tham gia vào vòng hồi tiếp dương, đảm bảo hệ số khuếch đại cao cho tầng ba Tác động của T7 và T8 có thể làm tăng hoặc giảm điện áp của tầng, tùy thuộc vào tín hiệu vào T6.
CC Tăng điện áp trên bazơ T9 là do sự giảm điện áp một chiều T7 cũng như do sự giảm điện trở của T8 và ngược lại
Tranzito T3 đóng vai trò nguồn ổn dòng, còn tranzito T4 được mắc thành điốt để tạo điện áp chuẩn, ổn định nhiệt cho T3 đã được nói tới ở 2.3.6b
Khi điện áp vào ÓA Uvk = Uvd = 0 thì điện áp đầu ra của OA Ur = 0
Khi tín hiệu vào có dạng nửa sóng “+”, điện áp trên colectơ của T6 tăng, dẫn đến dòng IB và IE của T9 cũng tăng theo Điều này làm tăng điện áp trên R12, giảm dòng IB và IE của T8, kết quả là điện áp đầu ra OA có giá trị dương Ur > 0 Ngược lại, nếu tín hiệu vào là nửa sóng “-”, điện áp đầu ra OA sẽ có giá trị âm Ur < 0 Đặc tuyến quan trọng nhất của OA là đặc tuyến truyền đạt điện áp, bao gồm hai đường cong cho đầu vào đảo và không đảo, mỗi đường cong gồm một đoạn nằm ngang và một đoạn dốc Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng ra (tầng CC) trong trạng thái bão hoà hoặc cắt dòng, trong đó điện áp ra của bộ khuếch đại không thay đổi khi điện áp tín hiệu thay đổi, và được xác định bởi các giá trị U + r max, U - r max, gọi là điện áp ra cực đại gần bằng điện áp bão hoà.
Điện áp bão hòa của nguồn cung cấp trong các IC thuật toán thường thấp hơn giá trị nguồn Ec từ 1 đến 3V Đoạn dốc trên đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại operational (OA) khi không có hồi tiếp ngoài.
Trị số K của các OA thay đổi tùy thuộc vào loại, có thể dao động từ vài trăm đến hàng trăm nghìn lần Giá trị K lớn cho phép hồi tiếp âm sâu, cải thiện nhiều đặc tính của OA Đường cong lý tưởng đi qua gốc tọa độ, với trạng thái Ur = 0 khi Uv = 0 được gọi là trạng thái cân bằng của OA Tuy nhiên, trong thực tế, việc đạt được trạng thái cân bằng hoàn toàn là khó khăn, vì khi Uv = 0, Ur có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn không Nguyên nhân của sự mất cân bằng này chủ yếu do sự phân tán các tham số của các linh kiện trong khuếch đại vi sai, đặc biệt là transistor.
Sự phụ thuộc của tham số OA vào nhiệt độ dẫn đến hiện tượng trôi thiên áp ở đầu vào và điện áp đầu ra Để cân bằng ban đầu cho OA, người ta thường áp dụng một điện áp phụ thích hợp hoặc sử dụng một điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp tại mạch vào.
Hình 2.104: Đặc tuyến truyền đạt của IC thuật toán
Điện trở ra của OA là một tham số quan trọng, cần có giá trị nhỏ (hàng chục hoặc hàng trăm Ω) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nhỏ, điều này đạt được nhờ mạch lặp emitơ ở đầu ra Tham số tần số của OA được xác định bởi đặc tuyến biên độ tần số, bị giảm ở miền tần số cao từ tần số cắt fc với độ dốc -20dB trên một khoảng mười đề các của trục tần số Sự suy giảm này là do sự phụ thuộc của các tham số tranzito và điện dung kí sinh vào tần số Tần số f1, tại đó hệ số khuếch đại của OA bằng 1, được gọi là tần số khuếch đại đơn vị Tần số biên fc, tại đó hệ số khuếch đại giảm đi √2 lần, được gọi là giải thông khi không có mạch hồi tiếp âm, thường có giá trị thấp khoảng vài chục Hz.
Khi sử dụng OA để khuếch đại tín hiệu, hồi tiếp âm thường được áp dụng ở đầu vào đảo Tuy nhiên, do sự dịch pha tín hiệu ở tần số cao, đặc tuyến pha tần số của OA sẽ có thêm góc lệch pha phụ, dẫn đến tổng góc dịch pha vượt quá 180 độ Tại một tần số cao f* nào đó, nếu tổng góc dịch pha đạt 360 độ, sẽ xảy ra hồi tiếp dương ở đầu vào đảo, gây mất ổn định cho mạch Để khắc phục hiện tượng này, cần thiết phải bổ sung mạch hiệu chỉnh pha.
Mạch RC được sử dụng để chuyển tần số f* ra khỏi dải thông của bộ khuếch đại, giúp loại bỏ hiện tượng tự kích Vị trí mắc mạch RC trong sơ đồ IC cần tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất để đạt hiệu quả tối ưu.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khảo sát một số mạch ứng dụng cơ bản sử dụng bộ khuếch đại operational (OA) hoạt động trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt Các mạch này áp dụng hồi tiếp âm để điều khiển các tham số cơ bản, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác của mạch.
Hình 2.105: Khảo sát IC thuật toán bằng mô phỏng
Hình 2.106: Khuếch đại đảo dùng IC thuật toán
Bộ khuếch đại đảo được mô tả trong hình 2.106, với hồi tiếp âm song song điện áp ra qua R ht Đầu vào không đảo được kết nối với điểm chung của sơ đồ (nối đất), trong khi tín hiệu vào qua R1 được đưa vào đầu đảo của OA Nếu coi OA là lý tưởng, điện trở vào của nó sẽ vô cùng lớn (Rv → ∞) và dòng vào OA sẽ rất nhỏ (I0 = 0) Do đó, tại nút N, phương trình nút dòng điện có thể được xác định là Iv ≈ Iht.
Từ đó ta có : ht ra 0 1
Khi K → ∞, điện áp đầu vào U0 = Ur/K → 0, vì vậy (2-235) có dạng :
Hệ số khuếch đại điện áp Kđ của bộ khuếch đại đảo có hồi tiếp âm song song được xác định dựa trên các tham số của các phần tử thụ động trong sơ đồ.
Nếu chọn Rht = R1, thì Kđ = –1, sơ đồ (h.2.106) có tính chất tầng đảo lặp lại điện áp (đảo tín hiệu) Nếu R 1 = 0 thì từ phương trình I v ≈ I ht ta có
Iv = – Ura/Rht hay Ura = –Iv.Rht tức là điện áp ra tỉ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp)
Vì U0 → 0 nên Rv = R1, khi K → ∞ thì Rr = 0
2.4.3 Bộ khuếch đại không đảo
Bộ khuếch đại không đảo (h.2.107) bao gồm mạch hồi tiếp âm điện áp tại đầu vào đảo, trong khi tín hiệu được đưa vào đầu vào không đảo của OA Do điện áp giữa các đầu vào OA bằng 0 (U0 = 0), mối quan hệ giữa Uv và Ur được xác định bởi:
Hình 2.107: Khuếch đại không đảo dùng IC thuật toán
Hệ số khuếch đại không đảo có dạng :
TẠO DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA
2.5.1 Nguyên lý chung tạo dao động điều hoà
Có ba phương pháp chính để tạo ra tín hiệu hình sin là:
- Dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính
- Biến đổi một tín hiệu tuần hoàn từ một dạng khác thành dạng hình sin
- Dùng bộ biến đổi số tương tự (DAC)
Phương pháp đầu tiên được sử dụng phổ biến trong các máy tạo dao động hình sin cổ điển Hệ dao động được mô tả qua phương trình vi phân với các biến số ω, x, dt, dx và μF, thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố trong quá trình dao động.
Trong đó F ÷ ứ ỗ ử è ổ dt x,dx là một hàm phi tuyếnm là hệ số nhỏ, đông f thờ thoả mãn điều kiện 0 dt x,dx μF
Máy phát dao động hình sin loại này thường được xây dựng dựa trên các mạch chọn lọc RLC, mang lại thiết kế đơn giản và hệ số méo nhỏ.
Sơ đồ khối của hệ thống được mô tả như hình 2.118, trong đó AE là phần tử tích cực với hệ số khuếch đại K Mạch W là mạch hồi tiếp tuyến tính có hệ số truyền đạt b phụ thuộc vào tần số, xác định tần số dao động của hệ thống Mạch B là mạch hồi tiếp phi tuyến, có chức năng ổn định biên độ dao động.
Hình 2.118: Sơ đồ khối mạch dao động Hình 2.119: Máy phát đa tín hiệu b
Phương pháp thứ hai trong các máy phát đa chức năng cho phép tạo ra nhiều dạng tín hiệu như hình tam giác và hình chữ nhật từ các đầu ra khác nhau Tín hiệu hình sin được tạo ra thông qua bộ biến đổi “xung tam giác-hình sin” Loại máy phát này ngày càng phổ biến nhờ tính đa năng, mặc dù tín hiệu hình sin thường có hệ số méo lớn hơn so với phương pháp khác Sơ đồ khối điển hình của máy phát này bao gồm bộ tích phân (I), phần tử rơle (R) và bộ biến đổi “xung tam giác-hình sin” (F), trong đó mạch kín I–R tạo ra hệ tự dao động, sinh ra tín hiệu hình tam giác và hình chữ nhật.
Hình 2.120: Xấp xỉ hóa tín hiệu hình sin
Dựa trên tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực kỹ thuật số, máy phát tín hiệu hình sin có thể được xây dựng bằng cách xấp xỉ từng đoạn và lấy mẫu đều theo thời gian Sơ đồ khối máy tạo dao động hình sin sử dụng các khối như Tx để tạo xung nhịp, C là bộ đếm thuận nghịch, DFC là bộ biến đổi số-hàm để tạo giá trị tín hiệu hình sin, và DAC để chuyển đổi tín hiệu từ dạng số sang tương tự Độ méo của tín hiệu hình sin phụ thuộc vào số lượng mẫu lấy trong một chu kỳ; số mẫu lớn hơn giúp tăng độ chính xác, tuy nhiên, điều này bị giới hạn bởi tần số làm việc của DFC và DAC Do đó, phương pháp này không khả thi ở tần số cao với độ méo thấp Trong ba phương pháp đã nêu, hai phương pháp đầu được áp dụng phổ biến hơn và sẽ được khảo sát kỹ hơn trong bài viết này.
Hình 2.121: Tạo tín hiệu hình sin bằng phương pháp số t X(t)
2.5.2 Máy phát dao động hình sin dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính
Máy phát dao động hình sin chuyển đổi năng lượng từ dòng một chiều sang dòng xoay chiều với tần số mong muốn, dựa trên bộ khuếch đại có hồi tiếp dương để duy trì chế độ tự kích ổn định Sơ đồ khối của máy phát dao động hình sin, không tính đến mạch phi tuyến dùng để ổn định biên độ, cho thấy rằng hệ số khuếch đại và hệ số truyền đạt của mạch hồi tiếp là các số phức phụ thuộc vào tần số Tín hiệu đầu vào của máy phát là một phần của điện áp ra được truyền qua mạch hồi tiếp dương Để máy phát hoạt động hiệu quả trong chế độ phát sóng, cần thỏa mãn hai điều kiện, trong đó điều kiện cần là tổng các góc dịch pha của tín hiệu trong bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp.
(theo một vòng kín) là bội số của 2π φ k + φβ = 2n (2-256) ở đây : n = 0,1,2…
Công thức (2–256) xác định điều kiện cân bằng pha trong bộ khuếch đại có hồi tiếp dương, trong đó điều kiện thứ hai, được gọi là điều kiện về biên độ, được xác định bởi bất đẳng thức.
Muốn đầu ra của máy phát có điện áp dạng hình sin thì công thức (2-256), (2–
Bất đẳng thức |K|.|β| > 1 xác định điều kiện cần để máy khuếch đại tự kích hoạt khi có thay đổi đầu tiên của dòng điện và điện áp Khi thỏa mãn điều kiện (2–157), tín hiệu tại đầu vào bộ khuếch đại giữ nguyên pha nhưng có biên độ lớn hơn Đẳng thức |K|.|β| = 1 tương ứng với việc chuyển máy phát sang chế độ công tác xác lập, nơi biên độ dao động tăng và hệ số khuếch đại –K giảm do đặc tuyến không tuyến tính của tranzito Trong chế độ xác lập, tín hiệu ở đầu ra và vào máy phát đạt giá trị ổn định nhờ vào sự bù đắp của bộ khuếch đại cho độ suy giảm do mạch hồi tiếp.
Giá trị điện áp đầu ra của bộ khuếch đại phụ thuộc vào hệ số khuếch đại K đối với tín hiệu nhỏ và độ không tuyến tính của đặc tuyến tranzito Sự biến đổi của hệ số khuếch đại do nhiệt độ và điện trở tải gây ra dẫn đến sự không ổn định của biên độ điện áp Để khắc phục tình trạng này, người ta thường thêm vào mạch một phần tử ổn định không tuyến tính và thực hiện hồi tiếp âm phần thực.
Hình 2.123: Mô phỏng hoạt động của mạch dao động ghép biến áp
Máy phát dao động hình sin sử dụng mạch dao động LC cho tín hiệu cao tần (trên vài chục kHz) và mạch RC cho tín hiệu tần thấp (đến vài Hz) Để tạo dao động hình sin, cần thỏa mãn các biểu thức với tín hiệu điều chuẩn f0 và đảm bảo rằng trở kháng của mạch dao động là thuần trở Sự thay đổi góc di pha của bộ khuếch đại khi lệch khỏi tần số cộng hưởng là điều kiện cần thiết để hoàn thành biểu thức đối với tần số f0, khi đó trở kháng của mạch sẽ mang tính chất điện kháng Độ chính xác của biểu thức đối với tần số cộng hưởng được xác định bởi trị số cực đại của hệ số khuếch đại tại tần số f0.
Mạch điện của máy phát LC rất đa dạng và có thể khác nhau tùy thuộc vào phương pháp mắc mạch dao động LC trong bộ khuếch đại cũng như cách thực hiện hồi tiếp dương Sơ đồ máy phát, được trình bày trong hình 2.123, sử dụng ghép tiếp biến áp thích hợp để thực hiện hồi tiếp dương.
Mạch dao động này có các tham số chính là điện dung C và điện cảm L của bộ sơ cấp biến áp Trong sơ đồ khuếch đại một tầng với tải thuần trở, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào, do đó cần đảm bảo điều kiện cân bằng pha Để thực hiện điều này, mạch hồi tiếp dương ở tần số cộng hưởng phải đảo pha tín hiệu trước khi đưa vào bộ khuếch đại Tín hiệu hồi tiếp dương được lấy từ cuộn W2 qua tụ phân đường Cpt và được kết nối tới đầu vào của tranzito Sự di pha cần thiết được thực hiện bằng cách mắc đầu dây cuộn thứ cấp một cách phù hợp Vì điện áp hồi tiếp nhỏ hơn điện áp ra, nên tỉ số vòng dây n = ω2/ω1 < 1.
Hình 2.124: Mô phỏng hoạt động của mạch dao động ghép tự biến áp
Tần số dao động tạo ra gần với tần số cộng hưởng của mạch dao động
Tín hiệu hồi tiếp có thể được lấy trực tiếp từ colectơ của mạch dao động bằng cách sử dụng cuộn dây hoặc tụ điện có nhiều đầu ra Với các sơ đồ phát sóng này, mạch dao động kết nối với bộ khuếch đại tại ba điểm, do đó được gọi là mạch ba điểm.
Trong sơ đồ phát sóng hình 2.124, ba điểm điện cảm được thể hiện với hai cuộn W1 và W2 Tín hiệu hồi tiếp được thu từ cuộn W2, với điện áp lấy từ colectơ qua tụ Cp2 Điện áp trên cuộn W1 và W2 có pha ngược nhau so với điểm chung (đất).
Tụ Cp1 (Cp130V); chọn tiristo có U FxM = 50V Bây giờ xét tới điều kiện dòng tải cực đại (I p ) Ứng với điện áp vào cực đại, điện áp trên tải sẽ là:
UK = ev - UAK do đó t
I =E - khi tiristo mở, điện áp giữa cực anôt và katôt của tiristo UAK điển hình là 1V, do đó có thể tính :
Giá trị hiệu dụng cực đại cho phép của dòng thuận tiristo C6F là 1,6A, cho thấy tiristo C6F là lựa chọn thích hợp Để xác định điện áp và dòng cực G, cần tham khảo đặc tuyến Vôn-Ampe nguồn kích thích cực G tương ứng với từng độ xung của tiristo C6F Theo sổ tay tra cứu, với độ rộng xung 20ms, giá trị UG cần được xác định chính xác.
Dòng kích mở cực G căn cứ vào sơ đồ nguyên lí bằng
IT = IG + IRL và IRL = UG/R1
IT = IG + (UG/R1) = 001mA + (0,5V/kW = 0,51mA