Khảo sát đặc tính Opamp. Ứng dụng lắp ráp máy phát sóng đơn giản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA: VẬT LÝ –¯²¯— LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH OPAMP. ỨNG DỤNG LẮP RÁP MÁY PHÁT SÓNG ĐƠN GIẢN. GVHD: Thầy CAO ANH TUẤN SVTH: NGUYỄN THỊ THU TRANG TP.HCM THÁNG 5 NĂM 2010 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 1 LỜI CẢM ƠN Quá trình thực hiện luận văn chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn. Song, để hoàn thành tốt luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ quý Thầy, Cô trong khoa và các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan. Vì vậy, em xin gởi lời cám ơn chân thành đến: - Thầy Cao Anh Tuấn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ, luôn ủng hộ và động viên em ngay từ những ngày đầu tiên bắt đầu làm đề tài. Giúp em vượt qua những bỡ ngỡ ban đầu cũng như sửa chữa cho em những sai sót và cung cấp cho em những tài liệu cần thiết, giải đáp những thắc mắc của em. - Quý Thầy, Cô trong khoa Vật Lý đã tạo mọi điều kiện tốt nhất có thể để giúp em hoàn thành luận văn. - Các bạn sinh viên thuộc các chuyên ngành liên quan đã cung cấp tài liệu, cũng như giúp em trong việc giải thích một số vấn đề còn đang vướng mắc. - Gia đình, bạn bè luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. TP.HCM, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thị Thu Trang PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 2 LỜI NÓI ĐẦU Nội dung của luận văn này liên quan đến các khái niệm cần thiết cho quá trình lắp ráp một máy phát sóng và cách lắp ráp chiếc máy này sao cho đơn giản, ít tốn kém lại hữu ích cho quá trình thực hành của sinh viên sư phạm vật lý. Tuy vậy, máy vẫn hội tụ được các yếu tố cần thiết cho việc thực hành có hiệu quả. Luận văn này gồm các phần sau: - Phần mở đầu: Trình bày lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu. - Phần lý thuyết: Chương I: Tìm hiểu về chất bán dẫn: + Các hiện tượng tiếp xúc: kim loại - bán dẫn, P - N, kim loại - điện môi - bán dẫn. + Điôt bán dẫn: Cấu tạo, kí hiệu, chức năng, nguyên lý làm việc, các loại điôt. + Transistor: Transistor lưỡng cực, transistor trường có cực cửa tiếp giáp, transistor trường có cực cửa cách ly. Chương II: Giới thiệu chung về mạch khuếch đại và mạch hồi tiếp: + Mạch khuếch đại: tìm hiểu nguyên lý xây dựng một tầng khuếch đại và các chế độ làm việc của nó. + Mạch hồi tiếp: định nghĩa và tìm hiểu hai loại hồi tiếp âm, hồi tiếp dương. Chương III: Tìm hiểu về linh kiện điện tử OPAMP + Trước tiên là về lịch sử ra đời, chức năng, cấu tạo, kí hiệu, nguyên lý hoạt động và đặc tính - thông số của một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, một mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng là như thế nào? + Thông qua một số cách mắc hồi tiếp để tìm ra các công thức tính khá chính xác áp dụng vào thực tế: mạch khuếch đại đảo pha, mạch khuếch đại không đảo, mạch đệm. + Một số mạch làm toán: mạch cộng đảo dấu, mạch cộng không đảo dấu, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân và ứng dụng của mạch khuếch đại thuật toán trong thiết kế hệ thống điện tử. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 3 Chương IV: Mạch dao động + Tìm hiểu về mạch tạo dao động điều hòa: mạch tạo sóng sin âm tần, mạch tạo sóng sin cao tần. + Tìm hiểu về mạch tạo sóng vuông, sóng răng cưa và tam giác. Chương V: Xử lý tín hiệu. + Tìm hiểu phép phân tích chuỗi Fourier của tín hiệu tuần hoàn + Phép tích phân tính hiệu sóng vuông, sóng răng cưa. - Phần thực hành: Chương VI: Lắp ráp máy phát sóng. + Khảo sát thực nghiệm OPAMP + Lắp ráp mạch nguồn và mạch phát sóng. Trong luận văn này, tôi cố gắng chỉ đưa vào những kiến thức nào thật đơn giản và cần thiết, dễ hiểu nhất cho quá trình thực hiện lắp ráp. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian gấp rút và chỉ mới ở mức độ tìm hiểu, nên chắc chắn rằng luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được nhiều góp ý từ quý Thầy, Cô và các bạn. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 4 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong giao tiếp hàng ngày, chúng ta luôn phải truyền đi tiếng nói, âm thanh, hình ảnh; chúng ta trao nhận tín hiệu, tin tức cho nhau. Chẳng phải đi đâu xa, chỉ cần dành 10 phút mỗi ngày để ngồi trước màn hình máy tính, hay tối tối quây quầy bên gia đình trước chiếc ti vi nhỏ của mình là bạn đã có thể biết được thế giới xung quanh đang diễn ra những vấn đề gì. Thậm chí chỉ cần một chiếc radio nhỏ bằng bàn tay, bạn cũng đã có thể biết được những điều tương tự.Thay vì mất công chờ đợi những cánh thư đi - về để biết tin tức một người bạn, một người thân ở cách ta hàng nghìn km, bạn chỉ cần nhấc chiếc điện thoại nhỏ xinh của mình lên là đã có thể nghe được giọng nói và cả hình ảnh của người mà bạn đang mong tin. Tại sao chúng ta lại làm được những điều kỳ diệu ấy? Đó là bởi vì chúng ta đang được hưởng những thành tựu của các ngành khoa học, trong đó có điện tử. Quả thật vậy, ngày nay kỹ thuật điện tử đã phát triển rất mạnh. Những sản phẩm điện tử tràn lan khắp nơi với trình độ ngày càng tinh vi, hiện đại, thiết kế thon gọn hơn. Chính vì vậy, kỹ thuật điện tử đã gây ra những chuyển biến thần kỳ trong ngành vô tuyến điện tử, bên cạnh đó nó còn trở thành một phương tiện kỹ thuật thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành khác. Nó hầu như chi phối đến mọi mặt đời sống của con người. Từ lâu, sinh viên thuộc các ngành kỹ thuật đã rất quen thuộc với bộ môn vô tuyến điện tử. Bởi vì, nó là một môn học, là tài liệu tham khảo không thể thiếu trong quá trình đào tạo các kỹ thuật viên, công nhân có tay nghề và thậm chí là những thợ sửa chữa muốn nâng cao hiểu biết về lĩnh vực điện tử. Riêng tôi - là một trong số những sinh viên khoa Vật Lý trường ĐHSP TP.HCM đã từng được học qua môn học này, tôi nhận thấy rằng những gì được tìm hiểu qua sách vở, qua khảo sát trên lý thuyết mà chưa được thực hành nhiều, chưa PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 5 được làm quen và sử dụng những linh kiện điện tử cơ bản, là một điều rất hạn chế đối với sinh viên sư phạm, so với thế giới ngập tràn các thiết bị điện tử ngày nay. Chính vì lý do đó, tôi đã chọn đề tài: "Khảo sát đặc tính OPAMP. Ứng dụng: lắp ráp máy phát sóng đơn giản" để làm luận văn tốt nghiệp. Một mặt, giúp tôi tiếp cận được các linh kiện điện tử và hiểu được các đặc tính của chúng, mà có thể trong quá trình học thậm chí tôi chưa được nhìn thấy. Mặt khác, giúp tôi hiểu được phần nào rõ hơn các vấn đề mà trước đây tôi đã được khảo sát trên lý thuyết. 2. Mục đích nghiên cứu. Trong suốt quá trình được học tại trường ĐHSP, tôi đã được làm quen với các máy móc về vô tuyến điện tử thông qua các buổi thực hành. Tôi nhận thấy rằng, với số lượng sinh viên đông, số máy móc còn hạn chế, lại rất nhạy cảm dễ bị hư hỏng, là một trở ngại không tránh khỏi trong phòng thí nghiệm vô tuyến điện tử. Trong điều kiện khó khăn đó, không cho phép sinh viên hoàn thành tốt việc thực hành các kiến thức đã học. Mặt khác, việc mua các máy móc hoàn toàn mới với chi phí cao và không thể mua ngay để trang bị kịp thời. Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, tôi quyết định thực hiện đề tài này nhằm lắp ráp được một chiếc máy phát sóng đơn giản với linh kiện chính là OPAMP. Ngoài ra, các linh kiện sử dụng trong đề tài này đều thông dụng, dễ tìm kiếm trên thị trường và giá thành lại rẻ, với mong muốn góp một phần sức nhỏ bé vào việc cải thiện một phần nhỏ nào đó điều kiện thực hành cho các bạn sinh viên khóa sau. Đồng thời giúp ích cho việc sử dụng chiếc máy này trong quá trình giảng dạy tại trường trung học phổ thông, minh họa các dạng sóng điện cho học sinh tương lai của tôi. 3. Phương pháp nghiên cứu. Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, chúng tôi dùng phương pháp nghiên cứu như sau: - Đầu tiên là khảo sát trên lý thuyết thông qua sách vở, các giáo trình, các trang web về điện tử về các vấn đề cần thiết cho quá trình lắp ráp máy phát sóng. Cụ thể là: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6 + Các linh kiện điện tử cơ bản: điôt, transistor,… + Mạch hồi tiếp, mạch khuếch đại. + Tìm hiểu về linh kiện chính của mạch: OPAMP. +Tìm hiểu về mạch dao động. - Làm quen với một số linh kiện điện tử, các cách mắc mạch đơn giản, sau đó tiến hành lắp ráp một số mạch tạo sóng , rồi so sánh để tìm ra mạch tạo sóng nào ưu việt nhất. - Từ những kết quả đạt được ở trên, cho phép chúng tôi lắp ráp một máy phát sóng đơn giản mà hiệu quả của nó sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm. 5. Kết quả nghiên cứu. Dựa vào những gì chúng tôi đã tìm hiểu trên phương diện lý thuyết và thông qua quá trình thực hành. Chúng tôi đã lắp ráp được một số mạch tạo sóng đơn giản dùng linh kiện chính là OPAMP và tìm ra được mạch nào là tối ưu nhất trong số những mạch đó. Mạch tạo sóng này tạo ra được các dạng sóng sin, vuông, tam giác, có thể thay đổi được biên độ hoặc tần số, hoặc cả biên độ và tần số. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 7 Chương I – BÁN DẪN 1.1. Các hiện tượng tiếp xúc. 1.1.1. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn. Trong chất bán dẫn công thoát của electron nhỏ hơn công thoát của electron trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại dễ hơn electron từ kim loại sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc Etx , không cho electron từ bán dẫn N tiếp tục sang kim loại. Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N. Khi đặt một điện trường ngoài vào tiếp xúc kim loại – bán dẫn, sẽ cho dòng điện từ kim loại qua bán dẫn N. Lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao. Hình 1. 1: Tiếp xúc kim loại - bán dẫn 1.1.2. Tiếp xúc P – N: Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số. Hình 1. 2: Tiếp xúc P - N Etx N KL Etx P N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 8 Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc Etx (nhỏ). Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P. Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P- N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số, vùng này có điện trở lớn. Khi đặt tiếp xúc P - N vào điện trường ngoài: - Engoài ngược chiều với Etx: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại. Cho dòng điện I qua từ P sang N. - Engoài cùng chiều Etx: không có dòng điện I qua tiếp xúc P - N từ N sang P. 1.1.3. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn. Xét lớp điện môi SiO2, khi chưa đặt điên áp ngoài vào hai cực AB thì không xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi. Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong khi gần kim loại có điện tích âm. Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO2 hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua. 1.2. Điôt bán dẫn. 1.2.1. Cấu tạo, kí hiệu, công dụng. a. Cấu tạo. Điôt bán dẫn cơ bản tạo bởi tiếp xúc P – N, tức là bởi vùng có độ dày nhỏ (cỡ micron), trong đó tính dẫn điện của tinh thể bán dẫn là pha loại tạp chất bán dẫn P vào loại N, có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được. Diốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao. Ở đây ta xét điôt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 9 b. Kí hiệu. Hình 1. 3: Kí hiệu Điôt c. Chức năng. Chỉ cho dòng điện chạy theo chiều từ P đến N, tức là từ anôt A tới catôt K. 1.2.2. Nguyên lý làm việc. Diốt có hai giới hạn tuyệt đối khi sử dụng để tránh sự đánh thủng nhiệt làm hỏng điôt: - Giới hạn về dòng điện Im . - Giới hạn về điện áp Um. Diốt có hai chế độ làm việc: chế độ thuận và chế độ ngược. Gọi UAK là điện áp đặt vào hai đầu điôt, Ud là điện áp ngưỡng của điôt (điện áp rơi). Chế độ thuận: là chế độ có UAK > UD Điôt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): rd=dU/dI (cỡ vài ohm), trong chế độ thuận: UAK = UD + rdi tức là điôt tương đương với điện trở rd mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động UD. Chế độ ngược: đối với UAK £ UD. Dòng cực nhỏ cỡ vài nano ampe chảy qua điôt. Điện trở điôt lúc này cỡ vài chục mêga ôm. Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua. Trong chế độ ngược, điôt tương đương công tắc hở mạch. 1.2.3. Phân loại điôt. Người ta có thể phân loại điôt tùy theo quan điểm khác nhau: - Theo đặc điểm cấu tạo: điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt. - Theo vật liệu sử dụng: điôt Ge, điôt Si. - Theo tần số sử dụng: điôt cao tần, điôt tần số thấp. - Theo công suất: điôt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. K A PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 10 - Theo nguyên lý hoạt động: điôt chỉnh lưu, điôt ổn áp (Zener), điôt biến dung (Varicap), điôt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel). 1.3. Transistor. 1.3.1. Transistor lưỡng cực. a. Cấu tạo: Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra hai tiếp xúc công nghệ P – N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực. Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN (được gọi là transistor ngược). Hình 1. 4: Transistor NPN và kí hiệu Nếu lớp bán dẫn N nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại transistor PNP (transistor thuận). Hình 1. 5: Transistor PNP và Kí hiệu Một cực có thể điều khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển. Điều kiện của các vùng tạp chất: - Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất. - Vùng C: pha tạp chất trung bình. P N P E C B N P N E C B PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 11 K1 E N Rt C B ECC K2 P P EB - Vùng B: pha tạp chất nồng độ rất ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài micromet). b. Nguyên tắc hoạt động: Để transitor hoạt động phải đủ hai điều kiện về điện áp để tiếp tế và phân cực. Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện ECC. - Transistor NPN : UCE > 0 - Transistor PNP : UCE < 0 Phân cực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện EB. - Transistor NPN: UBE > 0 - Transistor PNP : UBE < 0 Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau: Chọn một loại transistor loại PNP Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP Khi K1 đóng, K2 mở: có nguồn EB, không có nguồn ECC. Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B. Khi qua vùng B: một số ít lỗ trống tái hợp được với electron từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên dòng điện IB. Vậy chỉ có dòng IB, không có dòng IC ở nguồn ECC. Khi K1 mở, K2 đóng: có nguồn ECC, không có nguồn EB. Lúc này CE coi như gồm hai điôt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điôt này mắc ngược chiều nhau nên PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 12 không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò Ico rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra. Khi K1 đóng,K2 đóng: Nhờ nguồn EB, lỗ trống từ E sang vùng B: - Số ít kết hợp với electron trong lớp B. - Tại B: lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Do độ dày của vùng B rất nhỏ, phần lớn lỗ trống chưa kịp tái hợp với electron thì đã đến lớp tiếp giáp BC. Ở đây, lỗ trống gặp điện trường mạnh tăng tốc và cuốn lỗ trống sang vùng C. Sang vùng C, lỗ trống là hạt dẫn điện đa số nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC qua CE. Đối với Transistor NPN thì ta đổi cực của nguồn. *Nhận xét: Ta nhận thấy: - Nếu IB = 0 thì IC = 0 - IB tăng thì IC tăng - IB giảm thì IC giảm Suy ra IB có tính điều khiển dòng IC. Trong đó dòng IB cỡ nA, dòng IC cỡ mA. Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo ra dòng IB, phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng IC. Vậy ta luôn luôn có: IE = IB + IC Trong đó: IB << IC Nên IE = IC Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng B, người ta đưa ra hệ số khuếch đại dòng E: a = E C I I , a luôn luôn nhỏ hơn 1. Để đánh giá mức độ điều khiển dòng IB lên dòng IC người ta đưa ra hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 13 b = C B I I Trên đây là transistor hoạt động ở chế độ tĩnh. Nếu bây giờ ta đặt vào mạch cực phát một nguồn tín hiệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng thay đổi làm cho IB biến thiên, kéo theo IE cũng biến thiên, và IC thay đổi. Đặt ở cực góp một tải RC lớn, khi dòng IC biến thiên sẽ tạo ra trên RC một điện áp biến thiên nhưng biên độ lớn hơn nhiều (nhờ RC khá lớn).Ta nói rằng transistor đã khuếch đại tín hiệu. c. Các chế độ làm việc: Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bão hòa, chế độ khuếch đại. * Chế độ khóa và dẫn bão hòa: Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ: Hình 1. 7: Sơ đồ mạch điện ở chế độ khóa điện tử của transistor loại NPN Khi K mở: tiếp xúc EB bị phân cực ngược, electron từ E không qua được vùng B nên IB = 0, và transistor khóa, không có dòng IC qua tải Rt. Khi K đóng: Dòng IB khác 0. Với UBE = 0.6V (Si), nếu ta chọn R1, R2, ECC, EB sao cho: K IB I2 R2 R1 Rt UBE I1 IC IE ECC UCE EB PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 14 IB = IBbh = b CbhI = b.C CC R E lúc này transistor mở bão hòa. Khi đó ta có: UCE = 0V, IC = C CC R E * Chế độ khuếch đại: Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ: Hình 1. 8: Mạch điện ở chế độ khuếch đại của transistor loại NPN Lúc này nguồn phân cực EB có chiều như hình vẽ để tiếp xúc BE được phân cực thuận. Dòng IB sẽ điều khiển dòng IC. Ta có: ECC = Rt.IC + UCE UCE = ECC – Rt.IC Nhận xét: Khi IB tăng, Ic tăng theo và UCE giảm.Khi IB giảm, dòng IC giảm theo và UCE tăng hay điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếch đại ở chân B (vì ở đây ta xét transistor mắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bày vào phần sau). Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương ứng ở mạch ra ở cực C.Dòng IC qua Rt gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE (chính là VC) UBE I1 I2 IE ECC EB R2 R1 K UCE Rt IB IC PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 15 được tính theo công thức trên. IC tăng làm VC giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra VC ngược pha với điện áp vào. 1.3.2. Phân cực cho Transistor: Phân cực cho Transitor là tạo ra điện áp phân cực cho tiếp giáp BE nhằm để tiếp xúc BE được phân cực thuận, để transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại, ta có các cách sau: a. Phân cực cho transistor dùng dòng cố định. Xét transistor NPN. Hình 1. 9: Phân cực dùng dòng cố định. Mắc một điện trở RB có trị số lớn vào giữa nguồn ECC và chân B như hình vẽ. Lúc này: ECC = UBE + RBIB => RB = B BECC I UE - UBE thường được chọn trong khoảng từ 0.6V đến 0.7V b. Phân cực cho transistor dùng điện áp phản hồi. Mắc điện trở RB từ chân C về chân B. Ta có: UCE = ECC – RCIC IC = b .IB Suy ra: Hình 1. 10: Phân cực dùng điện áp phản hồi. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 16 RB = B BECE I UU - c. Phân cực cho transistor dùng cầu chia thế. Cầu chia thế gồm R1, R2 sẽ xác định điện thế VB. Lúc này: UBE = UB = R2.I = R2. 21 RR ECC + d. Dùng cầu chia thế có bổ chính nhiệt: Ngoài R1,R2 như trên, chân E được mắc xuống Masse qua một điện trở RE có tác dụng bổ chính nhiệt. Ngoài ra người ta còn mắc song song với RE một tụ CE để nối tắt dòng tín hiệu từ E xuống masse, thường chọn CE có dung kháng ZC <<RE. 1.3.3. Mạch khuếch đại cơ bản. Tùy theo cách đặt tín hiệu vào và lấy tín hiệu ra, transistor có thể mắc theo ba kiểu mạch: cực gốc chung, cực phát chung, cực góp chung. Chúng ta lần lượt mắc một transistor PNP theo ba sơ đồ đó, và xét các yếu tố: - Pha giữa điện áp ra và điện áp vào. - Trở kháng vào, trở kháng ra. - Độ tăng dòng, độ tăng điện áp, độ tăng công suất. - Công dụng. a. Mạch cực gốc chung: Sơ đồ mạch như hình vẽ. Hình 1. 12: Mạch cực gốc chung. Hình 1. 11: Phân cực bằng cầu chia thế. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 17 Tiếp giáp EB được phân cực thuận, còn tiếp giáp BC được phân cực ngược.C1, C2 là tụ điện liên lạc tín hiệu với tầng trước và tầng sau. Tín hiệu tới được đưa vào giữa hai cực phát – gốc (E – B), tín hiệu ra lấy giữa hai cực gốc – góp (B – C). Cực gốc B chung cho cả mạch vào và mạch ra, nên gọi là mạch cực gốc chung. Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch: - Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: Điện áp dương của tín hiệu hợp với điện áp dương của nguồn E1 , làm cực phát có điện áp dương hơn trước so với cực gốc. UBE tăng làm cho tiếp giáp EB phân cực thuận bởi điện áp lớn hơn, do đó IE tăng lên, làm dòng IC tăng, sụt áp trên R2 tăng, điện áp UC giảm, nghĩa là dương lên, nên điện áp ra dương hơn. - Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: Điện áp âm của tín hiệu làm giảm điện áp dương của nguồn E1, làm cho UE bớt dương hơn so với cực gốc nên UBE giảm, làm cho IE giảm, kéo theo IC giảm. Sụt áp trên R2 giảm, điện áp UC tăng lên, nghĩa là âm hơn, làm cho tín hiệu ra âm đi. Như vậy, trong mạch cực gốc chung: điện áp ra đồng pha với điện áp vào. Dựa vào tính toán, người ta cũng tính được trở kháng vào và trở kháng ra, độ tăng dòng, độ tăng áp, độ tăng công suất của transistor. - Trở kháng vào R1 có trị số khoảng 30-300 (W ) - Trở kháng ra R2 có trị số khoảng 100 kW – 1MW . - Độ tăng dòng: a = E C I I D D <1 = Ki - Độ tăng áp: Ku = 1 2 U U = 1 2 . . RI RI E C = 1 2 R R vì IE » IC. Ku lớn trong khoảng từ vài trăm đến một nghìn. - Độ tăng công suất: PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 18 Kp = 1 2 P P = 1 2 2 2 RI RI E C = 1 2. R R a 1 2 R R » Kp đạt giá trị khoảng 100 đến 1000. Mạch cực gốc chung chỉ dùng trong tầng dao động của máy thu, để dao động được ổn định, ít méo hoặc trong các tầng khuếch đại âm tần đầu, yêu cầu độ méo nhỏ, tạp âm ít, ổn định cao, hoặc trong tầng công suất các máy tăng âm có chất lượng cao. b. Mạch cực phát chung: Sơ đồ mạch như hình vẽ: Hình 1. 13: Mạch cực phát chung. Hai cực EB được phân cực thuận, BC được phân cực nghịch. Tín hiệu vào đưa tới giữa hai cực BE. Tín hiệu ra được lấy từ hai đầu điện trở R2, nghĩa là giữa hai cực EC. Cực phát E tham gia cả mạch vào và mạch ra, nên mạch này gọi là mạch cực phát chung. Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch: - Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: điện áp dương của tín hiệu làm cho UB bớt âm hơn. UBE giảm, IB và IC đều giảm. Sụt áp trên R2 giảm đi, làm cho UC tăng, tức là làm UC âm hơn. R2 C2 IB C1 R1 IC IE E1 E2 U0 UI PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 19 - Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: điện áp âm của tín hiệu phối hợp với điện áp âm ở cực gốc làm cho UB âm hơn. UBE tăng lên, IBvà IC đều tăng. Sụt áp trên R2 tăng, làm cho UC giảm, tức là UC dương lên. Như vậy điện áp ra và điện áp vào ngược pha nhau Qua đây ta thấy, UBE thay đổi thì IB,IE thay đổi, và IC cũng thay đổi theo. - Trở kháng vào R1 khoảng 200W – 2000 W . - Trở kháng ra R2 khoảng 20 kW – 100 kW . - Độ tăng dòng: b = B C I I D D ( có trị số khoảng 20 – 100) Ta có thể tính: b = B C I I = CE C II I - = a a -1 - Độ tăng điện áp : Ku = 1 2 RI RI B C = Ki 1 2 R R Ku có giá trị trong khoảng vài tăm đến vài nghìn. - Độ tăng công suất: Kp = 1 2 P P = 1 2 2 2 RI RI B C = a 2. 1 2 R R Ku có giá trị trong khoảng 1000 – 10000. Mạch cực phát chung là kiểu mạch được dùng phổ biến nhất vì Ki, Ku,Kp đều lớn và hơn nữa R1, R2 không quá chênh lệch như mạch cực gốc chung. Nên trong máy thông dụng thường ghép tầng theo kiểu điện trở điện dung, vừa gọn nhẹ, vừa dễ lắp ráp, điều chỉnh. c. Mạch cực góp chung: Sơ đồ như hình vẽ. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 20 Hình 1. 14: Mạch cực góp chung. Cực góp vừa tham gia mạch vào, vừa tham gia mạch ra, nên gọi là mạch cực góp chung. Tiếp giáp EB được phân cực thuận, tiếp giáp BC được phân cực ngược. Khi ta đưa tín hiệu tới đầu vào của mạch: - Nửa chu kỳ dương của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp ít âm hơn nên UBE giảm, dòng phát IE giảm, sụt áp trên R2 giảm, UE bớt âm hơn, nghĩa là dương hơn trước khi có tín hiệu vào. - Nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào: cực gốc có điện áp âm hơn trước, UBE tăng,làm cho IE tăng, sụt áp trên R2 tăng lên nên UE càng âm hơn. Như vậy điện áp ra đồng pha với điện áp vào. - Trở kháng vào R1 khoảng 20K W – 500K W . - Trở kháng ra R2 khoảng 50 W – 5KW . - Độ tăng dòng g xấp xỉ bằng b trong câu b: g = B E I I = B BC I II + = b + 1 = Ki - Độ tăng điện áp: Ku bao giờ cũng nhỏ hơn 1, vì điện áp vào bằng điện áp sụt trên R2 cộng điện áp sụt trên tiếp giáp EB, điện áp ra là điện áp sụt trên R2. - Độ tăng công suất nhỏ khoảng vài chục. IE IC IB E2 E1 R2 R1 C2 C1 D C B A PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 21 Mạch cực góp chung thường chỉ dùng ở tầng khuếch đại âm tần đầu cho các máy quay đĩa hoặc máy thu có đĩa. Nó còn dùng trong tầng đệm thay biến áp giữa hai tầng mạch cực phát chung vì nó có trở kháng vào lớn dễ phối hợp với trở kháng vào nhỏ của transistor sau. d. So sánh giữa ba cách mắc: Đặc tính Mạch cực gốc chung Mạch cực phát chung Mạch cực góp chung Pha giữa tín hiệu ra và vào Đồng pha Ngược pha Đồng pha Trở kháng vào R1 30 W – 500 W 200 W – 2000 W 20kW - 500kW Trở kháng ra R2 50kW – 1MW 20 kW – 100kW 50 W -5kW Độ tăng dòng Ki a = 0.9 – 0.99 b = a a -1 =20-100 g =1+ b =20-100 Độ tăng áp Ku 200 – 2000 500 – 2000 < 1 Độ tăng suất Kp 200 – 1000 100- 10000 20 - 50 Sử dụng Dao động nội khuếch đại âm tần đầu, khuếch đại công suất méo nhỏ, ổn định. Thông dụng Tầng khuếch đại đệm. 1.3.4. Các tham số giới hạn của Transistor. a. Dòng cực đại cho phép. Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu và công nghệ chế tạo, điều kiện tỏa nhiệt,…mỗi transistor chỉ cho phép một dòng điện tối đa trên mỗi điện cực. Ta thường kí hiệu các giới hạn này là: IEmax, IBmax, ICmax. b. Điện áp cực đại cho phép. Đó là các điện áp không được vượt quá để không gây đánh thủng các chuyển tiếp P – N tương ứng. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 22 c. Công suất tiêu tán cực đại cho phép. Khi làm việc trong một tầng khuếch đại nào đó, để không phá hỏng transistor, công suất tức thời tiêu tán trên transistor nhất thiết không được vượt quá giá trị PCmax. PCmax = ICmax.UCE Mỗi transistor có một công suất tiêu tán cực đại cho phép. d. Tần số giới hạn. Thông thường transistor chỉ làm việc một cách hiệu quả đến một tần số nhất định. Khi tần số tín hiệu tăng cao, vai trò điện dung các chuyển tiếp P –N dần dần trở nên đáng kể. Mặt khác chuyển động của hạt dẫn qua chiều dày vùng B không thể coi là tức thời mà chiếm một thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu, gây nên tình trạng “méo pha”, “méo tần số”,… 1.4. Transistor trường (FET). 1.4.1. Cấu tạo. Transistor trường gồm một thanh bán dẫn loại N hoặc P (kênh N hoặc kênh P) được cấy vào khoen chất bán dẫn loại P (hoặc N), có ba cực: - Cực nguồn S (Source): cực này được coi như nguồn cung cấp hạt dẫn điện cơ bản. - Cực máng D (Drain): đây là cực thu hút hạt dẫn điện cơ bản. - Cực cổng G (gate): nằm ở giữa thanh, đây là một loại bán dẫn khác. 1.4.2. Transistor trường có cực cửa tiếp giáp(JFET). a. Cấu tạo. Sơ đồ cấu tạo và kí hiệu như hình vẽ. b. Hoạt động. Ta xét loại JFET kênh N: Để cho transistor trường hoạt động, người ta phân cực cho các lớp tiếp giáp như hình vẽ. Giữa nguồn và máng có mắc thêm nguồn UDS. Khi đó electron bắt đầu chuyển động từ nguồn về máng qua kênh dẫn, tạo nên dòng điện máng IDS (hay ID). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 23 D S G Kênh N Bán dẫn P G D S Kênh N Kí hiệu Vùng hiếm Kênh P S G D D G S Kênh P Bán dẫn N Vùng hiếm Kí hiệu Hình 1. 15: Cấu tạo JFET kênh P Hình 1. 16: Cấu tạo JFET kênh N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 24 Đặt một điện áp phân cực ngược UGS ở hai mặt tiếp xúc cổng G và kênh, sẽ tạo thành một vùng hiếm electron ở kênh, vùng nghèo hạt mang điện tăng lên làm thu hẹp tiết diện của kênh dẫn, và tiết diện của kênh dẫn bị nghẽn lại. Điện trở suất của kênh dẫn khá lớn nên khi chạy qua kênh dẫn, dòng ID sẽ gây ra một sự phân bố điện thế dọc theo chiều dài của kênh. Các điểm trong kênh có vị trí càng gần cực D (tức là càng xa cực S) sẽ có điện thế càng cao, do đó tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N tăng dần theo hướng từ cực S tới cực D. Vì vậy bề dày của vùng nghèo cũng tăng dần theo hướng đó. Nói cách khác: kênh dẫn có tiết diện giảm dần : ở gần cực D kênh dẫn là hẹp nhất. Nếu giữ UDS không đổi, tăng dần UGS:tình trạng phân cực nghịch của chuyển tiếp P – N sẽ càng tăng: vùng nghèo càng mở rộng, kênh dẫn càng thu hẹp. Do đó điện trở kênh dẫn càng tăng và dòng máng ID càng giảm. Còn dòng giữa cực G và cực S chỉ là dòng ngược của chuyển tiếp P – N, thường rất nhỏ không đáng kể. Nếu UGS tiếp tục tăng thì kênh DS sẽ bị nghẽn hoàn toàn: ID = 0. Vậy ID phụ thuộc UGS. Ta có: Đặc tuyến truyền đạt: ID = f(UGS), khi UDS = const. Nếu UGS = 0, UDS tăng dần từ 0: + Khi UDS còn nhỏ, phân bố điện thế do UDS gây ra trên điện trở kênh dẫn ảnh hưởng chưa đáng kể đến chiều dày vùng nghèo và tiết diện của kênh, vì vậy kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở thông thường với giá trị hầu như không đổi : điện áp tăng khiến dòng điện tăng theo. + UDS lớn dần: vùng nghèo ngày ._.