Giáo trình Kỹ thuật Điện tử - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

Kỹ thuật Điện tử
Biên tập bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Kỹ thuật Điện tử
Biên tập bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Các tác giả:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Phiên bản trực tuyến:
MỤC LỤC
1. Lời nói đầu
2. Bài 1: Các đại lượng cơ bản
2.1. Các đại lượng cơ bản
3. Bài 2: Các linh kiện thụ động
3.1. Các linh kiện thụ động
4. Bài 3: Chất bán dẫn
4.1. Chất bán dẫn
5. Bài 4: DIODE và Mạch ứng dụng
5.1. DIODE và Mạch ứng dụng
6. Bài 5: TRANSISTOR Lưỡng cực
6.1. TRANSISTOR Lưỡng cực
7. Bài 6: Ứng dụng cơ bản của TRANSISTOR ngắm gọn
7.1. Ứng dụng cơ bản của TRANSISTOR ngắn gọn
8. Bài 7: TRANSISTOR Trường và linh kiện bán dẫn nhiều mặt ghép
8.1. TRANSISTOR Trường và linh kiện bán dẫn nhiều mắt ghép
9. Bài 8: Linh kện quang Điện tử
9.1. Linh kiện quang Điện tử
10. Bài 9: IC
10.1. IC
11. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tham gia đóng góp
1/86
Lời nói đầu
Module Kỹ thuật điện tử cung cấp các kiến thức cơ bản về linh kiện điện tử và mạch
điện đơn giản bao gồm:
• Cấu tạo, đặc tính kỹ thuật và ứng dụng của các linh kiện thụ động, bán dẫn và
IC
• Cách nhận biết, đọc trị số và các thông số kỹ thuật khác của linh kiện điện tử
thông dụng
• Mạch khuếch đại sử dụng transistor lưỡng cực, transistor trường; Mạch khuếch
đại thuật toán
• Phương pháp đo kiểm linh kiện và các mạch điện cơ bản
Phần thực hành: sinh viên vận hành, bảo quản thiết bị đo cơ bản; nhận biết linh kiện;
phân tích, lắp ráp, đo kiểm một số mạch điện đơn giản.
Cuốn đề cương này được biên soạn dựa trên khung chương trình module “Kỹ thuật điện
tử” thuộc chương trình đào tạo theo định hướng nghề nghiệp trong khuôn khổ dự án Hà
Lan.
Cuốn đề cương này chứa nội dung của 14 bài học theo đúng trình tự và mục tiêu thiết
kế của chương trình. Các bài học được trình bày khá cụ thể với nhiều kiến thức bổ ích
giúp người học dễ tiếp thu nội dung bài học cũng như đạt được các kỹ năng cần thiết
theo mục tiêu của module.
2/86
Bài 1: Các đại lượng cơ bản
Các đại lượng cơ bản
Điện áp và dòng điện
Có hai khái niệm định lượng cơ bản của một mạch điện. Chúng cho phép xác định trạng
thái về điện ở những điểm, những bộ phận khác nhau vào những thời điểm khác nhau
của mạch điện và do vậy chúng còn được gọi là các thông số trạng thái cơ bản của một
mạch điện.
Khái niệm điện áp được rút ra từ khái niệm điện thế trong vật lý, là hiệu số điện thế giữa
hai điểm khác nhau của mạch điện. Thường một điểm nào đó của mạch được chọn làm
điểm gốc có điện thế bằng 0 (điểm nối đất). Khi đó, điện thế của mọi điểm khác trong
mạch có giá trị âm hay dương được mang so sánh với điểm gốc và được hiểu là điện áp
tại điểm tương ứng. Tổng quát hơn, điện áp giữa hai điểm A và B của mạch (ký hiệu là
UAB)xác định bởi:
UAB = VA - VB = -UBA
Với VA và VB là điện thế của A và B so với gốc (điểm nói đất hay còn gọi là nối mát).
Khái niệm dòng điện là biểu hiện trạng thái chuyển động của các hạt mang điện trong
vật chất do tác động của trường hay do tồn tại một gradien nồng độ hạt theo không gian.
Dòng điện trong mạch có chiều chuyển động từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế
thấp, từ nơi có mật độ hạt tích điện dương cao đến nơi có mật độ hạt tích điện dương
thấp và do vậy ngược với chiều chuyển động của điện tử.
Từ các khái niệm đã nêu trên, cần rút ra mấy nhận xét quan trọng sau:
• Điện áp luôn được đo giữa hai điểm khác nhau của mạch trong khi dòng điện
được xác định chỉ tại một điểm của mạch.
• Để bảo toàn điện tích, tổng các giá trị các dòng điện đi vào một điểm của mạch
luôn bằng tổng các giá trị dòng điện đi ra khỏi điểm đó (quy tắc nút với dòng
điện). Từ đó suy ra, trên một đoạn mạch chỉ gồm các phần tử nối tiếp nhau thì
dòng điện tại mọi điểm là như nhau.
• Điện áp giữa hai điểm A và B khác nhau của mạch nếu đo theo mọi nhánh bất
kỳ có điện trở khác không (xem khái niệm nhánh ở 1.1.4) nối giữa A và B là
giống nhau và bằng UAB. Nghĩa là điện áp giữa 2 đầu của nhiều phần tử hay
nhiều nhánh nối song song với nhau luôn bằng nhau. (Quy tắc vòng đối với
điện áp).
3/86
Tính chất điện của một phần tử
Khái niệm phần tử ở đây là tổng quát, đại diện cho một yếu tố cấu thành mạch điện hay
một tập hợp nhiều yếu tố tạo nên một bộ phận của mạch điện. Thông thường, phần tử là
một linh kiện trong mạch.
Định nghĩa:
Tính chất điện của một phần tử bất kì trong một mạch điện được thể hiện qua mối quan
hệ tương hỗ giữa điện áp U trên hai đầu của nó và dòng điện I chạy qua nó và được định
nghĩa là điện trở (hay điện trở phức - trở kháng) của phần tử. Nghĩa là khái niệm điện
trở gắn liền với quá trình biến đổi điện áp thành dòng điện hoặc ngược lại từ dòng điện
thành điện áp.
Nếu mối quan hệ này là tỉ lệ thuận, ta có định luật ôm:
U = R.I (1-1)
Ở đây, R là một hằng số tỷ lệ được gọi là điện trở của phần tử và phần tử tương ứng
được gọi là một điện trở thuần.
Hình ảnh một số loại điện trở, biến trở
Nếu điện áp trên phần tử tỷ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của dòng điện trên nó,
tức là :
U = L (ở đây L là một hằng số tỉ lệ) (1-2)
ta có phần tử là một cuộn dây có giá trị điện cảm là L.
4/86
Hình ảnh một số loại cuộn cảm, biến áp
Nếu dòng điện trên phần tử tỉ lệ với tốc độ biến đổi theo thời gian của điện áp trên nó,
tức là:
I=C dU/dt (C là hằng số tỉ lệ) (1-3)
ta có phần tử là một tụ điện có giá trị điện dung là C.
5/86
Hình ảnh một số loại tụ điện trên thực tế
Ngoài các quan hệ đã nêu trên, trong thực tế còn tồn tại nhiều quan hệ tương hỗ đa dạng
và phức tạp giữa điện áp và dòng điện trên một phần tử. Các phần tử này gọi chung là
các phần tử không tuyến tính và có nhiều tính chất đặc biệt. Điện trở của chúng được
gọi chung là các điện trở phi tuyến, điển hình nhất là đốt, tranzito, thiristo... và sẽ được
đề cập tới ở các phần tiếp sau.
Các tính chất quan trọng của phần tử tuyến tính là:
Đặc tuyến Vôn - Ampe (thể hiện qua quan hệ U(I)) là một đường thẳng.
Tuân theo nguyên lý chồng chất. Tác động tổng cộng bằng tổng các tác động riêng lẻ lên
nó. Đáp ứng tổng cộng (kết quả chung) bằng tổng các kết quả thành phần do tác động
thành phần gây ra.
Không phát sinh thành phần tần số lạ khi làm việc với tín hiệu xoay chiều (không gây
méo phi tuyến).
Đối lập với phần tử tuyến tính là phần tử phi tuyến có các tính chất sau:
Đặc tuyến VA là một đường cong (điện trở thay đổi theo điểm làm việc).
6/86
Không áp dụng được nguyên lý chồng chất.
Luôn phát sinh thêm tần số lạ ở đầu ra khi có tín hiệu xoay chiều tác động ở đầu vào.
Ứng dụng
Các phần tử tuyến tính (R, L, C), có một số ứng dụng quan trọng sau:
• Điện trở luôn là thông số đặc trưng cho hiện tượng tiêu hao năng lượng (chủ
yếu dưới dạng nhiệt) và là một thông số không quán tính. Mức tiêu hao năng
lượng của điện trở được đánh giá bằng công suất trên nó, xác định bởi:
P=U.I=I2R=U2/R (1-4)
Trong khi đó, cuộn dây và tụ điện là các phần tử về cơ bản không tiêu hao năng lượng
(xét lý tưởng) và có quán tính. Chúng đặc trưng cho hiện tượng tích lũy năng lượng từ
trường hay điện trường của mạch khi có dòng điện hay điện áp biến thiên qua chúng.
Ở đây, tốc độ biến đổi của các thông số trạng thái (điện áp, dòng điện) có vai trò quyết
định giá trị trở kháng của chúng, nghĩa là chúng có điện trở phụ thuộc vào tần số (vào
tốc độ biến đổi của điện áp hay dòng điện tính trong một đơn vị thời gian). Với tụ điện,
từ hệ thức (1-3), dung kháng của nó giảm khi tăng tần số và ngược lại với cuộn dây, từ
(1-2) cảm kháng của nó tăng theo tần số.
• Giá trị điện trở tổng cộng của nhiều điện trở nối tiếp nhau luôn lớn hơn của
từng cái và có tính chất cộng tuyến tính. Điện dẫn (là giá trị nghịch đảo của
điện trở) của nhiều điện trở nối song song nhau luôn lớn hơn điện dẫn riêng rẽ
của từng cái và cũng có tính chất cộng tuyến tính.
Hệ quả là:
- Có thể thực hiện việc chia nhỏ một điện áp (hay dòng điện) hay còn gọi là thực hiện
việc dịch mức điện thế (hay mức đòng điện) giữa các điểm khác nhau của mạch bằng
cách nối nối tiếp (hay song song) các điện trở.
- Trong cách nối nối tiếp, điện trở nào lớn hơn sẽ quyết định giá trị chung của dãy.
Ngược lại, trong cách nối song song, điện trở nào nhỏ hơn sẽ có vai trò quyết định.
Việc nối nối tiếp (hay song song) các cuộn dây sẽ dẫn tới kết quả tương tự như đối với
các điện trở: sẽ làm tăng (hay giảm) trị số điện cảm chung. Đối với tụ điện, khi nối song
song chúng, điện dung tổng cộng tăng:
Css=C1+C2++Cn (1-5)
còn khi nối nối tiếp, điện dung tổng cộng giảm:
7/86
1/Cnt=1/C1+1/C2++1/Cn (1-6)
• Nếu nối nối tiếp hay song song R với L hoặc C sẽ nhận được một kết cấu mạch
có tính chất chọn lọc tần số (trở kháng chung phụ thuộc vào tần số gọi là các
mạch lọc tần số).
• Nếu nối nối tiếp hay song song L với C sẽ dẫn tới một kết cấu mạch vừa có tính
chất chọn lọc tần số, vừa có khả năng thực hiện quá trình trao đổi qua lại giữa
hai dạng năng lượng điện - từ trường, tức là kết cấu có khả năng phát sinh dao
động điện áp hay dòng điện nếu ban đầu được một nguồn năng lượng ngoài
kích thích.
Nguồn điện áp và nguồn dòng điện
• Nếu một phần tử tự nó hay khi chịu các tác động không có bản chất điện từ,có
khả năng tạo ra điện áp hay dòng điện ở một điểm nào đó của mạch điện thì nó
được gọi là một nguồn sức điện động (s.đ.đ). Hai thông số đặc trưng cho một
nguồn s.đ.đ là :
Giá trị điện áp giữa hai đầu lúc hở mạch (khi không nối với bất kì một phần tử nào khác
từ ngoài đến hai đầu của nó) gọi là điện áp lúc hở mạch của nguồn kí hiệu là Uhm
Giá trị dòng điện của nguồn đưa ra mạch ngoài lúc mạch ngoài dẫn điện hoàn toàn: gọi
là giá trị dòng điện ngắn mạch của nguồn kí hiệu là Ingm .
Một nguồn s.đ.đ được coi là lý tưởng nếu điện áp hay dòng điện do nó cung cấp cho
mạch ngoài không phụ thuộc vào tính chất của mạch ngoài (mạch tải).
• Trên thực tế, với những tải có giá trị khác nhau, điện áp trên hai đầu nguồn hay
dòng điện do nó cung cấp có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào tải. Điều đó
chứng tỏ bên trong nguồn có xảy ra quá trình biến đổi dòng điện cung cấp
thành giảm áp trên chính nó, nghĩa là tồn tại giá trị điện trở bên trong gọi là
điện trở trongcủa nguồn kí hiệu là Rng
Rng=Unm/Ingm (1-7)
Nếu gọi U và I là các giá trị điện áp và dòng điện do nguồn cung cấp khi có tải hữu hạn
Rng=(Unm-U)/I (1-8)
Từ (l-7) và (l-8) suy ra:
8/86
Ingm=U/Rng +I (1-9)
Từ các hệ thức trên, ta có các nhận xét sau:
1. Nếu Rng→ 0. thì từ hệ thức (1-8) ta có U → Uhm khi đó nguồn s.đ.đ là một nguồn
điện áp lý tưởng. Nói cách khác một nguồn điện áp càng gần lí tưởng khi điện trở trong
Rng của nó có giá trị càng nhỏ.
2. Nếu Rng → ∞, từ hệ thức (1-9) ta có I → Ingm nguồn sđđ khi đó có dạng là một nguồn
dòng điện lí tưởng hay một nguồn dòng điện càng gần lí tưởng khi Rng của nó càng lớn.
3. Một nguồn s.đ.đ. trên thực tế được coi là một nguồn điện áp hay nguồn dòng điện tùy
theo bản chất cấu tạo của nó để giá trị Rng là nhỏ hay lớn. Việc đánh giá Rng tùy thuộc
tương quan giữa nó với giá trị điện trở toàn phần của mạch tải nối tới hai đầu của nguồn
xuất phát từ các hệ thức (1-8) và (l-9) có hai cách biểu diễn kí hiệu nguồn (sđđ) thực tế
như trên hình 1.1 a và b.
4. Một bộ phận bất kì của mạch có chứa nguồn, không có liên hệ hỗ cảm với phần còn
lại của mạch mà chỉ nối với phần còn lại này ở hai điểm, luôn có thể thay thế bằng một
nguồn tương đương với một điện trở trong là điện trở tương đương của bộ phận mạch
đang xét. Trường hợp riêng, nếu bộ phận mạch bao gồm nhiều nguồn điện áp nối với
nhiều điện trở theo một cách bất kì, có 2 đầu ra sẽ được thay thế bằng chỉ một nguồn
điện áp tương đương với một điện trở trong tương đương (định lí về nguồn tương đương
của Tevơnin)
a) Biểu diễn tương đương nguồn điện áp; b) nguồn dòng điện
Biểu diễn mạch điện bằng các kí hiệu và hình vẽ
Có nhiều cách biểu diễn một mạch điện tử, trong đó đơn giản và thuận lợi hơncả là cách
biểu diễn bằng sơ đồ gồm tập hợp các kí hiệu quy ước hay kí hiệu tương đương của các
9/86
phần tử được nối với nhau theo một cách nào đó (nối tiếp, song song, hỗn hợp nối tiếp
song song hay phối ghép thích hợp) nhờ các đường nối có điện trở bằng 0. Khi biểu diễn
như vậy, xuất hiện một vài yếu tố hình học cần làm rõ khái niệm là:
Nhánh (của sơ đồ mạch) là một bộ phận của sơ đồ, trong đó chỉ bao gồm các phần tử
nối nối tiếp nhau, qua nó chỉ có một dòng điện duy nhất
Nút là một điểm của mạch chung cho từ ba nhánh trở lên.
Vòng là một phần của mạch bao gồm một số nút và nhánh lập thành một đường kín mà
dọc theo nó mỗi nhánh và nút phải vẫn chỉ gặp một lần (trừ nút được chọn làm điểm
xuất phát).
Cây là một phần của mạch bao gồm toàn bộ số nút và nhánh nối giữa các nút đó nhưng
không tạo nên một vòng kín nào. Các nhánh của cây được gọi là nhánhcây, các nhánh
còn lại của mạch không thuộc cây được gọi là bùcây.
Các yếu tố nêu trên được sử dụng đặc biệt thuận lợi khi cần phân tích tính toán mạch
bằng sơ đồ.
Người ta còn biểu diễn mạch gọn hơn bằng một sơ đồ gồm nhiều khốicó những đường
liên hệ với nhau. Mỗi khối bao gồm một nhóm các phần tử liên kết với nhau để cùng
thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể được chỉ rõ (nhưng không chỉ ra cụ thể cách thức
liên kết bên trong khối). Đó là cách biểu diễn mạch bằng sơđồkhốirút gọn, qua đó dễ
dàng hình dung tổng quát hoạt động của toàn bộ hệ thống mạch điện tử.
Một số mạch điện cơ bản
Mạch nối tiếp thuần điện trở
Mạch song song thuần điện trở
Mạch RLC
10/86
Bài 2: Các linh kiện thụ động
Các linh kiện thụ động
Các thông số cơ bản của điện trở
Định nghĩa:
Điện trở là cấu kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện trong mạch. Trị số điện trở
được xác định theo định luật Ôm:
R=U/I (Ω) (2.1)
Trong đó: U -hiệu điện thế trên điện trở [V]
I - dòng điện chạy qua điện trở [A]
R - điện trở
Trên điện trở, dòng điện và điện áp luôn cùng pha và điện trở dẫn dòng điện một chiềuvà
xoay chiều như nhau.
Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ mạch điện
Trong các sơ đồ mạch điện, điện trở thường được mô tả theo các qui ước tiêu chuẩn như
trong hình
11/86
Ký hiệu của điện trở trên sơ đồ mạch điệ
Cấu trúc của điện trở có nhiều dạng khác nhau. Một cách tổng quát ta có cấu trúc tiêu
biểu của một điện trở như mô tả trong hình 2.2.
Kết cấu đơn giản của một điện trở
Giá trị giới hạn của điện trở
Trị số điện trở và dung sai
+ Trị số của điện trở là tham số cơ bản và được tính theo công thức:
12/86
R= ρl/S (2.2)
Trong đó: ρ - là điện trở suất của vật liệu dây dẫn cản điện
l- là chiều dài dây dẫn
S - là tiết diện của dây dẫn
+ Dung sai hay sai số của điện trở biểu thị mức độ chênh lệch giữa trị số thực tế của điện
trở so với trị số danh định và được tính theo %.
Dung sai được tính theo công thức:
(Rt.t – Rd.d)/Rd.d.100%
Rt.t: trị số thực tế của điện trở
Rd.d: Trị số danh định của điện trở
Dựa vào % dung sai, ta chia điện trở ở 5 cấp chính xác:
Cấp 005: có sai số ± 0,5 %
Cấp 01: có sai số ± 1 %
Cấp I: có sai số ± 5 %
Cấp II: có sai số ± 10 %
Cấp III: có sai số ± 20 %
Công suất tiêu tán danh định: (Pt.tmax)
Công suất tiêu tán danh định cho phép của điện trở Pt.t.max là công suất điện cao nhất
mà điện trở có thể chịu đựng được trong điều kiện bình thường, làm việc trong một thời
gian dài không bị hỏng. Nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng cháy và không dùng được.
Pt.tmax = RI2max = U2max/R [W] (2.3)
Với yêu cầu đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường thì
Ptt < Pttmax.
13/86
Hệ số nhiệt của điện trở : TCR
Hệ số  ... photon
bức xạ ra cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số trong các phần bán dẫn. Cường độ
dòng điện của điôt tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn được "chích" vào các phần bán dẫn, do đó
cường độ phát quang của LED tỉ lệ với cường độ dòng điện qua điôt.
Như vậy LED có khả năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, nên nó được coi
là dụng cụ phát quang.
Điện áp phân cực cho LED gần bằng độ rộng vùng cấm của vật liệu, do đó, các LED
bức xạ ở các bước sóng khác nhau sẽ được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn có độ rộng
vùng cấm khác nhau và điện áp phân cực cho chúng cũng khác nhau. Tuy nhiên LED
có điện áp phân cực thuận tương đối cao (khoảng từ 1,6 v đến 3 v) và có điện áp ngược
cho phép tương đối thấp (khoảng từ 3 v đến 5 v).
72/86
LED phát hồng ngoại
Đối với các hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s cùng
sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μw, các điôt phát quang bán dẫn
thường là các nguồn sáng tốt nhất.
Cấu tạo:
Cấu tạo của LED hồng ngoại cơ bản là giống các LED chỉ thị. Để bức xạ ánh sáng hồng
ngoại, LED hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng
cấm EG = 1,43 eV tương ứng với bức xạ bước sóng khoảng 900nm.
Hình dưới mô tả cấu trúc của một LED hồng ngoại bức xạ ánh sáng 950nm.
Cấu trúc của LED hồng ngoại bức xạ bước sóng 950nm
Trong phần epitaxy lỏng trong suốt GaAs (N) tạo một lớp tinh thể có tính chất lưỡng
tính với tạp chất Silic là GaAsSi (N) và một tiếp xúc P-N được hình thành. Với sự pha
tạp chất Silic ta có bức xạ với bước sóng 950 nm Mặt dưới của LED được mài nhẵn tạo
thành một gương phản chiếu tia hồng ngoại phát ra từ lớp tiếp xúc P-N.
Nguyên lý làm việc:
Hình dưới mô tả sơ đồ nguyên lý đấu nối LED hồng ngoại trong mạch điện.
73/86
Sơ đồ nguyên lý của LED hồng ngoại
Khi phân cực thuận cho điôt, các hạt dẫn đa số sẽ khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng
tái hợp với nhau và phát ra bức xạ hồng ngoại. Các tia hồng ngoại bức xạ ra theo nhiều
hướng khác nhau. Những tia hồng ngoại có hướng đi vào trong các lớp chất bán dẫn,
gặp gương phản chiếu sẽ được phản xạ trở lại để đi ra ngoài theo cùng hướng với các tia
khác. Điêù này làm tăng hiệu suất của LED.
Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống như ánh sáng nhìn thấy, nghĩa là nó
có khả năng hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự.... Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại
rất khác ánh sáng nhìn thấy ở khả năng xuyên suốt qua vật chất, trong đó có chất bán
dẫn. Điều này giải thích tại sao LED hồng ngoại có hiệu suất cao hơn LED chỉ thị vì tia
hồng ngoại không bị yếu đi khi vượt qua các lớp bán dẫn để ra ngoài.
Tuổi thọ của LED hồng ngoại dài đến 100000 giờ. LED hồng ngoại không phát ra ánh
sáng nhìn thấy nên rất có lợi trong các thiết bị kiểm soát vì không gây sự chú ý.
Các ứng dụng cơ bản
LED dùng làm báo hiệu
LED được sử dụng làm đèn báo cho các thiết bị điện tử, đèn hiển thị chức năng, báo
hiệu mức âm lượng,...
Optocouple (Ghép quang điện)
Optocouple là linh kiện cho phép ghép nối tín hiệu giữa hai hệ thống mà không đỏi hỏi
phải tiếp xúc trực tiêp. Linh kiện này có một hệ thống thu phát quang.
Barriers ánh sáng
Sử dụng làm bức rào chắn ánh sáng, ứng dụng trong các hệ thống đòi hỏi phải được bảo
vệ, bảo mật.
74/86
Điều khiển từ xa bằng ánh sáng
Các bộ điều khiển từ xa bằng ánh sáng nằm ở trong dải ánh sáng hồng ngoại
75/86
Bài 9: IC
IC
1. IC
Định nghĩa và phân loại
IC – Vi mạch tích hợp là linh kiện điện tử tích hợp nhiều các linh kiện như tụ điện, điện
trở, transistor,... với số lượng lớn, ghép lại với nhau theo một mạch đã được thiết kế sẵn
nhằm đáp ứng mục đich sử dụng nào đó.
Một vi mạch tích hợp bao gồm một chip đơn tinh thể silic có chứa các linh kiện tích cực
và linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng. Các linh kiện này được chế tạo bằng
công nghệ giống như công nghệ chế tạo điôt và tranzito riêng rẽ. Quá trình công nghệ
này gồm việc nuôi cấy lớp epitaxi, khuếch tán tạp chất mặt nạ, nuôi cấy lớp oxit, và khắc
oxit, sử dụng ảnh in li tô để định rõ các giản đồ...
Vậy, vi mạch tích hợp (Integrated circuits - viết tắt là IC) là sản phẩm của kỹ thuật vi
điện tử bán dẫn. Nó gồm các linh kiện tích cực như tranzito, điôt..., các linh kiện thụ
động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, và các dây dẫn, tất cả được chế tạo trong một qui
trình công nghệ thống nhất, trong một thể tích hay trên một bề mặt của vật liệu nền. Mỗi
một loại vi mạch tích hợp chỉ giữ một hoặc vài chức năng nhất định nào đó.
Ưu điểm:
Vi mạch tích hợp có độ tin cậy rất cao, kích thước nhỏ, chứa được nhiều phần tử (IC bậc
1 chứa 10 linh kiện, IC bậc 2 chứa 11 ÷ 100 linh kiện, IC bậc 3 chứa 101 ÷ 1000 linh
kiện, IC bậc 4 chứa đến 10000 linh kiện hoặc lớn hơn), giá thành hạ, tiêu thụ ít năng
lượng điện.
Nhược điểm:
- Do sử dụng năng lượng nhỏ nên hạn chế tốc độ làm việc.
- Yêu cầu về độ ổn định nguồn cung cấp cao.
Phân loại theo bản chất của tín hiệu điện
- IC tuyến tính: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra liên tục.
76/86
- IC số: Là loại IC có khả năng xử lý các dữ liệu xảy ra rời rạc.
Phân loại theo mật độ tích hợp
• Tích hợp nhỏ
• Tích hợp trung bình
• Tích hợp lớn
• Tích hợp cực lớn
- Vi mạch loại SSI: số phần tử được tích hợp < 12
- Vi mạch loại MSI: số phần tử được tích hợp từ 12 ÷ 100
- Vi mạch loại LSI: số phần tử được tích hợp từ 100 ÷ 1000
- Vi mạch loại VLSI: số phần tử được tích hợp > 1000
Trong các loại vi mạch này thì vi mạch đơn khối được sản xuất và sử dụng nhiều nhất
do công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, thời gian chuyển mạch nhanh và số phần
tử tích hợp khá cao.
Phân loại theo công nghệ chế tạo
- Vi mạch bán dẫn (hay còn gọi là vi mạch đơn khối): Trong các vi mạch bán dẫn, các
phần tử tích cực và thụ động được chế tạo trên một đơn tinh thể bán dẫn (Si (N) hoặc Si
(P)) làm chất nền. Việc chế tạo vi mạch bán dẫn chủ yếu dựa trên quá trình quang khắc
theo các phương pháp Plana, Plana- epitaxi hay siloc.
- Vi mạch màng mỏng: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là thủy tinh
cách điện hay Ceramic bằng phương pháp bốc hơi và lắng đọng trong chân không, còn
các phần tử tích cực được hàn gắn vào mạch như các linh kiện rời rạc. Ưu điểm của loại
này là chế tạo được các điện trở và tụ điện có chất lượng cao và sai số nhỏ.
- Vi mạch màng dày: Trong đó chỉ tích hợp các linh kiện thụ động trên đế là chất bán
dẫn bằng phương pháp quang khắc qua khuôn còn các linh kiện tích cực được hàn vào
như linh kiện rời rạc.
- Vi mạch lai: Trong đó tích hợp cả các linh kiện tích cực và các linh kiện thụ động trên
một đế là thuỷ tinh hoặc Ceramic theo cả hai công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn và vi
mạch màng mỏng. Vi mạch lai có độ tin cậy cao hơn loại vi mạch bán dẫn. Tuy nhiên,
công nghệ chế tạo vi mạch lai còn phức tạp nên giá thành của nó cao hơn, điều này hạn
chế việc sử dụng công nghệ này.
77/86
Những thông số kỹ thuật của vi mạch
Các thông số kỹ thuật thường quan tâm với mỗi vi mạch:
• Mã số vi mạch: qua đó cho biết chức năng
• Hãng sản xuất
• Các thông số kỹ thuật khác (được quy định tùy thuộc vào từng loại vi mạch cụ
thể)
Đóng vỏ IC
Toàn bộ các phần tử tạo lên IC đều được gói trong một lớp vỏ bảo vệ. Công tác đóng
gói này được gọi là đóng vỏ cho IC.
Có nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau nhưng chủ yếu được chia làm 2 loại:
• Loại có chân dài, cắm hàn xuyên qua mạch
• Loại chân ngắn, nhỏ gắn vào mạch theo kiểu “dán” (còn gọi là IC dán)
IC khuếch đại thuật toán
Mạch khuếch đại thuật toán là mạch khuếch đại tín hiệu điện để thực hiện các phép tính
và thuật toán khác nhau trên các đại lượng tương tự, trong sơ đồ mạch có hồi tiếp âm
sâu. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò quan trọng và được 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... Tuy nhiên, trong các bộ khuếch đại thông thường những tính chất và
tham số hoàn toàn được xác định bởi sơ đồ mạch của nó, còn trong bộ khuếch đại thuật
toán thì các tính chất và tham số của nó được xác định bởi các tham số của mạch hồi
tiếp. Các bộ khuếch đại thuật toán được thực hiện theo sơ đồ khuếch đại dòng một chiều
với giá trị thiên áp vào ra bằng không. Chúng cũng được đặc trưng bởi hệ số khuếch đại
lớn, trở kháng vào cao và trở kháng ra thấp.
Một bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt được các tiêu chuẩn sau:
- Hệ số khuếch đại điện áp Ku → ∞
- Trở kháng vào Zvào → ∞
- Trở kháng ra Zra → 0
- Dải tần số làm việc Δf → ∞
78/86
Cấu trúc của vi mạch khuếch đại thuật toán
- Sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán tích hợp:
Hình dưới trình bày sơ đồ khối của bộ khuếch đại thuật toán.
Sơ đồ khối của một bộ khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại thuật toán bao gồm tầng vào khuếch đại vi sai để đảm bảo có hệ số
khuếch đại cao, sau đó là mạch dịch mức và mạch ra cho phép nhận được tín hiệu ra cần
thiết và trở kháng ra yêu cầu.
+ Tầng vào vi sai:
Cấu trúc điển hình của một tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân bằng
song song mô tả trong hình trên: Hai nhánh cầu là RC1 và RC2, còn hai nhánh kia là
các tranzito T1 và T2 được chế tạo trong cùng một điều kiện sao cho RC1 = RC1 và hai
tranzito T1, T2 có các tham số giống hệt nhau. Điện áp ra Ura lấy trên một cực góp, còn
IK là nguồn dòng ổn
định có thể tạo ra từ một điện trở đấu với âm nguồn, hoặc tạo ra nhờ các tranzito đấu
theo mạch nguồn dòng. Như vậy IK = IE1 + IE2 = const.
79/86
Sơ đồ tầng vào khuếch đại vi sai
Ký hiệu của IC khuếch đại thuật toán trong sơ đồ mạch
Ký hiệu bộ khuếch đại thuật toán
Giới thiệu một số loại IC số
Giới thiệu
Vi mạch số gồm các mạch lôgíc cơ bản để thực hiện các thuật toán logic và các hàm
logic khác nhau.
Các vi mạch số là các thiết bị 2 trạng thái, một trạng thái gần với 0 vôn hoặc đất (gọi là
mức thấp hoặc ký hiệu là L), và trạng thái kia gần với điện áp cung cấp cho mạch (gọi
là mức cao hoặc ký hiệu là H). Các mạch tích hợp số có thể xử lý các bit nhị phân riêng
lẻ hoặc các từ nhiều bit nhị phân.
Hầu hết các vi mạch số được sử dụng hiện nay là các vi mạch số chế tạo trên cơ sở các
tranzito lưỡng cực và tranzito trường. Mỗi một vi mạch số hầu như đều có thể thực hiện
được một chức năng hoàn chỉnh, nên chúng cần rất ít linh kiện mắc thêm ở bên ngoài.
80/86
Các tham số cơ bản của vi mạch số:
- Mức logic: mức logic 0 và mức logic 1
Các mức logic này là các trị số điện áp tương ứng với mức logic thấp và mức logic cao,
tùy từng loại mà nó có trị số điện áp khác nhau
- Nguồn nuôi: nguồn cung cấp phải đảm bảo độ ổn định cao.
- Khả năng ghép tải: biểu thị khả năng ghép được bao nhiêu lối vào của cổng logic tới
một
lối ra của một cổng cho trước.
- Tốc độ chuyển mạch hay còn gọi là độ tác động nhanh của vi mạch:
Loại cực nhanh ttb ≤ 5 nsec
Loại nhanh ttb = 5 ÷ 10 nsec
Loại trung bình ttb = 10 ÷ 100 nsec
Loại chậm ttb > 100 nsec
- Công suất tiêu thụ: công suất tiêu thụ của vi mạch số phụ thuộc vào tín hiệu đặt lên nó.
- Dải nhiệt độ làm việc: mỗi hãng sản xuất có một chỉ tiêu nhiệt độ khác nhau.
Phân loại
Các vi mạch hàm logic cơ bản trên tranzito lưỡng cực và tranzito trường gồm các loại:
Tranzito logic với liên kết trực tiếp (TL); Điện trở - tranzito logic (RTL); Điốt -
tranzito logic (DTL); Tranzito - tranzito logic (TTL); Logic MOS; Logic CMOS
(complementary MOS).
Hai họ vi mạch số quan trọng nhất và được sử dụng nhiều nhất là họ TTL/LS và họ
CMOS. Họ TTL là các vi mạch trong đó tích hợp các tranzito lưỡng cực với một tranzito
nhiều tiếp xúc gốc- phát. Mỗi một tiếp xúc BE là một lối vào. Còn họ CMOS trong đó
tích hợp các tranzito trường MOS kênh cảm ứng loại P và N đấu bù nhau.
Họ TTL có tốc độ chuyển mạch cao (ttb = 6 ÷ 15 nsec), công suất tiêu thụ thấp (45 ÷ 15
μW) và khả năng chịu tải lớn (hệ số tải n > 10)
81/86
Dòng vào của MOS rất nhỏ vì thế điện trở lối vào của tranzito MOS rất lớn cho phép
chế tạo vi mạch có khả năng chịu tải cao (n = 10 ÷ 20), có độ chống nhiễu cao và công
suất tiêu thụ rất nhỏ.
Giới thiệu một số loại vi mạch số (IC logic)
• Mạch AND
• Mạch NAND
• Mạch OR
• Mạch NOR
• Mạch NOT
• Mạch giải mã địa chỉ
82/86
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đỗ Xuân Thụ, "Kỹ thuật điện tử", Nhà xuất bản Giáo dục, 2005
[2]. Nguyễn Bính, "Điện tử công suất", Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2000.
83/86
Tham gia đóng góp
Tài liệu: Kỹ thuật Điện tử
Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Lời nói đầu
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Các đại lượng cơ bản
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Các linh kiện thụ động
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Chất bán dẫn
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: DIODE và Mạch ứng dụng
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: TRANSISTOR Lưỡng cực
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
84/86
Giấy phép: 
Module: Ứng dụng cơ bản của TRANSISTOR ngắn gọn
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: TRANSISTOR Trường và linh kiện bán dẫn nhiều mắt ghép
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Linh kiện quang Điện tử
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: IC
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
85/86
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (Vietnam Open Educational Resources
– VOER) được hỗ trợ bởi Quỹ Việt Nam. Mục tiêu của chương trình là xây dựng kho
Tài nguyên giáo dục Mở miễn phí của người Việt và cho người Việt, có nội dung phong
phú. Các nội dung đểu tuân thủ Giấy phép Creative Commons Attribution (CC-by) 4.0
do đó các nội dung đều có thể được sử dụng, tái sử dụng và truy nhập miễn phí trước
hết trong trong môi trường giảng dạy, học tập và nghiên cứu sau đó cho toàn xã hội.
Với sự hỗ trợ của Quỹ Việt Nam, Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (VOER) đã trở thành
một cổng thông tin chính cho các sinh viên và giảng viên trong và ngoài Việt Nam. Mỗi
ngày có hàng chục nghìn lượt truy cập VOER (www.voer.edu.vn) để nghiên cứu, học
tập và tải tài liệu giảng dạy về. Với hàng chục nghìn module kiến thức từ hàng nghìn
tác giả khác nhau đóng góp, Thư Viện Học liệu Mở Việt Nam là một kho tàng tài liệu
khổng lồ, nội dung phong phú phục vụ cho tất cả các nhu cầu học tập, nghiên cứu của
độc giả.
Nguồn tài liệu mở phong phú có trên VOER có được là do sự chia sẻ tự nguyện của các
tác giả trong và ngoài nước. Quá trình chia sẻ tài liệu trên VOER trở lên dễ dàng như
đếm 1, 2, 3 nhờ vào sức mạnh của nền tảng Hanoi Spring.
Hanoi Spring là một nền tảng công nghệ tiên tiến được thiết kế cho phép công chúng dễ
dàng chia sẻ tài liệu giảng dạy, học tập cũng như chủ động phát triển chương trình giảng
dạy dựa trên khái niệm về học liệu mở (OCW) và tài nguyên giáo dục mở (OER) . Khái
niệm chia sẻ tri thức có tính cách mạng đã được khởi xướng và phát triển tiên phong
bởi Đại học MIT và Đại học Rice Hoa Kỳ trong vòng một thập kỷ qua. Kể từ đó, phong
trào Tài nguyên Giáo dục Mở đã phát triển nhanh chóng, được UNESCO hỗ trợ và được
chấp nhận như một chương trình chính thức ở nhiều nước trên thế giới.
86/86