LỜI NÓI ĐẦU
Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính,
so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch
điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị
điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng.
Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch
điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện
điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây...đến các linh kiện
không thể thiếu được như điốt, transistor...và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp.
Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học
để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính,
các thiết bị điện tử y tế... đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các
trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v...Nói chung cấu kiện điện tử là
loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa
học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và
nắm chắc các đặc điểm của chúng. Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài
liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn
thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh
viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác.
Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009. Nội dung của bài
giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về
vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và
CNTT…
Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm 9 chương.
+ Chương 1: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử.
+ Chương 2: Vật liệu điện tử
+ Chương 3 : Cấu kiện thụ động
+ Chương 4: Điốt bán dẫn
+ Chương 5: Transistor lưỡng cực – BJT
3
+ Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET
+ Chương 7: Thyristor
+ Chương 8: Cấu kiện quang điện tử
+ Chương 9: Giới thiệu công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn
Trong đó từ chương 1 đến chương 6 và chương 9 do giảng viên Đỗ Mạnh Hà biên
soạn, chương 8 do giảng viên Trần Thị Thúy Hà biên soạn, chương 7 và phần bài tập các
chương do giảng viên Trần Thục Linh biên soạn, giảng viên Phạm Văn Sự và giảng viên
Nguyễn Văn Thuận phản biện.
Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên
soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài
giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý
của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan
tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn.
Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1,
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà
Nội.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm tác giả
4
Mục lục
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................3
MỤC LỤC..........................................................................................................................5
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................12
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ..................................12
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG ...............................................................................................12
1.1.1. Vai trò của khái niệm kỹ thuật trừu tượng.......................................................12
1.1.2. Tín hiệu ............................................................................................................13
1.1.3. Khái niệm cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử....................................................17
1.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN......................................20
1.2.1. Các phần tử tuyến tính R, L, C ........................................................................21
1.2.2. Mô hình nguồn điện .........................................................................................23
1.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện...............24
1.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN..........................................24
1.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) .......................24
1.3.2. Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules).....................................26
1.3.3. Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton................................................27
1.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH PHI TUYẾN ..............................................28
1.4.1. Phương pháp phân tích ....................................................................................29
1.4.2. Phương pháp đồ thị ..........................................................................................29
1.4.3. Phương pháp phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal
method) ......................................................................................................................30
1.5. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ .........................................................................32
1.5.1. Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: ...................................................................32
1.5.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: ..........................33
1.5.3. Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: ...................................................33
1.5.4. Phân loại dựa vào ứng dụng:............................................................................33
1.5.5. Phân loại theo đặc tính điện .............................................................................34
CÂU HỎI ÔN TẬP...........................................................................................................34
CHƯƠNG 2 – VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ ............................................................................36
2.1. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ ...................................................................36
2.1.1. Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử ......................................................................36
2.1.2. Phân loại vật liệu điện tử .................................................................................40
2.2. CHẤT CÁCH ĐIỆN ..................................................................................................40
5
Mục lục
2.2.1. Định nghĩa........................................................................................................ 40
2.2.2. Các tính chất của chất điện môi. ...................................................................... 40
2.2.3. Phân loại chất điện môi.................................................................................... 42
2.3. CHẤT DẪN ĐIỆN .................................................................................................... 43
2.3.1. Định nghĩa........................................................................................................ 43
2.3.2. Các tính chất của chất dẫn điện ....................................................................... 44
2.4. VẬT LIỆU TỪ........................................................................................................... 47
2.4.1. Định nghĩa........................................................................................................ 47
2.4.2. Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ ............................................................ 48
2.4.3. Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ.............................................................. 52
2.5. THẠCH ANH VÀ ỨNG DỤNG............................................................................... 55
2.6. CHẤT BÁN DẪN ..................................................................................................... 56
2.6.1 Định nghĩa chất bán dẫn ................................................................................... 56
2.6.2 Chất bán dẫn thuần nguyên chất (Intrinsic semiconductor) ............................. 57
2.6.3 Chất bán dẫn không thuần ................................................................................ 64
CÂU HỎI ÔN TẬP........................................................................................................... 72
BÀI TẬP ........................................................................................................................... 73
CHƯƠNG 3 – CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG....................................................................... 75
3.1. ĐIỆN TRỞ (Resistor) ................................................................................................ 75
3.1.1 Định nghĩa......................................................................................................... 75
3.1.2 Cấu tạo điện trở................................................................................................. 76
3.1.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở .................................................... 76
3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở ...................................................... 80
3.1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương............................................................ 82
3.1.6. Phân loại điện trở ............................................................................................. 83
3.1.7 Một số điện trở đặc biệt .................................................................................... 85
3.1.8. Hình ảnh của một số loại điện trở trong thực tế .............................................. 87
3.2 TỤ ĐIỆN (Capacitor) ................................................................................................. 90
3.2.1 Định nghĩa......................................................................................................... 90
3.2.2 Cấu tạo của Tụ điện .......................................................................................... 90
3.2.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện ...................................................... 91
3.2.4. Ký hiệu của tụ điện .......................................................................................... 93
3.2.5. Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện.............................................................. 93
3.2.6. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: ........................................................... 95
3.2.7. Phân loại .......................................................................................................... 96
6
Mục lục
3.2.8. Ứng dụng của tụ điện.......................................................................................98
3.8.9 Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế .........................................................99
3.3 CUỘN CẢM (Inductor) ............................................................................................103
3.3.1. Định nghĩa......................................................................................................103
3.3.2. Cấu tạo cuộn cảm...........................................................................................103
3.3.3. Ký hiệu của cuộn cảm....................................................................................104
3.3.4. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây................................................104
3.3.5. Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây .........................................................105
2.3.6. Phân loại.........................................................................................................107
3.5.7. Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế.........................................108
3.4. BIẾN ÁP (Transformer)...........................................................................................109
3.4.1. Định nghĩa và cấu tạo của biến áp .................................................................109
3.4.2. Nguyên lý hoạt động của biến áp...................................................................109
3.4.3. Các tham số kỹ thuật của biến áp...................................................................110
3.4.4. Ký hiệu của biến áp........................................................................................111
3.4.5. Phân loại và ứng dụng....................................................................................112
3.4.6. Thiết kế biến áp nguồn...................................................................................115
3.5. CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC .............................................................................118
CHƯƠNG 4 – ĐIỐT .....................................................................................................121
4.1. TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN Ở ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG
NHIỆT.............................................................................................................................121
4.1.1. Chất bán dẫn nồng độ pha tạp không đồng đều .............................................121
4.1.2. Quan hệ Boltzman (Quan hệ giữa điện thế tĩnh điện φ(x) và nồng độ hạt tải
điện) .........................................................................................................................125
4.2. TIẾP GIÁP PN.........................................................................................................126
4.2.1. Giới thiệu chung.............................................................................................127
4.2.2 Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng nhiệt ...................................................127
4.2.3 Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực ........................................................133
4.2.4. Đặc tuyến V-A của tiếp giáp PN....................................................................137
5.2.5. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN ......................................................141
4.2.6. Điện dung của chuyển tiếp PN.......................................................................142
4.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỐT BÁN DẪN ..........................................................143
4.4. ĐIỐT CHỈNH LƯU .................................................................................................145
4.4.1. Cấu tạo ...........................................................................................................145
4.4.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................145
7
Mục lục
4.4.3. Đặc tuyến Vôn-Ampe .................................................................................... 146
4.4.4. Các tham số tĩnh của Điốt chỉnh lưu.............................................................. 147
4.4.5. Mô hình tương đương của Điốt chỉnh lưu ..................................................... 152
4.4.6. Một số hình ảnh của Điốt chỉnh lưu .............................................................. 157
4.5. ĐIỐT ỔN ÁP ........................................................................................................... 157
4.5.1. Cấu tạo chung ................................................................................................ 157
4.5.2. Các tham số cơ bản của Điốt ổn áp: .............................................................. 159
4.6. ĐIỐT BIẾN DUNG VARICAP (VARACTOR)..................................................... 161
4.7 CÁC LOẠI ĐIỐT ĐẶC BIỆT KHÁC ..................................................................... 163
4.8. MỘT SỐ MẠCH ỨNG DỤNG ĐIÔT .................................................................... 164
BÀI TẬP ......................................................................................................................... 171
CHƯƠNG 5 – TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) ................................................ 182
GIỚI THIỆU CHUNG.................................................................................................... 182
5.1 CẤU TẠO, KÝ HIỆU CỦA BJT ............................................................................. 183
5.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BJT.................................................................. 185
5.2.1 BJT làm việc trong chế độ tích cực (Forward Active) ................................... 186
5.2.2. BJT làm việc trong chế độ đảo (Reverse)...................................................... 195
5.2.3. BJT làm việc ở chế độ ngắt (Cut-off ) ........................................................... 196
5.2.4. BJT ở chế độ bão hòa (Saturation) ................................................................ 196
5.3 MÔ HÌNH Ebers-Moll.............................................................................................. 198
5.4 CÁC CÁCH MẮC BJT VÀ CÁC HỌ ĐẶC TUYẾN TƯƠNG ỨNG..................... 201
5.4.1 Các cách mắc BJT........................................................................................... 201
5.4.2 Các tham số đặc trưng cho BJTở mỗi chế độ mắc ......................................... 202
5.4.3 BJT npn mắc cực phát chung – CE................................................................. 202
5.4.4. BJT npn mắc cực gốc chung – CB ................................................................ 205
5.4.5. BJT npn mắc cực góc chung - CC ................................................................. 206
5.5. PHÂN CỰC CHO BJT ............................................................................................ 208
5.5.1. Khái niệm phân cực cho các chế độ làm việc của BJT.................................. 208
5.3.2 Mạch định thiên cực gốc (BB: Base Bias)...................................................... 213
5.5.3 Mạch định thiên hồi tiếp âm ........................................................................... 216
5.5.4 Mạch định thiên phân áp (VDB – Voltage – Divider Bias)............................ 226
5.5.5. Phân cực kiểu bù............................................................................................ 230
5.6. BJT TRONG CHẾ ĐỘ CHUYỂN MẠCH (chế độ xung) ...................................... 233
5.7 CÁC MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG XOAY CHIỀU CỦA BJT .............................. 236
5.7.1. Mô hình tham số Hybrid (Hybrid parameter/h–Parameter Model) ............... 237
8
Mục lục
5.7.2. Mô hình tương đương tín hiệu nhỏ hybrid-π .................................................239
5.7.3. Mô hình tương đương re ................................................................................244
5.7.4 Mô hình tương đương tín hiệu lớn..................................................................245
5.7.5. Mô hình Spice ................................................................................................247
5.8. THAM SỐ KỸ THUẬT CỦA BJT .........................................................................250
5.9. PHÂN LOẠI BJT.....................................................................................................252
5.10 ỨNG DỤNG CỦA BJT ..........................................................................................252
BÀI TẬP .........................................................................................................................254
CHƯƠNG 6 – TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET).................................276
6.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FET...............................................................................276
6.2. TRANSISTOR TRƯỜNG LOẠI TIẾP GIÁP – JFET ............................................277
6.2.1. Cấu tạo của JFET ...........................................................................................277
6.2.2. Nguyên lý hoạt động của JFET......................................................................278
6.2.3. Tham số cơ bản của nJFET............................................................................284
6.2.3. Các cách mắc của JFET .................................................................................287
6.2.4. Phân cực cho JFET ........................................................................................288
6.2.5. Các mô hình tương đương của JFET .............................................................292
6.2.6. JFET làm việc ở chế độ chuyển mạch ...........................................................295
6.2.7. Một số mạch ứng dụng đơn giản của JFET ...................................................296
6.3. CẤU TRÚC MOS....................................................................................................297
6.3.1. Cấu tạo của cấu trúc MOS .............................................................................297
6.3.2. Cấu trúc MOS trong điều kiện cân bằng nhiệt...............................................298
6.3.3. Cấu trúc MOS khi có điện áp phân cực .........................................................301
6.3.4. Đặc tuyến Q-V ...............................................................................................306
6.4. TRANSISTOR TRƯỜNG LOẠI CỰC CỬA CÁCH LY – IGFET........................308
6.4.1. Giới thiệu chung về IGFET ...........................................................................308
6.4.2. Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET.......................309
6.4.3. Nguyên lý làm việc của MOSFET.................................................................310
6.4.4. Các cách mắc của MOFET ............................................................................316
5.4.5. Định thiên cho MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET ...................................317
6.4.6. Mô hình tương đương của MOSFET: D-MOSFET, E-MOSFET .................324
6.4.7. MOSFET làm việc ở chế độ chuyển mạch ....................................................327
6.5. CẤU TRÚC CMOS .................................................................................................330
BÀI TẬP .........................................................................................................................330
CHƯƠNG 7 - THYRISTORS......................................................................................350
9
Mục lục
7.0 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THYRISTORS............................................................. 350
7.1 HIỆN TƯỢNG TRỄ ................................................................................................. 351
7.2 ĐIỐT SHOCKLEY................................................................................................... 351
7.3 DIAC......................................................................................................................... 357
7.4 CẤU KIỆN CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN SILIC (SCR- Silicon-Controlled
Rectifier) ......................................................................................................................... 359
7.5 TRIAC ...................................................................................................................... 373
7.6 TRANSISTOR ĐƠN NỐI (Unijunction Transistor – UJT) ..................................... 376
7.7 CHUYỂN MẠCH ĐIỀU KHIỂN SILIC (The Silicon-Controlled Switch - SCS)... 382
7.8 THYRISTOR ĐIỀU KHIỂN BẰNG HIỆU ỨNG TRƯỜNG (Field-effect-controlled
Thyristor) ........................................................................................................................ 383
TÓM TẮT CHƯƠNG..................................................................................................... 385
CHƯƠNG 8 - CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ .......................................................... 389
8.1 PHẦN MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 389
8.1.1. Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử. ................................................. 389
8.1.2. Hệ thống thông tin quang............................................................................... 390
8.1.3. Vật liệu bán dẫn quang .................................................................................. 391
8.2. CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG .......................................................................... 393
8.2.1 Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất .......................................................... 393
8.2.2. Diode phát quang (LED- Light Emitting Diode)........................................... 397
8.2.3. Điôt LASER................................................................................................... 403
8.2.4. Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD) ..................................................................... 408
Các linh kiện thu quang. ................................................................................................. 410
8.3.1. Giới thiệu chung. ........................................................................................... 410
8.3.2. Điện trở quang. .............................................................................................. 410
8.3.3. Điôt quang (photodiode)................................................................................ 414
Tế bào quang điện.................................................................................................... 423
Transistor quang lưỡng cực. .................................................................................... 425
Thyrixto quang......................................................................................................... 428
Các bộ ghép quang (Opto- Couplers). ............................................................................ 430
CẤU KIỆN CCD (Charge Coupled Devices - Cấu kiện tích điện kép) ........................ 432
TÓM TẮT....................................................................................................................... 434
CÂU HỎI ÔN TẬP......................................................................................................... 434
CHƯƠNG 9 ................................................................................................................... 436
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MẠCH TÍCH HỢP .......................... 436
9.1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI MẠCH TÍCH HỢP............................................... 436
10
Mục lục
9.1.1 Định nghĩa.......................................................................................................436
9.1.2 Phân loại..........................................................................................................437
9.2 CÔNG NGHỆ TÍCH HỢP:.......................................................................................438
9.3 QUY TRÌNH THIẾT KẾ VÀ SẢN XUẤT VI MẠCH............................................440
9.4 ỨNG DỤNG VI MẠCH ...........................................................................................446
9.4.1 Vi mạch tích hợp tương tự (Analog IC)..........................................................446
9.4.2 Vi mạch tích hợp số (Digital IC): ...................................................................448
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................449
11
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ
• Khái niệm chung
• Khái niệm về cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử
• Các mô hình phần tử mạch điện cơ bản
• Tổng quan các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện
• Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến
• Phân loại cấu kiện điện tử.
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
1.1.1. Vai trò của khái niệm kỹ thuật trừu tượng
Các lĩnh vực kỹ thuật (Engieering) là cách sử dụng có mục đích của các lĩnh vực
khoa học. Khoa học có nhiệm vụ giải thích về các hiện tượng tự nhiên. Nghiên cứu khoa
học thường gắn liền với thực nghiệm, và các định luật khoa học là những phát biểu ngắn
gọn hay biểu thức giải thích những số liệu thực nghiệm. Các định luật vật lý có thể được
xem như là lớp trừu tượng giữa những số liệu thực nghiệm và người thực hiện để không
cần quan tâm đến những chi tiết thực nghiệm và số liệu đã được đúc kết thành các định
luật. Khái niệm kỹ thuật trừu tượng được xây dựng với tập riêng các mục đích trong ý
nghĩ, và chúng được sử dụng khi những ràng buộc thích hợp xuất hiện.
Kỹ thuật điện – điện tử là một trong nhiều ngành kỹ thuật và là ngành sử dụng có
mục đích các phương trình của Maxwell về hiện tượng điện từ trường. Để thuận tiện cho
việc sử dụng các kết quả của hiện tượng điện từ trường, kỹ thuật điện – điện tử đã tạo ra
một lớp khái niệm trừu tượng mới trên các phương trình Maxwell là khái niệm về linh
kiện và mạch điện được thu gọn. Trong giáo trình này sẽ cung cấp mối liên hệ giữa vật lý
và kỹ thuật điện – điện tử. Bên cách đó có mối liên hệ chặt chẽ, thống nhất giữa điện tử viễn thông, khoa học máy tính đến kỹ thuật điện – điện tử. Kỹ thuật điện – điện tử là nền
tảng cho phát triển các hệ thống viễn thông, công nghệ thông tin và ngược lại viễn thông
và công nghệ thông tin phát triển hỗ trợ đắc lực và hiệu quả cho quá trình quản lý, xây
dựng những hệ thống điện – điện tử phức tạp.
Trải qua nhiều thập kỷ phát triển, kỹ thuật điện – điện tử đã phát triển tập các khái
niệm kỹ thuật trừu tượng cho phép chúng ta chuyển các lý thuyết khoa học vật lý chuyên
12
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
ngành sang kỹ thuật và do đó xây dựng được những hệ thống điện, điện tử phức tạp và
hữu ích.
Sử dụng mô hình kỹ thuật trừu tượng giúp cho việc nghiên cứu các bài toán vật lý
thực tế trở lên dễ dàng hơn. Giả sử có mạch điện thực tế như – dùng nguồn Pin thắp sang
bóng đèn sợi đốt. Làm thế nào để tính toán dòng điện I qua bóng đèn?
Thay vì đưa ra các mô tả toán học của bài toán dưới dạng các phương trình
Maxwell, chúng ta thay thế các thành phần mạch điện bằng các mô hình trừu tượng rời
rạc. Bỏ qua cách dòng điện tích chạy trong sợi đốt, cũng như bỏ qua tham số về nhiệt độ,
hình dạng ... của nó, nếu chỉ để tính cường độ dòng điện qua bóng đèn thì chúng ta có thể
thay thế tương đương bóng đèn bằng mô hình điện trở rời rạc có trị số điện trở R. Bỏ qua
tham số về cấu tạo, dung lượng của Pin, chúng ta có thể thay thế nó bằng mô hình nguồn
áp không đổi có giá trị V. Từ mô hình mạch điện có thể xác định cường độ dòng điện
quan bóng đèn theo định luật Ôm như sau:
I=
V
R
A I
V
R
B
Hình 1.1
- Bài toán vật lý thực tế và mô hình trừu tượng
1.1.2. Tín hiệu
a. Khái niệm tín hiệu
Tín hiệu là đại lượng vật lý mang thông tin vào và ra của hệ thống. Tín hiệu chứa
thông tin về sự biến đổi của những sự vật, hành động trong thế giới vật lý của chúng ta.
Ví dụ thông tin về thời tiết được chứa trong tín hiệu biểu diễn nhiệt độ của không khí, áp
suất khí quyển, tốc độ gió... Tiếng nói của phát thanh viên đọc bản tin qua microphone
tạo ra tín hiệu âm chứa thông tin về các sự kiện trên thế giới... Tiếng nói, âm nhạc, âm
thanh … Các dạng tín hiệu thường gặp trong tự nhiên như dao động từ các hệ thống cơ
học, chuỗi video và ảnh chụp, ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray, sóng điện từ phát ra
từ các hệ thống truyền thông, điện áp và dòng điện trong cấu kiện, mạch, hệ thống…,
biểu đồ điện tâm đồ (ECG), điện não đồ, Emails, web pages…. Mỗi loại tín hiệu tương
13
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
ứng với nguồn nào đó trong tự nhiên, và thường được biểu diễn bằng hàm số theo thời
gian, tần số hay khoảng cách.
Có hai dạng tín hiệu phổ biến là:
+ Tín hiệu tương tự (Analog Signal): Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời
gian. Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự, x(t).
+ Tín hiệu rời rạc (Discrete Signal): Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian. Tín
hiệu số là loại tín hiệu rời rạc chỉ nhận các giá trị trong một tập hữu hạn xác định. Ví dụ
tín hiệu sử dụng trong các hệ thống máy tính là tín hiệu số dạng nhị phân (hai mức logic
“0” và “1”).
x[n]
x(t)
…
…
t
Tín hiệu tương tự
t , x (t ) ∈ ℜ
Hình 1.2
n
Tín hiệu số
n , x[ n ] ∈ Ζ
- Minh họa dạng sóng tín hiệu tương tự/ tín hiệu số
b. Tín hiệu điện
Để tách được những thông tin yêu cầu từ tập các tín hiệu, luôn cần xử lý tín hiệu
theo cách định trước. Hiện nay quá trình xử lý tín hiệu đó chủ yếu được thực hiện bởi các
hệ thống điện tử. Do đó tín hiệu phi điện trước hết phải được biến đổi thành tín hiệu điện
nhờ các bộ biến đổi (Transducers). Ví dụ để biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện dùng
microphone. Tín hiệu điện mang thông tin cũng chính là đối tượng được nghiên cứu chủ
yếu trong lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông. Cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử chính là
các phương tiện để thực hiện việc sao lưu, xử lý, truyền tải các tín hiệu điện đó. Trong tài
liệu này sẽ tập trung trình bày về các loại cấu kiện điện tử thông dụng.
Tín hiệu điện là tín hiệu chứa dòng điện, điện từ trường biến đổi theo thời gian và
không gian với các tham số xác định. Tín hiệu điện thường được sử dụng dưới dạng dưới
ba dạng là sóng điện từ, tín hiệu dòng điện, và tín hiệu điện áp,.
Dòng điện (Current): Là dòng dịch chuyển có hướng của các điện tích thông qua
vật dẫn hoặc phần tử mạch điện. Ký hiệu: I -thường được hiểu là dòng không đổi, i(t) –
dòng biến thiên theo thời gian. Đơn vị: Ampere (A), mA... Nguồn tạo ra dòng điện được
gọi là nguồn dòng.
Điện áp (Voltage): Khái niệm điện áp hay hiệu điện thế thường được dùng khi so
sánh điện thế giữa hai điểm, hoặc nói về điện thế của một điểm khi lấy điểm kia là mốc
14
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
có điện thế bằng 0. Điện áp chính là năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian
của điện tích dịch chuyển giữa 2 điểm.
Ký hiệu điện áp là V hoặc U , v(t) hoặc u(t). Đơn vị V, mV, kV... Nguồn tạo ra
điện áp được gọi là nguồn áp.
c. Dòng một chiều và dòng xoay chiều
I
i(t)
3A
t
t
0
0
i(t)
i(t)
10A
5A
t
t
0
0
Dòng một chiều - DC
Hình 1.3
Dòng xoay chiều - AC
– Đồ thị minh họa dòng một chiều và dòng xoay chiều
DC (Direct current) - Dòng một chiều: dòng điện có chiều không đổi theo thời
gian. Về mặt biểu thức toán học thì giá trị của dòng luôn dương hoặc luôn âm. Chú ý
tránh hiểu nhầm DC = không đổi. Xem Hình 1.3
Ví dụ: Dòng không đổi I=3A;
Dòng một chiều biến thiên i(t)=10+5 sin(100πt)(A)
AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều: Dòng điện có chiều thay đổi theo
thời gian. Về mặt biểu thức toán học thì giá trị của dòng vừa có giá trị dương và vừa có
giá trị âm. Xem Hình 1.3.
Ví dụ: Dòng xoay chiều i (t ) = 2 cos(2πt )( A) ;
i (t ) = 5 + 10 cos(200πt )( A) .
15
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
d. Các thành phần và trị số điện áp, dòng điện
Tín hiệu điện áp và dòng điện có dạng bất kỳ tuần toàn với chu kỳ T có thể được
phân tích thành tổng của thành phần một chiều giá trị không đổi và thành phần xoay
chiều.
Ngoài ra, để đánh giá về cường độ của tín hiệu có thể dùng tham số trị số trung
bình, trị số hiệu dụng của tín hiệu.
Biểu thức xác định các thành phần và trị số của điện áp, dòng điện như sau:
Tín hiệu điện áp u(t)
Tín hiệu dòng điện i(t)
+ Thành phần điện áp một chiều UDC
U DC =
+ Thành phần dòng một chiều IDC
T +t0
∫ u (t )dt
I DC =
+ Thành phần điện áp xoay chiều uAC
+ Thành phần dòng xoay chiều iAC
u AC = u (t ) − U DC
i AC = i (t ) − I DC
+ Trị số điện áp hiệu dụng Uhd hay URMS
U RMS
T + t0
∫u
2
+ Trị số dòng điện hiệu dụng Ihd hay IRMS
(t )dt
I RMS
to
+ Trị số điện áp trung bình Utb
U tb =
∫ i(t )dt
to
to
1
=
T
T +t0
1
=
T
T + t0
∫i
2
(t ) dt
to
+ Trị số dòng điện trung bình Itb
T + t0
∫ u (t ) dt
I DC =
to
T + t0
∫ i(t ) dt
to
Ví dụ 1.1: Xác định các thành phần của điện áp dạng hình sin có dạng như sau:
u(t)
Um
t
0
T
u(t)
Um
u(t)
Um
t
0
T/2
T
0
t
3T/2
(a)
(b)
(c)
u(t)=Umsinωt(V)
u(t)=|Umsinωt| (V)
u(t) = Umsinωt với 0≤t≤T/2
=0
16
T
T/2
với T/2≤t≤T
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
UDC=0 V
U tb =
2U m
U RMS =
π
Um
2
U DC =
(V )
U tb =
(V )
2U m
(V )
U DC =
2U m
(V )
U tb =
π
U RMS =
π
Um
2
(V )
U RMS =
Um
(V )
Um
(V )
π
π
Um
2 2
(V )
1.1.3. Khái niệm cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử
a. Cấu kiện điện tử
Cấu kiện điện tử: là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC) … có tính
năng thu nhận, lưu trữ, truyền dẫn, hoặc xử lý tín hiệu điện... tạo nên mạch điện tử, các
hệ thống điện tử có chức năng kỹ thuật nào đó. Xem hình ảnh một số loại cấu kiện trong
thực tế trong Hình 1.4.
Hình 1.4
- Hình ảnh của một số loại cấu kiện điện tử trong thực tế.
Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch
điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện
điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây... các linh kiện không
17
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
thể thiếu được như Điốt, transistor... đến các linh kiện tích hợp (IC) phức tạp... Chúng
được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực
hiện chức năng của thiết bị điện tử, ví dụ như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết
bị điện tử y tế... đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v...Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh
kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ
thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc
nguyên lý hoặc động, đặc điểm, tham số, và ứng dụng của chúng.
Trong thực tế cấu kiện điện tử rất đa dạng, có nhiều tham số, đặc tính khác nhau,
tuy nhiên khi nghiên cứu về cấu kiện điện tử chúng ta thường sử dụng các mô hình của
cấu kiện với những tham số đặc trưng, quan trọng nhất.
b. Mạch điện tử
iPhone 3G
Hình 1.5
18
- Hình ảnh của một số mạch điện tử trong thực tế.
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
Mạch điện là một tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng nếu có)
và các cấu kiện điện tử cùng dây dẫn điện được đấu nối với nhau theo một sơ đồ mạch đã
thiết kế nhằm thực hiện một chức năng nào đó của một thiết bị điện tử hoặc một hệ thống
điện tử. Ví dụ như mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị
phân, mạch đếm xung, hoặc đơn giản chỉ là một mạch phân áp,... Hình ảnh một số mạch
điện tử trong thực tế như Hình 1.5.
Cấu hình vật lý của mạch điện tử rất đa dạng và phức tạp, khi nghiên cứu về mạch
chúng ta thường nghiên cứu chúng dưới dạng mô hình mạch điện (Tập hợp của nhiều mô
hình cấu kiện kết nối với nhau).
c. Hệ thống điện tử
Hệ thống điện tử là một tập hợp các mạch điện tử có các chức năng kỹ thuật riêng
kết nối với nhau theo một cấu trúc nhất định tạo thành một thiết bị điện tử có chức năng
kỹ thuật nhất định hoặc một hệ thống điện tử phức tạp có chức năng kỹ thuật riêng như
máy thu hình, máy hiện sóng, hệ thống phát thanh truyền hình, trạm truyền dẫn vi ba, hệ
thống thông tin quang...
Hình 1.6
- Hình ảnh của một số hệ thống điện tử trong thực tế.
19
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
1.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN
Trong thực tế cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử rất đa dạng, để nghiên cứu, thiết kế,
tính toán chúng thường sử dụng mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng. Mô hình mạch
điện nguyên lý được xây dựng từ các mô hình các phần tử mạch điện.
Trong mô hình mạch điện nguyên lý, mỗi cấu kiện điện tử có thể được thay thế
tương ứng bằng một mô hình phần tử tương ứng hoặc bằng một khối mạch tương tương
gồm nhiều phần tử cơ bản ghép với nhau. Trong thực tế nhiều cấu kiện phức tạp có thể
chỉ thay thế bằng một mô hình đơn giản gồm hộp đen có các chân vào/ra và kèm theo là
mô tả hoạt động của chúng dưới dạng các phương trình quan hệ, bảng trạng thái, giải
thuật, mô tả bằng ngôn ngữ đặc tả hay ngôn ngữ tự nhiên. Ví dụ về mạch điện trong thực
tế và mô hình mạch điện nguyên lý như Hình 1.7.
Mạch điện thực tế
Mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng
Hình 1.7
20
- Mạch điện thực tế và mô hình mạch tương ứng
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
Các cấu kiện điện tử được trình bày trong tài liệu này chủ yếu được nghiên cứu
dưới dạng mô hình và kết chúng với nhau trong mô hình mạch nguyên lý xác định. Như
vậy trong tài liệu này khi nói đến mạch điện chúng ta hiểu đó là mô hình mạch điện
nguyên lý.
Các mô hình phần tử cơ bản của mạch điện bao gồm: Các phần tử nguồn điện,
Phần tử thụ động cơ bản: Điện trở, Điện cảm, Điện dung. Còn mô hình của các phần tử
phức tạp hơn như Điốt, Transistor, ... sẽ lần lượt được xét trong các chương tiếp theo.
1.2.1. Các phần tử tuyến tính R, L, C
1.2.1.1. Phần tử điện trở
Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện.
Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì
điện trở là vô cùng lớn. Mức độ cản điện được đặc trưng bởi phần tử điện trở, thường
được ký hiệu là R (Resistor) và có 2 dạng mô hình (hoàn toàn tương đương) như Hình
1.8.
i(t)
R
i(t)
u(t)
u(t)
Hình 1.8
R
– Mô hình của phần tử điện trở
Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên điện trở tuân theo định luật Ôm rất nổi
tiếng:
U=I.R
hay u(t)=i(t).R
Trong đó:
U, u(t) : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản V (Vôn).
I, i(t) : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản A (Ampe).
R : trị số điện trở của vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản Ω (Ohm).
- Trị số điện dẫn của điện trở: G=1/R
1.2.1.2 Phần tử điện dung (tụ điện)
Tụ điện là phần tử mạch có khả năng Tích, Lưu và phóng điện tích dưới dạng năng
lượng của Điện trường . Thường được tạo ra bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi
điện môi (chất cách điện). Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ
xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt
tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên
21
Chương 1 - Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử
hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo
nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt
động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện.
Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và
chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh, đây là một ưu thế của nó
so với ắc qui.
i(t)
C
u(t)
Hình 1.9
– Mô hình của phần tử tụ điện
Mức độ tích điện của tụ điện được đặc trưng bởi trị số điện dung C (F), và cũng
được ký hiệu là C và có mô hình như Hình 1.9:
Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên tụ như sau:
i (t ) = C.
du (t )
dt
1.2.1.3 Phần tử điện cảm
Điện cảm là phần tử mạch điện có khả năng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng
(năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện biến thiên đi qua); và làm
dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°. Tham số Điện cảm được đặc trưng
bằng độ tự cảm L, đơn vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm L càng cao thì càng tạo ra từ
trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng. Trong sơ đồ mạch điện, điện cảm cũng được ký
hiệu là L và có mô hình như Hình 1.10:
i(t)
L
u(t)
Hình 1.10 – Mô hình của phần tử điện cảm
Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên điện cảm như sau:
u (t ) = L.
22
di (t )
dt
- Xem thêm -
.PDF 
447 
239 
142 
