BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI ---------------------------- TS. LÊ TRUNG THÀNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI 2011
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI ---------------------------- TS. LÊ TRUNG THÀNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ (Dùng cho sinh viên hệ cao đẳng) HÀ NỘI 2011 ii
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU... iii MỘT SỐ KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ....iv Chương 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN...1 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN... 2 1.1.1 Tin tức và tín hiệu... 2 1.1.2 Dòng điện... 4 1.1.3 Điện áp... 4 1.1.4 Nguồn điện... 4 1.2 MỘT SỐ ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN... 4 1.2.1 Định luật Ôm... 4 1.2.2 Định luật Kirchhoff... 5 1.3 MỘT SỐ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ ĐIỂN HÌNH... 6 1.3.1 Hệ thống điện thoại di động... 6 1.3.2 Hệ thống đo lường điện tử... 8 1.3.3 Hệ thống tự động điều khiển... 9 1.4 TÓM TẮT CHƯƠNG... 11 Chương 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG...13 2.1 ĐIỆN TRỞ... 13 2.1.1 Khái niệm... 13 2.1.2 Các tham số đặc trưng của điện trở... 13 2.1.3 Cách ghi và đọc tham số trên điện trở... 15 2.1.4 Phân loại và ứng dụng của điện trở... 17 2.2 TỤ ĐIỆN... 18 2.2.1 Khái niệm... 18 2.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện... 18 2.2.3 Phân loại tụ điện... 20 2.2.4 Cách đọc giá trị của tụ điện... 21 iii
2.2.5 Ứng dụng của tụ điện... 22 2.3 CUỘN CẢM... 22 2.3.1 Khái niệm... 22 2.3.2 Các tham số cuộn cảm... 23 2.3.3 Phân loại cuộn cảm... 24 2.3.4 Cách đọc giá trị cuộn cảm... 24 2.4 TÓM TẮT CHƯƠNG... 25 Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ...26 3.1 CHẤT BÁN DẪN... 27 3.2.1 Khái niệm... 27 3.2.2 Bán dẫn nguyên chất... 28 3.2.3 Bán dẫn pha tạp... 30 3.2 ĐIỐT BÁN DẪN... 32 3.2.1 Tiếp xúc PN... 32 3.2.2 Đặc tuyến V-A của tiếp xúc PN... 35 3.2.3 Điốt bán dẫn... 35 3.2.4 Một số ứng dụng của Điốt bán dẫn... 38 3.3 TRANZITO LƯỠNG CỰC... 40 3.3.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Tranzito lưỡng cực- BJT... 40 3.3.2 Các cách mắc cơ bản của BJT... 42 3.3.3 Phân cực cho BJT... 47 3.4 TRANZITO HIỆU ỨNG TRƯỜNG... 58 3.4.1 Cấu tạo và đặc tính của JFET... 60 3.4.2 Cấu tạo và đặc tính của MOSFET... 65 3.4.3 Phân cực cho FET... 70 3.5 KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU... 77 3.5.1 Khuếch đại tín hiệu dùng BJT... 78 3.5.2 Khuếch đại tín hiệu dùng FET... 92 3.5.3 Ghép giữa các tầng khuếch đại... 99 iv
3.6 VI MẠCH THUẬT TOÁN... 100 3.6.1 Khái niệm... 100 3.6.2 Một số ứng dụng của vi mạch thuật toán... 101 3.7 MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ KHÁC... 106 3.7.1 Nguồn một chiều... 106 3.7.2 Tạo dao động điều hòa... 107 3.7.3 Biến đổi tín hiệu tương tự-số và ngược lại... 107 3.8 TÓM TẮT CHƯƠNG... 108 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP... 115 Chương 4: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ...127 4.1 ĐẠI SỐ BOOLE... 128 4.1.1 Trạng thái logic 1 và 0... 128 4.1.2 Đại số Boole... 129 4.2 CÁC PHẦN TỬ LOGIC CƠ BẢN... 130 4.2.1 Cổng ĐẢO (NOT)... 130 4.2.2 Cổng HOẶC (OR)... 131 4.2.3 Cổng VÀ (AND)... 131 4.2.4 Cổng NAND... 132 4.2.5 Cổng NOR... 133 4.2.6 Cổng cộng module 2 (Ex-OR)... 135 4.2.7 Cổng XNOR... 135 4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN HÀM LOGIC... 136 4.4 TỐI THIỂU HÓA HÀM LOGIC... 141 4.5 HỌ MẠCH LOGIC TTL... 146 4.5.1 Chế độ khóa của Tranzito lưỡng cực... 147 4.5.2 Mạch logic TTL... 148 4.6 HỌ MẠCH LOGIC CMOS... 150 4.6.1 Transitor MOS dùng làm khóa đóng/mở... 151 4.6.2 Logic họ NMOS và PMOS... 152 v
4.6.3 Logic họ CMOS... 156 4.7 MẠCH TỔ HỢP VÀ MẠCH DÃY... 158 4.7.1 Mạch tổ hợp... 158 4.7.2 Mạch dãy... 161 4.8 TÓM TẮT CHƯƠNG... 163 Chương 5: LINH KIỆN QUANG-ĐIỆN TỬ...169 5.2 LINH KIỆN PHÁT QUANG... 169 5.2.1 Nguyên lý bức xạ ánh sáng... 169 5.2.2 Điốt phát quang LED... 170 5.2.3 Laser Điốt... 171 5.3 LINH KIỆN THU QUANG... 171 5.3.1 Điện trở quang... 171 5.3.2 Photo-điốt... 172 5.4 MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG-ĐIỆN TỬ KHÁC... 173 5.4.1 Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD)... 173 5.4.2 Cấu kiện tích điện kép (CCD)... 173 5.5 TÓM TẮT CHƯƠNG... 174 PHỤ LỤC: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH......175 TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 179 vi
LỜI NÓI ĐẦU Môn học Kỹ thuật điện tử là một trong những môn học được cấu trúc bắt buộc trong chương trình đào tạo trình độ cao đẳng ngành Tin học ứng dụng, Công nghệ Thông tin và Hệ thống Thông tin của Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Giáo trình này được biên soạn nhằm cụ thể hóa các kiến thức cập nhật về môn học giảng dạy cho sinh viên, giúp sinh viên có tài liệu cơ bản để học tập, nghiên cứu về môn học, đáp ứng yêu cầu nắm bắt và vận dụng kiến thức của môn học đã đề ra, phù hợp với khung chương trình đào tạo đã quy định. Nội dung giáo trình đề cập một cách hệ thống những kiến thức cơ bản, có tính hiện đại của kỹ thuật điện tử phục vụ cho việc giảng dạy, học tập môn học, được trình bày trong bày trong 5 chương, gồm: Chương 1: Giới thiệu những khái niệm cơ bản về các thông số của mạch điện, về tin tức, tín hiệu và một số định luật cơ bản để phân tích mạch điện tử. Chương 2: Đề cập đến các linh kiện điện tử thụ động thông dụng như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Chương 3: Đề cập đến các kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tương tự, các cấu kiện điện tử như điốt, tranzito lưỡng cực, tranzito trường, khuếch đại tín hiệu dùng tranzito, khuếch đại thuật toán, v.v với mục đích gia công, xử lý tín hiệu theo phương pháp tương tự. Chương 4: Đề cập đến các vấn đề của kỹ thuật số, bao gồm: tranzito làm việc ở chế độ số, các cổng logic cơ bản, đại số Boole, mạch logic TTL, CMOS, thiết kế mạch logic CMOS, mạch tổ hợp và mạch dãy, v.v Chương 5: Trình bày về các linh kiện biến đổi tín hiệu quang- điện và điện-quang như điốt phát quang, điốt LASER, mặt chỉ thị tinh thể lỏng LCD, điện trở quang, photôđiốt, v.v Để giúp sinh viên biết vận dụng các thành tựu của công nghệ thông tin và sử dụng các phần mềm chuyên dụng trong lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu của mình, trong phần phụ lục của giáo trình, tác giả giới thiệu về vii
phần mềm mô phỏng mạch Circuit Maker, hướng dẫn cho sinh viên biết cách dùng phần mềm để thiết kế, vẽ các sơ đồ nguyên lý các mạch điện tử và thí nghiệm mô phỏng các mạch điện tử. Ngoài ra, để giúp người học nắm bắt sâu hơn về lý thuyết và rèn luyện kỹ năng thực hành, tác giả đã biên soạn kèm theo một số bài tập sau mỗi phần lý thuyết. Mỗi chương có thêm phần câu hỏi và bài tập ở cuối nhằm sinh viên có thể vận dụng, kiểm tra và củng cố phần lý thuyết của chương học. Các ví dụ và bài tập đã được thiết kế để có thể mô phỏng, thực hành ngay được trên máy tính. Sinh viên có thể tìm hiểu, mô phỏng hoạt động của chúng thông qua các bài tập này. Do đây là lần đầu tiên biên soạn và xuất bản cuốn giáo trình môn học này, mặc dù tác giả đã cố gắng lựa chọn biên soạn một cách hệ thống các kiến thức cần nắm bắt được của môn học, cập nhật những kiến thức mới, hiện đại nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển nhanh của lĩnh vực điện tử, công nghệ thông tin, song chắc chắn không tránh khỏi các thiếu sót, hạn chế. Để giúp ngày càng hoàn thiện, cập nhật kiến thức trong giáo trình về môn học này, tác giả mong nhận được nhiều ý kiến của bạn đọc về giáo trình này để hoàn thiện hơn nữa trong lần tái bản sau. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng chí lãnh đạo, các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngoài Trường Đai học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo điều kiện thực hiện; có ý kiến góp ý quý báu giúp tác giả hoàn thiện giáo trình này, kịp thời cung cấp tài liệu cho sinh viên học tập. Tác giả rất mong tiếp tục nhận được góp ý của các quý vị sau khi giáo trình này được xuất bản. Trân trọng cảm ơn. TS Lê Trung Thành viii