Điện Tử - Kỹ Thuật Mạch Điện Tử (Phần 2) part 9 doc

Ngày nay, trong bước phát triển nhảy vọt của kĩ thuật tự động hóa, nó mang ý nghĩa là khâu then chốt, là công cụ không thể thiếu để giải quyết các nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể hướng tới mục

197

Dòng ghim (IH) và điện áp dẫn thuận UF của điôt bốn lớp cũng tương tự như trong tiristo Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của điôt 4 lớp là tạo ra dao động răng cưa (sơ đồ nguyên lí của mạch như hình 2.167) Trong đó tụ C1 được nạp điện trở R1 từ nguồn E Quá trình nạp tiếp điện cho đến khi điện áp trên hai của tụ điện C1 vượt quá giá trị điện áp kích mở cho điôt 4 lớp làm điôt mở, tụ phóng điện nhanh qua nội trở nhỏ của điôt làm điện áp trên tụ C1 giảm xuống Điện áp đặt trên hai cực điôt cũng giảm Khi đạt mức làm dòng qua điôt nhỏ hơn dòng ghim IH thì điôt lại

khóa và tụ C lại bắt đầu nạp Điện áp ra có dạng răng cưa hình 2.167 Điện trở R1 trên

sơ đồ phải chọn để khi điôt mở dòng chạy trong mạch phải có cường độ bằng dòng

mở điôt Is (Nếu nhỏ hơn Is thì điôt sẽ không mở) Nhưng R1 cũng phải đủ lớn để ngăn không cho dòng qua điôt giảm xuống dưới giá trị dòng IH khi tụ C1 phóng điện Nghĩa

là ngăn ngừa khả năng điôt đóng ngay sau khi tụ phóng điện

Ví dụ: Sơ đồ nguyên lí tạo mạch dao động răng cưa (h.2.167) điôt bốn lớp có tham số như sau: Us = 10V ; Us = 1v, Is = 500mA và IH = 1,5mA nguồn E =30V Hãy tính giá trị cực đại và cực tiểu của R1 để mạch làm việc bình thường

Giải: Căn cứ vào mạch có thể viết : E = (IR1) + Uc và

I

U -E

=

1

Tại điện áp mở mở điôt có : Uc = Us và Imin = Is

ta suy ra :

40kΩ

= A 500.10

10V -30V

= I

U -E

=

s

s 1max

Điôt mở hoàn toàn ta có Uc = U1 và Umax =IH Vậy:

Nếu có điôt 4 lớp ghép song song và ngược chiều sau đó đặt chúng vào một vỏ bọc ta được điôt bốn lớp hai chiều Nguyên lí làm việc của loại này tương tự như điôt

4 lớp một chiều vừa kể trên

198

Chương 3

KĨ THUẬT XUNG - SỐ

"Kĩ thuật xung - số'' là thuật ngữ bao gồm một lĩnh vực khá rộng và quan trọng của ngành kĩ thuật điện tử - tin học Ngày nay, trong bước phát triển nhảy vọt của kĩ thuật tự động hóa, nó mang ý nghĩa là khâu then chốt, là công cụ không thể thiếu để giải quyết các nhiệm vụ kĩ thuật cụ thể hướng tới mục đích giảm các chi phí về năng lượng và thời gian cho một quá trình công nghệ hay kĩ thuật, nâng cao độ tin cậy hay hiệu quả của chúng

Trong chương này, do thời gian hạn chế, chúng ta chỉ đề cập tới một số vấn đề

có tính chất cơ bản, mở đầu của kĩ thuật xung - số Việc nghiên cứu chi tiết hơn sẽ được thực hiện ở giáo trình Kỹ thuật xung, Kỹ thuật số và Xử lý tín hiệu số

Tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian (mang nội dung của một quá trình thông tin nào đó) có hai dạng cơ bản: liên tục hay rời rạc (gián đoạn) Tương ứng với chúng, tồn tại hai loại hệ thống gia công, xử lí tín hiệu có những đặc điểm kĩ thuật khác nhau mang những ưu, nhược điểm khác nhau là hệ thống liên tục (analog) và hệ thống rời rạc (digital) Nhiều khi, do đặc điểm lịch sử phát triển và để phát huy đầy đủ ưu thế của từng loại ta gặp trong thục tế hệ thống lai ghép kết hợp

cả việc gia công xử lí hai loại tín hiệu trên

Đối tượng của chương này chỉ đề cập tới loại tín hiệu rời rạc theo thời gian gọi

là tín hiệu xung

Dạng các tín hiệu xung thường gặp cho trên hình 3.1 Chúng có thể là một dãy xung tuần hoàn theo thời gian với chu kì lặp lại T, hay chỉ là một xung đơn xuất hiện một lần, có cực tính dương, âm hoặc cực tính thay đổi

Hình 3.1: Các dạng tín hiệu xung a) Dãy xung vuông; b) Dãy xung tam giác (răng cưa); c) Dãy xung hàm mũ (xung kim)

199

Hình 3.2 chỉ ra một xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng: sườn trước, đỉnh và sườn sau Các tham số cơ bản là biên độ, độ rộng xung, độ rộng sườn trước

và sau, độ sụt đỉnh

Hình 3.2: Các tham số của một tín hiệu xung

• Biên độ xung Um xác đinh bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có được trong thời gian tồn tại của nó

• Độ rộng sườn trước và sườn sau (ttr và ts) xác đinh bởi khoảng thời gian tăng

và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0,l Um đến 0,9Um

• Độ rộng xung tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0,1Um (hay mức 0,5Um tùy theo chuẩn quy ước)

• Đô sụt đỉnh xung thể hiện mức giảm biên độ xung ở đoạn đỉnh xung

Với dãy xung tuần hoàn, còn có các tham số đặc trưng sau (cụ thể xét với dãy xung vuông)

• Chu kì lặp lại xung T (hay tần số xung f = 1/T) là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của hai xung kế tiếp nhau

• Thời gian nghỉ tng (h3.1a) là khoảng thời gian trống giữa hai xung liên tiếp

• Hệ số lấp đầy γ là tỉ số giữa độ rộng tx và chu kì T

T

tX

=

γ

từ đó có hệ thực : T = tx + tng và γ < 1

Trong kĩ thuật xung - số, người ta thường sử dụng phương pháp số đối với dạng tín hiệu xung với quy ước chỉ có hai trạng thái phân biệt:

200

• Trạng thái có xung (khoảng tx) với biên độ lớn hơn một mức ngưỡng UH gọi là mức cao hay mức "1', mức UH thường được chọn cỡ bằng 1/2 điện áp nguồn cung cấp

• Trạng thái không có xung (khoảng tng với biên độ nhỏ hơn một mức ngưỡng

UL) gọi là mức thấp hay mức "O" Mức UL được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito, IC)

• Các mức điện áp ra trong dải UL < Ura < UH là các trạng thái cấm Vấn đề này

sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần tiếp theo

Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (l0-9 + l0-6s), do đó có nhiều đặc điểm khác với chế độ khuếch đại

đã xét ở Chương 2

a - Yêu cầu cơ bản với một tranzito ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có hai trạng thái

khác biệt:

 Ura ≥ UH khi Uvào ≤ UL (3-1)

 Ura ≤ UL khi Uvào ≥ UH

Chế độ khóa của tranzito được xác đinh bởi chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (khóa thường đóng hay thường mở) Việc chuyển trạng thái của khóa thường được thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực tính thích hợp tác động tới đầu vào Cũng có trường hợp khóa tự động chuyển đổi trạng thái một cách tuần hoàn nhờ mạch hồi tiếp dương nội bộ, khi đó không cần xung điều khiển (xem các phần mạch tạo xung tiếp sau)

Để đưa ra những đặc điểm chủ yếu của chế độ khóa, hãy xét mạch cụ thể hình 3.3

Hình 3.3: Mạch khóa (đảo) dùng Tranzito

201

Sơ đồ thực hiện được điều kiện (3-1) khi lựa chọn các mức UH, UL cũng như các giá trị Rc và RB thích hợp Ban đầu (khi Uv = 0 hay Uv ≤ UL) tranzito ở trạng thái đóng, dòng điện ra Ic = 0, lúc không có tải Rt

Ura = +Ecc

Lúc điện trở tải nhỏ nhất Rc = Rt (với Rt là điện trở vào của mạch tầng sau nối với đầu ra của sơ đồ) Ura = 0,5Ecc là mức nhỏ nhất của điện áp ra ở trạng thái H, để phân biệt chắc chắn, ta chọn UH < 0,5Ecc (chẳng hạn UH = l,5V khi Ecc = 5V) Phù hợp với điều kiện (3-1), điện áp vào phải nằm dưới mức UL (được hiểu là điện áp vào lớn nhất để tranzito vẫn bị khóa chắc chắn UL=UVmax) Với tranzito silic người ta chọn

UL = 0,4V

Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới đầu vào Uvào ≥ UH tranzito chuyển sang trạng thái mở (bão hòa), điện áp ra khi đó phải thỏa mãn điều kiện

Ura ≤ UL Điện trở Rc chọn thích hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng Ic không quá lớn, chẳng hạn Rc = 5kΩ Xác định RB để khi Uv = UH = 1,5V thì Ura ≤ UL = 0,4V Muốn vậy Icbh = ECC/RC = 1mA, với β = 100 khi đó dòng bazơ IBbH = 10µA Để tranzito bão hòa vững, chọn IB = 100µA (tức là có dự trữ 10 lần), lúc đó lưu ý UBE = 0,6V có

9kΩ 100µ0

0,6)V (1,5

b - Đặc tính truyền đạt của sơ đồ với những tham số trên cho ở hình 3.4 Để đánh

giá mức tin cậy của khóa, người ta định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao SH và ở mức thấp SL:

SL = UL - Ura mở

Ở đây, Ura khóa và Ura mở là các điện áp thực tế tại lối ra của tranzito lúc khóa hay mở tương ứng với trường hợp cụ thể trên

SH = 2,5V – l,5V = 1V (lúc Uv ≤ UL)

SL = 0,4V – 0,2V = 0,2V (lúc Uv ≥ UH)

Từ đó có nhận xét sau:

- Có thể dễ dàng đạt được mức SH lớn bằng cách chọn Ecc và các tham số Rc, RB

thích hợp

- Do SL thường nhỏ, cần phải quan tâm đặc biệt tới việc nâng cao tính chống nhiễu với mức thấp Vì trị số điện áp ra Urabh = UCEbh thực tế không thể giảm được, muốn

SL tăng, cần tăng mức UL (xem biểu thức 3.2)

202

Hình 3.4: Đặc tuyến truyền đạt của tranzito khóa

Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động như một khóa điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nằm trong vùng bão hòa của đặc tuyến truyền đạt Ura = f(Uvào) (h.2.104) Khi đó điện áp ra chỉ nằm ở một trong hai mức bão hòa U+ramax và U-ramax ứng với các biên độ Uv đủ lớn Để minh họa nguyên lí hoạt động của một IC khóa ta xét một ví dụ điển hình là mạch so sánh (comparator)

a - Mạch so sánh (h.3.8) thực hiện quá trình so sánh biên độ của điện áp đưa vào

(Uvào) với một điện áp chuẩn (Ungưỡng) có cực tính có thể là dương hay âm Thông thường giá trị Ungưỡng được định trước cố đinh và mang ý nghĩa là một thông tin chuẩn (tương tự như quả cân trong phép cân trọng lượng kiểu so sánh), còn giá trị

Uvào là một lượng biến đổi theo thời gian cần được giám sát theo dõi, đánh giá, mang thông tin của quá trình động (thường biến đổi chậm theo thời gian) cần được điều khiển trong một dải hay ở một trạng thái mong muốn Khi hai mức điện áp này bằng nhau (Uvào= Ungưỡng) tới đầu ra bộ so sánh sẽ có sự thay đổi cực tính của điện áp từ

U+ramax tới U-ramax hoặc ngược lại Trong trường hợp riêng, nếu chọn Ungưỡng = 0 thì thực chất mạch so sánh đánh dấu lúc đổi cực tính của UVào

Trong mạch hình 3.8a Uvào và Ungưỡng được đưa tới hai đầu vào đảo và không đảo tương ứng của IC Hiệu của chúng Uo = Uv - Ungưỡng là điện áp giữa hai đầu vào của IC sẽ xác định hàm truyền của nó:

Khi Uv < Ungưỡng thì Uo < 0 do đó Ura = U+

ramax Khi Uv ≥ Ungưỡng thì Uo > 0 và Ura = U

Như vậy, điện áp ra đổi cực tính khi Uvào chuyển qua giá trị ngưỡng Ungưỡng Nếu

Uvào và Ungưỡng trong hình 3.8a đổi vị trí cho nhau hay cùng đổi cực tính (khí vị trí giữ nguyên) thì đặc tính hình 3.8b đảo ngược lại (nghĩa là h.38c và d)

Khi Uv < Ungưỡng thì Ura = - U-ramax

Khi Uv ≥ Ungưỡng thì Ura = + U+ramax

203

b - Trong những trường hợp biên độ của Uvào và Ungưỡng lớn hơn giá trị điện áp đầu vào tối đa cho phép của IC, cần mắc chúng qua bộ phân áp điện trở trước khi đưa tới các đầu vào của IC Giống như khóa tranzito, khi làm việc với các tín hiệu xung biến đổi nhanh cần lưu ý tới tính chất quán tính (trễ) của IC thuật toán Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay, thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/µs, do đó việc dùng chúng trong các mạch comparator có nhiều hạn chế khi đòi hỏi độ chính xác cao Trong điều kiện tốt hơn, việc sử dụng các IC chuyên dụng được chế tạo sẵn sẽ

có tốc độ chuyển biến nhanh hơn nhiều cấp (cỡ V/ns ví dụ loại µA710, A110, LM310-339 hay NE521 ) Hoặc dùng các biện pháp kĩ thuật mạch để giảm khoảng cách giữa 2 mức U±ramax

Hình 3.8 : a), c) - Bộ so sánh dùng IC thuật toán với hai kiểu mắc khác nhau và

b), d) - Hàm truyền đạt tương úng của chúng

c - Có thể mở rộng chức năng của mạch so sánh nhờ mạch hình 3.9a với đặc tính

truyền đạt cho trên hình 3.9b, gọi là bộ so sánh tổng

Từ đặc tính hình 3.9b thấy rõ bộ so sánh tổng sẽ chuyển trạng thái ở đầu ra lúc tổng đại số của hai điện áp vào (đưa tới cùng một đầu vào) đạt tới 1 giá trị ngưỡng (đưa tới đầu vào kia) Nếu chọn Ungưỡng = 0 (h.3.9a) thì mạch sẽ lật lúc có điều kiện

U1 + U2 = 0 (h.3.9b) Các nhận xét khác, đối với mạch hình 3.8a ở đây đều đúng cho

bộ so sánh tổng khi đảo lại: đặt U1 và U2 tới đầu vào N và Unguỡng tới đầu vào P