Bài 12 các sơ đồ chuyển mạch tơng tự Mục đích: Nghiên cứu về cấu tạo, hoạt động của bộ chuyển mạch tơng tự. Phân tích và khảo sát các sơ đồ có sử dụng các bộ chuyển mạch tơng tự. Phần lý thuyết 1. Họ CMOS và ứng dụng Họ vi mạch này sử dụng phối hợp 2 loại transistor trờng MOSFET kênh n và MOSFET kênh p. Mạch Đảo (Phủ định NOT) họ CMOS Hàm logic : xy = Sơ đồ mạch nh trên hình 12.1 Mạch hoạt động nh sau: Khi lối vào X ở mức điện áp cao (H), ở đây mức H bằng điện áp nguồn transistor trờng kênh p T )153( VVV DD ữ= 1 cấm, transistor trờng kênh n T 2 thông, lối ra Y ở mức L. Khi X = L (mức L = 0V) T 2 cấm T 1 thông mạch Y = H. Nh vậy điện áp ra luôn là đảo của điện áp vào, hoạt động của mạch diễn ra đúng nh phơng trình lôgic của mạch NOT đã nêu ở trên. o Y X o o V DD T 1 T 2 P N Hình 12.1 Mạch Không Hoặc (NOR) Sơ đồ cho trên hình 12.2 Bảng chân lý là bảng 12.1 224 X 1 X 2 21 xxY += L L H H L L L H L H H L B¶ng 12.1: b¶ng ch©n lý cña m¹ch NOR ← T 4 N → o o V DD T 1 P → T 2 P’ o ← T 3 N o Y • • • • • • • X 2 X 1 H×nh 12.2 Gi¶i thÝch ho¹t ®éng cña m¹ch: a) Khi 2 lèi vµo Lxx = = 21 : T 1 , T 2 th«ng vµ T 3 , T 4 cÊm dÉn ®Õn H y = b) Khi : , : Tõ s¬ ®å m¹ch ta thÊy khi cÊm, THx = 1 Lx = 2 21 THx →= 4 th«ng nªn y nèi ®Êt lµm cho Y = L. 32 TLx →= cÊm, T 1 th«ng nh−ng T 2 cÊm nªn lèi ra y vÉn ®−îc nèi xuèng ®Êt qua T 1 lµm cho y = L. c) Khi , TLx = 1 →= Hx 2 4 , T 1 cÊm cßn T 2 , T 3 th«ng . Ly =→ d) Khi c¶ THxx == 21 1 , T 2 cÊm vµ T 3 , T 4 th«ng . Ly =→ M¹ch ho¹t ®éng ®óng nh− b¶ng ch©n lý 12.1 M¹ch Kh«ng Vµ (NAND) X 1 X 2 21 .xxY = L L H H L H L H H H H L B¶ng 12.2: M¹ch NOR hä CMOS → o V DD T 2 P’ o • ← T 4 N N • • o → T 1 P ← T 3 • • o Y • • X 1 X 2 H×nh 12.2 225 Giải thích hoạt động của mạch: a) Khi 2 lối vào Lxx = = 21 ; T 1 , T 2 thông và T 3 , T 4 cấm dẫn đến H y = b) Khi : , ; Hx = 1 Lx = 2 T 2 cấm T 3 thông ; T 1 thông T 4 cấm. Lối ra y đợc nối với nguồn V DD : H y = . c) Khi , TLx = 1 = Hx 2 1 cấm, T 2 thông, T 3 cấm, T 4 thông H y = . d) Khi cả THxx == 21 1 , T 2 cấm T 3 , T 4 thông Ly = . (*) Ưu điểm của họ CMOS : Có điện trở lối vào rất lớn. - Vi mạch chỉ tiêu thụ dòng điện khi chuyển mạch (lúc chuyển mạch mới có dòng qua). Vì vậy công suất tiêu thụ cực kỳ nhỏ (cỡ nw). - CMOS có hệ số mắc tải ở lối ra (FAN OUT) rất lớn. (Số cổng lôgic cùng loại có thể mắc vào lối ra của nó là 50, gấp 10 ữ 20 lần họ TTL). (*) Nhợc điểm: Tốc độ chuyển mạch thấp nên tần số làm việc không cao và phụ thuộc vào nguồn nuôi. Khi MHzfVV DD 15 = = , MHzfVV DD 6,110 = = , MHzfVV DD 215 = = Bảo vệ CMOS khỏi bị hỏng: - Vì điều khiển bằng điện trờng, lớp điện môi cực cửa rất mỏng nên lối vào dễ bị hỏng khi điện áp đặt vào lớn. Để bảo vệ lối vào IC họ CMOS ngời ta mắc thêm các mạch bảo vệ cực cửa khỏi bị quá áp nh hình 12.4. o Y o V DD T 1 T 2 P N D 2 D 4 X o D 1 D 3 Hình 12.4: Mạch bảo vệ lối vào CMOS Mạch bảo vệ gồm 4 diode. - Nếu xung dơng vào x lớn hơn V DD thì D 1 , D 2 dẫn thông mạch lối vào x đợc nối lên nguồn V DD . 226 - Nếu xung vào x âm so với đất thì D 3 , D 4 dẫn thông mạch, lối vào x đợc nối xuống đất. Nhờ các diode bảo vệ mà điện áp đa vào cực cửa của các transistor T 1 ,T 2 không vợt quá mức lôgic V H và V L của họ lôgic CMOS. Nh vậy các transistor trờng MOS đã đợc bảo vệ khi các xung lối vào quá lớn. Mặc dù đã có mạch bảo vệ lối vào nhng khi dùng hoặc bảo quản vi mạch ta vẫn phải có biện pháp phòng ngừa các điện áp tĩnh điện có điện áp cao hoặc nguồn cao áp xoay chiều cảm ứng thâm nhập vào phá hỏng cửa cách điện của vi mạch CMOS. Khi hàn các panel trên đó có vi mạch thuộc họ CMOS, mỏ hàn tay ngời hàn phải đợc nối đất thật tốt để tránh những h hỏng đáng tiếc không ngờ tới xẩy ra trong khi hàn mạch. Khi dùng nguồn nuôi 5V ta có thể ghép CMOS với TTL và DTL. Họ CMOS đợc nuôi bằng nguồn VVV DD 153 + ữ + = , có ký hiệu CD40 xx hoặc 40 xxx các chữ ở đầu dùng để chỉ hãng sản xuất; 2 hoặc 3 chữ số đứng sau số 40 để chỉ chức năng của mạch ví dụ: CD 4001: CD là ký hiệu của hãng RCA của Hoa kỳ; 40 chỉ rõ là vi mạch thuộc họ CMOS; 2 số sau cùng 01 chỉ chức năng của mạch là mạch có 4 cửa NOR 2 lối vào; 4011: 4 cửa NAND hai lối vào họ CMOS; 4049: 6 cửa NOT; 4050: 6 cửa đệm. Ký hiệu vi mạch CMOS của hãng Motorola: MC 14001 là mạch 4 mạch NOR hai lối vào, họ CMOS ta thấy 4 số sau trong ký hiệu của hãng Motorola đều giống ký hiệu của hãng khác. Các vi mạch CMOS có ký hiệu giống nh ở họ TTL có chức năng và bố trí chân giống nh vi mạch TTL có thể thay thế cho vi mạch TTL 74L xx, 74LS xx có ký hiệu đặc trng bằng chữ C để chỉ họ CMOS ví dụ: 74C00: NAND giống nh 7400 nhng là CMOS có thể dùng thay thế cho 74L00. 74C02: NOR - CMOS có thể dùng thay thế cho 74L02. 74HC00: NAND - CMOS có tốc độ cao có thể dùng thay thế cho 74LS00. Khi dùng vi mạch họ CMOS ghép nối với họ TTL thì CMOS phải nuôi bằng nguồn +5V cùng chung nguồn nuôi với điện áp nuôi vi mạch TTL. 2. Cấu trúc và hoạt động của một bộ chuyển mạch tơng tự Bộ chuyển mạch tơng tự còn đợc gọi là khoá tơng tự đợc điều khiển bằng logic. Trên hình 12.5 là cấu trúc, sơ đồ nguyên lý của một chuyển mạch tơng tự thuộc họ logíc CMOS. 227 Chuyển mạch tơng tự là một khoá điện tử có hai lối vào A, C và lối ra B. C là lối vào điều khiển. Khi V C = H (mức cao) thì T 3 , T 4 thông mạch và A đợc nối với B. Khi V C = L (mức thấp) thì T 3 , T 4 bị cấm và A ngắt khỏi B. Bộ khoá tơng tự khác với khoá logíc: ở bộ khoá logíc, tín hiệu vào và ra là nhị phân, có điện áp cố định (2 mức). ở khoá tơng tự thì tín hiệu vào và ra đều là tơng tự và tín hiệu ra giống tín hiệu vào cả về biên độ, tần số và dạng của tín hiệu vào. Khoá tơng tự giống nh công tắc điện cơ khí có thể hoán vị hai đầu vào và ra A và B. o C o o B o A T 4 T 3 o o B C A o C o B o A T 1 V DD o P N T 2 T 3 T 4 Hình 12.5 Các thông số cơ bản của bộ khoá tơng tự là: - Tốc độ chuyển mạch (hoặc tần số làm việc) có thể lên đến 10MHz. - Điện trở thông mạch R ON nhỏ - Điện trở ngắt mạch R 0FF lớn. Ngời ta thờng thiết kế bộ khoá tơng tự dựa trên transistor trờng JFET hoặc transistor MOSFET. Các bộ khoá tơng tự thờng đợc chế tạo tổ hợp trong một vi mạch. Ví dụ nh vi mạch: CD- 4016, CD- 4066 vi mạch này có 14 chân và có 4 khoá tơng tự. Chân 7 là chân đất và chân 14 là nguồn nuôi. Vì vi mạch thuộc họ CMOS nên điện áp nuôi có thể là từ 3V đến 12V. Để mạch làm việc bình thờng thì các điện áp vào không đợc lớn hơn điện áp nguồn. Họ loại vi mạch này có các thông số cơ bản sau: 228 Điện trở lối vào cực điều khiển vô cùng lớn ( ):Tín hiệu điều khiển 10~ 12 hoàn toàn cách li với tín hiệu vào, ra = 300 ON R , vô cùng lớn (dòng qua công tắc khi ngắt mạch khoảng 10 pA. Có thể đa vào tín hiệu tơng tự hoặc số có giá trị cực đại là . Khi nguồn nuôi V OFF R V5,7 DD V SS = 15V , V SS là thế đa vào chân 7. Để khảo sát bộ chuyển mạch tơng tự ta hãy xem phần thực nghiệm. Hình A12-1 là sơ đồ chân của vi mạch khoá tơng tự CD - 4066. Hình A12-1a là sơ đồ để khảo sát một bộ chuyển mạch tơng tự riêng rẽ. 3. Các ứng dụng của chuyển mạch tơng tự Các bộ chuyển mạch tơng tự có thể dùng trong các bộ: hợp kênh, phân kênh tín hiệu số và tín hiệu tơng tự. Dùng trong các mạch điều chế, giải điều chế, trong các bộ biến đổi ADC, DAC. Ngoài ra, các bộ chuyển mạch tơng tự còn đợc dùng trong các mạch điều khiển số: Điều khiển tần số, điều khiển hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại Trong bài thực tập này chúng ta sẽ nghiên cứu và khảo sát hai ứng dụng sau: 3.1. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi:(Xem hình 12-6) Hệ số khuếch đại của mạch sẽ là Vi f i R R A = . Nh vậy bằng cách đóng, mở các khoá K i ta sẽ có đợc các hệ số khuếch đại khác nhau. - + o U ra o U V R V2 o o à A 741 R f K 2 K 3 K 4 K 1 R V1 R V3 R V4 Hình 12.6 Hình A12- 2 (xem phần thực nghiệm) là sơ đồ mạch để cho ta khảo sát. Để điều khiển đóng mở các khoá K i sơ đồ có thêm bộ đếm dịch dùng IC có kí 229 hiệu CD 4017. Chúng ta hãy khảo sát mạch theo trình tự và ghi kết quả vào bảng A12- 2, vẽ dạng các tín hiệu và giải thích?. 3.2. Bộ chuyển mạch tơng tự 8 1 điều khiển theo m nhị phân: Các bộ chuyển mạch tơng tự đợc tích hợp trong một vi mạch có tên là CD-4051. Thực chất vi mạch này là một bộ hợp kênh tơng tự. Xem hình 12- 7. Khi là hợp kênh vi mạch có 8 đờng dữ liệu vào với một đờng ra chung là X. Ba đờng điều khiển cho 8 đờng vào là , , . Đờng điều khiển E cấm lối ra. Vi mạch này cũng còn có thể dùng làm bộ phân kênh và khi đó đầu vào là X, các đầu ra là Hãy xem hình A12-3 (phần thực nghiệm) và tiến hành khảo sát mạch trên panel thực nghiệm. Ghi các kết quả vào bảng A12-3 và giải thích?. o Y 7 Y o A 1 A 2 A o Y 7 Y 4051 13 14 15 12 1 5 2 4 6 11 10 9 Y o Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 E A o A 1 A 2 16 8 7 V ss V ee V cc 3 X Hình 12.7 230 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự (Khối đế nguồn) 2. Panel thí nghiệm AE - 112N cho bài thực tập về bộ chuyển mạch tơng tự (Gắn lên khối đế nguồn). 3. Dao động ký 2 chùm tia. 4. Dây nối cắm 2 đầu. B. Cấp nguồn và nối dây Panel thí nghiệm AE - 112N chứa 3 mảng sơ đồ A12-1 A12-3, với các chốt cắm nguồn riêng. Khi sử dụng mảng nào thì nối dây nguồn cho mảng đó. Đất (GND) của các mảng sơ đồ đất đợc nối sẵn với nhau. Do đó chỉ cần nối đất chung cho toàn khối đế. 1. Bộ nguồn chuẩn DC POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các thế chuẩn , cố định. V5 V12 2. Bộ nguồn điều chỉnh DC ADJUST POWER SUPPLY của thiết bị cung cấp các giá trị điện thế một chiều V15 0 + và V15 0 . Khi vặn các biến trở chỉnh nguồn, cho phép định giá trị điện thế cần thiết, sử dụng đồng hồ đo thế DC trên thiết bị chính để xác định điện thế đặt ( Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo). C. Các bài thực tập 1. Bộ chuyển mạch tơng tự riêng rẽ. Nhiệm vụ: Tìm hiểu bộ chuyển mạch tơng tự sử dụng với điều khiển bằng số (Digital). Các bớc thực hiện: Thí nghiệm tiến hành trên mảng sơ đồ hình A12-1. 1.1. Cấp nguồn 5V cho mảng sơ đồ A12- 1. 1.2. Máy phát xung FUNCTION GENERATOR của thiết bị chính ở chế độ phát xung vuông góc với tần số phát 1 KHz . 1.3. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở cmV1 , thời gian quét ở cmms1 . Chỉnh cho cả 2 tia nằm giữa khoảng phần trên và phần dới của màn dao động ký. 231 SINGLE ANALOG SW: khóa tơng tự riêng rẽ Hình A12-1: Sơ đồ chân và cách nối của vi mạch khóa tơng tự CD- 4066. 1.4. Nối máy phát xung với lối vào IC1 (A12-1a). Ví dụ IN1. Nối kênh 1 dao động ký với lối ra OUT 1. Quan sát tín hiệu. Nối chốt điều khiển C1 với nguồn +5V. Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra. Ghi kết quả vào bảng A12-1. Thay đổi biên độ tín hiệu vào, đo biên độ tín hiệu ra tơng ứng. 232 Ngắt chốt điều khiển C1 khỏi nguồn +5V (khi đó C1 nối sẵn với nguồn 5V qua trở). Quan sát và đo biên độ tín hiệu ra. Ghi kết quả vào bảng A12-1. Bảng A12- 1 Uin 100mV 1V 2V 3V 4V C1 = +5V Ura C1 = 5V Ura 1.5. Đổi chiều kênh truyền: nối tín hiệu từ máy phát xung vào chân OUT1. Nối dao động ký vào chân IN1. Chân C1 nối +5V. Quan sát tín hiệu và nhận xét kết quả. 2. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi 2.1. Đặt nguồn âm điều chỉnh đợc 0: 15V của thiết bị chính ở giá trị 300mV. Nối nguồn âm với lối vào IN của sơ đồ hình A12- 2. 2.2. Dùng dây một đầu nối với lối vào điều khiển CTRL (hình A12-2). Đầu còn lại chấm (tiếp xúc) vào chốt nguồn +5V. Mỗi lần tiếp xúc thực hiện +1 vào bộ đếm, ghi điện thế lối ra IC1, biên độ xung ra IC3 vào bảng A12- 2. 233 [...]...Bảng A1 2-2 Số lần tiếp xúc IC1/3 CTRL với +5V IC1/2 IC1/4 IC1/7 Ura IC3/6 K(đo) = Ura/Uvào K(tính) = R8/Ri = R8/R4 = = R8/R5 = = R8/R6 = = R8/R7 = = R8/R4 = Tính hệ số khuếch đại theo các giá trị đo K = U ra U vo và giá trị lý thuyết K R8 Ri (Ri = R4, R5, R6 hoặc R7) Ghi kết quả vào bảng A1 2-2 2.3 Máy phát xung của thiết bị chính (khối đế) ở chế độ... Nối máy phát xung với lối vào điều khiển (CTRL) của mạch A1 2-2 2.4 Lối vào IN vẫn nối với nguồn âm của thiết bị chính đang đặt ở 300mV Quan sát và vẽ lại tín hiệu ra ở các chân 3, 2, 4, 7 của bộ đếm IC1 Vẽ lại dạng và đo biên độ tín hiệu ra tại lối ra OUT theo nhịp xung điều khiển Giải thích nguyên tắc điều khiển hệ số khuếch đại của sơ đồ A1 2-2 3 bộ chuyển mạch tơng tự 18 với điều khiển số theo mã... theo mã nhị phân (Bộ phân kênh) 3.1 Cấp nguồn 5V cho mảng sơ đồ A1 2-3 3.2 Nối đầu chung Z/ IC1 với lối ra máy phát tín hiệu của thiết bị chính (phát xung vuông tần số 1KHz, biên độ 1V) 3.3 Nối các lối vào điều khiển E (cho phép), A0, A1, A2 với đất (ký hiệu bằng 0) hoặc với +5V (ký hiệu = 1) lần lợt theo các giá trị cho trong bảng A1 2-3 234 ANALOG SWITCH: khóa tơng tự 3.4 Sử dụng dao động ký quan sát... động ký quan sát tín hiệu tại các lối ra Y0 ữ Y7 theo trạng thái các lối vào điều khiển E, A0, A1, A2 Tìm kênh ra có tín hiệu và đánh dấu x vào cột tơng ứng trong bảng A1 2-3 Đo biên độ tín hiệu ra và so sánh với tín hiệu vào Bảng A1 2- 3 E A2 A1 A0 1 x x x 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 Z Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 3.5 Nếu cho tín hiệu vào các lối Y0 ữ Y7 , còn lối ra ở . khuếch đại của mạch khuếch đại Trong bài thực tập này chúng ta sẽ nghiên cứu và khảo sát hai ứng dụng sau: 3.1. Bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại thay đổi:(Xem hình 1 2-6 ) Hệ số khuếch đại của. V ee V cc 3 X Hình 12. 7 230 Phần thực nghiệm A. Thiết bị sử dụng: 1. Thiết bị chính cho thực tập tơng tự (Khối đế nguồn) 2. Panel thí nghiệm AE - 112N cho bài thực tập về bộ. Hãy xem hình A1 2-3 (phần thực nghiệm) và tiến hành khảo sát mạch trên panel thực nghiệm. Ghi các kết quả vào bảng A1 2-3 và giải thích?. o Y 7 Y o A 1 A 2 A o Y 7 Y 4051 13 14 15 12 1 5 2 4 6 11 10 9 Y o Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 E A o A 1 A 2 16 8