Giáo trình về kỹ thuật xung - số ppsx

Các yêu cầu cơ bản: Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh từ 10-9 đến 10-6 s do đó nó có nhiều đặc điểm khác so với chế độ khuếch đ

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

KỸ THUẬT XUNG - SỐ

Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo

Phạm Văn Ngọc

Lưu hành nội bộ

THÁI NGUYÊN 2008

Phần 1: Kỹ thuật xung

Chương 1:

KHÁI NIỆM CHUNG

1 Tín hiệu xung và tham số:

1.1 Định nghĩa

Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại

cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn)

Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự Tín hiệu rời rạc gọi

là tín hiệu xung hay số

Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau

Hình 1.1: Tín hiệu hình sinNgược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình

2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao VH và mức thấp VL, thời gian chuyển mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0

Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0 b, xung vuông điện áp đều nhau

Tín hiệu xung không chỉ có tín hiệu xung vuông mà còn có mốt số dạng tín hiệu khác như xung tam giác, răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn theo thời gian với chu kỳ lặp lại T

Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung:

Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể coi là xung răng cưa

Các dạng xung cơ bản trên rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là thời gian tồn tại xung rất nhắt, sự biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) và từ cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy ra rất nhanh

Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điên là những tín hiệu có thời gian

tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác dụng

1.2 Các tham số cơ bản của tín hiệu xung:

Tín hiệu xung vuông như hình 1 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó

có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy:

Hình 1.4 Dạng xung

Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau Các tham số cơ bản là biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr và sau ts, độ sụt đỉnh ∆u

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

- Độ rộng sườn trước ttr, sườn sau ts là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1Um đến 0.9Um

- Độ rộng xung Tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức 0.1Um (hoặc 0.5U m)

- Độ sụt đỉnh xung ∆u thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9Um đến

Um

Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau:

- Chu kỳ lặp lại xung T là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của 2 xung

kế tiếp, hay là thời gian tương ứng với mức điện áp cao tx và mức điện áp thấp

tng

T = tx + tng (1)

- Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian

1F=

* Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt

- Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn hơn một ngưỡng UH gọi là trạng thái cao hay mức “1”, mức UH thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc

- Trạng thái không có xung (tng) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng UL gọi là trạng thái thấp hay mức “0”, UL được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC)

- Các mức điện áp ra trong dải UL < U < UH được gọi là trạng thái cấm

2 Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng xung.

Trong lý thuyết về mạch lọc người ta chia mạch lọc thành 2 loại là mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực, các mạch lọc thụ động dùng các phần tử cơ bản R-L-C còn được chia thành một số loại

Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC

Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chặn dải tùy theo các sắp xếp của từng loại linh kiện trong mạch

mà ta sẽ được các mạch lọc tương ứng

2.1 Khái niệm

- Để xác định điện áp đầu ra của mạch điện tuyến tính ura(t) khi đầu vào tác dụng một điện áp uvào(t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác định điện áp lối ra phụ thuộc vào điện áp lối vào

- Khi tín hiệu lối vào phức tạp ta phân tích thành dạng tín hiệu đơn giản lối vào

rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản ura(1)(t), ura(2)(t), … cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra ura(t)

- Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác, hình chuông, dạng e mũ

- Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung dưới đây

Trong đó hàm 1(t) là hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch tại thời điểm t = t0 (t0

t t khi

0

)(

t t khi

t t khi t

t k

Với hệ số góc α =arctg (k)

c

Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ

U(t) = E[1 – exp(-α(t – t0)].1(t0)

=

0

0 0

0

))]

(exp(

1

[

t t

t t khi

khi t

t E

2 1

1

t t or t t

t t t khi

t t khi

)

(k

arctg

=α

t t khi

t t t t

t t t t

t t t t

t t t t

0

)(1)))(

exp(

1(

t t khi

t t khi t t t

0

)(1)))(

exp(

1(

t t khi

t t khi t t t

1

2 1

1

1

0

))(exp(

)))(

exp(

1(

0

t t

t t t t

t E

t t t t

t E

t t

αα

t t t t

t E

t t t t

t k

3

3 2

2

2 1

1

0

))(exp(

)(

là biên độ điện áp lối ra, Vi là biên độ điện áp lối vào

- Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là 0

1( ) i( )

Hình 1.6: Mạch lọc thông thấp, thông cao dùng RLĐáp ứng tần số như mạch lọc RC Tần số cắt của mạch lọc là

2

C

R F

v t

R dt

3 Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn

3.1 Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân)

Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy ra trên RTín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω =2πT, tín hiệu

11RC

i R

0 2

( )1

( )

11

i

dv t

v t

dt RC

ω

Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân

HHình 1.8: Đáp ứng xung lối vào và ra của mạch RC lối ra trên R

Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 900

RC

ωω

ω

+  ÷

4 Chế độ khóa của tranzito

4.1 Các yêu cầu cơ bản:

Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch với tốc độ nhanh (từ 10-9 đến 10-6 s) do đó nó có nhiều đặc điểm khác so với chế độ khuếch đại như đã khảo sát trước đó ở phần nguyên lý kỹ thuật điện tử

- Yêu cầu cơ bản với tranzito làm việc ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có 2 trạng thái khác biệt là:

* Ura >= UH khi Uvào <= UL

* Ura =< UL khi Uvào >= UH

Chế độ khóa của tranzito được xác định bằng chế độ điện áp hay dòng điện một chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (điện trở làm khóa thường đóng hay 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 Tùy trường hợp mà tranzitor có thể chuyển trạng thái tuần hoàn nhờ một mạch hồi tiếp dương phản hồi từ đầu ra tới đầu vào của mạch khi đó không cần xung điều khiển như mạch dao động đa hài dùng tranzitor ta sẽ khảo sát bài sau:

Xét mạch điện như xau

Hình 1.11: Mạch khóa đảo dùng tranzitorKhi làm việc lựa chọn giá trị UL, UH, RB, RC cho phù hợp để mạch làm việc ở chế

Trạng thái dẫn bão hòa: Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới lối vào

(hoặc nguồn 1 chiều) chó điện áp vào Uvào >= UH, khi đó tranzitor sẽ chuyển trạng thái

mở (thông bão hòa), khi đó điện áp lối ra phải thỏa mãn điều kiện Ura <= UL, khi đó điện trở RC ta phải chọn cho phù hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng IC không quá lớn.

Khi ở trạng thái bão hòa ta có điện áp rơi trên cực Bazơ của tranzitor UBEbh = 0.6

÷ 0.8 V (với tranzitor silic) và UBEbh = 0.3V (với tranzitor germani)

Và điện áp rơi trên cực Colector của tranzitor là UC = UCEbh = 0.1 ÷ 0.2V

Do đó dòng IC bão hòa được tính như sau: C CC CEbh

Khi có dòng trên trở tải RC ta tính dòng cực Bazơ với hệ số khuếch đại dòngβ

khi đó ta có thể chọn trở tải cực Bazơ cho phù hợp

= , trong trường hợp cần chọn tranzitor ở trạng thái bão hòa sâu (trạng thái

bão hòa bền vững) ta có thể tính dòng IB theo công thức sau:

C B

I

β

= (k là hệ số bão hòa sâu, k ≈2 ÷ 5 lần so với trạng thái bắt đầu đạt

mức bão hòa của tranzitor)

Và điện trở tải lối vào RB được chọn theo công thức

15000

Để tranzitor ở trạng thái bão hòa bền vững ta chọn IBbh = 50µA (tương ứng với

mức dự chữ 5 lần) khi tranzitor thông bão hòa UBE = 0.6V với tranzitor silic

Trở tải lối vào RB = V BE (1.5 0.6)50 18

Ví dụ 2: Mạch điện như trên tranzitor silic với ECC = 12V, trở tải RC = 1.2 kΩ, hệ

số khuếch đại dòng điện là 100 lần và độ dữ trữ k = 3 lần, điện áp lối vào Ui = 1.5V Xác định trở tải lối vào RB cho phù hợp?

Dòng IC ở trạng thái bão hòa là

3

(12 0.2)

101.2*10

CC CEbh Cbh

Đặc tính truyền đạt của tranzitor để đánh giá mức độ tin cậy của khóa, người ta

định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao S H và độ dự trữ chống nhiễu

Hình 1.12: Đặc tính truyền đạt của tranzitor

Ở đây vùng cấm tương đương với vùng transitor làm việc trong miền khuếch đại tuyến tính

Từ đặt tính truyền đạt trên ta có thể đạt được mức SH lớn khi ta chọn ECC, RC, RB cho thích hợp

Do SL khá nhỏ do đó chúng ta cần phải quan tâm đến tính chống nhiễu với mức thấp Do Urabh = UCEbh không thể giảm nhỏ hơn do đặc tính của tranzitor do đó muốn tăng SL ta cần phải tăng mức UL Khi đó thay vì trở tải lối vào RB người ta mắc thêm vào cực Bazơ của tranzitor một vài con Diode và điện trở phân áp cho tranzitor hoạt động

Hình 1.13: Các biện pháp nâng cao SL

5 Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán

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 nhằm trong vùng bão hòa của đặc tuyến truyền đạt Ura= f(Uvào) Khi đó điện áp lối ra chỉ nằm ở 1 trong 2 mức bão hòa Uram+ ax

và Uram− ax ứng với biên độ UV đủ lớn Ta xét các mạch so sánh như sau

Hình 1.14: Mạch khuếch đại so sánhĐây là mạch khuếch đại so sánh dùng 2 nguồn nuôi đối xứng ±V CC, điện áp đặt

vào lối vào không đảo (+) gọi là Ui+ và điện áp đặt vào lối vào đảo (-) là Ui

-Tùy thuộc điện áp của 2 lối vào đảo và không đảo này so sánh với nhau mà lối ra của bộ khuếch đại thuật toán ở 1 trong 2 trạng thái như sau

- Nếu lối vào Ui+ > Ui- thì tối ra U0 = +VCC gọi là trạng thái bão hòa dương

- Nếu lối vào Ui+ < Ui- thì tối ra U0 = -VCC gọi là trạng thái bão hòa âm

Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh để thực hiện so sánh một tín hiệu lối vào Ui với một nguồn điện áp chuẩn UR Tùy theo yêu cầu của từng mạch mà ta để điện áp lối vào ở lối vào đảo hoặc không đảo còn lối vào còn lại được nối với một nguồn điện áp chuẩn UR

5.1 Mạch so sánh một ngưỡng:

Thực hiện so sánh biên độ của điện áp lối vào UV với 1 điện áp chuẩn UR (Ungưỡng)

có thể là dương hoặc âm, thông thường giá trị UR được định trước cố định, còn giá trị

UV là có giá trị biến đổi theo thời gian cần được quan tâm, đánh giá Khi tín hiệu lối vào biên đổi chậm quanh giá trị điện áp chuẩn thì tín hiệu lối ra biến đổi rất nhanh Khi UV = UR thì tín hiệu lối ra bộ so sánh có sự thay đổi cực tính của điện áp từ

ax

ram

U+ tới Uram− ax hoặc ngược lại

Trường hợp UR = 0, khi đó mạch so sánh sẽ thực hiện xác định lúc thay đổi cực tính của tin hiệu lối vào UV

Trường hợp 1: Điện áp đưa vào lối vào đảo và điện áp chuẩn đưa tới lối vào

không đảo:

Hì

nh 1.15: Mạch so sánh lối vào đảoTheo mạch trên thì điện áp Ui và điện áp chuẩn UR được đưa tới lối vào đảo và lối vào thuận (không đảo) tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là ∆U = Ui –

UR là điện áp giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của nó

Nếu Ui < UR thì ∆U > 0 khi đó lối ra Ura = U ram+ ax= +VCC

Nếu Ui > UR thì ∆U < 0 khi đó lối ra Ura = U ram− ax= -VCC

Khi đó lối ra sẽ đảo cực tính khi Ui chuển qua giá trị UR

Trường hợp 2: Điện áp lối vào đưa tới lối vào không đảo và điện áp chuẩn đưa

tới lối vào đảo:

Hình 1.16: Mạch so sánh lối vào không đảoTheo mạch trên thì diện áp UV và điện áp chuẩn UR được đưa tới lối vào không đào và đảo tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là ∆U = UV – UR là điện áp giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của nó

• Nếu Ui < UR thì ∆U < 0 khi đó lối ra Ura = U ram− ax= -VCC

• Nếu Ui > UR thì ∆U > 0 khi đó lối ra Ura = U ram+ ax= +VCC

Khi đó lối ra sẽ đảo cực tính khi Ui chuyển qua giá trị UR

Chú ý: Trong trường hợp điện áp lối vào Ui và UR lớn hơn giá trị điện áp đầu vào tối đa cho phép của IC khi đó chúng ta cần mắc đầu vào qua một mạch phân áp điện trở trước khi đưa tới lối và + hoặc – của IC Khi mạch làm việc với tốc độ thay đổi xung quá lớn với điện áp lối ra thay đổi cỡ vài V/µs, IC không chuyển mạch kịp khi

đó ta có thể sử dụng các IC so sánh chuyên dụng để thực hiện mạch so sánh với tốc độ điện áp lối ra có thể thay đổi vài V/ns

Trường hợp 3: có 2 tín hiệu điện áp lối vào UV1, UV2 được đưa tới lối và và so sánh với 1 điện áp chuẩn UR (trường hợp UR = 0)

.Hình 1.17: Bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào đảo và đặc tuyến truyền đạt

Khi đó tín hiệu lối vào đảo là tổng của 2 tín hiệu lối vào 1 và 2, ta có

U =U +U , khi UP = 0 khi đó lối ra bộ so sánh sẽ chuyển trạng thái, trường

hợp thuận thì nối 2 lối vào UV1, UV2với lối vào thuận

lại qua một cửa logíc phụ G (cửa Và (and) với 2 lối vào), lối ra cửa logíc là 1(mức

cao) khi cả 2 lối vào ở trạng thái mức cao và lối ra cửa logic là 0 (mức thấp) khi một trong 2 lối vào ở trạng thái thấp, hay lối ra bộ so sánh là U-

ramax

Hình 1.18: Sơ đồ bộ so sánh 2 ngưỡng đặt tính truyền đạt lối raChọn thế ngưỡng lối vào UR2 > UR1

Khi điện áp lối vào nằm dưới ngưỡng 1 tức UV < UR1 khi đó lối ra bộ so sánh 1 ở mức thấp -VCC do ∆ =U U V −U R1< 0, và lối ra bộ so sánh 2 ở mức cao +VCC do

2

∆ = − > 0 dẫn tới lối ra cổng logic U0 = 0

Khi điện áp lối vào UV = UR1 khi đó lối ra bộ so sánh thứ 1 chuyển trạng thái từ -VCC thành +VCC do ∆ =U U V −U R1 = 0 và lối ra bộ so sánh 2 vẫn giữ nguyên trạng thái

+VCC khi đó lối ra cổng logíc chuyển trạng thái từ 0 lên 1 tương ứng mức cao (tùy thuộc vào họ logic mà lối ra có điện áp thích hợp)

Khi điện áp lối vào UV = UR2 khi đó lối ra bộ so sánh 1 giữ nguyên trạng thái và lối ra bộ so sánh 2 sẽ chuyển trạng thái từ +VCC thành –VCC do ∆ =U U R2−U V = 0, khi

đó lối ra cổng logíc ở mức thấp

Bộ so sánh 2 ngưỡng được ứng dụng đặt biệt thuận lợi khi cần theo dõi và khống chế tự động một thông số nào đó của một quá trình giới hạn cho phép đã được định sẵn (giá trị trong điện áp ngưỡng) hoặc ngược lại không cho phép thông số này rơi vào vùng giới hạn cấm nhờ có 2 ngưỡng điện áp lối vào tương ứng

F

Chương 2:

CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG

Như chương 1 chúng ta đã biết về một số loại mạch lọc dùng các phần tử thụ động LR, RC, LC… với các lối ra trên R, L, C từ các lối ra của mạch lọc và với các thông số thích hợp Từ đó ta có thể làm thay đổi các dạng xung lối ra của các mạch lọc Ta có các phương pháp biến đổi dạng xung dùng các phần tử tích cực hoặc các phần tử thụ động như R, L, C

1 Mạch vi phân

1.1 Định nghĩa và khái niệm

Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u0(t) tỷ lệ với đạo hàm thep thời gian của điện áp đầu vào ui(t)

Ta có u0(t) = k u (t)

dt

d

i

Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân

Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac

Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RCTín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω =2πT, tín hiệu

i R

( )

11

i

dv t

v t

dt RC

ω

+  ÷

Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân

Hình 2.2: Tín hiệu lối ra trên mạch vi phân RC

Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 900

b Mạch vi phân dùng RL

Hình 2.3 Mạch vi phân dùng RLTín hiệu lối vào là tín hiệu xoay chiều có tần số góc là ω

v

du t L

dt L

1.2 Mạch khuếch đại thuật toán vi phân

Hình 2.4 Mạch vi phần dùng khuếch đại thuật toán

L

R

ui(t)

u0(t)

Sơ đồ mạch khuếch đại vi phần dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo, mạch phân áp vi phân là điện trở R2 và tụ C Điện trở R1 làm ổn định tổng trở của lối vào (là điện trở ghép tránh cho nguồn xoay chiều lối vào nối đất vì ở đây lối vào – của bộ khuếch đại thuật toán được coi là đất ảo) Điện trở R3 có tác dụng bù nhiệt làm ổn định mạch khuếch đại, thường chọn R2 = R3

Lối vào được đưa tới tụ C tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán, điện trở R2 lấy tín hiệu hồi tiếp từ lối ra tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán

Dòng điện lối vào đảo của khuếch đại thuật toán là

2.1 Định nghĩa và khái niệm

Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u0(t) tỷ lệ với tích phân của điện áp vào

Tín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω =2πT, tín hiệu

τ >> = trong đó Ti là chu kỳ tín

hiệu lối vào

Với điều kiện như trên thì tổng trở của mạch Z ≈R khi đó tín hiệu lối ra của mạch là

0

1( ) i( )

Hình 2.6: Dạng tín hiệu vào và ra của mạch tích phânTrường hợp 1: khi τ <<T i khi đó thời gian phóng nạp cho tụ C là rất nhanh coi

như tức thì dẫn tới tín hiệu lối ra như hình B

Trường hợp 2: khi τ =T i5 khi đó tụ C nạp và phóng điện theo hàm exp với biên

độ đỉnh thấp hơn mức bão hòa tín hiệu lối ra như hình C

Trường hợp 2: khi τ >>T i khi đó tụ C nạp và phóng điện rất chậm điện áp lối ra

thấp theo hàm exp khi đó điện áp tăng dần theo hàm mũ, do thời gian phóng nạp rất chậm nên hàm exp gần như dạng tuyến tính do đó tín hiệu lối ra như hình D

Do đó với mạch tích phân dùng RC khi chọn các giá trị RC phù hợp ta sẽ được các dạng xung lối ra khác nhau khi dạng xung lối vào là xung vuông

Trường hợp khi xung vuông lối vào có độ rộng khác nhau thì khi tín hiệu lối ra trên tụ thực hiện với thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng và ngược gại gây ra hiện tượng điện áp rơi trên tụ tăng hoặc giảm dần

Hình 2.7: Dạng tín hiệu vào và ra của xung xuông có độ rộng xung khác nhau

C

R F

2.2 Các mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng

Hình 2.9 Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán điện áp ra biến đổi đường thẳngMạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với phần tử R1 và C, hằng số thời gian của mach là τ =2 RCπ Ở đây điện trở R2 bù nhiệt cho mạch làm ổ định mạch khuếch đại, thường R1 = R2

Dòng điện lối vào là i

in

u I R

ở đây k = 1

RC

− vì mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo do

đó tín hiệu lối ra sẽ ngược pha so với tín hiệu lối vào

Nếu tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tam giác như dạng tín hiệu ở hình 2.9

3 Mạch hạn chế biên độ

Hình 2.10: Mạch hạn chế biên độ theo sườn dương, âm của tín hiệu

Hình 2.10, a Khi tín hiệu lối vào có điện áp âm hoặc dương nhưng ui < uR thì Diode D cấm tín hiệu lối ra bằng tín hiệu lối vào Khi tín hiệu lối vào có điện áp dương

ui > uR (ui > uR + uD) thì khi đó Diode D thông, điện áp lối ra u0 xấp xỉ với điện áp uR.Hình 2.10, b Khi tín hiệu lối vào có điện áp dương hoặc âm nhưng ui > uR thì Diode D cấm tín hiệu lối ra bằng tín hiệu lối vào Khi tín hiệu lối vào có điện áp âm ui

< uR (ui < uR - uD) thì khi đó Diode D thông, điện áp lối ra u0 xấp xỉ với điện áp uR.Tương tự hình 2.10, c mạch hạn chế phần dương và âm của tín hiệu

Chương 3:

CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG

1 Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định

Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra được đặc trưng bởi hai trạng thái ổn định bền theo thời gian và việc chuyển nó từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ xảy ra khi đặt tới lối vào một xung điện áp có biên độ và cực tính phù hợp, đó là phần tử cơ bản cấu tạo lên bộ nhớ với các số nhị phân 0 hoặc 1

1.1 Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor

Hình 3.1 Trigơ RS dùng tranzitor

Nguyên lý hoạt động:

Trigơ RS chỉ có 2 trạng thái ổn định bền là T1 mở bão hòa và T2 đóng tương ứng với lối ra của mạch Q = 1 và Q=0, hoặc T2 mở bão hòa và T1 đóng tương ứng với lối ra của mạch Q = 0 và Q=1

Các trạng thái còn lại là không xảy ra khi T1 và T2 cùng đóng hoặc mở bão hòa

T1, T2 không thể cùng đóng do nguồn +Ecc khi đóng mạch sẽ cung cấp 1 điện ápdương nhất định đến bazơ của T1 và T2 (thông qua trở RC và R2 cho tranzitor T2, hoặc trở RC

và R1 cho tranzitor T1) cùng mở Do tính chất không đối xứng lý tưởng của mạch điện, chỉ cần 1 sự chênh lệch nhỏ về dòng điện trên cực bazơ của 2 tranzitor (IB1 ≠ IB2 dẫn đến IC1 ≠ IC2), ví dụ IB1 > IB2 dẫn đến dòng IC1 > IC2 (do IC = βIB) khi đó sụt áp trên trở tải RC colector của T1 lớn hớn sụt áp trên trở tải RC colector của T2, qua đường hồi tiếp

về từ colector T2 qua R1 tới Bazơ của T1 và từ colector T1 qua R2 tới Bazơ của T2 làm cho T1 càng mở và T2 càng đóng sau một khoảng thời gian t rất nhỏ nào đó sẽ dẫn tới

T1 mở bão hòa và T2 khóa, khi đó mạch ở trạng thái ổn định bền và khi đó lối ra của mạch là Q = 1 và Q=0 tương ứng điện áp ra ở colector của T2 ở mức cao và trên T1 ở mức thấp

Trường hợp ngược lại IB1 < IB2 tương tự như trên ta có T1 khóa và T2 thông bão hòa Và lối ra tương ứng của mạch là Q = 0 và Q=1, tương ứng điện áp ra ở colector của T1 ở mức cao và trên T2 ở mức thấp.

Từ phân tích ở trên trong trường hợp số hóa ta có bảng chân lý như sau

1.2 Trigơ Smit dùng IC tuyến tính

Trigor smit dùng IC tuyến tính tương tự như bộ so sánh (khuếch đại thuật toán) có hồi tiếp dương từ đầu ra tới 1 lối vào so sánh, còn lối vào còn lại được đưa tới lối vào so sánh thứ 2

a Trigơ smit lối vào đảo

Hình 3.2: Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính

Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u- > u+ khi đó lối ra ura = ura max, qua mạch hồi tiếp dương

tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là u+ = ax 2

+ = uvào ngắt.Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào < uvào ngắt thì khi đó điện áp lối ra không đổi

Khi tăng Uvào > u+ = uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào thuận dẫn tới lối ra lật trạng thái từ Ura max xuống –ura max và qua mạch hồi tiếp dương

điện áp trên lối vào thuận là u- = - ax 1

+ = uvào đóng

Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura= -ura max

Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức uvào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ nguyên trạng thái

Khi giản tín hiệu lối vào uvào < uvào đóng khí đó điện áp lối vào đảo nhỏ hơn điện áp lối vào thuận, tín hiệu lối ra sẽ chuyển trạng thái từ ura = ura max thành –ura max

Để mạch ở trạng thái ổn định thì Kβ >=1 trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ

khuếch đại thuật toán và 2

Hình 3.3: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo

b Trigơ smit lối vào thuận

Hình 3.4: Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính

Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u+ > u- khi đó lối ra ura = -ura max, qua mạch hồi tiếp dương tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là

R = R ⇒ = R Để lối ra lật trạng thái thì up < 0 tương ứng với uvào ngắt khi đó

lối ra thay đổi trạng thái từ -ura max thành +ura max thì uvào ngắt tương ứng với up >= 0 tức là

Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào < uvào ngắt thì khi đó điện áp lối ra không đổi

Khi tăng Uvào > uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào thuận dẫn tới lối ra lật trạng thái từ -Ura max thành +ura max

Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura= ura max

Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức uvào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ nguyên trạng thái

Khi giản tín hiệu lối vào uvào < uvào đóng khí đó điện áp lối vào đảo nhỏ hơn điện áp lối vào thuận, tín hiệu lối ra sẽ chuyển trạng thái từ ura = ura max thành –ura max

Hình 3.5: giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo

2 Các mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định

Đây là mạch có một trạng thái ổn định bền Trạng thái thứ 2 của nó chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian nào đó (phụ thuộc vào các tham số hay là các phần tử trong mạch điện) sau đó nó sẽ quan trở về trạng thái ổn định bền ban đầu

2.1 Đa hài đợi dùng tranzitor

Hình 3.6: Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng

transitor và giản đồ xung

Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng tranzitor tương tự như trigơ RS dùng transitor ở đây ta thay điện trở R2 bằng tụ C để đưa thành phần hồi tiếp dương xoay chiều từ colector của Tranzitor T1 về cực Bazơ của tranzitor T2.

Tại thời điển t = t0 khi không có xung lối vào tác động giả sử tranzitor T2 thông khi đó qua mạch hồi tiếp R1 về bazơ của T1 làm cho tranzitor T1 cấm

Tại thời điểm t = t1 có 1 xung dương lối vào qua R2 đưa vào cực bazơ của T1 là cho T1

mở ngay lập tức khi đó điện áp trên colector của T1 chuyển trạng thái từ +Ecc về xấp xỉ 0V, khi đó qua mạch tích phân RC

làm cho điện áp trên tụ C bị lật

trạng thái từ 0.6V xuống còn xấp xỉ

-Ecc (do tụ C đang được nạp đầy

điện từ RC qua tụ C và qua BE của

T2 xuống đất khi đó điện áp trên tụ

xấp xỉ Ecc, do đó khi thay đổi trạng

thái tức là làm thay đổi cực xác

định trên tụ) Do đó tranzitor T2

cấm và lối ra ở mức thấp Tụ C lúc

này được nạp điện từ +Ecc qua R, C

qua CE của tranzitor xuống đất và

điện áp trên tụ C tăng dần từ -Ecc

Hình 3.7: Giản đồ xung tín hiệu ra mạch đa hài đợi dùng tranzitorĐiện áp trên tụ tăng dần biến đổi theo hàm mũ

Thời gian kéo dài xung ra là t x = RCln2 = 0.7RC, khi đó mạch sẽ ở trạng thái ổn định

bền và chờ tiếp xung tác động ở lối vào để thay đổi trạng thái tiếp theo ở lối ra

2.2 Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán

Với mạch khuếch đại thuật toán trên, mạch được cấp nguồn nuôi là ±ECC, khi đó tín hiệu lối ra là ±Ura max

Hình 3 8: Mạch nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toánv lối vào – và +Với sơ đồ hình A tại thời điểm ban đầu t<t0 Ui = 0, Diode D thông, điện áp trên cực N nối đất, với trường hợp bỏ qua sụt áp trên Diode, U0 = -Ura max Qua mạch hồi tiếp dương R1R2 điện áp lối ra là -Ura max được đưa tới lối vào P khi đó điện áp lối vào là Up

Tụ được nạp điện, khi đó điện áp trên tụ C tăng dần cho đến khi tại thời điểm t = t2 điện áp trên tụ là UC = UN >=UP tại thì điện áp lối ra lật trạng thái U0 = -Ura max, khi đó

tụ C được phóng điện từ C qua R xuống –Ura max, tụ phóng điện cho tới khi điện áp trên

tụ ≈0V thì dừng lại (0.3V gecmani, 0.6V silic) do Diode D thực hiện ghim điện áp ở

cực N không âm quá do tụ C phóng điện Khi này mạch sẽ trở về trạng thái cân bằng bền

Độ rộng xung tx = t2 – t1 liên quan đến quá trình phóng nạp điện cho tụ C từ mức 0V tới βUra max

Điện áp trên tụ C là UC = Umax(1-exp(-t/RC))

Thay giá trị UC(t1) = 0 và UC(t2) = βUra max thay vào phương trình trên ta được

tx = t2 – t1 =RC 1

2

1ln(1 ) RCln(1 R )

R

β

3 Các mạch không đồng bộ hai trạng thái không ổn định

3.1 Đa hài tự dao động dùng tranzitor

Sơ đồ mạch điện như sau:

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý độ đa hài tự dao động dùng transistor

Khi cấp nguồn điện sẽ có một transistor dẫn điện mạch hơn và một transistor dẫn điẹn yếu hơn Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương C2B1 và C1B2 sẽ làm cho transistor

dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến cấm hoàn toàn

Giả sử ban đầu transistor T1 đẫn điện mạnh hơn, khi đó tụ C1 được nạp điện từ RC2 qua

C1 làm dòng IB1 tăng cao dẫn đến T1 tiến dần đến bão hòa Khi T1bão hòa, dòng IC1 tăng cao và UC1 = UCE1 sat ≈0.2V, Tụ C2 phóng điện từ +C2 qua T1 và R1 về -C2, điện áp

âm trên tụ C2 được đưa vào cực bazơ của transistor T2 làm cho T2 cấm hoàn toàn

Thời gian cấm của tụ C2 chính là thời gian phóng điện tụ C2 được đưa tới R1, sau khi tụ

xả hết điện thì cực bazơ của T2 được phân cực nhờ điện trở R1 làm cho T2 dẫn bão hòa khi đó UC2 = UCE2 sat ≈0.2V Do đó dẫn tới tụ C1 phóng điện, tụ phóng điện từ +C1 qua

T2 và R1 về -C1 đưa và cực bazơ của T1 làm cho T1 cấm, khi đó tụ C2 được nạp điện từ +Ecc qua RC1 , +C2 qua bazơ T2 xuống đất làm cho dòng IB2 tăng lên cao và T2 bão hòa nhanh

Thời gian cấm của tụ C1 chính là thời gian phóng điện tụ C1 được đưa tới R2, sau khi tụ

xả hết điện thì cực bazơ của T1 được phân cực nhờ điện trở R2 làm cho T2 dẫn bão hòa như trạng thái giả thiết ban đầu, hiện tượng này được lặp đi lặp lại tuần hoàn tự dao động

Dạng tín hiệu ra ở các chân như sau:

Hình 3.11: Dạng xung ở các lối raXét cực B1 khi T1 bão hòa: UB1

= 0.6V Khi T1 cấm C1 phóng

điện làm cực B1 có điện áp âm

(khoảng – Ecc) và điện áp âm

này tăng dần theo hàm mũ

Lối ra khi T1 bão hòa Ura1 =

0.2V, T1 cấm Ura1 ≈ +Ecc,

dạng tín hiệu lối ra trên

colector của T1 là xung xuông

Tương tự T2 ta có Lối ra khi T2

bão hòa Ura2 = 0.2V, T2 cấm

Ura2 ≈ +Ecc, dạng tín hiệu lối

tara trên colector của T2 là

0.8V

-Ecc

-Ecc Ecc

Ecc

C 1 phãng ®iÖn

t 1

C 2 phãng ®iÖn

Chu kỳ xung lối ra là T = t1 + t2

Trong đó t1 là thời gian tụ C1 phóng điện qua R2 từ điện áp –Ecc lên 0V Vì tụ C1 phóng điện từ -Ecclên nguồn +Ecc nên điện áp tức thời của tụ là (lấy mức –Ecc làm gốc) ta có

Trong trường hợp mạch đa hài tự dao động có các phần tử đối xứng là

R1 = R2 = R; C1 = C2 = C khi đó chu kỳ dao động của mạch là

Ví dụ: Thiết kế mạch đa hài tự dao động với các thông số kỹ thuật như sau: Ecc =

12V, dòng điện tải ở cực (dòng bão hòa của transistor) là 10mA, transistor có hệ số khuếch đại β=100 lần, tần số dao động của mạch là 1KHz, tìm các thông số của

mạch Giả sử UBE sat = 0.6V, UCE sat = 0.2V

3.2 Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán

Sơ đồ mạch như sau:

Hình 3.12: Sơ đồ mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán

u

=+ tụ điện C sẽ

được nạp điện từ u ra max qua R, C xuống đất, điện

áp trên tụ C tăng dần, khi điện áp trên tụ C tăng

đến mức uC = uN > uP khi đó lối ra bộ khuếch đại

thuật toán sẽ bị lật trạng thái từura = u ra max sang ura

= -u ra max = u ra min , điện áp trên cực P là

Chọn Ura max = Ura min = Umax khi đó

Uđóng = -βUmax ; Ungắt = βUmax

dương của mạch dao động

Điện áp UN = UC là điện áp biến thiên

theo thời gian khi tụ phóng và nạp

điện từ Umax hoặc -Umax qua điện trở R,

các khoảng thời gian 0 ÷ t1, t1 ÷

t2, phương trình điện áp trên tụ điện là

Khi đó phương trình trên có nghiệm là:

21

Ví dụ như khi cần có dạng xung lối ra không đối

xứng, sơ đồ dưới đây tạo ra được mạch phóng

nạp không đối xứng giữa R’ và R” với R’ ≠R”

Với hằng số thời gian là:

1 1

2

2' ln(1 R )

C R R

R

Khi đó bằng cách thay đổi R’ và R” thích hợp ta

thu được tín hiệu lối ra có độ rộng xung phù hợp

so với tín hiệu chúng ta mong muốn

Nếu muốn xung ra có chu kỳ không đổi thi ta thay đổi các hệ số R’ và R” tỷ lệ với nhau, tức là khi ta thay đổi tăng R’ lên một lượng là K thì tương ứng ta giảm R” cũng một lượng là K do đó R’ + R” sẽ không đổi

u ra

4 Dao động Blocking

Blocking là một bộ khuếch đại đơn hay đẩy kéo, có hồi tiếp dương mạnh qua một biến

áp xung, nhờ đó tạo ra các xung có độ rộng hẹp (cỡ 10-3 – 10-6s) và biên độ lớn

Blocking thường được dùng để tạo ra các xung điều khiển trong các hệ thống số, blocking có thể làm việc ở các chế độ khác nhau: chế độ tự dao động, chế độ đợim chế

độ đồng bộ hay chế độ chia tần

Nguyên lý làm việc bộ Blocking tự dao đồng gồm có một transistor mắc emiter chung với biến áp xung Tr có 3 cuộn dây là ωk (sơ cấp) và ωt và ωB(thứ cấp)

Quá trình hồi tiếp dương thực hiện từ ωk qua ωB nhờ cực tính ngược nhau của chúng

Tụ C và điện trở R để hạn chế dòng điện qua cực Bazơ Điện trở R tạo dòng phóng điện cho tụ C (lúc T khóa) Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm trên trở tải Rt sinh ra khi transistor chuyển chế độlàm việc từ mở sang khóa Mạch R1 và D2 bảo vệ transistor khỏi bị quá áp Các hệ số biến áp xung là nB và nt được xác định bởi công thức sau:

ω

=