Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

Vi mạch định thời 555 Chip 555 và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

  

GVHD: ThS Phan Thanh Vân

SVTH: Phạm Thị Huyền Trang MSSV: K32102078

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Phan Thanh Vân –giảng viên Trường Đại học

Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, hiệu chính nội dung và hướng dẫn thực hành để em có thể hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn đã tận tình hướng dẫn em làm mạch điện để em có thể hoàn thành tốt phần thực hành của mình

Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua, những mái trường đã dạy dỗ mình từ thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành Cứ sau mỗi chặng đường đi qua chúng em lại thấy mình trưởng thành và vững vàng hơn trong kiến thức và năng lực Chặng đường em vừa đi qua

là chặng đường với bốn năm đại học đầy khó khăn và thử thách dưới mái trường Đại học Sư phạm

TP HCM Nơi đây không chỉ trang bị cho em những kiến thức khoa học mà còn tạo cho em một niềm tin sâu sắc vào nghề giáo và rèn luyện cho em một nghị lực để làm hành trang bước vào đời

Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể các thầy cô trường Đại học Sư phạm TP HCM đặc biệt là các thầy cô khoa VẬT LÝ đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể học tập tốt; Bên cạnh đó, gia đình luôn là nguồn động lực to lớn giúp em vững bước trên con đường mình đã chọn Xin cảm ơn ba, mẹ đã luôn đồng hành cùng với con trong cuộc sống

Sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt thời gian hoàn thành đề tài

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm mới với công nghệ cao đã ra đời, từ những thiết bị phổ biến như máy vi tính, điện thoại, máy nghe nhạc, máy chụp hình kĩ thuật số cho đến các vật dụng trong gia đình như tivi, tủ lạnh hay máy giặt những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới

đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ "bé nhỏ" nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào

Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ ấy chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này

Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con Chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại Những con Chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị Một trong số những con Chip lừng danh đó là Chip 555, nó đã gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971

Vi mạch định thời 555 (Chip 555) và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp thì nó

có thể thực hiện nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như transistor, Triac Đã có hàng tỉ IC định thời 555 được bán ra, đến nay Chip này vẫn còn được dùng Xuất phát từ những đặc điểm nổi bật của Chip 555 cùng với sự hứng thú, muốn tìm hiểu em đã chọn đề tài luận văn:

“Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó”

Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó;

chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay: OrCad

Đối tượng nghiên cứu: Vi mạch định thời 555 và phần mềm OrCad

Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực hành trên máy vi tính và thực hành

lắp ráp một số mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 trên thực tế

Nội dung đề tài: Căn cứ vào mục tiêu như trên nên đề tài tập trung nghiên cứu vào ba nội dung

chính đó là:

Nghiên cứu IC định thời 555 và các mạch ứng dụng của nó trên cơ sơ lý thuyết

Nghiên cứu và thực hành phần mềm mô phỏng mạch điện tử “OrCad”

Thực hành lắp ráp một số mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trên thực tế

Là một sinh viên khoa Vật lý thuộc ngành sư phạm, ít được làm quen với kỹ thuật điện tử vì vậy việc nghiên cứu đề tài về lĩnh vực điện tử đối với em gần như bước vào một thế giới kiến thức mới, rất đa dạng và phong phú Em hy vọng qua đề tài này có thể giúp các bạn sinh viên không chuyên

về điện tử có thể hiểu được phần nào về kỹ thuật điện tử vô cùng hấp dẫn và những ứng dụng rất rộng rãi của nó, qua đó hình thành lòng say mê và hứng thú tìm hiểu về kỹ thuật điện tử

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đề tài, nhưng do đây là lần đầu nghiên cứu về kỹ thuật điện tử và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong được sự thông cảm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và hội đồng bảo vệ Em xin chân thành cảm ơn!

I Một số loại linh kiện điện tử có liên quan:

Bất cứ một mạch điện điện tử nào đều dùng nhiều linh kiện điện tử khác nhau để tạo thành và các mạch điện có các công dụng khác nhau Trong đó một số loại linh kiện được xem là cơ bản, vì

nó thường được sử dụng trong các mạch điện Ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor, … Trong phạm vi đề tài đang xét về cấu tạo và các mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 cũng không thể thiếu các loại linh kiện cơ bản trên Trong đề tài này, ta sẽ không xét đến những linh kiện cơ bản trên nữa mà chỉ xét đến hai loại mạch đóng vai trò khá quan trọng trong hoạt động của

IC định thời 555, đó là Flip – Flop và Op-Amp

I.1 Flip – Flop:

I.1.1 Khái niệm

Trong kỹ thuật số, sử dụng các tín hiệu nhị phân Các phần tử Flip-Flop (FF) là các phần tử có khả năng truyền đạt và lưu trữ các tín hiệu nhị phân này (khả năng nhớ)

Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước

Flip-Flop có đặc điểm sau:

Có hai trạng thái bền: Trạng thái 0 và trạng thái 1

Có thể tiếp nhận, lưu trữ, đưa tín hiệu ra để sử dụng

Vì vậy, nó rất thuận lợi trong kỹ thuật số Tuỳ theo đặc tính làm việc mà người ta chia làm nhiều loại Flip- Flop khác nhau

I.1.2 Phân loại

Có hai cách phân loại :

Phân loại theo tín hiệu điều khiển

Phân loại theo chức năng

a) Phân loại FF theo tín hiệu điều khiển đồng bộ:

Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các FF thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu điều khiển đồng bộ Clock) và FF đồng bộ (có tín hiệu Clock) Thực tế các FF được sử dụng thường

là FF đồng bộ

Tín hiệu đồng bộ Clock (Ck) có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu Nếu kích khởi theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau)

Flip - Flop cơ bản (Flip - Flop không đồng bộ):

Hình 1.2: FF cấu trúc từ cổng NOR

Trong đó: R, S hay S, R là các tín hiệu đầu vào, còn Q, Q là các tín hiệu đầu ra

Với FF cấu trúc từ cổng NAND:

Dựa vào bảng chân trị của cổng NAND để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:

S = 0, R= 1  Q = 1 Q = 1 hồi tiếp về cổng NAND B làm cho cổng NAND B có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0 Vậy Q = 1 và Q = 0

S = 1, R= 0  Q = 1 Q = 1  hồi tiếp về cổng NAND A làm cho cổng NAND A có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0 Vậy Q = 0 và Q = 1

FF hoạt động với 2 trạng thái là trạng thái 0 và trạng thái 1

*Trạng thái 0: Là trạng thái có Q = 0; Q= 1

Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng B làm cổng B cấm, do vậy Q = 1 được duy trì Mặt khác,

Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng A, cùng với tín hiệu S = 1 làm cho cổng A thông và lối ra Q = 0 được duy trì

Như vậy trạng thái 0 có Q = 0; Q = 1 được duy trì bền vững

*Trạng thái 1: Là trạng thái có Q = 1; Q= 0

Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng A làm cổng A cấm, do vậy Q = 1 được duy trì Mặt khác,

Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng B, cùng với tín hiệu R = 1 làm cho cổng B thông và lối ra Q = 0 được duy trì

Như vậy trạng thái 1 có Q = 1, Q = 0 được duy trì bền vững

Biểu đồ tín hiệu qua FF:

S - Gọi là đầu thiết lập: Start – Set

R - Gọi là đầu xoá: Clear – Reset

Trạng thái cấm:

Khi sử dụng FF có một trạng thái mà FF không hoạt động được đó là khi tín hiệu vào S ,R đồng thời bằng 0 Khi đó các lối vào Q và Q đồng thời bằng 1 như vậy FF không ổn định

Dựa vào bảng chân trị của cổng NOR để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này:

S = 0, R = 1  Q = 0 Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR A làm cho cổng NOR A có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1 Vậy Q = 0 và Q = 1

S = 1, R = 0  Q = 0 Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR B làm cho cổng NOR B có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1 Vậy Q = 1 và Q = 0

Giả sử ban đầu S = 0, R = 1  Q = 0 và Q = 1

Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành S = 0, R = 0 (R chuyển từ 1  0) ta có:

+ S = 0 và Q = 0  Q = 1

+ R = 0 và Q = 1  Q = 0

Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó

Giả sử ban đầu S = 1, R = 0  Q = 1 và Q = 0

Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành R = 0, S = 0 (S chuyển từ 1  0) ta có:

Biểu đồ tín hiệu qua FF:

Nhận xét chung cho các loại FF cấu trúc từ cổng NAND và NOR: Mạch cấu trúc từ cổng NAND lật trạng thái khi có sườn âm xung đến Mạch cấu trúc từ cổng NOR lật trạng thái khi có sườn dương xung đến Nhược điểm của FF-RS là điều khiển trực tiếp do xung đến

Trạng thái Cấm không thuận lợi cho sử dụng

Như vậy gọi là FF không đồng bộ bởi vì chỉ cần một trong hai ngõ vào S hay R thay đổi thì ngõ ra cũng thay đổi theo

FF - RS không đồng bộ có khả năng tiếp nhận, xử lý và nhớ các tín hiệu nhị phân, tuy vậy nó

có nhược điểm như đã nêu trên Để khắc phục người ta đưa thêm mạch đồng bộ để FF chỉ phản ứng với tín hiệu vào chỉ khi có tín hiệu đồng bộ đưa đến

Khi Ck = 0: Các cổng C & D khoá không cho dữ liệu vào Vì cổng vào NAND A, B có ít nhất một ngõ vào Ck = 0  S = R= 1  Q = Q0 : FF – RS giữ nguyên trạng thái trước đó ( FF nhớ trạng thái trước đó)

Khi Ck = 1: Các cổng C & D mở, mạch vào thông, FF hoạt động như một FF - RS thông thường như đã biết Như vậy những nhược điểm do trạng thái cấm vẫn còn tồn tại Ngõ ra Q sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào trạng thái của S và R

S = 0, R = 0  S = 1, R= 1  Q = Q0

S = 0, R = 1  S = 1, R= 0  Q = 0

S = 1, R = 0  S = 0, R= 1  Q = 1

S = 1, R = 1  S = 0, R= 0  Q = X

Tuỳ thuộc vào mức tích cực của tìn hiệu đồng bộ Ck, chúng ta có các loại tín hiệu điều khiển:

Ck điều khiển theo mức 1

Ck điều khiển theo mức 0

Ck điều khiển theo sườn lên (sườn trước)

Ck điều khiển theo sườn xuống (sườn sau)

Đối với các FF đồng

bộ, các ngõ ra chỉ thay đổi trạng thái theo ngõ vào Data khi xung Ck tồn tại mức 1 (đối với tác động

mức 1), hoặc xung Ck tồn tại mức 0 (đối với FF tác động mức 0), hoặc xung Ck ở sườn lên (đối với

FF tác động sườn lên), hoặc xung Ck ở sườn xuống (đối với FF tác động sườn xuống), còn tất cả các

trường hợp khác của Ck thì ngõ ra không thay đổi trạng thái theo ngõ vào mặc dù lúc đó các ngõ

vào có thay đổi trạng thái

b) Phân loại FF theo chức năng:

Nếu xét về chức năng có thể chia ra làm 4 loại như sau:

Flip – Flop RS (Là mạch duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các

tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck)

Flip – Flop D (Là mạch điện tử có trạng thái lối ra lặp lại trạng thái lối vào)

Flip – Flop T (Là mạch điện có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào tín hiệu

đầu vào T với điều kiện có xung nhịp Ck tác dụng)

Flip – Flop JK (FF - JK là mạch điện có chức năng thiết lập các trạng thái 0 và 1, duy trì hoặc

chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào các tín hiệu J, K và xung nhịp Ck)

Do đề tài chỉ tìm hiểu về IC định thời 555 nên ta sẽ không đi sâu vào các loại FF mà chỉ xét

đến loại FF – RS được dùng trong IC định thời 555

Gọi Sn và Rn là các trạng thái ngõ vào Data ở xung Ck thứ n

Qn và Qn+1 là trạng thái của ngõ ra Q ở xung Ck thứ n và thứ n+1

Khi đó ta có phương trình đặc trưng cho FF - RS là:

Qn+1 = Sn + n

R Qn

SR = 0

Bảng trạng thái mô tả hoạt động của FF - RS:

Bảng trạng thái của FF - RS được viết dưới dạng khai triển như sau:

Đồ thị dạng tín hiệu của FF - RS:

I.2 Khuếch đại thuật toán (Op – Amp):

Mạch khuếch đại thuật toán thường được gọi tắt là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế

để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… trong các máy tính tương

tự Trong quá trình phát triển OP – AMP còn có thêm nhiều ứng dụng khác và trở thành linh kiện tích cực quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC, mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo…

I.2.1 Sơ đồ chân:

Op-Amp là một mạch điện gồm nhiều linh kiện điện tử đã được mắc sẵn trong một con chíp tám chân có khả năng dùng để khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Chân Chức năng

1 Chỉnh không

2 Chân nhập trừ (ngõ vào đảo)

3 Chân nhập cộng (ngõ vào không đảo)

4 Chân điện nguồn -Vcc

5 Không dùng

6 Chân xuất (ngõ ra)

7 Chân điện nguồn +Vcc

8 Không dùng

I.2.2

I.2.3 Ký hiệu:

Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng kí hiệu của OPAMP rất đơn

Vì chân ngõ ra còn lại được nối GND bên trong chíp nên người ta không kí hiệu hình chữ nhật mà chuyển qua hình tam giác Chân V+ gọi là “chân ngõ vào không đảo”, chân V- gọi là “chân ngõ

vào đảo” Hiệu điện thế trên 2 chân này được khuếch đại và xuất ra chân ngõ ra VO (điện áp chân

VO so với GND)

I.2.4 Ưu điểm của Op-Amp:

Hai đầu vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng… thường là nguồn có tính đối xứng)

Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào nên Op-Amp có độ chống nhiễu rất cao

vì khi tín hiệu nhiễu đến hai đầu vào cùng lúc sẽ không xuất hiện ở đầu ra Cũng vì lý do này Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều

Op-Hệ số khuếch đại của Op-Amp rất lớn do đó cho phép Op-Amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ khoảng vài chục micro-Volt

Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amp được chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn, nên độ ổn định nhiệt rất cao

Điện áp phân cực đầu vào và đầu ra bằng 0 khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối

Tổng trở đầu vào của Op-Amp rất lớn do đó cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé

Tổng trở ra thấp, cho phép Op-Amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải

Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau

I.2.5 Op-Amp lý tưởng

Để đơn giản trong việc tính toán trên Op-Amp thực tế, ta có thể tính toán trên Op-Amp lý tưởng Sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch Có thể so sánh một vài thông số giữa Op-Amp

lý tưởng và Op-Amp thực tế như bảng sau:

Độ lợi vô cùng lớn

Tổng trở ngõ vào   Tổng trở ngõ ra = 0

Băng thông   Dòng vào tĩnh = 0

Dòng vào lệch = 0

Độ lợi 100.000 200.000

Tổng trở ngõ vào 106  1013  Tổng trở ngõ ra nhỏ

Băng thông hữu hạn

Dòng vào tĩnh nhỏ

Dòng vào lệch 20  30 nA

I.2.6 Nguyên lý hoạt động

Dựa vào kí hiệu của Op-Amp ta có đáp ứng tín hiệu đầu ra V0

theo các cách tín hiệu cổng vào lần lượt là đầu vào đảo nối

masse, đầu vào không đảo nối masse và đưa tín hiệu vào đồng

thời ở cả hai lối vào

Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu

vào vi sai so với masse (lúc này chỉ cần cho một trong hai cổng

nối masse ta sẽ có hai trường hợp kia) Đường đặc tính ngõ vào -

ngõ ra có 3 miền như hình vẽ

+ Miền 1: M iền bảo hòa âm: Điện áp vào VIN quá bé làm cho

điện áp ra (nếu có) VO=AV.VIN< -Vcc Nhưng Op-Amp không thể xuất ngõ ra quá trị số -VCC, nên giá trị xuất ra luôn là –VCC (dù VIN giảm liên tục, nhưng VOUT không đổi)

+ Miền 2: Miền khuếch đại tuyến tính: Điện áp VOUT = VIN.AV tạo thành một đường xiên Do độ lợi AV rất cao nên miền này rất bé (điện áp VOUT rất dễ bị bảo hòa)

+ Miền 3: Miền bảo hòa dương: Giống miền 1 Giá trị xuất ra luôn là +VCC

Trên thực tế người ta rất ít khi sử dụng Op-Amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại AV rất lớn nhưng phạm vi điện áp đầu vào mà Op-Amp khuếch đại tuyến tính lại là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro-Volt) Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp cổng ra ở V CC Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung dao động Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống một mức thích hợp Lúc này miền làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ rộng ra, Op-Amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close loop)

Với hồi tiếp âm ta có các dạng mạch khuếch đại căn bản như sau:

a Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier)

Dạng mạch căn bản

Zi, Zf có thể có bất kì dạng nào

Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-)

Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều

Do Op-Amp lý tưởng nên:

V1 = V2 = 0

ii = - if i 0

V V

- Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì Op-Amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều

b Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier)

i

V V i

- Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi

- Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần Mạch cũng giữ nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều

c Op-Amp phân cực bằng nguồn đơn:

Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi Op-Amp được phân cực bằng nguồn đối xứng Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì Op-Amp được phân cực bằng nguồn đơn; Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm -VCC được nối masse

Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau:

Người ta phải phân cực một ngõ vào (thường là ngõ vào +) để điện thế phân cực ở hai ngõ vào lúc này là VCC/2 và điện thế phân cực ở ngõ ra cũng là VCC/2 Hai điện trở R phải được chọn khá lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của Op-Amp Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C2trong mạch) để không làm lệch điện thế phân cực Như vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, Op-Amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C1 là tụ lọc điện thế phân cực ở ngõ vào (+) Trong hình b, mạch khuếch đại không đảo, C1 dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho mạch và giữ điện thế phân cực ở ngõ vào (-) là VCC/2 Ðộ khuếch đại của mạch vẫn không đổi

I.2.7 Một số ứng dụng của Op-Amp: Mạch so sánh

Op-Amp có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như:

- Mạch làm toán: Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản như mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân…

- Mạch so sánh: Đây là mạch ứng dụng trong thực tế, làm việc theo nguyên lí so sánh, một nguyên

lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp

- Mạch lọc

Trong phạm vi đề tài đang xét công dụng của Op-Amp là so sánh điện áp, vì vậy ở đây ta chỉ xét một số loại mạch so sánh

Trong đó A là độ lợi vòng hở của Op-Amp

Vì A rất lớn nên theo công thức trên V0 rất lớn

Khi Ed nhỏ, V0 được xác định Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì V0 đạt đến trị số bảo hòa và được gọi là VSat Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi Op-Amp và có trị số vào khoảng vài chục

V



- Khi Ed âm, mạch đảo pha nên V0= -VSat

- Khi Ed dương, tức V1>V2 thì V0 = +VSat

Ðiện thế ngõ ra bảo hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt Và |+VSat| có thể khác |-VSat|

Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là:

ax

ax

Sat dm

Sat dm

Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = + VSat

Khi Ei<Vref = 0V thì V0 = - VSat

Mạch so sánh mức zéro đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref = 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế

so sánh Ei đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = - VSat

Khi Ei<Vref = 0V thì V0 = + VSat

c/Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ:

So sánh mức dương đảo và không đảo:

So sánh mức dương không đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (+)

Khi Ei>Vref thì V0 = + VSat

Khi Ei<Vref thì V0 = - VSat

So sánh mức dương đảo:

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref thì v0 = - VSat

Khi Ei<Vref thì v0 = + VSat

So sánh mức âm đảo và không đảo:

So sánh mức âm không đảo

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (+)

Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat

Khi Ei<Vref thì v0 = - VSat

So sánh mức âm đảo

Dạng mạch:

Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh

Ei đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat

Khi Ei<Vref thì v0 = - VSat

II Sơ lược về mạch tích hợp:

Transistor bán dẫn, diode, Transistor FET, các điện trở biến dung… là các linh kiện thường dùng trong các mạch điện điện tử Trong thực tế sử dụng chúng ta cần sử dụng nhiều phương thức lắp ráp khác nhau tạo thành mạch điện mới có thể làm việc Đối với một số mạch điện tinh vi và phức tạp cho dù người ta rất thành thạo vẫn phải mất nhiều thời gian và việc điều chỉnh mới có thể

sử dụng và công việc điều chỉnh nói chung đều tương đối phức tạp và giảm thiểu hiệu suất làm việc của con người Như vậy làm thế nào để giải quyết được vấn đề đó? Qua yêu cầu thực tiễn, người ta

đã tìm hiểu và sáng chế ra mạch tích hợp Chúng ta sẽ điểm qua một số sự kiện nổi bật trong lịch sử hình thành và phát triển của những vi mach tích hợp đầu tiên của nhân loại

II.1 Lịch sử hình thành

Năm 1947, J Bardeen & W Brattain (AT&T

Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact

Transistor" - đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra

thiết bị mới thay thế cho đèn điện tử Dòng điện vào

(bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện

trên bề mặt bản Germanium và được khuếch đại thành

dòng ra (bên phải hình tam giác) Sở dĩ thiết bị

khuếch đại dòng điện này có tên là transistor vì nó là

một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện (Transfer)

Năm 1950, W Shockley (AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra

transistor kiểu tiếp mặt Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor

sau này

Năm 1958, J Kilby (Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC đầu tiên, mở đầu cho thời

kỳ hoàng kim của mạch vi điện tử Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, tụ điện…) lên trên bề mặt tấm silicon Jack Kilby được nhận giải Nobel Vật lý năm 2000

Năm 1959, J Hoerni và R Noyce (Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector) cùng nằm trên một mặt phẳng

Transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector)

Năm 1961, cũng chính J Hoerni và R Noyce đã tạo ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon

Chip IC nguyên thủy do Jack Kilby

Năm 1970, G.-E Smith và W.-S Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit

Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu transistor

Năm 2005, liên kết giữa IBM, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip CELL đa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop Chưa đầy

50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay

Vậy thế nào là mạch điện tích hợp?

II.2 Một vài nét sơ lược về mạch tích hợp:

CCD 8-bit

Mạch điện tích hợp, hay vi mạch, hay mạch tích hợp (integrated circuit), gọi tắt IC, còn gọi là

chip theo thuật ngữ tiếng Anh, nó sử dụng công nghệ bán dẫn màng mỏng hay màng dày hoặc kết hợp giữa hai công nghệ đó Trong mạch điện có chứa các linh kiện tích cực (như transistor, diode…) và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm…) được kết nối với nhau, tạo thành một chip bán dẫn cơ bản kích thước cỡ micro-mét (hoặc nhỏ hơn), có chức năng chính hoàn chỉnh và được đặt trong vỏ kín So với mạch điện có tính phân lập, nó đã giảm đi rất nhiều về thể tích, trọng lượng, dây nối và các mối hàn, nâng cao tính năng và độ tin cậy của mạch điện Từ các linh kiện phân lập đến các mạch điện tích hợp là sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật bán dẫn

Một vi mạch tích hợp bao gồm một đơn tinh thể bán dẫn mach điện có chứa các linh kiện tích cực và các linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng Các linh kiện này được chế tạo theo một quá trình công nghệ Một quy trình sản xuất hàng loạt được sử dụng để chế tạo một số lượng lớn các mạch tích hợp với giá thành thấp

Các vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp Một mạch tích hợp sẽ giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là độ chính xác tăng lên IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic Có nhiều loại IC, lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc… được ghi trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất Cho tới nay các linh kiện của thiết bị điện tử đều sử dụng mạch IC: máy thu thanh, máy ghi âm, đồng hồ điện tử… Có thể nói cuộc sống của chúng ta không thể nào tách rời hoàn toàn được với các mạch tích hợp

Do mạch IC có hình thức đa dạng nên không thể có tín hiệu mạch điện cố định Thông thường người ta thông qua một sơ đồ khối, khung vuông, hình tam giác hoặc hình tròn để thay thế chúng

Từ đó dẫn ra một vài ghi chú mã số của chân và thay thế cho chân dẫn mạch IC

Hình thức vỏ bọc của mạch IC có nhiều loại Nhìn chung các mạch IC có hình thức là một miếng cho nên người ta thông thường gọi mạch IC là miếng tích hợp Mạch IC có thể có hình thức truyền dẫn của vó bọc là hai hàng chân dẫn khi sử dụng cắm trực tiếp vuông góc với board mạch điện, hoặc chỉ có một hàng chân dẫn cắm vuông góc, hoặc bốn mặt đều có chân dẫn…đối với vỏ ngoài hình chữ nhật, ngoài ra còn có vỏ ngoài hình tròn, hình quạt, hoặc loại vỏ bọc không có chân đối với mạch IC được làm trực tiếp trên các board mạch điện nhỏ và cho lớp cao su để phủ lên… Bất luận có sử dụng các mạch IC kiểu nào, chúng ta đều cần phải tìm chỗ đánh dấu để có thể chỉ ra chân thứ nhất của IC, ví dụ như một vòng tròn nhỏ, một góc khuyết hoặc một nữa khuyết Và sau

khi có chân thứ nhất ta sẽ biết được các chân còn lại bằng cách đếm theo thứ tự từ chân thứ nhất theo chiều ngược kim đồng hồ, và kết hợp với các tài liệu có liên quan ta sẽ biết thêm về cấu trúc của các chân

II.3 Ưu, nhược điểm của mạch tích hợp:

Nhược điểm

Tốc độ tính toán của vi mạch đôi khi bị hạn chế do năng lượng cung cấp thấp

Khả năng tích hợp cao nên các tham số của các linh kiện trong mạch sẽ bị thay đổi

Yêu cầu về ổn định nhiệt độ cao do mạch tích hợp được chế tạo bằng chất bán dẫn và mật độ tích hợp cao

II.4 Phân loại mạch IC

Do mạch tích hợp IC làm cho nhiều linh kiện tạo thành một mạch điện phức tạp, được chế tạo trên một chip bán dẫn cực nhỏ, cho nên đối với các mạch điện ứng dụng khác nhau cũng sẽ

có các mạch IC phù hợp với các chức năng khác nhau Chính vì vậy mà chủng loại mạch IC rất phức tạp và đa dạng Để phân loại mạch điện tích hợp có thể căn cứ vào công nghệ sản xuẩt, tính chất, chức năng và qui mô mạch điện tích hợp

Dựa vào công nghệ sản xuất khác nhau người ta chia ra thành mạch IC màng, mạch điện tích hợp bán dẫn và mạch điện tích hợp hỗn hợp

Mạch điện tích hợp màng căn cứ vào độ dày của màng có thể phân ra thành mạch điện tích hợp màng dày và mạch điện tích hợp màng mỏng

Mạch điện tích hợp bán dẫn căn cứ vào các linh kiện sử dụng các công nghệ chế tạo bên trong

nó khác nhau có thể chia mạch điện tích hợp bán dẫn thành hai loại: mạch điện tích hợp kiểu song cực và mạch điện tích hợp kiểu đơn cực Hiện nay mạch điện tích hợp bán dẫn được sử dụng nhiều nhất

Mạch điện tích hợp hỗn hợp sử dụng chủ yếu công nghệ màng; cộng nghệ chất bán dẫn mặt phẳng thậm chí còn sử dụng các linh kiện rời Loại mạch IC này, tính năng tương đối tốt nhưng giá thành cao

Dựa vào chức năng, tính chất khác nhau có thể chia ra thành mạch điện tích hợp số (còn gọi là mạch điện tích hợp logic) và mạch điện tích hợp tương tự

Mạch điện tích hợp số có thể thực hiện các thuật toán logic số, khi tiến hành các phép tính, mức điện thấp được xem là “0” và mức điện cao được xem là “1” trong hệ nhị phân Thông qua các quan hệ logic để tiến hành các phép tính, nhớ, truyền đạt và chuyển đổi Mạch điện tích hợp số được ứng dụng rộng rãi trong các máy tính, các hệ thống điều khiển tự động, các hệ thống thông tin số…

Mạch điện tích hợp tương tự có thể thực hiện việc khuếch đại và chuyển đổi đối với dòng điện

và điện áp Trong đó có mạch điện những mạch điện tích hợp có quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra được gọi là mạch điện tích hợp tuyến tính (như bộ khuếch đại một chiều,

bộ khuếch đại sai phân, bộ khuếch đại thuật toán…); có những mạch tích hợp có quan hệ không tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra và được gọi là mạch điện tích hợp phi tuyến tính (như bộ tách sóng, bộ ổn áp, bộ điều chế…)

Dựa vào qui mô tích hợp khác nhau: Mức độ tích hợp của mạch IC thông thường là để biết có bao nhiêu linh kiện tích hợp trên một chip Số linh kiện tích hợp càng nhiều thì độ tích hợp càng cao Căn cứ vào độ cao thấp của mức độ tích hợp, có thể chia thành qui mô nhỏ (SSI: bên trong có vài chục linh kiện), qui mô trung bình (MSI: bên trong có vài trăm linh kiện), qui mô lớn (LSI: bên trong có trên 1000 linh kiện), qui mô cực lớn (VLSI: bên trong có hàng vạn linh kiện)…

II.5 Phương pháp đặt tên của mạch IC:

Chủng loai của mạch IC rất nhiều vì thế không có một tiêu chuẩn nào đặt tên thống nhất Nói chung các dạng của nó là do cơ sở sản xuất tự mình quy định, tuy nhiên một số mạch IC thường dùng nhất là mạch IC số, nhìn chung các xưởng đếu dùng các tên gọi giống nhau Tên gọi của các mạch IC thường dùng các số và chữ cái ghép thành Các tên gọi của mạch IC số tương đối thống nhất, với IC cùng một kiểu dù sản xuất từ bất cứ một xưởng sản xuất nào thì kết cấu bên trong và số chân của chúng cơ bản đều như nhau

Cách đọc mã số IC:

Tuỳ thuộc vào từng loại IC mà ta có cách đọc khác nhau Ở đây ta sẽ tìm hiểu cách đọc của một loại mạch IC mà ta đã tìm hiểu ở phần trước Bộ khuếch đại thuật toán (mạch IC tương tự thường dùng) Tất cả IC OPAMP đều được kí hiệu bằng 7 kí tự và được chia thành 3 phần Ví dụ: MC 741CN:

III Mạch IC gốc chuẩn thời gian:

III.1 Sơ lược về IC 555:

D Kiểu vỏ DIP nhựa

J Kiểu vỏ DIP bằng Ceramic

N, PKiểu vỏ DIP nhựa chân dàiBảng 3

Bảng 2:

Bảng 1:

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là sự kết hợp giữa chức năng số (logic) và chức năng tương tự một cách tuyệt vời IC định thời 555, công ty Signetics Corporation năm 1971 đưa ra 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là “máy thời gian” Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn

ổn và không ổn định Từ đó thiết bị này được sản xuất thương mại

III.1.1 Lịch sử hình thành:

Đó là mùa hè năm 1970, trong văn phòng chen giữa 2 nhà hàng Trung Hoa ở thị trấn Sunnyvale, California (Mỹ), nhà thiết kế chip Hans Camenzind làm việc với vai trò tư vấn cho công ty bán dẫn Signetics Tình hình kinh tế khó khăn, Camenzind có vợ và 4 con, kiếm chưa đến 15.000 USD/năm, nên rất muốn phát minh cái gì đó có thể hái ra tiền

Camenzind đã tạo ra chip 555 - một IC đơn giản có thể làm việc như bộ đếm thời gian Đến nay,

555 là con chip được bán chạy nhất trong ngành bán dẫn analog, hiện diện trong các thiết bị nhà bếp, đồ chơi, phi thuyền không gian và nhiều thứ khác Có thể nói 555 là một trong những con chip xuất sắc nhất của mọi thời đại

Ý tưởng về chip 555 nảy sinh khi Camenzind đang làm việc trên hệ thống vòng lặp khóa pha Với một vài điều chỉnh, hệ thống này có thể làm việc như bộ định thời gian đơn giản: kích hoạt nó sẽ chạy trong một khoảng thời gian nhất định Lúc đó không có chip nào giống như thế

Thoạt đầu, phòng kỹ thuật của Signetics từ chối ý tưởng này vì công ty đang bán linh kiện mà khách hàng có thể dùng để tạo bộ định thời gian có tính năng tương tự như 555 Camenzind không nản, ông đến gặp Art Fury, giám đốc tiếp thị của Signetics May là Fury thích nó

Camenzind bỏ ra gần 1 năm thử nghiệm các bản thiết kế, vẽ các sơ đồ mạch trên giấy và tạo bản phim, "tất cả đều làm bằng tay" Thiết kế cuối cùng có 23 transistor, 16 điện trở và 2 diode

Chip 555 gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971 Năm 1975 Signectics sát nhập vào Philips Semiconductors, và sau đó NXP Đã có hàng tỉ chip 555 được bán ra, đến nay chip này vẫn còn được dùng

III.1.2 Đặc điểm:

Mạch điện IC gốc chuẩn thời gian bên trong mạch điện của nó có ba con điện trở 5k Vì thế được đặt tên là 555, có độ phân áp cao Các xưởng sản xuất mạch IC gốc chuẩn thời gian đều đặt tên là 555, chỉ khác nhau ở trước nó có thêm chữ cái viết tắt của tên các xưởng Ví dụ thường dùng là các loại như: NE555, LM555 Kết cấu sự sắp đặt chân của chúng và phương pháp sử dụng đều giống nhau, tính năng cũng không sai biệt lắm Nói chung chúng có thể thay thế lẫn nhau

Ngoài loại 555, còn có mạch điện gốc chuẩn thời gian 556, nó là mạch điện gốc chuẩn thời gian kép, bên trong nó có hai mạch điện 555

Mạch IC gốc chuẩn thời gian 555 là mạch IC quy mô được thiết kế với chức năng định dạng Trong thực tiễn người ta phát hiện phạm vi ứng dụng của nó đã vượt ra khỏi chức năng định giờ Thông qua việc nối với các linh kiện ngoại vi thích hợp nó có thể dùng trong các thiết bị điều khiển điện tử,

đo kiểm, các máy đo, các thiết bị gia dụng, cảnh báo, các trò chơi điện tử, và các mạch điện khác Cũng có thể dùng nó làm bộ phát xung, bộ định giờ, bộ làm trễ, bộ phát xung vuông, bộ dao động (bộ dao động kích trạng thái đơn ổn, bộ dao động đa hài hai trạng thái ổn định, bộ dao động đa hài

tự do), bộ điều chế mạch xung, bộ điều chế pha

Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được sử dụng một cách rộng rãi như vậy là do nó có một số

ưu điểm đặc biệt như sau:

Kết cấu của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được kết hợp tuyệt vời giữa mạch điện số (logic) và mạch điện tương tự Chức năng logic và chức năng tương tự được tích hợp và được tương thích trong một thể thống nhất, có thể tạo thời gian trễ và tạo dao động chính xác Nó có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tương tự

Mạch điện này sử dụng nguồn điện đơn, phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp kiểu song cực

555 là 3~ 15V Phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp 555 kiểu CMOS là 2 ~ 18V Có thể dùng chung nguồn điện với bộ thuật toán tương tự, mạch điện số TTL hoặc CMOS

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể độc lập tạo thành một mạch định giờ, dòng điện ra của nó

là 200mA Vì thế có thể trực tiếp kích động cơ điện nhỏ, loa, Relay, LED, diode phát quang, các phụ tải… Khi làm việc nó làm bộ dao động, tần số làm việc lớn nhất của nó có thể đạt tới 300kHz

III.1.3 Phân loại:

Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có hai loại: loại kiểu song cực và loại CMOS Tham số chính của chúng như bảng sau:

Tên tham số Ký hiệu Kiểu

Từ bảng này, ta thấy do công nghệ chế tạo và lưu trình của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS và kiểu song cực khác nhau, các chỉ tiêu tính năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 được sản xuất có sự sai biệt trong đó có một số điểm:

Công suất tiêu hao của mạch điện gốc chuẩn thời gian kiểu CMOS chỉ là một phần mấy chục so với kiểu song cực, dòng điện trạng thái chuẩn khoảng 200A, là linh kiện công suất tiêu hao thấp Điện áp nguồn Vcc của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS có thể thấp tới 2 ~ 3V; dòng điện ở các đầu chức năng chỉ cỡ pA

Sườn tăng lên và sườn giảm xuống của mạch xung đưa ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS sẽ tốt hơn so với kiểu song cực, thời gian chuyển đổi ngắn

Thời gian quá độ truyền đạt ở trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS sinh ra dòng điện sụt áp dòng điện đỉnh chỉ là 2 ~ 3mA; còn dòng điện kiểu song cực cao đến 300 ~ 400mA Trở kháng đầu vào của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao gấp nhiều lần

so với kiểu song cực (cao tới 10

10 )

Năng lực kích của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS kém, dòng điện đưa ra chỉ 1 ~ 3mA, dòng điện kích đầu ra của kiểu song cực có thể đạt tới 200mA

Nhưng kiểu CMOS và kiểu song cực đều có những điểm chung:

Chức năng của cả hai cơ bản là giống nhau, vỏ ngoài và chân dẫn được xếp đặt thống nhất trong đại

đa số trường hợp có thể trực tiếp thay thế

Cả hai đều sử dụng nguồn điện đơn thích ứng với phạm vi điện áp lớn có thể sử dụng chung nguồn điện với mạch điện logic số kiểu CMOS, TTL…

Mức điện áp ở đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể nối trực tiếp với mạch điện TTL, CMOS…

Ảnh hưởng của việc biến đổi điện áp nguồn đối với tần số dao động và độ chính xác định thời gian nhỏ Ảnh hưởng với độ chính xác định thời gian chỉ là 0.05% / V, tính ổn định nhiệt độ tốt

Căn cứ vào những đặc điểm nói trên, tuỳ theo từng loại mạch điện mà ta chọn kiểu cho phù hợp Ví

dụ như khi yêu cầu định thời gian dài, công suất tiêu hao nhỏ, phụ tải nhẹ nên chọn dùng kiểu CMOS, còn trường hợp phụ tải nặng yêu cầu kích dòng điện lớn, điện áo cao nên chon kiểu song cực Trở kháng đầu vào của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao tới 10

10 , có thể kích trực tiếp các phụ tải trở kháng cao, rất thích hợp trong các mạch điện có thời gian trễ dài, hằng

số thời gian rất lớn; còn mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu song cực có thể kích trực tiếp phụ tải trở kháng thấp như các rơ-le cảm tính, động cơ điện và loa

III.2 Sơ đồ chân và chức năng của từng chân của IC 555:

Các dạng hình dáng chân của IC 555 trong thực tế:

Hình dạng của IC555 ở trong hình 1 (loại 8 chân hình tròn) và hình 2 (loại 8 chân hình vuông) Nhưng ở thị trường Việt Nam đa số là loại chân vuông

+ Chân số 1 (GND): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân chung + Chân số 2 (TRIGGER): Đây là đầu kích, được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tầng so

áp Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 1/3Vcc Nếu điện áp đặt ở chân này cao hơn 1/3 Vcc thì đầu ra sẽ bảo đảm ở mức thấp + Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic (đầu ra) Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao, nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế mức 0 này không bằng 0V mà nó trong khoảng từ (0.35V0.75V)

+ Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra (đầu trở về 0) Khi chân số 4 nối masse thì

ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc

+ Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Là đầu điều khiển điện áp, dùng làm thay đổi mức áp chuẩn

trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài, hay dùng các điện trở ngoài nối với GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông

qua tụ điện từ 0,01F đến 0,1F, các tụ điện này lọc nhiễu, ngăn các xung trở lại nguồn cung cấp

và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

+ Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác (đầu trị số

ngưỡng) và cũng được dùng như 1 chân chốt, dùng để đo kiểm tụ điện áp ở bên ngoài Ví dụ như mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bị kích ở mức cao, đầu trị số ngưỡng sẽ quan sát sự tăng điện áp Khi đạt tới 2/3 Vcc đầu ra sẽ ở mức cao

+ Chân số 7 (DISCHARGE) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng

logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

+ Chân số 8 (Vcc): là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động (điện áp nguồn điện dương)

Không có chân này IC không hoạt động được Nó được cấp điện áp từ 2V18V (tùy từng loại IC 555) Vì thế thường được nối với mạch tích hợp logic số và bộ khuếch đại thuật toán có liên quan

III.3 Cấu tạo bên trong:

Nhìn trên hình ta thấy cấu trúc của 555 tương đương với hơn 20 transitor, 15 điện trở, 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất Trong mạch tương đương trên có: đầu vào kích thích, khối so sánh, khối điều khiển chức năng hay công suất đầu ra Một số đặc tính nữa của IC 555 là : Điện áp cung cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ 3 đến 6mA

Kết cấu bên trong của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bao gồm hai bộ so sánh, một bộ Flip-Flop (ở đây là FF - RS), hai chuyển mạch transistor cùng với 3 điện trở 5k tạo thành bộ phát sinh điện

áp gốc chuẩn Trong hình ta có thể thấy nguồn điện Vcc thông qua mạch điện gốc chuẩn thời gian

555 bởi ba điện trở phân áp bên trong của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 làm cho hai mạch điện so sánh bên trong mạch điện tạo thành bộ kích, mức điện kích trên là 2/3 Vcc, mức điện kích dưới là 1/3 Vcc Vì vậy đầu điều khiển chân 5 nối với bên ngoài điện áp Vc có thể làm thay đổi mức điện kích trên và dưới Để hiểu kỹ hơn về chức năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, ta

sẽ cùng tìm hiểu chức năng của từng bộ phận cấu thành nên mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 này:

● Bộ phân áp gồm có 3 điện trở 5kΩ nối nối tiếp với sai số cực nhỏ tạo thành Bộ phân áp này nối nguồn +Vcc xuống mass cho ra 2 điện thế chuẩn 1/3 Vcc và 2/3 Vcc

● OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ so sánh V-(1) nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn ngõ V+(1) thì nối ra ngoài chân 6 Tuỳ thuộc điện áp chân số 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà Op-Amp(1) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Fip-Flop(F/F)

● OP-AMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ V+(2) nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc còn ngõ V-(2) thì nối ra ngoài chân 2 Tuỳ thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà Op-Amp(2) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển Fip-Flop(F/F)

● Mạch Flip-Flop (F/F) là bộ phận chính của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, là loại mạch lưỡng

ổn kích một bên Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F là ngõ

Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái

● Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp (0V) và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (

Vcc)

● Transistor T1 có chân E nối vào một điện áp chuẩn khoảng 1.4V, là loại Transistor PNP Khi cực

B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác Do đó, chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh mạch bị Reset do nhiễu

● Transistor T2 là Transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 (Discharge = xả), là loại Transistor NPN

Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực

C của T2 coi như nối mass Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn, cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao Theo nguyên l ý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 3 Và transistor T2 được đặc biệt thiết kế trong mạch tích hợp gốc chuẩn thời gian để làm một nhiệm vụ khá quan trọng

là chuyển mạch phóng điện

Chuyển mạch phóng điện: Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 trong khi sử dụng, đại đa số là có liên

quan đến việc nạp phóng điện Ví dụ: ứng dụng của mạch điện gốc chuẩn thời gian dùng làm mạch định giờ, thông thường ở đầu vào nối với một mạch điện phóng nạp RC bên ngoài để tạo ra một thời gian đóng cắt của xung đầu ra Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phóng điện thông qua điện trở R Khi tụ C có điện áp nạp tăng tới trị số ngưỡng, trạng thái đầu ra của bộ so sánh phát sinh sự biến đổi, làm cho đầu ra của FF - RS từ mức cao lật trở thành mức thấp, sự biến đổi mức điện đầu ra đó là tín hiệu phân biệt định giờ Thời gian định giờ này được quyết định bởi hằng số thời gian của mạch điện RC nạp điện và nó có thể tính được thông qua điện trở R và tụ điện

C

Mạch nạp RC cơ bản như trên hình trên Giả thiết tụ điện ban đầu là phóng điện Khi đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở Điện áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức vào tụ điện Đường cong nạp được thể hiện qua hình dưới Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức đơn giản sau:

Đường cong nạp của tụ điện:

Để làm cho mạch điện định giờ có thể sử dụng lặp lại, sau khi hoàn thiện một lần phân biệt cần làm cho tụ C có điện tích cần phải phóng hết, để chuẩn bị cho lần phân biệt định giờ sau Vì vậy trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 còn đặc biệt thiết kế một chuyển mạch tức là Transistor T2, cực gốc B nối với đầu Q của FF - RS, cực góp C nối vào đầu phóng điện (DIS), cực phát E nối đất GND Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức thấp (Q = 0, Q = 1), Transistor T2 có cực gốc ở mức cao, transistor T2 bão hòa dẫn thông, làm cho đầu phóng điện (DIS) nối đất loại trừ sụt áp Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức cao (Q = 1, Q = 0), transistor T2 ngắt, tương đương với đầu phóng điện (DIS) hở mạch, cho nên transistor T2 có tác dụng chuyển mạch, cung cấp cho tụ điện C một đường thông phóng điện xuống đất

III.4 Một số ứng dụng cơ bản của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian:

Ứng dụng của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 có rất nhiều Sử dụng mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, có thể tạo thành rất nhiều hình thức của bộ dao động đa hài tự kích (như hình: đường mạch màu đỏ là dương nguồn, mạch màu đen dưới cùng là âm nguồn) Ở đây ta chỉ xét hai ứng dụng cơ bản nhất của nó là mạch đa hài đơn ổn và phi ổn dùng IC 555

III.4.1 Mạch đa hài phi ổn dùng IC 555:

- Mạch phi ổn (còn gọi là mạch dao động đa hài không trạng thái bền) là một mạch dao động tự kích, nó có hai trạng thái không bền, trong quá trình dao động nó luôn tự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không cần có xung kích thích từ bên ngoài

- Mạch phi ổn được sử dụng để tạo ra các xung vuông, nó có rất nhiềuu ứng dụng trong thực tế cũng như trong kỹ thuật Chẳng hạn người ta sử dụng mạch astable để làm chuông điện ở nhà, làm những mạch đèn chớp nháy dùng cho trang trí, dùng làm các mạch phát xung điều khiển các thiết bị công suất lớn trong kỹ thuật

Mạch phi ổn cơ bản:

Khi nối thông nguồn điện, điện áp nguồn Vcc thông qua điện trở RA, RB nạp điện cho tụ C, chân số

6 được nối với chân số 2 nên hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so sánh với điện

áp chuẩn 2/3 Vcc và 1/3 Vcc bởi Op-Amp (1) và Op-Amp (2) Chân 5 nối tụ nhỏ (tụ 103 (10nF)) Chân 4 nối nguồn +Vcc nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa hai điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ (nghĩa là tụ C phóng điện sẽ thông qua RB và chân 7 để hoàn thành)

* Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1) Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2) Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0

- R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 1, Q = 0) Transistor vẫn không dẫn Khi điện áp trên tụ C tăng đến 2/3 Vcc thì Op-Amp(1) đổi trạng thái

* Tụ C nạp qua ngưỡng 2/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) > V-(1) Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 1 (H), nên R = 1

R

R

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2) Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0

- R = 1, S = 0  Q = 0, Q = 1 Lúc đó, ngõ ra chân 3 có V00V (do qua mạch khuếch đại đảo) Do

Q = 1 nên transistor T2 dẫn bão hoà và chân 7 nối masse làm tụ điện C không nạp tiếp được mà phải xả điện qua RB và transistor T2 xuống masse Tụ C xả qua RB với thời hằng là RBC

- Tụ C xả, làm cho điện áp tụ giảm xuống dưới 2/3 Vcc, khi đó Op-Amp(1) đổi trạng thái

* Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2/3 Vcc  1/3 Vcc:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1) Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0

- Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2) Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0

- R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 0, Q = 1) Transistor vẫn dẫn Khi điện áp trên tụ C giảm đến mức 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái

* Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3:

- Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1) Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0

- Op-Amp(2) có V+(2) > V-(2) Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 1 (H), nên S = 1

- R = 0, S = 1  Q = 1, Q = 0 Lúc đó, ngõ ra chân 3 có V0 Vcc(do qua mạch khuếch đại đảo) Lúc đó transistor T2 mất phân cực (VB2 = 0 do Q = 0) nên transistor ngưng dẫn đồng thời chấm dứt giai đoạn xả của tụ điện

Như vậy mạch đã trở lại trạng thái ban đầu và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là 1/3 Vcc, lên mức 2/3 Vcc, hiện tượng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn

Tóm lại:

Trong quá trình hoạt động bình thường của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc (Xem đường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)

Khi mở điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là 0V, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2/3 Vcc Nạp điện với thời hằng là (RA+RB)C

Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2/3 Vcc, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng 1/3 Vcc chứ không phải là 0V Xả điện với thời hằng là RBC

Những chu kỳ sau tụ nạp từ 1/3 Vcc lên 2/3 Vcc chứ không nạp từ 0V nữa

Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, thời gian mức 0 ở ngõ ra là thời gian xả điện Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUTPUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định Công thức tính các giá trị trong mạch:

Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian khi nạp

và xả của tụ điện