BÀI GIẢNG kỹ THUẬT XUNG

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT XUNG LỜI NÓI ĐẦU Mục đích của bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành các dạng xung mong muốn… Đây là bài giảng để giảng dạy, trình bày tóm tắt cơ sở lý thuyết đi kèm với ví dụ, ứng dụng, cuối mỗi chương đều có bài tập để sinh viên kiểm tra và củng cố. Bài giảng được biên soạn cho khóa học 45 tiết dành cho sinh viên năm 3 hệ đại học khoa Điện Điện tử trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp HCM Danh sách những thuật ngữ thường xuất hiện, có kèm theo tiếng Anh tương đương để sinh viên tiện tham khảo tài liệu Bài giảng gồm 6 chương dựa trên nhiều nguồn tham khảo trong và ngoài nước, với bố cục bám sát đề cương môn học Kỹ Thuật Xung dành cho sinh viên ngành Điện Tử Viễn Thông trường Đại học Kỹ Thuật như sau: Chương 1. Các khái niệm cơ bản Chương 2. Biến đổi dạng sóng bằng mạch R,L,C Chương 3. Chuyển mạch điện tử Chương 4. Mạch xén, mạch so sánh Chương 5. Mạch kẹp Chương 6. Mạch đa hài NGUYỄN TRỌNG HẢI Trang 2 MUÏC LUÏC CHÖÔNG 1. CAÙC KHAÙI NIEÄM CÔ BAÛN.................................................3 1.1. Ñaïi cöông.....................................................................................3 1.2. Caùc xung thöôøng gaëp..................................................................6 1.3. Moät soá khaùi nieäm veà xung..........................................................9 CHÖÔNG 2. BIEÁN ÑOÅI DAÏNG SOÙNG BAÈNG MAÏCH R,L,C...............13 2.1. Maïch loïc thoâng cao-maïch vi phaân...........................................14 2.2. Maïch loïc thoâng thaáp-maïch tích phaân.....................................23 2.3. Caùc boä suy hao..........................................................................31 CHÖÔNG 3. CHUYEÅN MAÏCH ÑIEÄN TÖÛ...............................................43 3.1. Cheá ñoä xaùc laäp..........................................................................43 3.2. Cheá ñoä quaù ñoä...........................................................................52 CHÖÔNG 4. MAÏCH XEÙN, MAÏCH SO SAÙNH.........................................58 4.1. Khaùi nieäm..................................................................................58 4.2. Maïch xeùn vôùi diode lyù töôûng....................................................59 4.3. Maïch xeùn vôùi diode thöïc teá......................................................66 4.4. Maïch xeùn ôû hai möùc ñoäc laäp....................................................69 CHÖÔNG 5. MAÏCH KEÏP.........................................................................73 5.1. Khaùi nieäm..................................................................................73 5.2. Maïch keïp duøng diode lyù töôûng.................................................74 5.3. Maïch keïp khi keå ñeán ñieän trôû thuaän vaø ñieän trôû nguoàn.......80 5.4. Maïch keïp taïi cöïc neàn BJT.......................................................84 CHÖÔNG 6. MAÏCH ÑA HAØI...................................................................88 6.1. Khaùi nieäm..................................................................................88 6.2. Ña haøi duøng caùc linh kieän töông töï.........................................90 6.3. Ña haøi duøng coång logic...........................................................110 6.4. Dao ñoäng duøng thaïch anh......................................................119 Trang 2 CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN I. ĐẠI CƯƠNG Phân loại tín hiệu • • • • • Theo dạng sóng: Tín hiệu tam giác, sin, xung vuông, nấc thang, . . . Theo tần số : Tín hiệu hạ tần, âm tần, cao tần, siêu cao tần, . . . Theo sự liên tục : Tín hiệu liên tục biên độ và thời gian. Theo sự rời rạc : Tín hiệu rời rạc biên độ và thời gian. Tuần hoàn : Tín hiệu có dạng sóng lặp lại sau mỗi chu kỳ. Một số tín hiệu liên tục p(t) +A T T/2 1 t t 0 -A Hình 1.1b. Chuỗi xung vuông Hình 1.1a. Tín hiệu K K 0 t Hình 1.1c. Xung tam giác 0 Trang 2 Hình 1.1d. Hàm mũ t Một số tín hiệu rời rạc x(n) = sin( 2π n) 8 x(n) 1 … 0 1 8 1 n n … … -1 0 1 2 3 4 5 6 7 … Hình 1.2b, Hàm mũ rời rạc Hình 1.2a, Tín hiệu sin rời Ngày nay trong kỹ thuật vô tuyến điện, có rất nhiều thiết bị công tác trong một rạc chế độ đặc biệt: chế độ xung. Trong các thiết bị này, dòng và áp tác dụng lên mạch một cách rời rạc theo một quy luật nào đó. Ở những thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp, trong mạch sẽ phát sinh quá trình quá độ, phá hủy chế độ công tác tĩnh của mạch. Bởi vậy việc nghiên cứu các quá trình xảy ra trong các thiết bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu quá trình quá độ trong các mạch đó. Nếu có một dãy xung tác dụng lên mạch điện mà khoảng thời gian giữa các xung đủ lớn so với thời gian quá độ của mạch. Khi đó tác dụng của một dãy xung như một xung đơn. Ngược lại nếu khoảng thời gian kế tiếp của xung đủ nhỏ so với quá trình quá độ của mạch thì phải nghiên cứu tác dụng của một dãy xung giống như của những điện áp hoặc dòng điện có dạng phức tạp. Việc phân tích mạch ở chế độ xung phải xác định sự phụ thuộc hàm số của điện áp hoặc dòng điện trong mạch theo thời gian ở trạng thái quá độ. Có thể dùng công cụ toán học như: phương pháp tích phân kinh điển. Phương pháp phổ (Fourier) hoặc phương pháp toán tử Laplace… Phương pháp khảo sát Có nhiều cách để khảo sát sự biến đổi tín hiệu khi đi qua mạch RC, trong đó có phương pháp quá độ trong mạch điện với 2 phương pháp quen thuộc: • Giải và tìm nghiệm của phương trình vi phân. • Tìm hàm truyền đạt của mạch và biến đổi Laplace. a. Phương pháp tích phân kinh điển. Phương trình mạch và nghiệm. Trang 2 an d n y (t ) d n−1 y (t ) dy (t ) + a + ... + a1 + a0 y (t ) = f (t ) n −1 n n −1 dt dt dt Vế phải của phương trình f(t) đã được xac định, y(t) ở vế trái là nghiệm cần tìm (điện áp hay dòng điện), nghiệm (họ nghiệm) của y(t) như sau y(t) = yxl(t) + yqđ(t) Nghiệm của phương trình thuần nhất d n y (t ) d n −1 y (t ) dy (t ) an + a n −1 + ... + a1 + a 0 y (t ) = 0 n n −1 dt dt dt có 3 dạng: thực đơn, đơn và phức, bội Nghiệm thực p1, p2, pn có dạng như sau: y qd = K 1e p1t + K 2 e p2t + ... + K n e pnt Nghiệm phức p1 = −α + j β , p2 = −α − j β có dạng như sau: y qd = K 1e −αt cos( βt + φ ) Nghiệm kép p1=p2 có dạng như sau: y qd = ( K 1 + K 2 t )e p1t b. Phương pháp toán tử Laplace Biến đổi Laplace 1 phía được xác định như sau: ∞ F ( s ) = L[ f (t )] = ∫ f (t )e − st dt 0 Mạch tương đương R, L, C + + I(s) sL u(s) u(s) Li0 - + I(s) 1/sC 1/sL Cu0 sC I(s) u(s) u0/s i0/s - + u(s) - I(s) - 2 Hình 1.3. Sơ đồ Trang tương đương của L,C Biến đổi Laplace của một số hàm Hàm f(t) Biến đổi Laplace của f(t) 1 1 1 s 2 T 1 s2 3 tn n! s n +1 4 e-at 1 s+a 5 1 (1 − e − at ) a 1 s(s + a) 6 1 (e −a1t − e − a2t ) a 2 − a1 1 ( s + a1 )( s + a2 ) 7 1 (a1e − a1t − a 2 e − a2t ) a1 − a 2 s ( s + a1 )( s + a2 ) 8 t n e − at n! ( s + a ) n +1 9 sin ωt ω s + ω2 2 cos ωt 10 s s + ω2 2 II. CÁC XUNG THƯỜNG GẶP 1. Hàm bước đơn vị (Unit-step Function) u(t) 1 u (t ) =  0 t≥0 t 0 t 0 Hình 1.7. Xung Dirac Trang 2 t Xung Dirac δ (t ) có thể được khảo sát như là đạo hàm của u(t). Hình 1.8a. Hàm bước đơn vị gần đúng Hình 1.8b. Xung Dirac gần đúng (t ) khi ∆ → 0. Từ đó, có thể xác Rõ ràng bước nhảy đơn vị u(t) là giới hạn của u% (t ) , (t ) là đạo hàm của bước nhảy đơn vị gần đúng u% định xung Dirac gần đúng δ% du% (t ) δ% (t ) = dt tức là : t Và u(t) có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân : u(t) = ∫ δ (τ )dτ −∞ ∞ Một kết quả quan trọng ∫ x(t ).δ (t − to )dt = x(to) −∞ 4. Hàm dốc (Ramp Function) t 0 r(t) =  r(t) t≥0 = t.u(t) t >τ ) Khoaûng thôøi gian toàn taïi xung töø 0 ñeán t 1 raát lôùn so vôùi τ (t1 >>τ). Luùc naøy, thôøi haèng raát nhoû so vôùi thôøi gian t on , neân tuï C ñöôïc naïp ñaày vaø xaû heát trong khoaûng thôøi gian ngaén, töùc laø thôøi gian chuyeån maïch töø möùc thaáp leân möùc cao vaø ngöôïc laïi töø möùc cao xuoáng möùc thaáp gaàn nhö laø ñöôøng thaúng doác ñöùng (xem nhö laø töùc thôøi). Do vaäy, ñaùp öùng ôû ngoõ ra khoâng bò bieán daïng nhieàu so vôùi tín hieäu xung vaøo. Ñieàu naøy ñöôïc minh hoïa ôû hình sau Trang 2 Hình 2.4 b) Tröôøng hôïp 2 (t1 > τ O t1 t 1 -E Hình 2.6a. Ñieän aùp qua tuï vC(t) trôû vR(t) Hình 2.6b. Ñieän aùp qua ñieän Ngoõ vaøo laø chuoãi soùng vuoâng: Khi τ >> t1 E A1 0 t1 A2 Khi τ >VOUT(t)), maïch ñieän ñöôïc goïi laø vi phaân. Ñieän aùp rôi treân R seõ raát nhoû so vôùi ñieän aùp rôi treân C. Do ñoù vi ñi qua C vaø doøng ñieän (i(t)=Cdv/dt) ñöôïc quyeát ñònh troïn veïn bôûi ñieän dung, vaø tín hieäu ngoõ ra qua R laø VOUT (t ) = RC dV IN (t ) dt Ñaïo haøm cuûa soùng vuoâng laø moät daïng soùng baèng 0 ngoaïi tröø taïi caùc ñænh khoâng lieân tuïc. Taïi nhöõng ñænh naøy, pheùp laáy vi phaân chính xaùc seõ taêng bieân ñoä, ñoä roäng 0, vaø thay ñoåi cöïc. Trong giôùi haïn cuûa taàn soá thôøi gian raát nhoû, daïng soùng laø chính xaùc ngoaïi tröø bieân ñoä cuûa ñænh khoâng bao giôø vöôït quaù V. Ñoái vôùi haøm doác vi=αt, giaù trò cuûa RCdv i/dt laø αRC. Ngoõ ra ñaït ñeán giaù trò ñaïo haøm chính xaùc chæ sau thôøi gian ñi qua töông öùng caùc haèng soá thôøi gian. Sai soá gaàn t=0 vì trong vuøng naøy ñieän aùp qua R khoâng ñaùng keå so vôùi ñieän aùp qua C. Neáu cho raèng caïnh cuûa xung xaáp xæ laø moat haøm doác, coù theå ño tæ leä caïnh leân cuûa xung baèng caùch söû duïng maïch vi phaân. Ñænh ngoõ ra ñöôïc ño bôûi moät dao ñoäng kí, thaáy raèng ñieän aùp ñöôïc chia bôûi tích RC cho ñoä doác α. αRC 0 VOUT(t) Trang 2 T t Hình 2.10 Neáu soùng sin ñöôïc cung caáp cho maïch vi phaân, ngoõ ra seõ laø soùng sin ñöôïc dòch chuyeån moät goùc θ vaø ngoõ ra töông öùng laø sin(ωt+θ) vôùi tan θ = XC 1 = R ωRC Ñeå coù tích phaân ñuùng, phaûi nhaän ñöôïc cos ωt. Maëc khaùc, θ phaûi baèng 900. Keát quaû naøy chæ coù theå coù ñöôïc khi R=0 hay C=0. Tuy nhieân, neáu ωRC=0.01, thì 1/ωRC=100 vaø θ=89.40, gaàn baèng 900. Neáu ωRC=0.1, thì θ=84.30 vaø ñoái vôùi moät vaøi öùng duïng goùc naøy coù theå gaàn baèng 900. Neáu giaù trò ñænh cuûa ngoõ vaøo laø Vm, ngoõ ra laø Vm R 1 R + 2 2 ω C sin(ωt + θ ) 2 Vaø neáu ωRC t1 E VDC t t1 0 Hinh 2.19b Ñieän aùp vR(t) = vc(t) taêng daàn vaø xaùc laäp chung quanh giaù trò V DC laø trung bình cuûa chuoãi xung (trò DC cuûa vR(t) cuõng chính laø vDC) Khi vv laø haøm muõ taêng v (t ) = E (1 − e v − t τ1 ) Nhö ñaõ khaûo saùt ôû phaàn loïc thoâng cao, ñieän aùp treân ñieän trôû t t −  n  −τ τ1 v R (t ) = E   e −e  n + 1  n=     τ RC t = vaø x = τ1 τ1 τ1 VR(t)/E Maø vra(t) = vv – vR = E (1 − e 1 Töø ñoù n=0 0.9 0.8 veõnñöôïc = 0.2 daïng 0.7 − t τ1 t t −  n  −τ τ1 E e − e ) -  n + 1   soùng ngoõ ra nhö sau: n= n = 0.3 n = 10 0.4 Trang 2 0.1 0     1 2 3 4 5 6 n = 100 x= Hình 2.20 Nhaän xeùt Khi n fH1 3 3 t τ1 t − eτ 1 τ vôùi t ≥ 0 Töông töï VOUT (t ) = τ 1 τ 1 τ−1τ− τ τ 1 τ  −   Daïng soùng  τ τ1 − τ  e − Trang 2 − τ1 τ1 − τ  ττ1 τ1  τ − τ ln τ   1  Hình 2.21 Maïch loïc thoâng thaáp hoaït ñoäng nhö boä tích phaân Ta coù: VIN (t ) = VR (t ) + VOUT (t ) VIN (t ) = RC dVOUT (t ) + VOUT (t ) dt Laáy tích phaân hai veá 1 VOUT (t ) = RC t0 ∫ [V IN (t ) − VOUT (t )]dt 0 neáu haèng soá thôøi gian laø raát lôùn so vôùi thôøi gian laáy tích phaân, maïch ñieän ñöôïc goïi laø tích phaân. Trong tröôøng hôïp naøy ñieän aùp qua tuï C seõ laø raát nhoû so vôùiñieän aùp ngang qua R vaø thaáy raèng toång ñieän aùp ngoõ vaøo vi rôi treân R. Do ñoù t0 VOUT (t ) = 1 V IN (t )dt RC ∫0 Neáu vi=αt, keát quaû VOUT(t)=αt2/2RC. Khi thôøi gian taêng, ñieän aùp ngang qua tuï C duy trì khoâng ñaùng keå so vôùi ñieän aùp ngang qua R. Hình sau chæ ra raèng ngoõ ra seõ laø haøm baäc hai khi ngoõ vaøo laø haøm tuyeán tính theo thôøi gian. αRC VIN(t ) Vra(t) 0 T Hình 2.22 t Tích phaân cuûa moät haèng laø moät haøm tuyeán tính, vaø ñieàu naøy ñuùng vôùi ñöôøng cong ñieän aùp treân tuï öùng vôùi RC/T>>1. Trang 2 Khi τ >> t1 tuyeán tính E 0 VDC t1 t Hình 2.23 Ñieàu kieän cuûa maïch tích phaân f >> f c = 1 1 1 1 = hay RC >> hay τ >> 2πRC 2πf 2πf ω Tröôøng hôïp ñieän aùp ngoõ vaøo vv laø tín hieäu daïng sin thì vv(t) = Vmsinωt vr(t) = Vmsinωt dt = − Vm V cos ωt = m sin ωt − 90 0 ωRC ωRC ( ) Nhö vaäy neáu thoûa maõn ñieàu kieän cuûa maïch tích phaân nhö treân thì ñieän aùp ngoõ ra bò chaäm pha 90o so vôùi ngoõ vaøo vaø bieân ñoä bò giaûm xuoáng vôùi heä soá tyû leä laø 1 . ωRC Nhöõng ví duï naøy chæ ra raèng tích phaân phaûi ñöôïc söû duïng moat caùch caån troïng. Xaùc ñònh ñieàu kieän tích phaân thoaõ maõn coù nghóa laø moät soùng sin ngoõ vaøo phaûi ñöôïc dòch chuyeån ít nhaát 89.40, töông öùng vôùi RC>15T. Vì ngoõ ra laø moät haøm nhoû cuûa ngoõ vaøo(vì yeáu toá 1/RC), caàn thieát phaûi coù boä khueách ñaïi ngoõ ra. Caùc boä tích phaân haàu nhö luoân luoân hoaøn haûo hôn boä vi phaân trong caùc öùng duïng töông töï. Vì ñoä lôïi cuûa tích phaân giaûm theo taàn soá trong khi ñoù ñoä lôïi cuûa vi phaân giaûm treân danh nghóa tuyeán tính theo taàn soá, deã daøng ñeå oån ñònh tích phaân hôn laø vi phaân vôùi caùc dao ñoäng sai leäch do ñoä roäng baêng giôùi haïn cuûa noù, moät pheùp tích phaân thì ít bò aûnh höôûng bôûi nguoàn ñieän aùp nhieãu hôn laø moät pheùp vi phaân. Hôn nöõa, neáu daïng soùng ngoõ vaøo thay ñoåi nhanh, boä khueách ñaïi cuûa vi phaân coù theå quaù taûi. Maïch tích phaân duøng OpAmp Maïch Tích Phaân ñaûo Sô ñoà maïch C Vv R - Trang 2 + I1 0 I2 VRa Hình 2.24 Thieát laäp quan heä vaøo ra Vôùi i1 = - i2 Maø i1 = vv − v− vv dv ( t ) = ( v − = v + = 0) , i 2 ( t ) = C r R R dt Do ñoù vv ( t) dv ( t ) 1 = −C v ⇒ v r ( t ) = − v v ( t ) dt R dt RC ∫ Heä soá tæ leä k = −1 , hai linh kieän R vaø C ñeå taïo haèng soá thôøi gian RC cuûa maïch . III. Caùc boä suy hao (Attenuators) Trong caùc thieát bò xung, thöôøng gaëp nhöõng tröôøng hôïp caàn phaûi laøm suy giaûm bôùt moät phaàn ñieän aùp naøo ñoù ñeå ñaûm baûo caùc chæ tieâu kyõ thuaät ñeà ra. Vaán ñeà quan troïng laø phaûi laøm theá naøo ñeå tín hieäu ñaàu ra cuûa boä suy hao giöõ nguyeân daïng soùng cuûa tín hieäu vaøo, chæ coù bieân ñoä giaûm. Caùc tín hieäu khoâng sin coù chu kyø, trong ñoù coù chöùa thaønh phaàn taàn soá thaáp ñeán taàn soá cao. Ta muoán laáy ra moät phaàn tín hieäu maø khoâng laøm taêng ñoä roäng söôøn vaø laøm meùo ñænh tín hieäu xung thì heä soá phaân aùp phaûi khoâng phuï thuoäc taàn soá. Caùc boä phaân aùp coù heä soá phaân aùp khoâng phuï thuoäc taàn soá coù daïng ñôn giaûn nhaát ñöôïc minh hoïa treân hình sau R1 VV VV VR C1 R2 C2 Hình 2.25a Hình 2.25b Vôùi hình a ta coù vr = Vôùi hình b ta coù vr = VR R2 vV R1 + R 2 C2 v C1 + C 2 V Trang 2 Trong thöïc teá, thöôøng coù ñieän dung kyù sinh maéc song song vôùi ñieän trôû R2 (ñieän dung cuûa taàng keá sau). Do ñoù, ñieän aùp ra seõ coù ñoä roäng söôøn nhaát ñònh, cho duø ñaàu vaøo laø xung chöõ nhaät lyù töôûng. Ñeå khaéc phuïc hieän töôïng naøy, töùc laø laøm heä soá phaân aùp khoâng phuï thuoäc taàn soá, ngöôøi ta duøng phöông phaùp buø meùo. Muoán vaäy, phaûi maéc theâm tuï C1 song song vôùi R1 nhö hình sau. C1 VV R1 R2 C2 VRa Hình 2.26 ÔÛ taàn soá thaáp (thaønh phaàn DC), tyû leä phaân aùp laø R2 R1 + R 2 ÔÛ taàn soá voâ cuøng lôùn ( ω → ∞ ). Tyû leä phaân aùp hoaøn toaøn phuï thuoäc vaøo C1, C2 vaø coù trò soá laø C1 C1 + C 2 Muoán tæ leä phaân aùp chia cuøng tæ leä ôû caùc taàn soá (lôùn, beù, trung bình) thì : R2 C1 = R1 + R2 C1 + C 2 Hay R2C2 + R2C1 = R1C1 + R2C1 ⇒ R2C2 = R1C1 ⇒ C1 = R2 C2 = C p R1 Neáu C1 = Cp : thì buø ñuùng. Neáu C1 > Cp : buø loá . Neáu C1 < Cp : buø thieáu Trang 2 Vv(t) vr(t) vv(t) vr(t) vv(t) Hình 2.27 MAÏCH RLC Sô ñoà maïch R VV 1 C VRa L 2 Hình 2.28 Xeùt ngoõ vaøo laø ham böôùc Bieán ñoåi nguoàn aùp thaønh nguoàn doøng, ta coù daïng maïch nhö hình sau 1 E /R C R L 2 Hình 2.29 Luùc naøy nguoàn doøng coù giaù trò i(t) = E u(t) , vôùi u(t) laø haøm böôùc ñôn vò R Trang 2 Ñeå tìm hieåu taùc duïng cuûa xung ñoät bieán doøng ñieän leân maïch RLC maéc song song, ta coù theå tìm taùc duïng rieâng leû cuûa töøng ñoät bieán doøng ñieän roài sau ñoù toång keát quaû cuûa chuùng laïi vôùi nhau. Ñaây laø daïng maïch dao ñoäng RLC maéc song song. Neáu taïi thôøi ñieåm t = 0, ñaàu vaøo cuûa maïch ñoät bieán doøng ñieän coù E bieân ñoä . Vôùi ñieàu kieän ban ñaàu uc(0) = 0, iL(0) = 0, ta laäp ñöôïc R phöông trình cho maïch nhö sau: Vôùi i(t) = E u(t) R : i(p) = E 1 R p Phöông trình nuùt, ta coù i(p) = 1  1 E 1 + pC  = v ra ( p ) + R p  R pL  v ra ( p ) = E RC vôùi 2α = ω 02 = 1 E 1 = 2 1 1 RC p + 2αp + ω 02 p2 + p + RC LC (*) 1 1 →α = RC 2 RC 1 → ω0 = LC 1 LC Phöông trình (*) coù maãu soá trieät tieâu öùng vôùi p 2 + 2αp + ω 02 = 0 coù nghieäm p1, 2 = − 1 1 1 ± − = −α ± α 2 − ω 02 2 2 2 RC LC 4R C ∆ = α 2 − ω 02 v ra ( p ) = E 1 RC ( p − p1 )( p − p 2 ) Coù 3 tröôøng hôïp Tröôøng hôïp ∆ > 0 thì p1, p2 laø hai nghieäm thöïc Ta coù : vr(p) = E 1 E 1 1 1 . ( − ). = RC (p − p1 )(p − p 2 ) RC p − p1 p − p 2 p1 − p 2 = A p1 − p 2  1 1    −  p − p1 p − p 2  Trang 2 Vôùi A = E = Const RC Laáy Laplace ngöôïc cuûa vr(p) , ta ñöôïc vr(t ) = £-1 { v r ( p )} A ( e p1t − e p2t ) 1 − p2 }= p Ñöôøng cong ñieän aùp ra ñöôïc veõ nhö sau : Hình 2.30 Qua hình veõ ta thaáy, giaûn ñoà thôøi gian cuûa ñieän aùp ra coù daïng moät xung ñôn höôùng vaø laø hieäu cuûa hai haøm soá muõ ep1t , ep2t . Tröôøng hôïp ∆ = 0, khi ñoù p1= p2= - α Ta coù : vr(p) = E 1 RC ( p + α) 2 Bieán ñoåi Laplace ngöôïc ta ñöôïc: vr(t) = £-1 { v r ( p )} = E .t.e −αt = B.t.e −αt RC Vôùi B = E/RC = const Giaûn ñoà thôøi gian cuûa ñieän aùp ra Hình 2.31 Tröôøng hôïp ∆ < 0, khi ñoù 2 ∆ < 0 ⇒ ∆ = ω0 − α 2 = ω1 p1,2 = - α ± j ω1 vr(p) = ω1 E ω1 .RC ( p + α ) 2 + ω 1 2 Laáy Laplace ngöôïc ta ñöôïc : Trang 2 vr(t) = £-1 { v r ( p )} = E C −α .t e −α .t sin ω 1t = e sin ω 1t RCω 1 ω1 Vôùi C = E/RC = const. Giaûn ñoà thôøi gian cuûa ñieän aùp ra: Hình 2.32 Qua hình veõ ta thaáy, khi taùc duïng leân ñaàu vaøo cuûa maïch dao ñoäng RLC, maéc song song, moät ñoät bieán doøng ñieän trong maïch seõ phaùt sinh dao ñoäng coù bieân ñoä suy giaûm daàn laø do söï toàn taïi ñieän trôû phaân maïch R vaø ñieän trôû baûn thaân cuoän daây. Neáu α caøng lôùn, dao ñoäng taét daàn caøng nhanh, bieân ñoä ban ñaàu laø C/ω1 = C 2 ω0 − α 2 caøng lôùn. Ngöôïc laïi, heä soá suy giaûm α caøng nhoû thì dao ñoäng taét daàn chaäm hôn, nhöng bieân ñoä ban ñaàu beù. Trang 2 Bài tập chương 2 1. Cho maïch ñieän sau C 12V 0V 0 .1 u F R 1m s Veõ ñieän aùp treân ñieän trôû vaø treân tuï öùng vôùi caùc giaù trò R nhö sau: a. R=100 Ω b. R=1K Ω c. R=10K Ω 2. Cho maïch ñieän sau R Vv(t) 10K C 1 uF Vôùi VV(t) laø chuoãi xung vuoâng coù bieân ñoä 0 vaø 5V, f = 1Khz Veõ uC(t) vaø uR(t) vôùi 1 xung ñaàu khi a. q = 10% b. q = 40% c. q = 80% Trang 2 3. Cho mạch điện sau R VIN VOUT L a. Tìm hàm truyền G ( s ) = VOUT ( s ) , đây là mạch lọc gì V IN ( s) b. Tìm đáp ứng ra khi VIN (t ) = 5[ u (t − 2) − u (t − 3)] c. Vẽ dạng sóng vL(t) và iL(t) d. Tìm điều kiện để VIN (t ) = dVIN (t ) dt e. Xác định giá trị R, L nếu thời gian lấy vi phân là 5ms 4. Cho mạch điện sau IOUT iIN a. Tìm hàm truyền G ( s ) = L R I OUT ( s) , đây là mạch lọc gì I IN ( s ) b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 5r (t − 2) c. Tìm điều kiện để VIN (t ) = dVIN (t ) dt d. Xác định giá trị R, L nếu thời gian lấy vi phân là 5ms 5. Cho mạch điện sau iIN a. Tìm hàm truyền G ( s ) = IOUT R C I OUT ( s) , đây là mạch lọc gì I IN ( s ) Trang 2 −t b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 5e c. Tìm điều kiện để VIN (t ) = dV IN (t ) dt d. Xác định giá trị R, C nếu thời gian lấy vi phân là 2ms 6. Cho mạch điện sau C VIN VOUT L a. Tìm hàm truyền G ( s ) = VOUT ( s ) , đây là mạch lọc gì V IN ( s) −t b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 5(1 − e ) 7. Cho mạch điện sau, chứng minh VOUT (t ) = K dVIN dt R2 C 2 R1 C 1 VIN - VOUT + 0 8. Cho mạch điện sau VIN L VOUT R a. Tìm hàm truyền G ( s ) = VOUT ( s ) , đây là mạch lọc gì V IN ( s) b. Tìm đáp ứng ra khi VIN (t ) = 3[ u (t + 2) − u (t − 2)] Trang 2 c. Vẽ dạng sóng vL(t) và vR(t) t0 d. Tìm điều kiện để VIN (t ) = K ∫ VIN (t )dt 0 e. Xác định giá trị R, L nếu thời gian lấy tích phân là 5ms 9. Cho mạch điện sau IOUT iIN R a. Tìm hàm truyền G ( s ) = L I OUT ( s) , đây là mạch lọc gì I IN ( s ) b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 3r (t + 2) t0 c. Tìm điều kiện để VIN (t ) = K ∫ VIN (t )dt 0 d. Xác định giá trị R, L nếu thời gian lấy tích phân là 5ms 10. Cho mạch điện sau IOUT iIN C a. Tìm hàm truyền G ( s ) = R I OUT ( s) , đây là mạch lọc gì I IN ( s ) b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 3e − (t −2 ) u (t − 2) t0 c. Tìm điều kiện để VIN (t ) = K ∫ VIN (t )dt 0 d. Xác định giá trị R, C nếu thời gian lấy tích phân là 3ms 11. Cho mạch điện sau VIN L VOUT C Trang 2 a. Tìm hàm truyền G ( s ) = VOUT ( s ) , đây là mạch lọc gì V IN ( s) −(t + 2) )u (t + 2) b. Tìm đáp ứng ra khi I IN (t ) = 3(1 − e 12. Cho mạch điện sau, chứng minh vOUT ( t ) = ∫ ( K 1V1 + K 2V2 + K 3V3 ) dt R 3 R 2 R 1 V1 V2 V3 C - Vout + 0 13. Cho mạch điện sau, chứng minh vOUT ( t ) = K ∫ (V2 − V1 ) dt C1 R 1 R 2 V1 V2 - VOUT + C2 14. Cho mạch điện sau, chứng minh vOUT ( t ) = K ∫ VIN (t )dt R 1 R 1 0 VIN R C - VOUT + Trang 2 R 15. Cho mạch tích phân tỉ lệ PI (Proportional Intergrated) sau Chứng minh VOUT (t ) = K 1VIN (t ) + K 2 ∫ VIN (t )dt C VIN R1 R1 - VOUT + 0 16. Cho mạch vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integrated Differential) sau Chứng minh VOUT (t ) = K1VIN + K 2 dVIN + K 3 ∫ VIN (t )dt dt R1 Vv C 2 - C 1 + 0 CHÖÔNG 3. Trang 2 R2 VRa CHUYEÅN MAÏCH ÑIEÄN TÖÛ Caùc linh kieän ñieän töû nhö diode, transistor, ñeøn chaân khoâng ñöôïc goïi laø caùc linh kieän chuyeån maïch vì chuùng coù hai vuøng hoaït ñoäng: vuøng taét vaø vuøng daãn. ÔÛ vuøng taét, caùc linh kieän chuyeån maïch ñöôïc xem nhö khoâng daãn ñieän/daãn ñieän ôû vuøng phaân cöïc nghòch/baõo hoøa. Do ñoù, muoán hieåu roõ nguyeân lyù hoaït ñoäng caùc maïch bieán ñoåi xung, tröôùc heát caàn naém vöõng veà caáu truùc vaø baûn chaát lyù thuyeát cuûa nhöõng linh kieän treân. Khaûo saùt caùc phaàn töû ôû 2 cheá ñoä: cheá ñoä xaùc laäp vaø cheá ñoä quaù ñoä IV. CHEÁ ÑOÄ XAÙC LAÄP 1. Diode Ñöôøng Ñaëc Tính Cuûa Diode vaø maïch töông ñöông Quan heä Volts – Amperes cuûa Diode ñöôïc moâ taû nhö sau:  qvD  i D = I 0 e nkT − 1   (1) Caùc soá haïng trong phöông trình ñöôïc ñònh nghóa nhö sau : iD : Doøng qua diode (A) vd : Hieäu ñieän theá rôi treân Diode (V) Io : Doøng baõo hoøa ngöôïc q : Ñieän tích electron, k : Haèng soá Boltzmann , T : Nhieät ñoä tuyeät ñoái n 1,6.10-19 J/V ( C ) 1,38.10-23 J/ok (oK) : Haèng soá kinh nghieäm , 1 ≤ n ≤ 2 ÔÛ nhieät ñoä phoøng (300oK) VT = k.T/q = 25 (mV) Do ñoù phöông trình (1) coù theå vieát laïi laø  nVvD  i D = I 0 e T − 1   (2) Trang 2 Phöông trình (2) cho ta thaáy: Neáu vD ≤ VT thì doøng iD laø doøng baõo hoøa nghòch -I o , I0 haàu nhö khoâng phuï thuoäc ñieän aùp phaân cöïc nghòch Tuøy theo caùch cheá taïo I0 ≈ nA ñoái vôùi Si vaø I0 ≈ µ A ñoái vôùi Ge I0 raát nhaïy vôùi nhieät ñoä: taêng 2 laàn khi T taêng 6 0C ñoái vôùi Si, va khi T taêng 100C ñoái vôùi Ge Maïch töông ñöông diode phaân cöïc nghòch laø Io A Hoaëc K A K R neáu vD > VT vaø hoaït ñoäng ôû nhieät ñoä 25oC thì doøng ñieän thuaän cuûa Diode ñöôïc giaûn löôïc nhö sau:  nVvD i D = I 0 e T     Nhöõng phöông trình treân ñöôïc minh hoïa ôû hình sau cho caû hai vaät lieäu Sillicon vaø Germanium. Hình 3.1: Ñaëc tuyeán Volts- Amperes Ñaëc tuyeán thöïc cuûa Diode coù daïng haøm muõ. Khi phaân cöïc thuaän moái noái p-n, ôû beân phaûi ñaëc tuyeán V-A, thì ñieän trôû tieáp xuùc cuûa Trang 2 chaát lieäu baùn daãn tæ leä thuaän vôùi ñieän trôû thuaän. Khi phaân cöïc nghòch moái noái p-n, beân traùi ñaëc tuyeán V-A, thì doøng ñieän ræ I o tæ leä nghòch vôùi ñieän trôû nghòch. Khi Diode chòu moät ñieän aùp ngöôïc lôùn seõ laøm phaù huûy tieáp giaùp p-n. Ñieän aùp rôi treân Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän laø Vγ = 0,1v ñeán 0,3v (choïn 0,2v) , Ñoái vôùi Diode loaïi Ge. Vγ = 0,6v ñeán 0,8v (choïn 0,7v) , Ñoái vôùi Diode loaïi Si. Maïch töông cuûa Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän laø: A rd A K K Vγ Diode lyù rd : rd = Ñieän trôû ñoäng nVT / (iD + Io) ≈ nVT / iD Diode lyù töôûng coù rd = 0 vaø Vγ = 0. Trong khi söû duïng diode P-N laøm chuyeån maïch ôû cheá ñoä xaùc laäp phaân cöïc thuaän, tuøy tröôøng hôïp ta coù theå xem nhö A K Vγ Vγ A rd K IDz 2. Diode oån aùp baùn daãn (diode zener) a. Ñaïi cöông K K N Si P A Vz I0 Vγ Izmin + pha taïp chaát ñaëc bieät A Hình 3.2 Trang 2 IZMax VDz Moái noái P-N ñöôïc cheá taïo ñaëc bieät ñeå coù ñaëc tuyeán V-A nhö hình veõ Khi phaân cöïc thuaän Diode Zener hoaït ñoäng nhö diode naén ñieän Si bình thöôøng V γ = 0.6V Khi phaân cöïc nghòch Khi V < VZ thì Izener = I0 doøng baõo hoøa Khi V > VZ thì VD = VZ Caùc giaù trò giôùi haïn Söû duïng diode Zener ta phaûi quan taâm ñeán • VZ • PZmax hay IZmax (doøng toái ña qua zener) Nhaø saûn xuaát thöôøng cho PZmax Thoâng thöôøng VZ = 2 ÷ 200V PZmax = 0.5W ÷ 100W Chuù yù Khi söû duïng diode zener luoân luoân phaûi coù ñieän trôû haïn cheá doøng (ñieän trôû xaùc ñònh doøng) R V IL 0.2.IL Hình 3.3 R= V − VZ I L + 0.2 I L Töø ñoù tính ñöôïc coâng suaát treân zener laø  V − VZ  PDZ =  − I L .VZ  R  Trang 2 RL b. Maïch töông ñöông Töø ñoù ta coù maïch töông ñöông nhö sau: I Vz Vγ Vγ Vz V R z Moâ hình PCN ∆I ∆V Moâ hình PCT Hình 3.4 RZ = ∆V ∆I 3. Transistor Transistor thuoäc hoï linh kieän ba cöïc, bao goàm hai baùn daãn loaïi p vaø moät baùn daãn loaïi n ñoái vôùi loaïi PNP, hai baùn daãn loaïi n vaø moät baùn daãn loaïi p ñoái vôùi loaïi NPN. Sô ñoà kyù hieäu cuûa Transistor ñöôïc moâ taû ôû hình 1.8. Chieàu doøng ñieän ñöôïc qui öôùc theo chieàu cuûa muõi teân. B Kyù hieäu C B NPN E Kyù hieäu Hình 3.5 Trang 2 C PNP E Ñöôøng cong ñaëc tính cuûa Transistor ñöôïc bieåu dieãn nhö sau Hình 3.6 Ñöôøng ñaëc tính naøy laø ñöôøng cong ñaëc tính Collector – Emitter, vôùi thoâng soá ngoõ vaøo laø doøng iB vaø vBE theo quan heä nhö sau iB = f(vBE) vaø thoâng soá ngoõ ra laø iC vaø vCE theo quan heä nhö sau iC = f(vCE). Nhìn treân ñöôøng ñaëc tính ta coù theå phaân thaønh ba vuøng laøm vieäc cuûa Transistor nhö sau : Vuøng taét Transistor rôi vaøo vuøng hoaït ñoäng naøy khi thoõa maõn ñieàu kieän sau: Moái noái BE phaûi ñöôïc phaân cöïc nghòch . Khi ñoù, caùc thoâng soá ngoõ ra laø doøng iC gaàn nhö baèng 0 vaø ñieän aùp vCE gaàn baèng VCC . C B ` E IE = 0 Vcc ICO Vcc Rc Rc Rb Vout = Vcc neu RL >> Rc C RL Trang 2 E RL Hình 3.7 Transistor ñöôïc xem laø taét hoaøn toaøn neáu IE = 0 Xeùt tröôøng hôïp khi IB = 0 transistor coù taét khoâng? Ñoái vôùi transistor, coù quan heä IC = -αIE + ICo IB + IC = IE Khi IB = 0 → I C = I CO 1−α • Neáu BJT thuoäc hoï Ge: α ≈1 → IC raát lôùn: khoâng taét Ñeå BJT taét ta phaûi cöôõng böùc baèng caùch phaân cöïc nghòch moái noái BE • Neáu BJT thuoäc hoï Si: α ≈ 0 → IC = ICO :taét Vuøng khueách ñaïi Transistor hoaït ñoäng trong vuøng khueách ñaïi khi moái noái BE ñöôïc phaân cöïc thuaän (VB > VE ) vaø moái noái BC ñöôïc phaân cöïc nghòch (VC >VB). ÔÛ cheá ñoä naøy thì IB = β IC Vôùi β laø heä soá ñoä lôïi doøng DC, giaù trò ñieån hình cuûa β bieán thieân trong phaïm vi töø 20 ñeán 800 tuøy theo loaïi Transistor. Vuøng khyeách ñaïi ñaõ ñöôïc khaûo saùt trong caùc taøi lieäu veà ñieän töû 1, 2. Trong phaàn chuyeån maïch seõ chæ khaûo saùt ôû 2 cheá ñoä taét vaø baõo hoøa Vuøng baõo hoøa Transistor laøm vieäc ôû vuøng baõo hoøa caàn thoõa maõn caùc ñieàu kieän sau: • Moái noái BC vaø moái noái BE ñeàu ñöôïc phaân cöïc thuaän. C B E Trang 2 Vcc Vcc Rc Rc Rb Vout = 0 C E RL Rt Hình 3.8 Transistor rôi vaøo vuøng baõo hoøa khi ngoõ vaøo phaûi ñöôïc cung caáp tín hieäu ñuû lôùn sao cho ñieän aùp taïi cöïc neàn (V B) lôùn hôn moät möùc ngöôõng ñeå Transistor phaân cöïc baõo hoøa. Möùc ñieän aùp ngöôõng naøy laø VBEsat , noù coù trò soá tuøy thuoäc vaøo töøng loaïi chaát baùn daãn . • VBEsat = 0,7V ñeán 0,8V , • VBEsat = 0.3V Transistor loaïi Si , Transistor loaïi Ge Khi söû duïng ôû cheá ñoä chuyeån maïch, Transistor thoâng thöôøng maéc theo daïng E chung ( maéc CE ). Khaûo saùt moät daïng maïch maéc CE laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa. Vcc Rc Rb Vbb 0 0 Hình 3.9 ÔÛ traïng thaùi baõo hoøa : VC = VCEsat ≈ 0.1 ÷ 0.2V ICsat ñöôïc tính theo coâng thöùc sau : ICsat = VCC −VCEsat . Rc Khi ñaõ coù doøng ñieän taûi IC , ta phaûi tính doøng ñieän caàn thieát caáp cho cöïc neàn B, nhaèm choïn trò soá RB thích hôïp. Ta xaùc ñònh IBsat theo bieåu thöùc : Trang 2 IBsat 1 = β .ICsat Tröôøng hôïp caàn cho Transistor laøm vieäc ôû cheá ñoä baõo hoøa saâu, thì coù theå tính IB theo coâng thöùc: IBsat = I Csat .k β ,Trong ñoù, k laø heä soá baõo hoøa saâu (k = 2 ÷ 5). Khi Transistor baõo hoøa, caùc giaù trò I Bsat vaø ICsat ngoaøi quyeát ñònh , ñeàu do maïch Ta coù theå xaùc ñònh RB theo coâng thöùc sau RB = V − V BEsat I Bsat 4. OpAmp (Operational-Amplifier) Op-amp laø loaïi linh kieän ñöôïc öùng duïng phoå bieán trong lónh vöïc ñieän töû. Gaàn nhö moïi chöùc naêng trong lónh vöïc naøy ñeàu coù theå duøng Op-amp ñeå thöïc hieän. Chaúng haïn, thöïc hieän caùc pheùp tính: Coäng, tröø , tích phaân trong maùy tính töông töï, laøm thaønh phaàn noàng coát trong caùc maïch khueách ñaïi, maïch ño, boä dao ñoäng, maïch taïo aâm, maïch caûm bieán. Op-amp laø loaïi linh kieän ñöôïc tích hôïp, goàm hai ngoõ vaøo: Ñaûo vaø khoâng ñaûo, moät ngoõ ra. Op-amp hoaït ñoäng ñöôïc phaûi caàn cung caáp caëp nguoàn ñieän aùp ñoái xöùng döông vaø aâm, ñieåm giöõa cuûa caëp nguoàn naøy ñöôïc xem laø mass (0V). Do vaäy, tín hieäu ôû ngoõ ra cuûa boä khueách ñaïi thuaät toaùn coù theå bieán ñoåi caû veà phía döông hay phía aâm so vôùi mass. Kyù hieäu vaø sô ñoà töông ñöông cuûa OpAmp nhö sau: +Vcc V+ V- Ro V+ + - Vout Rin Vout V-Vcc Hình 3.10 Moâ hình goàm moät nguoàn aùp phuï thuoäc (phuï thuoäc vaøo ñieän aùp ngoõ vaøo), trôû khaùng ngoõ vaøo (Rin) vaø trôû khaùng ngoõ ra (Ro). Trang 2 Ñieän aùp vaøo vi sai vd = v+ - v- Trôû khaùng ngoõ vaøo cuûa Op-amp töông ñöông nhö moät ñieän trôû. Ñieän aùp ngoõ ra tæ leä thuaän vôùi ñieän aùp ngoõ vaøo, vaø ta bieåu thò heä soá tæ leä naøy laø ñoä lôïi voøng hôû (G). Vì vaäy, ñieän aùp ngoõ ra khueách ñaïi G laàn ñieän aùp vaøo vi sai vaø ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc sau: vo = G (v+ - v-) = G .vd Op-amp lyù töôûng coù nhöõng ñaëc ñieåm nhö sau: Trôû khaùng ngoõ vaøo, Trôû khaùng ngoõ ra, Ñoä lôï voøng hôû, Rin = ∞ Ro = 0 G→∞ Baêng thoâng BW → ∞ vo = 0, khi v+ = vTa coù v+ - v- = vo /G (*) Vì G → ∞, do ñoù phöông trình (*) ñöôïc vieát laïi nhö sau: v + - v- = 0 → v+ = vBôûi ñieän trôû ngoõ vaøo Rin → ∞, neân doøng ñieän chaïy vaøo hai ngoõ vaøo ñaûo vaø khoâng ñaûo laø zero i+ = i- = 0 Tuøy thuoäc ñieän aùp ôû hai ngoõ vaøo naøy so saùnh vôùi nhau maø Op-amp seõ laøm vieäc moät trong hai traïng thaùi sau: • Neáu v+ > v- thì vo = +V, goïi laø traïng thaùi baõo hoøa döông . • Neáu v+ < v- thì vo = -V, goïi laø traïng thaùi baõo hoøa aâm. Hai traïng thaùi baõo hoøa naøy töông ñöông vôùi ngoõ ra cuûa Op-amp ôû hai möùc ñieän aùp cao vaø ñieän aùp thaáp, ñeå taïo ra caùc xung ñieän. Ñaëc tuyeán truyeàn ñöôïc theå hieän nhö sau Hình 3.11 Trang 2 V. CHEÁ ÑOÄ QUAÙ ÑOÄ Trong phaàn naøy chuû yeáu nghieân cöùu caùc hieän töôïng xaûy ra trong quaù trình chuyeån maïch (luùc quaù ñoä). Seõ khoâng ñi quaù saâu veà baûn chaát vaät lyù maø chuû yeáu neâu hieän töôïng vaø ñeà ra bieän phaùp caûi thieän daïng soùng ra 1. Diode baùn daãn PN Vv a. Ñaïi cöông +V t 0 ID VV RL -V V + R RT Hình 3.12 ID T1 T2 I0 0 V − R RT Aûnh höôûng do hat taûi ñieän thieåu soá t Aûnh höôûng do ñieän dung CD Do aûnh höôûng cuûa haït taûi ñieän thieåu soá trong thôøi gian T 1 neân diode chöa taét hoaøn toaøn, daïng cuûa doøng ñieän nhö hình beân V Thôøi gian T1 khoaûng 0.1 µs vaø taêng khi R lôùn t T2 gaáp vaøi laàn T1 b. Caûi thieän • Toát nhaát neân duøng diode chuyeån maïch (switching diode) • Neáu khoâng, theâm tuï C (thöôøng do nhaø cheá taïo cung caáp thoâng soá) ñeå giaûm aûnh höôûng cuûa tuï Cd nhö sau Cd Vr RL C 0 Trang 2 I0 t Hình 3.13 2. Transistor 2 moái noái Quaù trình quaù ñoä xaûy ra trong BJT laø phöùc taïp. ÔÛ ñaây chæ khaûo saùt caùc yeáu toá gaây neân söï meùo daïng cuûa xung ra Vv a. Thôøi gian chuyeån maïch V 1 t 0 -V2 Vcc V1 VV Rc Rb IB V1 t 0 -V2 -V2 IC 0 Hình 3.14 ICbh 0.9ICbh 0.1ICbh 12 3 Thôøi gian môû (3) bao goàm 4 5 6 t • Thôøi gian treã td (1) laø thôøi gian caàn thieát ñeå Vv taêng töø 0 ñeán Vγ • Thôøi gian leân tr (2) chuû yeáu phuï thuoäc ñieän dung ngoõ vaøo C V cuûa BJT Thôøi gian taét (6) bao goàm • Thôøi gian toàn tröõ tS (4), thôøi gian caàn thieát ñeå xaû ñieän tích thöøa khi baõo hoøa. Baõo hoøa caøng saâu thì tS caøng lôùn • Thôøi gian xuoáng tf (5) chuû yeáu do aûnh höôûng ñieän dung C V ngoõ vaøo cuûa BJT b. Caûi thieän soùng ra • Söû duïng BJT chuyeån maïch, hay BJT cao taàn coù fT cao Trang 2 • Coù theå caûi thieän thôøi gian treã td neáu VV laø daïng soùng vuoâng saéc caïnh • Caûi thieän tr vaø tf. Ngoaøi vieäc VV laø soùng vuoâng coù caïnh leân vaø caïnh xuoáng saéc caïnh ta coù theå duøng tuï taêng toác (speed up capacitor) maéc song song vôùi RB (gioáng yù nieäm caàu phaân aùp) Vcc Cb Rc Rb Cv 0 0 Hình 3.15 Giaù trò cuûa Cb côõ vaøi pF vaø thöôøng ñöôïc nhaø saûn xuaát cung caáp • Caûi thieän thôøi gian toàn tröõ tS baèng caùch khoâng cho BJT baõo hoøa saâu, noäi dung cuûa PP naøy laø Khi BJT baõo hoøa, caû 2 moái noái BC vaø BE ñeàu phaân cöïc thuaän, nhö vaäy VB > VC hay VB ≥ VC + Vγ Maéc theâm 1 maïch ghim ñieän aùp (seõ hoïc ôû chöông 4) nhö sau 0.3V Hình 3.16 Maïch ghim coù taùc duïng ngaên khoâng cho V BC taêng quaù laøm cho BJT baõo hoøa saâu Ngoaøi ra coøn söû duïng diode Schottky hay transistor Schottky ñeå taêng toác ñoä chuyeån maïch Trang 2 CHÖÔNG 4. MAÏCH XEÙN, MAÏCH SO SAÙNH VI. KHAÙI NIEÄM Trong heä thoáng tuyeán tính, khi moät tín hieäu daïng sin taùc ñoäng ôû ngoõ vaøo, ngoõ ra khoâng bò bieán daïng. ÔÛ nhöõng heä thoáng naøy, caùc linh kieän ñöôïc duøng laø nhöõng phaàn töû tuyeán tính. Ñoái vôùi nhöõng phaàn töû khoâng tuyeán tính (phi tuyeán ) ñaëc tuyeán Volt-Ampere khoâng laø ñöôøng thaúng. Ñaëc tính khoâng tuyeán tính ñöôïc aùp duïng trong vieäc bieán ñoåi daïng soùng ngoõ vaøo. Daïng soùng naøy raát höõu duïng trong nhöõng öùng duïng kyõ thuaät xung. Moät daïng maïch ñöôïc khaûo saùt trong chöông naøy maø daïng soùng ra khoâng tuyeán tính goïi laø maïch xeùn (clipping). Maïch xeùn cuõng ñöôïc xem töông ñöông nhö moät maïch giôùi haïn, maïch choïn ñieän aùp, hay maïch choïn bieân ñoä. Maïch haïn cheá bieân ñoä laø maïch maø tín hieäu ñaàu ra laëp laïi tín hieäu ñaàu vaøo khi ñieän aùp ñaàu vaøo chöa vöôït qua moät giaù trò naøo ñoù goïi laø ngöôõng cuûa maïch haïn cheá, coøn ngöôïc laïi ñieän aùp ñaàu ra seõ giöõ nguyeân moät giaù trò khoâng ñoåi khi ñieän aùp ñaàu vaøo vöôït ra ngoaøi ngöôõng haïn cheá cuûa maïch. Giaù trò khoâng ñoåi ñoù goïi laø möùc haïn cheá. Moät maïch xeùn ñöôïc ñònh nghóa nhö moät maïch haïn cheá bieân ñoä ñieän aùp bôûi söï caét boû nhöõng thaønh phaàn khoâng caàn thieát cuûa daïng soùng ngoõ vaøo. Söï caét boû naøy coù theå thöïc hieän beân treân hoaëc beân döôùi cuûa tín hieäu ngoõ vaøo moät möùc naøo ñoù. Maïïch xeùn laø moät maïng hai cöûa, coù ñöôøng ñaëc tính laø nhöõng ñöôøng gaõy lyù töôûng, coù moät ñöôøng nghieâng ñi qua hoaëc khoâng ñi qua goác toïa ñoä, moät hay hai ñöôøng naèm ngang coù nhieäm vuï loaïi boû nhöõng Trang 2 thaønh phaàn khoâng caàn thieát cuûa tín hieäu ngoõ vaøo. Ngoõ ra quan heä vôùi ngoõ vaøo theo phöông trình: vr = f(vv). Caùc daïng ñaëc tuyeán vaøo –ra coù theå coù nhö sau Hình 4.1 Veà thöïc chaát maïch xeùn ñoùng vai troø nhö moät chuyeån maïch ñieän töû (switching). Neáu nhö khoùa maéc noái tieáp vôùi taûi thì tín hieäu seõ ñi qua khi khoùa ñoùng vaø bò chaën laïi khi khoùa môû, töùc laø ñoùng vai troø cuûa moät phaàn töû phi tuyeán. Ñeå thöïc hieän yeâu caàu ñoù, ngöôøi ta duøng caùc phaàn töû khoâng tuyeán tính nhö: Diode, Transistor, Opamp…. Rieâng maïch haïn cheá duøng Transistor vaø Op-amp, ngoaøi nhieäm vuï caét boû nhöõng thaønh phaàn khoâng caàn thieát coøn khueách ñaïi tín hieäu, neân coøn goïi laø maïch haïn cheá khueách ñaïi. Nhöõng yeâu caàu cuûa maïch xeùn laø ñoä saéc khi caét, ñoä oån ñònh cuûa nguôõng. Ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo nhöõng phaàn töû phi tuyeán ñöôïc söû duïng. VII. MAÏCH XEÙN VÔÙI DIODE LYÙ TÖÔÛNG Theo caùch maéc cuûa Diode, chia maïch xeùn duøng Diode thaønh hai loaïi song song vaø noái tieáp. Maïch haïn cheá noái tieáp coù Diode ñöôïc maéc noái tieáp vôùi taûi Trang 2 Maïch haïn cheá song song coù Diode ñöôïc noái song song vôùi taûi. Theo chöùc naêng, maïch xeùn noái tieáp vaø song song ñöôïc chia thaønh hai loaïi xeùn aâm, xeùn döông vaø maïch xeùn hai phía. Xeùn aâm laø caét boû thaønh phaàn aâm cuûa daïng soùng tín hieäu vaøo vaø chæ giöõ laïi thaønh phaàn döông Xeùn döông laø caét boû thaønh phaàn döông cuûa daïng soùng tín hieäu vaøo vaø chæ giöõ laïi phaàn aâm Xeùn hai phía laø caét boû caû thaønh phaàn aâm vaø thaønh phaàn döông cuûa tín hieäu vaøo moät möùc naøo ñoù. 5. Maïch xeùn song song a. Maïch Xeùn Döông Maïch goàm caùc phaàn töû nhö ñieän trôû R, nguoàn VDC, Diode. Giaû söû tín hieäu vaøo laø daïng soùng sin, coù bieân ñoä max laø ± V. Khaûo saùt moät soá daïng maïch xeùn cô baûn nhö sau : Daïng maïch 1 R Vv Vr Hình 4.2 Daïng maïch 2 Trang 2 Vr A R Vv C Vdc B Hình 4.4 Ngöôõng xeùn VDC = V Daïng maïch 3 Vr A R Vv C Vdc B Hình 4.6 b. Maïch Xeùn AÂm Xeùt tín hieäu ngoõ vaøo laø daïng soùng sin coù bieân ñoä max laø ±V Daïng maïch 1 Trang 2 R Vv Vr Hình 4.8 Daïng maïch 2 Vr A R Vv C Vdc B Hình 4.10 Daïng maïch 3 Trang 2 Vr A R Vv C Vdc B Hình 4.12 6. Maïch xeùn noái tieáp Ta khaûo saùt tín hieäu ngoõ vaøo ôû ñaây laø daïng hình sin coù bieân ñoä max laø ± V. Caùc daïng maïch cô baûn ñöôïc trình baøy nhö sau: a. Maïch Xeùn AÂm Daïng maïch 1 Vv R Vr Trang 2 Hình 4.14 Daïng maïch 2 Vdc A B Vv R Vr Hình 4.16 Daïng maïch 3 Vdc A C Vv R Vr B Hình 4.18 b. Maïch Xeùn Döông Daïng maïch 1 Trang 2 Vv R Vr Hình 4.20 Daïng maïch 2 Vdc A C Vv R Vr B Hình 4.22 Daïng maïch 3 Trang 2 Vdc A Vv C R Vr B -VDC Hình 4.24 VIII. MAÏCH XEÙN VÔÙI DIODE THÖÏC TEÁ Ñoái vôùi Diode thöïc teá, khi phaân cöïc thuaän thì coù daïng töông ñöông nhö sau: A K A Vγ rd K 1. Vγ Khi Vγ so saùnh ñöôïc vôùi Vv, nhaát laø vôùi VDC , thì ta phaûi keå Vγ vaøo maïch. Tröôøng hôïp naøy thöôøng laø maïch söû duïng Diode loaïi Si, coù v γ = 0,6V, vaø nguoàn VDC beù. Khi VDC >> Vγ , thì ta coù theå boû qua Vγ Ta xeùt daïng maïch maø trong ñoù Vγ so saùnh ñöôïc vôùi VDC Trang 2 Vv Vr R VDC=2V Vγ = 0,6 Hình 4.26 Ñaây laø daïng maïch xeùn song song, coù Vv = 8 sinωt Neáu VV > Vγ + VDC = 2,6 v , thì Diode daãn, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra , luùc naøy ta coù VR = VDC + Vγ = 2,6 (V). Neáu vv < Vγ + VDC = 2,6( v), thì Diode ngöng daãn, do ñoù V r = Vv = 8 sinωt. 2. rd Khi D daãn thì toàn taïi ñieän trôû thuaän rd (ñieän trôû ñoäng), rd so saùnh ñöôïc vôùi R (ñieän trôû taûi), luùc ñoù tín hieäu ra seõ bò meùo khoâng coøn saéc saûo nöõa. Caùc daïng meùo coù theå gaëp nhö sau Tröôøng hôïp a R Vv Vr Vdc Hình 4.27a Tröôøng hôïp b Trang 2 Vr Vv R Vdc Hình 4.27b Chöùng minh Xeùt tröôøng hôïp a, maïch töông ñöông cuûa diode D khi D laø Diode thöïc teá. Phaân cöïc thuaän ∆V Vγ A Phaân cöïc nghòch rd K ∆I rd = ∆V ∆I Io A K Io Rng Rng = V ∆Vng ∆I ng →∞ Vôùi giaû söû Rng → ∞ hay Rng >> R (ñieàu naøy phuø hôïp vôùi thöïc teá nhaát laø khi diode laø loaïi Si) Khi Vv < VDC + Vγ , diode phaân cöïc nghòch, D taét I v r ⇒ Vr = Vv hay v = 1 v Khi Vv ≥ VDC + Vγ , D phaân cöïc thuaän ⇒ D daãn, luùc naøy Vra = VDC + Vγ + Vr d (*) Ta coù , Vr d = i. rd maø i = v v − (V DC + Vγ ) R + rd = vv . 1 1 − (V DC + Vγ ). R + rd R + rd r r d d Phöông trình (*) ⇒ v ra = vv . R + r − (VDC + Vγ ). R + r + (VDC + Vr ) d Trang 2 d ⇒ v ra = vv .  rd r + (V DC + Vγ ).1 − d R + rd  R + rd r    R d ⇒ v ra = vv . R + r + (VDC + Vγ ). R + r d d  R  R + rd • Neáu rd > rd), thôøi gian xaû heát laâu hôn so vôùi thôøi gian naïp ñaày. IX. MAÏCH XEÙN ÔÛ 2 MÖÙC ÑOÄC LAÄP Maïch naøy laø daïng maïch gheùp hai maïch xeùn song song vôùi nhau. Ñeå thöïc hieän maïch naøy, ta coù theå duøng hai ngöôõng xeùn V B1, VB2 vaø keát hôïp vôùi hai Diode, hoaëc coù theå duøng hai Diode Zener. Nhieäm vuï cuûa maïch naøy laø loaïi boû bôùt caû hai thaønh phaàn treân vaø döôùi cuûa tín hieäu ngoõ vaøo. Khaûo saùt moät soá daïng maïch xeùn ôû hai möùc ñoäc laäp cô baûn nhö sau: 1. Daïng maïch duøng diode Vv Vr 5k D2 Trang 2 10k VB2=4V D1 R1 VB1=3V Hình 4.30 Tín hieäu vaøo laø daïng sin coù v i = 9 sin ωt, vaø giaû thuyeát laø Vγ = 0, rd = 0 (Diode lyù töôûng) Hình 4.31 2. Daïng maïch duøng diode zener R D1 Vv D2 Vγ1 Vγ2 Trang 2 Vr Hình 4.32 Hình 4.33 Trang 2 Baøi taäp 1. Veõ ñaëc tuyeán vaøo-ra vaø daïng soùng ra cuûa maïch sau Vr A +16V 1 R 2 Vv Si C -16V 4V B 2. Cho maïch sau vôùi Vin = 18sin ω t , Vγ = 0, 7 V , VZ = 8V R1 Vin Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra (Vin-Vout) vaø daïng soùng Vin, Vout öùng vôùi Vout 1,2K R2 a). R2 = 0 b). R2 = 0.5K Hình 2 c). R2 = 2.2K 3. Cho maïch sau vôùi Vin = 10 sin ω t , Vγ = 0,7 V , VZ = 3V ,rD=0. R2 Vin Veõ ñaëc tuyeán vaøo-ra vaø daïng soùng Vin(t) , VOUT(t) öùng vôùi Vout R1 1K a). R2 = 0 Hình 2 b). R2 = 220 4. Cho maïch sau vôùi Vin = 10 sin ω t , Vγ = 0,6 V , VZ = 3V Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra (Vin-Vout) vaø daïng soùng Vin(t) , VOUT(t) öùng vôùi R Vin a). rD = 0 Vout Hình 2 b). rD = 0,5K; R=1K 5. Cho maïch sau. Veõ caùc daïng soùng ñieän aùp ngoõ ra Vr(t) khi ñieän aùp ngoõ vaøo Vin(t) laø ñieän aùp khu vöïc, daïng sin, taàn soá 50Hz, 220V hieäu duïng, bieát caùc Diode baùn daãn vaø oån aùp ñeàu coù Vγ =0,6V ; VZ = 6V a). rD = 0 10K Vin(t) Trang 2 DZ Hình 2A 10K VrA(t) Vin(t) D Hình 2B DZ VrB(t) b). rD = 0,5K CHÖÔNG 5. MAÏCH KEÏP X. KHAÙI NIEÄM Maïch keïp hay coøn goïi laø maïch ghim ñieän aùp, maïch dòch möùc DC cuûa tín hieäu AC ñaït ñeán moät möùc xaùc ñònh, maø khoâng bò bieán daïng soùng. Maïch keïp ñöôïc döïa treân cô sôû nhö moät maïch phuïc hoài thaønh phaàn ñieän aùp DC. Noù duøng ñeå oån ñònh neàn hoaëc ñænh cuûa tín hieäu xung ôû moät möùc xaùc ñònh naøo ñoù baèng hoaëc khaùc khoâng. Nhö vaäy maïch seõ keïp tín hieäu ôû nhöõng möùc DC khaùc nhau Daïng soùng ñieän aùp coù theå bò dòch moät möùc, do nguoàn ñieän aùp khoâng phuï thuoäc ñöôïc coäng vaøo. Maïch keïp vaän haønh dòch möùc, nhöng nguoàn coäng vaøo khoâng lôùn hôn daïng soùng ñoäc laäp. Löôïng dòch phuï thuoäc vaøo daïng soùng hieän thôøi. Maïch keïp caàn coù: Tuï C ñoùng vai troø phaàn töû tích naêng löôïng Diode D ñoùng vai troø khoùa Ñieän trôû R Nguoàn DC taïo möùc DC Hai loaïi maïch keïp chính: Maïch keïp Diode vaø Transistor. Daïng naøy ghim möùc bieân ñoä döông hoaëc möùc bieân ñoä aâm, vaø cho pheùp ngoõ ra môû roäng chæ theo moät höôùng töø möùc chuaån. Maïch keïp khoùa (ñoàng boä) duy trì ngoõ ra taïi moät soá möùc coá ñònh cho ñeán khi ñöôïc cung caáp xung ñoàng boä vaø luùc ñoù ngoõ ra môùi ñöôïc cho pheùp lieân heä vôùi daïng soùng ngoõ vaøo. Ñieàu kieän maïch keïp: Giaù trò R vaø C phaûi ñöôïc choïn ñeå haèng soá thôøi gian τ = RC ñuû lôùn ñeå suït aùp qua tuï khoâng quaù lôùn Trang 2 Trong phaàn lyù thuyeát naøy ta xem tuï naïp ñaày sau 3τn vaø tuï xaû heát sau 3τx Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa caùc maïch ghim ñieän aùp döïa treân vieäc öùng duïng hieän töôïng thieân aùp, baèng caùch laøm cho caùc haèng soá thôøi gian phoùng vaø naïp cuûa tuï trong maïch khaùc haún nhau. XI. MAÏCH KEÏP DUØNG DIODE LYÙ TÖÔÛNG Loaïi maïch keïp ñôn giaûn söû duïng moät Diode keát hôïp vôùi maïch RC. Tuï C ñoùng vai troø laø phaàn töû tích - phoùng naêng löôïng ñieän tröôøng, Diode D ñoùng vai troø laø khoùa ñieän töû , coøn nguoàn DC taïo möùc chuaån. Caùc giaù trò R vaø C phaûi choïn thích hôïp, ñeå haèng soá thôøi gian τ = RC ñuû lôùn nhaèm laøm suït aùp qua tuï C khoâng quaù lôùn hoaëc tuï C khoâng ñöôïc xaû ñieän nhanh. Tuï naïp ñaày vaø phoùng ñieän heát trong thôøi gian 3τ ñeán 5τ, ôû ñaây caùc Diode ñöôïc xem laø lyù töôûng. 1. Maïch Ghim Ñænh Treân Cuûa Tín Hieäu ÔÛ Möùc Khoâng Daïng maïch Xeùt tín hieäu vaøo laø chuoãi xung coù bieân ñoä max laø ±Vm Trang 2 C Vv Vra D R Hình 5.1 Ñaây laø maïch keïp ñænh treân cuûa tín hieäu ôû möùc ñieän aùp laø 0 v. Ñieän trôû R coù giaù trò lôùn, vôùi nhieäm vuï laø nhaèm khaéc phuïc nhöôïc ñieåm: Khi bieân ñoä tín hieäu vaøo giaûm thì maát khaû naêng ghim ñænh treân cuûa tín hieäu vaøo ôû möùc khoâng. Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, thôøi ñieåm toàn taïi xung döông ñaàu tieân, v v = Vm , Diode D daãn, tuï C ñöôïc naïp ñieän qua Diode (khoâng qua R, vì ñieän trôû thuaän cuûa D raát nhoû), cöïc aâm cuûa tuï taïi ñieåm A, tuï naïp vôùi haèng soá thôøi gian laø: τ n = CRd = 0 ⇒ VC = +Vm (tuï naïp ñaày töùc thôøi) luùc naøy Vr = Vv - Vc = 0 Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, thôøi ñieåm maø ngoõ vaøo toàn taïi xung aâm, V V = -Vm, Diode bò phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn, luùc naøy tuï C phoùng ñieän qua R, coù daïng maïch töông ñöông nhö hình veõ. Vc = V V V R Vra Trang 2 V R Vra Thôøi haèng phoùng ñieän laø τf = CR , thôøi gian naøy raát lôùn so vôùi khoaûng thôøi gian töø t1 ñeán t2 , do vaäy tuï C chöa kòp xaû maø vaãn coøn tích laïi moät löôïng ñieän aùp laø Vc = Vm. Do vaäy, vr = vv - vc = -Vm -Vm = - 2Vm . 2. Maïch Ghim Ñænh Treân Cuûa Tín Hieäu ÔÛ Möùc Ñieän Aùp Baát Kyø Daïng maïch C Vv D Vdc R Vra Hình 5.3 Tín hieäu vaøo laø daïng xung coù taàn soá f = 1 Hz vaø bieân ñoä max laø ±Vm. Giaû söû cho C = 0,1 µ F, VDC = 5v, R = 1000 k Ω , Vm = 10(v) 1 Ta coù f = 1KHz ⇒ T = f = 1( ms) Baùn kyø coù thôøi gian laø T = 0.5(ms) 2 Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng: Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, ngoõ vaøo toàn taïi xung döông Vv = Vm =10v >VDC, Diode D daãn ñieän, tuï C ñöôïc naïp ñieän qua Diode D vôùi haèng soá thôøi gian Trang 2 τ = rd.C ≈ 0 Tacoù VDC + Vγ + VC = VV giaù trò ñieän aùp maø tuï naïp ñaày laø: Vc = Vv - Vγ - VDC = 10 – 5 = 5(v) Do ñoù Vra = VDC - Vγ = 5(v) Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 thì ngoõ vaøo toàn taïi xung aâm, V v = -Vm = -10v, Diode D ngöng daãn, tuï C phoùng ñieän qua R, vôùi thôøi haèng phoùng ñieän τf = CR = 0,1.10-6 .106 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vaäy sau 5τ thì tuï phoùng heát, töùc sau 5.10 = 50 (ms), thôøi gian naøy lôùn gaáp 20 laàn thôøi gian töø t 1 ñeán t2 (0,5ms), do vaäy vc vaãn giöõ möùc ñieän aùp laø 5v Vr = Vv - Vc = -10 - 5 = -15v . Neáu ñaûo cöïc tính cuûa nguoàn V DC thì ñænh treân ghim ôû möùc ñieän aùp laø -5(v). 3. Maïch Ghim Ñænh Döôùi Cuûa Tín Hieäu ÔÛ Möùc Khoâng Daïng maïch C Vv D Hình 5.4a Trang 2 R Vra Hình 5.4b Maïch naøy coù chöùc naêng coá ñònh ñænh döôùi cuûa tín hieäu ôû möùc 0(v). Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, toàn taïi xung döông, Vv = + Vm, Diode ngöng daãn, tuï C ñöôïc naïp qua R vôùi haèng soá thôøi gian laø τn = RC, vì R raát lôùn neân τn raát lôùn, do ñoùτn >> so vôùi khoaûng thôøi gian töø 0 ñeán t 1. Do vaäy tuï C gaàn nhö khoâng ñöôïc naïp vc = 0, do ñoù Vra = Vv = + Vm. Thôøi ñieåm t1 ñeán t2, ngoõ vaøo toàn taïi xung aâm, Vv = -Vm , Diode daãn ñieän, tuï C ñöôïc naïp qua Diode, thôøi haèng naïp laø τn = rd. C ≈ 0, vc = Vm (tuï naïp ñaày töùc thôøi), luùc naøy Vra = Vv + Vc = -Vm +Vm = 0. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, ngoõ vaøo toàn taïi xung döông tieáp theo V v = +Vm, Diode ngöng daãn, tuï C xaû qua R vôùi haèng soá thôøi gian laø τf = C.R. τf raát lôùn so vôùi baùn kyø töø t 2 ñeán t3, do vaäy tuï C vaãn giöõ nguyeân möùc ñieän aùp laø Vm . Maïch töông ñöông cuûa tröôøng hôïp naøy nhö sau: Vc=Vm V R Trang 2 V ra Hình 5.5 Ta coù Vra = VV + VC = Vm + Vm = 2Vm Nhaän xeùt Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 daïng soùng ra coù xung döông khoâng oån ñònh so vôùi chuoãi xung ra. Do vaäy, xung naøy khoâng xeùt ñeán maø chæ xeùt caùc xung oån ñònh töø thôøi ñieåm t1 trôû ñi. 4. Maïch Ghim Ñænh Döôùi Cuûa Tín Hieäu ÔÛ Möùc Ñieän aùp Baát Kyø Daïng maïch 1 2 C Vv 1 D Vdc R V ra Hình 5.6 Nguoàn VDC taïo möùc ghim döôùi cuûa tín hieäu vaøo,VDC = 1/2 Vm Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, ngoõ vaøo toàn taïi xung döông, Vv = +Vm , VDC < Vm, Diode D ngöng daãn, tuï C ñöôïc naïp qua R vôùi haèng soá thôøi gian τn = RC, do τn raát lôùn so vôùi khoaûng thôøi gian töø 0 ñeán t 1 , neân tuï C gaàn nhö khoâng ñöôïc naïp, vc = 0, nhö vaäy Vra = VV = + Vm . Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 ngoõ vaøo toàn taïi xung aâm, V v = -Vm , D daãn, tuï C ñöôïc naïp qua D, cöïc döông cuûa tuï taïi ñieåm A, thôøi haèng naïp laø τn = rd. C ≈ 0, tuï C naïp ñaày töùc thôøi Ta coù Vc + Vv = VDC - Vγ Trang 2 tuï naïp ñaày ñeán giaù trò laø vc = VDC - vv = VDC + Vm Do ñoù Vra = VDC + Vγ = VDC Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 ngoõ vaøo toàn taïi xung döông tieáp theo, V v = + Vm, Diode ngöng daãn, tuï C phoùng ñieän qua R vôùi haèng soá thôøi gian τf = CR. τf raát lôùn so vôùi baùn kyø töø t 2 ñeán t3 do vaäy tuï C vaãn coá ñònh möùc ñieän aùp vc = VDC + Vm trong khoaûng thôøi gian naøy. Maïch töông ñöông cuûa tröôøng hôïp naøy laø: Vc=Vm + Vdc V R Vra Hình 5.7 Ta coù vr = vv + vc = Vm + VDC + Vm = 2 Vm + VDC Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 ta khoâng xeùt (caùch giaûi thích nhö phaàn II .3) Daïng maïch 2 C D1 Vv R Vra D2 Hình 5.8 Vz2 = 1/2Vm Trang 2 Vγ1= 1/10 Vm Vz2 + Vγ 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, ngoõ vaøo toàn taïi xung döông V v = +Vm , Caû D1 vaø D2 ngöng daãn, tuï C ñöôïc naïp qua R vôùi haèng soá thôøi gian τ n = RC , do τn raát lôùn so vôùi khoaûng thôøi gian töø 0 ñeán t 1, neân tuï C gaàn nhö khoâng ñöôïc naïp Vc = 0, Vra = Vv = + Vm Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 ngoõ vaøo toàn taïi xung aâm, V v = - Vm , luùc naøy D1 hoaït ñoäng nhö Diode thöôøng, D 2 hoaït ñoäng nhö Diode Zenner. Tuï C ñöôïc naïp qua D1 vaø D2 , thôøi haèng naïp laø τn = rd. C ≈ 0, tuï C naïp ñaày töùc thôøi, giaù trò lôùn nhaát maø tuï coù theå naïp ñöôïc laø: Vc = -Vv + VZ2 + Vγ 1 = Vm + 3/5Vm = 8/5 Vm Do ñoù Vra = -(VZ2 + Vγ 1 ) = - 3/5Vm Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 ngoõ vaøo toàn taïi xung döông tieáp theo, V v = + Vm, Diode ngöng daãn, tuï C phoùng ñieän qua R vôùi haèng soá thôøi gian τ f = CR. Do τf raát lôùn so vôùi baùn kyø töø t2 ñeán t3, do vaäy tuï C vaãn coá ñònh möùc ñieän aùp laø Vc = 8/5 Vm Ta coù Vra = Vv + Vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm XII. MAÏCH KEÏP DIODE KHI KEÅ ÑEÁN ÑIEÄN TRÔÛ THUAÄN VAØ ÑIEÄN TRÔÛ NGUOÀN 1. Phaân tích maïch Xeùt daïng maïch nhö hình sau, boû qua aûnh höôûng cuûa Vγ ( Vγ = 0) Trang 2 C Rng D R Vra Vn g Hình 5.9 Tröôùc khi ñaït traïng thaùi xaùc laäp, maïch coù moät giai ñoaïn quaù ñoä. Bieân ñoä cuûa nguoàn vaøo, Vng , phaûi ñuû lôùn ñeå laøm taét hay môû Diode (Diode khi ñöôïc phaân cöïc thuaän xem nhö moät ñieän trôû vaø nguoàn vaøo coù noäi trôû beân trong, do ñoù caàn nguoàn vaøo ñuû lôùn ñeå sau khi boû qua suït aùp treân caùc ñieän trôû naøy vaãn coøn taét môû ñöôïc Diode). Tín hieäu cuûa nguoàn vaøo coù daïng xung, bieân ñoä max laø ±Vm . Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, ngoõ vaøo toàn taïi xung döông Vv = + Vm , Diode daãn, tuï C ñöôïc naïp qua Rng vaø rd vôùi thôøi haèng naïp cuûa tuï laø τn = C.(Rng + rd) Giaû söû Rng vaø R >> rd Tuï naïp theo quy luaät haøm muõ vôùi giaù trò ñieän aùp ñöôïc naïp laø Vc = Vm (1-e-t /τ n) giaù trò naøy taêng daàn, do ñoù ñieän aùp ra ñöôïc laáy treân ñieän trôû r d giaûm daàn cuõng theo quy luaät haøm muõ. Maïch töông ñöông ôû tröôøng hôïp naøy nhö sau: A C Rng Vng Rd Trang 2 Vra B Hình 5.10 Ta coù VAB = Vm e-t/τ n v ra = v AB rd rd = .Vm .e −t / τ n rd + R ng rd + R ng r d Bieân ñoä max laø r + R .Vm < Vm d ng rd Taïi t = 0 ⇒ vr = Vm r + R d ng Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 ngoõ vaøo khoâng toàn taïi xung, V ng = 0, Diode ngöng daãn (do ñieän aùp treân tuï C phaân cöïc ngöôïc). Tuï C phoùng ñieän qua Rng vaø R vôùi haèng soá thôøi gian laø τf = C(R+Rng). Giaù trò ñieän aùp cuûa tuï khi xaû theo quy luaät haøm muõ. Khi ñoù, ñieän aùp treân tuï giaûm daàn coøn ñieän aùp ôû ngoõ ra taêng daàn. Maïch töông ñöông ôû tröôøng hôïp naøy laø C A Rng Vng R Vra B Hình 5.11 vc(t) ñoùng vai troø laø nguoàn cung caáp cho maïch. Ñieän aùp cuûa tuï ôû quaù trình naøy coù daïng nhö sau:v c(t) = Vm e-t/τ f VAB = Vm (1 – e-t/ τ f) −R R Do ñoù v ra = R + R v AB = R + R Vm .(1 − e ng ng −t / τ f R Bieân ñoä max laø Vm . R + R < Vm ng Nhaän xeùt Trang 2 ) , taïi t = 0, vr = 0 Thôøi haèng phoùng τf > τn, thôøi gian phoùng ñieän heát cuûa tuï raát chaäm. Do ñoù trong nhöõng baùn kyø aâm ñieän aùp cuûa tuï giaûm raát chaäm, coøn ñieän aùp ngoõ ra treân ñieän trôû R taêng raát chaäm ( gaàn nhö giöõ coá R ñònh ôû möùc ñieän aùp max laø R + R Vm ). ng ÔÛ baùn kyø döông, ngoõ ra coù bieân ñoä ñieän aùp max giaûm daàn ôû nhöõng baùn kyø döông tieáp sau. Giaûi thích: khi ôû baùn kyø döông, ngoõ ra coù r d bieân ñoä max laø v m . R + r , maø ta bieát rd laø ñieän trôû ñoäng, thay ñoåi ng d phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, do ñoù bieân ñoä max ôû moãi baùn kyø döông sau laø giaûm daàn. 2. Ñònh Lyù Maïch Keïp Khi truyeàn moät tín hieäu ñieän aùp coù chu kyø qua tuï phaân caùch, tuï seõ giöõ laïi thaønh phaàn moät chieàu cuûa tín hieäu, nghóa laø trong cheá ñoä xaùc laäp tuï ñieän ñöôïc naïp ñieän ñeán möùc maø laøm cho ñieän aùp treân tuï ñuùng baèng thaønh phaàn moät chieàu cuûa tín hieäu vaøo. Do ñoù neáu ñieän aùp ñaàu vaøo laø ñoái xöùng, töùc laø coù thaønh phaàn moät chieàu baèng 0, thì sau moät chu kyø tín hieäu vaøo ñieän aùp treân tuï cuõng baèng 0. Khi Diode daãn, tuï C seõ naïp ñieän vôùi haèng soá thôøi gian laø τn = C(rd + Rng) Khi Diode taét, tuï C seõ phoùng ñieän vôùi haèng soá thôøi gian laø τf = C(R + Rng) vì R >> rd , do ñoù τf >> τn, quaù trình naïp cuûa tuï C nhanh hôn quaù trình xaû. Do vaäy, ñieän aùp treân tuï C daàn daàn ñöôïc taêng leân. Khi ñeán traïng thaùi xaùc laäp, ñieän aùp treân tuï C khoâng taêng nöõa. Luùc naøy löôïng ñieän tích naïp seõ baèng löôïng ñieän tích phoùng. v r Trong thôøi gian naïp ñieän, qua tuï C seõ coù doøng naïp in = r , do ñoù d ñieän tích treân tuï taêng leân moät löôïng ∆Qn laø. t2 t s 1 2 ∆Qn = ∫ in dt = ∫ v r dt = 1 rd t1 rd t1 Trong thôøi gian phoùng ñieän, qua tuï C seõ coù doøng i f = tích treân tuï seõ giaûm moät löôïng ∆Qf laø: Trang 2 vr , do ñoù ñieän R t3 t3 t v s 1 3 ∆Q f = ∫ i f dt = ∫ r dt = ∫ v r dt = 2 R R t2 R t2 t2 S1, S2 laø phaàn ñieän tích ñöôïc veõ treân hình sau S1 Hình 5.12 Khi ñaït ñeán traïng thaùi xaùc laäp, ta coù ñieàu kieän caân baèng ñieän tích laø: ∆Qn = ∆Q f ⇔ s1 s 2 = rd R ÔÛ ñaây khoâng ñi saâu quaù vaøo phaàn phaân tích ñònh löôïng maø chæ giôùi thieäu aûnh höôûng cuûa rd vaø Rng trong vieäc laøm meùo daïng soùng ra Vieäc tính toaùn chi tieát neân tham khaûo saùch: Pulse, digital and switching waveform, taùc giaû: Jacob Millman vaø Herbert Taub XIII. MAÏCH KEÏP CÖÏC NEÀN CUÛA BJT Xeùt maïch Vcc Rng Vng C Rb Trang 2 Rc Vc Hình 5.13 Neáu bieân ñoä tín hieäu ñuû lôùn ñeå laøm taét môû diode BE, ta coù maïch keïp ôû cöïc neàn. Khi coù tín hieäu vaøo ta coù maïch töông ñöông Vng Rng C Vb Vng Rb Dbe VB ÔÛ cheá ñoä xaùc laäp ta coù C(rd + Rng) C(RB + Rng) VC Baõo hoøa Hình 5.14 VCEbh Baøi taäp chöông 4 1 Cho maïch nhö Hình 1A vaø Hình 1B. Bieát Vγ = 0,7 V , VZ = 3,6 V , caùc giaù trò RC thoûa maõn ñieàu kieän maïch keïp Vin(t) Vin(t) +10V 0 -10V t C VoutA(t) R 1,5V Hình 3A Veõ daïng soùng ngoõ ra khi a. rD = 0 b. rD = 20 Ω , tín hieäu ngoõ vaøo coù f=5khz, q=50% Trang 2 Vin(t) C VoutB(t) R Hình 3B 2. Cho maïch nhö Hình 03A vaø Hình 3B. Bieát Vγ = 0,6V , VZ = 5V , caùc giaù trò RC thoûa maõn ñieàu kieän maïch keïp Vin(t) C Vin(t) +10V 0 -10V R t Vin(t) C VoutA(t) VoutB(t) R 3V 2V Hình 3A Hình 3B Veõ daïng soùng ngoõ ra khi a. rD = 0 b. rD = 20 Ω , tín hieäu ngoõ vaøo coù f=5khz, q=50% 3. Xeùt maïch sau, vôùi C laø ñieän dung ngoõ vaøo cuûa taàng keá, noái song song Rt Giaûi thích hoaït ñoäng vaø veõ daïng soùng v B(t) vaø VRA(t), giaû söû BJT hoaït ñoäng ôû cheá ñoä chuyeån maïch Vcc Rb Vin(t) Rc Vm 0 -Vm t Vv Trang 2 C V ra = V c e 4. Neáu noái ngoõ ra cuûa baøi 3 vôùi maïch xeùn nhö sau, giaûi thích hoaït ñoäng cuûa maïch vaø veõ daïng soùng ngoõ ra Vcc Vra C V2 V1 Khi a. rD = 0 b. rD ≠ 0 5. Xeùt maïch sau, vôùi C laø ñieän dung ngoõ vaøo cuûa taàng keá, noái song song Rt Giaûi thích hoaït ñoäng vaø veõ daïng soùng v B(t) vaø VRA(t), giaû söû BJT hoaït ñoäng ôû cheá ñoä chuyeån maïch Vcc Vin(t) Rb Vm 0 V ra t -Vm Vv C Re 6. Xeùt maïch sau, vôùi C laø ñieän dung ngoõ vaøo cuûa taàng keá, noái song song Rt Giaûi thích hoaït ñoäng vaø veõ daïng soùng v B(t) vaø VRA(t), giaû söû BJT hoaït ñoäng ôû cheá ñoä chuyeån maïch Vcc Vin(t) Rb Vm 0 -Vm t Trang 2 Vv T1 T2 V ra Rt C 7. Xeùt maïch sau, vôùi L laø ñieän caûm ngoõ vaøo cuûa taàng keá (relay), noái song song Rt Giaûi thích hoaït ñoäng vaø veõ daïng soùng v B(t) vaø VRA(t), giaû söû BJT hoaït ñoäng ôû cheá ñoä chuyeån maïch Vcc L Vin(t) Rb Vm 0 -Vm R Vra Rc t Vv CHƯƠNG 6. MẠCH ĐA HÀI XIV. KHÁI NIỆM Hệ thống mạch điện tử có thể tạo ra dao động ở nhiều dạng khác nhau như: dao động hình sin (dao động điều hòa), mạch tạo xung chữ nhật, mạch tạo xung tam giác... các mạch tạo dao động xung được ứng dụng khá phổ biến trong hệ thống điều khiển, thông tin số và trong hầu hết các hệ thống điện tử số. Trang 2 Trong kỹ thuật xung, để tạo các dao động không sin, người ta thường dùng các bộ dao động tích thoát. Dao động tích thoát là các dao động rời rạc, bởi vì hàm của dòng điện hoặc điện áp theo thời gian có phần gián đoạn. Về mặt vật lý, trong các bộ dao động sin, ngoài các linh kiện điện tử còn có hai phần tử phản kháng L và C để tạo dao động, trong đó xảy ra quá trình trao đổi năng lượng một cách lần lượt giữa năng lượng từ trường tích lũy trong cuộn dây và năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện, sau mỗi chu kỳ dao động, năng lượng tích lũy trong các phần tử phản kháng bị tiêu hao bởi phần tử điện trở tổn hao của mạch dao động, thực tế lượng tiêu hao này rất nhỏ. Ngược lại trong các bộ dao động tích thoát chỉ chứa một phần tử tích lũy năng lượng, mà thường gặp nhất là tụ điện. Các bộ dao động tích thoát thường được sử dụng để tạo các xung vuông có độ rộng khác nhau và có thể làm việc ở các chế độ sau : chế độ tự dao động, kích thích từ ngoài. Dao động đa hài là một loại dạng mạch dao động tích thoát, nó là mạch tạo xung vuông cơ bản nhất các dạng đa hài thường gặp trong kỹ thuật xung như sau : 1. Mạch Đa Hài Bất Ổn (Astable Multivibrator) Đây là dạng mạch không có trạng thái ổn định (đa hài tự dao động, tự kích). Chu kỳ lập lại và biên độ của xung tạo ra được xác định bằng các thông số của bộ đa hài và điện áp nguồn cung cấp. Các mạch dao động đa hài tự kích có độ ổn định thấp. Ngõ ra của bộ dao động đa hài tự kích luân phiên thay đổi theo hai giá trị ở mức thấp và mức cao. 2. Mạch Đa Hài Đơn Ổn (Monostable Multivibrator) Khi mạch hoạt động ở chế độ này, nếu không cung cấp điện áp điều khiển từ bên ngoài thì bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái ổn định. Khi có xung điều khiển, thường là các xung kích thích có độ rộng hẹp, thì nó chuyển sang chế độ không ổn định trong một khoảng thời gian rồi trở lại trạng thái ban đầu và kết quả ngõ ra cho ra một xung. Thời gian bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái không ổn định dài hay ngắn là do các tham số của mạch quyết định. Ngõ ra của bộ dao động đa hài đơn ổn có một trạng thái ổn định (hoặc ở mức cao hoặc mức thấp). Mạch này còn có tên gọi là đa hài đợi, đa hài một trạng thái bền. Xung kích từ bên ngoài có thể là xung gai nhọn âm hoặc dương, chu kỳ và biên độ do mạch quyết định. 3. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái On Định Không Đối Xứng (Schmitt Trigger) Đây là dạng mạch sửa dạng xung để cho ra các xung vuông. Điện áp ngõ ra ở mức cao, thấp và quá trình chuyển đổi trạng thái giữa mức thấp và mức cao là Trang 2 tùy thuộc vào thời điểm điện áp ngõ vào vượt qua hai ngưỡng kích trên và kích dưới. 4. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái On Định Đối Xứng (Bistable Multivibrator) Dạng mạch này còn gọi là Flip-Flop (mạch lật hay bấp bênh). Đây là phần tử quan trọng trong lĩnh vực điện tử số, máy tính. Bao gồm các loại Flip-Flop RS, JK, T, D, nó được tạo ra bởi các linh kiện rời. Ngày nay chủ yếu chế tạo bằng công nghệ vi mạch. 5. Chế tạo mạch đa hài Có nhiều cách tạo ra mạch đa hài, trong đó ta quan tâm đến • • • • • • Dùng vi mạch tương tự (OpAmp) Dùng vi mạch số Dùng vi mạch chuyên dụng (VD 555) Dùng linh kiện rời (BJT, FET) Dùng các linh kiện có vùng điện trở âm (diode tunnel hay UJT) Dùng dạng mạch dao động nghẹt (blocking oscilator) XV. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CÁC LINH KIỆN TƯƠNG TỰ 1. Mạch Schmitt Trigger Trong lĩnh vực điều khiển, các thiết bị điện chỉ làm việc ở một trong hai trạng thái, tượng trưng bởi hai mức 1 và 0 như trong kỹ thuật số. Người ta dùng mạch Schmitt Strigger để đổi từ tín hiệu liên tục ra tín hiệu vuông có khả năng chống nhiễu cao. Mạch Schmitt Trigger là mạch có hai trạng thái cân bằng ổn định và có khả năng chuyển một cách đột biến từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác khi mạch được kích thích Các Schmitt trigger được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật xung như đếm xung, chia tần, tạo các xung điều khiển trong các mạch tích phân, mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng v.v… Ura Ura U2 U1 Ung2 Ung1 0 Uv Uv t1 t2 t Trang 2 t1 t2 Hình 6.1.Đặc tuyến của trigger Nói chung các trigger đều có đặc tuyến Ura = f(Uv) có dạng là một vòng trễ như hình trên, các mức điện áp Ung1 Ung2 được gọi là các mứxc điện áp ngưỡng a. Dạng Mạch Dùng Chuyển Mạch BJT Dạng 1 +Vcc Rc1 Rc2 Rb Vout Vin Re 0 0 Hình 6.2. Schmitt trigger dùng BJT Trong sơ đồ mạch trên, 2 transistor T1, T2 được ghép trực tiếp và có chung RE. Để có điện áp ra là xung vuông thì hai transistor phải chạy ở chế độ bão hòa, ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn sẽ điều khiển T2 chạy bão hòa và ngược lại khi T1 bão hòa sẽ điều khiển T2 ngưng dẫn Ngưỡng cao và ngưỡng thấp của mạch (sinh viên tự chứng minh qua 2 trạng thái tắt và bão hòa của BJT) Ung1 = VTH+ = VCC − VCEsat R E + 0.8 RC 2 + R E Ung2 = VTH- = VCC − VCEsat R E + 0.8 RC1 + R E Dạng 2 Vcc Rc1 Vcc C Trang 2 Rc2 T1 Vv R Rb T2 Vra Re 0 Hình 6.3 Mạch bao gồm hai Transitor T1 và T2, các điện trở phân cực tĩnh. Điện trở RE tạo phản hồi, tụ C : tụ tăng tốc (năng lượng tích lũy trong tụ sẽ làm phân cực mối nối BE của T2 nhanh hơn). Mạch được thiết kế sao cho ở trạng thái bình thường T 1 tắt T2 dẫn bão hòa.Trong hai trạng thái phân biệt của mạch thì mỗi trạng thái ứng với một Transitor dẫn và một Transitor tắt. Giải thích nguyên lý hoạt động Khi vv = 0, T1 tắt, dòng IC1 = 0, toàn bộ dòng IRC1 qua R và RB đến cực B của T2 , làm T2 dẫn bão hòa. Đồng thời tại cực E của T1 có điện áp VE = IE2bh.RE , làm T1 tiếp tục tắt. Ta có vr = VC = VE + VCE2bh. Sự chuyển đổi trạng thái sẽ diễn ra khi tín hiệu vào vượt qua mức ngưỡng kích trên (tương ứng với VE ở trạng thái này), nghĩa là v v = VE. Lúc này T1 bắt đầu dẫn, dòng IC2 tăng lên làm dòng IB2 giảm. Và nhờ quá trình hồi tiếp qua điện trở RE làm T2 tắt, do đó vr = VCE. Nếu tiếp tục tăng vv lớn hơn nữa thì T1 chỉ dẫn bảo hòa sâu thêm, còn mạch vẫn không đổi trạng thái. Khi T1 đang dẫn, T2 đang tắt, để đưa mạch về trạng thái ban đầu cần phải giảm tín hiệu vào vv xuống dưới ngưỡng kích dưới. Lúc đó dòng I C1 giảm mạnh, nên điện thế cực thu của T1 tăng lên, làm VB2 tăng. Và nhờ tác dụng của hồi tiếp qua RE , quá trình nhanh chóng đưa đến T1 tắt và T2 dẫn bão hòa. Ta có : vr = VE + VCE2bh b. Dạng Mạch Dùng Op-Amp Dạng Mạch 1 Xét mạch điện có dạng sau : R + Vv R1 Trang R22 Vra Hình 6.4 Điện trở R = R1//R2 làm giảm dòng điện off set để hoạt động gần với Op-amp lý tưởng, nhằm mục đích làm cho mạch hoạt động ổn định hơn. Ta có v+ = vr R1 = Av r R1 + R2 Và v- = -vv Khi vv>v+ thì vr = -V Do đó v + = −V R1 = − AV . Đây là ngưỡng kích mức thấp. R1 + R2 Khi vv < v+ thì vr = +V, do đó v + = +V R1 = AV . Ngưỡng kích mức cao. R1 + R2 Dạng sóng vào – ra Hình 6.5 Quan hệ vào – ra Khi vv > AV thì vr = -V Khi vv < -AV thì vr = +V Vra -AV 0 +AV Trang 2 VV Hình 6.6 Nhận xét. Hai trạng thái của Schmitt Trigger tương ứng với mức điện thế bão hòa dương +V và bão hòa âm –V của ngõ ra bộ khuếch đại thuật toán. Dạng sóng ngõ vào được sửa thành xung chữ nhật. Dạng Mạch 2 R Vv R1 + Vra R2 Vref Hình 6.7 Ta có v- = vv v+ = R1 R2 vra + vRe f R1 + R2 R1 + R2 Khi vv > v+ thì vra = -V Do đó v+ = −V R1 R2 + VRe f = -AV+B : ngưỡng kích mức thấp. R1 + R2 R1 + R2 Khi vv < v+ thì vr = +V Do đó v+ = V R1 R2 + VRe f = AV + B R1 + R2 R1 + R2 Quan hệ vào – ra Khi vv > -AV + B ⇒ vr = -V Khi vv < AV + B ⇒ vr = +V Hình 6.8 Trang 2 c. Dạng Mạch Dùng cổng logic Q R D Vin /Q R1 Hình 6.9. Ký hiệu và đặc tuyến của cổng NOT Schmitt trigger (74HC14) Hình 6.10 d. Schmitt Trigger chính xác VTH+ - R + Q - /Q Vin VTH- + S Hình 6.11. Schmitt trigger chính xác 2. Mạch FlipFlop a. Dạng Mạch Dùng OpAmp Trang 2 Xét mạch sau : R Vcc - OpAmp1 Vra1 + R1 0 - R1 Vcc + 1 2 R Vra2 OpAmp2 Hình 6.12 Điện trở hồi tiếp R1 có trị số khá nhỏ so với điện trở R. Mạch F/F dùng Op-amp như trên gồm hai Op-amp làm việc như hai mạch khuếch đại so sánh. Op-amp ở trạng thái bào hòa dương nếu v+ > v- ⇒ v0 = VCC Op-amp ở trạng thái bào hòa âm nếu v+ < v- ⇒ v0 = 0 Giả thuyết mạch có trạng thái ban đầu là vr1 = VCC, vr2 = 0. Ngõ vào âm của Op-amp 1 được hồi tiếp từ v r2 = 0(v) về qua điện trở R 1 , nên vẫn có v+ > v- , do đó vr1 = VCC , ổn định như trạng thái ban đầu. Đây là trạng thái ổn định thứ nhất của mạch F/F. Op-amp 1 ở trạng thái bão hòa dương và Op-amp 2 ở trạng thái bão hòa âm. Để chuyển trạng thái của F/F , cho công tắc S chuyển sang vị trí 2. Lúc đó ở Op-amp 2 có v - = 0, v+= v- nên Opamp 2 chuyển sang bão hòa dương, vr2 = +VCC. Điện áp này hồi tiếp về ngõ vào âm của Op-amp 1 qua điện trở R1 (R1 ICbh Do vậy ở trạng thái bền thì Vr = VCE2bh = 0 Trang 2 Do ghép trực tiếp với T2 qua R3 nên vB1 = VCE2bh < VBE1 Khi T2 dẫn bão hòa thì tụ C nạp điện qua R C1 và qua mối nối BE2, giá trị gần đạt đến là vC = VCC - VBE2 ≈ VCC Rc1 C Vcc Vbe2 Hình 6.15 Khi kích một xung dương vào vv cực nền của T1 , làm T1 đổi trạng thái tự tắt sang dẫn bão hòa. Lúc này thì tụ C phóng điện qua mối nối CE của T 1, sự phóng điện này làm phân cực nghịch mối nối BE của T2, do đó T2 tắt. Dòng cực thu của T2 là IC2 giảm xuống bằng 0. Toàn bộ dòng qua R C2 sẽ chạy hết vào cực nền của T1 để duy trì trạng thái bão hòa của T 1. Đây là trạng thái không bền của mạch. Thật vậy, ngay sau khi tụ C xả điện xong thì nó được nạp điện lại qua R 1 và CE1. Với thời hằng là R1C. Điện thế cực nền của T2 lúc này tăng dần do cực dương của tụ C đặt vào nó và khi đạt giá trị lớn hơn V γ thì T2 bắt đầu dẫn lại. Trong lúc này, cùng với sự tăng của dòng I C2 (do dòng IB2 tăng dần), điện áp vr giảm xuống gần bằng không, tức điện thế tại cực nền của T 1 bằng không, làm T1 tắt. Như vậy mạch đã trở về trạng thái ban đầu với T 1 tắt và T2 bão hòa vr = VCE2bh . Trong khoảng thời gian ngắn, tụ C sẽ nạp trở lại từ nguồn VCC thông qua R1 và mối nối BE của T 2 đang dẫn để có điện áp xấp xỉ bằng Vcc . Mạch chờ đợi xung kích mới. b. Mạch bất ổn dùng Transistor Dạng mạch Vcc Vcc RB1 Rc1 RB2 C1 C2 Rc2 Vra1 Vra2 T1 T2 Trang 2 Hình 6.16 Mạch được hình thành bởi hai Transistor T1 và T2. Các điện trở RC1 và RC2 và các tụ C1 và C2 Nguyên lý hoạt động Thông thường mạch đa hài phi ổn là mạch đối xứng nên hai Transistor có cùng họ và thông số. Các linh kiện điện trở RB1 = RB2, RC1 = RC2 và C1 = C2. Tuy hai Transistor cùng loại, các linh kiện cùng trị số, nhưng không thể giống nhau một cách tuyệt đối. Điều này làm cho hai Transistor trong mạch dẫn điện không bằng nhau. Khi cung cấp điện sẽ có một Transistor dẫn mạnh hơn và một Transistor dẫn yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương từ cực C 2 về B1, từ cực C1 về cực B2 , làm cho Transistor nào dẫn mạnh hơn sẽ tiến dần đến bão hòa, còn Transistor dẫn điện yếu hơn sẽ tiến dần đến ngưng dẫn. Giả thuyết T2 dẫn điện mạnh hơn tụ, C1 được nạp điện thông qua RC1 và mối nối BE của T2, làm cho dòng IB2 tăng cao nên T2 tiến đến bão hòa. Khi T2 tiến đến bão hòa, dòng IC2 tăng cao và vCE2 ≈ VCEsat ≈ 0,2 (V), tụ C2 (giả thuyết lúc đầu đã nạp đầy) xả điện qua mối nối CE 2. Khi tụ C2 xả, điện áp âm trên tụ C2 đưa vào cực B1 , làm T1 ngưng dẫn Như vậy, giả thuyết lúc đầu là T1 đang tắt, T2 đang dẫn bão hòa , và tụ C2 đã nạp điện đầy. Lúc này tụ C 2 bắt đầu phóng điện qua mối nối CE 2 đến cực E của T1, làm mối nối BE1 bị phân cực nghịch, do đó T1 tắt. Do vậy, tụ C1 được nạp điện thông qua RC1 và mối nối BE2 Sau khi phóng điện xong, tụ C2 lại được nạp điện theo chiều ngược lại thông qua RB1 và mối nối CE2, lúc này điện áp tại cực B của T1 là VB1 = VC2 + VBE2 = VC2. (VC2 điện áp tên tụ C 2 ) . Khi tụ nạp C2 đến giá trị lớn hơn VBE1 thì T1 bắt đầu dẫn, khi T1 đạt đến dẫn bão hòa lúc này tụ C 1 phóng điện qua mối nối CE1 đến cực E của T2 , làm mối nối BE2 phân cực nghịch, T2 tắt. Quá trình lập lại từ đầu và cứ tiếp tục như thế. Dạng sóng tại các chân. Trang 2 Hình 6.17 Tính Chu Kỳ Xung T = T1 + T2. T1 là thời gian tụ C2 xả điện qua mối nối CE2, làm cực B của T1 tăng từ - VCC lên đến VBE1. Và có khuynh hướng tăng lên đến +V CC, nên điện áp tức thời của tụ C2 (lấy mức -VCC làm gốc) là: vc(t) = 2VCC. e-T 1/ τ f, với τ f = RB2 . C2 Tại thời điểm T1, tụ C2 xả điện từ -VCC lên 0(v) (bỏ qua VBE) là T 1 VCC = 2VCC. e-T 1/ τ f, ⇒ e-T 1/ τ f = 2 ⇒ τ = In2 f ⇒T1 = τ f . ln2 = 0,69 RB2.C2 Tương tự ta cũng tính được T2 được tính theo công thức sau: T2 = 0,69 RB1.C1 ⇒ T = 0,69 (RB2C2 +RB1C1) Trang 2 Trong mạch đa hài bất ổn đối xứng ta có RB1 = RB2 = RB và C1 = C2 = C Chu kỳ dao động T = 2 x 0,69 .RB.C = 1,4 RB.C 4. Mạch đa hài dùng OpAmp a. Mạch đơn ổn dùng OpAmp Sơ đồ mạch điện R D C Vra + R2 R1 Vv Hình 6.18 R1, R2: Tạo ngưỡng điện áp để so sánh R, C: Tạo mạch RC nhằm thực hiện quá trình nạp và xả của tụ Diode D tạo mạch ghim điện áp, ngắn mạch tụ C khi mạch ở trạng thái bền. Nguyên lý hoạt động Ở chế xác lập (trạng thái bền), v(t) = -V (bão hòa âm), lúc này v + = −V R1 = − A.V R1 + R2 v- = vc(t) = -Vγ (do Diode D dẫn), khi đó ta có dạng mạch như sau: R Vra Vγ C Hình 6.19 Trang 2 -V Mà AV > Vγ ⇒ -AV < - Vγ , tức v+ âm hơn v-, Nên mạch có vr = -V. Đây là chế độ xác lập của mạch Khi có xung gai dương v v kích thích vào chân dương của Op-amp. Lúc này v + dương hơn v- , nên vr = +V, do đó v+ = AV, D bị phân cực nghịch nên nó bị tắt. Đồng thời, lúc này tụ C được nạp điện qua điện trở R R Vra C Hình 6.20 Điện áp trên tụ C tăng dần cho đến khi v c (vc = v-) dương hơn v+ (v+ = AV), thì vr = -V, mạch trở về chế độ xác lập. Dạng sóng AV Hình 6.21 Tính Độ Rộng Xung Tx Thực hiện phép dời trục dạng sóng trên, ta có hình tương đương sau: Trang 2 Hình 6.22 Phương trình nạp điện của tụ : vc(t) = (V + Vγ)(1 - c-t / τ c) Tại thời điểm t = Tx, ta có vc(Tx) = (V + Vγ)(1 - e-Tx/RC) = (Vγ +AV) ⇒ 1− e Đặt k = −Tx / RC = Vγ + AV V + Vγ =( Vγ V + A).V /(1 + Vγ V ⇒ 1− e −Tx / RC ⇒ e Tx / RC = Tx = RC.In = k+A 1− A ⇒ e −Tx / RC = 1+ k 1+ k T 1+ k 1+ k =⇒ x = In( ) 1− A RC 1− A 1+ k 1− A b. Mạch bất ổn dùng OpAmp Dạng mạch Trang 2 Vγ V )V R C + Vra R2 R1 Hình 6.23 Mạch điện này là sơ đồ mạch dao động tích thoát dùng Op-amp để cho ra tín hiệu xung vuông. Sơ đồ có hai mạch hồi tiếp từ ngõ ra về hai ngõ vào. Cầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ vào đảo, cầu phân áp R1và R2 hồi tiếp về ngõ vào không đảo. R1 và R2 tạo ngưỡng so sánh điện áp, còn RC tạo nạp phóng. Để giải thích nguyên lý hoạt động, ta giả sử tụ C chưa nạp điện. Giải thích nguyên lý hoạt động Ta có v+ = R1 v r = βv r R1 + R 2 nếu v+ > v- thì vr = +V ⇒ v+ = +βV, Đây là ngưỡng xén trên nếu v+ < v- thì vr = -v ⇒ vr = -βV, Đây là ngưỡng xén dưới Khi mới cung cấp điện, điện áp qua tụ C là v c = vc(0) = 0(V) và giả thuyết Opamp đang ở trạng thái bão hòa dương +V . Ngõ vào không đảo có điện áp là v + = Vcc R1 R1 + R2 Trong khi đó, ngõ vào đảo có điện áp tăng dần từ 0(V). Điện áp tăng do tụ C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với thời hằng là τ = RC. Và có giá trị là: vC(t) = V(1 - e-t / RC) Khi tụ nạp điện tăng dần cho đến khi v- > v+ thì ngõ ra chuyển sang trạng thái bão hòa âm vr = -V. Lúc này, ngõ vào không đảo có mức điện áp là v+ = − V R1 R1 + R2 Điện áp ra giảm về -V, nên tụ sẽ xả. Khi tụ C xả điện áp đang có thì v + vẫn còn điện áp âm nên ngõ ra vẫn là ở trạng thái bảo hòa âm. Điện áp trên tụ C sẽ giảm cho đến khi v- âm hơn v+ thì ngõ ra sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa dương, v r = +V. Quá trình này lập lại từ đầu và cứ tiếp diễn liên tục tuần hoàn. Trang 2 Dạng Sóng Vào Ra Hình 6.24 Tìm chu kỳ dao động Muốn tìm chu kỳ dao động, ta thực hiện phép dời trục: Trục trung dời đến thời điểm to và trục hoành dời đến mức -V, ta được dạng sóng sau: Trang 2 Hình 6.25 Trong khoản thời gian từ 0 đến t1, tụ C xả điện theo phương trình sau vc(t) = (V + βV) e-t / RC , tại t = T ; ta có vc (T/2) = V - βV 2 ⇒ V - βV = (V + βV) e-T / 2RC ⇒ e-T / 2RC = ⇒ V − βV V + βV T 1+ β 1+ β = ln ⇒ T = 2 RC ln 2 RC 1− β 1− β Vậy f = 1 T Nhận xét R 1 Tần số phụ thuộc vào R và C, tỉ số β = R + R chứ không phụ thuộc vào 1 2 nguồn nuôi V. 5. Mạch đa hài dùng IC555 a. Cấu trúc IC555 Sơ đồ bên trong của IC555 8 VCC 7 Discharge - R \Q Q S + 2 Trigger Comparator I + 5 Control 6 Threshold Comparator II Trang 2 1 GND 4 Reset 3 Output Hình 6.26 • Về cơ bản, 555 gồm 2 mạch so sánh điều khiển trạng thái của FF, từ đó lái transistor xả (discharge) và tầng ra. • Chức năng một số chân được mô tả như sau: - 1 3 Chân 2: TRIGGER (kích khởi), điểm nhạy mức với VCC . Khi điện áp ở chân này dưới 1/3 VCC thì ngõ ra Q của FF xuống [0], gây cho chân 3 tạo một trạng thái cao. - Chân 3: OUTPUT (ra) thường ở mức thấp và chuyển thành mức cao trong khoảng thời gian định thì. Vì tầng ra tích cực ở cả 2 chiều, nó có thể cấp hoặc hút dòng đến 200mA - Chân 4: RESET khi điện áp ở chân này nhỏ hơn 0,4V: chu kỳ định thì bị ngắt, đưa 555 về trạng thái không có kích. Đây là chức năng ưu tiên để 555 không thể bị kích trừ khi RESET được giải phóng (>1,0V). Khi không sử dụng nối chân 4 lên VCC. - Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển), bên trong là điểm 2 VCC 3 . Một điện trở nối đất hoặc điện áp ngoài có thể được nối vào chân 5 để thay đổi các điểm tham khảo (chuẩn) của comparator. Khi không sử dụng cho mục đích này, nên gắn 1 tụ nối đất ≥ 0.01µF cho tất cả các ứng dụng nhằm để lọc các xung đỉnh nhiễu nguồn cấp điện. - Chân 6: Threshold (ngưỡng) điểm nhạy mức với chân này > 2 VCC . Khi điện áp ở 3 2 VCC . FF Reset làm cho chân 3 ở trạng thái thấp. 3 - Chân 7: Discharge (Xả) cực thu của transistor, thường được dùng để xả tụ định thì. Vì dòng collector bị giới hạn, nó có thể dùng với các tụ rất lớn ( > 1000µF ) không bị hư. - Chân 8: VCC điện áp cấp nguồn có thể từ 4,5 đến 16V so với chân VC mass. Việc định thì tương đối độc lập với điện áp này. Sai số định thì C do thay R1 đổi nguồn điện tiêu biểu < 0.05% /V R2 6 8 555 Vc c 7 Reset 4 b. Mạch đa hài bất ổn dùng 555 Threshold CV 2 Trang 2 Trigger C Vou t Output Discharge 5 0.1 uF 1 Hình 6.27 Dạng sóng tại chân 2 và 3 2 VCC 3 1 VCC 3 t V2(t) VCC V3(t) t Hình 6.28 Sinh viên áp dụng quá trình nạp xả của tụ, xác định chu kỳVtín CC hiệu ra c. Mạch đơn ổn dùng 555 R 7 8 VCC R 4 LM555 DIS Q 3 OUTPUT 2 6 TR Trang 2 C CV THR 5 1 GND Vkich 0.1uF Hình 6.29 Dạng sóng tại chân 2, 6 và 3 2 VCC 3 V6(t) t V2(t) t VCC V3(t) Hình 6.30 t XVI. MẠCH TẠO XUNG DÙNG CỔNG LOGIC Sự ra đời của mạch tích hợp đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của ngành chế tạo linh kiện điện tử. Đặc biệt các mạch tích hợp số với chức năng đa dạng, phong phú, chỉ với các cổng logic cơ bản như AND, OR, NOT ,v.v… mạch tích hợp số được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực ứng dụng của điện tử kỹ thuật, trong đó có kỹ thuật xung Trang 2 Rất nhiều mạch tạo xung trước đây dùng linh kiện bán dẫn rời như BJT, UJT,… đều có thể thay thế bằng các mạch tích hợp số Trong phần thí nghiệm trước, đã giới thiệu IC định thì 555 ứng dụng trong kỹ thuật tạo xung. Phần này sẽ giới thiệu thêm các mạch tạo xung chủ yếu sử dụng các cổng logic cơ bản 1. Mạch đa hài đơn ổn Mạch đa hài đơn ổn thường dùng trong các mạch tạo xung, tạo delay, phát hiện độ rộng xung, mạch lọc thông dải v.v…. Khi được kích khởi, mạch đa hài đơn ổn tạo một xung ở ngõ ra có độ rộng độc lập với độ rộng của tín hiệu ngõ vào. Có 2 dạng mạch: mạch có khả năng kích khởi lại và mạch không có khả năng kích khởi lại. So sánh sự khác nhau giữa 2 loại mạch trên như sau nonretriggerable retriggerable t1 t1 Hình 6.31 a) Mạch 1. Mạch đa hài đơn ổn dùng cổng NOR Hình 6.32. Đa hài đơn ổn dùng cổng NOR Mạch gồm 2 cổng NOR, một tụ điện được nối giữa cổng I0 và I1. Tại thời điểm mở điện, nếu các ngõ vào I0 ở mức 0, ngõ ra của I0 sẽ ở mức cao, giả sử V C ban đầu bằng 0 thì VOut I0 = VDD VOut I1 = logic 0 Mạch sẽ giữ nguyên trạng thái này do tụ C không nạp điện được Trang 2 Khi có một mức điện áp cao đặt vào ngõ vào I0 dẫn đến VOut I0 = 0 và giả sử rằng điện áp trên tụ không thay đổi đột ngột (VC = 0) dẫn đến VX = 0 và Vout = 1. Vout = 1 hồi tiếp về I0 vì vậy Vout I1 vẫn giữ mức thấp mặc dù xung ngõ vào đã xuống thấp. Lúc này nguồn VDD sẽ nap điện qua R, C làm điện áp trên C tăng hay điện áp VX tăng, khi VX vượt qua ngưỡng logic của I1 (VIH) . Ngõ ra I1 = 0, mạch lại quay về trạng thái ban đầu VX được tính như sau Thay VX bằng điện áp ngưỡng VTH tính được thời gian tồn tại xung ngõ ra Mạch 2. Mạch đơn ổn có khả năng kích khởi lại dùng 74HC123 74HC123 có các chức năng sau: Được kích khởi bằng ngõ vào có mức logic cao hoặc thấp Trực tiếp Reset Các ngõ vào đều sử dụng Schmitt trigger ngoại trừ ngõ reset 74HC123 là mạch đơn ổn có khả năng kích khởi lại với độ rộng xung ngõ ra được điều khiển bởi điện trở ngoài và tụ điện ngoài. Sơ đồ chân và bảng sự that như sau: Hình 6.35 Cách mắc điện trở ngoài Trang 2 Khi giá trị tụ C > 10000pF thì độ rộng xung ra được tính theo công thức sau tW = K x REXT x CEXT với tW độ rộng xung ra (ns) REXT :điện trở ngoài (kΩ) CEXT: điện dung ngoài (pF) 2. Mạch đa hài bất ổn a) Mạch 1. Mạch ring oscillator Mạch đa hài phi ổn đơn giản sử dụng cổng là mạch ring oscillator bao gồm N cổng đảo được ghép nối tiếp như hình sau (với N lẻ) Hình 6.36. Đa hài phi ổn Ring Oscillator Chu kỳ T được tính như sau T = 2 N tpd Với giả sử rằng thời gian trễ của xung lên và xuống của cổng đảo là bằng nhau và bằng tpd. Vì tpd có thể thay đổi theo nhiệt độ, nhà chế tạo nên chu kỳ T trên có thể thay đổi b) Mạch 2. Mạch dao động Schmitt Trigger Trang 2 Hình 6.37. Đa hài phi ổn Schmitt Trigger Mạch này sử dụng cổng đảo Schmitt trigger với đặc tuyến như sau Tần số dao động được tính toán theo công thức sau f = 1/T = 1/RC Giải thích Hình 6.38. Dạng sóng tại điểm A, B Giả sử ban đầu Vc = 0 nên VA = 0 dẫn đến ngõ ra B ở mức 1. VB = 1 sẽ nạp điện cho C qua R. Khi VC đạt đến VP thì ngõ vào cổng đảo đạt mức logic 1 và ngõ ra là mức logic 0, lúc này tụ xả điện qua R và điện áp trên tụ giảm dần đến VN, tại VN ngõ vào cổng đảo chuyển xuống mức 0 và ngõ ra mức 1 tức thời. c) Mạch 3. Trang 2 Hình 6.39. Tần số dao động f = 1/(2.2RC) Giải thích Hình 6.40. Dạng sóng tại các điểm A, B, C, D Tại thời điểm đầu giả sử ngõ ra IC 1 ở mức cao và ngõ ra IC2 ở mức thấp VA = V B = 1 Khi tụ C nạp điện, điện áp VB giảm dần, tốc độ giảm được quyết định bởi tụ C và R. VTH là điện áp ngưỡng của IC 2 Điện trở RP đặt vào mạch nhằm mục đích chống lại quá dòng tại ngõ vào IC 2 và được chọn khoảng 10 đến 100K d) Mạch 4. Mạch đa hài phi ổn đối xứng R1 Q C2 R3 R2 Trang 2 C1 /Q Hình 6.42. Đa hài phi ổn đối xứng Hai tụ C là mạch hồi tiếp dương để tạo dao động. Các điện trở R1, R2, R3 được chọn để duy trì điện áp ở ngõ vào của 2 cổng gần mức điện áp ngưỡng nên khi tụ điện nạp xả, điện áp ngõ vào dao động trên mức điện áp ngưỡng làm điện áp ngõ ra dao động giữa hai mức 0 và 1 Giả sử tại thời điểm đầu Q=0 và Q = 1 , tụ C1 nạp tạo dòng qua R1 làm điện áp ngõ vào cổng 1 ở mức cao. Khi tụ C1 nạp đầy thì mất dòng qua R1 dẫn đến ngõ vào cổng 1 xuống 0 và Q=1. Tụ C2 lúc này nạp điện qua R2 dẫn đến ngõ vào cổng 2 ở mức cao và ngõ ra Q = 0 . Quá trình cứ tiếp tục Điện trở R1 thường chọn bằng R2. Tần số dao động được tính theo công thức: f = 1 2( R1 + R3 )C Mạch chỉ thích hợp cho các tần số cao e) Mạch 5. Dao động đa hài đơn ổn dùng cổng NOT Trang 2 Hình 6.33. Đa hài đơn ổn dùng cổng NOT Giả sử ban đầu ngõ vào cổng đảo A ở mức thấp (ngõ ra A sẽ ở mức cao), xuất hiện dòng qua Cy → Ry → Dy → ngõ ra cổng đảo B Do tại thời điểm đầu, VCy = 0 , Cy có thể được xem là ngắn mạch và vì vậy, ngõ vào cổng B ở mức 1 Khi tụ Cy nạp điện, Vc tăng dẫn đến điện áp ngõ vào cổng B giảm và khi qua ngưỡng logic (VIL) thì ngõ vào B ở mức thấp → ngõ ra B ở mức 1 và đặt mức 1 ở cathode của diode nên quá trình nạp của tụ Cy chấm dứt Do VCx ban đầu = 0 nên khi ngõ ra B ở mức cao thì ngõ vào A ở mức cao. Tụ Cx bắt đầu nạp qua Rx và Dx. Quá trình giải thích tương tự Hình 6.34 Thời gian tồn tại xung được quyết định bởi C, R và điện áp ngưỡng VT Thời gian để điện áp đạt đến điện áp ngưỡng Trang 2 Giá trị TL và TH (thời gian ở mức cao và mức thấp) phụ thuộc vào giá trị Rx, Cx, Ry, Cy Tần số dao động f = 1 TL + TH f) Mạch 6. Mạch đa hài phi ổn có điều khiển A Q R C Hình 6.43. Đa hài phi ổn có điều khiển Ngõ A là chân nhận tín hiệu điều khiển Khi A=1, giải thích giống mạch 4 phần đa hài phi ổn Khi A=0, làm cho cổng NAND có ngõ ra giữ nguyên ở mức cao nên mạchngưng dao động. XVII.DAO ĐỘNG THẠCH ANH Tính chất và mạch tương đương của thạch anh: khi có yêu cấu tạo các mạch dao động có tần số ổn định cao mà dùng các biện pháp thông thường như ổn định nguồn cung cấp, ổn định tải,… vẫn không đảm bảo được ổn định của tần số yêu cầu thì phải dùng nguồn thạch anh để ổn định tần số, vì thạch anh có những đặc tính vật lý rất tốt như độ bền cơ học cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ảm và tác dụng hóa học. Thạch anh có tính áp điện, nghĩa là dưới tác dụng của điện trường thì sinh ra dao động cơ học và ngược lại, khi có dao động cơ học thì sinh ra điện tích, do đó có thể dùng thạch anh như một khung cộng hưởng. Tính chất dao động của thạch anh được biểu diễn bởi sơ đồ tương đương như hình sau: Lq C R Y S TA L Trang 2 Cp Cq rq Hình 6.44 Trong đó Lq, Cq và rq phụ thuộc vào kích thước của thạch anh và cách cắt khối thạch anh. Thạch anh có kích thước càng nhỏ thì Lq, Cq và r q càng nhỏ, nghĩa là tần số cộng hưởng riêng của nó càng cao. Cp là điện dung giá đỡ Thường rq rất nhỏ nên khi tính toán người ta bỏ qua. Trở kháng tương đương của thạch anh được xác định như sau 1 Lq C q 1 Z ( s) = . 1 1 sC p 2 s +( + ) / Lq Cq C p s2 + Suy ra thạch anh có 2 tần số cộng hưởng: tần số cộng hưởng nối tiếp ứng với Z(s) = 0 và tần số cộng hưởng song song ứng với ứng với Z(s) = ∞ ωz = ωp = 1 Lq C q 1 Lq  1 1   + C   q Cp  Tuy nhiên vì Cp >> Cq nên ω z ≈ ω p vì vậy biểu thức ω Z thường được sử dụng. Tần số dao động của mạch được xác định bằng tần số dao động của thạch anh hơn là bằng các phần tử trong mạch. Ví dụ. 10M R 2k CRYSTAL 60p Trang 2 60p Hình 6.45 CÔNG TẮC CHỐNG DỘI DÙNG DAO ĐỘNG ĐA HÀI ĐƠN ỔN DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CD4047BC Trang 2 CD4047B có khả năng hoạt động như một mạch dao động đa hài bất ổn hay đơn ổn. Yêu cầu phải mắc thêm tụ điện ngoài (giữa chân 1, 3) và điện trở ngoài (giữa chân 2,3) để xác định độ rộng xung ngõ ra ở dạng đơn ổn và tần số ngõ ra ở dạng bất ổn Thiết lập mạch đa hài bất ổn dùng 4047B bằng cách đặt mức điện áp cao vào ngõ ASTABLE hoặc mức điện áp thấp vào ngõ ASTABLE Thiết lập mạch đa hài đơn ổn dùng 4047B bằng cách kích xung cạnh lên vào ngõ trigger + hoặc kích cạnh xuống vào ngõ trigger – Khi ngõ Reset o mức logic 1, ngõ ra Q = 0 Đặc tính Nguồn cung cấp: từ 3 đến 15V Khả năng chống nhiễu cao Tương thích với họ TTL Ứng dụng: - Mạch thời gian - Mạch trễ - Nhân tần - Chia tần - Tách đường bao Công thức tính độ rộng xung tAstable (10,11) = 4.4 RC tAstable (13) = 2.2 RC tMonostable (10,11) = 2.48 RC Bài tập chương 6 Trang 2 1. Cho mạch hình, với nguồn cung cấp VCC = ± 9V a). Giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng VC và VOUT b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của VOUT D1 R D2 2R + Vout(t) R C R 2. Cho mạch hình. a). Giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng VC và VOUT . b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ ra VOUT c). Tính toán thiết kế mạch để ngõ ra như sau 0 v 5 v 0,125ms 0,025ms R VOUT 74HC14 C 3. Thiết kế mạch đa hài bất ổn dùng OpAmp. a). Vẽ mạch, giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng VC và VOUT . b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ ra VOUT. Xác định giá trị các linh kiện để mạch có tần số ngõ ra f=5Khz; hệ số công tác q=70%; Vγ = 0V Trang 2 4. Thiết tính một mạch dao động đơn ổn có biên độ ra từ (0V đến + 5V) và độ rộng xung Tx= 1 giây a) Vẽ dạng mạch và giải thích. b) Tính toán giá trị các linh kiện. 5. Cho mạch sau 7 2.2K J1 0.47 uF Output Discharge 6 F U33 Vc c Reset E 4 P 1 10K 8 1K CV 5 Threshold 2 Trigger 0.1 uF 0.1 uF 555 a) Vẽ dạng sóng tại điểm F và dạng sóng ngõ ra khi P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 ở vị trí min và max c) Lặp lại câu a nếu tiếp điểm J1 được nối lại 6. Cho mạch sau a) Vẽ dạng sóng tại điểm F và dạng sóng ngõ ra khi P1=5K b) Lặp lại câu a với gía trị biến trở P1 ở vị trí min và max c) Lặp lại câu a nếu tiếp điểm J1 được nối lại d) Lặp lại câu a nếu đặt vào chân 2 tín hiệu có tần số 1khz e) Nhận xét gì nếu tăng tần số tín hiệu câu d f) Tìm trạng thái cấm cho mạch +5V 3 R3 1K E 1 7 2 INPUT F J3 F C5 0.1uF DIS Q R4 2.2K C6 0.1uF 6 J2 C7 0.47uF Trang 2 TR THR LM555 CV 3 OUTPUT 5 1 GND C5 1nF VCC R 8 D1 1N414B 4 P2 10K R5 2 1M C8 0.1uF 7. Cho mạch hình. a). Giải thích hoạt động của mạch, vẽ dạng sóng VX và VOUT1 . b). Từ dạng sóng ở trên, tìm biểu thức chu kỳ T của ngõ ra VOUT1 c). Tính toán các linh kiện để mạch có fout = 38Khz, q=40% 74HC14 74HC14 Vout1 Vout2 I1 I2 R C VX Baøi taäp chöông 3 Trang 2 1. Cho maïch nhö sau Vcc=10V Rc=1K Rb 0 IB = 0.2mA a. Xaùc ñònh β min ñeå BJT baõo hoøa b. Neáu thay RC = 220 vaø söû duïng transistor coù β min =60 taïi IC = 50mA. Maïch coù baõo hoøa khoâng 2. Neáu BJT cuûa baøi 1 coù β min =60, ICo = 50nA, RC = 1K Tìm coâng suaát nhieät cuûa BJT khi a. BJT taét b. BJT baõo hoøa c. VCE =2V 3. Tìm quan heä Y theo A, B. Bieát diode coù Vγ = 0,6; rD = 0 A +5V B Y (a) R 0 R A B Trang 2 (b) Y 4. Tìm quan heä Y theo A, B bieát BJT laø loaïi Si, V γ = 0.6, β = 100 Vcc=+5V Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K 10K Y A 10K Y A 10K (b) B (a) 0 0 Vcc=+5V Rc=1K Rc=1K Y 10K A (c) 10K B 0 Trang 2 0 [...]... Trong mạch xung có một số dạng sóng không sin như hàm bước, xung diract, xung vuông, hàm dốc và hàm mũ Tương ứng với những tín hiệu này là các mạch điện điển hình đơn giản R, L, C được mô tả trong chương này Nếu hệ thống điện tử cần cung cấp những chuỗi xung có tần số cao hoặc tần số thấp, khi đó người ta dùng mạch phát xung và biến đổi dạng xung theo yêu cầu của hệ thống Dạng mạch biến đổi dạng xung cơ... này được minh họa ở hình sau Trang 2 Hình 2.4 b) Trường hợp 2 (t1 > τ O t1 t 1 -E Hình 2.6a Điện áp qua tụ vC(t) trở vR(t) Hình 2.6b... chính xác chỉ sau thời gian đi qua tương ứng các hằng số thời gian Sai số gần t=0 vì trong vùng này điện áp qua R không đáng kể so với điện áp qua C Nếu cho rằng cạnh của xung xấp xỉ là moat hàm dốc, có thể đo tỉ lệ cạnh lên của xung bằng cách sử dụng mạch vi phân Đỉnh ngõ ra được đo bởi một dao động kí, thấy rằng điện áp được chia bởi tích RC cho độ dốc α αRC 0 VOUT(t) Trang 2 T t Hình 2.10 Nếu sóng... thời gian tồn tại xung từ 0 đến t 1 rất lớn so với τ (t1 >>τ) Lúc này, thời hằng rất nhỏ so với thời gian t on , nên tụ C được nạp đầy và xả hết trong khoảng thời gian ngắn, tức là thời gian chuyển mạch từ mức thấp lên mức cao và ngược lại từ mức cao xuống mức thấp gần như là đường thẳng dốc đứng (xem như là tức thời) Do vậy, đáp ứng ở ngõ ra không bò biến dạng nhiều so với tín hiệu xung vào Điều này... sự kéo theo về độ lợi khuếch đại cũng ảnh hưởng đến mức độ của tín hiệu, và khuếch đại phi tuyến có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của vi phân Những khó khăn này được tránh bằng cách sử dụng khuếch đại thuật toán Mạch Vi Phân Dùng OpAmp I2 R I1 Vv C + Hình 2.11 Ta có i1(t) = ic(t) = C d vv dt Trang 2 VRa i2(t) = v ra − v − v ra = (vì v- = 0) R R ⇔C Do i1(t) = - i2(t) d v vv = - ra dt R ⇔ vr(t) = -R C ... bị xung có liên quan mật thiết đến việc nghiên cứu q trình q độ mạch Nếu có dãy xung tác dụng lên mạch điện mà khoảng thời gian xung đủ lớn so với thời gian q độ mạch Khi tác dụng dãy xung xung... tự chứng minh Xung đơn vị (Unit-Impulse Function) Còn gọi xung δ (t ) hay phân bố Dirac, định nghĩa sau: δ(t ) = ε   ∫ δ(λ)dλ − ε δ(t ) t≠0 ∀ε > t Hình 1.7 Xung Dirac Trang t Xung Dirac δ... Độ rộng xung Trong đó: A: biên độ cực đại tr: thời gian lên (thời gian xung tăng từ 10% đến 90% biên độ A) tf: thời gian xuống (thời gian xung giảm từ 90% đến 10% biên độ A) Độ rộng xung tính