Chương 8: Kỹ thuật xung

Chương 8: Kỹ thuật xung 8.1. Khái niệm: Xung điện là 1 dạng điện áp hoặc dòng điện mà thời gian tồn tại của nó rất nhỏ, có thể so sánh được với quá trình quá độ của mạch điện mà nó tác dụng. Một số dạng xung thường gặp: Xung vuông: ( xung chữ nhật) Hình 8.1. Tín hiệu xung vuông Xung hình thang Hình 8 2. Tín hiệu xung hình thang Xung tam giác ( xung răng cưa ) Hình 8.3. Tín hiệu xung tam giác Xung hàm mũ Hình 8.4. Tín hiệu xung vuông v t t v v t v t Các tham số cơ bản của xung Xét 1 xung vuông thực tế Hình 8.5. Tín hiệu xung vuông thực tế Trong đó: V m : biên độ xung ( giá trị cực đại của tín hiệu xung ) 0-t 1 : thời gian trễ của tín hiệu xung, đó là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu tăng từ 0 0,1 V m t 1 - t 2 : thời gian lên hay còn gọi là độ dài sườn trước của xung, đó là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu tăng từ 0,1 V m 0,9 V m t 2 - t 3 : thời gian tồn tại đỉnh xung. t 3 - t 4 : thời gian giảm hay còn gọi là độ dài sườn sau của xung. t 5 = t 1 +t 2 +t 3 +t 4 : thời gian tồn tại của xung Đối với dãy xung tuần hoàn ta có thêm các thông số sau: Hình 8.6. Tín hiệu xung vuông tuần hoàn Chu kỳ xung T=t x +t ng Độ rộng xung t x t ng : thời gian nghỉ của xung Tần số xung f=1/T Trong kỹ thuật xung số, người ta thường dù ng phương pháp số đối với tín hiệu xung khi biên độ xung V m > mức ngưỡng V H thì xung đó ở trạng t 4 t 3 t 1 v 0.9V m 0.9V m 0.1V m t t 2 t ng v t T t x thái mức 1 hay mức cao. Khi V m < mức ngưỡng V L thì xung ở trạng thái mức thấp hay mức 0. Khi V l <V m <V H xung ở trạng thái cấm. 8.2. Các chế độ làm việc của BJT Tuỳ theo điện áp phân cực, BJT có thể làm việc ở trạng thái ngưng dẫn, khuếch đại hay dẫn bão hoà. Chế độ ngưng dẫn: tiếp xuc J E và J C đều phân cực ngược Chế độ khuếch đại: J E phân cực thuận, J C phân cực ngược Chế độ bão hoà: J E và J E đều phân cực thuận Để đóng ngắt các mạch điện tử, người ta thường dùng BJT. Ta xét mắc mạch sau: Hình 8.7.Mạch tạo tín hiệu xung vuông Khi điện áp v i âm hoặc nhỏ hơn điện áp ngưỡng, BJT sẽ rơi vào trạng thái ngưng dẫn (hoặc tắt). Dòng I C có giá trị rất bé, I C =I Cbo Khi ngõ vào v i dương , BJT dẫn, tuỳ theo giá trị của dòng ngõ vào I B , BJT có thể dẫn khuếch đại hoặc bão hoà. Khi BJT dẫn bão hoà, điện áp trên cực C và E rất nhỏ V CES =0.2V, dòng I C lúc đó có giá trị là I CS =(V CC -V CES )/R C . Vậy điều kiện để BJT hoạt độn g ở chế độ bão hoà thì dòng I B >I CS / Nếu v i < điện áp ngưỡng thì BJT tắt, v 0 =V CC Nếu (v i - V BE )/R b > I CS /, BJT dẫn bão hoà, ngược lại BJT dẫn khuếch đại. 9.3. Các mạch tạo xung cơ bản. 8.3.1. Maỷch khọng traỷng thaùi bóửn (astable) Maỷch coỡn õổồỹc goỹi laỡ maỷch dao õọỹng õa haỡi duỡng õóứ taỷo xung vuọng 8.3.1.1 Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng : VCC Rc Rb v 0 Rc2 Rc2 VCC C2 C1 Q1 Rc1 Q2 Rb2 Rb1 Vo2Vo1 Hỗnh 8.8. Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng cuớa maỷch khọng traỷng thaùi bóửn 8.3.1.1 Nguyón lyù laỡm vióỷc : Traỷng thaùi khọng bóửn ban õỏửu : 0 t t 1 Q 1 từt , Q 2 dỏựn baợo hoỡa V 01 = Vcc V 02 = V ces = 0.2 V 0 Vb/Q 2 = V bes = 0.8 V 0 Tuỷ C 2 naỷp õióỷn tổỡ Vcc R c1 J E /Q 2 õóứ õaỷt õóỳn giaù trở Vcc . Tuỷ C 1 xaớ vaỡ naỷp õióỷn theo chióửu ngổồỹ c laỷi tổỡ Vcc R b1 BJT Q 2 dỏựn baợo hoỡa. Quùa trỗnh naỷp õióỷn cuớa tuỷ C 1 laỡm V b1 tng Vc 1 tng cho õóỳn khi Vc 1 = Vb 1 V J E /Q 1 phỏn cổỷc thuỏỷn Q 1 dỏựn i c1 tng v 01 giaớm thọng qua C 2 laỡm V b2 t t t t v 02 v b1 v b2 v 01 t 1 t 2 T 2 T 1 giaớm J E /Q 2 phỏn cổỷc yóỳu hồn Q 2 dỏựn khuóỳch õaỷi i c2 giaớm v 02 tng thọng qua C 1 Vb 1 caỡng tng Q 1 nhanh choùng dỏựn baợo hoỡa V 01 0 , do tờnh chỏỳt õióỷn aùp trón tuỷ C 2 khọng õọỹt bióỳn nón noù õỷt toaỡn bọỹ õióỷn aùp ỏm lón cổỷc B/Q 2 laỡm Q 2 nhanh choùng từt maỷch chuyóứn sang traỷng thaùi khọng bóửn thổù hai. Traỷng thaùi khọng bóửn thổù 2 : Q 1 dỏựn baợo hoỡa , Q 2 từt V 01 = 0 ,Vb 1 = V bes = 0.8 0 V 02 = Vcc Tuỷ C 1 xaớ vaỡ naỷp õióỷn theo chióửu ngổồỹc laỷi tổỡ Vcc Rc 2 J E /Q 1 õóứ õaỷt õóỳn giaù trở Vcc - i c02 .Rc 2 vồùi chióửu cổỷc tờnh nhổ hỗnh veợ. Trong khi õoù tuỷ C 2 cuợng naỷp tổỡ Vcc R b2 Q 1 dỏựn baợo hoỡa vồùi chióửu cổỷc tờnh nhổ hỗnh veợ õóứ tióỳn õóỳn Vcc Tuỷ C 2 caỡng naỷp Vc 2 tng cho õóỳn khi Vc 2 = Vb 2 V Q 2 õỏựn i b2 tng i c2 tng V 02 giaớm thọng qua C 1 laỡm Vb 1 giaớm Q 1 dỏựn khuóỳch õaỷi i c1 giaớm V 01 tng thọng qua C 2 Vb 2 tng Q 2 dỏựn baợo hoỡa V 02 0. do tờnh chỏỳt õióỷn aùp trón tuỷ C 1 khọng õọỹt bióỳn õỷt toaỡn bọỹ õióỷn aùp ỏm vaỡo cổỷc B/Q 1 Q 1 nhanh choùng từt maỷch chuyóứn vóử traỷng thaùi khọng bóửn ban õỏửu ổùng vồùi Q 1 từt , Q 2 dỏựn baợo hoỡa. Quaù trỗnh cổù tióỳp tuỷc nhổ vỏỷy , trong maỷch luọn luọn tổỷ õọỹng chuyóứn traỷng thaùi maỡ khọng cỏửn xung kờch khồới tổỡ bón ngoaỡi vaỡo. Do õoù maỷch seợ luọn luọn taỷo õọỹ daỡi xung ra. Chu kyỡ dao õọỹng : T = T 1 + T 2 . Xaùc õởnh T 1 : Q 1 từt , Q 2 dỏựn baợo hoỡa Vc 1 (t) = [ Vc 1 () - Vc 1 (0) ](1 - exp (- t/ 1 )) + Vc 1 (0) Vc 1 () = Vcc ; Vc 1 (0) = - Vcc Khi t = T 1 Vc 1 (T 1 ) = V 0 T 1 = 1 ln V 2V cc cc ; 1 = R b1 . C 1 . Xaùc õởnh T 2 : Q 1 dỏựn baợo hoỡa , Q 2 từt Tổồng tổỷ ta coù : T 2 = 2 ln2 T = T 1 + T 1 = ( 1 + 2 ). Ln 2 = 0,7 ( C 1 .R b1 + C 2. R b2 ) Choỹn C 1 = C 2 = C T = 0,7 C ( R b1 + R b2 ) óứ T khọng õọứi nhổng T 1 ,T 2 thay õọứi õổồỹc duỡng bióỳn trồớ õóứ thay õọứi. Nóỳu R b1 = R b2 = R b T = 1,4 C R b . 8.3.2 Maỷch monostable duỡng BJT : 8.3.2.1 Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng : Hỗnh 8.9. Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng cuớa maỷch mọỹt traỷng thaùi bóửn 8.3.2.2 Nguyón lyù laỡm vióỷc : * 0 t < t 0 : Traỷng thaùi bóửn : Q 1 từt ,Q 2 dỏựn baợo hoỡa V 0 = V ces = 0.2 v 0 ; V b /Q 2 = V bes = 0.8 v 0. Tuỷ C 1 naỷp tổỡ Vcc qua Rc 1 vaỡ tióỳp xuùc J E cuớa BJT Q 2 õang dỏựn baợo hoỡa vồùi chióửu cổỷc tờnh nhổ hỗnh veợ õóứ õaỷt õóỳn giaù trở Vc 2 Vcc * traỷng thaùi khọng bóửn : t = t 0 : Maỷch õổồỹc kờch khồới bồới xung V i coù cổỷc tờnh dổồng coù giaù trở õuớ lồùn õổa vaỡo cổỷc nóửn cuớa BJT Q 1 V b /Q 1 > V. J E phỏn cổỷc thuỏỷn Q 1 dỏựn i b1 tng i C1 tng V c /Q 1 giaớm V b /Q 2 giaớm Q 2 tổỡ dỏựn baợo hoỡa chuyóứn sang dỏựn khuóỳch õaỷi doỡng i c2 giaớm V c /Q 2 = V 0 tng thọng qua R 1 laỡm cho V b /Q 1 tng Q 1 dỏựn baợo hoỡa V c /Q 1 0 v , do tờnh chỏỳt õióỷn aùp trón tuỷ C 2 khọng õọỹt bióỳn, luùc naỡy toaỡn bọỹ õióỷn aùp ỏm õỷt vaỡo cổỷc B/ Q 2 laỡm cho Q 2 nhanh choùng từt. Maỷch chuyóứn sang traỷng thaùi khọng bóửn Q 1 dỏựn baợo hoỡa Q 2 từt. traỷng thaùi khọng bóửn naỡy tuỷ C 2 xaớ vaỡ naỷp õióỷn theo chióửu ngổồỹc laỷi tổỡ Vcc R b2 Q 1 dỏựn baợo hoỡa tióỳn õóỳn giaù trở V c = Vcc Quùa trỗnh naỷp õióỷn cho C 2 laỡm cho V b /Q 2 thay õọứi, tuỷ C 2 caỡng naỷp V b /Q 2 caỡng tng lón (bồùt ỏm hồn) vaỡ tng cho õóỳn khi V c2 = V b /Q 2 V. Tióỳp xuùc J E cuaớ Q 2 phỏn cổỷc thỏỷn trồớ laỷi Q 2 dỏựn doỡng i b2 tng i c2 tng V c /Q 2 giaớm t T 0 t Vcc VO VCC -Vbb Q2 R1 Q1 C1 Rb2 Rb1 RC1 RC2 V i v i t 0 v o thọng qua R 1 laỡm cho V b /Q 1 giaớm Q 1 tổỡ dỏựn baợo hoỡa sang dỏựn khuóỳch õaỷi i b1 gốam i c1 giaớm V c /Q 1 tng thọng qua C 2 V b /Q 2 tng thuùc õỏứy BJT Q 2 nhanh choùng dỏựn baợo hoỡa V c /Q 2 0 Q 1 từt. Maỷch chuyóứn sang giai õoaỷn phuỷc họửi, kóỳt thuùc traỷng thaùi khọng bóửn. 8.3.2.3.Tờnh õọỹ daỡi xung ra T 0 : Thồỡi gian maỷch tọửn taỷi ồớ traỷng thaùi khọng bóửn maỷch taỷo õọỹ daỡi xung ra , sau õoù maỷch tổỷ õọỹng trồớ vóử traỷng thaùi bóửn ban õỏửu. T 0 phuỷ thuọỹc vaỡo trở sọỳ linh kióỷn trong maỷch : Vc 1 (t) = [ Vc 1 () - Vc 1 (0) ].(1 - exp (-(t - t 0 )/)) + Vc 1 (0). Vc 1 (0) = - Vcc ; Vc 1 () = Vcc Vc 1 (t) = (2.Vcc ).(1 - exp (-(t - t 0 )/ )) -Vcc Khi t = t 0 + T 0 Vc 1 (t 0 + T 0 ) = V 0. Thay vaỡo ta coù : T 0 = . ln Vcc 2.Vcc =0.7 vồùi = C 2. R b2 8.3.3. Maỷch hai trạng thái bền duỡng BJT(bistable) : 8.3.3.1 Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng : Hỗnh 8.10. Sồ õọử maỷch vaỡ daỷng soùng cuớa maỷch hai traỷng thaùi bóửn v i1 v i2 t t v i1 v i2 t t t 1 t 2 v 01 v 02 Q1 R2 R1 Rc1 Q2 Rb2 Rb1 1 Rc2 v cc v 02 v 01 8.3.3.2. Nguyê n lý hoạt động Ngổồỡi ta choỹn 2 thaỡnh phỏửn õọỳi xổùng nhau, nhổng trong thổỷc tóỳ, 2 BJT coù caùc thọng sọỳ khaùc nhau. Khi õoùng õióỷn aùp nguọửn, BJT naỡy dỏựn maỷnh thỗ BJT kia õỏựn yóỳu hồn. Nhổng maỷch laỡ họửi tióỳp dổồng kheùp kờn nón laỡm cho BJ T dỏựn maỷnh trồớ thaỡnh dỏựn baợo hoỡa, coỡn BJT kia seợ dỏửn dỏửn từt hún. ( Khi BJT laỡm vióỷc ồớ chóỳ õọỹ ngổng dỏựn hay dỏựn baợo hoỡa thỗ ờt chởu aớnh hổồớng cuớa nhióựu so vồùi khi BJT laỡm vióỷc ồớ chóỳ õọỹ khuóỳch õaỷi). 0< t < t 1 : Traỷng thaùi bóửn ban õỏửu : Q 1 từt, Q 2 dỏựn baợo hoỡa. t 1 t < t 2 : Taỷi t = t 1 : v b /Q 1 > õióỷn aùp ngổồợng, dỏựn õóỳn tióỳp xuùc J E cuớa BJT Q 1 õổồỹc phỏn cổỷc thuỏỷn, BJT Q 1 dỏựn i b1 tng i c1 tng v c /Q 1 giaớm, thọng qua R 2 dỏựn õóỳn v b /Q 2 giaớm tióỳp xuùc J E /Q 2 phỏn cổỷc yóỳu hồn Q 2 ra khoới chóỳ õọỹ baợo hoỡa vaỡ õi vaỡo dỏựn khuóỳch õaỷi : luùc naỡy doỡng i c2 giaớm v c /Q 2 tng lón thọng qua R 1 laỡm cho v b /Q 1 tng theo Q 1 nhanh choùng dỏựn baợo hoỡa v c /Q 1 0 v Q 2 từt. Nhổ vỏỷy maỷch chuyóứn sang traỷng thaùi bóửn thổù hai ổùng vồùi Q 1 dỏựn baợo hoỡa, Q 2 từt. Maỷch seợ luọn luọn ồớ traỷng thaùi bóửn naỡy nóỳu khọng coù xung kờch khồới. t 2 t < t 3 : t = t 2 : Maỷch õổồỹc kờch khồới bồới xung cổỷc tờnh dổồng vồùi bión õọỹ õuớ lồùn õổa vaỡo cổỷc nóửn Q 2 . Taỷi thồỡi õióứm naỡy, V b /Q 2 > V Q 2 dỏựn i b2 tng i c2 tng V c /Q 2 giaớm thọng qua R 1 laỡm cho V b /Q 1 giaớm Q 1 phỏn cổỷc yóỳu, tổỡ dỏựn baợo hoỡa chuyóứn sang dỏựn khóỳch õaỷi i c1 giaớm V c /Q 1 tng thọng qua R 2 laỡm cho V b /Q 2 tng Q 2 dỏựn baợo hoỡa V c /Q 2 0 Q 1 từt. Maỷch chuyóứn vóử traỷng thaùi bóửn ban õỏửu. . dạng xung thường gặp: Xung vuông: ( xung chữ nhật) Hình 8.1. Tín hiệu xung vuông Xung hình thang Hình 8 2. Tín hiệu xung hình thang Xung tam giác ( xung. xung vuông tuần hoàn Chu kỳ xung T=t x +t ng Độ rộng xung t x t ng : thời gian nghỉ của xung Tần số xung f=1/T Trong kỹ thuật xung số, người ta thường