Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động

điện tử cơ bản

1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 4-Jul-2001 Sheet of File: A:\HH03.SCH Drawn By: G1 G2 G3 G4 Qn Qn Dn C X1 X2 F CD + X1 X2 X1 X2 CD F CD F R _ + _ + R OA1 OA2 R Q S T R RB RA 8 4 3 7 2 6 C XUNG RA +Ucc 2Ucc 3 Ucc 3 R25 R23 D16 D15 D14 R27 R26 C10 R28 GND R30 R31 2 3 _ + 7 4 6 0A3 2 3 _ + 7 4 6 OA5 R32 Tr12 R34 R33 R35 D18 C12 U®k1 U®k2 R24 R29 Tr11 D17 C11 U®k Uc® -Uph TÝn hi Öu dßng R21 R22 WR7 §iÖn ¸p ng­ìng cña kh©u ng ¾t (+) (-) -Ucc Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động Chương 4:MẠCH DAO ĐỘNG Bài 4.1.CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ HAI TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra (còn gọi là mạch trigger) được đặc trưng bởi hai trạng thái ổn định bền theo thời gian và việc chuyển nótừ trạngthái này sang trạng thái kia (xảy ra tức thời nhờ các vòng hồi tiếp dương nôị bộ) chỉ xảy ra khi đặt lối vào thích hợp của nó các xung điện áp có biên độ và cựctính thích hợp. Đây là phần tử cơ bản cấu trúc nên một ô nhớ (ghi, đọc)thông tin dưới dạng số nhị phân. 4.1.1Trigger đối xứng (RS-trigger) dùng transistor Hình 4.1 a và b đưa ra dạng mạch nguyên lí của một trigger RS đối xứng(lưu ý rằng cách vẽ 4-1b hoàn toàntương tự như 4.1(a)). R C R C T 2 T 1 Q Q +E C R 2 R 1 R 3 R 4 S R R C R C T 2 T 1 +E C R 2 R 3 R 4 S R R 1 Hình 4-1:Trigger đối xứng RS dùng Transistor GV Trịnh Ngọc Châu 1 b a Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động - Nguyên lí hoạt động:Mạch3.11 chỉ có hai trạng thái ổn định bền là:T 1 mở T 2 khoáứng với mức điện áp ra Q=1, Q =0 hay T 1 khoá T 2 mởứng với trạng thái ra Q=0 Q =1. Các trạng thái còn lại là không thể xảy ra (T 1 và T 2 cùng khoá)hay là không ổn định(T 1 và T 2 cùng mở).T 1 và T 2 không thể cùng khoá do nguồn +E cc khi đóng mạch sẽ đưa một điện áp dương nhất định tới các cực base. T 1 và T 2 có thể cùng mở nhưng dotính chất đối xứng không lí tưởng của mạch, chỉ cần một sự chênh lệch vô cùng bé giữa dòng điện trên 2 nhánh (I B1 ≠I B2 hay I c1 ≠I c2 ),thông qua các mạch hồi tiếp dương, độ chênh lệch này sẽ bị khoét sâu nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển vềmột trong haitrạng thái ổn định bền đã nêu (chẳng hạn thoạt đầu I B1 >I B2 từ đó I c1 >I c2 , các giảm áp âm trên collector của T 1 và dương trên collector của T 2 thông qua phân áp R 2 R 4 hayR 1 R 3 đưa về làm I B1 >>I B2 . dẫn tới T 1 mở T 2 khoá.Nếu ngược lạilúc đầu I B1 <I B2 thì sẽ dẫn tới T 1 khoá T 2 mở). Tuy nhiên, không nói chắc được mạch sẽ ở trạng thái nào trong hai trạng tháiổn định đã nêu.Để đầu ra đơn trị, trạng thái vào ứng với lúc R=S=1(cùng có xung dương)là bị cấm.Nói khác đi điều kiện cấm là R. S=0). Trigger R-S R S Q Q Trạng thái của Trigger RS Đầu vào Đầu ra R n S n Q n+1 Q n+1 0 0 Q n Q n 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 x x Từ việc phân tích trênrút ra bảng trạng thái của trigger RS cho phép xác định trạng thái ở đầu ra của nóứng với tất cả các khả năng có thể của các xung đầu vào ởbảng 3. 1. Ở đây chỉ số n thể hiện trạng thái hiện tại, chỉ số (n+1)thể hiện trạng thái tương lai của đầu ra, dấu chéo thểhiện trạng thái cấm. Đầu vào R gọi là đầu vào xoá (Reset).Đầu vào S gọi là đầu vào thiết lập (Set). 4.1.2. TriggerSmith dùng transistor. Sơ đồ trigger RS ở trên lật trạng thái khi đặt vào cực base của transistor đang khoá một xung dương có biên độ thích hợp để mở nó (chỉ xét với quy ước logic dương). Có thể sử dụng chie một điện ápvào duy nhất cực tính và hình dạng tuỳ ý (chỉ yêu cầumức biên độ đủ lớn) làm lật mạch trigger.Loại mạch này có tên làtriggerSmith, được cấu tạo từ các trazitor hay IC tuyến tính (còn gọi là bộ so sánh có trễ). Hình 4.2 là ra mạch nguyên lí triggerSmith dùng transistor và đặc tuyến truyền đạt của nó. Qua đặc tuyến hình 4-2bthấy rõ: Lúc tăng dần U vào từ 1 trị số rất âm thì: - khi U v < U đóng ; U ra = U ramin (4-1) - khi U v ≥ U đóng ; U ra = U ramax Lúc giảm dần U vào từ 1 trị số dương lớn thì: - khi U v > U ngắt ; U ra =U ramax (4-2) GV Trịnh Ngọc Châu 2 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động - khi U v ≤ U ngắt ; U ra =U ramin U vào U ra U ra max U ra min U v ngắt U vđóng R C R C T 2 T 1 +E C R 1 R 2 U vào U ra a) b) Hình 4.2:Triggersmith dùng transistor(a),và đặc tuyến truyền đạt (b) - Có thể giải thích hoạt động cuả mạch như sau:Ban đầu T 1 khoá (do B 1 được đặt tới 1 điệnápâm lớn) T 2 mở (do R c địnhdòng làm việc từ E c )lúc đóU ra =U CE2báohoà =U ramin . Khi tăng U v tới lúc U v ≥ U đóng T 1 mở qua mạch hồitiếp dương ghép trực tiếp từ collector T 1 về base T 2 bị khoá do đột biến điện ápâm từ C 1 đưa tới, qua mạch R 1 R 2 đột biến điện áp dương tại C 2 đưa tới base T 1 . quátrình dẫn tới T 1 mở bão hoà, T 2 khoá và U ra =U ramax . Phân tích tương tự, mạch sẽ lật trạng thái về T 1 khoá T 2 mở lúc U vào giảm qua giá trị U ngắt. Các giá trị U vđóng và U vngắt do việc lựa chọn các giá trị R c, R 1 , R 2 của sơ đồ4.2(a) quyết định. Hiện tượng trên chophép dùng triggerSmith như một bộ tạo xung vuông, nhờ hồi tiếp dương mà quá trình lật trạng thái xảy ra tức thờingay cả khi U vào biến đổi từ từ. Hình 4.3 mô tả một ví dụ biến đổi tín hiệu hình sinthành xung vuôngnhờ triggerSmith.Giá trị hiệusố U vđóng -U vngắt gọi làđộ trễ chuyển mạch và càng nhỏ (điều mong muốn),nếu hiệu U rmax -U rmin càng nhỏ hay hệ số suy giảm tín hiệudo phân áp R 1 R 2 gây ra càng lớn tức là hệ số hồi tiếp dương càng giảm,(điều này làm xấu tính chất của dạng xung). U 0 U r max GV Trịnh Ngọc Châu 3 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động U r min U v U v đóng U v ngắt t Hình 4.3: Giản đồ thời gian biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông nhờ trigơ Smit Như trên đã phân tích, mọi cố gắng làm giảm độ trễ chuyển mạch ∆U trễ =U ramax -U ramin đều làm xấu đi tính chất hồi tiếp dương và có thểlàm mốt đi hai trạng thái ổn định đặc trưng của sơ đồ hinh4.2(a). Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng triggerSmith ghép cực emitơ như trên hình 4-4a. R C R C R 1 R 2 R E T 1 T 2 U V U r a U vào U ra U v ngắt U vđóng U ra max U ra min b GV Trịnh Ngọc Châu 4 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động Hình 4-4: Trigơ kép và đặc tuyến truyền đạt Mạch hình 4-4a là 1tầng khuếch đại vi sai có hồi tiếp dương qua R 1 , R2 và hồi tiếp âm dòng điện qua R E . Bằng cách lựa chọn tham số thích hợp, có thể đạt tới trạng thái khi mạch lật dòng I c của một transistor (từ mở chuyển sang khoá)hoàn toàn truyền tới transistor kia, nói khác đi, không xảy ra trạng thái bão hoà ở các transistor lúc mở và do đó nâng cao được mức U ramin (U ramin >> U CEbh- )làm tăng tần số chuyển mạch lên đáng kể (100MHz). 4.1.3. TriggerSmith dùng IC tuyến tính. TriggerSmith dùng IC tuyến tínhthực chất là mạch phát triển tiếp theo của sơ đồ hình 4.4(a), có dạng cơ bản là mộtmạch so sánh, nhưng nhờ có mạch hồi tiếp dươngnên mức nối và ngắt mạch không trùng nhau như ở bộ so sánh bình thường. Do có hai dạng cơ bản của mạch so sánh,theo đó cũng có hai dạng cơ bản củatriggerSmith cho trên hình 4.5(a) và hình 4.6. 1. Với triggerSmith đảo Với triggerSmith đảo (hình 4.5a)khi tăng dầnU vào từ 1giá trị âm lớn, ta thu được đặc tính truyền đạt dạng hình hình 4.5(b). U r -u cc +u cc O 1 U V R 1 R 2 P U 0 U vào U ra U v ngắt U vđóng b U ra max U ra min a Hình 4.5:Trigger Smith đảo và đặc tuyến truyền đạt Khi U v có giá trị âm lớn U ra = U ramax trên lối vào không đảo (P)có: U Pmax = 1 21 max R RR U r + = U vngắt (4-3) Tăng dần U vào, trạng thái này không đổi khi U vào chưa đạt tới U vngắt. Khi U vào >U vngắt ,điện áp U 0 giữa 2 đầu vào IC đổi dấu, dẫn tới U ra =-U ramin, qua mạch hồi tiếp dương có: GV Trịnh Ngọc Châu 5 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động U Pmin = 21 min RR U ra + − R 1 =U vđóng (4-4) và tiếp tục giữ nguyên khi U v tăng. + Khi giảm U vào từ 1 giá trị dương lớn,cho tới lúc U v =U vđóng mạchmới lật làm U ra chuyển từ-U ramin tới +U ramax . Để đạt được hai trạng thái ổn định cần có điềukiện 21 1 RR R + K>>1 (4-5) với K là hệ số khuếch đại không tải của IC.Khi đó độ trễ chuyển mạch được xác định bởi: ∆U trễ = 12 1 RR R + (U ramax -U ramin )=β(U ramax -U ramin ) (4-6) 2- Với triggerSmith không đảo Với triggerSmith không đảo (Hình 4-6a)cóđặc tính truyền đạt(Hình 4-6b)dạng ngượcvới đặc tính hình 4-5b. Thực chất sơ đồ (Hình4-6a)có dạng là một bộ so sánh tổng với 1 trong số hai đầu vào được nối tới đầu ra (U 2 = U ra ) -u cc +u cc K U V U r R 1 R 2 P U v oà U ra U v ngắt U vđóng b U ra max U ra min a Hình 4-6 TriggerSmith kiểu không đảo Từ phương trình cân bằng dòng điện cho nút P có: 21 R U R U ra vµo = (4-7) Từ (4-7)tasuy ra giá trị ngưỡng: GV Trịnh Ngọc Châu 6 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động U vngắt = - 2 1 R R U ramax (4-8) U vđóng = - 2 1 R R U ramin (4-9) hay độ trễ chuyển mạch xác định bởi: ∆U trễ = 2 1 R R (U ramax -U ramin ) (4-10) Do cách đưa điện áp vào tới lối vào không đảo (P)nên khi U v có giá trị âm lớn:U ra =-U ramin và khi U v có giá trị dương lớn:U ra = +U ramax . Các phân tích khác tương tự như với mạch 4-5a đã xét. 3. Tương tự như sơ đồ triggerSmith dùng transistor hình 4-2a, có thể dùng các mạch 4-5a và 4-6a để tạo các xung vuông góc từ dạng điện áp vào bất kì (tuần hoàn). Khi đó chu kì xung ra T ra =T vào điều này đặc biệt có ý nghĩa khi cần sửa và tạo lại dạng một tín hiệutuần hoàn với thông số cơ bản là tần số guống nhau (hay chu kì đồng bộ nhau). Hình 4-7a và b đưa ra ví dụ giản đồ minh hoạ biến đổi điện áp hình sin lối vào thành xung vuông lối ra sử dụng triggerSmith đảo (4-5a)và triggerSmith không đảo (4-6a). Các hệ thức từ (4-3)đến (4-10)cho phép xác định các mức ngưỡng lật của triggerSmith và những thông số quyết định tới giá trị của chúng. TriggerSmith là dạng mạch cơ bản để từ đó xây dựng các mạch tạo dao động xung dùng IC tuyến tính sẽ được xét trong các phần tiếp U 0 U r max U r min U v U v đóng U v ngắt t U U r U 0 U r max U r min U v U v đóng U v ngắt t U U r GV Trịnh Ngọc Châu 7 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động Hình 4-7:Giản đồ thời gian biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông cùng tần số nhờ triggerSmith dùng KĐTT Bài 4.2:CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH Đây là loại mạch có một trạng thái ổn định bền.Trạng thái thứ hai của nó chỉ ổn định trong một khoảng thời gian nhất định nào đó (phụ thuộc vào tham số của mạch) sau đó mạch lại quay về trạng thái ổn định bềnban đầu. Vì thế mạch còn có tên là trigger một trạng thái ổn định hay đa hài đợi hay đơn giản hpn là mạch rơle thời gian. 4.2.1 Đa hài đợi dùng transistor (đơn ổn, monostable) t t t t U v U B1 U B2 U r E -E t 0 t 1 t 2 x τ T v T r t x 0,6v R C R C T 2 T 1 R 1 R 2 U v oà U ra +E C a) b) GV Trịnh Ngọc Châu 8 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động Hình 4-8:Đa hài đợi dùng Transistor Hình 4-8a là mạch điện nguyên lí và hình 4-8b là giản đồ điện áp thời gian minh hoạ nguyên lí hoạt động của mạch đa hài đợi dùng transistor. Thực chất mạch hình 4-8a là một trigger RS,trong đó một trong các điện trở hồi tiếp dương được thaybằng một tụ điện. Trạng thái ban đầu T 2 mở T 1 khoá nhờ R,T 2 mở bão hoà làm U CE2 ≈ U BE1 ≈ 0 nên T 1 khoá, đây là trạng thái ổn định bền (Gọi là trạng thái đợi).Lúc t=t 0 có xung điện áp dương ở lối vào mở T 1 , điện thế cực collector của T 1 giảm từ +E xuống gần bằng 0. Bước nhảy điện thế này thông qua bộ lọc tần cao RC đặt toàn bộ đến cực base của T 2 làm điện thế ở đó đột biến từ mức thông (khoảng +0, 6V)đếnmức -E + 0, 6V ≈ -E,do đó T 2 bị khoá lại.Khi đó T 1 đượcduy trì ở trạng thái mở nhờ mạch hồi tiếp dương R 1 R 2 ngay cả khi điện áp vào bằng 0.Tụ C (đấu qua R đến điện thế +E)bắt đầu nạpđiện làm điện thế cực base T 2 biến đổi theo quy luật: U B2 = )21( τ t eE − − ≈ )21( RC t eE − − (4-11) Với điều kiện đầu:U B2 (t=t 0 )=-Evà điều kiện cuối:R B2 (t→∞)=E T 2 bị khoá cho tới lúc t=t 1 (h. 4-8b)khi U B2 đạt tới giá trị +0, 6 khoảng thời gian này xác định từ điều kiện U B2 (t 1 )≈0 và quyết định độ dài xung ra t x : t 1 -t 0 =t x =RCln2 = 0, 7RC (4-12) Sau lúc t=t 1 , T 2 mở và quá trình hồi tiếp dương qua R 1 , R 2 đưa mạch về lại trạng thái ban đầu, đợi xung vào tiếp sau (lúc t=t 2 ). Lưu ý những điều trình bày trênđúng khi: T v > t x > x τ (4-13) x τ là độ rộng xung vào và T v là chu kì xung vào)và khi điều kiện (4-13)được thoả mãn thì ta luôn có chu kì xung ra T ra =T v . 4.2.2. Đa hài đợi dùng IC thuật toán. Hình 4-9 là mạch đa hài đợi dùng IC KĐTT với sơ dồ nguyên lý (a)và giản đồ thời gian (b)miêu tả hoạt động của mạch.Để đơn giản ta giả thiết IC được cung cấp bằng một nguồn đối xứng ± E và khi đó U rmax = minr U = U max .Ban đầu lúc t < t 1 , U V = 0,D thông nối đất (bỏ qua xụt áp thuận trên diode),ta có U r = -U rmax từ đó U N = U c = 0.Qua mạch hồi tiếp dương R 1 , R 2 ,-U rmax đưa tới đầu vào P khi đó điện áp U P = - β U rmax t t U v U GV Trịnh Ngọc Châu 9 Khoa ĐTVT, CĐCN Huế Giáo trình ĐTCB, Chương 4: Mạch dao động U r U rmax t 0 U P 0 t 1 t 2 t 3 T x U rmax T V U C = U N β U rmin β U rmax U rmin t 1 t 1 t 2 u ra + _ KĐTT R R 1 R 2 C N + _ (a) +U CC -U CC C g P D U v (b) Hình 4-9: Mạch đa hài đợi dùng IC U rmin với 21 1 RR R + = β là hệ số phân áp mạch hồi tiếp.Đây là trạng thái ổn định bền (trạng thái đợi)của mạch. GV Trịnh Ngọc Châu 10