MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI TỰ KÍCH (DAO ĐỘNG ĐA HÀI PHI ỔN)

5.5.1 GIỚI THIỆU.

– Mạch đa hài phi ổn khác với hai mạch trên, mạch đa hài phi ổn hoạt động theo đúng nguyên lý của mạch dao động là loại mạch tự phát sinh tín hiệu mà không cần tín hiệu điều khiển ở ngỏ vàọ

5.5.2 MẠCH ĐA HÀI PHI ỔN CƠ BẢN.

ạ Sơ đồ

– Thông thƣờng, mạch đa hài phi ổn là mạch đối xứng nên hai Transistor có cùng tên và các linh kiện điện trở, tụ điện có cùng trị số.

b. Nguyên lý hoạt động:

– Tuy là hai Transistor cùng tên, các linh kiện cùng trị số nhƣng không thể giống nhau một cách tuyệt đốị Điều này sẽ làm cho hai Transistor mạch dẫn điện không bằng nhau, khi mở điện sẽ có một Transisitor dẫn điện mạnh hơn và một Transisitor dẫn điện yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dƣơng từ cực C2 về cực B1 và từ cực C1 về cực B2 sẽ làm cho Transistor dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, Transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến tắt. Giả thiết T1 dẫn điện mạnh hơn, tụ C1 nạp điện qua RC2 làm cho dòng IB1 tăng cao nên T1 tiến đến bão hòạ Khi T1 bão hòa, dòng IC1 tăng cao và VC1=VCEsat 

0,2V,tụ C2xả điện qua RB2 và qua T1. Khi tụ C2 xả điện, điện áp âm trên tụ C2 đƣa vào cực B2 làm T2 tắt.

– Thời gian tắt của T2 chính là thời gian tụ C2 xả điện qua RB2. Sau khi tụ C2 xả xong, cực B2 lại đƣợc phân cực nhờ RB2 nên T2 dẫn bão hòa làm VC2 =VCesat  0,2V. Điều này làm tụ C1xả điện qua RB1và điện áp âm trên tụ C1 đƣa vào cực B1 làm cho T1 tắt. Lúc đó tụ C2lại nạp điện qua RC1 làm cho dòng IB2tăng cao và T2 bão hòa nhanh. Thời gian tắt của T1 chính là thời gian tụ C1 xả điện qua RB1. Sau khi tụ C1 xả điện xong, cực B1 lại đƣợc phân cực nhờ RB1 nên T1 trở lại trạng thái dẫn bão hòa nhƣ trạng thái gỉa thiết ban đầụ

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 56

– Hiện tƣợng này đƣợc lặp lại tuần hòan

c. Dạng sóng ở các chân:

– Xét cực B1 khi T1 bão hòa VB 0,8V. Khi T1tắt cho tụ C1 xả điện làm cực B1 có điện áp âm (khoảng -VCC) và điện áp âm này giảm dần theo hàm số mũ.

– Xét cực C1: khi T1 bão hòa VC1  0,2V, khi T1 tắtVC1 +VCC. Dạng sóng ra ở cực C là dạng sóng vuông.

– Tƣơng tự khi xét cực B2 và cực C2. Dạng sóng ở hai cực này cùng dạng với dạng sóng ở cực B1 và C1, nhƣng đảo pha nhaụ

– Chu kỳ của tín hiệu hình vuông là : T= t1 + t2

– Trong đó : t1 là thờigian tụ C1 xả điện qua RB1 từ điện áp –VCC lên nguồn +VCCnên điện áp tức thời của tụ (lấy mức – VCClàm gốc) là: VC1(t) = 2VCC. 1 1 1 .c R t B e

– Thời gian để tụ C1 xả qua RB1từ –VCClên 0V cho bởi công thức: VCC = 2VCC. 1 1 1 .C R t B e Suy ra: 1 1 1 .C R t B e = 2 ln2 1 1   B R t  t1 = RB1.C1 Ln2  0,69RB1.C1

– Tƣơng tự, thời gian t2 để tụ C2xả điện qua RB2từ –VCC lên 0V là : t2 = 0,69RB2.C2

– Chu kỳ dao động là : T= t1 + t2 = 0,69 (RB1.C1 + RB2.C2)

– Trong mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có: RB1 = RB2= RB C1 = C2 = C – Chu kỳ dao động là : T = 2 x 0,69RB.C = 1,4 RB.C

– Tần số của xung vuông là : 0.69 1 1 2 2

1 1 C R C R T f B B   

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 57

– Nếu là mạch đa hài phi ổn đối xứng ta có: f T R C

B 4 , 1 1 1  

5.5.3 MẠCH PHI ỔN THAY ĐỔI TẦN SỐ:

 Sơ đồ mạch

– Từ công thức tính tần số của mạch đa hài phi ổn định cho thấy tần số dao động có thể thay đổi bằng cách thay đổi trị số điện trở RB hay thay đổ giá trị tụ điện C. Thông thƣờng ngƣời ta dùng biến trở VR để thay trị số RB.

 `Nguyên lý hoạt động:

– Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai Transistor. Điều kiện của mạch là khi điều chỉnh biến trở VR sẽ không làm thay đổi nguyên lý hoạt động của mạch, khi dẫn điện Transistor vẫn phải ở trạng thái bão hòạ

– Khi điều chỉnh biếntrở VR sẽ làm thay đổi trị số điện trở RB1 và RB2 trong khoảng:

RB1max = R1 + VR hay RB2min = R2 + VR RB1min = R1 hay RB2min = R2

– Giới hạntrên sẽ cho ra khoảng tần số mà mạch dao động có thể cho ra đƣợc.

5.5.4 MẠCH THAY ĐỔI CHU TRÌNH LÀM VIỆC.

– Chu kỳ T của tín hiệu xung là : T = ton + toff

– Trong đó ton là thời gian tín hiệu xung có điện áp cao toff là thời gian xung có điện áp thấp. Từ khái niệm trên ngƣời ta đƣa ra hai khái niệm khác là độ rỗng Q và hệ số đầy của xung.

– Độ rỗng của xung đƣợc tính theo công thức:

on

t T

Q – Nghịch đảo của độrộng xung là hệ số đầy đƣợc tính theo công thức :

T ton

– Hệ số đầy còn đƣợc gọi tên là chu trình làm việc D (DutyCycle) : 100%

T t

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 58

– Trong mạch dao động đa hài phi ổn đối xứng ta có thời gian xả của tụ C1 bằng thời gian xả của tụ C2 nên : t1 = t2  ton = toff = ½ T

– Chu trình làm việc củamạchđa hài đối xứng là :  100%50%

T t D on

– Để thay đổi chu trình làm việc D ngƣời ta phải thay đổi ton hoặc toff nhƣng phải giữ nguyên chu kỳ T.

Sơ đồ mạch thay đổi chu trình làm việc:

– Mạch điện có biếntrở VR dùng để thay đổi chu trình làm việc D. VR =R1 + R2

– Điện trở R là phần điện trở RBdùng chung cho cả hai Transistor. Ta có: RB1 = R + R1.

RB2 = R + R2.

– Khi điều chỉnh biến trở theo hƣớng tăng trị số R1 sẽ làm giảm trị số R2 và ngƣợc lạị Điều này có nghĩa là khi RB1tăng thì giảm trị số RB2và ngƣợc lạị

– Ta vẫn có thời gian xả của hai tụ C1 và C2 tính theo công thức sau: t1 = 0,69RB1.C1 = 0,69 (R+ R1) C1

t2 = 0,69RB2.C2 = 0,69 (R+ R2) C2

– Giả thiết C1=C2=C ta có chu kỳ T của tín hiệu xung vuông là: T = t1 + t2 = 0,69(R+ R1)C1 + 0,69(R+ R2)C2

T = 0,69[(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69[(R+ R1) + (R+ R2)] C T = 0,69(2R+ R1 + R2) C T = 0,69(2R+ VR) C

– Nhƣ vậy, khi điều chỉnh biến trở VR sẽ làm không thay đổi chu kỳ T tức là giữ nguyên tần số f mà chỉ làm thay đổi thời gian t1, t2tức là thời gian ton, toffsẽ làm thay đổi chu trình làm việc D.

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 59

ạ Nguyên lý thiết kế:

– Biến trở VR là phần điện trở phân cực chung cho hai cực B của hai Transistor. Khi điều chỉnh biến trở đúng vị trí giữa điện trở phân cực cho hai Transistor bằng nhau là:

RB1=RB2= R + R1 = R + R2 = R +1/2V2

– Khi thay đổi vị trí của biến trở VR sang phải hay sang trái làm tăng điện trở phân cực RB1, giảm điện trở phân cực RB2 và ngƣợc lạị Khi RB1 cực tiểu thì RB2 cực đại và ngƣợc lại

Ta có : RB1min = RB2min = R RB1max = RB2max = R + VR

– Giả thiết mạch đa hài phi ổn đƣợc thiết kế trong phần trên có tần số dao động là 1000Hz nhƣng chu trình làm việc thay đổi đƣợc từ 40% đến 60% thì phần tính toán đƣợc giải theo trình tự sau:

– Đầu tiên ta giả thiếtmạch dao động đa hài phi ổn có tần số là f = 1000Hz và chu trình làm việc không đổi là 50% (mạch phi ổn đối xứng).

– Với giả thiết bài toán đã trở về dạng thiết kế mạch cơ bản nhƣ trên và đã có kết quả:

RC = RC1= RC2 = 1,2K RB = RB1= RB2 = 39K

(Trị số RBtrung bình ứng với biến trở VR ở vị trí giữa) C = C1 = C2=0,018μF

– Sau khi có kết quả trên ta giữ trị số tụ C không đổi và thay đổi trị số điện trở RB1, RB2để thay đổi t1, t2tức là thay đổi chu trình làm việc.

– Ta chỉ cần tính cho t1sẽ suy ra tƣơng tự cho t2 . Từ tần số f = 1000Hz suy ra chu kỳ T là: ms f T 1 1000 1 1   

– Khi chu trình làm việc là D = 40% thì thời gian t1 là: t T 0,4ms 100 40 1   và t1 = 0,69RB1min.C = 0,4 ms – Suy ra : RB  ms  32,2K 10 . 018 , 0 . 69 , 0 4 . 0 6 min 1 R = RBmin = 32,2 K (chọn R = 33K)

– Khi chu trình làm việc là D = 60% thì thời gian t1 là:

ms T t 0.6 100 60 1   và t1 = 0,69RB1max.C = 0,6 ms – Suy ra: RB1max = ms  48,3K

10 . 018 , 0 . 69 , 0 6 . 0 6  RB1max = R + VR. – Nhƣ vậy: VR = RB1max– R = 48,3 K – 33 K = 15,3 K – Chọn biến trở VR = 15 K

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 60

5.6 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI ĐƠN ỔN.

5.6.1 GIỚI THIỆU.

– Mạch dao độngđa hài đơn ổn cũng có hai trạng thái (T1 bão hòa T2 tắt hay T1 tắt T2 bão hòa) nhƣng trong hai trạng thái đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung.

– Bình thƣờng khi khi mạch đơn ổn đƣợc cấp nguồn sẽ ở trạng thái ổn định và ở mãi trạng thái này nếu không có tác động từ bên ngoài vàọ Khi ng vào nhận đƣợc một xung kích thì mạch đơn ổn sẽ đổi trạng thái tạo xung ở ng ra và độ rộng xung ra sẽ tùy thuộc các thông số RC thiết kế trong mạch. Sau thời gian có xung ra ở mạch đơn ổn sẽ trở về trạng tháiổn định ban đầụ

– Mạch dao động đa hài đơn ổn còn đƣợc gọi là mạch định thì vì thời gian có xung ra có thể định trƣớc nhờ các thông số trong mạch. Mạch đơn ổn rất thông dụng trong lĩnh vực điều khiển tự động trong các thiết bị điện tử và điện tử công nghiệp.Mạch đơn ổn có thể thực hiện bằng nhiều cách: dùng Transistor, Op-amp, Vi mạch định thì hay các cổng logic

5.6.2 MẠCH ĐƠN ỔN CƠ BẢN.

ạ Sơ đồ ở hai trạng tháị

b. Nguyên lý hoạt động.

 Trạng thái ổn định của mạch đơn ổn

– Khi mở điện, tụ C tức thời nạp điện quađiện trở RC2tạo dòng điện đủ lớn cấp cho cực B1 nên T1 sẽ chạyở trạng thái bão hòạ Lúc đó, dòng IC1 qua RC1đủ lớn để tạo sụt áp và VC1 = Vcesat 0,2V. Cầu phân áp RB2 và RB sẽ tạo ra điện áp phân cực cho T2 tắt vì VB2 < 0V. Sau khi tụ nạp đầy điện áp nạp trên tụ có giá trị khoảng VC = VCC– Vbesat  VCC . – Khi tụ nạp đầy thì dòng nạp bên tụ bằng 0 nhƣng tụ T1 vẫn chạy ở trạng thái bão hòa vì vẫn còn dòng IB1 qua RB1cấp phân cực cho cực B1. Hai Transistor sẽ chạy ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động gì từ bên ngoàị

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 61

 Trạng thái tạo xung của mạchđơn ổn:

– Khi ngõ vào Vinhận xung kích âm qua tụ C1 sẽ làm điện áp VB1 giảm và T1 đang chạy bão hòa chuyển sang trạng thái tắt. Lúc đó IC1= 0 điện áp vào VC1tăng cao qua cầu phân áp RB2 RB sẽ phân cực cho T2 chạy bão hòạ Khi T2 chạy bão hòa VC2=VBEsat  0,2V điều này làm cho tụ C có chân mang điện áp dƣơng coi nhƣ nối mass và chân kia có điên áp âm so với mass nên điện áp âm này sẽ phân cực ngƣợc cho cực B1 làm T1 tiếp tục tắt mặc dầu đã hết xung kích. Lúc đó tụ C xả điện qua điện trở RB1 vàTransistor T2 từ C xuống Ẹ Trong thời gian này T1 tắt T2 bão hòa nên điện áp ở các chân C và B của transistor đổi ngƣợc lại chính là xung điện ở ng rạ

– Sau khi tụ xả xong làm mất điện áp âm đặt vào cực B1 vàT1 sẽ hết trạng thái tắt và chuyển sang trạng thái bão hòa nhƣ lúc ban đầụ Khi T1 trở lại trạng thái bão

hòa thì VC1=VCEsat = 0,2 V nên T2 mất phân cực sẽ tắt nhƣ lúc ban đầụ

– Thời gian tạo xung của mạch đơn ổn chính là thời gian xả điện của tụ C qua RB1. Sau thời gian này mạch tự trở lại trạng thái ban đầu là trạng thái ổn định.

 Dạng sóng ở các chân.

– Trƣớc thời điểm có xung kích là trạng thái ổn định. Khi có xung nhọn âm thì mạch đơn ổn bắt đầu chuyển sang trạng thaí tạo xung. Hình vẽ là dạng điện áp VB1, khi có xung kích là T1 tắt, tụ C xả điện áp âm nên VB1 có điện áp âm  -VCC và tụ C xả điện qua RB1làm điện áp âm giảm dần theo hàm số mũ. Thời gian xả của tụ C chính là thời gian tạo xung ở ng rạ

– Ở trạng thái ổn định VC1 =0,2V (bão hòa), ở trạng thái tạo xung VC1 = VCC (tắt) nên T1 có xung vuông dƣơng rạ Ngƣợc lại T2có xung vuông âm ra, độ rộng xung là tx.

 Điều kiện và thông số kỹ thuật của mạch đơn ổn.

– Để cho mạch đơn ổn hoạt động đúng theo nguyên lý phải thỏa mãn điều kiện T1 bão hòa với:

1 1 1 C CC C CESat CC C R V R C V I    (1) ( Với VCsat0.2V) 1 1 1 B CC B BEsat CC B R V R V V I    (2)

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 62

(với VBEsat 0,2V)

– Muốn cho T1 bão hòa phải có: Sat C B I I  1 1 (3) Thƣờng chọn: Sat C B I K I  1 1

Trong đó: K là hệ số bão hòa sâu và K = 2 ÷ 5

 Cách tính độrộng xung:

Trong thời gian ổn định tụ C nạp điện qua RC1với hằng số thời gian nạp là

 nạp = RC1. C Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm sốmũ bởi công thức:           t CC C t V e V 1 = VCC –VCC.  t e

– Điện áp tăng từ 0V lên VCC. Khi có xung âm vào cực B1 thì tụ C xả điện qua RB1 với hằng số thời gian xả là:  xả = RB1. C

– Điện áp trên tụ khi xả giảm theo hàm số mũ bởi công thức:   

t CC

CC t V e

V  . 

– Do chân dƣơng của tụ C coi nhƣ nối mass qua chân C2 khi T2 bão hòa nên tụ xả điện âm (–VCC) và điện áp trên tụ tăng từ –VCC lên 0V rồi sau đó nạp tiếp tục từ 0V lên +VCC. Nhƣ vậy đƣờng xả điện và nạp điện của tụ sẽ biến thiên từ -VCC lên +VCC. Đƣờng biểu diễn điện áp trên tụ sẽ đƣợc tính theo công thức:

VC(t) = VCC - 2VCC 

t

e

– Khi VC(t) = 0V là hết thời gian xả của tụ và mạch trở lại trạng thái ổn định thời gian này chính là thời gian tạo xung ở ng ra và còn gọi là độ rộng xung tx.

Ta có: VCC = 2VCC.  x t e  x t e = 2 1 hay  x t e = 2 Suy ra : x t = Ln2  tx = Ln2. Thay thế  = RB1.C và Ln2 = 0,69. Suy ra : tx = 0,69 RB1.C

– Muốn thay đổi độ rộng xung tx ta có thể thay đổi RB1 hay trị số của tụ C trong đó RB1 bị giới hạn bởi điều kiện nên thƣờng ngƣời ta chỉ thay đổi tụ C.

 Biên độ xung ra:

CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG

GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 63

– Ở trạng thái tạo xung T1 tắt T2 bão hòạ