CHƯƠNG III: CÁC MẠCH TẠO VÀ BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG
2. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán
Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động nhƣ một khóa điện tử đóng, mở mạch với tốc độ nhanh, điểm làm việc luôn nằm trong vùng bão hoà của đặc tuyến truyền đạt ura = f (uvào ). Khi đó điện áp ra chỉ nằm ở một trong hai mức bão hoà U+ramax và U-ramax ứng với các giá trị uv đủ lớn. Để minh hoạ nguyên lý hoạt động của một IC khoá ta xét một ví dụ điển hình là mạch so sánh (comparator).
2.1. Mạch so sánh một ngƣỡng
Hình 3.6: a),c) – Bộ so sánh dùng IC thuật toán với hai kiểu mắc khác nhau và b),d) – Hàm truyền đạt tương ứng của chúng
Mạch so sánh (hình 3.6) thực hiện quá trình so sánh giá trị của điện áp đƣa vào (uvào ) với một điện áp chuẩn (Ungưỡng ) có cực tính có thể là dương hay âm. Thông thường giá trị Ungưỡng được định trước cố định và mang ý nghĩa là một thông tin chuẩn (tương tự nhƣ quả cân trong phép cân trọng lƣợng kiểu so sánh), còn giá trị uvào là một lƣợng biến đổi theo thời gian cần đƣợc giám sát theo dõi, đánh giá, mang thông tin của quá trình động (thường biến đổi chậm theo thời gian) cần được điều khiển trong một dải hay ở một trạng thái mong muốn.
Khi hai mức điện áp này bằng nhau (uvào = Ungƣỡng ) tại đầu ra bộ so sánh sẽ có sự thay đổi cực tính của điện áp từ U+ramax tới U-ramax hoặc ngược lại. Trong trường hợp riêng, nếu chọn Ungƣỡng = 0 thì thực chất mạch so sánh đánh dấu lúc đổi cực tính của uvào .
Trong mạch hình (3.6a), uvào và Ungƣỡng đƣợc đƣa tới hai đầu vào đảo và không đảo tương ứng của IC. Hiệu của chúng u0 = uv - Ungưỡng là điện áp giữa hai đầu vào của IC sẽ xác định hàm truyền của nó:
Khi uv < Ungƣỡng thì u0 < 0 do đó ura = U+ramax.
Khi uv Ungƣỡng thì u0 > 0 do đó ura = U-ramax. (3-2 ) -E
+E
U +ra max U -ra max ura
uvào
0 -E
Ungƣỡng
b) +E
d) U +ra
max
U- ra max ura
uvào
0 Ungƣỡng
c) +E
ura
uvào
Ungƣỡng-E
a) +E
ura
uvào
Ungƣỡng-E U0
U0
tức là điện áp ra đổi cực tính khi uvào chuyển qua giá trị ngƣỡng Ungƣỡng . Nếu uvào và Ungƣỡng trong hình (3.6a) đổi vị trí cho nhau hay cùng đổi cực tính (khi vị trí giữ nguyên) thì đặc tính hình (3.6b) đảo ngƣợc lại nghĩa là hình 3.6c và d.
* Chú ý : Trong những trường hợp giá trị của uvào và Ungưỡng lớn hơn giá trị điện áp đầu vào tối đa cho phép của IC, cần mắc chúng qua bộ phân áp điện trở hoặc nối hai điốt mắc song song ngược trước khi đưa tới các đầu vào của IC. Giống như khoá tranzito, khi làm việc với các tín hiệu xung biến đổi nhanh cần lưu ý tới tính chất quán tính (trễ) của IC thuật toán. Với các IC thuật toán tiêu chuẩn hiện nay, thời gian tăng của điện áp ra khoảng V/s, do đó việc dùng chúng trong các mạch so sánh (comparator) có nhiều hạn chế khi đòi hỏi độ chính xác cao. Trong điều kiện tốt hơn, việc sử dụng các IC chuyên dụng đƣợc chế tạo sẵn sẽ có tốc độ chuyển biến nhanh hơn nhiều cấp (cỡ V/ns ví dụ loại A710, A110, LM310-339 hay NE521...). Hoặc dùng các biện pháp kĩ thuật mạch để giảm khoảng cách giữa hai mức Uramax.
2.2. Mạch so sánh hai ngƣỡng
Để xác định xem điện áp vào có nằm trong một giới hạn giá trị cho trước hay không, người ta sử dụng mạch so sánh hai ngưỡng hình 3.7a. Thực chất mạch này là sự kết hợp các mạch hình 3.6a và 3.6c trong cùng một sơ đồ. Để phối hợp các đầu ra cửa K1 và K2, ở đây dùng một cửa logic phụ G (gọi là cửa “Và”). Tại lối ra của G, ura
=Y = 1 (tương ứng với mức điện áp cao ) chỉ khi tại các lối ra của K1 và K2 có X1 = X2 = 1. Các trường hợp còn lại với mọi giá trị X1 và X2 (tức là khi X1.X1 = 0 ) , ura = Y
= 0 (tương ứng với mức điện áp thấp).
Hình 3.7: Mạch nguyên lí bộ so sánh hai ngƣỡng (a) và đặc tuyến truyền đạt (b)
uvào 0
b)
uvào 0
ura
uvào 0
X1
X2
Ungƣỡng 2
Ungƣỡng 1
0
1
0
1
1
1
ura
Ungƣỡng 1
Ungƣỡng 2
K2
K1
X2
X1
uvào
a)
Kết hợp các tính chất của mạch hình 3.6a và c với tính chất của cửa G ta nhận đƣợc đặc tính truyền đạt X1, X2 và Y = ura phụ thuộc uvào thể hiện trên hình 3.7b.
Từ hình 3.7b thấy rõ: ura = 1 khi Ungƣỡng1 < uvào < Ungƣỡng2
ura = 0 khi uvào < Ungƣỡng1 hoặc uvào > Ungƣỡng2 (3-3) (lưu ý ở đây cần chọn Ungưỡng2 > Ungưỡng1)
Bộ so sánh hai ngƣỡng đƣợc ứng dụng đặc biệt thuận lợi khi cần theo dõi và khống chế tự động một thông số nào đó của một quá trình trong một giới hạn cho phép đã đƣợc định sẵn (thể hiện ở hai giá trị điện áp ngƣỡng) hoặc ngƣợc lại không cho phép thông số này rơi vào một vùng giới hạn cấm đã chỉ ra nhờ hai ngưỡng điện áp tương ứng.
Hai trạng thái ngƣng và dẫn của khóa dùng tranzito và mạch so sánh hai ngƣỡng của khuếch đại thuật toán OP-AMP đƣợc dùng để cho ra hai điện áp mức cao và mức thấp, tạo ra các tín hiệu xung điện.
2.3. Một số mạch so sánh cơ bản a) Mạch so sánh lấy tổng
Có thể mở rộng chức năng của mạch so sánh nhờ mạch hình 3.8a với đặc tính truyền đạt cho trên hình 3.8b, gọi là bộ so sánh tổng.
Hình 3.8: Bộ so sánh lấy tổng (a) và đặc tuyến truyền đạt của nó (b).
Từ đặc tính hình 3.8b thấy rõ bộ so sánh tổng sẽ chuyển trạng thái ở đầu ra lúc tổng đại số của hai điện áp vào (đƣa tới cùng một đầu vào ) đạt tới giá trị ngƣỡng (đƣa tới đầu vào kia).
Nếu chọn Ungƣỡng = 0 thì mạch lật lúc có điều kiện u1 + u2 = 0. Các nhận xét khác đối với mạch hình 3.6a ở đây đều đúng cho bộ so sánh tổng khi đảo lại : đặt u1 và u2
tới đầu vào N và Ungƣỡng tới đầu vào P.
U +ra max
U -ra max
ura
uP
0 u2
b) u1
ura
+E
u1
-E a)
u2
R1
R2
P N
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
* Thực vậy ta xét cụ thể mạch so sánh lấy tổng nhƣ sau (hình 3.9). Trong sơ đồ này ta so sánh hai tín hiệu điện áp có cực tính khác nhau đó là uđk và urc . Trong đó uđk
là tín hiệu điện áp một chiều có giá trị thay đổi đƣợc và có cực tính âm , còn urc là tín hiệu điện áp biến đổi đường thẳng (điện áp răng cưa) có giá trị không đổi (Urc =const).
Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung của mạch so sánh lấy tổng dùng khuếch đại thuật toán nhƣ hình sau:
+ Nguyên lý làm việc:
Điện áp răng cưa có điện thế dương ( Urc > 0 ) được xem là điện áp tựa (điện áp chuẩn), điện áp điều khiển có điện thế âm ( uđk < 0 ), thời điểm điện áp ra của bộ so sánh lật trạng thái đƣợc xác định khi udk Urc (quá trình so sánh đƣợc thực hiện ở sườn trước của xung răng cưa).
+ udk Urc uSS + Ucc. + udk Urc uSS - Ucc.
Nhƣ vậy ta có thể thay đổi thời điểm lật trạng thái của điện áp đầu ra bộ so sánh bằng cách cho uđk thay đổi từ 0 Urcmax.
b) Mạch so sánh song song dùng khuếch đại thuật toán
Ta xét cụ thể mạch so sánh song song nhƣ hình 3.10. Trong sơ đồ này ta so sánh hai tín hiệu điện áp có cực tính dương đó là uđk và urc .Trong đó uđk là tín hiệu điện áp một chiều có giá trị thay đổi được, còn urc là tín hiệu điện áp biến đổi đường thẳng (điện áp răng cƣa) có biên độ không đổi (Urcm = const).
Sơ đồ nguyên lý và giản đồ xung của mạch so sánh song song dùng khuếch đại thuật toán nhƣ hình sau:
R11
R12
+UCC
-UCC
A B C D D
C
B
A
Title
Number Revision
Size B
Date: 14-Nov-2000 Sheet of
A2
-U®k R11
Uss R13 Urc R12
Hình 3.9: a) Sơ đồ nguyên lý b) Giản đồ điện áp 0 t1 t2 t3 t4
uđk
u
Urc
t
t
0 uSS
Với sơ đồ này :
udk > urc uss0 - Ucc. udk urc usso + Ucc.
Trong quá trình làm việc urc đƣợc xem nhƣ điện áp tựa. Còn điện áp uđk là tín hiệu điện áp một chiều có giá trị thay đổi đƣợc. usso là dãy xung vuông có cực tính thay đổi, nhờ R11, DZ3 mà điện áp uss chỉ còn là phần xung dương, biên độ bằng UDZ3.
§3. CÁC MẠCH TRIGƠ
Trigơ (Flip - Flop) là phần tử cơ bản nhất để từ đó chế tạo ra các mạch dãy (mạch logic có nhớ). Mạch Trigơ thuộc loại mạch không đồng bộ có 2 trạng thái ổn định bền theo thời gian ở đầu ra ứng với hai mức logic “1” và “0”. Trạng thái của Trigơ có thể thay đổi khi tác động xung lên các đầu vào. Trạng thái tương lai của Trigơ không những phụ thuộc vào các biến vào mà còn phụ thuộc vào trạng thái hiện tại. Khi ngừng tác động xung lên các đầu vào, trạng thái Trigơ đƣợc giữ nguyên, với đặc điểm này các mạch Trigơ được dùng để lưu trữ thông tin (ghi,đọc) dưới dạng mã nhị phân.