Giáo trình Vi mạch tương tự - Phần 1

nhƣ nhau tức là: a = b =  thì  12 K,K – Vậy : )UU.(U 12ra  (3-8) 3.5 MẠCH VI PHÂN – Mạch vi phân là mạch điện áp đầu ra tỷ lệ với vi phân điện áp đầu vào, tức là dt dU .KU Vra  , trong đó K là một hệ số. – Mạch vi phân dùng IC khuếch đại thuật toán nhƣ hình 3-6 – Xem nhƣ U0 = 0; I0 = 0 nên dt dU CI VV  Mà R.IU Vra  nên dt dU .C.RU Vra  (3-9) – Trong đó  C.RK gọi là hằng số vi phân của mạch. Dấu (-) nói lên Ura ngƣợc pha UV. – Khi tín hiệu vào là hình sin thì mạch vi phân làm việc nhƣ một bộ lọc tần cao. 3.6 MẠCH TÍCH PHÂN – Mạch tích phân là mạch mà điện áp đầu ra tỷ lệ với tích phân điện áp đầu vào. dtUkU t 0 Vra  trong đó k là hệ số. – Mạch tích phân dùng IC khuếch đại thuật toán có mạch hình 3-7. – Tại nút A ta có IV = IC hay: R U dt dU .C Vra  nên 0ra t 0 Vra Udt.U. C.R 1 U   (3-10) – Ở đây Ura0 là điện áp trên tụ C khi t = 0 (là hằng số tích phân xác định từ điều kiện ban đầu) IV R UV A UR a _ + Hình 3-7: Mạch tích phân IC C IV C I0 UV U0 R UR a _ + Hình 3-6: Mạch vi phân CHƢƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 32 – Thƣờng khi t = 0 UV = 0 và Ura = 0 nên : dtU. 1 U t 0 Vra   (3-11)  = R.C gọi là hằng số thời gian của mạch tích phân. Khi tín hiệu vào thay đổi từng nấc, tốc độ thay đổi của điện áp ra bằng: C.R U t U Vra    nghĩa là ở đầu ra bộ tích phân có điện áp tăng hay giảm tuyến tính theo thời gian. – Đối với tín hiệu hình sin mạch tích phân trở thành mạch lọc thông thấp. CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 33 CHƯƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIỚI THIỆU – Mạch tạo dao động sin ba điểm. Loại mạch này khung dao động có ba phần tử điện kháng. Mạch khuếch đại cũng có thể là transitor hoặc BKĐTT. Có mạch tạo dao động ba điểm điện dung (khung dao động có hai tụ điện, một điện cảm), mạch dao động ba điểm điện cảm (khung dao động có hai điện cảm, một tụ điện). – Chế độ làm việc của transistor ở chế độ xung. Transitor trong mạch xung làm việc ở hai chế độ cơ bản là chế độ tắt và chế độ bão hoà tuỳ thuộc vào điện áp đặt vào cực điều khiển ở đầu vào. Khi UBE  0 transitor tắt, dòng cực góp IC = 0 điện áp UC đạt cực đại bằng EC, khi UBE > 0 đủ để IB  Ibh thì transitor bão hoà, dòng cực góp đạt cực đại IC = IC max, UC = 0. NỘI DUNG 4.1 MẠCH ĐIỆN CẢM 4.1.1 MẠCH CỘNG HƢỞNG (RESONANT CIRCUIT): a. Cộng hƣởng nối tiếp (series resonant circuit): – Gồm có một tụ điện và một cuộn cảm mắc nối tiếp. – Cảm kháng của cuộn dây là jXL = 2πfL – Thực tế, cuộn cảm L luôn có nội trở R nên tổng trở thực của mạch là: Z = R + jXL - jXC. – Tại tần số cộng hƣởng f0 thì XL = XC nên Z0 = R – Vậy tại tần số cộng hƣởng tổng trở của mạch có trị số cực tiểu. + Khi tần số f < f 0 tổng trở có tính dung + Khi tần số f > f 0 tổng trở có tính cảm kháng. – Ngƣời ta định nghĩa băng tần (bandwidth) của mạch cộng hƣởng Bw là: Bw=f2 – f1. – Trong đó f1, f2 là hai tần số hai bên tần số cộng hƣởng mà tại đó RZ 2 hoặc R V I s 2  – Nếu gọi Q là hệ số phẩm của cuộn dây (quality factor), ta có: Q f Bw 0 – Với Q đƣợc định nghĩa: R X Q L CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 34 b. Cộng hƣởng song song (parallel resonant circuit) – Tổng trở của mạch: – Tại tần số cộng hƣởng f0 ta có XLs = XC Suy ra: Nhƣng : s Ls R X Q   – Nếu Q lớn ( tần số cao, nội trở RS nhỏ ) Z0  RSQ 2  RP có giá trị nhƣ một điện trở Hình 4.1 Mạch cộng hƣởng song song CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 35 4.1.2 TỔNG QUÁT VỀ DAO ĐỘNG LC: – Dạng tổng quát nhƣ hình 4.2a và mạch hồi tiếp nhƣ hình 4.2b – Giả sử R i rất lớn đối với Z 2 (thƣờng đƣợc thỏa vì Z 2 rất nhỏ) – Ðể tính hệ số hồi tiếp ta dùng hình dƣới đây: 32 2 1 2 1 32 2 2 . ZZ Z V V V ZZ Z V      – Ðể xác định A v (độ lợi của mạch khuếch đại căn bản ta dùng mạch – Với Ri >> Z2. Nếu không phải coi Z2 nhƣ Ri // Z2 Ta có: iOCviOCv L L L LL L VA ZZZ ZZZ R ZZZ ZZZ VA ZR Z V ZZZ ZZZ Z ZZZ ZZZ ZZZZ Y . )( )( .. )( )( 111 )( 321 321 0 321 321 )( 0 0 321 321 321 321 21                 Và )( 3210321 321 1 0 . )()( )( OCvv A ZZZRZZZ ZZZ V V A    Hình 4.2 Mạch dao động LC CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 36 – Độ lợi vòng: )( 3210321 21 )( 3210321 321 32 2 )()( . . )()( )( OCvOCvv A ZZZRZZZ ZZ A ZZZRZZZ ZZZ ZZ Z A                  – Tại tần số cộng hƣởng: Z1 + Z2 + Z3 = 0 )( 1 2 )( 32 2 1 2 32 2 132 . OCvOCvv A Z Z A ZZ Z A Z Z ZZ Z ZZZ       – Giải phƣơng trình Z1 + Z2 + Z3 = 0 ta tìm đƣợc f0 – Điều kiện βAv ≥ 1, suy ra 2 1 )()( 1 2 1 Z Z AA Z Z OCvOCv  – Tùy Z1, Z2 , Z3 là tụ điện hay cuộn cảm và tính chất của mạch khuếch đại ta có mạch dao động sau: Mạch dao động Z1 Z2 Z3 Mạch KĐ Hartley L L C Khuếch đại đảo L C L Follower Colpitts C C L Khuếch đại đảo L C C Khuếch đại không đảo Clapp C C LC nối tiếp Khuếch đại đảo Pierce Crytal C C XTAL(L) Khuếch đại đảo 4.1.3 DAO ĐỘNG HARTLEY (HARTLEY OSCILLATORS) – Mạch dao động Hartley là mạch dao động ba điểm điện cảm - khung dao động có hai điện cảm, một tụ điện. Z 1 = L 1 ; Z 2 = L 2 ; Z 3 = C 1 và 1 22 1 N N V V  – Hai cuộn cảm L 1 và L 2 mắc nối tiếp nên điện cảm của toàn mạch là L = L 1 + L 2 + 2M với M là hổ cảm. CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 37 – Từ điều kiện: Z 1 + Z 2 + Z 3 = 0 tại tần số cộng hƣởng với Z 1 +Z 2 =Z l =jω 0 L Và 1 0 1 2 0 10 3 2 111 LC f LCC jZ     – Với L là điện cảm của cả cuộn dây và   2 1 2 1 L L Z Z A OCv  – Ta cũng có thể dùng mạch cực thu chung nhƣ hình 4.2 MẠCH ĐIỆN DUNG 4.2.1 MẠCH DAO ĐỘNG COLPITTS: – Ta xem mạch dùng JFET CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 38 – So sánh với mạch tổng quát: Z 1 = C 1 ; Z 2 = C 2 ; Z 3 = L 1 ; C 3 : tụ liên lạc ngỏ vào làm cách ly điện thế phân cực. – L 2 : cuộn chận cao tần (Radio-frequency choke) có nội trở không đáng kể nhƣng có cảm kháng rất lớn ở tần số dao động, dùng cách ly tín hiệu dao động với nguồn cấp điện. – Tại tần số cộng hƣởng: Z 1 + Z 2 + Z 3 = 0 Nếu gọi: Điều kiện độ lợi: – Kết quả trên cho thấy mạch khuếch đại phải là mạch đảo và độ lợi vòng hở phải có trị tuyệt đối lớn hơn C 2 /C 1 . A v(oc) là độ lợi không tải: A v(oc) = -g m (r d //X L2 ) – Do X L2 rất lớn tại tần số cộng hƣởng, nên: A v(oc) ≈ -g m r d – Một mạch dùng BJT CHƢƠNG 4: MẠCH ĐIỆN KHÁNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 39 4.2.2 DAO ĐỘNG CLAPP (CLAPP OSCILLATOR): – Dao động clapp thật ra là một dạng thay đổi của mạch dao động colpitts. Cuộn cảm trong mạch dao động colpitts đổi thành mạch LC nối tiếp. Tại tần số cộng hƣởng, tổng trở của mạch này có tính cảm kháng. – Tại tần số cộng hƣởng: Z 1 + Z 2 + Z 3 = 0 – Ðể ý là do mạch L1C3 phải có tính cảm kháng ở tần số dao động nên C3 phải có trị số nhỏ, thƣờng là nhỏ nhất trong C1, C2, C3 và f0 gần nhƣ chỉ tùy thuộc vào L1C3 mắc nối tiếp. Ngƣời ta cũng có thể dùng mạch clapp cải tiến. – Tần số dao động cũng đƣợc tính bằng công thức trên nhƣng chú ý do dùng mạch cực thu chung (A v , 1) nên hệ số β phải có trị tuyệt đối lớn hơn 1. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 40 CHƯƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIỚI THIỆU CHUNG – Khái niệm về mạch tạo dao động sin. Yêu cầu của mạch tạo dao động sin là tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao. – Khái niệm về tín hiệu xung: tín hiệu xung là tín hiệu rời rạc theo thời gian. Các tham số của tín hiệu xung: biên độ xung, độ rộng xung, sƣờn xung. độ sụt đỉnh xung, chu kỳ xung, tần số lặp lại, hệ số lấp đầy. – Điều kiện dao động của mạch tạo dao động hình sin: mạch tạo dao động sin có hai phần cơ bản: phần mạch khuếch đại và phần mạch hồi tiếp. Mạch hồi tiếp thực hiện hồi tiếp dƣơng. – Mạch tạo dao động sin ba điểm. Loại mạch này khung dao động có ba phần tử điện kháng. Mạch khuếch đại cũng có thể là transitor hoặc BKĐTT. Có mạch tạo dao động ba điểm điện dung (khung dao động có hai tụ điện, một điện cảm), mạch dao động ba điểm điện cảm (khung dao động có hai điện cảm, một tụ điện). – Chế độ làm việc của transistor ở chế độ xung. Transitor trong mạch xung làm việc ở hai chế độ cơ bản là chế độ tắt và chế độ bão hoà tuỳ thuộc vào điện áp đặt vào cực điều khiển ở đầu vào. Khi UBE  0 transitor tắt, dòng cực góp IC = 0 điện áp UC đạt cực đại bằng EC, khi UBE > 0 đủ để IB  Ibh thì transitor bão hoà, dòng cực góp đạt cực đại IC = IC max, UC = 0. – BKĐTT làm việc trong mạch xung: BKĐTT làm việc ở chế độ so sánh, đầu ra ở một trong hai trạng thái bão hoà dƣơng, Ur = +Ur max hoặc bão hoà âm Ur = - Ur max tuỳ thuộc điện áp đầu vào điều khiển. – Mạch dao động đa hài là các mạch tạo xung vuông, mạch có hai trang thái. Có ba loại mạch dao động đa hài là:  Dao động đa hài lƣỡng ổn (Bistable Multivibrator): mạch có hai trạng thái và hai trạng thái đều ổn định.  Dao động đa hài đơn ổn (Monostable Multivibraor): mạch có hai trạng thái, trong đó một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung.  Dao động đa hài phi ổn (Astable Multivibrator): mạch có hai trạng thái và cả hai trạng thái đều không ổn định còn gọi là mạch tự dao động. – Mạch dao động đa hài dùng BJT dựa vào sự nạp điện và sự xả điện của tụ điện kết hợp với đặc tính chuyển mạch của Transistor. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 41 NỘI DUNG 5.1 KHÁI NIỆM CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG. 5.1.1 KHÁI NIỆM TÍN HIỆU XUNG – Là tín hiệu rời rạc theo thời gian. – Là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên biên độ từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh. – Hình dạng của tín hiệu xung: vuông, tam giác, răng cƣa, nhọn, hình thang 5.1.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG. a. Xung đơn: – Khái niệm xung đơn là xung mà chỉ có một xung riêng biệt. Trong đó: Vm : Biên độxung. V : Độ sụt áp đỉnh xung. tr : Độ rộng sƣờn trƣớc. tp : Độ rộng đỉnh xung. tf : Độ rộng sƣờn sau. ton : Độ rộng xung thực tế Hình 5.2 Xung vuông đơn CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 42 )( 1  H T f – Độ rộng sƣờn trƣớc, độ rộng sƣờn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm. – Độ rộng đỉnh xung là thời gian xung có biên độ nằm trong khoảng từ 0,9 Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh. – Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp +tf – Độ sụt áp đỉnh xung -V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung. b. Dãy xung – Khái niệm: dãy xung là tín hiệu gồm nhiều xung đơn. – Dãy xung có thể tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Trong đó: Vm : Biên độ xung. ton : Độ rộng xung. toff : Thời gian không có xung. T : Chu kỳ – Độ rộng của xung là thời gian ứng với điện áp cao gọi là ton (hay tx). – Thời gian không có xung ứng với điện áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng). – Chu kỳ xung là: T = ton + ton (s) – Xung vuông đối xứng: ton= toff – Tần số là số xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, đƣợc tính theo công thức: – Độ rỗng của xung là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton: ont T Q  – Nghịch đảo của độ rộng Q đƣợc gọi là hệ số đầy xung: T ton – Chu trình làm việc D (Duty Cycle) : %100. T t D on 5.2 MẠCH TẠO DAO ĐỘNG SIN 5.2.1 KHÁI NIỆM : – Mạch tạo dao động là mạch khi có nguồn cung cấp nó tự làm việc cho ra tín hiệu. Sơ đồ tổng quát một mạch tạo dao động nhƣ ở hình 3-1. – Yêu cầu mạch tạo dao động tạo ra tín hiệu có biên độ, tần số ổn định cao, ít chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm. – Để đạt các yêu cầu đó mạch tạo dao động cần: + Dùng nguồn ổn áp. Hình 5-3 Dãy xung vuông tuần hoàn CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 43 + Dùng các phần tử có hệ số nhiệt độ nhỏ. + Giảm ảnh hƣởng của tải đến mạch tạo dao động nhƣ mắc thêm tầng đệm. + Dùng các linh kiện có sai số nhỏ. + Dùng các phần tử ổn nhiệt. – Đặc biệt khi cần có độ ổn định tần số cao trên 104 ta dùng thạch anh vào mạch tạo dao động. Khi đó f f đạt đƣợc 10 86 10  . 5.2.2 ĐIỀU KIỆN DAO ĐỘNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠCH TẠO DAO ĐỘNG – Để xét nguyên lý làm việc của mạch tạo dao động ta dùng sơ đồ khối hình 3-2. Nó gồm hai khối; khối khuếch đại có hệ số khếch đại .exp kK K j và khối hồi tiếp có hệ số hồi tiếp .exp j    . – Nếu đặt vào đầu vào tín hiệu VU và giả thiết 1.K  thì Vht UU  . với Vht U..KU  . Vậy tín hiệu vào của mạch khuếch đại và tín hiệu hồi tiếp htU bằng nhau cả về biên độ và pha nên nối a với a , thì tín hiệu vẫn khụng thay đổi. Lúc đó ta có sơ đồ khối của mạch tạo dao động làm việc theo nguyên tắc hồi tiếp. – Nhƣ vậy trong sơ đồ này mạch chỉ dao động ở tần số mà nó thoả món: 1.K  (5-1) – Với K và  là những số phức nên viết lại: . . .exp ( ) 1kK K j       . (5-2) Trong đó: K: Mođun hệ số khuếch đại. : Mođul hệ số hồi tiếp. k: Góc dịch pha của bộ khuếch đại. k: Góc dịch pha của mạch hồi tiếp. – Có thể tách 3-2 thành hai biểu thức viết theo mođun và biểu thức viết theo pha: K. = 1 (5-3)  = k +  = 2.n. (5-4)  là tổng góc dịch pha của bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp, biểu thị sự dịch pha giữa Uht và tín hiệu vào ban đầu UV. Mạch tạo dao động u ra Hình 5-4: Sơ đồ tổng quát của một mạch tạo dao động K  u V u ht a a ' u ra Hình 5-5: Sơ đồ khối đầy đủ của bộ tạo dao động. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 44 – Quan hệ (5-3) đƣợc gọi là điều kiện cân bằng biên độ. Nó cho thấy mạch chỉ có thể dao động khi hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại có thể bù đƣợc tổn hao do mạch hồi tiếp gây ra. Cũn điều kiện cân bằng pha (5-4) cho thấy dao động chỉ có thể phát sinh khi tín hiệu hồi tiếp về đồng pha với tín hiệu ban đầu tức là hồi tiếp dƣơng. – Thực tế để có dao động khi mới đóng nguồn .K phải lín hơn 1 làm cho biên độ dao động tăng dần. Do tính phi tuyến của phần tử khuếch đại điểm làm việc đi vào vùng có S giảm làm K giảm đến lúc 1.K  mạch làm việc ở chế độ xác lập. Vậy điều kiện dao động của mạch là: .1.K  5.3 MẠCH SO SÁNH 5.4.1 ÐIỆN THẾ NGÕ RA BẢO HÕA: – Ta xem mạch hình – Trong đó A là độ lợi vòng hở của op-amp. Vì A rất lớn nên theo công thức trên v0 rất lớn. – Khi Ed nhỏ, v0 đƣợc xác định. Khi Ed vƣợt quá một trị số nào đó thì v0 đạt đến trị số bảo hòa và đƣợc gọi là VSat.. Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi op-amp và có trị số vào khoảng vài chục μV. - Khi E d âm, mạch đảo pha nên v 0 =-V Sat - Khi E d dƣơng, tức v 1 >v 2 thì v0=+V Sat . – Ðiện thế ng ra bảo hòa thƣờng nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt. Ðể ý là |+V Sat | có thể khác |-V Sat |. – Nhƣ vậy ta thấy điện thế E d tối đa là: A V E A V E sat sat     CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 45 5.4.2 MẠCH SO SÁNH MỨC 0: (TÁCH MỨC ZÉRO) a. So sánh mức zéro không đảo Điện thế ở ng vào (-) đƣợc dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh với điện thế chuẩn đƣợc đƣa vào ngõ vào (+) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = +Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = -Vsat Thí dụ khi Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ng ra V0 có dạng nhƣ sau: b. Mạch so sánh mức zéro đảo: Điện thế chuẩn Vref = 0V đặt ở ng vào (+). Điện thế muốn đem so sánh Ei đƣa vào ngõ vào (-) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = -Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = +Vsat c. Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ: * So sánh mức dƣơng đảo và không đảo: – So sánh mức dƣơng không đảo: Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ng vào (-). Điện thế muốn đem so sánh Ei đƣa vào ngõ vào (+) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = +Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = -Vsat CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 46 – So sánh mức dƣơng đảo: Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ng vào (+). Điện thế muốn đem so sánh Ei đƣa vào ngõ vào (-) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = -Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = +Vsat d. So sánh mức âm đảo và không đảo: Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ng vào (-). Điện thế muốn đem so sánh Ei đƣa vào ngõ vào (+) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = +Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = -Vsat CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 47 – So sánh mức âm đảo: Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ng vào (+). Điện thế muốn đem so sánh Ei đƣa vào ngõ vào (-) Khi Ei > Vref = 0 thì V0 = +Vsat Khi Ei < Vref = 0 thì V0 = -Vsat e. Mạch só sánh với hồi tiếp dƣơng: Mạch đảo: Tín hiệu so sánh Ei đƣợc đƣa vào ng vào (-) Điện thế chuẩn Vref đƣợc lấy từ một phần của điện thế ng ra V0 qua cầu phân thế R1, R2. Các điện trở R1, R2 nhƣ vậy còn đóng vai trò một hồi tiếp dƣơng nên v 0 luôn luôn ở trạng thái bảo hòa. Tùy theo mức tín hiệu vào mà v 0 giao hoán ở một trong hai trạng thái +V Sat và -V Sat . – Ta có: satsatref VV RR R V RR R V ... 21 2 0 21 2      – Trong đó: 21 2 RR R   gọi là tỉ số hồi tiếp dƣơng – Nếu ta tăng E i từ từ, ta nhận thấy: Khi E i <V ref thì v 0 =+V Sat Khi E i >V ref thì v 0 =-V Sat – Trị số của E i =V ref =β.(+V Sat ) làm cho mạch bắt đầu đổi trạng thái đƣợc gọi là điểm nảy trên (upper trigger point) hay điểm thềm trên (upper threshold point). VUTP=β.(+VSat) – Bây giờ nếu ta giảm E i từ từ, chú ý là lúc này V 0 = -V Sat và V ref =β(-V Sat ), ta thấy khi E i < β (-V Sat ) thì v 0 chuyển sang trạng thái +V Sat . Trị số của E i lúc này: E i = V ref = β(-V Sat ) CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 48 Đƣợc gọi là điểm nảy dƣới hay điểm thềm dƣới (lower trigger point-lower threshold point- V LTP ). Nhƣ vậy chu trình trạng thái của mạch nhƣ hình 7.34. – Ngƣời ta định nghĩa: V H =(Hysteresis)=V UTP -V LTP V H =β{(+V Sat )-(-V Sat )] – Nếu |+VSat| = |-VSat| ⇒ V H =|2β.V Sat | f. Mạch không đảo: Thay đổi Ei ta nhận thấy: Khi VA < Vref = 0 thì V0 = -Vsat khi VA bắt đầu lớn hơn 0V, mạch đổi trạng thái và V0 = + Vsat. Trị số Ei khi V0 bắt đầu đổi trạng thái đƣợc gọi là điểm nảy trên VUTP – Bây giờ nếu ta giảm E i (v 0 đang là +V Sat ), khi V A bắt đầu nhỏ hơn V ref =0v thì v 0 đổi trạng thái và bằng -V Sat . Trị số của E i lúc này gọi là điểm nảy dƣới V LTP . – Tính VUTP và V LTP – Ta có: VA = Vsat – R2.I và: 21 RR EV I isat    – Vậy isatsat isat satA E RR R V RR R VR RR EV VV ... 21 2 21 2 2 21        – Phân biệt 2 trƣờng hợp: CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 49  Khi tăng Ei từ số thật âm lên, lúc đầu V0 = -Vsat nên:  Khi VA = 0 tức Ei = VUTP, V0 đổi trạng thái, ta suy ra: 0)( 2 1  satUTP V R R V – Khi giảm E i từ trị số dƣơng dần xuống, lúc này v 0 =+V Sat nên: isatsatA E RR R V RR R VV .).()( 21 2 21 2     – Khi VA = 0 tức Ei = VUTP, mạch đổi trạng thái. Vậy:         satsatLTPUTPH satLTP LTPsat VV R R VVV V R R V V RR R RR R V             2 1 2 1 21 2 21 2 0 0.1. Chú ý là |+Vsat| có thể khác |-Vsat| 5.4.3 MẠCH SO SÁNH TRONG TRƢỜNG HỢP 2 NGÕ VÀO CÓ ĐIỆN THẾ BẤT KỲ VỚI HỒI TIẾP DƢƠNG: a. Dùng mạch không đảo: Khi VA< Vref  V0 = - Vsat và VA = Ei – R1I – Khi V A =V ref thì mạch đổi trạng thái (v 0 đổi thành +V Sat ), trị số của E i lúc này gọi là điểm nảy trên V UTP . Từ (7.17) ta tìm đƣợc: – Nếu chọn R2 = nR1, ta có: – Ở trạng thái mới ( V0 = + Vsat), bây giờ ta giảm Ei_thì khi VA có trị số: CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 50 bằng V ref thì mạch sẽ đổi trạng thái, trị số của E i lúc này gọi là điểm nảy dƣới V LTP . Tƣơng tự nhƣ trên ta tìm đƣợc: – Và nếu nR1 = R2 thì: Từ đó: – Ngƣời ta thƣờng định nghĩa trị số trung tâm là trị trung bình của VUTP và VLTP: b. Dùng mạch đảo: Dạng mạch căn bản nhƣ hình: Khi Ei còn nhỏ hơn VA, V0 ở trạng thái +Vsat Dòng điện qua I qua R1, R2 có trị số: 21 0 RR VV I ref    Điện thế tại ng vào (+) là: VA = -R1.I ’ + Vref Nếu ta tăng Ei lên từ từ, khi Ei đạt đến trị số của Ei lúc đó, cũng là trị số của V A , gọi là điểm nảy trên V UTP . – Nếu chọn R2 = nR1 – Ở trạng thái mới V0 = - Vsat CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 51 – Nếu ta giảm E i từ từ, đến khi E i =V A mạch sẽ đổi trạng thái (V 0 = -V Sat ) và E i =V A lúc đó có trị số là V LTP (điểm nảy dƣới). – Và nếu R2 = nR1 ta tìm đƣợc: 5.4 MẠCH TRIGGER SCHMITT – Trong lĩnh vực điều khiển, các thiết bị điện chỉ làm việc ở một trong hai trạng thái, tƣợng trƣng bởi hai mức 1 và 0 nhƣ trong k thuật số. Ngƣời 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 đƣợc kích thích. – Các Schmitt trigger đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong k thuật xung nhƣ đếm xung, chia tần, tạo các xung điều khiển trong các mạch tích phân, mạch tạo điện áp biến đổi đƣờng thẳng v.v – Nói chung các trigger đều có đặc tuyến Ura = f(Uv) có dạng là một vòng trễ nhƣ hình trên, các mức điện áp Ung1 Ung2 đƣợc gọi là các mức điện áp ngƣỡng. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 52 5.4.1 MẠCH TRIGGER SCHMITT CƠ BẢN DÙNG CHUYỂN MẠCH BJT Dạng 1 – Trong sơ đồ mạch trên, 2 transistor T1, T2 đƣợc 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, ngƣng dẫn. Khi T1 ngƣng dẫn sẽ điều khiển T2 chạy bão hòa và ngƣợc lại khi T1 bão hòa sẽ điều khiển T2 ngƣng dẫn – Ngƣỡng cao và ngƣỡng thấp của mạch (sinh viên tự chứng minh qua 2 trạng thái tắt và bão hòa của BJT) – 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 lƣợng tích lũy trong tụ sẽ làm phân cực mối nối BE của T2 nhanh hơn). – Mạch đƣợc thiết kế sao cho ở trạng thái bình thƣờng T1 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. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 53 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 vƣợt qua mức ngƣỡng kích trên (tƣơng ứng với VE ở trạng thái này), nghĩa là Vv = 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 đƣa mạch về trạng thái ban đầu cần phải giảm tín hiệu vào Vv xuống dƣới ngƣỡng kích dƣới. Lúc đó dòng IC1 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 đƣa đến T1 tắt và T2 dẫn bão hòa. Ta có : Vr = VE + VCE2bh 5.4.2 MẠCH TRIGGER SCHMITT SỬ DỤNG OP-AMP: Dạng Mạch 1 – Xét mạch điện có dạng sau : – Điện trở R = R1//R2 làm giảm dòng điện off set để hoạt động gần với Opamp lý tƣởng, nhằm mục đích làm cho mạch hoạt động ổn định hơn. Ta có: V+ = Vr R1/ (R1 + R2)= AVr Và V- = - Vv Khi Vv > V+ thì Vr = -V – Do đó V+ = - V R1/ (R1 + R2) = -AV. Đây là ngƣỡng kích mức thấp. – Khi Vv < V+ thì Vr = + V. – Do đó V+ = V R1/ (R1 + R2) = AV. Đây là ngƣỡng kích mức cao. – Dạng sóng vào ra: CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 54 Quan hệ vào ra: Khi Vv > AV thì Vr = - V. Khi Vv < AV thì Vr = + V Nhận xét. – Hai trạng thái của Schmitt Trigger tƣơng ứng với mức điện thế bão hòa dƣơng +V và bão hòa âm –V của ng ra bộ khuếch đại thuật toán. Dạng sóng ng vào đƣợc sửa thành xung chữ nhật. Dạng mạch 2 Ta có: V- = Vv 21 2Re 21 1 .. RR RV RR RV V fr     -AV. Đây là ngƣỡng kích mức thấp. Khi Vv >V+ thì Vr = -V Do đó BAV RR RV RR RV V fr      21 2Re 21 1 .. Khi Vv <V+ thì Vr = + V Do đó BAV RR RV RR RV V fr      21 2Re 21 1 .. Quan hệ vào ra: Khi Vv > -AV + B thì Vr = -V và Khi Vv < AV + B thì Vr = +V CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 55 5.5 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 vào. 5.5.2 MẠCH ĐA HÀI PHI ỔN CƠ BẢN. a. 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 đối. 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 hòa. Khi T1 bão hòa, dòng IC1 tăng cao và VC1=VCEsat  0,2V,tụ C2 xả 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 C1 xả điện qua RB1 và điện áp âm trên tụ C1 đƣa vào cực B1 làm cho T1 tắt. Lúc đó tụ C2 lại nạp điện qua RC1 làm cho dòng IB2 tăng 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 đầu. 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 T1 tắt 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 nhau. – 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 +VCC nên điện áp tức thời của tụ (lấy mức – VCC làm gốc) là: VC1(t) = 2VCC. 11 1 .cR t Be  – Thời gian để tụ C1 xả qua RB1 từ –VCC lên 0V cho bởi công thức: VCC = 2VCC. 11 1 .CR t Be  Suy ra: 11 1 .CR t Be  = 2 2ln 1 1  BR t  t1 = RB1.C1 Ln2  0,69RB1.C1 – Tƣơng tự, thời gian t2 để tụ C2 xả điện qua RB2 từ –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 :  21 2169.0 11 CRCRT f BB   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: CRT f B4,1 11  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 hòa. – Khi điều chỉnh biến trở 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 hạn trên 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: ont T Q  – Nghịch đảo của độ rộng 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 D on 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 của mạch đa hài đối xứng là : %50%100  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 biến trở VR dùng để thay đổi chu trình làm việc D. VR =R1 + R2 – Điện trở R là phần điện trở RB dùng 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 lại. Điều này có nghĩa là khi RB1 tăng thì giảm trị số RB2 và ngƣợc lại. – 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, t2 tức là thời gian ton, toff sẽ làm thay đổi chu trình làm việc D. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 59 a. 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 lại. 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 thiết mạch 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 RB trung 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, RB2 để thay đổi t1, t2 tức là thay đổi chu trình làm việc. – Ta chỉ cần tính cho t1 sẽ suy ra tƣơng tự cho t2 . Từ tần số f = 1000Hz suy ra chu kỳ T là: ms f T 1 1000 11  – Khi chu trình làm việc là D = 40% thì thời gian t1 là: msTt 4,0 100 40 1  và t1 = 0,69RB1min.C = 0,4 ms – Suy ra :   K ms RB 2,32 10.018,0.69,0 4.0 6min1 R = RBmin = 32,2 K (chọn R = 33K) – Khi chu trình làm việc là D = 60% thì thời gian t1 là: msTt 6.0 100 60 1  và t1 = 0,69RB1max.C = 0,6 ms – Suy ra: RB1max =  K ms 3,48 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 động đa 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 vào. 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 thái ổn định ban đầu. – 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. a. Sơ đồ ở hai trạng thái. b. Nguyên lý hoạt động.  Trạng thái ổn định của mạch đơn ổn – Khi mở điện, tụ C tức thời nạp điện qua điện trở RC2 tạo dòng điện đủ lớn cấp cho cực B1 nên T1 sẽ chạy ở trạng thái bão hòa. Lúc đó, dòng IC1 qua RC1 đủ 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 RB1 cấp phân cực cho cực B1. Hai Transistor sẽ chạy ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động gì từ bên ngoài. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 61  Trạng thái tạo xung của mạch đơn ổn: – Khi ngõ vào Vi nhận 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 VC1 tăng cao qua cầu phân áp RB2 RB sẽ phân cực cho T2 chạy bão hòa. 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 E. 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 ra. – 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 đầu. Khi T1 trở lại trạng thái bão hòa thì VC1=VCEsat = 0,2 V nên T2 mất phân cực sẽ tắt nhƣ lúc ban đầu. – 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 RB1 làm điện áp âm giảm dần theo hàm số mũ. Thời gian xả của tụ C chính là thời gian tạo xung ở ng ra. – Ở trạng thái ổn định VC1 =0,2V (bão hòa), ở trạng thái tạo xung VC1 = VCC (tắt) nên T1 có xung vuông dƣơng ra. Ngƣợc lại T2 có 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: 11 1 C CC C CESatCC C R V R CV I    (1) ( Với VCsat0.2V) 11 1 B CC B BEsatCC B R V R VV 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 KI  1 1  Trong đó: K là hệ số bão hòa sâu và K = 2 ÷ 5  Cách tính độ rộng xung: Trong thời gian ổn định tụ C nạp điện qua RC1 với hằng số thời gian nạp là  nạp = RC1. C Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ bởi công thức:           t CCC eVtV 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 CCCC eVtV   . – 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.  xt e   xt e  = 2 1 hay  xt e  = 2 Suy ra :  xt = 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: – Ở trạng thái ổn định T1 bão hòa T2 tắt: VC1 = VCEsat  0,2V, VC2  VCC CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 63 – Ở trạng thái tạo xung T1 tắt T2 bão hòa. X BC B CCC V RR R VV    21 2 1 . (do mạch phân áp) VC2 = VCEsat  0,2V – Nhƣ vậy biên độ xung vuông dƣơng cho T1 tạo ra là: V01 =Vx – 0,2V  Vx – Biên độ xung vuông âm do T2 tạo ra là: V02 =Vx – 0,2V VCC  Thời gian hồi phục: – Theo sơ đồ mạch đơn ổn cơ bản: trạng thái ổn định là trạng thái T1 bão hòa, T2 tắt, trạng thái tạo xung là trạng thái T1 tắt, T2 bão hòa. Sau khi song thời gian tạo xung tx thì T2 sẽ trở lại trạng thái tắt. Trong thực tế mạch chƣa trở lại trạng thái ổn định ngay vì lúc đó tụ C lại nạp điện qua RC2 làm VC2 tăng lên theo hàm số mũ chứ không tăng tức thời nhƣ hình vuông. Thời gian này đƣợc gọi là thời gian hồi phục th – Hằng số thời gian nạp của tụ là: nạp = RC2. C – Tụ nạp đầy trong thời gian 5 nhƣng thƣờng chỉ tính : Th  4 nạp = 4RC2.C  Thời gian phân cách: – Do có thời gian hồi phục th để mạch đơn ổn trở lại trạng thái ổn định nên nếu tín hiệu xung kích ở ng vào là những tín hiệu liên tiếp nhau có tần số xung kích f i chu kỳ xung kích Ti thì chu kỳ Ti phải thỏa điều kiện là: Ti > tx + th – Điều kiện này có nghĩa là khoảng cách ngắn nhất giữa hai xung kích phải lớn hơn độ rộng và thời gian hồi phục th thời gian tx = th gọi là thời gian phân cách tf. Ta có: Ti >tf với tf = tx + th 5.6.3 CÁC MẠCH ĐƠN ỔN CẢI TIẾN. a. Mạch đơn ổn dùng 1 nguồn. – Trong các mạch đơn giản ngƣời ta có thể không dùng nguồn –VBB và điện trở RB đƣợc nối mass, lúc đó RB đƣợc chọn lại với trị số khác. Trƣờng hợp này mạch có khả năng chống nhiễu kém. Sơ đồ mạch đơn ổn hình vẽ, ng vào là mạch vi phân RiCi để đổi xung vuông ra hai xung nhọn và diode D chỉ nhận xung nhọn âm đƣa vào cực B1. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 64 b. Mạch đơn ổn có xung kích vào cực C2. – Ở trạng thái ổn định T1 bão hòa T2 tắt, tụ nạp điện có điện áp nhƣ hình vẽ. Khi có xung nhọn âm làm diode D đƣợc phân cực thuận thì tụ C có chân nạp điện áp dƣơng nối mass nên chân nạp điện áp âm sẽ làm phân cực ngƣợc cực B1 và T1 tắt. Lúc đó, VC1 tăng cao làm T2 bão hòa và VC2  0,2V nên tụ C tiếp tục xả điện qua RB1 và mạch sẽ duy trì trạng thái T1 tắt, T2 bão hòa cho đến khi tụ xả xong. Sau thời gian tạo xung tx thì mạch lại trở về trạng thái ổn định. c. Mạch đơn ổn dùng tụ gia tốc. – Để chuyển nhanh trạng thái của T2 từ tắt sang bão hòa khi có xung kích âm vào cực B1. Ta có thể dùng tụ gia tốc Cj ghép song song RB2. Khi có xung kích âm vào cực B1, Transistor T1 đang bão hòa chuyển sang tắt làm VC1 tăng ở trạng thái chuyển tiếp tụ Cj coi nhƣ nối tắt nên điện áp VC1 phân cực nhanh cho cực B2 làm T2 bão hòa nhanh. Điều này có tác dụng làm xung vuông ra ở cực C2 có cạnh xuống đƣợc thẳng đứng, sửa lại độ dốc trƣớc của xung ra. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 65 d. Dùng diode cách ly sửa độ dốc sau. – Trong phần các thông số của mạch đơn ổn có xét đến thời gian hồi phục th của xung ra trên cực C2 là do tụ C nạp điện qua điện trở R2 làm điện áp VC2 tăng chậm, độ dốc sau của xung dài ra. – Để giảm thời gian hồi phục ở ng ra, làm độ dốc sau đƣợc thẳng đứng ngƣời ta dùng thêm diode D và điện trở RD – Khi T2 tắt, điện áp VC2 làm phân cực ngƣợc diode D và tụ C chỉ nạp điện qua RD nên điện áp VC2 tăng nhanh. Điều cần lƣu ý trong mạch này là khi T2 bão hòa, VC2 giảm nên diode D đƣợc phân cực thuận, điện trở ở cực C2 là RC2 song song RD – Thƣờng chọn: RC2 = RD = 2.RC1. e. Dùng diode cách ly bảo vệ mối nối BE1. – Khi mạch vi phân cho ra xung nhọn âm làm phân cực thuận diode Di đƣa đến T1 tắt, T2 bão hòa. Lúc đó tụ C sẽ xả điện vàđiện áp trên tụ đƣa vào cực B1 với trị số khoảng -VCC, điện áp này có thể làm hƣ mối nối BE1 vì điện áp đánh thủng mối nối BE (BVEBO) thƣờng có trị số không cao (khoảng vài volt). – Để tránh hiện tƣợng trên ngƣời ta đặt thêm 1 diode giữa tụ C và cực B1 nhƣ hình vẽ. Khi tụ xả điện thì diode D sẽ chịu điện áp ngƣợc thay cho mối nối BE mà điện áp ngƣợc của diode thƣờng cao nên diode không bị hƣ. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 66 5.7 MẠCH DAO ĐỘNG HAI TRẠNG THÁI (ĐA HÀI LƢỠNG ỔN) 5.7.1 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI LƢỠNG ỔN DÙNG BJT.  Mạch đảo – Khi Vi ở mức điện áp cao thì Transistor chạy bão hòa và dòng Ic qua RC tạo sụt áp  V0 0,2V (VCESat) ứng với mức điện áp thấp. – Khi Vi ở mức điện áp thấp thì Transistor bị phân cực ngƣợc ở ng vào nên tắt, dòng Ic =0 nên không giảm áp qua RC V0 VCC ứng với mức điện áp cao ra. Nhƣ vậy, điện áp ra Vo và điện áp vào Vi ngƣợc pha nhau  Mạch lƣỡng ổn (flip-flop) cơ bản. – Mạch dao động đa hài lƣỡng ổn đƣợc tạo ra bằng cách ghép hai mạch đảo sao cho ng ra của mạch đảo này là ng vào của mạch đảo kia. – Mạch lƣỡng ổn dùng 2 nguồn: +VCC để cấp dòng IB và IC cho Transistor dẫn bão hòa và nguồn -VBB để phân cực ngƣợc cho cực B của Transistor tắt. Nguyên lý hoạt động. – Mạch có 2 trạng thái, trong mỗi trạng thái một transistor tắt và một Transistor bão hòa. CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 67 – Giả thiết T1 và T2 cùng tên, các điện trở phân cực cho hai Transistor cùng trị số nhƣng hai Transistor không thể cân bằng một cách tuyệt đối nên sẽ có một Transistor dẫn mạnh hơn và một Transistor dẫn yếu hơn. – Giả thiết Transistor T1 dẫn mạnh hơn T2 nên dòng điện IC1 lớn hơn qua RC1 làm điện áp VC1 giảm. Điện áp VC1 qua điện trở R2 phân cực cho T2 sẽ làm VB2 giảm và điều này làm cho T2 chạy yếu hơn. – Khi T2 chạy yếu thì dòng điện IC2 nhỏ hơn qua TC2 làm điện áp VC2 tăng lên. Điện áp VC2 qua điện trở R1 phân cực cho T1 sẽ làm VB1 tăng làm T1 dẫn mạnh hơn nữa và cuối cùng T1 sẽ tiến đến trạng thái bão hòa T2 tiến đến tắt. – Nếu không có một tác động nào khác thì mạch điện sẽ ở trạng thái này. Đây là một trạng thái của mạch. – Ngƣợc lại, nếu giả thiết Transistor T2 dẫn mạnh hơn T1 và lý luận tƣơng tự thì cuối cùng sẽ có T2 tiến đến trạng thái bão hòa và T1 tiến đến tắt và mạch điện cũng ở mãi trạng thái này nếu không có một tác động nào khác. Đây là trạng thái thứ hai của mạch. Mạch sẽ ở một trong hai trạng thái trên nên đƣợc gọi là mạch lƣỡng ổn. – Phân tích mạch : Phân tích dòng điện và điện áp trong mạch tiêu biểu nhƣ trong mạch điện với các trị số điện trở và nguồn cụ thể. Theo giả thiết, khi T1 bão hòa ta có: VC1=VCCSat  0,2 v VB1=VBEsat  0,8V – Suy ra dòng điện IC1 và IB1 theo công thức: 1 1 C CESatCC C R VV I   mA K IC 5,6 8,1 2,012 1    CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 68 mA K KK KK VV R VV RR VV I B BBBEsat C BEsatCC B 41,0 47 68,0 188,1 8,012 112 1            – Ở trạng thái bão hòa Transistor thƣờng có β nhỏ, chọn β = 50. Ta có thể kiểm tra lại điều kiện bão hòa của T1 nhƣ sau: Thông thƣờng : mA mAI I CB 13,0 50 5,6   – Mạch điện có: IB1 = 0,41mA (IB1>IB) Nhƣ vậy: T1 đủ điều kiện để bão hòa Vì  1 1 C B I I  – Xét T2 lúc đó ở trạng thái tắt ta có : VC2 = VCC – IC2.RC2 = VCC – (IB1+IR).RC2 2 12 2 . C C BEsatCC CCC R RR VV VV          VK KK VV V 118,1 188,1 8,012 12            BB B B BBCB V RR R VVV    22 2 12   VV KK K VV 5,16 4718 47 62,0    – T2 là loại Transistor NPN có VB2 = -1,5V (VB2 < 0V) nên T2 phải tắt. – Nếu ở trạng thái ngƣợc lại thì hai Transistor sẽ có dòng điện và điện áp ở các chân cực ngƣợc lại với phân tích trên. – Điện áp nguồn âm (–VBB) có tác dụng phân cực cho T2 để T2 ổn định ở trạng thái tắt tránh tác động của nhiễu có thể làm cho T2 đổi trạng thái. Trƣờng hợp không cần thiết chống nhiễu thì có thể không dùng nguồn –VBB, lúc đó hai điện trở RB1, RB2 đƣợc nối mass hay có thể không cần dùng cũng đƣợc. 5.7.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP KÍCH ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA FF. – Trƣờng hợp T1 đang bão hòa, T2 đang tắt, muốn đổi trạng thái của Flip-Flop thì ta có thể cho một xung âm vào cực B1 (hoăc là cho một xung dƣơng vào cực B2). Muốn đổi trở lại trạng thái cũ thì phải cho một xung dƣơng vào cực B1(hoăc là cho một xung âm vào cực B2). Để giản đơn ngƣời ta thƣờng dùng một loại xung.  Mạch kích một bên – Mạch Flip- Flop với mạch kích một bên. Xung kích điều khiển là xung vuông qua mạch vi phân RC để đổi từ xung vuông ra hai xung nhọn (xung nhọn dƣơng ứng với cạnh lên và xung nhọn âm ứng với cạnh xuống). Diode D có tác dụng loại bỏ xung nhọn dƣơng và chỉ đƣa xung nhọn âm vào cƣc B1 để đổi trạng thái T1 từ bão hòa sang tắt. – Giả thiết mạch có T1 đang bão hòa và T2 đang tắt. – Khi ng vào nhận xung vuông Vin qua mạch vi phân RC tạo điện áp VI trên điện trở R là hai xung nhọn.  Khi có xung nhọn dƣơng thì diode D bị phân cực ngƣợc nên tắt và mạch FlipFlop vẫn giữ nguyên trạng thái đang có.  Khi có xung nhọn âm thì diode D đƣợc phân cực thuận coi nhƣ nối tắt làm điện áp VB1 giảm xuống dƣới 0V. Lúc đó T1 tắt nên Ib1= 0, Ic1= 0 nên Vc1 tăng cao sẽ CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 69 tạo phân cực đủ mạnh cho cực B2 vàT2 chạy bão hòa. Khi T2 đã bão hòa thì Vc2  0,2 V nên T1 không đƣợc phân cực sẽ tiếp tục tắt mặc dù đã hết xung âm. – Nhƣ vậy, mạch Flip-Flop đã chuyển từ trạng thái T1 bão hòa, T2 tắt sang trạng thái T1 tắt T2 bão hòa. Khi mạch đã ổn định ở trạng thái này thì mạch sẽ không bị tác động đổi trạng thái bởi xung kích vào cực B1 nữa. Bây giờ muốn đổi trạng thái của mạch trở lại trạng thái cũ thì phải cho xung vuông tiếp theo qua mạch vi phân và diode D vào cực B2 (vì T2 đang ở trạng thái bão hòa).  Mạch kích đếm: – Đối với mạch kích một bên thì mạch Flip-Flop phải đƣợc kích lần lƣợt, luân phiên vào cực B1 và B2 thông qua hai mạch vi phân và hai Diod. Để đổi trạng thái mạch Flip Flop bằng một thứ xung kích vào một ng chúng ta có thể dùng mạch kích đếm. – Sơ đồ mạch Flip-Flop có ng kích đếm nhận xung kích là xung vuông. Theo sơ đồ này, mạch đang ở trạng thái T1 bão hòa, T2 tắt. Hai điện trở 10K thêm vào mạch ra hai điểm A và B và hai điểm này có điện áp gần giống nhƣ điện áp của hai cực C1 và C2. Ta có: VA  VC1= 0,2 V (T1 đang bão hòa) VB  VC 2 =11V (T2 đang tắt) CHƢƠNG 5: CÁC MẠCH TẠO XUNG GIÁO TRÌNH VI MẠCH TƢƠNG TỰ Trang 70 – Khi có xung vuông ở ng vào Vin thì qua hai tụ C1, C2 sẽ có hai xung nhọn dƣơng ứng với cạnh lên xung của vuông và có 2 xung nhọn âm ứng với cạnh xuống của xung vuông tại điểm A và B. Thời điểm có xung nhọn dƣơng cả hai diode D1 – D2 đều bị phân cực ngƣợc nên không có tác dụng với mạch Flip-Flop. Khi có xung nhọn âm tại hai điểm A và B thì tại hai điểm này sẽ có hai mức biến đổi khác nhau. – Do VA  0,2 V nên khi có xung nhọn âm thì xung âm sẽ làm giảm điện áp VA và diode V1 đƣợc phân cực thuận. Điều này sẽ làm đổi trạng thái T1 từ bão hòa sang tắt và đổi trạng thái T2 từ tắt sang bão hòa. Lúc đó do VB =11V rất cao so với xung âm nên khi có xung nhọn âm thì điện áp VBvẫn ở mức dƣơng cao nên D2 vẫn bị phân cực ngƣợc và xung âm không có tác dụng với T2. – Khi có xung vuông thứ hai đến ng vào thì lần này xung nhọn âm chỉ có tác dụng đối với T2 là Transistor đang bão hòa nên mạch Flip-Flop lại trở về trạng thái cũ.