Giáo trình môn Kỹ thuật xung

• Nếu t = 0: 21 1 0 CC C .av + = • Nếu t = 8 (xác lập): 21 2 0 RR R .av + = Giả thuyết vi là nguồn lý tưởng. • Tại t < 0: vi = 0, vC1 = 0 → v0 = 0. • Tại t = 0: vi = a. Các tụ C1, C2 ngắn mạch. R1, R2 làm dòng nạp → ∞, điện áp trên các tụ là phân thế giữa C1 và C2: 21 1 0 CC C .av + = • 0 ≤ t < ∞: quá trình phân bố lại điện tích trong đó các tụ C1, C2 nạp hay xả. • t = ∞: mạch xác lập (không còn sự thay đổi điện tích), dòng qua các tụ bằng 0, điện áp vi phân bố giữa các điện trở. Chương 1 - Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung - Mạch RLC Bài giảng Kỹ thuật xung 15 21 2 0 RR R .av + = a. Bổ chính thiếu: 21 2 21 1 RR R CC C + < + b. Bổ chính đủ: 21 2 21 1 RR R CC C + = + c. Bổ chính lố: 21 2 21 1 RR R CC C + > + Trong thực tế nguồn vi không lý tưởng (nội trở khác 0) → bổ chính lố không xảy ra, bổ chính đủ khó đạt. Chương 1 - Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung 16 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM 1.8. Mạch RL Mạch hạ thông Mạch thượng thông ( ) LpR RpK + = ( ) LpR LppK + = • Phản ứng với hàm vi = a.1(t):      −= τ− t R e1.av τ− = t L e.av ; với R L =τ (thời hằng) - Phản ứng của mạch RL thượng thông giống với mạch RC thượng thông. - Phản ứng của mạch RL hạ thông giống như với mạch RC hạ thông. Khi đòi hỏi t lớn thường không sử dụng mạch RL do: o Kích thước cuộn cảm lớn. o Giữa các vòng dây tồn tại điện dung ký sinh → tự kích dao động. 1.9. Mạch RLC (SV tự tìm hiểu) Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 16 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM CHƯƠNG 2: KHÓA ĐIỆN TỬ VÀ CÁC MẠCH BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 2.1. Khóa BJT tải R:
Chế độ khóa: Transistor tồn tại chủ yếu ở hai trạng thái tắt và bão hòa, trạng thái khuếch đại là trạng thái trung gian khi khóa chuyển từ tắt sang bão hòa hoặc ngược lại. VCC Rb Rc v0 ib iC vi K K Tắt Bão hòa
Chế độ tắt: 2 tiếp xúc PN phân cực ngược. ic = icbo (dòng rò) ib = -icbo ie = 0
Chế độ khuếch đại: tiếp xúc JE (BE) phân cực thuận, tiếp xúc JC (CB) phân cực nghịch. Quan hệ dòng: ic = β.ib = α.ie và ie = ic + ib
Chế độ bão hòa: hai tiếp xúc JE, JC phân cực thuận. Quan hệ dòng: ic ≤ β.ib và ie = ic + ib Giả sử tín hiệu vào có dạng như sau: • t < 0: vi < 0, transistor tắt. iC = icbo; iB = -icbo v0 = VCC - iC.RC ≈ VCC Tổng trở ra: R0 ≈ RC Điều kiện để transistor tắt: vbe < vγ vi + icbo.Rb < vγ Đặc tuyến tĩnh của các mắc CE t t 0 vi iC E1 E2 IC,sat t1 t2 t3 t4 t5 • 0 ≤ t 0 Giả thuyết mức E1 đủ làm cho transistor bão hòa. Trong khoảng thời gian này dòng iC = 0. 0 ÷ t1: thời gian trễ, 3 yếu tố tạo nên trễ là: Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung Bài giảng Kỹ thuật xung 17 + Thời gian cần thiết để các điện dung rào thế xả điện tích và nạp lại điện tích cho tiếp xúc JE của điện áp VBE = Vγ. + Thời gian để các hạt dẫn đi từ cực E qua miền B đến cực C. + Thời gian để dòng iC tăng từ 0.1IC,sat đến 0.9IC,sat (dòng bão hòa). • t1 ÷ t2: sườn lên, transistor dẫn ở chế độ khuếch đại. ic = βib + icbo v0 = VCC - iC.RC Theo sự tăng của dòng ib thì iC sẽ tăng lên và v0 sẽ giảm xuống. Khi v0 = vce,sat → transistor chuyển sang trạng thái bão hòa. • t2 ÷ t3: Transistor dẫn ở chế độ bão hòa. vi = E1 v0 = vce,sat = (0.1 ÷ 0.2)V ic = ic,max = IC,sat: dòng bão hòa C CC C sat,ceCC Sat,CC R V R VV Ii ≈ − == Dòng iC có giới hạn, dòng ib tiếp tục tăng → xảy ra hiện tượng tích lũy điện tích dư trong miền nền. Do hai tiếp xúc JE và JC đều phân cực thuận nên điện thế các cực xem như bằng nhau. Điều kiện để transistor bão hòa: ic ≤ β.ib Ngưỡng bão hòa: β= sat,C bn I i Điều kiện bão hòa: ib ≥ ibn. Nếu ib > ibn (hoặc β.ibn > ic) → xảy ra hiện tượng tích lũy điện tích dư. Hệ số bão hòa 1 i iS bn b ≥= (thường S = 1.2 ÷ 2). S rất lớn → bão hòa sâu. Tổng trở ra R0 ≈ tổng trở ra của BJT. Khi bão hòa (JE, JC đều phân cực thuận) → điện thế của 3 cực xấp xỉ bằng nhau. • t3 ÷ t4: Transistor dẫn bão hòa, xảy ra sự xả điện tích dư đã tích lũy trước đó trong miền nền và khi xả hết thì transistor dẫn khuếch đại. • t4 ÷ t5: do vi < 0 nên dòng iC giảm về 0 → thời gian phục hồi khả năng ngắt của transistor. Để tăng tốc độ chuyển đổi của khóa người ta thường mắc thêm tụ C. Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 18 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM 2.2. Khóa BJT tải L: Giả thuyết biên độ của vi đủ làm BJT bão hòa, các quá trình quá độ kết thúc trước khi vi đổi trạng thái. • t 0, transistor bão hòa, cuộn L ngắn mạch R0. Dòng iC đi từ VCC qua L, RC và BJT. C CC C sat,CECC sat,CC R V R VV Ii ≈ − == Tín hiệu ngõ ra: v0 = VCC. • t1 ≤ t < t2: vi = 0 → transistor tắt. Tại t = t1 iL = IC,sat ic = icbo ≈ 0 Cuộn dây L xả điện tích qua R với dòng: ( ) R L ,e.Ii 1tt sat,CL =τ= τ − − ( ) τ − − +=+= 1tt sat,C0CCL0CC0 e.I.RVi.RVv Khi xác lập v0 = VCC. • t2 ≤ t 0, transistor bão hòa. Tại t = t2 iL = 0 Dòng bão hòa iC đi từ VCC qua R0, RC và BJT: C0 CC C0 sat,CECC sat,CC RR V RR VV 'Ii + ≈ + − == Cuộn L nạp điện → iL tăng lên, iR giảm xuống. ( ) C0 ' tt sat,CR R//R L ',e.'Ii 2 =τ= τ − − Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung Bài giảng Kỹ thuật xung 19 ( ) ' tt 0sat,CCCR0CC0 2 e.R.'IVi.RVv τ − − −=−= Khi xác lập v0 = VCC. Gai dương điện áp lớn hơn rất nhiều so với VCC có thể đánh thủng BJT. Vì vậy trong nhiều trường hợp người ta thường mắc song song với cuộn L một diode để triệt gai dương. 2.3. Khóa BJT tải C: • t 0 transistor bão hòa v0 = VCE,sat ≈ 0 vCs = v0 ≈ 0 tụ CS hầu như không nạp. • t1 ≤ t < t2: vi = 0, transistor tắt ic = icbo ≈ 0 Tụ CS nạp qua RC: ( ) SC tt CC0 C.R,e1.Vv 1 =τ      −= τ − − • t2 ≤ t 0 transistor dẫn. t = t2 transistor khuếch đại do ảnh hưởng của điện áp trên CS làm tiếp xúc JC ngược. Khi đó: ic = β.ib. Tụ CS xả điện qua transistor đang dẫn → v0 giảm. C 0CC R R vVi C − =⇒ tăng lên. b C 0CC0 SRCC i.R vV dt dv .Ciii CS β=−+=+= khi xác lập CS xả hết → v0 ≈ 0. Khi đó: C CC R R Vi C = . Transistor đi vào trạng thái bão hòa. Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 20 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM 2.4. Mạch xén: Chức năng: giới hạn biên độ tín hiệu. Các mạch xén dùng diode: • Mạch nối tiếp: tải nối tiếp diode. • Mạch song song: tải song song với diode. Giả thiết diode lý tưởng. Vγ = 0 rf =0 (điện trở thuận) IS = 0 (dòng rò, dòng ngược) rr = ∞ (điện trở ngược)  Mạch xén trên: • Mạch nối tiếp: vi ≤ VN, diode dẫn, v0 = vi vi > VN , diode tắt, v0 = VN • Mạch song song: vi < VN, diode tắt, v0 = vi. vi ≥ VN, diode dẫn, v0 = VN Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung Bài giảng Kỹ thuật xung 21  Mạch xén dưới: Mạch nối tiếp Mạch song song • Nếu vi < VN → Diode tắt → v0 = VN • Nếu vi ≥ VN → Diode dẫn → v0 = vi • Nếu vi ≤ VN → Diode dẫn → v0 = VN • Nếu vi > VN → Diode tắt → v0 = vi  Mạch xén 2 mức: Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 22 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM - Xén ở 2 mức về bản chất là ghép xén trên với xén dưới. - Đối với các diode thực tế, thông số của diode khác lý tưởng thì tín hiệu ra càng bị méo dạng. Ví dụ: mạch xén trên dùng diode bán dẫn với các thông số: Vγ ≠ 0, rf ≠ 0, IS ≈ 0, rr → ∞ Giải: - Khi vi < VN + Vγ → diode tắt. v0 ≈ vi - Khi vi ≥ VN + Vγ → diode dẫn. f N f f i0 rR RV rR r vv + + + = D R VN vi v0 I V Vγ γ+ VVN f f rR r + ( )Ni f f Vv rR r − + Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung Bài giảng Kỹ thuật xung 23 Ví dụ: Mạch xén hai mức dùng Zener. - Vùng thuận: hoạt động như mọi diode bán dẫn. - Vùng nghịch: • IZ < Imin → Diode tắt. • Imin < IZ < Imax: vùng dẫn nghịch. • IZ > Imax → Diode bị đánh thủng. I V Pmax VZ Imin Imax 1Z V 2Z V - Vùng 1: vi → D1 dẫn thuận, D2 dẫn nghịch. - Vùng 2: vi < 0 và 2Zi Vv < → D2, D1 tắt. - Vùng 3: vi > 0 và 1Zi Vv < → D1, D2 tắt. - Vùng 4: vi > 0 và 1Zi Vv > → D1 dẫn nghịch, D2 dẫn thuận. 2.5. Mạch ghim điện áp: Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 24 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Chức năng: cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới ở một mức điện thế nào đó. Mạch trên là mạch cố định đỉnh trên mức 0V. • t1 ÷ t2: vi > vC = 0, diode dẫn → tụ C nạp tới Vim. • t2 ÷ t3: vi giảm, do C không phóng điện được nên: (do diode lý tưởng) v0 = vi - vC = vi - V1m Đỉnh trên ghim ở mức 0V (tụ nạp, diode dẫn → điện áp ra bằng 0). • t3 ÷ t4: vi > vC = V1m → vi tăng biên độ lên V2m nên diode dẫn, tụ nạp bổ sung đến mức V2m, v0 = 0V. • t > t4: v0 = vi - V2m. Nếu vi không thay đổi biên độ thì mạch vẫn duy trì khả năng ghim đỉnh trên mức 0. Nếu vi giảm biên độ bằng V3m < V2m thì mạch mất khả năng ghim đỉnh trên mức 0V. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta mắc thêm điện trở R có giá trị rất lớn song song với diode. Khi diode tắt, tụ C phóng điện qua R, sau vài chu kỳ mạch phục hồi khả năng ghim ở mức 0V. Khi có R tụ C phải nạp bổ sung ở mỗi chu kỳ nên tín hiệu ngõ ra bị xén đầu (nhược điểm khi có thêm R). Chú ý: + Khi đảo chiều nguồn E thì ta có mạch ghim đỉnh trên tại E. + Khi đảo chiều diode, mạch trở thành mạch ghim đỉnh dưới (giải thích hoạt động tương tự như mạch ghim đỉnh trên). Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung Bài giảng Kỹ thuật xung 25 2.6. Mạch so sánh: Chức năng: đánh dấu các thời điểm bằng nhau hay khác nhau của tín hiệu vào. So sánh điện áp: dùng khuếch đại thuật toán lý tưởng ở chế độ xung. v+ > v- thì v0 = +E (bão hòa dương) v+ < v- thì v0 = -E (bão hòa âm) So sánh dòng điện: Chương 2 - Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung 26 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM t t t v1 v2 i v0 Ta có: 2 2 1 1 21 R v R viii +=+= Giả thiết R1 = R2 = R Nếu i > 0: v0 = -E. Nếu i < 0: v0 = +E. Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 27 CHƯƠNG 3: DAO ĐỘNG ĐA HÀI 3.1. Mạch hai trạng thái bền: (bistable, trigger, Flip Flop) t t t t vi1 vi2 vC1 vC2 Mạch 2 trạng thái bền, mỗi trạng thái có 1 transistor tắt và 1 transistor dẫn. Dẫn bão hòa: khả năng chống nhiễu cao. Để mạch chuyển trạng thái cần kích khởi. Dẫn khuếch đại: chống nhiễu không cao, tốc độ chuyển đổi cao (nhanh). Để Q1 tắt, nguồn VBB đảm bảo để vb1 ≈ -(0.5 ÷ 1)V → mạch họat động tin cậy.
Giả thiết Q1 tắt, Q2 dẫn bão hòa: vC2 = VCE,sat ≈ 0 Chương 3 - Dao động đa hài 28 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM 12C2 RRC iii −= mà 22 2C C CC C sat,CECC R R V R VV i ≈ − = và 1B 11 1 R 1B BB 1B sat,CEBB R iRR V RR VV i = + ≈ + + = 2B22 RRb iii −= với 2C CC 2C sat,CECC RR RR V RR VV ii 11 1C2 + ≈ + − == và 2 2b b BB R R Vi = Điện áp trên tụ C1 rất nhỏ 11 bC vv ≈→ ic1 = icbo1 ≈ 0 ( ) 0R. RR V R//R.iR. RR V v 1 b1 BB 1b1cbob b1 sat,CE b 1 11 1 1 < + −+ + = Do Q2 bão hòa: 212 RCb vv0v =→≈ 2 21 C2 2 CC2RC RR R .VR.iv + == Điện áp trên tụ C2: 1C vv 2 = (điện áp trên cực C1).
Tại thời điểm t1, kích khởi xung dương vào cực B1: → Q1 dẫn bão hòa, iC1 tăng lên, vC1 giảm gần bằng 0. → Q2 tắt do ảnh hưởng của điện áp trên tụ C2 làm vb2 < 0. → ic2 = icbo2 ≈ 0, toàn bộ dòng 2cRi đổ vào R1 để duy trì Q1 bão hòa. → Mạch đổi sang trạng thái mới Q1 bão hòa, Q2 tắt. Lưu ý: Nếu không có tụ C thì mạch vẫn hoạt động bình thường nhưng chậm hơn, tụ C làm mạch hoạt động nhanh hơn. Tụ C2 xả điện tích qua R2 và Q1. Tụ C1 nạp điện qua RC2, R1, Q1 → VC2 tăng dần theo mức nạp của tụ C1.
Ảnh hưởng của tải: Tải RL có thể mắc song song với RC hoặc với transistor. Có thể mắc đối xứng hoặc không đối xứng. • Khi tải mắc song song với transistor: giả thiết Q1 tắt, Q2 bão hòa. RL phân nhánh dòng iR2 làm giảm dòng ib2. Nếu RL quá nhỏ thì ib2 có thể giảm tới mức Q2 không thể bão hòa. Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 29 • Khi tải mắc song song với RC: giả thiết Q1 tắt, Q2 bão hòa, tải chỉ ảnh hưởng đến transistor bão hòa Q2. 1 2 b1 BB LC CC C RR V R//R Vi + −= Tải RL làm tăng dòng iC2 trong khi dòng ib2 không đổi. Nếu RL quá nhỏ → Q2 không thể bão hòa
Ảnh hưởng của nhiệt độ: giả thiết Q1 tắt, Q2 bão hòa. 1 1 11 1 1 b1 1b 1cbo b1 1 BB b1 b sat,CEb RR R.R .i RR R .V RR R .Vv + + + − + = Trong đó dòng icbo1 tăng theo sự tăng của nhiệt độ. Nhiệt độ tối đa: là nhiệt độ mà mạch vẫn hoạt động với 1 transistor tắt và 1 transistor dẫn. Có nghĩa là tại đó dòng icbo tăng đến mức vb1 = Vγ làm transistor Q1 dẫn mà không cần kích khởi.
Các loại mạch bistable đối xứng khác: • Ưu điểm: tốc độ đổi trạng thái nhanh. • Nhược điểm: chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiễu cũng như biến động điện áp nguồn. Chương 3 - Dao động đa hài 30 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Rb2 Rc2 C1 Rb1 Rc1 C2 Ce VCC Q1 Q2 R2 R1 Re Mạch phân cực tự động • Ưu điểm: chỉ sử dụng một nguồn phân cực VCC. • Nhược điểm: mạch hoạt động 1 transistor tắt, 1 transistor dẫn → luôn có dòng qua Re nên tiêu hao công suất trên Re lớn. Ngoài ra, mạch này khó giao tiếp với các mạch khác vì ngõ ra có 1 mức điện thế nào đó tùy thuộc vào Re. • Nhược điểm: ảnh hưởng lớn của nhiệt độ và nhiễu. Mạch gồm Q2, Q3: mạch bistable. Q1, Q4 sử dụng để kích khởi. Nguyên tắc: dùng xung kích khởi dương hoặc âm đều được. Làm tắt 1 BJT đang dẫn thì kích xung âm, làm 1 BJT đang tắt phải dẫn kích xung dương. Thường xung kích được đưa vào cực nền (B) hoặc cực thu (C) của BJT, tuy nhiên phải mắc thêm điện trở vào cực phát → làm giảm khả năng tải của mạch. Có hai dạng kích khởi: + Kích vào 2 đầu vào riêng biệt: có 2 dãy xung kích khởi khác nhau, tuần tự kích vào ngõ vào. + Kích khởi bằng 1 đầu vào chung: cần 1 dãy xung kích khởi tới BJT cần thiết. Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 31 3.2. Mạch 1 trạng thái bền: (Monostable)
Mạch dùng BJT: Rb2 Rc2 C1 Rb1 Rc1 C VCC Q1 Q2 R1 Mạch monostable R0 C0vi -VBB tvi vb2 t VCC vC2 t t tvC1 vC VCC T0 Mỗi trạng thái có 1 transistor tắt và 1 transistor bão hòa. Chương 3 - Dao động đa hài 32 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM
Trạng thái bền: Q1 tắt, Q2 bão hòa. Phân cực vb2 = - (0.5 ÷ 1)V để Q1 tắt. vc2 = VCE,sat =0, vb2 = VBE,sat = 0 vc1 = Vcc – icbo1.RC1 ≈ Vcc (điện áp trên cực thu Q1) ic1 = icbo1 ≈ 0 Điện áp trên tụ C: vc = Vcc – icbo1.RC1 ≈ Vcc Điện áp trên C1 rất nhỏ. Tại t = 0: kích khởi xung âm vào cực B của Q2 → Q2 tắt. ic2 = icbo2 ≈ 0 → toàn bộ 2CRi đổ vào R1, C1 làm Q1 nhanh chóng dẫn bão hòa. Tụ C1 có tác dụng làm tăng tốc độ đổi trạng thái, 2CRi qua C1 tạo dòng ib1 lớn → Q1 dẫn bão hòa nhanh. Khi C1 nạp đầy → 2CRi qua R1 → ib1 nhỏ hơn. Mạch đã đổi trạng thái với Q1 bão hòa do ảnh hưởng điện áp trên tụ C → vb2 < 0. vc1 ≈ VCE,sat ≈ 0 Tụ C nạp từ VCC qua Rb2 và Q1 duy trì Q2 tắt → điện thế vb2 sẽ tăng dần về chiều dương và khi vb2 = Vγ ≈ 0 → Q2 dẫn lại, dòng 2bRi đổ vào cực B của Q2 và duy trì Q2 bão hòa, nên vC2 ≈ 0. Do ảnh hưởng điện áp trên tụ C1 nên vb1 < 0 → Q1 tắt. Mạch trở về trạng thái bền. Khoảng thời gian phục hồi: tụ C1 xả điện tích, tụ C nạp bổ sung từ VCC qua RC1 và Q2. T0 là độ rộng xung ra (khoảng thời gian mạch ở trạng thái không bền). Xác định độ rộng xung ra: (Q1 bão hòa, Q2 tắt) • Biên độ: 21 1CC 1 21 sat,BECC 1RC RR R.V R. RR VV R.iv 12 + = + − == • Độ rộng xung ra: tìm quy luật biến đổi điện áp trên tụ C. vC(0) = Vcc - icbo1.RC1 vC(∞) = - (Vcc + icbo2.Rb1), do ib2 = - icbo2 ( ) ( ) ( )[ ] ( ) 2b0C t CCC R.C,ve.v0vtv =τ∞+∞−= τ − ( ) [ ] ( )2b2cboCC t C1cbob2cboCCC R.iVe.R.iR.iV2tv 12 −−−+= τ − vC(T0) ≈ 0 2 2 12 2 b b2cboCC C1cbob2cboCC b0 R.C693.0 R.iV R.iR.iV2 ln.R.CT ≈ + −+ =⇒ Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 33
Mạch dùng khuếch đại thuật toán: + - R D C C0 R1 R2 vi v0 v0 vi t t t vC +E +E -E 21 1 RR RE + 21 1 0 RR R .vv + = + • Trạng thái bền v0 = -E. Diode dẫn và ngắn mạch C nên trong mạch không có sự thay đổi điện tích 21 1 C RR R Ev0v + −=⇒≈ + • Tại t = 0: kích khởi mạch v0 = +E → diode tắt, tụ C nạp điện từ ngõ ra qua R, vC tăng tới mức +E 21 1 RR REv + =⇒ + Khi 21 1 C RR R Evvv + === −+ thì mạch thay đổi trạng thái v0 = -E, mạch trở về trạng thái bền. • Quá trình phục hồi: tụ C đổi chiều nạp tiến tới mức điện áp bằng –E, khi vC ≈ 0 thì diode dẫn và tụ ngừng nạp. • Độ rộng xung ra:       += 2 1 0 R R1lnRCT Chương 3 - Dao động đa hài 34 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM
Mạch dùng cổng logic: • Trạng thái không bền: 0v 1v 1v0v 1 i 02 =→    = == Tụ C hầu như không nạp điện, tại t = 0, kích khởi bằng xung → v1 = 1 → v2 = 1 → v0 = 0. Tụ C bắt đầu nạp từ ngõ ra cổng L1 qua R → điện thế tại v2 giảm dần. Khi v2 bằng 0 (mức logic) thì v0 = 1 → v1 = 0. Mạch trở về trạng thái bền, khoảng thời gian phục hồi: do v1 giảm xuống bằng 0, điện thế tại v2 < 0 (tác dụng điện áp trên C) → diode dẫn, tụ C xả bằng dòng qua diode. • Trạng thái bền: 1v0v 1v 1v 20 i 1 =→=→    = = Tại t = 0, kích khởi mạch v0 = 1 → v2 = 0 → v1 = 0. Sau đó C nạp từ E qua R và ngõ ra cổng L1 → điện thế tại v1 tăng dần. Khi v1 = 1 thì v0 = 0 → v2 = 1. Mạch trở về trạng thái bền. Quá trình phục hồi: khi v2 = 1, do ảnh hưởng của điện áp trên tụ C, điện thế v1 lớn hơn nhiều so với điện áp ở mức logic 1 → diode dẫn → tụ C xả qua diode. Độ rộng xung t0 phụ thuộc chủ yếu vào thời hằng RC. Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 35 3.3. Mạch không trạng thái bền: (astable) Rb2 Rc2 C1 Rc1 C2 VCC Q1 Q2 Rb1 vC1 vC2 vb1 t t t t1 t1 t1 t2 t2 t2 C2RC1 • t < t1: giả thiết Q1 tắt, Q2 bão hòa. 0vv sat,CEC2 ≈= 0vv sat,BEb2 ≈= CC1cboCCCC Vi.RVv 11 ≈−= Tụ C2 nạp tới điện áp: CCC1cboCCC VR.iVv 12 ≈−= Tụ C1 nạp từ VCC qua Rb1 và Q2, v1 tăng dần khi vb1 ≈ Vγ thì Q1 dẫn, iC1 tăng lên → 111 CCCCC RiVv −= giảm xuống. Do ảnh hưởng của điện áp trên C2 nên vb2 < 0 và Q2 tắt. Toàn bộ dòng 1bR i đổ vào Q1 duy trì nó bão hòa → mạch đã đổi trạng thái. Gọi ∆T1: khoảng thời gian Q1 dẫn. ∆T2: khoảng thời gian Q2 dẫn. Chương 3 - Dao động đa hài 36 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Chu kỳ dao động: T = ∆T1 + ∆T2 Tần số dao động: T 1f = Tìm qui luật biến đổi điện thế của vb2 (t) trong thời gian Q1 bão hòa, Q2 tắt: ( ) ( ) ( )[ ] ( ) ( )tve1tvvtv 2 1 222 b tt 1bbb +        −−∞= τ − − τ = C2.Rb2 vb2(t1) = - (Vcc - icbo1.RC1) ( ) 22 b2cboCCb R.iVv +=∞ ( ) 0Vtv 2b2 == γ 2b b2cboCC b2cboC1cboCC b2121 CR7.0 RiV RiRiV2 lnRCttT 2 2 21 2 = + +− =−=∆ Tương tự: 1b b2cboCC b1cboC2cboCC b12 CR7.0 RiV RiRiV2 lnRCT 1 2 12 1 = + +− =∆ Để thay đổi tần số hãy điều chỉnh Rb hoặc C (chỉnh C là chỉnh thô, chỉnh R là chỉnh nhuyễn).
Mạch dùng khuếch đại thuật toán: Mỗi trạng thái tương ứng với một mức bão hòa của KĐTT: 21 1 0 RR R vv + = + Với 1 21 1 0 VRR R EvEv = + +=+= + Và 2 21 1 0 VRR R EvEv = + −=−= + Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 37 V1, V2 là hai mức ngưỡng so sánh của mạch. Chế độ xung của KĐTT:    −=< +=> −+ −+ Ev:vv Ev:vv 0 0 Xét theo chiều tăng của vi: • vi < 0:    = += > + 1 0 1i Vv Ev Vv • vi < 0:    = += < + 1 0 1i Vv Ev Vv • vi > 0:    = += < + 1 0 1i Vv Ev Vv • vi > 0:    = −= > + 2 0 1i Vv Ev Vv Tiếp tục tăng nữa thì mạch vẫn không đổi trạng thái (v0 = -E, v+ = V2). Xét theo chiều giảm vi: • vi > 0:    = −= > + 2 0 1i Vv Ev Vv • vi > 0:    = −= < + 2 0 1i Vv Ev Vv • vi < 0:    = −= < + 2 0 1i Vv Ev Vv • vi < 0:    = += > + 1 0 1i Vv Ev Vv Tiếp tục giảm vi nữa thì mạch cũng không đổi trạng thái (v0 = +E, v+ = V1). Độ rộng vùng từ trễ: 21 1 21 RR R E2VVV + =−=∆ 3.4. Tạo dao động đa hài bằng vi mạch định thời: Cấu tạo: (NE555, LM555, SE555,) Chương 3 - Dao động đa hài 38 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Comparator 2 Comparator 1 FF Output stage R S 8 VCC 7 1 GND 4 Reset 2 Trigger 6 5 Control Voltage 3 Output R R R Có khả năng định thời từ vài µs → h (giờ) nhưng khi định thời giờ thì sử dụng mạch trên khoảng 15’ đến 30’, sau đó dùng Flip-Flop để nhân đôi thời gian. Nguồn cung cấp có phạm vi điện áp từ 5V÷15V. khi sử dụng VCC = 5V thì nó có thể giao tiếp với các IC số loại TTL, khả năng tải là khoảng 200mA. Cấu tạo bên trong: - Cầu phân áp: tạo ra 2 mức điện áp ngưỡng là VCC/3 và 2VCC/3. - Hai bộ so sánh: bộ so sánh thứ 1 có mức ngưỡng là VCC/3 nó sẽ tác động khi tín hiệu vào chân số 2 nhỏ hơn VCC/3. Bộ so sánh 2 có mức ngưỡng là 2VCC/3 và nó tác động khi tín hiệu vào chân số 6 lớn hơn 2VCC/3. - Ngõ ra các bộ so sánh quyết định trạng thái của các Flip-Flop. Khi bộ so sánh thứ 1 tác động FF được thiết lập ở mức 0 và ngõ ra (chân 3) thiết lập mức điện áp cao. Khi bộ so sánh thứ 2 tác động FF được thiết lập ở mức 1 và ngõ ra có mức điện áp thấp. - Chân 4 là chân reset, nếu đưa mức 0 vào chân reset thì ngõ ra thiết lập ở mức điện áp thấp. Khi FF ở mức 0, transistor tắt chân 7 coi như cách ly về điện. Khi FF ở mức 1 transistor bão hòa, chân 7 có điện thế gần với GND. - Chân 5 dùng cho mục đích điều khiển điện áp. Nếu không sử dụng với mục đích này thì thường sử dụng để chống nhiễu cho vi mạch bằng cách nối với đất thông qua tụ điện có trị số là 0.01 ÷0.1µF.
Mạch monostable: Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 39 CCV3 2 Trạng thái bền: FF1 = 1, v0 ở mức thấp, transistor bão hòa điện áp tại chân 7 bằng 0 CCC V.R'R 'R v + =⇒ Tại t = 0, mạch được kích khởi bằng xung CCi V3 1v < , bộ so sánh 1 sẽ tác động, v0 lên mức cao dẫn đến transistor tắt, chân 7 xem như cách ly → tụ C nạp từ VCC qua R tiến tới mức điện áp VCC. Khi CCi V3 2v = thì bộ so sánh 2 tác động làm FF1 = 1, v0 xuống mức thấp → mạch trở về trạng thái bền. Khoảng thời gian phục hồi: transistor dẫn, điện áp chân 7 bằng 0, tụ C xả qua R’ và chân 7. Xác định độ rộng xung T0: Quy luật biến đổi điện áp trên C: vC ( ) R'R 'R .V0v CCC + = ( ) CCC Vv =∞ ( ) ( ) ( )[ ] ( )0ve1.0vvtv C t CCC +        −−∞= τ − với điều kiện ( ) CC0C V32Tv = , ta được: 'RR R3lnRC RC, V3 2V R'R 'RVV lnT CCCC CCCC 0 + = =τ − + − τ= nếu R’<< R ⇒ T0 = RC.ln3 = 1.1RC
Mạch astable: Chương 3 - Dao động đa hài 40 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM CCV3 2 CCV3 1 Khi cấp nguồn, do vC = 0 nên bộ so sánh 1 tác động ( )CC6 V31v < , ngõ ra của FF bằng 0, v0 ở mức cao, chân 7 cách ly. Tụ nạp từ VCC qua R1 và R2 tiến tới mức điện áp VCC. Nhưng khi CCC V3 2v = bộ so sánh 2 tác động làm cho FF lên mức 1, v0 ở mức thấp và chân 7 có điện thế bằng 0V. Tụ C xả điện qua R2 và chân số 7. Do đó vC sẽ giảm dần tới 0V. Khi CCC V3 1v = bộ so sánh 1 tác động, ngõ ra của FF = 0, v0 lên mức cao và tụ lại nạp từ VCC qua R1 và R2. Quá trình này được lặp đi lặp lại Chu kỳ dao động T = t1 + t2, t1 là khoảng thời gian tụ nạp, t2 là khoảng thời gian tụ xả. t1 = 0.693.C.(R1 + R2) với thời hằng τ1 = C(R1 + R2) t2 = 0.693.C.R2 với thời hằng τ2 = R2C Tần số dao động: f = 1/T. Chương 3 - Dao động đa hài Bài giảng kỹ thuật xung 41 Dạng mạch astable khác: Khi CCC V3 2v = , v0 chuyển xuống mức thấp, tụ xả qua R và ngõ ra. Khi CCC V3 1v = , v0 chuyển lên mức cao, tụ C nạp qua R,Do thời hằng nạp và xả giống nhau nên 2 mức chu kỳ hoàn toàn đối xứng. Chương 4 - Dao động Blocking 42 Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM CHƯƠNG 4: DAO ĐỘNG BLOCKING Mục đích: Tạo ra những xung hẹp có sườn dốc đứng và có khả năng chịu tải lớn. Đặc điểm: Hồi tiếp dương trong mạch được thực hiện qua biến áp, biến áp có thể phụ thuộc dạng có lõi không bão hòa hoặc có đặc tính từ trễ vuông góc. 4.1. Mạch monostable VCC -VBB Wb Wc iC ib iC vC t t tVCC 0 T0 • Trạng thái bền: transistor tắt do Vb < 0 vC = VCC, điện áp trên các cuộn dây bằng 0 • Tại t = 0, kích khởi mạch bằng xung dương vào cực nền hoặc xung âm vào cực thu → transistor dẫn, mạch bắt đầu dao động. Quá trình này được chia làm 4 giai đoạn. 1. Giai đoạn tạo sườn trước: sự xuất hiện của ib, ic làm xuất hiện điện áp trên các cuộn dây → chiều của wc, wb,