Giáo trình : Kỹ thuật xung part 7 pptx

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 80
Giải thích nguyên lý hoạt động
Thời điểm từ 0 đến t
1
, ngõ vào tồn tại xung dương V
v
= +V
m ,
Cả D
1
và D
2

ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τ
n
= RC , do τ
n
rất lớn
so với khoảng thời gian từ 0 đến t
1
, nên tụ C gần như không được nạp
V
c
= 0, V
ra
= V
v
= + V
m

Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào tồn tại xung âm, V
v
= - V
m
, lúc này D
1
hoạt
động như Diode thường, D
2
hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp
qua D
1
và D
2
, thời hằng nạp là τ
n
= r
d
. C ≈ 0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trò
lớn nhất mà tụ có thể nạp được là:
V
c
= -V
v
+ V
Z2

+ V
γ 1
= V
m
+ 3/5V
m
= 8/5 V
m
Do đó V
ra
= -(V
Z2
+ V
γ 1
)

= - 3/5V
m

Thời điểm từ t
2
đến t
3
ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, V
v
= + V
m
,
Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian τ
f

= CR. Do
τ
f
rất lớn so với bán kỳ từ t
2
đến t
3
, do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp là
V
c
= 8/5 V
m

Ta có V
ra
= V
v
+ V
c
= V
m
+ 8/5 V
m
= 13/5 V
m
III. MẠCH KẸP DIODE KHI KỂ ĐẾN ĐIỆN TRỞ THUẬN VÀ ĐIỆN TRỞ NGUỒN
1. Phân tích mạch

Xét dạng mạch như hình sau, bỏ qua ảnh hưởng của V
γ

( V
γ
= 0)


Hình 5.9
Trước khi đạt trạng thái xác lập, mạch có một giai đoạn quá độ. Biên độ của
nguồn vào, V
ng
, phải đủ lớn để làm tắt hay mở Diode (Diode khi được phân
cực thuận xem như một điện trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó
C
R
D

Rng
Vng
Vra
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 81
cần nguồn vào đủ lớn để sau khi bỏ qua sụt áp trên các điện trở này vẫn còn
tắt mở được Diode).
Tín hiệu của nguồn vào có dạng xung, biên độ max là ±V
m
.
Giải thích nguyên lý hoạt động
Thời điểm từ 0 đến t
1
, ngõ vào tồn tại xung dương V
v

= + V
m ,
Diode dẫn, tụ
C được nạp qua R
ng
và r
d
với thời hằng nạp của tụ là
τ
n
= C.(R
ng
+ r
d
)
Giả sử R
ng
và R >> r
d
Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trò điện áp được nạp là
V
c
= V
m
(1-e
-t /τ n
)
giá trò này tăng dần, do đó điện áp ra được lấy trên điện trở r
d
giảm dần cũng

theo quy luật hàm mũ.
Mạch tương đương ở trường hợp này như sau:






Hình 5.10
Ta có V
AB
= V
m
e
-t/τ n

n
t
m
ngd
d
ngd
d
ABra
eV
Rr
r
Rr
r
vv

τ
/

−
+
=
+
=

Biên độ max là
mm
ngd
d
VV
Rr
r
<
+
.

Tại t = 0 ⇒ v
r
= V
m
ngd
d
Rr
r
+

Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào không tồn tại xung, V
ng
= 0, Diode ngưng dẫn
(do điện áp trên tụ C phân cực ngược). Tụ C phóng điện qua R
ng
và R với
hằng số thời gian là τ
f
= C(R+R
ng
). Giá trò điện áp của tụ khi xả theo quy luật
hàm mũ. Khi đó, điện áp trên tụ giảm dần còn điện áp ở ngõ ra tăng dần.


B
Vra
A
C
Vng
Rd
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 82
Mạch tương đương ở trường hợp này là

Hình 5.11
v
c
(t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch.
Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau:v
c
(t) = V
m
e
-t/τ f

V
AB
= V
m
(1 – e
-t/ τ f
)
Do đó
)1.(
/
f
t
m
ng
AB

ng
ra
eV
RR
R
v
RR
R
v
τ
−
−
+
−
=
+
=
, tại t = 0, v
r
= 0
Biên độ max là
m
ng
m
V
RR
R
V <
+
.

Nhận xét
Thời hằng phóng τ
f
> τ
n
, thời gian phóng điện hết của tụ rất chậm. Do đó
trong những bán kỳ âm điện áp của tụ giảm rất chậm, còn điện áp ngõ ra
trên điện trở R tăng rất chậm ( gần như giữ cố đònh ở mức điện áp max là
m
ng
V
RR
R
+
).
Ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ điện áp max giảm dần ở những bán kỳ
dương tiếp sau. Giải thích: khi ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ max là
dng
d
m
rR
r
v
+
.
, mà ta biết r
d
là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ,
do đó biên độ max ở mỗi bán kỳ dương sau là giảm dần.

2. Đònh Lý Mạch Kẹp

Khi truyền một tín hiệu điện áp có chu kỳ qua tụ phân cách, tụ sẽ giữ lại
thành phần một chiều của tín hiệu, nghóa là trong chế độ xác lập tụ điện
được nạp điện đến mức mà làm cho điện áp trên tụ đúng bằng thành phần
một chiều của tín hiệu vào. Do đó nếu điện áp đầu vào là đối xứng, tức là có
thành phần một chiều bằng 0, thì sau một chu kỳ tín hiệu vào điện áp trên tụ
cũng bằng 0.
Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là τ
n
= C(r
d
+ R
ng
)
B
Vra
A
C
Vng
R
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 83
Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là τ
f
= C(R + R
ng
)
vì R >> r

d
, do đó τ
f
>> τ
n
, quá trình nạp của tụ C nhanh hơn quá trình xả.
Do vậy, điện áp trên tụ C dần dần được tăng lên. Khi đến trạng thái xác lập,
điện áp trên tụ C không tăng nữa. Lúc này lượng điện tích nạp sẽ bằng lượng
điện tích phóng.
Trong thời gian nạp điện, qua tụ C sẽ có dòng nạp
d
r
n
r
v
i = , do đó điện tích
trên tụ tăng lên một lượng ΔQ
n
là.
d
t
t
r
d
t
t
nn
r
s
dtv

r
dtiQ
1
2
1
2
1
1
===Δ
∫∫

Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng
R
v
i
r
f
=
, do đó điện tích trên
tụ sẽ giảm một lượng ΔQ
f
là:
R
s
dtv
R
dt
R
v
dtiQ

t
t
r
t
t
r
t
t
ff
2
3
2
3
2
3
2
1
====Δ
∫∫∫

S
1
, S
2
là phần điện tích được vẽ trên hình sau

Hình 5.12

Khi đạt đến trạng thái xác lập, ta có điều kiện cân bằng điện tích là:
R

s
r
s
QQ
d
fn
21
=⇔Δ=Δ

S
1

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 84
Ở đây không đi sâu quá vào phần phân tích đònh lượng mà chỉ giới thiệu ảnh
hưởng của r
d
và R
ng
trong việc làm méo dạng sóng ra
Việc tính toán chi tiết nên tham khảo sách: Pulse, digital and switching
waveform, tác giả: Jacob Millman và Herbert Taub
IV. MẠCH KẸP CỰC NỀN CỦA BJT

Xét mạch

Hình 5.13
Nếu biên độ tín hiệu đủ lớn để làm tắt mở diode BE, ta có mạch kẹp ở cực
nền. Khi có tín hiệu vào ta có mạch tương đương




Ở chế độ xác lập ta có













V
ng
V
B
V
C
V
CEbh

Bão
hòa

C(R
B
+ R
ng
)
C(r
d
+ R
ng
)
Rng C
Rb Rc
Vc
Vng
Vcc
Rng
Rb
Vb
C
Vng Dbe
Hình 5.14
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 85
Bài tập chương 4
1
Cho mạch như Hình 1A và Hình 1B. Biết VVVV
Z

6,3,7,0
=
=
γ
, các giá trò RC
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp





Vẽ dạng sóng ngõ ra khi
a. r
D
= 0
b. r
D
= 20Ω, tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%

2.
Cho mạch như Hình 03A và Hình 3B. Biết
VVVV
Z
5,6,0
=
=
γ
, các giá trò RC
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp

Vẽ dạng sóng ngõ ra khi
a. r
D
= 0
b. r
D
= 20Ω , tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%

3. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch






+10V

-10V
t
Vin(t)

0
Vin
(
t
)
Vout
A
(t)
Hình 3A
C
R
1,5V
Hình 3B
R
C
Vin
(
t
)

Vout
B
(t)
+10V

-10V

t
Vin(t)

0
Vin
(
t
)
Vout
A
(t)
H
ình 3A
C
R
3V
Hình 3B
R
C
Vin
(
t
)

Vout
B
(t)
2V
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 86

4. Nếu nối ngõ ra của bài 3 với mạch xén như sau, giải thích hoạt động của mạch
và vẽ dạng sóng ngõ ra








Khi
a. r
D
= 0
b. r
D

0≠

5. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v

B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch






6. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch
Rb
C
Vcc
Vra = Vce
Rc
Vv
V
m
-V
m

t
Vin(t)

0
Vra
V2 V1
C
Vcc
V
m
-V
m
t
Vin(t)

0
Vra
Re
Rb
C
Vcc
Vv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 87

7. Xét mạch sau, với L là điện cảm ngõ vào của tầng kế (relay), nối song song R
t

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch













V
m
-V
m
t
Vin(t)

0
T2
C
Rt
Vra
Vcc
Vv
Rb
T1
V
m
-V
m
t
Vin(t)

0
Vra
Vcc
L R
Rb
Rc
Vv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6
Nguyễn Trọng Hải Trang 88

CHƯƠNG 6.
MẠCH ĐA HÀI

I. KHÁI NIỆM

Hệ thống mạch điện tử có thể tạo ra dao động ở nhiều dạng khác nhau như:
dao động hình sin (dao động điều hòa), mạch tạo xung chữ nhật, mạch tạo
xung tam giác các mạch tạo dao động xung được ứng dụng khá phổ biến
trong hệ thống điều khiển, thông tin số và trong hầu hết các hệ thống điện tử
số.
Trong kỹ thuật xung, để tạo các dao động không sin, người ta thường dùng
các bộ dao động tích thoát. Dao động tích thoát là các dao động rời rạc, bởi
vì hàm của dòng điện hoặc điện áp theo thời gian có phần gián đoạn. Về
mặt vật lý, trong các bộ dao động sin, ngoài các linh kiện điện tử còn có hai
phần tử phản kháng L và C để tạo dao động, trong đó xảy ra quá trình trao
đổi năng lượng một cách lần lượt giữa năng lượng từ trường tích lũy trong
cuộn dây và năng lượng điện trường tích lũy trong tụ điện, sau mỗi chu kỳ
dao động, năng lượng tích lũy trong các phần tử phản kháng bò tiêu hao bởi
phần tử điện trở tổn hao của mạch dao động, thực tế lượng tiêu hao này rất
nhỏ. Ngược lại trong các bộ dao động tích thoát chỉ chứa một phần tử tích lũy
năng lượng, mà thường gặp nhất là tụ điện.
Các bộ dao động tích thoát thường được sử dụng để tạo các xung vuông có
độ rộng khác nhau và có thể làm việc ở các chế độ sau : chế độ tự dao động,
kích thích từ ngoài.
Dao động đa hài là một loại dạng mạch dao động tích thoát, nó là mạch tạo
xung vuông cơ bản nhất các dạng đa hài thường gặp trong kỹ thuật xung như
sau :
1. Mạch Đa Hài Bất Ổn (Astable Multivibrator)

Đây là dạng mạch không có trạng thái ổn đònh (đa hài tự dao động, tự kích).
Chu kỳ lập lại và biên độ của xung tạo ra được xác đònh bằng các thông số
của bộ đa hài và điện áp nguồn cung cấp. Các mạch dao động đa hài tự kích
có độ ổn đònh thấp.

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6
Nguyễn Trọng Hải Trang 89

Ngõ ra của bộ dao động đa hài tự kích luân phiên thay đổi theo hai giá trò ở
mức thấp và mức cao.
2. Mạch Đa Hài Đơn Ổn (Monostable Multivibrator)

Khi mạch hoạt động ở chế độ này, nếu không cung cấp điện áp điều khiển
từ bên ngoài thì bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái ổn đònh. Khi có xung
điều khiển, thường là các xung kích thích có độ rộng hẹp, thì nó chuyển sang
chế độ không ổn đònh trong một khoảng thời gian rồi trở lại trạng thái ban
đầu và kết quả ngõ ra cho ra một xung.
Thời gian bộ dao động đa hài nằm ở trạng thái không ổn đònh dài hay ngắn
là do các tham số của mạch quyết đònh. Ngõ ra của bộ dao động đa hài đơn
ổn có một trạng thái ổn đònh (hoặc ở mức cao hoặc mức thấp). Mạch này còn
có tên gọi là đa hài đợi, đa hài một trạng thái bền.
Xung kích từ bên ngoài có thể là xung gai nhọn âm hoặc dương, chu kỳ và
biên độ do mạch quyết đònh.
3. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái n Đònh Không Đối Xứng (Schmitt Trigger)

Đây là dạng mạch sửa dạng xung để cho ra các xung vuông. Điện áp ngõ ra
ở mức cao, thấp và quá trình chuyển đổi trạng thái giữa mức thấp và mức
cao là tùy thuộc vào thời điểm điện áp ngõ vào vượt qua hai ngưỡng kích
trên và kích dưới.
4. Mạch Đa Hài Hai Trạng Thái n Đònh Đối Xứng (Bistable Multivibrator)

Dạng mạch này còn gọi là Flip-Flop (mạch lật hay bấp bênh). Đây là phần
tử quan trọng trong lónh vực điện tử số, máy tính. Bao gồm các loại Flip-Flop
RS, JK, T, D, nó được tạo ra bởi các linh kiện rời. Ngày nay chủ yếu chế tạo
bằng công nghệ vi mạch.

5. Chế tạo mạch đa hài

Có nhiều cách tạo ra mạch đa hài, trong đó ta quan tâm đến
• Dùng vi mạch tương tự (OpAmp)
• Dùng vi mạch số
• Dùng vi mạch chuyên dụng (VD 555)
• Dùng linh kiện rời (BJT, FET)
• Dùng các linh kiện có vùng điện trở âm (diode tunnel hay UJT)
• Dùng dạng mạch dao động nghẹt (blocking oscilator)
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6
Nguyễn Trọng Hải Trang 90

II. MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI DÙNG CÁC LINH KIỆN TƯƠNG TỰ

1. Mạch Schmitt Trigger

Trong lónh vực điều khiển, các thiết bò điện chỉ làm việc ở một trong hai trạng
thái, tượng trưng bởi hai mức 1 và 0 như trong kỹ thuật số. Người 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 đònh và có khả
năng chuyển một cách đột biến từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân
bằng khác khi mạch được kích thích
Các Schmitt trigger được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật xung như đếm
xung, chia tần, tạo các xung điều khiển trong các mạch tích phân, mạch tạo
điện áp biến đổi đường thẳng v.v…

Hình 6.1.Đặc tuyến của trigger
Nói chung các trigger đều có đặc tuyến U
ra
= f(U
v
) có dạng là một vòng trễ
như hình trên, các mức điện áp U
ng1
U
ng2
được gọi là các mứxc điện áp
ngưỡng



t
1
t
2
U
ng1

U
ng2
U
v
U
ra
t

0

t
1
t
2
U
1
U
2
U
ra
U
v
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6
Nguyễn Trọng Hải Trang 91

a. Dạng Mạch Dùng Chuyển Mạch BJT
Dạng 1

Hình 6.2. Schmitt trigger dùng BJT
Trong sơ đồ mạch trên, 2 transistor T1, T2 được ghép trực tiếp và có chung
R
E
. Để có điện áp ra là xung vuông thì hai transistor phải chạy ở chế độ bão
hòa, ngưng dẫn. Khi T1 ngưng dẫn sẽ điều khiển T2 chạy bão hòa và ngược
lại khi T1 bão hòa sẽ điều khiển T2 ngưng dẫn
Ngưỡng cao và ngưỡng thấp của mạch (sinh viên tự chứng minh qua 2 trạng
thái tắt và bão hòa của BJT)
U
ng1
= V
TH+
=
8.0
2
+
+
−
E
EC
CEsatCC
R
RR
VV

U
ng2
= V
TH-
= 8.0
1
+
+
−
E
EC
CEsatCC
R
RR
VV

Dạng 2








Hình 6.3
+
Vcc
Rb

Re

Vin


V
out
Rc2
0
0
Rc1
Vv
Vcc
T1
C
0
Rc2
Rb
R
Rc1
Re
Vra
T2
Vcc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 6
Nguyễn Trọng Hải Trang 92

Mạch bao gồm hai Transitor T
1
và T

2
, các điện trở phân cực tónh. Điện trở R
E

tạo phản hồi, tụ C : tụ tăng tốc (năng lượng tích lũy trong tụ sẽ làm phân cực
mối nối BE của T
2
nhanh hơn).
Mạch được thiết kế sao cho ở trạng thái bình thường T
1
tắt T
2
dẫn bão
hòa.Trong hai trạng thái phân biệt của mạch thì mỗi trạng thái ứng với một
Transitor dẫn và một Transitor tắt.
Giải thích nguyên lý hoạt động
Khi v
v
= 0, T
1
tắt, dòng I
C1
= 0, toàn bộ dòng I
RC1
qua R và R
B
đến cực B của
T
2
, làm T

2
dẫn bão hòa. Đồng thời tại cực E của T
1
có điện áp
V
E
= I
E2bh
.R
E
, làm T
1
tiếp tục tắt.
Ta có v
r
= V
C
= V
E
+ V
CE2bh.
Sự chuyển đổi trạng thái sẽ diễn ra khi tín hiệu vào vượt qua mức ngưỡng
kích trên (tương ứng với V
E
ở trạng thái này), nghóa là v
v
= V
E.
Lúc

này T
1

bắt đầu dẫn, dòng I
C2
tăng lên làm dòng I
B2
giảm. Và nhờ quá trình hồi tiếp
qua điện trở R
E
làm T
2
tắt, do đó v
r
= V
CE
. Nếu tiếp tục tăng v
v
lớn hơn nữa
thì T
1
chỉ dẫn bảo hòa sâu thêm, còn mạch vẫn không đổi trạng thái.
Khi T
1
đang dẫn, T
2
đang tắt, để đưa mạch về trạng thái ban đầu cần phải
giảm tín hiệu vào v
v
xuống dưới ngưỡng kích dưới. Lúc đó dòng I

C1
giảm
mạnh, nên điện thế cực thu của T
1
tăng lên, làm V
B2
tăng. Và nhờ tác dụng
của hồi tiếp qua R
E
, quá trình nhanh chóng đưa đến T
1
tắt và T
2
dẫn bão
hòa.
Ta có : v
r
= V
E
+ V
CE2bh

b. Dạng Mạch Dùng Op-Amp
Dạng Mạch 1
Xét mạch điện có dạng sau :

Hình 6.4
R1
R
Vv
R2
+
-
Vra