Giáo trình về kỹ thuật xung - số ppsx

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
KỸ THUẬT XUNG - SỐ

Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo
Phạm Văn Ngọc

Lưu hành nội bộ
THÁI NGUYÊN 2008
1
Phần 1: Kỹ thuật xung
2
Chương 1:
KHÁI NIỆM CHUNG
1. Tín hiệu xung và tham số:
1.1. Định nghĩa
Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại
cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn).
Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự. Tín hiệu rời rạc gọi
là tín hiệu xung hay số
Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể
tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau.
Hình 1.1: Tín hiệu hình sin
Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình
2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao V
H
và mức thấp V
L
, thời gian chuyển
mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0
Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0. b, xung vuông điện áp đều nhau

Tín hiệu xung không chỉ có tín hiệu xung vuông mà còn có mốt số dạng tín hiệu
khác như xung tam giác, răng cưa, xung nhọn, xung nấc thang có chu kỳ tuần hoàn
theo thời gian với chu kỳ lặp lại T.
3
Hình 1.3: Các dạng tín hiệu xung:
Trong nhiều trường hợp xung tam giác có thể coi là xung răng cưa
Các dạng xung cơ bản trên rất khác nhau về dạng sóng, nhưng có điểm chung là
thời gian tồn tại xung rất nhắt, sự biến thiên biên độ từ tấp lên cao (xung nhọn) và từ
cao xuống thấp (nấc thang, tam giác) xảy ra rất nhanh
Định nghĩa: Tín hiệu xung điện áp hay xung dòng điên là những tín hiệu có thời gian
tồn tại rất ngắn, có thể so sánh với quá trình quá độ trong mạch điện mà chúng tác
dụng.
1.2. Các tham số cơ bản của tín hiệu xung:
Tín hiệu xung vuông như hình 1 là một tín hiệu xung vuông lý tưởng, thực tế khó
có 1 xung vuông nào có biên độ tăng và giảm thẳng đứng như vậy:
Hình 1.4 Dạng xung
4
Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các
tham số cơ bản là biên độ U
m
, độ rộng xung t
x
, độ rộng sườn trước t
tr
và sau t
s
, độ sụt
đỉnh
u∆
- Biên độ xung U

m
xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có
được trong thời gian tồn tại của nó.
- Độ rộng sườn trước t
tr
, sườn sau t
s
là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời
gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1U
m
đến 0.9U
m
.
- Độ rộng xung T
x
xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức
0.1U
m
(hoặc 0.5U
m
).
- Độ sụt đỉnh xung
u∆
thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9U
m
đến
U
m
.
Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau:

- Chu kỳ lặp lại xung T là khoảng thời gian giữa các điểm tương ứng của 2 xung
kế tiếp, hay là thời gian tương ứng với mức điện áp cao t
x
và mức điện áp thấp
t
ng
T = t
x
+ t
ng
(1)
- Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian.
1
F=
T
(2)
- Thời gian nghỉ t
ng
là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện nhỏ
hơn 0.1U
m
(hoặc 0.5U
m
).
- Hệ số lấp đầy
γ
là tỷ số giữa độ rộng xung t
x
và chu kỳ xung T
x

t
T
γ
=
(3)
Do T = t
x
+ t
ng
vậy ta luôn có
1
γ
<
- Độ rỗng của xung
Q
là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung t
x
.
x
T
Q
t
=
(4)
* Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung
với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt
5
- Trạng thái có xung (t
x
) với biên độ lớn hơn một ngưỡng U

H
gọi là trạng thái cao
hay mức “1”, mức U
H
thường chọn cỡ từ 1/2Vcc đến Vcc.
- Trạng thái không có xung (t
ng
) với biên độ nhỏ hơn 1 ngưỡng U
L
gọi là trạng
thái thấp hay mức “0”, U
L
được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC)
- Các mức điện áp ra trong dải U
L
< U < U
H
được gọi là trạng thái cấm
2. Các dạng điện áp đơn giản và phản ứng của mạch điện RC – RL đối với dạng
xung.
Trong lý thuyết về mạch lọc người ta chia mạch lọc thành 2 loại là mạch lọc thụ
động và mạch lọc tích cực, các mạch lọc thụ động dùng các phần tử cơ bản R-L-C còn
được chia thành một số loại
Theo linh kiện có mạch lọc RC, RL, LC
Theo tần số chọn lọc có: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc
thông dải và mạch lọc chặn dải tùy theo các sắp xếp của từng loại linh kiện trong mạch
mà ta sẽ được các mạch lọc tương ứng.
2.1. Khái niệm
- Để xác định điện áp đầu ra của mạch điện tuyến tính u
ra

(t) khi đầu vào tác dụng
một điện áp u
vào
(t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác
định điện áp lối ra phụ thuộc vào điện áp lối vào.
- Khi tín hiệu lối vào phức tạp ta phân tích thành dạng tín hiệu đơn giản lối vào
rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản u
ra
(1)
(t), u
ra
(2)
(t), … cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra u
ra
(t)
- Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam
giác, hình chuông, dạng e mũ.
- Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung
dưới đây
a.
Là dạng tín hiệu xung vuông đột biến
E
tt
0
u
6
U(t) = E.1(t
0
) =




<
>=
0
0
0 ttkhi
ttkhiE
Trong đó hàm 1(t) là hàm xung đơn vị hay hàm đóng mạch tại thời điểm t = t
0
(t
0
> 0) ta có 1(t
0
) = 1(t – t
0
) =




<
>=
0
0
0
1
ttkhi
ttkhi
b.

Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng
U(t) = k(t – t
0
).1(t
0
) =



<
>=−
0
00
0
)(
ttkhi
ttkhittk

Với hệ số góc
)(karctg=
α
c.
Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ
U(t) = E[1 – exp(-α(t – t
0
)].1(t
0
)
=
0

0
0
0
))](exp(1[
tt
tt
khi
khittE
>=
>=



−−−
α
d. Ví dụ: một số trường hợp thay đổi dạng xung phức tạp thành dạng xung đơn
giản
* Dạng xung vuông
U(t) =
21
21
1
ttortt
ttt
khi
khi
><
<=<=





U(t) = u
1
(t) + u
2
(t) với
U
1
(t) = 1(t
0
) =



<
>=
1
1
0
1
ttkhi
ttkhi
)(karctg
=
α
t
0
u
t

E
tt
0
u
7
u
tt
1
t
2
T
x
u
t
t
1
t
2
1
1
-1
U
1
(t)
U
2
(t)
U
2
(t) = -1(t

0
) =



<
>=−
2
2
0
1
ttkhi
ttkhi
* Dạng xung hình thang
u(t) = u
1
(t) + u
2
(t) + u
3
(t) + u
4
(t)
Trong đó u
1
(t) =



=

<
>=−
)(
0
)(
1
1
11
karctg
tt
ttttk
α
U
2
(t) =



=
<
>=−−
)(
0
)(
1
2
22
karctg
tt
ttttk

α
U
2
(t) =



=
<
>=−
)(
0
)(
2
3
33
harctg
tt
tttth
α
U
2
(t) =



=
<
>=−−
)(

0
)(
2
4
44
harctg
tt
tttth
α
* Dạng hàm mũ
U(t) = u
1
(t) + u
2
(t) với
U
1
(t) =



<
>=−−−
1
11
0
)(1)))(exp(1(
ttkhi
ttkhitttE
α

U
2
(t) =



<
>=−−−−
2
22
0
)(1)))(exp(1(
ttkhi
ttkhitttE
α
Ta có u(t) =






>=
<=<=−−
<=<=−−−
<
3
321
211
1

0
))(exp(
)))(exp(1(
0
tt
tttttE
tttttE
tt
α
α
* Dạng răng cưa.
u(t) =





<=
<=<=−−
<=<=−
tt
tttttE
tttttk
3
322
211
0
))(exp(
)(
β

U(t) = u
1
(t) + u
2
(t) + u
2
(t) trong đó:
U
1
(t) = k(t – t
1
) t >= t
1
U
2
(t) = -k(t – t
2
) t >= t
2
8

u
t
u
t
t
1
t
2
U

1
(t)
U
2
(t)
a
1
a
1
a
1
a
1
a
2
a
2
a
2
t
3
t
4
t
3
t
4
t
1
t

2
U
4
(t)
U
3
(t)
u
t
t
1
t
2
u
t
t
1
t
2
u
t
t
1
t
2
u
1
(t)
u
2

(t)
a
a
t
3
u
t
t
1
a
t
3
t
2
u
3
(t)
U
3
(t) = -E(1 – exp(-β(t – t
2
)))t >= t
2
2.2. Mạch lọc RC:
Cơ bản có mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao
Hình 1.5: Mạch lọc RC và đáp ứng xung của mạch lọc
- Tần số cắt của mạch lọc là
1
2
C

F
RC
π
=
(5) tương ứng với điện áp
0
2
i
V
V =
V
0
là biên độ điện áp lối ra, V
i
là biên độ điện áp lối vào
- Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là
0
1
( ) ( )
i
v t v t dt
RC
=
∫
(6)
- Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là
0
( )
( )
i

dv t
v t RC
dt
=
(7)
- Trong đó v
0
(t), v
i
(t) là điện áp tín hiệu lối ra và lối vào tại thời điểm t
2.3. Mạch RL
Người ta có thể dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạo thành các mạch
lọc thay cho tụ C, do tích chất của L và C ngược nhau Z
L
=
j L
ω
, Z
C
=
1
Cj
ω
do đó khi
dùng mạch lọc thông thấp, thông cao RL thì cách mắc ngược lại với mạch RC
9
Hình 1.6: Mạch lọc thông thấp, thông cao dùng RL
Đáp ứng tần số như mạch lọc RC. Tần số cắt của mạch lọc là
2
C

R
F
L
π
=
(8)
Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là
0
( ) ( )
i
R
v t v t dt
L
=
∫
(9)
Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là
0
( )
( )
i
dv t
L
v t
R dt
=
(10)
3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn
3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân)
Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy ra trên R

Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T
π
ω
=
, tín hiệu
lối ra là v
0
(t)
Trở kháng của mạch là
2 2
2
1 1
1
C
Z R R
RC
ω ω
   
= + = +
 ÷  ÷
   
(11)
Khi đó đặt
1
2
C

F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch
Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
v t
i t
Z
=
(12)
2
( )
( ) . ( )
1
1
RC
i
R
v t
v t R i t
ω
= =
 
+
 ÷
 

Điện áp lối ra biến thiên sau khoảng thời gian
t∆
là từ t
0
đến t
1
là
10
0
2
( )
1
( )
1
1
i
dv t
v t
dt
RC
ω
∆ =
 
+
 ÷
 
(13)
Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân
HHình 1.8: Đáp ứng xung lối vào và ra của mạch RC lối ra trên R
Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 90

0
( ) sin( t)
i
v t A
ω
=
thì tín hiệu lối ra là
0
0
2 2
1 1
( ) os( ) sin( 90 )
1 1
1 1
v t Ac t A t
RC RC
ω ω ω ω
ω ω
= = +
   
+ +
 ÷  ÷
   
3.2. Tín hiệu lấy ra trên tụ điện:
Hình 1.9: Mạch RC lối ra trên C
Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T

π
ω
=
, tín hiệu
lối ra là v
0
(t)
Trở kháng của mạch là
2 2
2
1 1
1
C
Z R R
RC
ω ω
   
= + = +
 ÷  ÷
   
11
Khi đó đặt
1
2
C
F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch

Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
v t
i t
Z
=
Điện áp lối ra trên tụ là
2
( ) 1 1
( ) ( ) ( )
1
1
C i
q t
v t i t dt v t dt
C C
RC
RC
ω
= = =
 
+
 ÷
 
Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian
t
∆
là

2
1
( ) ( )
1
1
C i
v t v t dt
RC
RC
ω
=
 
+
 ÷
 
∫
Hình 1.10: Đáp ứng xung lối ra của mạch RC lối ra trên C
( ) sin( t)
i
v t A
ω
=
thì tín hiệu lối ra là
0
0
2
1
( ) sin( 90 )
1
1

v t A t
RC
RC
ω
ω
ω
= −
 
+
 ÷
 
4. Chế độ khóa của tranzito
4.1. Các yêu cầu cơ bản:
Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch
với tốc độ nhanh (từ 10
-9
đến 10
-6
s) do đó nó có nhiều đặc điểm khác so với chế độ
khuếch đại như đã khảo sát trước đó ở phần nguyên lý kỹ thuật điện tử
- Yêu cầu cơ bản với tranzito làm việc ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có 2
trạng thái khác biệt là:
* U
ra
>= U
H
khi U
vào
<= U
L

* U
ra
=< U
L
khi U
vào
>= U
H
Chế độ khóa của tranzito được xác định bằng chế độ điện áp hay dòng điện một
chiều cung cấp từ ngoài qua 1 mạch phụ trợ (điện trở làm khóa thường đóng hay mở).
Việc chuyển trạng thái của khóa thường được thực hiện nhờ một tín hiệu xung có cực
12
tính thích hợp tác động tới đầu vào. Tùy trường hợp mà tranzitor có thể chuyển trạng
thái tuần hoàn nhờ một mạch hồi tiếp dương phản hồi từ đầu ra tới đầu vào của mạch
khi đó không cần xung điều khiển như mạch dao động đa hài dùng tranzitor ta sẽ khảo
sát bài sau:
Xét mạch điện như xau
Hình 1.11: Mạch khóa đảo dùng tranzitor
Khi làm việc lựa chọn giá trị U
L
, U
H
, R
B
, R
C
cho phù hợp để mạch làm việc ở chế
độ khóa
Trạng thái đóng:
Khi lối vào u

V
= 0 (tương ứng u
V
< U
L
) nên U
B
= 0, tranzitor không phân cực nên
nhưng dẫn tức tranzitor ở trạng thái đóng (cấm) khi đó dòng I
B
= 0 và I
C
= 0
Điện áp lối ra trên cực C của tranzitor khi không có trở tải R
t
là
u
ra
= +E
CC
, hay u
ra
= E
CC
– I
C
R
C
= E
CC

Khi có trở tải R
t
được mác thêm vào mạch (hoặc lối ra được đưa tới lối vào của
mạch tiếp theo với trở tải lối vào R
t
) thì điện áp lối ra (Ecc = Vcc)
U
ra
= V
CC.
t
t C
R
R R+
,
chọn R
C
= R
t
khi đó u
ra
=

2
CC
V

hay u
ra
= E

CC
/2
u
ra
= E
CC
/2 là mức nhỏ nhất của điện áp ra mứcc cao ở trạng thái H, do đó để
phân biệt được chắc chắn với trạng thái H ta chọn U
H
< E
CC
/2 (ví dụ chọ U
H
= 1.5 V
khi E
CC
= 5V) và điện áp vào phải nằm dưới mức U
L
để đảm bảo tranzitor vẫn bị đóng
chắc chắn tức U
L
= U
Vmax
, khi đó điện áp lối vào phụ thuộc vào tường loại tranzitor,
như là tranzitor silic chọn U
L
= 0.4V
Trạng thái dẫn bão hòa: Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới lối vào
(hoặc nguồn 1 chiều) chó điện áp vào U
vào

>= U
H
, khi đó tranzitor sẽ chuyển trạng thái
13
mở (thông bão hòa), khi đó điện áp lối ra phải thỏa mãn điều kiện U
ra
<= U
L
, khi đó
điện trở R
C
ta phải chọn cho phù hợp để thời gian quá độ đủ nhỏ và dòng I
C
không quá
lớn.
Khi ở trạng thái bão hòa ta có điện áp rơi trên cực Bazơ của tranzitor U
BEbh
= 0.6
÷ 0.8 V (với tranzitor silic) và U
BEbh
= 0.3V (với tranzitor germani)
Và điện áp rơi trên cực Colector của tranzitor là U
C
= U
CEbh
= 0.1 ÷ 0.2V
Do đó dòng I
C
bão hòa được tính như sau:
CC CEbh

C
C
E U
I
R
−
=
.
Khi có dòng trên trở tải R
C
ta tính dòng cực Bazơ với hệ số khuếch đại dòng
β

khi đó ta có thể chọn trở tải cực Bazơ cho phù hợp
C
B
I
I
β
=
, trong trường hợp cần chọn tranzitor ở trạng thái bão hòa sâu (trạng thái
bão hòa bền vững) ta có thể tính dòng I
B
theo công thức sau:
C
B
I
I k
β
=

(k là hệ số bão hòa sâu, k
≈
2 ÷ 5 lần so với trạng thái bắt đầu đạt
mức bão hòa của tranzitor)
Và điện trở tải lối vào R
B
được chọn theo công thức
V BEbh
B
Bbh
U U
R
I
−
=
.
Ví dụ 1: Khi dùng tranzitor silic với R
C
= 5
k
Ω
khi đó xác định chọn R
B
khi lối
vào U
v
= U
H
= 1.5V thì U
ra

<= U
L
= 0.4V, hệ số khuếch đại dòng là
100
β
=
Dòng I
Cbh
0.2
5
1
5000
CC CC
C C
E E
mA hay
R R
 
−
≈ = =
 ÷
 
Khi đó dòng Bazơ ở trạng thái bão hòa là:
I
Bbh
=
1
0.01 10
100
Cbh

I
mA A
µ
β
= = =
Để tranzitor ở trạng thái bão hòa bền vững ta chọn I
Bbh
= 50
A
µ
(tương ứng với
mức dự chữ 5 lần) khi tranzitor thông bão hòa U
BE
= 0.6V với tranzitor silic
Trở tải lối vào R
B
=
(1.5 0.6)
18
50
V BE
Bbh
U U
V
k
I A
µ
−
−
= = Ω

14
Ví dụ 2: Mạch điện như trên tranzitor silic với E
CC
= 12V, trở tải R
C
= 1.2
kΩ
, hệ
số khuếch đại dòng điện là 100 lần và độ dữ trữ k = 3 lần, điện áp lối vào U
i
= 1.5V.
Xác định trở tải lối vào R
B
cho phù hợp?
Dòng I
C
ở trạng thái bão hòa là
3
(12 0.2)
10
1.2*10
CC CEbh
Cbh
C
E U
I mA
R
−
−
= = ≈

Dòng I
B
ở trạng thái bão hòa là
10
3 0.3
100
Cbh
Bbh
I
I k mA
β
= = =
Điện trở R
B
được chọn có trị số như sau
3
1.5 0.8
2.33
0.3*10
V BEbh
B
Bbh
U U
R k
I
−
−
−
= = = Ω

Chọn điện trở tiêu chuẩn là R
B
= 2.4
k
Ω
4.2. Đặc tính truyền đạt
Đặc tính truyền đạt của tranzitor để đánh giá mức độ tin cậy của khóa, người ta
định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao S
H
và độ dự trữ chống nhiễu
mức thấp S
L
như sau
S
H
= U
ra đóng
– U
H
S
L
= U
L
– U
ra mở
U
ra đóng
, U
ra mở
là các điện áp lối ra thực tế của tranzitor lúc đóng hay mở tương

ứng. Với trường hợp như ví dụ 1 trên ta có
S
H
= U
ra đóng
– U
H
= 2.5 – 1.5 = 1V (khi U
V
<= U
L
)
S
L
= U
L
– U
ra mở
= 0.4 – 0.2 = 0.2 (khi U
V
>= U
H
)
15
Hình 1.12: Đặc tính truyền đạt của tranzitor
Ở đây vùng cấm tương đương với vùng transitor làm việc trong miền khuếch đại
tuyến tính
Từ đặt tính truyền đạt trên ta có thể đạt được mức S
H
lớn khi ta chọn E

CC
, R
C
, R
B
cho thích hợp
Do S
L
khá nhỏ do đó chúng ta cần phải quan tâm đến tính chống nhiễu với mức
thấp. Do U
rabh
= U
CEbh
không thể giảm nhỏ hơn do đặc tính của tranzitor do đó muốn
tăng S
L
ta cần phải tăng mức U
L
. Khi đó thay vì trở tải lối vào R
B
người ta mắc thêm
vào cực Bazơ của tranzitor một vài con Diode và điện trở phân áp cho tranzitor hoạt
động
Hình 1.13: Các biện pháp nâng cao S
L
16
5. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán
Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động như một khóa
điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nhằm trong vùng bão hòa của đặc tuyến
truyền đạt U

ra
= f(U
vào
). Khi đó điện áp lối ra chỉ nằm ở 1 trong 2 mức bão hòa
axram
U
+

và
axram
U
−
ứng với biên độ U
V
đủ lớn. Ta xét các mạch so sánh như sau
Hình 1.14: Mạch khuếch đại so sánh
Đây là mạch khuếch đại so sánh dùng 2 nguồn nuôi đối xứng
CC
V±
, điện áp đặt
vào lối vào không đảo (+) gọi là U
i
+
và điện áp đặt vào lối vào đảo (-) là U
i
-
Tùy thuộc điện áp của 2 lối vào đảo và không đảo này so sánh với nhau mà lối ra
của bộ khuếch đại thuật toán ở 1 trong 2 trạng thái như sau
- Nếu lối vào U
i

+
> U
i
-
thì tối ra U
0
= +V
CC
gọi là trạng thái bão hòa dương
- Nếu lối vào U
i
+
< U
i
-
thì tối ra U
0
= -V
CC
gọi là trạng thái bão hòa âm
Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh để
thực hiện so sánh một tín hiệu lối vào U
i
với một nguồn điện áp chuẩn U
R
. Tùy theo
yêu cầu của từng mạch mà ta để điện áp lối vào ở lối vào đảo hoặc không đảo còn lối
vào còn lại được nối với một nguồn điện áp chuẩn U
R
5.1. Mạch so sánh một ngưỡng:

Thực hiện so sánh biên độ của điện áp lối vào U
V
với 1 điện áp chuẩn U
R
(U
ngưỡng
)
có thể là dương hoặc âm, thông thường giá trị U
R
được định trước cố định, còn giá trị
U
V
là có giá trị biến đổi theo thời gian cần được quan tâm, đánh giá. Khi tín hiệu lối
vào biên đổi chậm quanh giá trị điện áp chuẩn thì tín hiệu lối ra biến đổi rất nhanh.
Khi U
V
= U
R
thì tín hiệu lối ra bộ so sánh có sự thay đổi cực tính của điện áp từ
axram
U
+
tới
axram
U
−
hoặc ngược lại.
Trường hợp U
R
= 0, khi đó mạch so sánh sẽ thực hiện xác định lúc thay đổi cực

tính của tin hiệu lối vào U
V
17
Trường hợp 1: Điện áp đưa vào lối vào đảo và điện áp chuẩn đưa tới lối vào
không đảo:
Hì
nh 1.15: Mạch so sánh lối vào đảo
Theo mạch trên thì điện áp U
i
và điện áp chuẩn U
R
được đưa tới lối vào đảo và
lối vào thuận (không đảo) tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là
∆
U = U
i
–
U
R
là điện áp giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của
nó
Nếu U
i
< U
R
thì
∆
U > 0 khi đó lối ra U
ra
=

axram
U
+
= +V
CC
Nếu U
i
> U
R
thì
∆
U < 0 khi đó lối ra U
ra
=
axram
U
−
= -V
CC
Khi đó lối ra sẽ đảo cực tính khi U
i
chuển qua giá trị U
R
.
Trường hợp 2: Điện áp lối vào đưa tới lối vào không đảo và điện áp chuẩn đưa
tới lối vào đảo:
Hình 1.16: Mạch so sánh lối vào không đảo
Theo mạch trên thì diện áp U
V
và điện áp chuẩn U

R
được đưa tới lối vào không
đào và đảo tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là
∆
U = U
V
– U
R
là điện áp
giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của nó
• Nếu U
i
< U
R
thì
∆
U < 0 khi đó lối ra U
ra
=
axram
U
−
= -V
CC
• Nếu U
i
> U
R
thì
∆

U > 0 khi đó lối ra U
ra
=
axram
U
+
= +V
CC
Khi đó lối ra sẽ đảo cực tính khi U
i
chuyển qua giá trị U
R
.
18
Chú ý: Trong trường hợp điện áp lối vào U
i
và U
R
lớn hơn giá trị điện áp đầu vào
tối đa cho phép của IC khi đó chúng ta cần mắc đầu vào qua một mạch phân áp điện
trở trước khi đưa tới lối và + hoặc – của IC. Khi mạch làm việc với tốc độ thay đổi
xung quá lớn với điện áp lối ra thay đổi cỡ vài V/
s
µ
, IC không chuyển mạch kịp khi
đó ta có thể sử dụng các IC so sánh chuyên dụng để thực hiện mạch so sánh với tốc độ
điện áp lối ra có thể thay đổi vài V/ns.
Trường hợp 3: có 2 tín hiệu điện áp lối vào U
V1
, U

V2
được đưa tới lối và và so
sánh với 1 điện áp chuẩn U
R
(trường hợp U
R
= 0)
.
Hình 1.17: Bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào đảo và đặc tuyến truyền đạt
Khi đó tín hiệu lối vào đảo là tổng của 2 tín hiệu lối vào 1 và 2, ta có
1 2P V V
U U U= +
, khi U
P
= 0 khi đó lối ra bộ so sánh sẽ chuyển trạng thái, trường
hợp thuận thì nối 2 lối vào U
V1
, U
V2
với lối vào thuận
5.2. Mạch so sánh 2 ngưỡng
Dùng để kiểm tra xem điện áp lối vào U
V
có nằm trong một giới hạn giá trị cho
trước hay không (giá trị ngưỡng 1 và 2 tức U
ngưỡng 1
hay U
R1
và U
ngưỡng 2

hay U
R2

Thực chất mạch so sánh 2 ngưỡng là sự kết hợp của 2 mạch so sánh 1 ngưỡng
với lối vào đảo và lối vào không đảo, lối ra của 2 bộ so sánh 1 ngưỡng được kết hợp
lại qua một cửa logíc phụ G (cửa Và (and) với 2 lối vào), lối ra cửa logíc là 1(mức
cao) khi cả 2 lối vào ở trạng thái mức cao và lối ra cửa logic là 0 (mức thấp) khi một
trong 2 lối vào ở trạng thái thấp, hay lối ra bộ so sánh là U
-
ramax
.
19
Hình 1.18: Sơ đồ bộ so sánh 2 ngưỡng đặt tính truyền đạt lối ra
Chọn thế ngưỡng lối vào U
R2
> U
R1

Khi điện áp lối vào nằm dưới ngưỡng 1 tức U
V
< U
R1
khi đó lối ra bộ so sánh 1 ở
mức thấp -V
CC
do
1V R
U U U∆ = −
< 0, và lối ra bộ so sánh 2 ở mức cao +V
CC

do
2R V
U U U∆ = −
> 0 dẫn tới lối ra cổng logic U
0
= 0
Khi điện áp lối vào U
V
= U
R1
khi đó lối ra bộ so sánh thứ 1 chuyển trạng thái từ
-V
CC
thành +V
CC
do
1V R
U U U∆ = −
= 0 và lối ra bộ so sánh 2 vẫn giữ nguyên trạng thái
+V
CC
khi đó lối ra cổng logíc chuyển trạng thái từ 0 lên 1 tương ứng mức cao (tùy
thuộc vào họ logic mà lối ra có điện áp thích hợp)
Khi điện áp lối vào U
V
= U
R2
khi đó lối ra bộ so sánh 1 giữ nguyên trạng thái và
lối ra bộ so sánh 2 sẽ chuyển trạng thái từ +V
CC

thành –V
CC
do
2R V
U U U∆ = −
= 0, khi
đó lối ra cổng logíc ở mức thấp.
Bộ so sánh 2 ngưỡng được ứng dụng đặt biệt thuận lợi khi cần theo dõi và khống
chế tự động một thông số nào đó của một quá trình giới hạn cho phép đã được định
sẵn (giá trị trong điện áp ngưỡng) hoặc ngược lại không cho phép thông số này rơi vào
vùng giới hạn cấm nhờ có 2 ngưỡng điện áp lối vào tương ứng
F
20
Chương 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG
Như chương 1 chúng ta đã biết về một số loại mạch lọc dùng các phần tử thụ
động LR, RC, LC… với các lối ra trên R, L, C từ các lối ra của mạch lọc và với các
thông số thích hợp. Từ đó ta có thể làm thay đổi các dạng xung lối ra của các mạch
lọc. Ta có các phương pháp biến đổi dạng xung dùng các phần tử tích cực hoặc các
phần tử thụ động như R, L, C.
1. Mạch vi phân
1.1. Định nghĩa và khái niệm
Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u
0
(t) tỷ lệ với đạo hàm thep thời gian của
điện áp đầu vào u
i
(t)
Ta có u
0

(t) = k
)(tu
dt
d
i
Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân
Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và
tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac
a. Mạch vi phân dùng RC
R
C
V
i
V
0
i
Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC
Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T
π
ω
=
, tín hiệu
lối ra là v
0
(t)
Trở kháng của mạch là

2 2
2
1 1
1
C
Z R R
RC
ω ω
   
= + = +
 ÷  ÷
   
21
Khi đó đặt
1
2
C
F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch
Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
v t
i t
Z
=

2
( )
( ) . ( )
1
1
RC
i
R
v t
v t R i t
ω
= =
 
+
 ÷
 
Điện áp lối ra sau khoảng thời gian
t
∆
là từ t
0
đến t
1
là
0
2
( )
1
( )
1

1
i
dv t
v t
dt
RC
ω
∆ =
 
+
 ÷
 
Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân
Hình 2.2: Tín hiệu lối ra trên mạch vi phân RC
Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 90
0
( ) sin( t)
i
v t A
ω
=
thì tín hiệu lối ra là
0
0
2 2
1 1
( ) os( ) sin( 90 )
1 1
1 1
v t Ac t A t

RC RC
ω ω ω ω
ω ω
= = +
   
+ +
 ÷  ÷
   
22
b. Mạch vi phân dùng RL
Hình 2.3. Mạch vi phân dùng RL
Tín hiệu lối vào là tín hiệu xoay chiều có tần số góc là
ω

Tổng trở của mạch là
( )
2
2
L 1
L
Z R R
R
ω ω
 
= + = +
 ÷
 
trong đó
L
ω

là trở kháng
của cuộn cảm
Dòng điện trong mạch là i =
i
u
Z
, và điện áp lối ra trên cuộn cảm là
0
di
u L
dt
=
=
2
( )
1
v
du t
L
dt
L
R
R
ω
 
+
 ÷
 
, coi
L

R
ω
rất nhỏ so với 1 khi đó
1
L
R R
R
ω
 
+ ≈
 ÷
 
Tính toán ta được điện áp lối ra tỷ lệ vi phân với điện áp lối vào u
i
(t)
0
( ) ( )
i
L d
u t u t
R dt
=
. Trong đó k hệ số tỷ lệ k =
L
R
Dạng tín hiệu ra như hình 2.2.
1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân
Hình 2.4. Mạch vi phần dùng khuếch đại thuật toán
23
L

R
u
i
(t)
u
0
(t)
Sơ đồ mạch khuếch đại vi phần dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo, mạch
phân áp vi phân là điện trở R
2
và tụ C. Điện trở R
1
làm ổn định tổng trở của lối vào (là
điện trở ghép tránh cho nguồn xoay chiều lối vào nối đất vì ở đây lối vào – của bộ
khuếch đại thuật toán được coi là đất ảo). Điện trở R
3
có tác dụng bù nhiệt làm ổn định
mạch khuếch đại, thường chọn R
2
= R
3
Lối vào được đưa tới tụ C tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán, điện trở R
2
lấy tín hiệu hồi tiếp từ lối ra tới lối vào đảo của khuếch đại thuật toán.
Dòng điện lối vào đảo của khuếch đại thuật toán là
I
in
= C
i
du

dt
Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là I
R2
=
0
2
U
R
−
Do tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở
lối ra vô cùng nhỏ nên ta coi dòng lối vào đảo của khuếch đại thuật toán xấp xỉ 0
Áp dụng tính chất dòng điện nút ta có
2 2
0 0
in R in R
I I hay I I+ = − =
uur uuur
.
Từ đó ta có I
in
= I
R2
hay
0
0 2
2
i i
du u du
C u R C
dt R dt

= − ⇒ = −
2. Mạch tích phân
2.1. Định nghĩa và khái niệm
Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra u
0
(t) tỷ lệ với tích phân của điện áp vào
u
i
(t)
0
( )
i
u k u t dt=
∫
trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mạch
a. Mạch tích phân dùng RC
Hình 2.5: Mạch RC lối ra trên C
24
Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T
π
ω
=
, tín hiệu
lối ra là v
0
(t)

Trở kháng của mạch là
2 2
2
1 1
1
C
Z R R
RC
ω ω
   
= + = +
 ÷  ÷
   
Khi đó đặt
1
2
C
F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch
Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
u t
i t
Z
=

Điện áp lối ra trên tụ là
0
2
( ) 1 1
( ) ( ) ( )
1
1
i
q t
u t i t dt u t dt
C C
RC
RC
ω
= = =
 
+
 ÷
 
Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian
t
∆
là
0
2
1
( ) ( )
1
1
i

u t u t dt
RC
RC
ω
=
 
+
 ÷
 
∫
Khi tần số lối vào f
i
>> f
C
hay f
i
>>
1
2 RC
π
⇒
1
2
i
RC
f
π
>>
2 RC
τ π

=
là hằng số thời gian của mạch khi đó
1
i
i
T
f
τ
>> =
trong đó T
i
là chu kỳ tín
hiệu lối vào
Với điều kiện như trên thì tổng trở của mạch
Z R≈
khi đó tín hiệu lối ra của
mạch là
0
1
( ) ( )
i
u t u t dt
RC
=
∫
với k =
1
RC
Khi tín hiệu lối vào là xung sin thì tín hiệu lối ra cũng là xung sin và bị trễ pha đi
90

0
.
Khi tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tích phân của tín
hiệu lối vào tương ứng với dạng xung phóng nạp cho tụ
25