PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG VI MẠCH LM393

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TIỂU LUẬN:
PHÂN TÍCH VÀ ỨNG DỤNG
VI MẠCH LM393
MÔN HỌC: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT MẠCH TÍCH HỢP
Lê Tuấn Anh
Cao Quang Hoàng
Nguyễn Thị Thùy Dương
Hà Nội, tháng 3 năm 2011
1
Mục lục
1 Vi mạch LM393 3
1.1 Tổng quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Sơ đồ nguyên lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Mạch tạo nguồn dòng không đổi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2 Tầng khuếch đại vi sai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Tầng lối ra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Mô phỏng sơ đồ nguyên lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Các mạch ứng dụng LM393 8
2.1 Mạch dò điểm không . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Mạch tạo xung vuông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Mạch tạo xung vuông có điều chỉnh tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Mạch tạo thời gian trễ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2
1 Vi mạch LM393
1.1 Tổng quan
LM393 là vi mạch gồm hai bộ so sánh hoạt động độc lập với điện áp bù nhỏ cỡ 2.0mV, hoạt
động với cả nguồn cấp đơn hoặc hai nguồn đối xứng.
Vi mạch LM393 tương thích với cả hai chuẩn TTL và CMOS, được sử dụng nhiều trong
các bộ chuyển đổi tương tự - số đơn giản, trong các khối VCO, trong các mạch tạ o trễ thời

gian, sóng vuông, các mạch dao động và cổng logic số thế cao.
Đặc điểm vi mạch LM393:
• Dải nguồn nuôi rộng từ 2Vdc đến 36Vdc.
• Dải nguồn nuôi kép +/- 1Vdc đến +/- 18Vdc.
• Dòng cực máng rất thấp độc lập với điện áp nguồn nuôi: 0.4mA.
• Dòng lối vào thấp: 25nA.
• Dòng offset lối vào thấp +/- 5nA và điệp áp off set cực đại là +/- 3mA.
• Dải điện áp lối vào chung thấp (bao gồm cả mức điện áp bằng đất).
• Dải điện áp lối vào vi sai bằng với điện áp của nguồn cung cấp.
• Điện áp offset lối vào thấp:
– 2mA đối với LM393A.
– 5mA đối với LM293/393.
• Điện áp lối ra tương thích với các mức log ic DTL, ECL, TTL, MOS và CMOS.
• Điện áp bão hòa lối ra thấp: 250mV, 4mA.
3
Sơ đồ chân
Hình 1: Sơ đồ chân của LM393
Số chân Chức năng Số chân Chức năng
1 Đầu ra (A) 5 Lối vào không đảo (B)
2 Lối vào đảo (A) 6 Lối vào đảo (B)
3 Lối vào không đảo (A) 7 Lối ra (B)
4 Đất 8 Nguồn
Bảng 1: Bảng các chân của LM393
1.2 Sơ đồ nguyên lý
Vi mạch LM393 gồm có ba khối chính: mạch tạo nguồn dòng không đổi, tầng khuếch đại vi
sai và tầng lối ra.
1.2.1 Mạch tạo nguồn dòng không đổi
Tầng đầu tiên là mạch tạo ra nguồn dòng cho các bộ so sánh vi sai gồm các transistor Q1,
Q2, Q3, Q4.
Transistor JFET F1 kênh N tạo nguồn dòng không đổi cấp cho IbQ1 và IcQ2, dẫn đến

dòng IeQ1 và IbQ2 không đổi, từ đó tạo dòng collector Ic của Q4 không đổi, dẫn đến Ib của
Q5, Q6, Q14 không đổi do vậy tạo ra các nguồn dòng không đổi.
Q3 được nối như một diode có nhiệm vụ ổn định các nguồn dòng do sự thay đổi về nhiệt độ.
4
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của LM393
1.2.2 Tầng khuếch đại vi sai
Tầng khuếch đại vi sai với hai lối vào +Input và -Input đưa tới base của Q8 và Q12. Q8 và
Q9 là hai transistor đệm mắc theo kiểu cascode với có tác dụng khuếch đại dòng điện với trở
kháng vào lớn đồng thời làm dịch mức điện áp đầu vào. Tương tự Q10 và Q12 cũng được
mắc cascode.
Tín hiệu lối ra trên emittor của Q8 và Q12 đưa vào base của Q9 và Q10. Q9 và Q10 mắc
thành tầng khuếch đại vi sai. Nguồn dòng của tầng khuếch đại này do Q6 cung cấp. Tải động
của mạch khuếch đại vi sai là Q 11 và diode được mắc theo kiểu gươ ng dòng điện. Gương
dòng điện này sẽ biến đổi tín hiệu vi sai thành tín hiệu đơn theo cách sau:
Dòng điện tín hiệu trên collector của Q9 sẽ là đầu vào của gương dòng điện, trong khi
đầu ra của gương dòng điện là dòng trên collector của Q11 thì được nối với collector của
Q10. Tại đây dòng tín hiệu của Q9 và Q10 được cộng với nhau. Do hai dòng vi sai này có
biên độ bằng nhau và ngược pha, sau khi đi qua gương dòng điện và cộng lại sẽ được tín hiệu
bằng hai lần dòng điện tín hiệu. Mạch này đã hoàn tất quá trình biến từ tín hiệu vào vi sai
thành tín hiệu ra đơn.
Các nguồn dòng Q5A và Q5B (transistor Q5 trong sơ đồ nguyên lý) để tích điện cho tụ
Emittor - Ba se của hai transistor này làm tăng thời gian đáp ứng trước sự thay đổi của tín
hiệu vào.
5
Hình 3: Sơ đồ tầng khuếch đại vi sai
1.2.3 Tầng lối ra
Thế lối ra của tầng khuếch đại vi sai lấy trên collector của Q10 đưa tới base của Q15. Q15 là
transistor mắc theo kiểu emittor chung với tải động là dòng không đổi do Q14 tạo ra. Thế lối
ra trên collector của Q15 đưa tới base của Q16 mắc theo kiểu emittor chung, hở Collector.
Collector hở cho phép thay đổi trở lối ra tùy thuộc vào trở tải.

Hình 4: Sơ đồ tầng lối ra
Trạng thái của Q15 và Q16 luôn ngược nhau. Nếu điện áp lối vào Input tới base lớn hơn
hoặc bằng 0.7V thì Q15 dẫn, thế trên collector của Q15 giảm dẫn đến Q16 cấm. Ngược lại
nếu thế lối vào base của Q15 nhỏ hơn 0.7V, Q15 cấm, Q16 dẫn.
6
Nguyên lý hoạt động
Bộ so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu từ hai lối vào đảo và không đảo. Lối ra là một
trong hai mức điện áp tương ứng với hai mức logic 0 và 1 tùy thuộc vào thế tương đối của tín
hiệu lối vào. Nếu lối vào không đảo có thế lớn hơn lối vào đảo, mức logic lối ra là 1 và ngược lại.
Một sự thay đổi nhỏ của hiệu điện thế lối vào base Q9 và Q10 dẫn đến một thay đổi lớn
giữa tỉ số dòng Ic của Q9 và Q10. Qua mạch gương dòng điện, hai tín hiệu vi sai này được
cộng lại và đưa tới base của Q15. Tùy thuộc và o giá trị của thế này sẽ làm cho Q15 dẫn hoặc
mở tương ứng với hai mức logic 0 và 1.
1.3 Mô phỏng sơ đồ nguyên lý
Ta xây dựng mạch mô phỏng nguyên lý của LM393 trên phần mềm CircuitMaker:
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý vi mạch LM393
Tín hiệu đưa vào lối vào không đảo của vi mạch là sóng sin tần số 1kHz, lối vào đảo được
nối đất (so sánh tín hiệu sóng sin với thế 0V). Kết quả trên lối ra là xung vuông tần số 1kHz,
nhảy bậc tại vị trí lối vào có giá trị bằng không.
7
Hình 6: Kết quả mô phỏng vi mạch LM393
2 Các mạch ứng dụng LM393
2.1 Mạch dò điểm không
Mạch được nuôi bằng nguồn đơn. Khi tín hiệu vào lớn hơn 0V, đầu ra ở mức thế cao. Khi
tín hiệu vào nhỏ hơn 0V, đầu ra nhảy xuống mức thấp.
Hình 7: Sơ đồ mạch dò điểm không
Tín hiệu được đưa vào đầu +Input, đầu -Input được nối với đất. Trở R1 nối dương nguồn
làm trở kéo. Tại chu kỳ dương V
N
< V

P
đầu ra bộ so sánh có mức V
H
. Tại chu kỳ âm V
N
> V
P
đầu ra b ộ so sánh có mức V
L
. Tại thời điểm vượt qua điểm 0 hai đầu vào bằng nhau tín hiệu
vi sai đầu ra bằng V
0
, tại đó có quá trình chuyển trạng thái tương ứng với các điểm 0. Điểm
0 được phát hiện tương ứng với một xung vuông ở đầu ra.
8
Hình 8: Kết quả mô phỏng mạch dò điểm không
2.2 Mạch tạo xung vuông
Hình 9: Sơ đồ mạch tạ o xung vuông
IC LM393 được mắc theo sơ đồ mạch tạo dao động để tạo ra xung vuông. Để mạch tự
dao động cần phải có phản hồi dương, nghĩa là dù không có tín hiệu đưa vào mạch vẫn có
thể tự dao động.
Sơ đồ này có hai mạch phản hồi. Mạch phản hồi âm gồm điện trở R4, tụ điện C, điện áp
phản hồi đưa về chân âm. Điện áp tại chân N, V
N
chính là điện áp trên tụ U
C
. Mạch phản
hồi dương gồm điện trở R3, điện áp phản hồi đưa về chân dương. Nếu điện áp V
N
> V

P
thì
9
Hình 10: Kết quả mô phỏng mạch tạo xung vuông
điện áp lối ra U = V
L
. Tần số của xung phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch RC.
Khi điện áp trên t ụ U
C
nhỏ hơn điện áp phản hồi dương, tụ điện được tích điện. Điện
thế của tụ tăng dần đến điện áp bằng điện áp phản hồi dương. Nếu điện áp trên tụ lớn hơn
điện áp phản hồi dương t hì tụ điện phóng điện. Điện áp trên tụ giảm đến 0V. Quá tr ình lặp
lại khiến lối ra có dạng xung vuông.
2.3 Mạch tạo xung vuông có điều chỉnh tần số
Hình 11: Sơ đồ mạch tạo xung vuông có điều chỉnh tần số
10
Nguyên lý hoạt động cũng giống như bộ tạo xung ở phần trên. Mạch này có thêm biến
trở cho phép thay đổi điện áp so sánh ở +Input, do đó thay đổi thời gian phóng nạp dẫn đến
thay đổi tần số xung lối ra.
2.4 Mạch tạo thời gian trễ
Hình 12: Sơ đồ mạch tạo thời gian trễ
Hình 13: Kết quả mô phỏng mạch tạo thời gian trễ
Tín hiệu xung vuông được đưa tới lối vào âm của IC1. Điện áp tại chân N nhỏ hơn điện
áp ở chân P, khi đó lối ra mang giá trị dương, tụ điện C tích điện. Nếu điện áp ở chân N lớn
hơn điện áp ở chân P thì điện áp lối ra mang giá trị âm, khi đó tụ C phóng điện. Thời gian
nạp và phóng của tụ phát sinh ra quá trình t rễ với thời gian trễ được tính:
∆t = RC · ln(
V
ref
V

cc
)
IC2 có chức năng sửa tín hiệu phóng nạp của tụ C để tái tạo lại tín hiệu ban đầu với thời
gian trễ là ∆t. Do đó t ≥ t
0
+ ∆t.
11
Tín hiệu vào xung vuông tần số 1 Mhz.
Tín hiệu ra tần số 1Mhz bị trễ một khoảng 1.5 µ s
12