THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ
1. Nhiệm vụ thiết kế.
Thiết kế bộ tạo đồng thời hai xung: xuông vung và xung tam giác. Xung tam giác có trị
đỉnh 6,5v và tần số xung thay đổi được trong phạm vi 500Hz < f < 1 kHz. Điện áp
nguồn cung cấp E = ± 15v
2. Tóm tắt lý thuyết
Một bộ khuếch đại điện áp ( dung Tranzito hay vi mạch ) khi thực hiện một vong hồi
tiếp dương có khả năng tự kích và tạo ra dao động điện ( tuần hoàn hoặc không tuần
hoàn). Điều kiện tự kích của hệ kín là phải đạt được trạng thái cân bằng pha và cân
bằng về biên độ có nghĩa là ϕA + ϕB = 0 A.B =1
Điều kiện tự kích chỉ thỏa mãn được với điện áp có một tần số xác định, do đó chỉ mộ
tần số được tạo ra với các giá trị xác định của các tham số mạch hồi tiếp. Sơ đồ tạo dao
động hình sin dung các khâu RC làm mạch hồi tiếp có tính chất chọn lọc tần số với
phẩm chất thấp: Tần số dao động được tạo ra do thông số RC và dạng mạch RC sử
dụng quyết định – Người ta có thể tạo ra dao động trong một dải hoặc nhiều dải bằng
cách thay đổi giá trị R và C liên tục hay rời rạc.
Điều kiện cân bằng pha được thỏa mãn nhờ cách ghép mạch hồi tiếp và bộ khuếch đại
tùy theo tính chất dịch pha của chúng. Điều kiện biên độ được thỏa mãn nhờ chọn hế
số khuếch đại (A) phù hợp với hệ số hồi tiếp (β).
Để tạo ra các dao động không tuần hoàn ( tạo xung) thường dung các mạch đa hai tự
dao động, đa hai đợi, đa hai đồng bộ, các mạch tích ohaan ( tạo xung tam giác), cách
mạch Trigo Smit hoặc kết hợp các mạch với nhau để có dạng xung theo yêu cầu.
3. Trình tự thiết kế
a. Xây dựng nguyên tắc thiết kế, từ đó lập sơ đồ khối.
b. Nêu chắc năng từng khối. Các mạch điện tử thực hiện chức năng đó ( nêu lý thuyết
cơ sở: nguyên lý hoạt động, các dạng tín hiệu vào ra, ưu nhược điểm).
c. Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch.
d. Tính toán sơ đồ nguyên lý: tính các dòng điện, điện áp, giá trị cạnh linh kiện. Chọn
các linh kiện phù hợp với các chức năng của mạch.
e. Đánh giá ưu nhược điểm của mạch đã thiết kế.
f. Báo cáo kết quả thiết kế.

4. Tài liệu tham khảo
(1): Kĩ thuật mạch điện tử. Phạm Minh Hà. Nhà xuất bản Khoa học Kĩ thuật 1997.
(2): Kĩ thuật mạch bán dẫn. Tổng cục Bưu điện. Nhà xuất bản trung tâm thông tin
1988.
(3): Bộ khuếch đại xử lý và IC tuyến tính: William D: Standly. Nhà xuất bản Khoa học
Kỹ thuật 1999.
(4). Sổ tay tra cứu vi mạch và Tranzito: Nhà xuất bản Khoa học kĩ thuật 1998.
(5): Sổ tay linh kiện điện tử cho người thiết kế mạch. Nhà xuất bản thồng kê 1996.
Chú ý: Nộp lại đề cùng với bài làm.
Họ và tên sinh viện nhận thiết kế.


PHẦN LÝ THUYẾT.............................................................................. 2
1. TÍN HIỆU XUNG VÀ THAM SỐ......................................................2
1.1. Định nghĩa................................................................................. 2
1.2. Các tham số cơ bản của xung vuông..........................................3
1.3.Các tham số cơ bản của tam giác..................................................5
2.CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI VÀ TẠO DẠNG XUNG...................................6

2.1. Mạch vi phân.................................................................................. 7
2.1.1. Định nghĩa và khái niệm...........................................................7
2.1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân..........................................9
2.2. Mạch tích phân............................................................................. 10
2.2.1. Định nghĩa và khái niệm.........................................................10
2.2.2. mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng .................................13
3. CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG.........................................................................13

3.1. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định.............................13
Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor..................................................14
3.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính..................................................15

4. CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH. . .17
4.1. Đa hài đợi dùng tranzitor.............................................................17
4.2. Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán..........................................18
5. CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ HAI TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN
ĐỊNH................................................................................................. 19
5.1. Đa hài tự dao động dùng tranzitor...............................................19
5.2. Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán............................22
6. Mạch tạo xung tam giác..................................................................26
6.1. Mạch tạo xung tam giác dùng transistor.....................................27
6.2. Mạch tạo xung tam giác dùng vi mạch khuếch đại thuật toán.....29
PHẦN HAI .................................................................................................................33

1. NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ..............................................................33
3.2 KHỐI IC TẠO XUNG..................................................................34
a. Sơ đồ chân IC 555........................................................................ 34
b. Sơ đồ cấu trúc IC 555...................................................................34

1


PHẦN LÝ THUYẾT
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 vẽ, với tín hiệu sin ta có
thể tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau.

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 VL, thời gian chuyển
mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0

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.

2


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 xung vuông
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:

Dạng xung
Xung vuông thực tế với các đoạn đặc trưng như: sườn trước, đỉnh, sườn sau. Các
tham số cơ bản là biên độ Um, độ rộng xung tx, độ rộng sườn trước ttr và sau ts, độ sụt
đỉnh ∆u

3


-

Biên độ xung Um 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 ttr, sườn sau ts là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời
gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1Um đến 0.9Um .

-

Độ rộng xung Tx xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức
0.1Um (hoặc 0.5Um).

-

Độ sụt đỉnh xung ∆u thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9U m đến
Um.
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
tng
T = tx + tng

-

(1)

Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian.
F=

1
T

(2)

-

Thời gian nghỉ tng là khoảng thời gian trống giữa 2 xung liên tiếp có điện nhỏ
hơn 0.1Um (hoặc 0.5Um).

-

Hệ số lấp đầy γ là tỷ số giữa độ rộng xung tx và chu kỳ xung T
γ=

tx
T

(3)

Do T = tx + tng vậy ta luôn có γ < 1
-

Độ rỗng của xung Q là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung tx.
Q=

T
tx

(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
- Trạng thái có xung (tx) với biên độ lớn hơn một ngưỡng UH gọi là trạng thái cao
hay mức “1”, mức UH 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”, UL được chọn tùy theo phần tử khóa (tranzito hay IC)
- Các mức điện áp ra trong dải UL < U < UH được gọi là trạng thái cấm
4


* Dạng xung vuông
t1 <= t <= t 2
t < t1 or t > t 2

1 khi
U(t) = 
 khi
1

Tx

u
1
t1

2

U(t) = u (t) + u (t) với

t2

u
1

1 khi t >= t1
khi t < t1

U1(t)
t1

U1(t) = 1(t0) = 
0

-1

t

t2

t
U2(t)

− 1 khi t >= t 2
khi t < t 2

U2(t) = -1(t0) = 
0

1.3.Các tham số cơ bản của tam giác

Xung tam giác được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điện tử, thông tin, đo lường
hay tự động điều khiển làm tín hiệu chuẩn hai biên độ và thời gian có vai trò không thể
thiếu được hầu như trong mọi hệ thống hiện đại
Dạng xung tam giác :

Hình trên đưa ra dạng xung tam giác lý tưởng với các tham số chủ yếu như sau:
- Biên độ cực đại Umax
- Mức một chiếu ban đầu u(t = 0) = U0
- Chu kỳ lặp lại T với xung tuần hoàn. Thời gian quét thuận tq, thời gian quét ngược tng.
Thông thường tng >> tq.
Tốc độ quét thuận là K =

du
, hay độ nghiêng của đường quét.
dt

Để đánh giá chất lượng u thực tế s với lý tưởng có hệ số không đường thẳng ε được
định nghĩa là:
5

du
du
(t ≈ 0) − (t = tq ) u '(0) − u '(t )
q
dt
ε = dt
=
du
u '(0)
(t ≈ 0)
dt

Ngoài ta còn có một số tham số khác như:
U max

U max

Tốc độ quét trung bình: KTB = t , và hiệu suất năng lượng η = E
q
nguon
Từ đó ta có hệ số phẩm chất của u là Q =

η
.
ε

Nguyên lý tạo xung tam giác dựa trên việc sử dụng quá trình nạp hay phóng điện của
tụ điện qua một mạch nào đó, khi đó quan hệ dòng điện và điện áp trên tụ biến đổi
theo thời gian là:
ic(t) = C

duc (t )
1
hay uc (t ) = ∫ ic (t )dt
dt
C

trong điều kiện C là một hằng số, muốn quan hệ u c(t) tuyến tính cần thỏa mãn điều
kiện ic(t) là một hằng số, hay sự phụ thuộc của điện áp theo thời gian càng tuyến tính
thì dòng điện phóng hay nạp cho tụ càng ổn định
- Có 2 dạng điện áp cơ bản là: thời gian quét thuận t q, u tăng tuyến tính dạng đường
thẳng nhờ quá trình nạp cho tụ từ nguồn một chiều nào đó và trong thời gian quét
ngược tng, u giảm đường thẳng nhờ quá trình phóng điện của tụ qua một mạch tải. Với
mỗi dạng trên có các yêu cầu khác nhau để đảm bảo tng >> tq, với dạng tăng đường
thẳng cần nạp chậm phóng nhanh, hoặc dạng giảm đường thẳng cần nạp nhanh phóng
chậm.
- Việc điều khiển tức thời các mạch phóng nạp cho tụ thường sử dụng các khóa điện tử
transistor hay IC đóng mở theo nhịp điều khiển từ ngoài. Trên thực tế để ổn định cho
dòng nạp nay phóng điện cho tụ cần có một khối tạo nguồn dòng để nâng cao chất
lượng xung tam giác.
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.

6

2.1. Mạch vi phân
2.1.1. 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 ui(t)
Ta có

u0(t) = k

d
u i (t )
dt

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
C

V0
Vi

R

i

Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC
Tín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω = 2π T , tín hiệu
lối ra là v0(t)
2

2

1 
 1 
Trở kháng của mạch là Z = R + 
÷ = R 1+ 
÷
 ωC 
 ω RC 
2

Khi đó đặt FC =

1
là tần số cắt của mạch
2π RC

Dòng điện trong mạch là i (t ) =
vR (t ) = R.i (t ) =

vi (t )
Z

vi (t )
2

 1 
1+ 
÷

 ω RC 

Điện áp lối ra sau khoảng thời gian ∆t là từ t0 đến t1 là

7


∆v0 (t ) =

dvi (t )
dt
 1 
1+ 
÷
 ω RC 
1

2

Khi đó ta có lối vào là tín hiệu xung vuông thì lối ra là tín hiệu xung vi phân

Tín hiệu lối ra trên mạch vi phân RC
Tín hiệu lối vào là Sin thì tín hiệu lối ra là sin sớm pha 900
vi (t ) = Asin(ω t) thì tín hiệu lối ra là
v0 (t ) = ω

1
2

 1 

1+ 
÷
 ω RC 

Acos(ωt ) = ω

1
2

 1 
1+ 
÷
 ω RC 

A sin(ωt + 900 )

b. Mạch vi phân dùng RL

R
u0(t)
ui(t)

L

Mạch vi phân dùng RL
8


Tín hiệu lối vào là tín hiệu xoay chiều có tần số góc là ω


L

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

của cuộn cảm
Dòng điện trong mạch là i =

ui
, và điện áp lối ra trên cuộn cảm là
Z

duv (t )
L
di
2
dt , coi L ω rất nhỏ so với 1 khi đó R 1 +  ω L  ≈ R
u0 = L =
 L

÷
dt R 1 +  ω ÷
R
 R
 R

Tính toán ta được điện áp lối ra tỷ lệ vi phân với điện áp lối vào ui(t)
u0 (t ) =

L d
ui (t ) .
R dt

Trong đó k hệ số tỷ lệ k =

L
R

Dạng tín hiệu ra như hình trên
2.1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân

Mạch vi phần dùng khuếch đại thuật toán
Sơ đồ mạch khuếch đại vi phần dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo, mạch
phân áp vi phân là điện trở R2 và tụ C. Điện trở R1 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 R2 = R3
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
Iin = C

dui
dt
9


Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là IR2 = −

U0
R2

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
uur uuur
I in + I R 2 = 0

hay

I in − I R 2 = 0 .

Từ đó ta có Iin = IR2 hay C

du i
u
=− 0
dt
R2

⇒

u0 = − R2C

dui
dt

2.2. Mạch tích phân

2.2.1. 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
ui(t)
u0 = k ∫ ui (t )dt trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào mạch

a. Mạch tích phân dùng RC

Mạch RC lối ra trên C
Tín hiệu lối vào là vi(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là ω = 2π T , tín hiệu
lối ra là v0(t)
2

Trở kháng của mạch là Z = R 2 + 

2

1 
 1 
÷ = R 1+ 
÷
 ωC 
 ω RC 

Khi đó đặt FC =

1
là tần số cắt của mạch
2π RC

Dòng điện trong mạch là i (t ) =

ui (t )
Z

10


Điện áp lối ra trên tụ là

u0 (t ) =

q (t ) 1
= i (t ) dt =
C
C

1
2

 1 
RC 1 + 
÷
 ω RC 

ui (t )dt

Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian ∆t là
u0 (t ) =

1

2

 1 
RC 1 + 
÷
 ω RC 

∫ u (t )dt
i

Khi tần số lối vào fi >> fC hay fi >>

1
1
⇒ RC >>
2π f i
2π RC

τ = 2π RC là hằng số thời gian của mạch khi đó τ >>

1
= Ti trong đó Ti là chu kỳ tín
fi

hiệu lối vào
Với điều kiện như trên thì tổng trở của mạch Z ≈ R khi đó tín hiệu lối ra của
mạch là
u0 (t ) =

1

1
ui (t )dt với k =
∫
RC
RC

Khi tín hiệu lối vào là xung sin thì tín hiệu lối ra cũng là xung sin và bị trễ pha đi
900.
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

Dạng tín hiệu vào và ra của mạch tích phân
Trường hợp 1: khi τ << Ti khi đó thời gian phóng nạp cho tụ C là rất nhanh coi
như tức thì dẫn tới tín hiệu lối ra như hình B

11


Trường hợp 2: khi τ = Ti 5 khi đó tụ C nạp và phóng điện theo hàm exp với biên
độ đỉnh thấp hơn mức bão hòa tín hiệu lối ra như hình C
Trường hợp 2: khi τ >> Ti khi đó tụ C nạp và phóng điện rất chậm điện áp lối ra
thấp theo hàm exp khi đó điện áp tăng dần theo hàm mũ, do thời gian phóng nạp rất
chậm nên hàm exp gần như dạng tuyến tính do đó tín hiệu lối ra như hình D
Do đó với mạch tích phân dùng RC khi chọn các giá trị RC phù hợp ta sẽ được
các dạng xung lối ra khác nhau khi dạng xung lối vào là xung vuông
Trường hợp khi xung vuông lối vào có độ rộng khác nhau thì khi tín hiệu lối ra
trên tụ thực hiện với thời gian nạp lớn hơn thời gian phóng và ngược gại gây ra hiện
tượng điện áp rơi trên tụ tăng hoặc giảm dần

Dạng tín hiệu vào và ra của xung xuông có độ rộng xung khác nhau.

b. Mạch tích phân dùng RL
L
V0
Vi

R

Mạch tích phân dùng RL
Đáp ứng tần số như mạch lọc RC. Tần số cắt của mạch lọc là FC =
Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là u0 (t ) =
12

R
ui (t ) dt
L∫

R
2π L


2.2.2. mạch tạo điện áp biến đổi đường thẳng

Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán điện áp ra biến đổi đường thẳng
Mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với phần tử R 1 và C, hằng số thời
gian của mach là τ = 2π RC . Ở đây điện trở R2 bù nhiệt cho mạch làm ổ định mạch
khuếch đại, thường R1 = R2
Dòng điện lối vào là I in =

ui

R

du0
dt
uur uur
Với khuếch đại thuật toán ta có I in + I c = 0 hay Iin - Ic = 0 => Iin = IC

Dòng điện trên tụ C là I c = −C

Do đó ta có

ui
du
1
= −C 0 ⇒ u0 = − RC
∫ ui (t )dt
R
dt

ở đây k = − RC1 vì mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán với lối vào đảo do
đó tín hiệu lối ra sẽ ngược pha so với tín hiệu lối vào
Nếu tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tam giác như dạng
tín hiệu ở hình trên.

3. CÁC MẠCH DAO ĐỘNG XUNG
3.1. Các mạch không đồng bộ hai trạng thái ổn định
Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra được đặc trưng bởi hai trạng thái ổn định
bền theo thời gian và việc chuyển nó từ trạng thái này sang trạng thái khác chỉ xảy ra
khi đặt tới lối vào một xung điện áp có biên độ và cực tính phù hợp, đó là phần tử cơ
bản cấu tạo lên bộ nhớ với các số nhị phân 0 hoặc 1

13


Trigơ đối xứng (RS) dùng tranzitor

Trigơ RS dùng tranzitor

Nguyên lý hoạt động:
Trigơ RS chỉ có 2 trạng thái ổn định bền là T 1 mở bão hòa và T2 đóng tương ứng với
lối ra của mạch Q = 1 và Q = 0 , hoặc T2 mở bão hòa và T1 đóng tương ứng với lối ra
của mạch Q = 0 và Q = 1
Các trạng thái còn lại là không xảy ra khi T1 và T2 cùng đóng hoặc mở bão hòa.
T1, T2 không thể cùng đóng do nguồn +Ecc khi đóng mạch sẽ cung cấp 1 điện ápdương
nhất định đến bazơ của T1 và T2 (thông qua trở RC và R2 cho tranzitor T2, hoặc trở RC
và R1 cho tranzitor T1) cùng mở. Do tính chất không đối xứng lý tưởng của mạch điện,
chỉ cần 1 sự chênh lệch nhỏ về dòng điện trên cực bazơ của 2 tranzitor (I B1 ≠ IB2 dẫn
đến IC1 ≠ IC2), ví dụ IB1 > IB2 dẫn đến dòng IC1 > IC2 (do IC = β IB) khi đó sụt áp trên trở
tải RC colector của T1 lớn hớn sụt áp trên trở tải RC colector của T2, qua đường hồi tiếp
về từ colector T2 qua R1 tới Bazơ của T1 và từ colector T1 qua R2 tới Bazơ của T2 làm
cho T1 càng mở và T2 càng đóng sau một khoảng thời gian t rất nhỏ nào đó sẽ dẫn tới
T1 mở bão hòa và T2 khóa, khi đó mạch ở trạng thái ổn định bền và khi đó lối ra của
mạch là Q = 1 và Q = 0 tương ứng điện áp ra ở colector của T 2 ở mức cao và trên T 1 ở
mức thấp.
Trường hợp ngược lại IB1 < IB2 tương tự như trên ta có T 1 khóa và T2 thông bão hòa. Và
lối ra tương ứng của mạch là Q = 0 và Q = 1 , tương ứng điện áp ra ở colector của T 1 ở
mức cao và trên T2 ở mức thấp.
Từ phân tích ở trên trong trường hợp số hóa ta có bảng chân lý như sau
Đầu vào

Đầu ra

Rn

Sn

Qn+1

Q n +1

0

0

Qn

Qn

1
0

0
1

0
1

1
0

14


1

1

Trạng thái cấm

3.2. Trigơ Smit dùng IC tuyến tính
Trigor smit dùng IC tuyến tính tương tự như bộ so sánh (khuếch đại thuật toán) có hồi
tiếp dương từ đầu ra tới 1 lối vào so sánh, còn lối vào còn lại được đưa tới lối vào so
sánh thứ 2
a. Trigơ smit lối vào đảo

Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính
Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u - > u+ khi đó lối ra ura = ura max, qua mạch hồi tiếp dương
tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là u+ =

ura max
R1 + R2

R2 = uvào ngắt.

Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào < uvào ngắt thì khi đó điện áp lối ra không đổi.
Khi tăng Uvào > u+ = uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào
thuận dẫn tới lối ra lật trạng thái từ U ra max xuống –ura max và qua mạch hồi tiếp dương
điện áp trên lối vào thuận là u- = -

ura max

R1 + R2

R1 = uvào đóng.

Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura = -ura max
Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức uvào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ
nguyên trạng thái.
Khi giản tín hiệu lối vào uvào < uvào đóng khí đó điện áp lối vào đảo nhỏ hơn điện áp lối
vào thuận, tín hiệu lối ra sẽ chuyển trạng thái từ ura = ura max thành –ura max
Để mạch ở trạng thái ổn định thì K β >=1 trong đó K là hệ số khuếch đại của bộ
khuếch đại thuật toán và β =

R2
R1 + R2

15


giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo
b. Trigơ smit lối vào thuận

Sơ đồ và giản đồ xung trigor smit dùng IC tuyến tính
Khi Uvào có giá trị âm lớn tức u+ > u- khi đó lối ra ura = -ura max, qua mạch hồi tiếp dương
tới lối vào không đảo ta có điện áp trên lối vào dương là
ura uv
R
= ⇒ uvao = 1 ura . Để lối ra lật trạng thái thì up < 0 tương ứng với uvào ngắt khi đó
R 2 R1
R2

lối ra thay đổi trạng thái từ -ura max thành +ura max thì uvào ngắt tương ứng với up >= 0 tức là
uvao − u p
R1

=

u p − ura
R2

max

⇒ uv =

đó ta có uvào khóa = −

( R1 + R2 )u p − ura max
R2

khi đó tương ứng với lối vào khóa u p = 0. từ

R1
u
R2 ra max

Tăng dần điện áp uvào cho đến khi uvào < uvào ngắt thì khi đó điện áp lối ra không đổi.
Khi tăng Uvào > uvào ngắt khi khi đó qua bộ so sánh với lối vào đảo lớn hơn lối vào thuận
dẫn tới lối ra lật trạng thái từ -Ura max thành +ura max .
Tăng tiếp điện áp lối vào khi đó điện áp lối ra sẽ không bị thay đổi ura = ura max
Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn cho tới mức uvào >= uvào đóng khi đó mạch vẫn giữ
nguyên trạng thái.

Khi giản tín hiệu lối vào uvào < uvào đóng khí đó điện áp lối vào đảo nhỏ hơn điện áp lối
vào thuận, tín hiệu lối ra sẽ chuyển trạng thái từ ura = ura max thành –ura max
16


giản đồ xung lối ra của trigơ smit dùng IC tuyến tính lối vào đảo
4. CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ MỘT TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH
Đây là mạch có một trạng thái ổn định bền. Trạng thái thứ 2 của nó chỉ tồn tại trong
một khoảng thời gian nào đó (phụ thuộc vào các tham số hay là các phần tử trong
mạch điện) sau đó nó sẽ quan trở về trạng thái ổn định bền ban đầu
4.1. Đa hài đợi dùng tranzitor
Ecc

Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng
transitor và giản đồ xung

R

Rc

Rc
R1
ura

C
T1

ub1

ub2

T2

R2
u

vào
Sơ đồ mạch đa hài đợi dùng tranzitor
tương tự như trigơ RS dùng transitor ở
đây ta thay điện trở R 2 bằng tụ C để đưa thành phần hồi tiếp dương xoay chiều từ
colector của Tranzitor T1 về cực Bazơ của tranzitor T2.

Tại thời điển t = t0 khi không có xung lối vào
tác động giả sử tranzitor T2 thông khi đó qua
mạch hồi tiếp R1 về bazơ của T1 làm cho
tranzitor T1 cấm

Uvào

tx
t0

t2

t

UB1

t
Tại thời điểm t = t1 có 1 xung dương lối vào

U
qua R2 đưa vào cực bazơ của T1 là cho T1 mở
+0.6V
t
ngay lập tức khi đó điện áp trên colector của T 1
-E
T
chuyển trạng thái từ +Ecc về xấp xỉ 0V, khi đó
U
t
qua mạch tích phân RC làm cho điện áp trên tụ
C bị lật trạng thái từ 0.6V xuống còn xấp xỉ -Ecc
t
t
t
t
(do tụ C đang được nạp đầy điện từ RC qua tụ C
và qua BE của T2 xuống đất khi đó điện áp trên tụ xấp xỉ E cc, do đó khi thay đổi trạng
B2

ra

ra

x

0

17

1

2


thái tức là làm thay đổi cực xác định trên tụ). Do đó tranzitor T 2 cấm và lối ra ở mức
thấp. Tụ C lúc này được nạp điện từ +E cc qua R, C qua CE của tranzitor xuống đất và
điện áp trên tụ C tăng dần từ -Ecc.
Giản đồ xung tín hiệu ra mạch đa hài đợi dùng tranzitor
Điện áp trên tụ tăng dần biến đổi theo hàm mũ
UBE2 = E(1-exp(-t/RC)
Do điều kiện đầu là UB2(t=t1) = -ECC và khi tụ C nạp đến giá trị cực đại là U B2(t= ∞ ) =
ECC.
Điện áp trên tụ tăng dần cho tới khi UBE2 =0.6 V (tranzitor silic) và 0.3 V với (gesmani)
tương ứng với thời điểm t = t 2 khi đó tranzitor T2 sẽ mở và qua mạch hồi tiếp R 1 từ
colector của T2 sẽ nhanh chóng làm cho T1 cấm và T2 mở bão hòa.
Thời gian kéo dài xung ra là tx = RCln2 = 0.7RC, khi đó mạch sẽ ở trạng thái ổn định
bền và chờ tiếp xung tác động ở lối vào để thay đổi trạng thái tiếp theo ở lối ra.
4.2. Đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán
Với mạch khuếch đại thuật toán trên, mạch được cấp nguồn nuôi là ± ECC, khi đó tín
hiệu lối ra là ± Ura max

Mạch nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toánv lối vào – và +
Với sơ đồ hình A. tại thời điểm ban đầu tnối đất, với trường hợp bỏ qua sụt áp trên Diode, U 0 = -Ura max. Qua mạch hồi tiếp
dương R1R2 điện áp lối ra là -Ura max được đưa tới lối vào P khi đó điện áp lối vào là U p
= β U0 = - β Ura max
Với β =

R1

đây là trạng thái ổn định bền của mạch đa hài đợi dùng khuếch đại
R1 + R2

thuật toán.
18


Tại thời điểm t = t1 có 1 xung vuông lối vào qua mạch RC ta có 1 xung nhọn (xung vi
phân) tác dụng tới lối vào P, khi U vào > β Ura max khi đó lối ra lật trạng thái cân bằng
không bền U0 = Ura max (do UP > U N). Khi đó điện áp trên cực P là U p = β U0 = β Ura max ,
lúc náy tụ C được nạp điện từ lối ra qua RC xuống đất.

Uvào
t
UN
t0

ßUra max

t1

t2
-ßUra max

tx

U0
t1

t

Ura max

t2

t
-Ura max

Giản đồ xung tín hiệu lối ra mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán
Tụ được nạp điện, khi đó điện áp trên tụ C tăng dần cho đến khi tại thời điểm t = t 2
điện áp trên tụ là UC = UN >=UP tại thì điện áp lối ra lật trạng thái U 0 = -Ura max, khi đó
tụ C được phóng điện từ C qua R xuống –Ura max, tụ phóng điện cho tới khi điện áp trên
tụ ≈ 0V thì dừng lại (0.3V gecmani, 0.6V silic) do Diode D thực hiện ghim điện áp ở
cực N không âm quá do tụ C phóng điện. Khi này mạch sẽ trở về trạng thái cân bằng
bền.
Độ rộng xung tx = t2 – t1 liên quan đến quá trình phóng nạp điện cho tụ C từ mức 0V
tới β Ura max .
Điện áp trên tụ C là UC = Umax(1-exp(-t/RC))
Thay giá trị UC(t1) = 0 và UC(t2) = β Ura max thay vào phương trình trên ta được
1

R

1
tx = t2 – t1 =RC ln(1 − ) = RC ln(1 + )
β
R2

5. CÁC MẠCH KHÔNG ĐỒNG BỘ HAI TRẠNG THÁI KHÔNG ỔN ĐỊNH
5.1. Đa hài tự dao động dùng tranzitor

Sơ đồ mạch điện như sau:

19


Sơ đồ nguyên lý độ đa hài tự dao động dùng transistor

Nguyên lý hoạt động:
Thông thường mạch đa hài tự dao động là mạch đối xứng nên hai transistor có cùng
tên, các linh kiện điện trở và tụ điện có cùng một trị số.
Tuy là mạch có các transistor cùng tên và các linh kiện có cùng một chỉ số nhưng các
chỉ số đó không thể giống nhau hoàn toàn do mỗi trở và tụ lại có các sai số khác nhau
dẫn tới việc hai transistor trong mạch dẫn điện không bằng nhau.
Khi cấp nguồn điện sẽ có một transistor dẫn điện mạch hơn và một transistor dẫn điẹn
yếu hơn. Nhờ tác dụng của mạch hồi tiếp dương C 2B1 và C1B2 sẽ làm cho transistor
dẫn mạnh hơn tiến dần đến bão hòa, transistor dẫn điện yếu hơn tiến dần đến cấm hoàn
toàn
20


Giả sử ban đầu transistor T 1 đẫn điện mạnh hơn, khi đó tụ C 1 được nạp điện từ RC2 qua
C1 làm dòng IB1 tăng cao dẫn đến T1 tiến dần đến bão hòa. Khi T1bão hòa, dòng IC1
tăng cao và UC1 = UCE1 sat ≈ 0.2V, Tụ C2 phóng điện từ +C2 qua T1 và R1 về -C2, điện áp
âm trên tụ C2 được đưa vào cực bazơ của transistor T2 làm cho T2 cấm hoàn toàn.
Thời gian cấm của tụ C2 chính là thời gian phóng điện tụ C 2 được đưa tới R1, sau khi tụ
xả hết điện thì cực bazơ của T2 được phân cực nhờ điện trở R1 làm cho T2 dẫn bão hòa
khi đó UC2 = UCE2 sat ≈ 0.2V. Do đó dẫn tới tụ C1 phóng điện, tụ phóng điện từ +C 1 qua
T2 và R1 về -C1 đưa và cực bazơ của T1 làm cho T1 cấm, khi đó tụ C2 được nạp điện từ
+Ecc qua RC1 , +C2 qua bazơ T2 xuống đất làm cho dòng IB2 tăng lên cao và T2 bão hòa
nhanh.

Thời gian cấm của tụ C1 chính là thời gian phóng điện tụ C 1 được đưa tới R2, sau khi tụ
xả hết điện thì cực bazơ của T1 được phân cực nhờ điện trở R2 làm cho T2 dẫn bão hòa
như trạng thái giả thiết ban đầu, hiện tượng này được lặp đi lặp lại tuần hoàn tự dao
động.
Dạng tín hiệu ra ở các chân như sau:
Dạng xung ở các lối ra
Xét cực B1 khi T1 bão hòa: UB1
= 0.6V. Khi T1 cấm C1 phóng
điện làm cực B1 có điện áp âm
(khoảng – Ecc) và điện áp âm
này tăng dần theo hàm mũ.
Lối ra khi T1 bão hòa Ura1 =
0.2V, T1 cấm Ura1 ≈ +Ecc,
dạng tín hiệu lối ra trên
colector của T1 là xung xuông.
Tương tự T2 ta có Lối ra khi T2
bão hòa Ura2 = 0.2V, T2 cấm
Ura2 ≈ +Ecc, dạng tín hiệu lối
tara trên colector của T2 là
xung xuông.

ub1
0.8V

t

C1 phãng ®iÖn

-Ecc

t1

ura1
Ecc

t
ub2
0.8V

t

C2 phãng ®iÖn

-Ecc

ura1
Ecc

t

Dạng xung của 2 lối ra là cùng dạng xung nhưng ngược pha nhau .
Chu kỳ xung lối ra là T = t1 + t2

21


Trong đó t1 là thời gian tụ C1 phóng điện qua R2 từ điện áp –Ecc lên 0V. Vì tụ C1
phóng điện từ -Ecc lên nguồn +Ecc nên điện áp tức thời của tụ là (lấy mức –Ecc làm
gốc) ta có
Uc1(t ) = 2 Ecc.e

−

t1
R2C1

Thời gian t1 để tụ C1 phóng điện từ -Ecc lên 0V là
Ecc = 2 Ecc.e

=>

−

t1
R2C1

t1

=> e R C = 2
2 1

t1
= ln 2 => t1 = ln2*R2C1 = 0.69*R2C1
R2C1

Tương tự thời gian t2 để tụ C2 phóng điện từ -Ecc lên 0V là
t1 = ln2*R1C2 = 0.69*R1C2
Chu kỳ dao động của mạch là
T = t1 + t2 = 0.69( R2C1 + R1C2)
Trong trường hợp mạch đa hài tự dao động có các phần tử đối xứng là

R1 = R2 = R; C1 = C2 = C khi đó chu kỳ dao động của mạch là
T = 2*0.69*RC ≈ 1.4RC
Tần số dao động của mạch là:
f =

1
1
=
T 0.69( R 2 C1 + R1C2 )

Trong trường hợp mạch đa hài tự dao động đối xứng thì ta có
f =

1
1
=
T 1.4 RC

Ví dụ: Thiết kế mạch đa hài tự dao động với các thông số kỹ thuật như sau: Ecc =
12V, dòng điện tải ở cực (dòng bão hòa của transistor) là 10mA, transistor có hệ số
khuếch đại β =100 lần, tần số dao động của mạch là 1KHz, tìm các thông số của
mạch. Giả sử UBE sat = 0.6V, UCE sat = 0.2V.
5.2. Đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán
Sơ đồ mạch như sau:
Sơ đồ mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán (hình vẽ)

22


Nguyên lý hoạt động

R

Giả sử trạng thái lối ra ban đầu là ura = u ra max khi
đó điện áp trên cực P là u P =

ura max
R1 + R2

C

N

R1 tụ điện C sẽ

u
ra

được nạp điện từ u ra max qua R, C xuống đất, điện
áp trên tụ C tăng dần, khi điện áp trên tụ C tăng

P
R2
R1

đến mức uC = uN > uP khi đó lối ra bộ khuếch đại
thuật toán sẽ bị lật trạng thái từ ura = u ra max sang ura
= -u ra max = u ra min , điện áp trên cực P là
uP = −

ura max
R1 + R2

R1 khi đó tụ C lại phóng điện từ C qua R đến -u ra max Tụ phóng điện và

điện áp trên tụ giảm dần, khi điện áp trên tụ uC = uN < uP khi đó lối ra của bộ khuếch
đại thuật toán sẽ lật trạng thái từ ura = -u ra max sang ura = u ra max trở về trạng thái ban đầu
và tự tiếp tục mạch sẽ tự dao động.
Dạng xung ra như sau:
Dạng tín hiệu ra mạch đa hài tự dao
động dùng khuếch đại thuật toán
(hình vẽ)
Chọn Ura max = Ura min = Umax khi đó

UN

Ura max

Ung¾t

U®ãng
-Ura max

UP
Ung¾t

ßUra max

Uđóng = -βUmax ; Ungắt = βUmax
với β =

R1
R1 + R2

t1

t2

t3

-ßUra max

t

U®ãng

là hệ số hồi tiếp

dương của mạch dao động.
Điện áp UN = UC là điện áp biến thiên
theo thời gian khi tụ phóng và nạp
điện từ Umax hoặc -Umax qua điện trở R,
các khoảng thời gian 0 ÷ t1, t1 ÷
t2, ...phương trình điện áp trên tụ điện là

Ura
Ura max
0

t1

t2

t3
-Ura max

t

Tra

dU N
U −U N
U −U N
= ± max
{do UN = icdt/C => ic = C.UN/dt và iR = ± max
}
dt
RC
R

Với điều kiện ban đầu UN (t = 0) = Uđóng = -βUmax ,
Khi đó phương trình trên có nghiệm là:

23

t


UN(t) = Umax[1 – (1 + β exp(-

t
)]
RC

UN sẽ đạt tới ngưỡng lật của trigơ smit sau một khoảng thời gian:
1 + β 
2R
τ = RC ln 
= RC ln(1 + 1 )

R2
1 − β 

(1)

Khi đó chu kỳ (T) của dao động được xác định bởi
T = 2 τ = 2 RC ln(1 +

2 R1
)
R2

(2)

Nếu chọn R1 = R2 ta có T ≈ 2.2RC
Tức là chu kỳ dao động chỉ phụ thuộc vào các thông số của mạch ngoài R 1, R2 (mạch
hồi tiếp dương) và R, C (mạch hồi tiếp âm)
Công thức (1), (2) các xxịnh các tham số cơ bản của mạch về chu kỳ dao động của
mạch và hằng số thời gian τ .
Nếu mạch phức tạp cần có độ ổn định cao và khả năng điều chỉnh tần số ra người ta sử

dụng các mạch phức tạp hơn:
Ví dụ như khi cần có dạng xung lối ra không đối
xứng, sơ đồ dưới đây tạo ra được mạch phóng
nạp không đối xứng giữa R’ và R” với R’ ≠ R”
Với hằng số thời gian là:
τ 1 = R ' C ln(1 +

C

2 R1
2R
) và τ 2 = R " C ln(1 + 1 )
R2
R2

Do đó T = τ 1 + τ 2 = C ( R '+ R ") ln(1 +

R”

D2

R’

D1

N
u
ra

P

2 R1
)
R2

R2

Khi đó bằng cách thay đổi R’ và R” thích hợp ta
thu được tín hiệu lối ra có độ rộng xung phù hợp
so với tín hiệu chúng ta mong muốn.

R1

Nếu muốn xung ra có chu kỳ không đổi thi ta thay đổi các hệ số R’ và R” tỷ lệ với
nhau, tức là khi ta thay đổi tăng R’ lên một lượng là K thì tương ứng ta giảm R” cũng
một lượng là K do đó R’ + R” sẽ không đổi

24