Bài giảng Kỹ thuật xung - Số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT XUNG – SỐ Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) 1 CHƢƠNG 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ QUÁ TRÌNH TÁC ĐỘNG XUNG LÊN KHÂU TUYẾN TÍNH 1.1 Mở đầu Các thiết bị điện tử hiện có rất nhiều chế độ làm việc khác nhau. Một trong số đó rất quan trọng và đang phát triển trong các thiết bị điện, điện tử nói chung hay trong công nghệ chuyển mạch tự động hiện nay đó là chế độ xung. Hay người ta thường gọi đó là chế độ khoá của các mạch điện tử. * Đặc điểm của chế độ xung: - Điện áp (hay dòng điện) không tồn tại liên tục mà tồn tại một cách gián đoạn theo thời gian. * Các ưu điểm cơ bản của thiết bị làm việc ở chế độ xung: - Cho phép thực hiện phép đo khoảng cách đơn giản trong các hệ thống Rada xung. 2 .ct D  Trong đó: - D : là khoảng cách từ vật cần đo đến Rađa (đơn vị tính m) - c : là vận tốc ánh sáng c = 3.108 m/s - t : là khoảng thời gian từ khi phát tín hiệu đi từ Rada đến khi nhận được tín hiệu phản xạ. Được tính bằng giây (s) - Cho phép thực hiện mã hoá tín hiệu cho nên đảm bảo được độ bảo mật thông tin cao. - Tính chống nhiễu của hệ thống làm việc với tín hiệu xung cao bởi vì độ sai lệch cho phép của tín hiệu xung lớn hơn nhiều lần so với tín hiệu tương tự. - Cho phép thực hiện việc nén thông tin, mã hoá thông tin cho nên thực hiện được việc ghép được nhiều kênh thông tin trên cùng một đường truyền tín hiệu. - Dễ dàng ghép nối với hệ thống máy tính để tự động xử lý kết quả và lưu trữ thông tin để xử lý tiếp theo. Thiết bị làm việc ở chế độ xung được gọi là thiết bị xung. Nhiệm vụ chính của môn học là nghiên cứu tín hiệu xung, các quá trình xung và các mạch tạo tín hiệu xung cơ bản. 1.2 Tín hiệu xung và các tham số cơ bản của tín hiệu xung vuông 1.2.1Tín hiệu xung Định nghĩa: Tín hiệu xung là tín hiệu tồn tại gián đoạn theo thời gian. Thời gian tồn tại của tín hiệu rất ngắn có thể so sánh với thời gian quá trình quá độ (QTQĐ) của thiết bị mà nó tác động lên. 2 Thời gian tồn tại của xung được gọi là độ rộng xung, ký hiệu là tx có thứ nguyên là giây (s). Độ rộng xung có tính chất tương đối phụ thuộc vào thiết bị mà chúng tác động lên. Ví dụ: - Trong hệ thống điều khiển tự động tx được tính bằng giây (s). - Trong các hệ thống thông tin liên lạc tx được tính bằng mili giây (ms) đến micro giây (s). - Trong Vật lý hạt nhân thì tx tính bằng nanô giây đến picro giây (ns – ps) 1.2.2 Các dạng tín hiệu xung cơ bản Trong thực tế có nhiều loại tín hiệu xung có dạng khác nhau, thể hiện quy luật biến thiên phức tạp của nhiều loại tín hiệu khác nhau. Chúng ta chỉ xét một số dạng tín hiệu xung cơ bản thường gặp và sử dụng đó là xung chữ nhật (vuông), xung hình thang, xung hàm mũ (xung kim), xung tam giác (xung răng cưa) và xung hình chuông. Các dạng tín hiệu xung được biểu diễn dưới hình vẽ sau: a) b) c) d) e) a) xung chữ nhật; b) xung hình thang; c) xung hàm mũ; d) xung tam giác; e) xung hình chuông Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung thị tần hoặc âm tần. 3 Trong kỹ thuật để truyền tín hiệu xung đi người ta phải tiến hành điều chế chúng bằng tần số sóng mang ở dải tần cao để tránh làm suy giảm tín hiệu quá lớn. Tín hiệu xung được điều chế bởi sóng mang cao tần được gọi là xung cao tần (hay còn gọi là xung xạ tần) U(t) 0 t Hình 1.2: Dạng tín hiệu xung cao tần Trong chương trình chúng ta không xét đến các xung cao tần là tín hiệu đã điều chế mà chúng ta chỉ xét các xung đường bao tức là các xung thị tần hay âm tần. Vì vậy nói đến tín hiệu xung ở đây ta hiểu là xung thị tần hoặc âm tần. 1.2.3 Các tham số của tín hiệu xung vuông Tín hiệu xung được đặc trưng bởi các thông số cơ bản của chúng. Mỗi loại tín hiệu xung có một tham số đặc trưng riêng để đánh giá và khảo sát chúng. Đối với xung vuông ta xét một số tham số cơ bản đặc trưng cho nó với trường hợp tổng quát. u(t) 0 ttđ t x U(m) I(m) i(t) U(m) I(m) t s (+) t s (-) Hình 1.3: Các tham số cơ bản của xung vuông. 4 1-Biên độ xung(Um ; Im ): là giá trị điện áp hay dòng điện cực đại mà tín hiệu xung đạt được. 2-Độ rộng xung tx : là thời gian tồn tại của tín hiệu xung. 3-Độ rộng đỉnh xung tđ : là thời gian tồn tại của đỉnh xung 4-Độ rộng sườn trước ts (+) : là thời gian để cho điện áp hay dòng điện thay đổi từ chân đến đỉnh xung. 5--Độ rộng sườn sau ts (-) : là thời gian để cho điện áp hay dòng điện thay đổi từ đỉnh xung đến chân để kết thúc một xung. 6-Độ sụt đỉnh xung ∆U (∆I): là mức độ suy giảm của điện áp hay dòng điện ở phần đỉnh xung. Độ sụt đỉnh xung có thể đánh giá bằng giá trị tuyệt đối là ∆U hoặc ∆I nhưng cũng có thể đánh giá theo giá trị tương đối tính bằng phần trăm. %100. m U U U  %100. m I I I  Thực tế việc truyền tín hiệu qua môi trường và thiết bị điện tử có dải tần làm việc hạn chế (dải thông của chúng không phải là vô hạn) làm cho méo tín hiệu xung. Vì vậy để xét các đặc trưng thời gian của tín hiệu xung vuông như tx ; ts (+) ; ts (-) ; tđ không thể đạt độ chính xác tuyệt đối mà ở các giá trị gần đúng. Việc xác định các tham số này thông qua giá trị đặc trưng α để khảo sát tuỳ theo yêu cầu chính xác khác nhau. Thông thường α = 0,2; 0,1; 0,05; 0,01. Như vậy việc xác định các tham số thời gian trên được thực hiện ở các mức biên độ tương đối αUm và (1 – α )Um như hình vẽ sau: u(t) 0 ttđ t x U(m) t s (+) t s (-) U(m) U(m) U(m) Hình 1.4: Nguyên tắc xác định các tham số thời gian của tín hiệu xung theo hệ số α . 5 Khi xét dãy tín hiệu xung có chu kỳ lặp lại (tín hiệu xung tuần hoàn) ta còn xét các tham số sau: 7-Chu kỳ lặp lại (tần số lặp) của dãy xung là T (f = 1/T) Dãy xung vuông tuần hoàn có chu kỳ lặp lại được biểu diễn như sau: tx T 8-Độ thưa của chuỗi xung Q = T/tx Độ thưa của chuỗi xung Q thay đổi trong khoảng khá rộng từ một vài đơn vị đến hàng nghìn đơn vị. Đối với các dãy xung có Q < 5 được gọi là dãy xung rộng. Đối với các dãy xung có Q > 5 được gọi là dãy xung hẹp. 9-Hệ số lấp đầy của chuỗi xung T t Q x 1  1.3 Các quá trình đặc trƣng trong mạch xung và lôgic Khi tín hiệu tác động lên các mạch điện tử xảy ra hai quá trình cơ bản đó là quá trình dừng và quá trình quá độ. Quá trình dừng là trạng thái cân bằng về điện ở trong các mạch điện tử. Quá trình quá độ (QTQĐ) là quá trình mạch điện chuyển từ quá trình dừng này sang quá trình dừng khác. Như ở mục trước đã đề cập, độ rộng xung có thời gian nhỏ xấp xỉ thời gian Quá trình quá độ của mạch điện tử mà nó tác động lên, cho nên trong thời gian Quá trình quá độ mạch sẽ làm méo dạng tín hiệu xung, làm thay đổi các tham số thời gian của nó như tx ; ts (+) ; ts (-) ; tđ . Có hiện tượng này là do các phần tử ký sinh trong mạch có tính cảm và tính dung gây lên. Chúng phụ thuộc vào độ rộng của các xung tác động lên mạch và khoảng cách giữa các xung này. Tóm lại: Quá trình quá độ là quá trình chuyển đổi trạng thái của mạch xung. Quá trình quá độ của mạch chủ yếu làm ảnh hưởng đến các tham số độ rộng sườn xung. *Điều kiện để mạch xung làm việc bình thường: - tx >> tQTQĐ Tức là động rộng của xung tác động lên mạch điện phải rất lớn hơn thời gian Quá trình quá độ của mạch mà nó tác động lên. 6 - T – tx >> tQTQĐ Tức là khoảng trống của dãy xung (hay khoảng cách giữa hai xung kế tiếp) phải rất lớn hơn thời gian quá trình quá độ của mạch điện mà nó tác động lên. Khi đảm bảo hai điều kiện này thì việc xét mạch xung (phân tích mạch xung) do tác động của chuỗi xung tương tự như việc xét tác động của một xung đơn lên mạch. Để phân tích tác động của tín hiệu xung lên mạch điện tử chúng ta cũng sử dụng các công cụ toán học như trong giáo trình Lý thuyết mạch. 1.3.1 Đối với mạch tuyến tính Đối với mạch tuyến tính ta sử dụng các phương pháp cơ bản sau: - Phương pháp kinh điển là sử sụng việc mô tả mạch bởi các phương trình vi phân và tích phân với tác động đầu vào và phản ứng đầu ra. Giải phương trình này để tìm quan hệ giữa tín hiệu tác động ở đầu vào với tín hiệu là phản ứng đầu ra của mạch. - Phương pháp toán tử là phương pháp sử dụng thuật toán Laplace để mô tả mạch thông qua hàm ảnh. Sau khi tìm được hàm ảnh của phản ứng đầu ra ta sẽ tìm được hàm gốc phụ thuộc vào thời gian của nó. - Phương pháp phân tích phổ tín hiệu là sử dụng chuỗi Fourier và tích phân Fourier để phân tích mạch tìm phản ứng đầu ra của mạch là hàm của thời gian phụ thuộc vào phổ của tín hiệu vào. - Phương pháp xếp chồng sử dụng tích phân Du – ha – men, nguyên lý xếp chồng, tích phân tín hiệu vào phức tạp thành các tín hiệu đơn giản để tìm phản ứng đầu ra tương ứng với chúng. Tín hiệu ra của mạch chính là xếp chồng các tín hiệu ra thành phần vừa tìm được. 1.3.2 Với mạch phi tuyến Việc phân tích mạch phi tuyến là phức tạp và khó khăn do đó ta thường tính toán gần đúng chúng bằng cách sử dụng phương pháp tuyến tính hoá các phần tử phi tuyến theo đặc tuyến Vôn-Ampe của chúng như sau I(t) 0 U(t) I(t) 0 U(t) A B C a) b) Hình 1.5: Tuyến tính hóa các phần tử phi tuyến 7 Tuỳ theo đặc tuyến Vôn-Ampe của phần tử phi tuyến và yêu cầu độ chính xác phân tích mà ta sử dụng phương pháp tuyến tính nào cho phù hợp. Thiết bị xung là thiết bị phi tuyến ta nên sử dụng phương pháp này để phân tích. 1.4. Tín hiệu xung tác động lên khâu tuyến tính. Khi nghiên cứu mạch xung chúng ta chia làm 2 loại: - Mạch xung tuyến tính - Mạch xung phi tuyến. Tính chất của mạch xung: - Khi tín hiệu truyền qua mạch xung có dạng ở đầu ra bị thay đổi khác với tín hiệu đầu vào thì mạch được gọi là mạch hình thành xung. - Nếu dải thông của mạch đủ rộng cho qua được phần lớn các thành phần phổ chỉ giữ lại một số thành phần không cơ bản khi đó không gây ra méo dạng xung ra so với dạng xung vào. Thì mạch xung được gọi là mạch khuếch đại hay truyền tín hiệu xung. 1.5 Tín hiệu xung tác động lên khâu RC, RL 1.5.1 Điện áp đột biến tác động lên khâu RC, RL a) Sơ đồ khâu RC, RL: Khâu tuyến tính RC, RL được thể hiện ở hình vẽ sau. uR(t) u (t)c R C u v(t) a-Khâu RC uR(t) R L u (t)v uL(t) b-Khâu RL Hình 1.6: Các khâu RC, RL b) Xét mạch RC: Tín hiệu đột biến điện áp là tín hiệu tác động lên khâu RC có dạng như hình 1.7 E t 0 u v (t) Hình 1.7: Tín hiệu vào đột biến điện áp. 8 u v(t) = E 0 t <0 t >0 (1.1) Hằng số thời gian của mạch là: = R.C Điện áp trên tụ biến thiên theo thời gian có dạng: UC(t) = UC(0) + [UC(∞) – UC(0)](1 – e -t/ ) (1.2) Xét tại thời điểm ban đầu (t = 0) ta có UC(0) = 0 Tại thời điểm xác lập (t = ∞) ta có UC(∞) = E Thay vào công thức 2.2 ta tính được: UC(t) = E.(1 – e -t/ ) (1.3) UR(t) = E – UC(t) = E.e -t/ (1.4) Giải thích hiện tượng: Tại thời điểm t = 0 tín hiệu ở đầu vào đột biến ứng với tần số cao làm cho trở kháng tụ C là Cj Z c  1  vô cùng nhỏ, tụ C ngắn mạch do đó toàn bộ lượng điện áp đột biến này được đặt lên điện trở R vì chúng mắc nối tiếp nhau nên luôn đảm bảo: UC(t) + UR(t) = UV(t) = E Tại thời điểm xác lập t = ∞ kết thúc đột biến ứng với tần số rất thấp của tín hiệu vào, tụ C được nạp đầy trở kháng của tụ C là ZC lớn hơn rất nhiều so với điện trở R do đó điện áp chủ yếu được đặt trên tụ C. Quy luật biến thiên điện áp trên tụ C và điện trở R tuân theo quy luật hàm số mũ, với hằng số thời gian  C = R.C phụ thuộc vào tham số của mạch. Được biểu diễn trên hình 1.8 E t 0 u (t)  c u v (t) u c (t) u R(t) Hình 1.8: Quy luật biến thiên điện áp trên R và C 9 c) Xét mạch RL: Với điện áp đột biến tác động lên khâu RL phân tích tương tự như đối với khâu RC ta nhận được kết quả: UR(t) = E.(1 – e -t/ ) (1.3) UL(t) = E – UC(t) = E.e -t/ (1.4) Nhưng ở đây hằng số thời gian  được tính bằng hằng số thời gian  = L/R phụ thuộc vào tham số của mạch. Quy luật biến thiên điện áp trên điện trở R và L được biểu diễn trên hình 2.4. Giải thích hiện tượng: Tại t = 0 tín hiệu đầu vào đột biến tần số của tín hiệu tác động rất lớn do đó trở kháng của cuộn cảm ZL = jωL có giá trị lớn hơn rất nhiều so với giá trị của điện trở R cho nên ta có: Ura = UR(0) + UL(0) = i.R + i.|jωL| ≈ UL(0) = E Như vậy sụt áp chủ yếu đặt lên cuộn cảm L. Tại t = ∞ lúc đó tần số của tín hiệu vào rất thấp làm cho ZL nhỏ chủ yếu là điện trở thuần của các vòng dây do đó điện áp rachủ yếu dặt lên điện trở R. E t 0 u (t)  L u v (t) u R(t) u L (t) Hình 1.9: Quy luật biến thiên điện áp trên R và L Việc xác định  C và  L có thể thông qua đồ thị theo phương pháp tiếp tuyến với đồ thị tại điểm t = 0 với các đồ thị uR(t); uC(t); uL(t). Tại thời điểm các tiếp tuyến này giao nhau với trục hoành 0t hoặc đường uV(t) = E ta xác định được  C hoặc  L chính là khoảng thời gian từ 0 đến giao điểm đó. Phương pháp xác định được chỉ ra trên hình 1.8 và hình 1.9. 1.5.2 Xung vuông tác động lên khâu RC, RL a) Đối với mạch RC Xét xung vuông có biên độ E độ rộng tx. Xung này có thể phân tích ra thành 2 điện áp đột biến u1(t) và u2(t) có biên độ E được biểu diễn trên hình (1.10) 10 u v(t) E t x u 1(t) E u 2(t) -E t t t 0 0 0 Hình 1.10: Phân tích xung vuông thành 2 điện áp đột biến Phương trình được mô tả như sau: u v(t) u 1(t) u 2(t)= + (1.7) u v(t) = E 0 0 0>t 0 < t < tx tx < t (1.8) u 1(t) = E 0 t < 0 t > 0 (1.9) u 2(t) = -E 0 t < tx t > tx (1.10) 11 Khâu RC là khâu tuyến tính do đó ta áp dụng được nguyên lý xếp chồng. Khi xung vuông này tác động lên khâu RC theo nguyên lý xếp chồng điện áp ra trên điện trở và tụ điện C sẽ là xếp chồng của hai điện áp ra do U1(t) và U2(t) gây lên trên chúng. Áp dụng kết quả ở mục 1 ta được: uC1(t) = E.(1 – e -t/ ) (1.11) uC2(t) = -E.(1 – e -t/ ) (1.12) uR1(t) = E.e -t/ (1.13) uR2(t) = -E.e -t/ (1.13) Tổng hợp lại ta nhận được: u c(t) = 0 (E - U)[1 - e ] t < 0 0 < t < tx t > tx E(1 - e ) t/ t - tx  (1.14) u R(t) = 0 -(E - U).e t < 0 0 < t < tx t > tx E.e t/ t - tx  (1.15) Với tx là độ rộng của xung tx < ∞ Trong đó ∆U = E.e-tx/ ∆U được gọi là độ sụt đỉnh xung ra so với xung vào nó phụ thuộc vào biên độ xung vào E và tỷ số giữa độ rộng xung vào tx với hằng số thời gian của mạch nó tác động lên  = R.C. Tỷ số này càng lớn thì xung ra càng gần với dạng xung vào, tức là tín hiệu ra càng ít bị méo dạng. Dạng của tín hiệu ra trên R và C được mô tả trên hình 1.11. 12 E t 0 u (t) uv (t) u c1(t) u R1 (t) u R2 (t) u c1 (t) -E U U tx tx tx 0 0 E E u R (t) u c (t) t t -E Hình 1.11: Biểu diễn sự biến thiên điện áp trên R và C với tín hiệu tác động vào là xung vuông đơn Xét tỷ số giữa độ rộng xung tx và hằng số thờ gian của mạch  = RC. Quan của chúng được biểu diễn như sau: 13 0 E u c (t) t /tx = 0,1 0,3 1,0 a) tx 0 E u R (t) t 3 3 1 1 2 2 /tx = 10,0 1,0 0,3 b) Hình 1.12: Quan hệ giữa  và tx ảnh hưởng đến dạng tín hiệu ra trên tụ điện và điện trở a) Trên tụ điện b) Trên điện trở. * Đối với tụ điện: - Tỷ số  /tx càng lớn thì méo tín hiệu trên tụ càng lớn. - Tỷ số  /tx càng nhỏ thì méo tín hiệu trên tụ càng nhỏ khi  / tx < 0,03 phản ứng đầu ra trên tụ ít méo dạng mà gần giống dạng xung tác động ở đầu vào. - Khi  /tx > 0,3 uC(t) không kịp tăng đến mức biên độ E trong khoảng thời gian tồn tại của xung tx, biên độ xung ra nhỏ, điện áp trên tụ có dạng giống tín hiệu điện áp răng cưa. * Đối với điện trở: - Khi tỷ số  /tx tăng lên thì độ sụt đỉnh xung U lớn lên dạng điện áp trên điện trở có dạng điện áp xung nhọn như tín hiệu vi phân của xung đầu vào. Khi  /tx ≥ 10 dạng điện áp ra gần giống dạng điện áp tác động ở đầu vào. Điện áp trên điện trở là hình thang. - Khi tỷ số  /tx giảm đi thì độ sụt đỉnh xung U càng tăng lên khi  /tx ≤ 0,1 thì dạng điện áp trên điện trở là dạng xung nhọn vi phân của xung vuông. 14 b) Đối với khâu RL Chúng ta xét tương tự như khâu RC và ta cũng nhận được các kết quả như đã xét với khâu Rc với hằng số thời gian là  =L/R. Giá trị điện áp trên L trong mạch RL giống như giá trị điện áp trên điện trở R trong mạch RC. Còn giá trị điện áp trên điện trở R trong mạch RL giống như điện áp trên tụ C trong mạch RC. Bài tập chƣơng 1. Trình bày tín hiệu xung và các tham số cơ bản của tín hiệu xung 2. Trình bày các quá trình đặc trưng trong mạch xung và lôgic 3. Trình bày quá trình tác động xung lên khâu tuyến tính 4. Trình bày quá trình tín hiệu xung tác động lên khâu RC, RL 4.1 Cho mạch điện với các tham số linh kiện như hình vẽ: Biết uv(t) là xung vuông có biên độ U = +10V và tần số là 1kHz. a. Hãy xác định các giá trị điện áp trên điện trở và tụ điện trong một chu kỳ của tín hiệu vào? b. Vẽ dạng tín hiệu trên điện trở và tụ điện. R C uv(t) uR(t) uC(t) 1k 1F 4.2 Cho mạch điện với các tham số linh kiện như hình vẽ: Biết uv(t) là xung vuông có biên độ U = +5V và tần số là 5kHz. a. Hãy xác định các giá trị điện áp trên điện trở và cuộn cảm trong một chu kỳ của tín hiệu vào? b. Vẽ dạng tín hiệu trên điện trở và cuộn cảm. R uv(t) uR(t) uL(t) 560 100mHL 4.3. Câu hỏi như bài 4.1 nhưng xung vào có biên độ U = -10V 4.4. Câu hỏi như bài 4.2 nhưng xung vào có biên độ U = -5V 15 CHƢƠNG 2: MẠCH BIẾN ĐỔI XUNG Mạch biến đổi xung là mạch dùng để tạo ra các dạng tín hiệu xung có dạng khác với tín hiệu xung tác động ở đầu vào theo một yêu cầu kỹ thuật nào đó.. 2.1 Mạch khoá điện tử Để xây dựng các mạch xung, ngoài các phần tử tuyến tính còn phải sử dụng các phần tử phi tuyến. Phần tử phi tuyến điển hình thường được sử dụng để xây dựng các mạch xung đó là khoá điện tử. 2.1.1 Định nghĩa Khoá điện tử là phần tử phi tuyến làm việc ở chế độ xung, nó có 2 trạng thái cân bằng là trạng thái đóng và trạng thái ngắt. Để chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác chúng ta phải sử dụng tín hiệu điều khiển ở bên ngoài. Ưu điểm của khoá điện tử so với khoá cơ khí. - Kích thước gọn nhẹ - Tốc độ chuyển trạng thái cao - Độ tin cậy làm việc cao (ít hỏng hóc khi làm việc) - Độ nhạy làm việc cao (công suất tín hiệu điều khiển nhỏ) - Không gây đánh lửa khi làm việc (không gây nhiễu cho các thiết bị khác) - Có thể sản xuất hàng loạt, do đó giá thành của thiết bị rẻ 2.1.2 Mô hình tổng quát của khoá điện tử và các yêu cầu cơ bản. a) Mô hình khoá điện tử: Được mô tả dưới dạng mạng 4 cực như hình vẽ. Vµo Ra Hình 2.1: Mô hình khoá điện tử. Đóng vai trò chủ yếu trong khoá điện tử là phần tử phi tuyến, đó là: Điốt, đèn điện tử, Transistor. Trạng thái làm việc giống như khoá cơ học, khi khoá đóng ứng với trạng thái dẫn điện của phần tử phi tuyến, khi khoá ngắt ứng với trạng thái không dẫn điện của phần tử phi tuyến. 16 b) Các yêu cầu cơ bản đối với khoá điện tử: - Điện trở trong của khoá ở trạng thái đóng là R (+) nhỏ, ở trạng thái ngắt là R (-) phải lớn. Lý tưởng thì R(+) = 0 và R(-) = ∞ . Điện trở trong của khoá quyết định độ nhạy của khoá và độ lớn lượng sụt áp trên khoá. - Tốc độ chuyển đổi trạng thái của khoá phải lớn (tần số làm việc). - Độ nhạy của khoá phải lớn (tức là yêu cầu công suất nguồn kích thích để khoá chuyển trạng thái phải nhỏ). - Độ tin cậy làm việc cao, kích thước gọn nhẹ, giá thành hạ. - Độ ổn định mức ngưỡng của khoá phải lớn (là giá trị điện áp hay dòng điện của khoá mà tại đó xảy ra quá trình chuyển đổi trạng thái của nó) - Độ ổn định mức ngưỡng của khoá phụ thuộc vào độ ổn định của nguồn cung cấp, độ ổn định của môi trường xung quanh, tính chất làm việc ổn định của các phần tử phi tuyến nằm trong mạch khoá. 2.2 Khoá dùng Tranzitor Khoá dùng Transistor là loại mạch khoá thông dụng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. 2.2.1 Các kiểu mắc Transistor trong mạch khoá Việc mắc Transistor trong mạch khoá hoàn toàn giống như trong các mạch khuếch đại, nhưng chế độ làm việc của Transistor trong mạch khoá khác hẳn chế độ làm việc của nó trong mạch khuếch đại. Ở trong mạch khuếch đại điểm làm việc của Transistor nằm trong vùng khuếch đại đoạn tuyến tính của đặc tuyến Vôn – Ampe. Ở mạch khoá điểm làm việc của Transistor không nằm cố định ở vùng khuếch đại mà di chuyển từ vùng cắt khi khoá tắt sang vùng bão hoà khi khoá thông. Cách mắc Transistor trong mạch khoá có 4 kiểu giống như trong mạch khuếch đại. Đó là: - Mắc cực Emitơ chung (EC) - Mắc cực Bazơ chung (BC) - Mắc cực Colectơ chung (CC) - Mắc theo kiểu hình sao. Kiểu mắc EC thường được sử dụng trong trường hợp khuếch đại tín hiệu. Kiểu mắc BC thường được sử dụng trong mạch điều khiển nguồn. Kiểu mắc CC thường được sử dụng trong các mạch phối hợp trở kháng. Kiểu mắc hình sao thường được sử dụng tạo ra 2 tín hiệu ngược pha nhau. Trong thực tế kiểu mắc EC thường được sử dụng nhất bởi vì nó có một số ưu điểm 17 - Hệ số khuếch đại cả điện áp lẫn dòng điện lớn. - Công suất tín hiệu kích thích để khoá chuyển trạng thái nhỏ (tức là độ nhạy làm việc cao) - Độ ổn định làm việc tốt. Rb R c T C v u v(t) u r(t) +Ec a) Mắc Emitơ chung uv(t) u r(t) +Ec T R b R c R E b) Mắc Bazơ chung R b R E T C v uv(t) u r(t) +Ec c) Mắc Colectơ chung R b R E T C v uv(t) u r1(t) u r2(t) R c +Ec d) Mắc hình sao Hình 2.2: Các kiểu mắc Transistor trong mạch khoá 2.2.2 Quá trình dừng trong khoá EC Xét mạch khoá EC RB RC T u v(t) u r(t) +E c E 2 E 1 UBE UCE Hình 2.3: Sơ đồ mạch khoá EC 18 IC CE CR CEU C ECEU bh0 A B B1I B2I B3I B4I B5I B6I I II III Hình 2.4: Đặc tuyến Vôn – Ampe. iC = f(UCE) với iB = const Đặc tuyến Vôn – Ampe này được chia làm 3 vùng: I – Là vùng khuếch đại II – Là vùng bão hoà III – Là vùng cắt. Từ phương trình EC – ICRC – UCE = 0 (2.1) Ta có: C CEC C R UE I   Chúng ta xét lần lượt các chế độ làm việc của khoá. a) Chế độ tắt: Ở chế độ tắt điện áp trên khoá làm cho mặt ghép E-B và B-C của transistor đều phân cực ngược khi đó trong mạch chỉ tồn tại các dòng điện ngược nhỏ. IB (-) ≈ - IC0 ; IC (-) ≈ +IC0 00 )( CC n C III     ; IC (-) ≈ 0 Trong đó β là hệ số khuếch đại dòng của Transistor trong sơ đồ EC mắc phân cực thuận. Trong đó βn là hệ số khuếch đại dòng của Transistor trong sơ đồ EC mắc phân cực ngược. Các dòng ngược IB (-) , IC (-) và IC0 được biểu diễn trên Hình 2.5. 19 0 -IC0 +IC0 i -UCC i C (-) i C (-) i B (-) Hình 2.5: Biểu diễn dòng ngược IB (-) , IC (-) và IC0 Trong đó IC0 là dòng điện cực C khi tắt, IC0 phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, nó có giá trị khá nhỏ. + Trong sơ đồ trên tại đầu vào ta có: IB (-) .RB + UBE (-) – E1 = 0 (2.2) Ta rút ra biểu thức sau: UBE (-) = E1 – IC0max.RB ≤ UBE tắt. (2.3) Khi RB tăng thì điện áp đặt vào phải tăng, tức là biên độ điện áp vào phải lớn khoá làm việc kém nhạy. UBE tắt là điện áp mặt ghép B-E để Transistor tắt + Tại đầu ra ta có: UCE (-) = EC – IC0.RC (2.4) Chọn RC nhỏ sao cho IC0.RC << |EC| thì UCE tắt = EC (2.5) Hai điều kiện (2.3) và (2.5) cần thiết để khoá tắt. b) Chế độ thông *Chế độ khuếch đại: Lúc này B-E được phân cực thuận mức tín hiệu vào mạch khoá chuyển lên E2. β là hệ số khuếch đại dòng của Transistor trong khoá EC. - ở mạch ra ta có: 20 IC = β IB + (β + 1).IC0 ≈ β IB vì IC0<< IB Ta có: EC - UCE (+) - ICRC = 0 (2.6) Ta suy ra C CEC C R UE I   và UCE (+) = EC – ICRC (2.7) UCE (+) là lượng điện áp dư sụt trên khoá. - ở mạch vào ta có: E2 – IBRB – UBE (-) = 0 suy ra B BE B R UE I )( 2   B BBE R E IEU 22 )(  (2.8) *Chế độ bão hoà: Trong chế độ bão hoà ta có R(+) = 0 Khi đó IC = β IB + (β + 1).IC0 và ta có: ICbh = β IBbh + (β + 1).IC0 C C C CEbhcC Bbh R E R UEI I     (2.9a) Để cho Transistor làm việc ở chế độ bão hoà phải chọn RC sao cho IB ≥ IBbh của Transistor cho trước. Ta có thể tính bằng biểu thức: IB = S.IBbh Bbh B I I S  trong đó S là độ sâu bão hoà. (2.9b) Trong thực tế thường chọn S = 1,5 ÷ 3. Nếu chọn IB quá lớn sẽ vào bão hoà sâu. 2.2.3 Quá trình quá độ trong khoá EC Khi khoá chuyển trạng thái từ B sang A cần phải có thời gian tđóng RB RC T u v(t) u r(t) -E c E 2 E 1 UBE UCE Hình 2.6: Sơ đồ mạch khoá EC dùng PNP 21 t 1 t 2 ®ãng ng¾t t E 1 U v (t) tÝch luüt tiªu t¸nt st (+) st (-) 0t E 2 -E C UCEbh IB2 IB1 IBbh Q BH Qmax Q 0 t t t Hình 2.7: Giản đồ thời gian đóng và ngắt của khoá điện tử 22 *Thời gian đóng khoá: Biểu đồ điện áp có thể được phân tích như sau: - Tại thời điểm t < t1 khi tín hiệu vào điều khiển ở mức E1 Transistor tắt khi đó IB (-) = - IC0 . Điện tích trên khoá Q(t) = Q0 ≈ 0; IC (-) = IC0. - Tại thời điểm t = t1 tín hiệu điều khiển ở đầu vào khoá đột biến chuyển từ mức E1 xuống mức E2 . Dòng IB tăng đột biến từ mức – IC0 đến mức IB1>>0. Điện tích Q(t) tăng theo quy luật hàm mũ. - Tại thời điểm t > t1 tín hiệu đầu vào ở mức E2, dòng IB = IB1 điện tích trong cực Bazơ Q(t) tăng đến giá trị Qmax . Điểm công tác của Transistor chạy theo đường tải một chiều từ B đến A. Dòng IC tăng theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian  β . Tương tự UCE cũng tăng theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian  β . * Theo biểu đồ điện áp thì thời gian đóng khoá được tính theo biểu thức sau: tđóng khoá = t0 + ts (+) + tt ich luỹ (2.10) * Thời gian trễ ban đầu t0: )( 1 0 BBE B CBEB UU I CC t    (2.11) B B R E I 21  (2.12) Để t0 nhỏ thì dòng điện IB1 phải lớn có nghĩa là RB chọn phải có giá trị nhỏ. * Thời gian tăng xung tS (+) (chuyển điểm làm việc tử B đến A): ) 1 ln(.)(   S S tS  (2.13) *Thời gian tích luỹ tt ích luỹ: tt ích luỹ = 3β (2.14) Transistor được coi là đối xứng khi β =BH Trong đó  β là thời gian sống của động tử trong cực B của Transistor trong chế độ khuếch đại được tính theo biểu thức:      f2  (2.15) *Thời gian ngắt khoá: - Tại thời điểm t < t2 tín hiệu vào ở mức E2 < 0, UBE < 0 Transistor thông bão hoà, dòng IB = IB1 ≥ IBbh . IC = ICbh, UCE = UCEbh ≈ 0. 23 - Tại thời điểm t = t2 ở đầu vào tín hiệu đột biến từ mức E2 0 làm cho UBE tăng đột biến > 0 đồng thời dòng IB giảm đột biến từ mức IB1 > 0 xuống mức IB2 < 0 có biên độ lớn. Điện tích Q(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là  bh. Khi đó dòng điện cực C iC(t) và điện áp UCE (+) giảm không đáng kể. - Khi điểm làm việc của Transistor chạy từ điểm làm việc bão hoà ở chế độ xác lập khi t < t2 đến đường tới hạn đó chính là thời gian tiêu tán điện tích Q đã tích luỹ trên khoá ở thời gian đóng khoá. - Khi điểm làm việc của khoá bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà chạy trong vùng khuếch đại thì kết thúc quá trình tiêu tán điện tích trong cực B của Transistor và bắt đầu thời gian sườn sau của xung ra tS (-) . Lúc này Q(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian  β đến giá trị Q(0) ≈ 0. Lúc đó dòng iC(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là  β tới giá trị IC0 ≈ 0 khá nhỏ. Tương ứng với thời gian đó thì điện áp uCE(t) cũng giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian  β từ giá trị UCE ≈ 0 về giá trị UCE(0) = IC0.RC – EC ≈ - EC. Khi điểm làm việc của khoá bắt đầu đi vào vùng cắt thì kết thúc thời gian khoá ngắt (tn). Như vậy sau khoảng thời gian kể từ khi có xung tác động vào thời điểm t = t2 đến khi điểm làm việc của khoá bắt đầu đi vào vùng cắt thì khoá ngắt. Và thời gian khoá ngắt được tính theo công thức sau: tngắt = ttiêu tán + tS (-) (2.16) ) || || ln( 2 12 BbhB BB tt II II t     (2.17) ) || 1ln( 2 )( B Bbh S I I t   (2.18) Trong đó B B R E I 22  (2.19) Tóm lại: Khi làm việc trong thời gian khoá chuyển trạng thái do xuất hiện thời gian quá trình quá độ chính là tồn tại các đại lượng thời gian tđóng và tngắt khác 0. Do đó ta có thể biểu diễn quan hệ giữa xung tác động đầu vào với xung phản ứng đầu ra của khoá điện tử như hình vẽ (2.8) Kho¸ ®iÖn tö Hình 2.8: Quan hệ tín hiệu vào và ra trên khoá điện tử. 24 2.2.4 Các phƣơng pháp tăng tốc cho khoá điện tử Căn cứ vào các biểu thức tính thời gian đóng khoá và ngắt khoá chúng ta có các giải pháp để tăng tốc độ cho khoá điện tử như sau: - Chọn phần tử khoá điện tử cho phù hợp. (dòng IC khuếch đại phải lớn, tần số làm việc phải cao) chọn Transistor cao tần. - Giảm thời gian bão hoà sâu thật ngắn bằng tụ tăng tốc hoặc điốt tăng tốc. Mục đích là phải làm cho S phải lớn có thể tới ∞ nhưng trong một khoảng thời gian ngắn để tS (+) ≈ 0. a) Dùng tụ tăng tốc: Thay RB = RB1 + RB2 và mắc thêm tụ tăng tốc như hình vẽ (2.9). C R C R B1 R B2 T E C a) I B1 I Bbh t 0 i b) Hình 2.9: a) Sơ đồ dùng tụ tăng tốc cho khoá điện tử b) Quá trình biến thiên dòng điện tại cực B của Transistor Nguyên tắc hoạt động như sau: - Khi có tín hiệu đột biến tại đầu vào thì tụ C coi như bị ngắn mạch cho nên điện trở đầu vào RB = RB1 suy ra IB = IB1 = E2/RB1 - Khi tín hiệu không còn đột biến nữa thì dòng điện IB = IBbh = E2/RB. Như vậy ta đã tạo được sự đột biến của dòng IB tại thời điểm đầu của đột biến để đưa nhanh khoá vào trạng thái bão hoà sâu, sau đó dòng IB giảm dần đến giá trị IBbh. Và rút ngắn được thời gian tích luỹ của điện tích tại cực B của Transistor. b) Dùng điốt tăng tốc: Do điện trở RB rất lớn cho nên thời gian để lượng điện tích tại cực B của Transistor cũng tương đối lâu, cho nên khi mắc thêm điốt vào mạch điện như hình vẽ thì thời gian để tiêu tán hết lượng điện tích dư thừa sẽ được rút ngắn. Bởi vì điện trở thuận của điốt nhỏ mắc song song với RBE nên điện trở đầu vào là điện trở song song rất nhỏ. Nên thời gian tiêu tán điện tích giảm đi rất nhiều. 25 R C R B T E C D Hình 2.10: Mạch khoá dùng điốt tăng tốc c) Ghim điểm làm việc ở chế độ thông khuếch đại Có nghĩa là ghim điện áp UCE ở một giá trị gần với giá trị UCEbh. R C R B T E C D E ghim a) IC CE CR CEU CE CEU bh 0 A B B1I B2I B3I B4I B5I B6I I II IIIghimU b) Hình 2.11: a) Mạch khoá ghim điểm làm việc b) Đặc tuyến V-A với Ughim Nguyên tắc như sau: - Khi IB tăng lên thì IC cũng tăng lên và như vậy UCE cũng dương dần lên. Đến khi UCE > Eghim thì D được phân cực thuận. Lúc này dòng Ic không tăng được nữa vì dòng điện lúc này rẽ nhánh qua điốt. Vì vậy giá trị của UCE cũng không tăng được nữa chỉ bằng giá trị của Eghim. Như vậy muốn ghim điện áp UCE tại giá trị nhỏ hơn UCEbh phải chọn giá trị Ughim như sau: Eghim > UCEbh. 2.3 Khoá dùng điốt 2.3.1 Các loại điốt xung Trong kỹ thuật xung sử dụng các linh kiện bán dẫn, yêu cầu độ rộng sườn xung nhỏ, gây méo tín hiệu xung ít. Đối với việc sử dụng điốt làm phần tử trong mạch xung 26 người ta thường sử dụng các loại điốt có điện dung mặt ghép nhỏ Cmặt ghép = 1 ÷ 2 pF. Còn với điốt thông thường thì Cmặt ghép = 10 ÷ 20 pF. Để đảm bảo độ rộng sườn nhỏ, độ ổn định ngưỡng cao người ta thường sử dụng điốt tiếp điểm và điốt Schotky để thiết kế mạch xung. 2.3.2 Đặc trƣng của điốt làm việc ở chế độ xung Đặc tuyến V-A của điốt xung có dạng như hình vẽ 3.12. Trên sơ đồ Hình 2.12 điểm A là điểm làm việc trong trạng thái đi ốt tắt ứng với điện áp đặt lên đi ốt là – U0 dòng ngược trong đi ốt là –I0. Điểm B là điểm làm việc trong trạng thái thong(đi ốt thong) ứng với điện áp đặt lên đi ốt là + U1 dòng chạy qua đi ốt là I1. BI 1 U1 -U0 I 0 U I Hình 2.12: Đặc tuyến Vôn – Ampe của điốt xung Để chuyển trạng thái làm việc cho di ốt chúng ta dung tín hiệu điều khiển bằng mức ở ngoài thoả mãn các mức –U0 và +U1 như đã phân tích. Sơ đồ tương đương của điốt làm việc ở chế độ xung được chỉ ra trên Hình 2.13a I0 A K Di E0 i e 0 i 0 a.Sơ đồ tương đương b) Đặc tuyến lý tưởng Hình 2.13:Sơ đồ tương đương của diode Hình 2.13 a và b chỉ ra sơ đồ tương đương và đặc tuyến lý tưởng của điốt làm việc ở chế độ xung. 27 2.3.3 Sơ đồ khoá dùng điốt bán dẫn D e t R n R 0 E 0 R t a) Sơ đồ nối tiếp D e t R n R 0 E 0 R t b)Sơ đồ song song Hình 2.14: Các kiểu khoá dùng điốt Trong sơ đồ Hình 2.14 a,b nguồn điện 1 chiều E0 là nguồn thiên áp để xác định điểm là việc của điốt khi tắt (-U0) mắc với điện trở thiên áp R0 để bảo vệ đi ốt không bị đánh thủng. Đ là đi ốt làm mạch khoá thường dùng là đi ốt xung. e(t) là tín hiệu điều khiển chuyển trạng thái cho đi ốt e(t) thường là điện áp mức tương ứng để sao cho di ốt thông sẽ có mức (+U1). Sơ đồ tương đương của mạch khoá đi ốt được chỉ ra trên Hình 2.15 e td Rt1 D Hình 2.15: Sơ đồ tương đương của khoá điốt Đối với sơ đồ nối tiếp các giá trị của nguồn tương đương (e td) và điện trở tương đương (Rtd) được xác định theo công thức: Rtd = Rn + etd = e(t) - E0 Đối với sơ đồ song song ta có : = + + etd = Rtd . 28 2.3.4. Quá trình quá độ trong mạch khóa điốt : Ta xét tín hiệu điều khiển mạch khoá là xung vuông với biên độ Umv=E2 + E1. Ta xét sơ đồ khoá đi ốt như Hình 2.16 a R e (t) D C rs U(t) Rn e t C Ut a) sơ đồ khoá điốt b) Sơ đồ tương đương Hình 2.16:Sơ đồ mạch khoá điot Trên sơ đồ R là điện trở hạn chế mạch vào tín hiệu điều khiển Cks là điện dung ký sinh bao gồm điện dung lắp ráp và điện dung phản ánh của mạch tải ,e(t) là nguồn điều khiển. Điện dung tương đương Ctd= CAK + CRS trong đó CAK là điện dung mặt ghép của đi ốt. Biểu đồ điện áp của mạch khoá được chỉ ra trên Hình 2.17 U(t) U 0U 1E 0,9U ga m s (t) 2 E t t m tt e Hình 2.17 :Biểu đồ điện áp mạch khoá điốt Điện áp trên đi ốt được xác định theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian τ td= RCtd U=E1- (E1+E2) Thời gian trước ts được xác định theo công thức : ts (+) = τtd .ln[ 1+(E2 + e0)/(E1-e0) ] 29 2.3.5. Ứng dụng của khoá điốt : Khoá điốt được sử dụng nhiều trong các hệ thống chuyển mạch,các hệ thống chuyển kênh trong thiết bị điện thoại số.Nó sử dụng trong các máy thu thông tin để chọn băng sóng làm việc,chọn các bộ ngoại sai khác nhau cũng nhu chọn các bộ lọc và các bộ giải điều chế với các vùng thu có nhiều chế độ làm việc khác nhau. 2.4 Mạch hạn chế biên độ và ghim mức tín hiệu. 2.4.1 Mạch hạn chế biên độ. 1.Khái niệm: a. Định nghĩa : Mạch hạn chế biên độ là mạch điện tử mà tín hiệu điện áp ra không thay đổi khi giá trị tín hiệu điện áp vào vượt quá 1 mức điện áp nào đó cho trước. - Mức điện áp cho trước này được gọi là mức ngưỡng. - Khi giá trị điện áp vào vượt mức ngưỡng xảy ra quá trình hạn chế thì gọi là bộ hạn chế trên,còn khi điện áp vào nhỏ hơn mức ngưỡng xảy ra quá trình hạn chế thì gọi là bộ hạn chế dưới. b. Đặc tuyến của bộ hạn chế biên độ : Đặc tuyến của bộ hạn chế biên độ được chỉ ra trên Hình 2.18 c.Các tham số cơ bản của bộ hạn chế: - Độ ổn định mức ngưỡng hạn chế (giá trị ngưỡng e1 và e2 ) phụ thuộc vào tính ổn định của phần tử hạn chế. - Độ rõ ràng tại điểm gãy khúc của đặc tuyến hạn chế (tại điểm xảy ra quá trình hạn chế là gãy khúc hay là uốn cong) u rat 0 U1 E1 a) u rat u V(t) 0 C2 U2 b) 30 U2 C2 C1 u rat U 1 u V(t) c) Hình 2.18 : Đặc tuyến bộ hạn chế biên độ a.Hạn chế dưới b.hạn chế trên c.Hạn chế 2 chiều Đặc tuyến và tham số của bộ hạn chế biên độ giống đặc tuyến vôn- ampe của các phần tử phi tuyến như di ốt, đèn điện tử hoặc tranzistor,pherit.Do đó chúng ta sử dụng các linh kiện phi tuyến này để xây dựng các bộ hạn chế biên độ. d.Công dụng của bộ hạn chế : - Bộ hạn chế biên độ được xây dựng để thực hiện việc chọn các xung cùng cực tính từ dãy xung hai cực tính trong quá trình chọn xung tin hiệu.Bởi vì trong quá trình xử lý,gia công và truyền tín hiệu người ta phát đi dãy tín hiệu mang nhiều tham số khác nhau.Một trong các cách đó là phát các nhóm xung cùng cực tính trong tín hiệu tổng là dãy xung hai cực tính.khi thu được dãy xung nay cần phải tách riêng chúng ra để xử lý.Quá trình tách hau xung cùng cực tính từ dãy xung hai cực tính được chỉ ra trên Hình 2.19 - Tách xung đồng bộ tring các hệ thống tạo quét màn hình. Để đồng bộ quá trình tạo quét dòng và quét màn hình với hình ảnh cần hiển thị, người ta phát kèm tín hiệu đồng bộ với tín hiệu hình ảnh .Tín hiệu này gọi là tín hiệu tổng hợp.Bộ tao tín hiệu quét sẽ được khởi động để tạo ra tín hiệu quét tại thời điểm có xung đồng bộ xuất hiện.Nhiệm vụ của bộ tách xung đồng bộ là tách tín hiệu đồng bộ ra khỏi tín hiệu ảnh trong tín hiệu tổng hợp.Sơ đồ khối,sơ đồ nguyên lý và biểu đồ điện áp được chỉ ra trên Hình 2.20 -Hạn chế tín hiệu trước khi thực hiện tách sóng tần số để loại trừ hiện tượng điều biên ký sinh với tín hiệu điều chế tần số để đảm bảo chất lượng thông tin. Như chúng ta đã biết việc điều chế tín hiệu có thể là điều chế tấn số tức là tần số của tín hiệu sau khi điều chế sẽ thay đổi theo hàm mũ của tín hiệu điều chế.Khi thu được tín hiệu điều tần do quá trình xử lý tín hiệu trên đường truyền và trong hệ thống thì biên độ 31 của tín hiệu điều tần biến thiên do hiện tượng điều biên ký sinh gây nên.Sự biến thiên này nếu không khử bỏ sẽ gây ảnh hưởng đến tín hiệu tách sóng tần số. Vì vậy trước khi tách sóng tần số người ta phải đưa tín hiệu điều tần thu được qua bộ hạn chế biên độ để loại bỏ hiện tượng điều biên ký sinh này.Sơ đồ khối và biểu đồ điện áp quá trình hạn chế biên độ của tín hiệu điều tần được miêu tả trên Hình 2.21 BỘ CHỌN XUNG CÙNG CỰC TÍNH ra 1(t) v(t) U ra 2(t)U a. Sơ đồ khối v(t) t v(t) t b.Biểu đồ điện áp Hình 3.19 :Bộ chọn xung cùng cực tính Mạch tách Xung đồng bộ U V(t) U rat Tín hiệu ảnh tổng hợp Tín hiệu xung đồng bộ a.Sơ đồ khối 32 R R R c 1 2 v(t) ra(t) C U +E C TU b.Mạch đơn giản U r(t) v(t) U t 0 t 0 c.Biểu đồ điện áp Hình 2.20 :Mạch chọn xung đồng bộ HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ Tín hiệu điều tần cơ sở Tín hiệu điều tần đẳng biên (t)(t) Y a.Sơ đồ hạn chế 33 0 0 X(t) y t (t) b.Biểu đồ điện áp Hình 2.21 :Hạn chế tín hiệu điều tần -Tạo xung vuông từ xung sin có cùng tần số Để nhận được tín hiệu xung vuông từ xung sin có cùng tần số người ta sử dụng bộ hạn chế biên độ và mạch sửa dạng xung như Hình 2.22 BỘ HẠN CHẾ BIÊN ĐỘU 2(t)(t) U BỘ SỬA DẠNG XUNGU1(t) a.Sơ đồ khối 34 1(t) v(t) t t t 2(t) b.Biểu đồ điện áp Hình 2.22 :Bộ tạo xung vuông từ xung sin có cùng tần số f 2.Bộ hạn chế biên độ dung diot bán dẫn Các bộ hạn chế biên độ dùng điôt bán dẫn sơ đồ đơn giản , đặc tuyến hạn chế có độ ổn định ngưỡng cao, độ rõ ràng của điểm hạn chế tốt. a.Bộ hạn chế dùng diot mắc nối tiếp: Trong sơ đồ này bộ hạn chế mắc diot hạn chế nối tiếp với điện trở tải .Theo sơ đồ chỉ ra ở Hình 2.23 R D U Ra(t) U V(t) a.Sơ đồ nguyên lí 35 Uv(t) t 0 t 0 t1 2 3 4 5 6 (+) (-) t t t t t (+) (+) (-) (-) b.Biểu đồ điện áp Hình 2.23 :Hạn chế nối tiếp dùng điot Trong bán chu kì dương của tín hiệu ở khoảng thời gian to ÷ t1 lúc đó UA > UK điot thông có điện trở trong RĐ )( khá nhỏ. Điện áp Ura (+) =iĐ.Rt (+) =Rt )( D ).(   RRt RttUV Uv(t) Do Rt >> RĐ (+) Trong bán chu kì âm của tín hiệu ở khoảng thời gian t1÷ t2 luc ó thì UA<UK làm cho điot tắt ,nên nó có điện trở trong RĐ(-) rất lớn. Điện áp Ura(-) được xác định bơi công thức : Ura (-) =iĐ (-) .Rt = )( ).(   DRRt RttUv Uv(t) Do RĐ (-) >>Rt Luôn luôn thoả mãn công thức do RĐ (-) >>Rt >> RĐ (+) Bộ hạn chế theo sơ đồ Hình 2.28 trên là bộ hạn chế dưới ở mức 0 ,còn đảo điot thì ta có bộ hạn chế trên mức 0.Khi muốn có bộ hạn chế ở mức khác 0 ta dùng 1 bộ nguồn Et mắc nối tiếp giữa tải với đất .Theo sơ đồ Hình 2.29 36 R D U Ra(t) U V(t) E 1 Hình 2.29 :Hạn chế ở mức Et  0 *Ảnh hưởng của các phần tử ký sinh trong mạch hạn chế nối tiếp đến tham số xung ra Đối với tín hiệu xung có tần số lớn thì ảnh hưởng của các tham số trong mạch lên dạng tín hiệu ra được mô tả ở Hình 2.30. Uv(t) Ura(t)R1 C0 Đ a- Sơ đồ tương dương bộ hạn chế  tU v  tU ra   st   st b- Biểu đồ điện áp Hình 2.30 : anh hưởng của tham số ký sinh đến dang xung ra 37 Khi nghiên cứu ảnh hương của các tham số ký sinh đến dạng xung ta xét sơ đồ tương đương của hình 3.30a . Trong đó CAK của điot Đ còn C0 là điện dung ký sinh đầu ra được tính theo công thức : C0=C1p +Ct là điện dung lắp ráp và điện dung của tải phản ánh tới mạch hạn chế nối tiếp Giả thiết ta xét xung vào là xung vuông lý tưởng     0  ss tt Với điện trở nguồn vào Ri=0 -Khi có xung đột biến vào tại thời điểm t=0 đi ốt Đ thông .Điện áp ra dột biến 1 lượng 0 . CC CU U AK AKV   (2-37) Sau đó nó tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian :       D D AKR RRt RRt CC . 0 (2-38) Độ rộng sườn xung ra  St được xác định theo công thức:   St =          D D AK RRt RRt CC . 3 0 (2-39) - Khi xung vào đột biến âm tại thời điểm t=t1 đi ốt Đ tắt , lượng đột biến âm ở đàu ra sẽ là U như trên . Sau đó giảm theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian  p=R1 (CAK + C0) Đọ rộng sườn xung ra   St =3R1( CAK + C0) (2-40) Như vậy ta thấy   St >   St Do đó khi có yêu cầu độ rộng sườn xung thỏa mãn tS cho phép ta phải chon Rt sao cho đạt yêu cầu .   St t cho phép suy ra : Rt   03 CC chophepI AK s  (2-41)  Chon các tham số của mạch hạn chế : Với mạch hạn chế nối tiếp phải chọn Rt sao thỏa mãn biểu thức :   DR >>Rt>>   DR (2-42) 38 Và thỏa mãn Rt  Dchophep vaoma I U  (2-43) b) Bộ hạn chế song song dùng di ốt bán dẫn Với bộ hạn chế này đi ốt hạn chế được mắc song song với trở tải Rt .Sử dụng điện trở hạn chế R0 ở đàu vào đế đảm bảo cho đi ốt không bị đánh thủng khi Đ thông , tức là phải chọn R0 phải thỏa mãn biểu thức : R0  Dchophep vaoma I U  (2-44) Mạch hạn chế song song và biểu đồ điện áp được mô tả ở hình 2.31 0R Đ 1R )(tU ra)(tU vao a- Sơ đồ mạch hạn chế t1 t2 t3 t5t4 t1 t2 t3 t4 t5  tvU  traU b- Biểu đồ điện áp Hình 2.31 : mạch hạn chế song song dùng diot Việc chọn các linh kiện trong mạch đẻ thỏa mãn điều kiện hạn chế là   DR >> R0>> Rt >>   DR (2-45) 39 Quá trình hoạt động của mạch như sau : -Trong bán chu kỳ dương của tín hiệu đàu vào UV(t) ở khoảng thời gian từ t0 đến t1 lúc đó do UA > UK nên đi ốt Đ thông điện trở của đi ốt luc thông là   DR . Điện áp đàu ra trong khoảng thời gian này được tính theo biểu thức:                                  D D tD tD tD tD V ra RR R RR RR R RR RR tU tU 0 0 . . (2.46) Do   .0 tD RRR   Trong bán chu kỳ âm của tín hiệu vào tức là khoảng thời gian từ t1 đến t2 lúc đó ta có UA <UK đi ốt tắt , do đó điện trở của đi ốt   DR rất lớn và điện áp ra   tU r  được xác định như sau :                      tURR R RR RR R RR RR tU tU v D D tD tD tD tD V ra                0 0 . . (2-47) Do R0 << Rt <<   DR Bộ hạn chế là hạn chế mức trên ở mức 0 Nếu đổi chiều đi ốt ta có bộ hạn chế dưới ở mức 0 ta dùng một nguồn E2 mắc nối tiếp giữa đi ốt với đất theo sơ đồ hình 2.32 0R Đ 1R )(tU ra )(tU vao 2E Hình 2.32 :Hạn chế song song ở mức E2 40 2.4.2 MẠCH GHIM MỨC ĐIỆN ÁP 1. Định nghĩa: Mạch ghim mức điện áp là mạch điện tử mà khi tín hiệu xung truyền qua nó thị dạng tín hiệu không thay đổi nhưng chân hoặc đỉnh của xung ra luôn đươc giữ ở một mức cố định nào đó. 2.Sơ đồ nguyên lý làm việc: a)Sơ đồ: Sơ đồ mạch ghim mức được chỉ ra trên Hình 2.34. + - U v1 U C C D 1 U gh1 R 1 U r1 + - U v2 U C C D 2 U gh1 R 1 U r2 a-Mạch ghim trên b-Mạch ghim dưới Hình 2.34: Sơ đồ mạch ghim mức điện áp. b)Nguyên lý làm việc: Biểu đồ điện áp của mạch ghim mức điện áp được chỉ ra trên Hình 2.35. *Xét mạch ghim mức ở sơ đồ Hình 2.34a Tại t  to lúc đó điện áp vào Uv(t) ở mức Et > Ugh1 đi ốt Đ1 thông (vì UA >UK) Vì điện trở trong cản đi ốt lúc thông RD (+) rất nhỏ,do đó Ura =Ugh1. Tụ C được nạp điện nhờ tín hiệu điện áp vào ,điện áp trên tụ C đạt đến mức Uc1 = Ura =E1 –Ugh1. -Tại to  t  t1 khi đó điện áp vào Uv(t) ở mức E2 < Ugh làm cho UA<UK đi ốt Đ1 tắt .điện áp ở đầu ra được tính như sau: Ura=Uv -Uc =E1 + Ugh1 41 Uv(t) t 0 Uv(t) t 0 U v(t) t 0 Hình 2.35 :Biểu đồ điện áp của mạch ghim. Như ta đã biết biên độ xung vào Uvm =E1 –E2 bây giờ ta tính biên độ xung ra: Uram =Ura –U‟ra = Ugh1 – E2 + E1 - U gh1 = E1 – E 2 Qua biểu thức tính toán ta thấy rằng : Điện áp đầu ra Ura1 có biên độ bằng biên độ điện áp vào. Dạng điện áp ra không thay đổi so với dạng điện áp vào.Nhưng đỉnh xung được ghim ở mức Ugh1<E1 là giá trị mức cao của xung vào.Tức là xung bị ghim ở đỉnh hay nằm ở phía trên. *Xét mạch ghim mức ở Hình 2.34b. - Tại t  to khi đó Uv(t) = E1 > Ugh2 làm cho UA < UK điốt Đ2 tắt . Điện áp ở đầu ra Ura2 = Uv(t) –Uc .Tức là Ura2 = Ugh2. Điện áp trên tụ C được tính là hiệu của Uv với Ura2. Uc = Uv(t) – Ura2(t) = E2 – Ugh2. Biên độ xung vào được tính theo công thức: Uvm = E1 – E2 = E. Biên độ xung ra được tính theo công thức: Uram = Ura2 –U‟ra2 = E1 – Uc - Ugh2 = E1 – E2 + Ugh2– Ugh2 42 Uram = Ura2 –U‟ra2 = E1 – E2 = E. Theo biểu thức tính toán ta thấy biên độ xung ra không thay đổi ,dạng xung ra giữ nguyên,nhưng chân của dãy xung luôn giữ ở mức điện áp Ugh2.Đó là mạch ghim ở chân xung hay ghim dưới của dãy xung. 3. Công dụng của mạch ghim mức. Mạch ghim mức thường được sử dụng trong các thiết bị hiển thị hình ảnh. Để hiển thị hình ảnh trong các hiển hình cần phải tiến hành khôi phục thành phần một chiều của tín hiệu để điều chỉnh độ sáng của hình ảnh cho phù hợp .Việc thay đổi độ sáng của hình ảnh sử dụng mạch ghim mức sẽ không làm thay đổi tham số của tín hiệu ảnh trên màn hình.Để thay đổi độ sáng ta tiến hành thay đổi mức ghim Ugh nhờ chiết áp độ sáng. Vai trò của điốt Đ trong mạch ghim là cực dưới G1 và catốt của đèn hình. 4.Chọn tham số cho mạch ghim mức điện áp: a- Mức ghim trong mạch ghim phải thỏa mãn điều kiện để cho mạch làm việc đúng theo nguyên lý,tức là phải thỏa mãn: E2 < Ugh nếu cần ghim trên. E1 > Ugh nếu cần ghim dưới. Trong đó E1 và E2 tương ứng với mức cao và mức thấp của tín hiệu vào. b. Điện trở tải Rt phải thỏa mãn 2 điều kiện cơ bản : Rt  3 ( Ri + Rd )( ). txT tx  . xtT UghE   .-Ri (2.49) Dấu “+” ứng với mạch ghim trên. Dấu “-“ ứng với mạch ghim dưới. Trong đó : Ri là điện trở trong của nguồn vào khá nhỏ. Rd )( là điện trở trong của đi ốt khi thông cũng khá nhỏ. tx là độ rộng xung vào. T là chu kỳ xung vào. U cho phép là độ méo dạng xung ra cho phép . Rt  (0,1  0,3 ) Rd )( . (2.50) Trong đó Rd )( là điện trở trong của đi ốt khi tắt có giá trị lớn. 43 Điện dung của tụ điện C được xác định từ điều kiện độ méo cho phép của tín hiệu ra theo công thức : RiRt UghE   . C tx  Uchophép (2.51) Dấu “+” ứng với mạch ghim trên. Dấu “-“ ứng với mạch ghim dưới. 2.4.3 Mạch ứng dụng diode a. Mạch hạn chế nối tiếp. Có đặc điểm nguồn hạn chế và Diode mắc nối tiếp với tải, như được mô tả trên Hình 2.37. Khi xét một mạch hạn chế ta cần xác định rõ các bước phân tích và tính toán như sau: Hình 2.37: Mạch hạn chế điện áp nối tiếp hạn chế dưới 1. Xác định nơi lấy điện áp ra (Như trên Hình 2.37 điện áp được lấy trên điện trở R) 2. Xác định điện thế phân cực cho diode: U = Uin – E. (Vì E âm nên lấy dấu trừ) (3.5.2.4) 3. Khi điện áp vào nhỏ hơn E Diode bị phân cực ngược. Dòng ID = 0 → Uout = 0 V. E RUin Uout D U Hình 2.38: Diode phân cực ngược 4. Xác định điện điện áp chuyển trạng thái Diode chuyển từ trạng thái “khóa” sang “dẫn” và ngược lại. Khi UD = 0V ID = 0 → Uout = Uin – E = 0 → Uin = E (2.52) 5. Khi điện áp vào lớn hơn E, Diode phân cực thuận. Uout = Uin – E. Và khi đó Uout max = Uin max – E. (2.53) E RUin Uout D U Hình 2.39: Diode phân cực thuận 44 6. Vẽ dạng sóng điện áp ra theo dạng sóng điện áp vào. Giả sử cho một điện áp có dạng hình sin đặt vào đầu vào của mạch điện Hình 2.37 ta thu được dạng sóng đầu ra được thể hiện trện Hình 2.310. Hình 2.310: Dạng sóng vào và ra của mạch Hình 2.37 Ví dụ 3.5.2.1: Vẽ dạng sóng điện áp ra của mạch trên Hình 2.311 với các tham số và tín hiệu như đã cho. Hình 2.311: Mạch hạn chế nối tiếp hạn chế dưới Lời giải: 1. Điện áp được lấy trên điện trở R. 2. Xác định điện thế phân cực cho diode: U = Uin + E. (Vì E dương nên lấy dấu cộng) (2.54) 3. Khi điện áp U > 0 Diode được phân cực thuận. Giả sử điốt là lý tưởng UD = 0 U = Uin + E > 0 → Uin > - E = - 5V. Khi đó Uout = U = Uin + 5V Uout max = Umax = Uin max + 5V = 20 V + 5 V = 25 V 4. Xác định điện điện áp chuyển trạng thái Diode chuyển từ trạng thái “dẫn” sang “khóa” và ngược lại. Khi U = 0V ID = 0 → U = Uin + E = 0 → Uin = - E = -5V 45 5. Khi điện áp U < 0, Diode phân bị cực ngược. U = Uin + E < 0 → Uin < - E = - 5V. vì D phân cực ngược nên dòng qua R IR = 0A. Khi đó Uout = UR = 0V 6. Dạng sóng điện áp ra theo dạng sóng điện áp vào được thể hiện trện Hình 2.310. 20 - 20 0 uin tT -5 25 0 uout tT 5 Diode khóa Hình 2.312: Dạng sóng vào và ra ví dụ 3.5.2.1 Mạch hạn chế song song: Có đặc điểm là: Tín hiệu ra được lấy ra trên nguồn hạn chế và Diode, như được mô tả trên Hình 2.313. Cũng tương tự, ta cần xác định rõ các bước phân tích và tính toán mạch hạn chế: D R E Uin Uout Hình 2.313: Mạch hạn chế điện áp song song 1. Xác định nơi lấy điện áp ra (Như trên Hình 2.313 điện áp được lấy trên nguồn E và Diode D) 2. Khi điện áp vào nhỏ hơn E Diode phân cực thuận. UD = 0 (Điốt lý tưởng) mặt khác Uout = E - UD . → Uout = E (2.55) R E Uin Uout D Hình 2.314: Diode phân cực thuận 3. Xác định điện điện áp chuyển trạng thái Diode chuyển từ trạng thái “dẫn ” sang “khóa” và ngược lại. Khi UD = 0V ID = 0 → Uin – E = 0 → Uin = E (2.56) 46 4. Khi điện áp vào lớn hơn E, Diode phân cực ngược. Uout = Uin . Và khi đó Uout max = Uin max (2.57) R E Uin Uout D Hình 2.315: Diode phân cực ngược 6. Vẽ dạng sóng điện áp ra theo dạng sóng điện áp vào. Giả sử cho một điện áp có dạng xung tam giác đặt vào đầu vào của mạch điện Hình 2.313 ta thu được dạng sóng đầu ra được thể hiện trện Hình 2.316. uin t Um -Um 0 E uout t Um 0 E Hình 2.316: Dạng sóng vào và ra mạch hạn chế dưới Hình 2.313 Ví dụ 3.5.2.2: Vẽ dạng sóng điện áp ra của mạch trên Hình 2.317 với các tham số và tín hiệu như đã cho. uin t 16 -16 0 D R E Uin Uout 4V Hình 2.317: Mạch hạn chế điện áp song song, hạn chế dưới 47 Lời giải: 1. Trên Hình 2.317 điện áp được lấy trên nguồn E và Diode D 2. Khi điện áp vào nhỏ hơn E Diode phân cực thuận. UD = 0 (Điốt lý tưởng) mặt khác Uout = E - UD . → Uout = 4V 3. Xác định điện điện áp chuyển trạng thái Diode chuyển từ trạng thái “dẫn ” sang “khóa” và ngược lại. Khi UD = 0V ID = 0 → Uin – E = 0 → Uin = E = 4V 4. Khi điện áp vào lớn hơn E, Diode phân cực ngược. Uout = Uin . Và khi đó Uout max = Uin max = 16 V 5. Dạng sóng điện áp ra theo dạng sóng điện áp vào được thể hiện trện Hình 2.318. uin t +16 -16 0 4 uout t +16 0 4 (V) (V) Hình 2.318: Dạng sóng vào và ra mạch hạn chế song song Hình 2.317. Một ứng dụng khác của điốt chuyển mạch trong các mạch tạo dạng xung. Hình 2.319: Mạch tạo dạng xung dùng điốt. 48 Đây là mạch vi phân, khi đầu vào là dạng xung vuông qua mạch này ta thu được chuỗi xung nhọn có các cực tính dương và âm tương ứng các sườn trước và sau của xung. Khi có điốt ta thu được một chuỗi xung với biên độ âm đã bị hạn chế. d. Mạch ghim áp Mạch ghim là một mạng được cấu trúc từ một điốt, điện trở và một tụ điện. Nó có tác dụng dịch chuyển mức một chiều của dạng sóng tín hiệu mà không làm thay đổi biên dạng của tín hiệu đặt vào. Mạch ghim đơn giản được mô tả trên Hình 2.320. Một chú ý quan trọng đó là tụ điện được mắc trực tiếp giữa đầu vào và đầu ra tín hiệu. Còn điốt và điện trở được mắc song song với đầu ra tín hiệu. Mạch ghim áp là mạch có một tụ điện được mắc trực tiếp từ đầu vào tới đầu ra với một phần tử điện trở mắc song song với tín hiệu ra. Diode thì mắc song song với đầu ra tín hiệu nhưng có thể mắc nối tiếp hoặc không với một nguồn một chiều như một phần tử cộng điện áp. U Uin -U 0 tT/2 T RD C UoutUin Hình 2.320: Mạch ghim Thứ tự phân tích mạch ghim như sau: Bước 1: Phân tích tại chu kỳ đầu của tín hiệu vào điốt được phân cực thuận. Bước 2: Trong quá trình của chu kỳ tín hiệu điốt dẫn (phân cực thuận), tụ điện sẽ nạp lên đến giá trị của mức điện áp đặt vào mạch điện. Đối với mạch điên Hình 2.320, điốt sẽ được phân cực thuận ở nửa chu kỳ đầu 0 – T/2 của tín hiệu. Điều đó tương đương với việc điốt ngắn mạch, kết quả là điện áp ra Uout = 0V(Hình 2.323). Hình 2.321 mô tả mạch điện khi điốt dẫn, tụ được nạp đến giá trị của điện áp nguồn tín hiệu. R C UoutU Hình 2.321: Quá trình diode dẫn R U UoutU C Hình 2.322: Quá trình diode khóa 49 Bước 3: Ở nửa chu kỳ sau diode khóa, tụ điện đã được nạp đầy đến giá trị cực đại của tín hiệu. Bước 4: Xác định điện áp ra của mạch Uout Khi điện áp vào chuyển trạng thái từ dương sang âm điốt phân cực ngược tương đương như là hở mạch, trạng thái này được mô tả như trên Hình 2.322. Áp dụng định luật Kirchhoff cho vòng như đã chọn trên hình vẽ ta có - U - U + Uout = 0 suy ra Uout = - 2U Kết quả được thể hiện trên Hình 2.323 ở nửa chu kỳ từ T/2 đến T. Bước 5: Kiểm tra giá trị đỉnh tới đỉnh của điện áp ra so với giá trị của điện áp vào. (Không bị thay đổi) U Uin -U 0 tT/2 T Uout -2U 0 tT 2 T Hình 2.323: Đồ thị điện áp ra Uout của Hình 2.322 Ví dụ 3.5.2.3: Xác định điện áp ra của mạch Hình 2.324 với dạng điện áp vào như đã cho. - 20 10 0 t t1 t2 t3 t4 f = 1000 Hz R D C = 1uF UOutUIn E 100k5V Hình 2.324: Mạch ghim áp Lời giải: Chú ý tần số tín hiệu là 1000Hz, kết quả là một chu của tín hiệu 1ms và nửa chu kỳ là 0,5 ms. Sự phân tích mạch điên bắt đầu từ thời điểm t1 đếm t2 của tín hiệu vào khi đó điốt dẫn mạch điện trở thành như hình vẽ Hình 2.325. Trong quá trình này tụ được nạp UC. R D C = 1uF UOut20 V E 100k5V UC Hình 2.325: Khi D phân cực thuận R UOut10 V 5V 25 V Hình 2.326: Khi D phân cực ngược Áp dụng định luật Kirchhoff cho Hình 2.325 ta có: - 20 V + UC - 5 V = 0 → UC = 25 V 50 Điện áp ra Uout = E = + 5V Đối với thời gian từ t2 → t3 mạch điện được thể hiện trên Hình 2.326. Lúc này điốt phân cực ngược không dẫn , áp dụng định luật Kirchhoff ta có. +10V + 25V – Uout = 0 → Uout = 35 V. Hằng số thời gian để tụ xả của mạch điện Hình 2.326 được xác định bởi RC và có độ lớn là τ = RC = (100 kΩ)(0.1µF) = 0.01 s = 10 ms. Tổng thời gian xả là 5τ = 5.(10ms) = 50 ms. Trong khi đó thời gian từ t2 → t3 chỉ có 0.5 ms, điều đó thì tốt là: điện áp cao sẽ được giữ trên tụ lâu hơn trong quá trình giữa các xung với nhau. Kết quả tín hiệu ra được mô tả trên Hình 2.327. Điện áp đỉnh đỉnh là 30 V giống như điện áp vào. - 20 10 0 t t1 t2 t3 t4 f = 1000 Hz 30V 5 0 t t1 t2 t3 t4 30V 35 Uout Hình 2.327: Điện áp vào và ra mạch Hình 2.324 Tổng hợp các dạng mạch ghim áp được thể hiện trên Hình 2.328 RD C UOutUIn RD C UOutUIn R D C UOutUIn E R D C UOutUIn E R D C UOutUIn E R D C UOutUIn E Hình 2.328: Các dạng mạch ghim áp. 51 Bài tập 21. Trình bày định nghĩa và mô hình mạch khoá điện tử 22. Trình bày các quá trình quá độ trong khoá dùng Transistor và các phương pháp tăng tốc cho nó. 23. Xác đinh vo đối với mỗi mạch có điện áp vào như hình vẽ Hình 3.5.4.21 24. Xác đinh vo đối với mỗi mạch có điện áp vào như hình vẽ Hình 3.5.4.22 *25. Xác đinh vo đối với mỗi mạch có điện áp vào như hình vẽ Hình 3.5.4.23 52 *26. Xác đinh vo đối với mỗi mạch có điện áp vào như hình vẽ Hình 3.5.4.24 27. Vẽ iR và vo tương ứng với các mạch điện có điện áp như hình vẽ. Hình 3.5.4.25 28. Vẽ vo tương ứng với các mạch điện có điện áp như hình vẽ. Hình 3.5.4.26 29. Vẽ vo tương ứng với các mạch điện có điện áp như hình vẽ. Hình 3.5.4.27 53 *30. Cho mạch điện như hình vẽ: a. Tính 5τ. b. So sánh 5τ với nửa chu kỳ của tín hiệu đặt vào. c. Vẽ vo. Hình 3.5.4.28 *31. Thiết kế mạch ghim áp có chức năng để khi cho tín hiệu vào vi và thu được một tín hiệu ra vo như hình vẽ. Hình 3.5.4.29 *32. Thiết kế mạch ghim áp có chức năng để khi cho tín hiệu vào vi và thu được một tín hiệu ra vo như hình vẽ. Hình 3.5.4.30 54 CHƢƠNG 3: CÁC MẠCH TẠO XUNG VUÔNG 3.1 Mạch dao động đa hài ghép B – C làm việc ở chế độ tự dao động 3.1.1 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động a) Sơ đồ mạch. RC1 RB2 RB1 RC2 C1 C2 T2T1 URA1 URA2 + -+- - EC Hình 3.1: Sơ đồ mạch dao động đa hài tự dao động Cấu trúc của mạch đa hài tự dao động gồm 2 mạch khoá dùng Transistor mắc đối nhau theo sơ đồ cực E chung, đầu ra của tần này mắc với đầu vào của tầng kia liên hệ bởi tụ nối tầng C1 và C2 để cách ly dòng điện thiên áp một chiều. * Đặc điểm của mạch: - Mạch có đối xứng hoặc không đối xứng. - Mạch tự dao động nên hai trạng thái đầu ra không bền. Trạng thái 1: T1 tắt hoàn toàn, T2 dẫn bão hoà. Trạng thái 2: T1 dẫn bão hoà, T2 tắt hoàn toàn. - Hai chuỗi xung ra là hai chuỗi xung vuông ngược pha nhau. Mạch đối xứng thì mọi tham số xung ra đều như nhau. Mạch không đối xứng thì tham số chuỗi 1 khác tham số chuỗi 2. * Điều kiện làm việc ổn định của mạch: Giả sử ở trạng thái 1: - Để T2 dẫn bão hoà thì 22 222 . . C C bhBB R E SISI   mà 22 2 2 B C B BEC B R E R UE I    ta có 22 2 2 C C B C R E S R E   vậy 2 22 2 S R R CB   55 hay: 2 2min2 2 S R R CB   - Để T1 tắt thì chophepC C C I E R 1 1  khi đó IC01.RC1 ≈ 0 b) Nguyên lý hoạt động tS1(+) tS1(-) IC01.RC1 Um ra1 t t tx1 tx2 tS2(+) tS2(-) IC02.RC2 Um ra2 t tx2 -EC UCE1bh UC1 UB1 t1 t2 t3 t4 C2 phãng C1 phãng -EC UCE2bh UC2 UB2 Hình 3.2: Giản đồ xung tín hiệu - t< t1 : T1 tắt, T2 dẫn bão hoà C2 nạp đầy và C1 đã phóng hết? 3.1.2 Biểu thức tính toán tham số xung ra Trong phần tính toán ở mạch đa hài độ rộng và chu kì của xung ra phụ thuộc vào quá trình phóng điện của C1 và C2 độ rộng xung ra có tx1 phụ thuộc vào sự phóng điện 56 của C1 qua mạch phóng chủ yếu là Rb2, độ rộng xung ra tx2 đựơc xác định bởi quá trình phóng điện của tụ C2 qua mạch phóng chủ yếu quyết định bởi Rb1. tx1 = t2 – t1 =  . Ln. )( )( 2)( 1)0( tUU tUU    U = - EC + IC0.Rb2 U1(t) = EC + IC0.RC2 U2(t) = 0  = C1. Rb2  tx1 = 0,707. Rb2 . C1  tx2 = 0,707. Rb1 . C2 Nếu mạch đối xứng : t = t1 = t2 ; RC1 =RC2 =RC ; Rb1 = Rb2 =Rb ; C1 = C2=C ;  tx = tx1 = tx2  T = tx1 + tx2 = 2 tx ts (+) : Độ rộng sườn trứơc của xung, đựơc xác định bằng thời gian chuyển trạng thái chính là khoảng thời gian xảy ra vòng hồi tiếp dương. Nếu mạch đa hài sử dụng transistor cùng loại thì: ts (+) = ts1 (+) =ts2 (+) = ( 2 ÷ 3)   = f 5,03,0  Trong đó :   = f2 1 f : là tần số giới hạn của transistor Thời gian sườn sau của xung : ts (-) được xác định bằng thời gian nạp của tụ C1 và C2 ts (-) = 2-3 n = 2-3 C. RC + Nếu không đối xứng : ts1 (-) ≠ ts2 (-) ; C1 ≠ C2; RC1 ≠ RC2 + Biên độ đầu ra : Um = EC – IC0. RC - UCEbh  EC 3.1.3 Phƣơng pháp tính toán bộ dao động đa hài tự dao động dùng bán dẫn - Các tham số của tín hiệu xung bao gồm: + Biên độ xung ra:Um + Tần số, chu kì: f, T + Độ rộng xung ra: tx ( hoặc tx1, tx2 không đối xứng) + Độ rộng cho phép của sườn xung : ts (+) , ts (-) hoặc ts đối xứng + Độ thay đổi nhiệt độ. + Điện trở tải 57 * Mạch tự dao động Bước 1: Chọn giá trị nguồn cung cấp EC = (1,1÷ 1,2). Um VD: Um = 10 V EC = 10. 1,2 = 12 V Bước 2: Chọn transistor: chọn Uc ≥ 2.EC ts (+) = . 5,03,0 f  , f ra ≤ 0,15 f - Năng lượng cho phép: Qmax  1,75  min + 1  min : là độ thưa của chuỗi xung = T/tx. - Tiêu tán nhiệt độ : 0 0 T T ≥ 0,05 (chọn Ge) 0 0 T T ≤ 0,05 (chọn Si) Bước 3: Chọn điện trở RC RC ≥ Cchophep C I E ( không bị đánh thủng) - Đảm bảo nhiệt độ ổn định : KC ≤ 0,05 max0C m I U - Để tránh ảnh hưởng phụ tải RC ≤ (0,1 † 0,2) Rt VD: Rt = 10 K  RC = 1 K Bước 4: Chọn Rb: Rb ≤  3 CR  : là hệ số khuếch đại của (T) S: độ sâu hồi tiếp Rb  10 RC Bước 5: Chọn giá trị tụ C1, C2 - Chọn theo độ rộng của xung tx1  0,7C1 Rb2 tx2  0,7C2 Rb1 Cmin >> Ck (Ck : là điện dung mặt ghép cực C) Bước 6: Xác định độ rộng của sườn ts (+) = f 5,03,0  ts (-) = 2 ÷ 3 C1,2. R1,2 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 58  =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. 3.2 Mạch đa hài dùng bán dẫn ghép góp – góc làm việc chế độ đợi 3.2.1 Sơ đồ mạch Hình 3.3: Sơ đồ mạch đa hài làm việc ở chế độ đợi 3.2.2 Phân tích mạch - Mạch này tồn tại một trạng thái cân bằng bền t1 tắt, t2 bão hoà UEB = 32 3. RR REb  - IC0. 32 23 RR RR  >0 R2 < max0C b I E - Do T2 thông bão hoà UCE0 = U CE2 = 0 Để T2 thông bão hoà phải chọn R1 thỏa mãn: R1 ≤ s RC 2max .  : Hệ số khởi động S: độ sâu bão hoà (1,2†3) - T2 thông bão  C2 nạp EC  RBE T2 +C2  2C Rc1  -EC UC2 = EC – IC0 RC1` - Tại thời điểm nào đó ở đầu vào có xung kích thích là xung đột biến dương có biên độ đủ lớn, xung này qua tụ Cp làm D thông qua C2 đi thẳng vào cực B của T2 làm cho điện áp Ube2 dương lên T2 khoá Uce2  . Lượng đột biến của Uce2 có giá trị lớn thông qua tụ C1 đưa về cực B của C1 Ube1  T1 thông xảy ra vòng hồi tiếp (t ) lần 1 UBE2  T2 khoá ( UCE2  )  C1 UEB1   t1bh C2 59 3.2.3 Biểu thức tính toán mạch - Độ rộng xung ra của tx được xác định bởi quá trình phóng điện của tụ C2 qua R1. Khi transistor T1 thông do đó: tx = C2. R1.ln )()( )()( 222 122 tUU tUU bebe bebe   (1) Các giá trị điện áp Ube(t) được xác định như sau: Ube2 ( )= - EC + IC0. RC1 Ube2 (t1)= +EC + IC0. RC1 Ube2 (t2) = 0 Thay vào biểu thức (1) ta có: tx = C2R1ln 10 110 )(2 RIE RRIE cc ccc   Do giá trị của Ic0 khá nhỏ do đó Ec>>Ic0R1, Ec>>Ec0Rc1 Nên ta có thể viết tx  R1C2 ln2  0,707.R1C2 (2) Độ rộng sườn trước xung ra ts (+) được xác định thời gian chuyển trạng thái mạch đa hài do đó nó được tính theo công thức ts (+) = (2÷3)  = f 5,03,0  Trong đó f là tần số làm việc giới hạn của transistor thiết kế nên mạch. Độ rộng sườn sau của xung ra ts (-) được xác định thời gian hồi phục trạng thái của mạch chính là thời gian của C2 để trở thành trạng thái ban đầu. Thông thường độ rộng sườn sau được xác định theo biểu thức. ts (-) 2,3 RC1. C2 (3) Thời gian hồi phục trạng thái của mạch quyết định đến tốc độ làm việc của mạch đa hài. Để đa hài làm việc ổn định yêu cầu chu kỳ xung tác động ở đầu vào phải đảm bảo khi tác động mạch đang nằm ở trạng thái ổn định. Muốn vậy quan hệ giữa chu kỳ xung tác động ở đầu vào, độ rộng xung ra và thời gian hồi phục của mạch phải thỏa mãn biểu thức sau: T ≥ tx + thpmax (4) (thpmax : là thời gian hồi phục). Trong biểu thức (4) thời gian hồi phục của mạch phải chọn cực đại để trong mọi điều kiện mạch phải nằm ở trạng thái cân bằng ổn định trước khi có tác động ở đầu vào. Để đảm bảo yêu cầu này thì giá trị thời gian hồi phục cực đại được tính theo biểu thức: thpmax = 5.C2RC1 60 3.3. Các mạch dao động đa hài dùng IC. 3.3.1. Sơ đồ đa hài đợi xây dựng trên bộ khuếch đại thuật toán (OA) Với mạch khuếch đại thuật toán trên, mạch được cấp nguồn nuôi là  ECC, khi đó tín hiệu lối ra là  Ura max Ui R2 U0 R D C C2 R1 A) Ui U0 R D C C2 R1 E0 B) Hình 3.4: Mạch nguyên lý đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toánv lối vào – và + Với sơ đồ hình A. tại thời điểm ban đầu t<t0 Ui = 0, Diode D thông, điện áp trên cực N nối đất, với trường hợp bỏ qua sụt áp trên Diode, U0 = -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 Up =  U0 = -  Ura max Với 1 1 2 R R R    đây là trạng thái ổn định bền của mạch đa hài đợi dùng khuếch đại thuật toán. 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 Uvào >  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 Up =  U0 =  Ura max , lúc náy tụ C được nạp điện từ lối ra qua RC xuống đất. 61 t t1 t2t0 ßUra max -ßUra max t Uvào UN t U0 tx t1 t2 Ura max -Ura max t t t t -E Ura UB2 UB1 Uvào tx t0 t2 t2t1t0 tx Tra +0.6V Hình 3.5: 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 U0 = -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  Ura max . Điện áp trên tụ C là UC = Umax(1-exp(-t/RC)) Thay giá trị UC(t1) = 0 và UC(t2) =  Ura max thay vào phương trình trên ta được tx = t2 – t1 =RC 1 2 1 ln(1 ) ln(1 ) R RC R    62 3.3.2. Mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán Hình 3.6: Sơ đồ mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán Nguyên lý hoạt động Giả sử trạng thái lối ra ban đầu là ura = u ra max khi đó điện áp trên cực P là ax 1 1 2 ra m P u u R R R   tụ điện C sẽ 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 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 ax 1 1 2 ra m P u u R R R    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: Hình 3.7: Dạng tín hiệu ra mạch đa hài tự dao động dùng khuếch đại thuật toán Chọn Ura max = Ura min = Umax khi đó Uđóng = -βUmax ; Ungắt = βUmax với 1 1 2 R R R    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 u ra R1 R2 R C N P Ura max -Ura max t Ura 0 t1 t2 t3 t Tra UP Ung¾t U®ãng ßUra max -ßUra max t UN Ura max -Ura max Ung¾t U®ãng t1 t2 t3 63 điện trở R, các khoảng thời gian 0  t1, t1  t2, ...phương trình điện áp trên tụ điện là axN m NdU U U dt RC    {do UN = icdt/C => ic = C.UN/dt và iR = ax m NU U R   } Với điều kiện ban đầu UN (t = 0) = Uđóng = -βUmax , Khi đó phương trình trên có nghiệm là: UN(t) = Umax[1 – (1 + t exp(- ) RC  ] UN sẽ đạt tới ngưỡng lật của trigơ smit sau một khoảng thời gian: 1 2 21 ln ln(1 ) 1 R RC RC R           (1) Khi đó chu kỳ (T) của dao động được xác định bởi T = 2 = 2 1 2 2 ln(1 ) R RC R  (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 R1, 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  . 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: 1 1 2 2 ' ln(1 ) R R C R    và 12 2 2 " ln(1 ) R R C R    Do đó T = 11 2 2 2 ( ' ") ln(1 ) R C R R R      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. u ra R1 R2 R’ C N P R” D2 D1 64 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 UN Uc(t) Umax t  2 Ura 3.3.3. Mạch đa hài đợi dùng IC số 3.3.4. Mạch đa hài tự dao động dùng IC số 1. Đặc điểm A B C N V R Out Mạch có một trạng thái ổn định bền là khi không tác động xung ở lối vào A = 0 thì lối ra Out = 0. Khi có một xung dương lối vào A = 1, B = 0. tương ứng qua mạch Nor ta có lối ra Out = 0, qua mạch RC tạo thành mạch tích phân RC, khi đó điện áp trên tụ tăng dần (tụ được nạp điện từ +V qua R qua C xuống đất) và điện áp trên tụ như sau: ))/exp(1( RCtVuC  khi đó uN = 0 và lối ra Out = 1. Lúc đó tụ được nạp điện và điện áp trên tụ C tăng dần, khi điện áp trên tụ C tăng UC  UH thì lối ra lật trạng thái từ Out = 1 sang lối ra Out = 0 (URa = UL), Khi kết thúc xung lối vào A = 0, và B = Ura = 0 (UL) khi đó mạch sẽ giữ nguyên trạng thái ổn định chờ xung tiếp theo ở lối vào A. 65 2. Mạch đa hài tự dao động dùng cổng logíc. 1 2 Out 1 Out 2 R1 R2 C1 C2 N P Điện trở R1, R2 giữ điện áp ngưỡng của thành phần hồi tiếp về của tụ C1 và C2 lấy hồi tiếp dương đưa từ lối ra về lối vào. Khi đóng mạch giả sử lối ra 1 ở mức thấp (Out 1 = 0) khi đó lối ra 2 ở mức cao (Out 2 = 1) tụ C2 được nạp điện và điện áp trên tụ C2 tăng dần. ))/exp(1( 212 CRtVccuc  , khi đó ta có UN = UR1 = Uout2 - UC = Uout2 (Vcc), Tụ C1 phóng điện qua Out1 xuống đất. Tụ C2 nạp điện và điện áp trên tụ C2 tăng dần khi đó tương ứng với điện áp tại điểm N (UN) giảm dần từ Vcc xuống đất, khi điện áp tại điểm N nhỏ hơn điện áp mức thấp (UN  UL) thì qua Nand 1 ta có lối ra Out 1 sẽ lật trạng thái lên mức cao, qua qua mạch hồi tiếp dương từ Out 1 về điểm P (tức lối vào Nand 2) làm cho lối ra Out 2 chuyển trạng thái sang mức thấp. Lúc này Out 1 = UH (Vcc) và Out 2 = UL (0). Và tụ C1 được nạp điện từ Out 1 qua C1 và R2 xuống đất và tụ C2 phóng điện qua Out 2 xuống đất )/exp( 2212 CRtEuC  . Và ))/exp(1( 121 CRtVccuc  Khi đó điện áp trên tụ C1 tăng dần và điện áp trên điểm P giảm dần, điện áp trên điểm P giảm đến mức UP  UL thi qua Nand 2 lối ra out 2 sẽ chuyển trạng thái sang mức cao và qua mạch hồi tiếp dương về lối vào Nand 1 làm lối ra Out 1 về mức thấp trở về tạng thái ban đầu của mạch, quá trình này cứ tiếp tục thực hiện và mạch sẽ tự dao động 66 3.3.5. Mạch dao động dùng IC định thời (NE555) 1. Sơ đồ chân và cấu trúc 555 a. Sơ đồ chân IC 555 b. Sơ đồ cấu trúc IC 555 Chân 1: GND nối đất Chân 2: Trigger Input (lối vào thay đổi trạng tái xung lối ra) Chân 3: Output Lối ra Chân 4: Reset (phục hồi lại trang thái hoạt động IC555) Chân 5: Control Voltage (điều khiển điện áp) Chân 6: Threshold (thềm ngưỡng lật trạng thái lối ra out) Chân 7: Dirchage (điều khiển phóng nạp điện tụ Chân 8: Vcc nguồn cung cấp (nguồn dương) 2. Nguyên tắc hoạt động các chân IC555 Về cơ bản, 555 gồm 2 mạch so sánh điều khiển trạng thái của FF, từ đó điều khiển transistor cho phép tụ xả điện (Discharge) 1 2 3 4 5 6 7 8 GND Trigger Output Reset +Vcc Discharge Threshold Control Voltage 555 67 Cấu trúc phân áp IC 555 gồm 3 điện trở có giá trị 5KΩ được mắc nối tiếp với nhau lên nguồn cung cấp và xuống đất, đầu ra lầy trên các điện trở tương ứng với nhau có giá trị điện áp chuẩn là 1/3Vcc và 2/3Vcc 2 bộ khuếch đại thuật toán có chức năng so sánh với lối vào dương và âm được nối với điện áp chuận tương ứng là 1/3Vcc và 2/3Vcc, lối vào còn lại được lấy từ lối vào chân (2) và chân (6). Lối vào chân (2) được đưa tới lối vào âm của bộ so sánh 1, còn lối vào dương của bộ so sánh 1 được nối với điện áp chuẩn 1/3Vcc. Lối vào chân (6) được đưa tới lối vào dương của bộ so sánh 2, còn lối vào âm của bộ so sánh 2 được nối với điện áp chuẩn 2/3Vcc. Chú ý: khi thực hiện mạch dao động dùng IC555 không bao giờ thực hiện cùng lúc điện áp lối vào chân (2) 2/3Vcc. Chân 2: TRIGGER (kích khởi), điểm nhạy mức với 1/3VCC . Khi điện áp ở chân này dưới 1/3 Vcc thì ngõ ra Q của FF xuống [0], tạo ra chân 3 tạo một trạng thái cao. Khi điện áp lối vào chân (2) có giá trị nhỏ hơn 1/3Vcc tương ứng lối ra bộ so sánh thứ 1 ở mức cao tác dụng tới lối vào set của triggơ RS khi đó lối ra Out ở mức cao. Khi điện áp lối vào chân (2) lớn lơn 1/3Vcc khi đó lối ra bộ so sánh 1 ở mức thấp tương ứng với chân S của triggơ RS ở mức thấp và phụ thuộc lối vào R của triggơ RS mà lối ra Out ta được ở trạng thái nhớ (lối ra ở mức cao) hoặc trạng thái xóa (lối ra ở mức thấp). Chân 6: Threshold (ngưỡng) điểm nhạy mức với 2/3Vcc . Khi điện áp ở chân này > 2/3Vcc . FF Reset làm cho chân 3 ở trạng thái thấp. Khi điện áp lối vào chân (6) có giá trị nhỏ hơn 1/3Vcc tương ứng lối ra bộ so sánh thứ 2 ở mức thấp tác dụng tới lối vào clear của triggơ RS khi đó lối ra Out phụ thuộc lối vào S của triggơ RS mà lối ra Out ta được ở trạng thái nhớ (lối ra ở mức thấp) hoặc trạng thái set (lối ra ở mức cao). Khi điện áp lối vào chân (6) lớn lơn 1/3Vcc khi đó lối ra bộ so sánh 2 ở mức cao tương ứng với chân R của triggơ RS ở mức cao do đó lối ra Out ở mức thấp. Mạch FF – RS là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân S ở mức cao thì điện áp này kích cho lối ra Q lên mức cao và lối ra Q xuống mức thấp. Khi châp S ở mức cao xuống mức thấp thì FF – RS không đổi trạng thái tương ứng chân R đang ở mức thấp. Khi chân R (clear) ở mức cao thi điện áp này kích cho FF – RS đổi trạng thái mức cao sang trạng thái mức thấp khi đó lối ra Q xuống mức thấpvà lối ra Q lên mức cao. Khi chân R xuống mức thấp tương ứng S ở mức thấp khi đó FF – RS ở trạng thái nhớ và giữ nguyên trạng thái của mạch. Chân 3: OUTPUT (ra) thường ở mức thấp và chuyển thành mức cao trong khoảng thời gian định thì. Vì tầng ra tích cực ở cả 2 chiều, nó có thể cấp hoặc hút dòng đến 200mA 68 Chân 4: RESET khi điện áp ở chân này nhỏ hơn 0,4V: chu kỳ định thì bị ngắt, đưa 555 về trạng thái không có kích. Đây là chức năng ưu tiên để 555 không thể bị kích trừ khi RESET được giải phóng (>1,0V). Khi không sử dụng nối chân 4 lên Vcc. Chân 5: Control Voltage (điện áp điều khiển), bên trong là điểm 2/3Vcc. Một điện trở nối đất hoặc điện áp ngoài có thể được nối vào chân 5 để thay đổi các điểm tham khảo (chuẩn) của comparator. Khi không sử dụng cho mục đích này, nên gắn 1 tụ nối đất = 0.01µF cho tất cả các ứng dụng nhằm để lọc các xung đỉnh nhiễu nguồn cấp điện. Chân 7: Discharge (Xả) cực thu của transistor, thường được dùng để xả tụ định thì. Vì dòng collector bị giới hạn, nó có thể dùng với các tụ rất lớn (>1000µF) không bị hư. Chân 8: VCC điện áp cấp nguồn có thể từ 4,5 đến 16V so với chân đất. Việc định thì tương đối độc lập với điện áp này. Sai số định thì do thay đổi nguồn điện tiêu biểu < 0.05% /V 3. Mạch đa hài dùng IC555 Sơ đồ mạch như sau: 555 out Vcc 4 8 3 5 1 0.01μF 6 2 7 C R1 R2 Đa hài tự dao động tạo xung vuông. Trong mạch trên chân ngưỡng (6) được nối với chân nhớ (2), và 2 chân này có chung 1 điện áp trên tụ là UC. Để so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc và 2/3Vcc của 2 bộ so sánh 1 và 2 ở lối vào của IC555. Tụ 0.01 µF nối chân 5 với đất để lọc nhiễu tần số cao có ảnh hưởng đến điện áp chuẩn lối vào 2/3Vcc. Chân 4 được nối lên nguồn Vcc để không sử dụng chức năng Reset IC555. Chân 7 được nối với điện trở R1 và R2 để tạo đường phóng nạp cho tụ. Chân 3 có dạng xung vuông, có thể nối qua trở với Led chỉ thị có xung ra (với điều kiện tần số dao động mạch < 20 Hz) do tần số cao thì không quan sát được đền Led sáng tối. Nguyên lý hoạt động của mạch: Khi mới đóng điện, điện áp trên tụ C là UC = 0 V tương ứng với điện áp chân 2 và chân 6 bằng 0V (U2(-) < 1/3Vcc, U6(+) < 2/3Vcc) qua 2 bộ so sánh IC555 lối ra Out ở mức 69 cao(xấp xỉ Vcc), khi đó transistor chân 7 ở trạng thái cấm và tụ C được nạp điện. Tụ được nạp điện từ Vcc qua R1 qua R2 và qua C xuống đất, điện áp trên tụ C tăng dần với hằng số thời gian nạp là: τnạp = (R1 + R2)C (1) Điện áp trên tụ tăng dần UC = Vcc(1 – exp(-t/τnạp)) Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 1/3 Vcc (và < 2/3Vcc) thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức cao. Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 2/3 Vcc thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) > 2/3Vcc) lối ra đổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức cao sang lối ra Out (3) ở mức thấp (tương ứng 0V). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái mở bão hòa và điện áp chân 7 xấp xỉ 0V và tụ C lúc này bắt đầu phóng điện, tụ phóng điệ từ C qua R2 và qua chân 7 và transistor trong IC555 xuống đất với hằng số thời gian là: τphóng = R2C (2) Khi này điện áp trên tụ C lại giảm dần từ mức điện áp 2/3Vcc xuống 0V UC = Vcc(1 – exp(-t/τphóng)) Khi điện áp trên tụ giảm ở mức >1/3 Vcc (và < 2/3Vcc) thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) > 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra ở trạng thái nhớ Out ở mức thấp. Khi điện áp trên tụ giảm đến mức 1/3 Vcc thì khi đó điện áp trên chân 2 của bộ so sánh thứ 1 (U2(-) < 1/3 Vcc) và bộ so sánh 2 với (U6(+) < 2/3Vcc) lối ra đổi trạng thái từ lối ra Out (3) ở mức thấp sang lối ra Out (3) ở mức cao (tương ứng Vcc). Lúc này transistor ở chân 7 chuyển sang trạng thái cấm và tụ C lúc này lại được nạp điện lại. Quá trình này được lặp đi lặp lại và mạch tự dao động Điện áp trên tụ C được nạp từ giá trị 1/3Vcc đến 2/3Vcc (trừ chu kỳ đầu tiên khi đóng mạch là tụ được nạp từ 0V đến 2/3Vcc). Tụ phóng điện từ điện áp 2/3Vcc xuống tới 1/3Vcc. Chu kỳ dao động: Thời gian tụ nạp điện là: tnạp = 0.69* τnạp = 0.69(R1 + R2)C Thời gian tụ phóng là tphóng = 0.69* τphóng = 0.69R2C Chu kỳ dao động của mạch là: T = tnạp + tphóng = 0.69(R1 + 2R2)C (3) 70 Do thời gian phóng và thời gian nạp không bằng nhau (thường tnạp > tphóng) nên xung vuông ở lối ra không đối xứng và có thời gian có xung lớn hơn thời gian không có xung. Dạng xung ra: Mạch tạo dao động xung vuông cho độ rộng nửa chu kỳ dùng IC555, lối ra được nối với tải đèn Led. 555 out Vcc 4 8 3 5 1 0.01μF 0.1μF R2 R1 P 6 2 7 C R1 R2 D2 R 3.4. Mạch dao động nghẹt (Blocking) 3.4.1 Đặc điểm của mạch Mạch dao động nghẹt có nguyên tắc hoạt động khá đơn giản, mạch được sử dụng rộng rãi trong các bộ nguồn xung (switching), mạch có cấu tạo như sau : 71 Mạch dao động nghẹt Mạch dao động nghẹt bao gồm : Biến áp : Gồm cuộn sơ cấp 1-2 và cuộn hồi tiếp 3-4, cuộn thứ cấp 5-6 Transistor Q tham gia dao động và đóng vai trò là đèn công xuất ngắt mở tạo ra dòng điện biến thiên qua cuộn sơ cấp.Trở định thiên R1 ( là điện trở mồi ) R2, C2 là điện trở và tụ điện hồi tiếp. Có hai kiểu mắc hồi tiếp là hồi tiếp dương và hồi tiếp âm, ta xét cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của từng mạch. * Mạch dao động nghẹt hồi tiếp âm . - Mạch hồi tiếp âm có cuộn hồi tiếp 3-4 quấn ngược chiều với cuộn sơ cấp 1-2 , và điện trở mồi R1 có trị số nhỏ khoảng 100KW , mạch thường được sử dụng trong các bộ nguồn công xuất nhỏ khoảng 20W trở xuống + Nguyên tắc hoạt động : Khi cấp nguồn, dòng định thiên qua R1 kích cho đèn Q1 dẫn khá mạnh, dòng qua cuộn sơ cấp 1-2 tăng nhanh tạo ra từ trường biến thiên => cảm ứng sang cuộn hồi tiếp, chiều âm của cuộn hồi tiếp được đưa về chân B đèn Q thông qua R2, 72 C2 làm điện áp chân B đèn Q giảm đèn Q lập tức chuyển sang trạng thái ngắt, sau khoảng thời gian t dòng điện qua R1 nạp vào tụ C2 làm áp chân B đèn Q tăng => đèn Q dẫn lặp lại chu kỳ thứ hai => tạo thành dao động . Mạch dao động nghẹt hồi tiếp âm có ưu điểm là dao động nhanh, nhưng có nhược điểm dễ bị xốc điện làm hỏng đèn Q do đó mạch thường không sử dụng trong các bộ nguồn công xuất lớn. * Mạch dao động nghẹt hồi tiếp dƣơng . - Mạch dao động nghẹt hồi tiếp dương có cuộn hồi tiếp 3-4 quấn thuận chiều với cuộn sơ cấp 1-2, điện trở mồi R1 có trị số lớn khoảng 470KW - Vì R1 có trị số lớn, lên dòng định thiên qua R1 ban đầu nhỏ => đèn Q dẫn tăng dần => sinh ra từ trường biến thiên cảm ứng lên cuộn hồi tiếp => điện áp hồi tiếp lấy chiều dương hồi tiếp qua R2, C2 làm đèn Q dẫn tăng => và tiếp tục cho đến khi đèn Q dẫn bão hoà, Khi đèn Q dẫn bão hoà, dòng điện qua cuộn 1-2 không đổi => mất điện áp hồi tiếp => áp chân B đèn Q giảm nhanh và đèn Q lập tức chuyển sang trạng thái ngắt, chu kỳ thứ hai lặp lại như trạng thái ban đầu và tạo thành dao động. - Mạch này có ưu điểm là rất an toàn dao động từ từ không bị xốc điện, và được sử dụng trong các mạch nguồn công xuất lớn như nguồn Ti vi mầu. * Xem lại lý thuyết về cảm ứng điện từ : Thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ trong biến áp. - Ở thí nghiệm trên ta thấy rằng, bóng đèn chỉ loé sáng trong thời điểm công tắc đóng hoặc ngắt, nghĩa là khi dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp biến đổi, trong trường hợp có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp nhưng không đổi cũng không tạo ra điện áp cảm trên cuộn thứ cấp. 3.4.2 Mạch dao động nghẹt làm việc ở chế độ tự dao động Blocking là một bộ khuếch đại đơn hay đẩy kéo, có hồi tiếp dương mạnh qua một biến áp xung, nhờ đó tạo ra các xung có độ rộng hẹp (cỡ 10 -3 – 10-6s) và biên độ lớn. 73 - + C R Cg T Rt D1 + - - + RB UB ωB ωk ωt - Ecc Tr R1 D2 Blocking thường được dùng để tạo ra các xung điều khiển trong các hệ thống số, blocking có thể làm việc ở các chế độ khác nhau: chế độ tự dao động, chế độ đợim chế độ đồng bộ hay chế độ chia tần Nguyên lý làm việc bộ Blocking tự dao đồng gồm có một transistor mắc emiter chung với biến áp xung Tr có 3 cuộn dây là k (sơ cấp) và t và B (thứ cấp) Quá trình hồi tiếp dương thực hiện từ k qua B nhờ cực tính ngược nhau của chúng. Tụ C và điện trở R để hạn chế dòng điện qua cực Bazơ. Điện trở R tạo dòng phóng điện cho tụ C (lúc T khóa). Diode D1 để loại bỏ xung cực tính âm trên trở tải Rt sinh ra khi transistor chuyển chế độlàm việc từ mở sang khóa. Mạch R1 và D2 bảo vệ transistor khỏi bị quá áp. Các hệ số biến áp xung là nB và nt được xác định bởi công thức sau: k B B n    và kt t n    - Quá trình dao động xung liên quan tới thời gian mở và được duy trì ở trạng thái bão hòa của transistor (nhờ mạch hồi tiếp dương R, C). Kết thúc việc tạo xung là lúc transistor kết thúc trạng thái bão hòa và chuyển đột biến về trạng thái khóa nhờ mạch hồi tiếp dương. + Trong khoảng thời gian 0 0; Tụ C phóng điện qua mạch B  C  R  RB  -Ecc, đến lúc t1 thì Uc = 0V + Trong khoảng t1 < t < t2 khi Uc chuyển qua trạng thái giá trị 0 khi đó xuất hiện quá trình đột biến Blocking thuận nhờ hồi tiếp dương qua B , làm cho transistor mở trạng thái bõa hòa + Trong khoảng t2 < t < t3, transistor T ở trạng thái bão hòa sâu, điện áp trên cuộn sơ cấp k gần bằng trị số Ecc đó là giai đoạn đỉnh của xung, khi đó có sự tích lũy năng lượng từ trong các cuộn dây của biến áp, tương ứng điện áp hồi tiếp qua B là 74 B B Ecc U n   Và điện áp trên cuộn tải là t t Ecc U n   Khi đó tốc độ thay đổi của dòng colector của transistor T giảm nhỏ do đó sức điện động cảm ứng trên k , B giảm làm dòng cực bazơ iB giảm theo, do đó làm giảm mức bão hòa của transistor, đồng thời tụ C được iB nạp qua T, R, C, B và đất khi đó iB giảm tới trị số giới hạn iB = iBbh = iCbh/  do đó xuất hiện quá trình hồi tiếp dương theo hướng ngược lại (quá trình blocking ngược). Transistor T thoát khỏi trạng thái bão hòa và iC , iB , ... đưa transistor T về trạng thái cấm dòng iC = 0. Tuy nhiên do quán tính của cuộn dây trên cực colector của transistor T xuất hiện một sức điện động tự cảm chống lại sự giảm đột ngột của dòng điện, dođó hình thành một mức điện áp âm có biên độ lớn (xấp xỉ -Ecc) đó chính là quá trình tiêu tán năng lượng từ trường đã tích lũy từ trước. Nhờ có dòng điện thuận từ D2, R1, lúc này cuộn t có cảm ứng điện áp âm làm diode D1 cấm, do đó mạch t , D1, Rt không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Tụ C phóng điện và duy trì transistor T khóa có tới khi Uc = 0V sẽ lặp lại nhịp làm việc mới. Độ rộng xung Blocking tính được là: Tx = t3 – t1 = (R +rv).C.ln( . ( ) t B t v R n R r   ) (1) Trong đó rv là điện trở của transistor lúc mở Rt = nt 2 Rt là trở tải phản ảnh về mạch cực colectơ (mạch sơ cấp)  là hệ số khuếch đại dòng tĩnh T. Thời gian hồi phục t4 ÷ t6 do thời gian phóng điện của tụ quyết định và được xác định bởi: thph = t6 – t4 = C.RB.ln(1 +1/nB) (2) Nếu bỏ qua các thời gian tạo sườn trước và sườn sau của xung thì chu kỳ xung Tx ≈ tx + thph (3) t t t 0 iB iBbh iM 0 uc C n¹p C phãng Ecc nt Ecc nB 0 0 0 ut uB uC t t Ecc - t1 t2 t3 t4 t5 t6 75 và tần số của dãy xung là: 1 x hph f t t   3.5. Mạch dao động nghẹt làm việc ở chế độ đợi (đọc tài liệu tham khảo) 3.5.1. Sơ đồ nguyên lý 3.5.2. Nguyên lý làm việc 3.5.3. Các phương pháp kích thích và lấy xung ra 76 CHƢƠNG 4: MẠCH TRIGƠ 4.1 Mạch Trigơ đối xứng dùng bán dẫn ghép C – B thiên áp ngoài 4.1.1 Sơ đồ mạch -Ec Rc1 C 2 R 2 Rb1 Rb2 R 1 Rc2 C 1 T 1 Cp1 Uv1 Uv2 E b T 2Cp2 4.1.2 Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của mạch trigơ đối xứng dùng bán dẫn ghép C-B được chỉ ra trên biểu đồ điện áp hình 5.2 Xung kích thích đầu vào của trigơ Uv1(t); Uv2(t) là đột biến dương e1(t) và e2(t) có biên độ đủ lớn đảm bảo điều kiện kích thích cho trigơ chuyển đổi trạng thái. Giả sử ta xét hoạt động của mạch trigơ tại thời điểm ban đầu t<t1 lúc đó mạch trigơ nằm ở trạng thái cân bằng thứ nhất T1 thông bão hoà còn T2 tắt. Mạch sẽ nằm yên ở trạng thái này nếu không có xung vào tác động ở đầu vào. Khi đó trạng thái ban đầu của mạch được xác định như sau: Ube1 = Ube1 (+) < 0; Ube2 = Ube2 (+) > 0 Uce < UceBH  0; Uce = Uce2 (+)  -Ec Tại thời điểm t = t1 ở đầu vào thứ nhất Uv1(t) có xung đột biến dương có biên độ đủ lớn thông qua tụ ghép Cp1 đưa vào cực gốc của transistor thứ nhất (T1) làm cho điện áp cực gốc của nó Ube1 tăng lên đột biến. sự tăng đột biến của Ube1 làm cho dòng Ic1 giảm đột biến kéo cho điện áp trên cực góp của transistor T1 giảm xuống đột biến một lượng U1. lượng đột biến này thông qua tụ C2 đưa đến cực gốc của transistor T2 làm cho điện áp cực gốc giảm xuống nhỏ hơn 0, transistor T2 thông đột biến sự thông đột biến của T2 sẽ gây 77 ra trên cực góp của Uce2 đột biến dương U2. lượng đột biến này thông qua tụ C1 quay trở về cực gốc của T1 làm cho Ube dương lên khép kín vòng hồi tiếp dương lần thứ nhất. Với hệ số khuyếch đại của vòng hồi tiếp là rất lớn (kht =Kn >>1)cho nên mạch nhanh chóng chuyển về trạng thái cân bằng thứ 2 gần như đột biến . Ở trạng thái cân bằng thứ 2 này thì T1 tắt còn T2 thông bão hoà. Lúc đó ta xác định các tham số như sau: Ube1 = Ube1 (-) > 0; Ube2 = Ube2 (+) < 0 Uce = Uce (-)  -Ec; Uce2 = UceBH  0 Và mạch giữ nguyên trạng thái này khi không có xung tác động ở đầu vào. Đến thời điểm t = t2 ở đầu vào thứ 2 (Uv2(t)) lại có xung kích thích đột biến dương có biên độ đủ lớn đưa tới thông qua tụ ghép Cp2 đưa vào cực gốc của T2 lam fcho Ube2 tăng lên đột biến. Sự tăng đột biến của Ube2 sẽ làm cho Ic2 giamrmđột biến gây lên trên cực góp của T2 Uce2 lượng đột biến của Ube2 sẽ làm cho Ice2 giảm đột biến gây nên trên cực góp của T2 Uce2 lượng đột biến âm U3. Lượng đột biến này thông qua tụ C1 đưa thẳng vào cực gốc của transisto T1 làm cho Ube1 giảm xuống nhỏ hơn 0. Transistor T1 thông xuất hiện dòng Ic1 tăng đột biến gây nên trên cực góp của T1 đột biến Uce1, lượng đột biến dương điện áp U4 khá lớn. Lượng đột biến dương điện áp này thông qua tụ C2 lại đưa trở về cực gốc của T2 làm cho Ube2 tăng lên khép kín vòng hồi tiếp dương lần thứ 2 trong mạch trigơ. Với hệ số khuyếch đại của vòng hồi tiếp trong mạch rất lớn (Kht = k n >>1) kết quả mạch nhanh chóng chuyển về trạng thái cân bằng ban đầu T2 tắt còn T1 thông bão hoà gần như đột biến. Và quá trình cứ tiếp tục như vậy nếu ta duy trì 2 nguồn kích thích đột biến dương xen kẽ liên tục ở 2 đầu vào của mạch trig[có biên độ đủ lớn thoả mãn điều kiện kích thích. Đầu ra được lấy trên cực góp của T1 và T2 chúng ta nhận được các điện áp Uce1 và Uce2 là các dãy xung vuông có độ rông sườn hẹp có biên độ xấp xỉ nguồn cung cấp Ec có độ rộng tx và chu kỳ của xung ra T phụ thuộc vào độ lệch pha và chu kỳ tác động của xung vào, hai dãy xung ngược pha nhau 1800 4.1.3 Điều kiện làm việc của mạch Trigơ Để thoả mãn điều kiện làm việc của mạch trigơ mạch phải tồn tại 2 trạng thái cân bằng bền như đã phân tích ở trên. Trạng thái thứ nhất: T1 thông bão hoà, T2 tắt Trạng thái thứ hai: T2 thông bão hoà, T1 tắt Như vậy ta phải xét xem các tham số của mạch sao cho chúng thoả mãn 2 điều kiện cân bằng. Vì là mạch đối xứng do đó ta chỉ cần khảo sát một trạng thái của mạch. Giả sử ta xét mạch ở trạng thái cân bằng thứ nhất, lúc đó T1 thông bão hoà và T2 tắt. 78  Để T2 tắt thì yêu cầu: Ube2 = Ube2 tắt > 0 tức là: 0 22 22 02 22 3 2      b b c b be RR RR IR RR E U  0 2 c b b I E R  Để T2 tắt chắc chắn yêu cầu Ic0 phải lấy giá trị cực đại là Ic0max b111 20 1R c1 1 RI b b ccc Rb c bBHb E RR RIE II SE SII      Suy ra: 1 1 2 c 1 E 1 c b cb R R RE S R                  (4.1) Ở đây  là hệ số khuyếch đại dòng tĩnh của transisto, ta chọn  = min để transistor thông bão hoà. S là độ sâu bão hoà thông thường chọn S = 1,5†3. 4.2 TRI GƠ ĐỐI XỨNG DÙNG BÁN DẪN GHÉP GÓP –GỐC THIÊN ÁP TỰ CẤP 4.2.1. Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ nguyên lý tri gơ đối xứng dùng bán dẫn ghép góp-cực gốc thiên áp tự cấp được chỉ ra trên hình 4.1: 79 -Ec 1cR 2C 2cR 1C 1R2R 1bR 2bR 1vU 2vU 1pC 2p C 0C 0R RI Hình 4.1: Sơ đồ mạch tri gơ đối xứng dùng bán dẫn ghép góp-cực gốc thiên áp tự cấp. 4.2.2.Đặc điểm của sơ đồ thiên áp tự cấp: Trong mạch trigơ đối xứng thiên áp tự cấp dùng bán dẫn ghép cực góp-cực gốc không sử dụng nguồn thiên áp nguồn Eb mà nguồn thiên áp được tạo nên bằng cách lấy sụt áp âm trên điện trở Re do dòng Ic sinh ra đưa vào cực phát của 2 tranzistor T1 và T2 còn cực gốc của chúng được nối xuống đất qua điện trở Rb1 và R b2. So với trigơ đối xứng dùng bán dẫn ghép góp-cực gốc thiên áp ngoài thì loại trigơ này có nhược điểm sau: -Độ ổn định làm việc của mạch kém. -Biên độ đầu ra của tín hiệu xung vuông nhận được Um  Ec – URc nhỏ hơn so với mạch thiên áp ngoài Um  Ec. Mạch ít được sử dụng hơn mạch thiên áp ngoài. 4.2.3. Nguyên lý làm việc. Nguyên lý làm việc của mạch trigơ thiên áp tự cấp ( giống mạch tri gơ thiên áp ngoài ).Biểu đồ điện áp hình 4.2.] 80 0 Uv1 t 1 t 3 t 2 t Uv2 0 t 1 t2 t 3 t 0 U be1 t 1 t 2 t 3 t U be2 0 t 1 t 2 t 3 t 0 U ce1 t 1 t 2 t3 t -E c Ucebh Uce2 0 -E c t 1 t 2 t 3 t t s (+) t s (-) 81 Xung kích thích đầu vào của tri gơ Uv1(t) ; Uv2(t) là đột biến dương e1(t) và e2(t) có biên độ đủ lớn đảm bảo điều kiện kích thích cho tri gơ chuyển đổi trạng thái . Giả sử ta xét hoạt động của mạch tri gơ tại thời điểm ban đầu t< t1 lúc đó mạch tri gơ nằm ở trạng thái cân bằng thứ nhất T1 thông bão hòa còn T2 tắt .Mạch sẽ nằm yên ở trạng thái này nếu không có xung vào tác động ở đầu vào .Khi đó trạng thái ban đầu của mạch được xác định như sau: Ube = Ube1 )( 0 Uce1 )( = UceBH  0 ; Uce2 = Uce2 )(  -Ec. Tại thời điểm t = t1 ở đầu vào thứ nhất Uv1(t) có xung đột biến dương có biên độ đủ lớn thông qua tụ ghép Cp1 đưa vào cực gốc của tranzistor thứ nhất (T1) làm cho điện áp cực gốc của nó Ube1 tăng lên đột biến .Sự tăng đột biến của tranzistor T1 giảm xuống đột biến 1 lượng U1 .Lượng đột biếnU1 này thông qua tụ C2 đưa đến cực gốc của tranzistor T2 làm cho điện áp cực gốc của tranzistor của nó giảm xuống nhỏ hơn 0 (Ube2 <0).tranzistor T2 thông đột biến Sự thông đột biến của T2 sẽ gây ra trên cực góp của Uce2 đột biến dương U2.Lượng đột biến của U2 này thông qua tụ C1 quay trở về cực gốc của tranzistor T1 làm cho Ube1 dương lên khép kín vòng hồi tiếp dương lần thứ nhất. Ube1 T1 Uce1 C2Ube2 <0 T2Uce2 _____________________C1________________________ Hình 4.2: Biểu đồ điện áp biểu diễn nguyên lý hoạt động của tri gơ đối xứng thiên áp tự cấp. Với hệ số khuyếch đại của vòng hồi tiếp là rất lớn (Kht = K n >> 1 ) cho nên mạch nhanh chóng chuyển về trạng thái cân bằng thứ 2 gần như đột biến,ở trạng tháí cân bằng thứ hai này thì T1 tắt T2 thông bão hòa.lúc đó ta xác định các tham số như sau: Ube1 = Ube )( > 0 ; Ube2 = Ube2 )( < 0 Uce1 = Uce )(  -Ec ; Uce2 = UceBH  0 . Và mạch sẽ giữ nguyên ở trạng thái này khi không có xung tác động ở đầu vào . Đến thời điểm t = t2 ở đầu vào thứ 2 ( Uv2(t) lại có xung kích thích đột biến dương có biên độ đủ lớn đưa tới thông qua tụ ghép Cp2 đưa vào cực gốc của tranzistor T2 làm cho Ube2 tăng lên đột biến.sự tăng đột biến của Ube2 sẽ làm cho ic2 giảm đột biến gây nên trên cực góp của T2 (Uce2) lượng đột biến âm U3.lượng đột biến U3 82 này thông qua tụ C1 đưa thẳng vào cực gốc của tranzistor T1 làm cho Ube1 giảm xuống nhỏ hơn 0 (Ube1 < 0 ).tranzistor T1 thông xuất hiện dòng ic1 tăng đột biến gây nên trên cực góp của T1 đột biến Uce1 lượng đột biến dương điện áp . U4 khá lớn .lượng đột biến dương điện áp U4 này thông qua tụ C2 kại đưa trở về cực gốc của T2 làm cho Ube2 tăng lên khép kín vòng hồi tiếp dương lần thứ 2 trong mạch tri gơ. Ube2T2Uce2C2Ube1 T1 Uce1 _____________________C1__________________ Với hệ số khuyếch đại của vòng hồi tiếp trong mạch rất lớn (Kht = K n >>1) Kết quả mạch nhanh chóng chuyển trạng thái cân bằng ban đầu T2 tắt còn T1 thông bão hòa gần như đột biến. Và quá trình cứ tiếp tục như vậy nếu ta duy trì 2 nguồn kích thích đột biến dương xen kẽ liên tục ở 2 đầu vào của mạch tri gơ có biên độ đủ lớn thỏa mãn điều kiên kích thích .trên đầu ra được lấy trên cực góp của T1 và T2 chúng ta nhận được các điện áp Uce1 và Uce2 là các dãy xung vuông có độ rộng sườn hẹp có biên độ xấp xỉ nguồn cung cấp Ec có độ rộng tx và chu kỳ của xung ra T phụ thuộc vào độ lệch pha và chu kỳ tác động của xung vào hai dãy xung Uce1 và Uce2 ngược pha nhau 180 0 . 4.2.4. Điều kiện làm việc của mạch Trigơ thiên áp tự cấp : Để mạch tri gơ làm việc đúng chức năng giống như mạch thiên áp ngoài.trigơ Đối xứng thiên áp tự cấp cũng phải tồn tại 2 trạng thái cân bằng bền. Trạng thái thứ nhất : T1 thông bão hòa còn T2 tắt. Trạng thái thứ hai : T2 thông bão hòa còn T1 tắt. Như vậy ta phải tính toán sao cho tham số của mạch phù hợp để tồn tại 2 trang thái cân bằng bền trên. Vì mạch là mạch đối xứng do đó ta chỉ cần xét 1 trạng thái cân bằng là đủ. Giả sử ta xét mạch ở trạng thái cân bằng thứ nhất T1 thông bão hòa còn T2 tắt ,sơ đồ tương đương của mạch có dạng hình 5.6. 83 >> -Ec Rc1 C 2 R 2 I c1 Ib1 Rb1 C e R e Ire Rb2 R 1 -Ic0 I B Rc2 C 1 I B Ub2 Hình 4.3: Sơ đồ tương đương của trigơ ở trạng thái thứ nhất:T1 thông bão hòa còn T2 tắt. *Để T2 tắt yêu cầu Ube2 = Ube tắt > 0 tức là: Ube  + Ic.Rc – Ico . Rb2 – Ico(Rc + R2) = + Ic.Rc – Ico.Rb2. Suy ra : Ie.Re > Ico max .Rb2 . Suy ra :( Ib1 + IcBH ) . Re > Icomax . Rb2 . Thông thường Ib1 + IcBH với độ sâu bão hòa S = 1,5  3 . Lúc đó Ic = Ib +IcBH = (350  400).Icomax do đó ta có : Rv > 400350 2  Rb (4.2) *Để tranzistor T1 thông bão hòa với độ sâu bão hòa S = 1,5  3 yêu cầu: Ib1 = S.IbBH = Re1.( . Rc EcS  = IR1 – IRb1 = 11 Re.2. RRb IeRcIcoEc   - 1. Re RbIe Suy ra: Re1.( . Rc EcS  = 11 Re.2. RRb IeRcIcoEc   - 1. Re RbIe Do Rb1 >> R1 ; Rc1 >> Rc và Ec ; Ic.Re > Ico.Rc2 do đó ta có thể viết như sau: 84 Re1.( . Rc EcS   11 RRb Ec  Suy ra: R1 = S Rc Re)1(  - Rb1 (4.3) 4.3 Phƣơng pháp kích thích cho Trigơ chuyển trạng thái 4.3.1 Các phƣơng pháp kích thích cho Trigơ chuyển trạng thái Như đã phân tích phần trên để cho trigơ chuyển đổi trạng thái chúng ta phải đưa nguồn kích thích có biên độ đủ lớn thoả mãn điều kiện kích thích vào trigo. Nguồn kích thích cho trigơ chuyển trạng thái phải được đưa vào cực gốc của trasistor đang thông, để làm cho mạch chuyển đổi trạng thái nguồn kích thích là đột biến dương. Để kích thích cho trigơ chuyển trạng thái nguồn kích thích có thể đưa thẳng trực tiếp vào cực góp của transistor đang tắt, thông qua tụ tăng tốc C1 hoặc C2 nó sẽ được đưa đến cực gốc của transsistor đang thông. Việc đưa tín hiệu xung kích vào cực gốc của transistor đang thông thì yêu cầu biên độ nguồn kích thích nhỏ (độ nhạy của trigơ cao) nhưng độ cách ly giữa nguồn kích thích và trigơ kém . Việc đưa tín hiệu kích thích vào cực góp của trasistor đang tắt thì yêu cầu biên độ xung kích thích lớn (trigơ kém nhạy) nhưng độ cách ly giữa mạch kích thích tốt. Để kích thích cho trigơ chuyển trạng thái ta có 2 phương pháp cơ bản là kích thích đầu vào riêng và kích thích đầu vào chung. 4.3.2 Kích thích đầu vào riêng Phương pháp kích thích đầu vào riêng người ta có thể đưa tín hiệu kích thích vào cực gốc của transistor đang thông như hình (4.1) hoặc đưa tín hiệu kích thích vào cực góp của transistor đang khóa như hình (4.1). Trên sơ đồ (4.1) các tụ nối tâng Cp1, Cp2 để ngăn ảnh hưởng tín hiệu 1 chiều giữa trigơ với mạch tạo tín hiệu kích thích cho nó. Các điện trở phụ Rp1, Rp2 để mắc thiên áp cho các diode ngăn các D1 và D2. Khi không có tín hiệu xung tác động vào các diode này tắt.2 diode này chỉ thông khi có xung dương tác động ở đầu vào để trigơ chuyển trạng thái. Khi không có xung tác động vào diode này tắt cách ly trigơ khỏi mạch kích thích. Khi không có tín hiệu xung tác động lúc đó Anot của diode này nối với thiên áp âm (-Ec) qua điện trở Rp1, Rp2. Còn Katot được nối với cực góp của transistor. Diod