Bài giảng môn Điện - Điện tử - Chương 3: Mạch dao động đa hài

Chương 3: Mạch dao động đa hài 29 Chương 3 MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI 3.1 Mạch dao động đa hài dùng BJT 3.1.1 Trạng thái tắt, dẫn bão hịa của BJT Vcc Q BBV BR CV CR K LED  1  0 CI BI BEV CEV Vcc Q BR CV CR K LED  0 CI BI BEV CEV Hình 3.1a Hình 3.1b  Xét mạch ở hình 3.1a:  Khi khĩa K ở vị trí [0], dịng 0BI  0CI  BJT tắt coi như cực C và E của BJT bị hở mạch như hình 3.1b. Khi đĩ, LED tắt, điện thế VccVC  .  Khi khĩa K ở vị trí [1], dịng BI lớn, BJT dẫn bão hịa, ta xem như cực C và cực E bị nối tắt.  VVV CEsatCE 2,0 , VVBE 8,0 và  C B I KI  , với K là hệ số dẫn bão hịa sâu (K=25),  là hệ số khuếch đại của BJT. Rc VVVcc I CEsatLEDC   , với LEDV là điện áp rơi trên LED. Khi đĩ, LED sáng.  Bài tập: 1/ Tính Rb, Rc và lựa chọn Q trong mạch ở hình 3.1a sao cho khi đĩng khĩa K qua vị trí [1] thì transistor dẫn bão hịa. Biết VVBB 5 , Vcc= 12V, VVLED 5,2 và để LED sáng bình thường dịng qua LED là 20mA. Vcc Q BBV BR CV CR K LED  1 CI BI BEV CEV Hình 3.1c Chương 3: Mạch dao động đa hài 30 3.1.2 Mạch dao động lưỡng ổn (bistable) Mạch ở hình 3.2a là mạch dao động lưỡng ổn hay cịn gọi là mạch dao động hai trạng thái bền. Trong đĩ, mạch được thiết kế sao cho Q1 và Q2 làm việc ở vùng dẫn bão hịa. Vcc Q1 Q2 Vi 1OV 1CR 1R 2R 2OV 2CR Vcc Q1 Q2 Vi 1BEV 2BE V 2C R 1C R 2OV1OV 1 R 2R Hình 3.2a Hình 3.2b  Nguyên lý hoạt động: Giả sử ban đầu Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 3.2a trở thành như hình 3.2b. Lúc này, dịng 22 1 1 RR VVcc I C BE B    tại cực B của transistor Q1 làm transistor Q1 tiếp tục dẫn. Đồng thời, dịng 02 BI tại cực B của transistor Q2 làm transistor Q2 tiếp tục tắt. Do đĩ, nếu khơng cĩ tác động bên ngồi thì Q1 vẫn dẫn, Q2 vẫn tắt. Vì vậy, trạng thái Q1 dẫn, Q2 tắt là trạng thái ổn định của mạch. Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung âm vào Vi, làm 01 BEV  Q1 ngưng dẫn làm điện thế tại 1OV lớn  2BEV đủ lớn  Q2 dẫn, mạch ở hình 3.2a trở thành như hình 3.2c. Lúc này, dịng 11 2 2 RR VVcc I C BE B    tại cực B của transistor Q2 làm transistor Q2 tiếp tục dẫn. Đồng thời, dịng 01 BI tại cực B của transistor Q1 làm transistor Q1 tiếp tục tắt. Do đĩ, nếu khơng cĩ tác động bên ngồi thì Q2 vẫn dẫn, Q1 vẫn tắt. Vì vậy, trạng thái Q2 dẫn, Q1 tắt là trạng thái ổn định của mạch. Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung dương vào Vi, làm 1BEV đủ lớn  Q1 dẫn làm điện thế tại VVO 01   VVBE 02   Q2 ngưng dẫn Vcc Q1 Q2 Vi 1BE V 2BEV 1CR 2CR 2R1R 2OV1OV Hình 3.2c Chương 3: Mạch dao động đa hài 31 Từ nguyên lý hoạt động ở trên, ta thấy, mạch ở hình 3.2 cĩ hai trạng thái ổn định. Vì vậy, mạch được gọi là mạch dao động lưỡng ổn. Dạng điện áp vào, ra của mạch lưỡng ổn như sau: t 0 t1 t1 t2 t2 t 0 Vm2 t1 t2 1OV 2OV t 0 Vm1 1BEV t 0 2BEV t 0 iV V t1 t1 t2 V t3 t4 t3 t3 t3 t3t2 t4 t4 t4 t4 Hình 3.3  Bài tập 1/ Hãy thiết kế mạch ở hình 3.2a sao cho mAII CC 2021  . Biết Vcc= 5V. 3.1.3 Mạch dao động đơn ổn (monostable) Hình 3.4a là mạch dao động đơn ổn hay cịn gọi là mạch dao động một trạng thái bền. Q1 và Q2 được thiết kế để làm việc trong vùng dẫn bão hịa. Chương 3: Mạch dao động đa hài 32 Vcc Q1 Q2 Vi 1OV 1CR R C 2OV 2CR1BR Vcc Q1 Q2 Vi 1OV 1CR R C 2OV 2CR1BR 2BEV +- Hình 3.4a Hình 3.4b  Nguyên lý hoạt động: Giả sử ban đầu Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 3.4a trở thành như hình 3.4b. Lúc này, tụ C nạp năng lượng từ nguồn qua 2CR và mối nối BE của Q1, điện áp trên tụ cĩ chiều như hình 3.4b, ngồi dịng nạp qua tụ dịng 1BI cịn được cung cấp từ nguồn qua 1BR . Do đĩ, cho dù tụ nạp đầy thì Q1 vẫn dẫn  VVO 01   Q2 tiếp tục tắt. Nếu khơng cĩ tác động bên ngồi thì mạch khơng thay đổi trạng thái. Vì vậy, trạng thái này là trạng thái ổn định của mạch. Để thay đổi trạng thái ta cấp một xung dương vào Vi, làm 2BEV đủ lớn  Q2 dẫn, tụ C đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1 làm 01 BEV  Q1 ngưng dẫn, mạch ở hình 3.4a trở thành như hình 3.4c. Lúc này, tụ C xả qua 1BR và Q2 làm điện áp trên tụ giảm dần. Sau khi tụ xả hết, tụ tiếp tục nạp năng lượng từ nguồn Vcc qua 1BR và Q2  điện áp trên tụ đổi dấu và tăng dần. Mà CBE VV 1 với CV là điện áp trên tụ.  1BEV cũng tăng dần. Tới một lúc nào đĩ 1BEV đủ lớn, làm Q1 dẫn  VVO 01   Q2 tắt Vcc Q1 Q2 Vi 1OV 1CR R C 2OV 2CR1BR 2BEV1BEV +- - ++ Hình 3.4c Chương 3: Mạch dao động đa hài 33 Từ nguyên lý hoạt động đã trình bày ở trên, ta thấy trạng thái ổn định của mạch là trạng thái Q1 dẫn, Q2 tắt. Khi cĩ tác động bên ngồi, mạch thay đổi trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn, sau một thời gian mạch tự trở về trạng thái ổn định. Do đĩ, trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn là trạng thái khơng ổn định của mạch. Dạng điện áp 1OV , 2OV , 1BEV và 2BEV như sau: t 0 t1 t1 t2 t2 t 0 Vcc t1 t2 1OV 2OV t 0 Vm 1BEV t 0 2BEV t 0 iV -Vcc V t1 t1 t2 OT V Hình 3.5 Gọi To là độ rộng xung ra. To phụ thuộc vào thời gian nạp, xả của tụ C. To là thời gian từ t1 đến t2. Do đĩ, để tính To ta xét điện áp 1BEV trong thời gian từ t1 đến t2 và dời trục tọa độ như sau: Chương 3: Mạch dao động đa hài 34 t 0 Vcc2 VVcc  OT V Hình 3.6 Trong thời gian này 1BEV cũng chính là điện áp trên tụ C và cĩ phương trình sau:            t C eVcctV 12)( Khi oTt  thì điện áp VVccVC  . Do VVcc   VccVC              OT eVccVcc 12  2 1 2 1 1    OO TT ee Lấy logarit hai vế ta được:        2 1 ln  OT   2lnOT Mà: CRB1 được gọi là thời hằng nạp xả của tụ    CRCRRCT BBO 11 7.0693.02ln   Bài tập 1/ Hãy thiết kế mạch ở hình 3.4a sao cho mAII CC 2021  và To= 1ms. Biết Vcc= 5V. 3.1.4 Mạch dao động bất ổn (astable) Cho mạch dao động bất ổn như hình 3.7a. Vcc Q1 Q2 1OV 1CR 2C 2OV 2CR1BR 1C 2BR 1BEV 2BE V Vcc Q1 Q2 1OV 1CR 2C 2OV 2CR1BR 1C 2BR 1BEV 2BE V +-+- Hình 3.7a Hình 3.7b Chương 3: Mạch dao động đa hài 35  Nguyên lý hoạt động: Giả sử ban đầu, Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 3.7a trở thành như hình 3.7b  VVO 01  , VccVO 2 . Lúc này, tụ 2C nạp năng lượng từ nguồn qua 2CR và mối nối BE của Q1, điện áp trên tụ cĩ chiều như hình 3.7b, ngồi dịng nạp qua tụ dịng 1BI cịn được cung cấp từ nguồn qua 1BR . Đồng thời, tụ 1C được nạp qua 2BR và cĩ chiều như hình 3.7b.  điện áp trên tụ 1C , 1CV (điện áp trên tụ 1C ) tăng dần. Mà 12 CBE VV   2BEV cũng tăng dần. Tới một lúc nào đĩ, 2BEV đủ lớn làm Q2 dẫn.  tụ 2C đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1.  01 BEV làm Q1 tắt. Khi mạch ở trạng Q1 tắt, Q2 dẫn, mạch ở hình 3.7a trở thành như hình 3.7c:  VccVO 1 , VVO 02  . Lúc này, tụ 1C xả năng lượng qua mối nối BE của Q2. Sau đĩ, nạp năng lượng từ nguồn qua 1CR và mối nối BE của Q2, điện áp trên tụ đảo chiều và tăng dần xem hình 3.7c, ngồi dịng nạp qua tụ dịng 2BI cịn được cung cấp từ nguồn qua 2BR . Do đĩ, Q2 vẫn được duy trì ở trạng thái dẫn cho dù tụ 1C đã nạp đầy. Đồng thời, tụ 2C được nạp qua 1BR và Q2 sau khi đã xả hết xem hình 3.7c.  điện áp trên tụ 2C , 2CV (điện áp trên tụ 2C ) tăng dần. Mà 21 CBE VV   1BEV cũng tăng dần. Tới một lúc nào đĩ, 1BEV đủ lớn làm Q1 dẫn.  tụ 1C đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q2.  02 BEV làm Q2 tắt. Ta thấy, ban đầu, Q1 dẫn, Q2 tắt, sau một thời gian mạch tự động đổi qua trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn. Khi Q1 tắt, Q2 dẫn sau một thời gian mạch lại tự đổi qua trạng thái Q1 dẫn, Q2 tắt và cứ lặp đi lặp lại. Do đĩ, khơng cĩ trạng thái ổn định. Vì vậy, mạch được gọi là mạch dao động bất ổn hay mạch dao động phi ổn. Dạng điện áp 1OV , 2OV , 1BEV và 2BEV như sau: Vcc Q1 Q2 1OV 1CR 2C 2OV 2CR1BR 1C 2BR 1BEV 2BEV Hình 3.7c Chương 3: Mạch dao động đa hài 36 t 0 t1 t1 t2 t2 t 0 Vcc t1 t2 1O V 2OV t 0 Vcc 1BEV -Vcc V 1x T t1 t2 t 0 V 2BEV -Vcc 2x T t3 t4 t3 t4 t3 t4 t3 t4 Hình 3.8 Từ hình 3.8 ta thấy, 1xT chính là thời gian tụ 2C xả và nạp qua 1BR , 2xT chính là thời gian tụ 1C xả và nạp qua 2BR . Tương tự như mạch dao động đơn ổn ta cĩ cơng thức: 211 693.0 CRT Bx  122 693.0 CRT Bx  1xT , 2xT cĩ đơn vị là s. Tụ 1C , 2C cĩ đơn vị là F. 1BR , 2BR cĩ đơn vị là Ω. Chu kỳ của điện áp ra: )(693,0 122121 CRCRTTT BBxx  Tần số của điện áp ra: T f 1  Chương 3: Mạch dao động đa hài 37 3.2 Mạch dao động đa hài dùng op-amp 3.2.1 Trạng thái bão hồ của op-amp và mạch so sánh Vo Vi 0 AVcc AVcc Vùng bão hòa dương Vùng bão hòa âm Vùng tuyến tính oSatV oSatV Hình 3.9 Kí hiệu op-amp Hình 3.10 Đặc tuyến truyền đạt của op-amp Hình 3.10 là đặc tuyến truyền đạt của op-amp với A là độ lợi áp vịng hở,   VVVi là điện áp vào. Dựa vào đặc tuyến truyền đạt ta thấy:  Khi  VV thì osato VV  , op-amp làm việc trong vùng bão hịa dương.  Khi  VV thì osato VV  , op-amp làm việc trong vùng bão hịa âm.  Khi  VV thì io VAV . Đối với op-amp lý tưởng thì A , VccVosat  và điện trở ngõ vào iR . Đối với op-amp thực tế thì 85 1010  A , osatV nhỏ hơn Vcc một vài volt và điện trở ngõ vào 136 1010  iR . Op-amp được dùng để thực hiện mạch khuếch đại, mạch cộng, mạch trừ, mạch so sánh, Để thực hiện mạch so sánh ta cho op-amp làm việc trong vùng bão hịa như hình 3.11 sau: + - +Vcc -Vcc oV DCV iV + - +Vcc -Vcc oV DCV iV + - +Vcc -Vcc oV iV Hình 3.11a Hình 3.11b Hình 3.11c  Bài tập Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 3.11abc. Biết tVi sin10 , với ω bất kỳ, DCV cĩ độ lớn bằng 5v. + - +Vcc -Vcc oV V V Chương 3: Mạch dao động đa hài 38 3.2.2 Mạch dao động đơn ổn (monostable) t 0 V t2 t 0 t3 iV t1 OT phT Vcc Vcc Vcc OV V Hình 3.13  Nguyên lý hoạt động:  Ở chế độ xác lập, op-amp làm việc trong vùng bão hịa âm, VccVo  . Lúc này, diode dẫn nên VV  , với V là điện áp phân cực thuận của diode. Mà: CCCCO VV RR R V RR R V      21 1 21 1 Với 21 1 RR R   Do CCVV     VV , suy ra, op-amp tiếp tục làm việc trong vùng bão hịa âm. Nếu khơng cĩ tác động bên ngồi thì mạch khơng thay đổi trạng thái. Vì vậy, đây là trạng thái ổn định của mạch.  Khi cĩ xung dương tác động vào iV ,   VV , làm op-amp đổi qua trạng thái bão hịa dương, VccVo  . Lúc này, diode ngưng dẫn, tụ C nạp năng lượng từ oV qua R xuống mass, làm V tăng dần. Mà: CCO VVV RR R V     21 1 Do V cĩ thể tăng dần tới Vcc , V cĩ điện thế nhỏ hơn Vcc nên tới một lúc nào đĩ  VV . Khi này, op-amp làm việc trong vùng bão hịa âm, VccVo  , diode dẫn, tụ xả và điện thế V được ghim ở mức V . Op-amp ở trạng thái bão hịa dương là trạng thái khơng ổn định của mạch. Hình 3.12 + - +Vcc -Vcc oV V R C 2R 1R iV V Chương 3: Mạch dao động đa hài 39 Từ nguyên lý hoạt động trên ta thấy, mạch cĩ một trạng thái ổn định nên mạch được gọi là mạch đơn ổn hay cịn gọi mạch một trạng thái bền. Hình 3.13 là dạng điện áp ngõ ra và dạng điện áp trên tụ của mạch. oT là độ rộng xung, nĩ phụ thuộc vào thời gian nạp của tụ, vì vậy, để tính oT ta xét phương trình sau:             t C eVVcctV 1)()( Tại thời điểm oTt  ta cĩ:     VVcceVVccTV OT oC           1)()(    VVcc VVcc e OT             1 Vcc V Vcc V e OT                 1 1 Đặt Vcc V k   k k e OT             1 1   k k e OT     1 1   k e OT     1 1        1 1 k e OT           1 1 ln kTO            1 1 ln k TO Mà: RC          1 1 ln k RCTO Tương tự, ta cĩ:          k RCTph 1 1 ln  3.2.3 Mạch dao động bất ổn (astable) a. Nguyên lý: Mạch điện hình 3.14 là sơ đồ mạch dao động tích thốt dùng Op-amp để cho ra tín hiệu vuơng. Sơ đồ cĩ hai mạch hồi tiếp từ ngõ ra về hai ngõ vào. C ầu phân áp RC hồi tiếp về ngõ In -, cầu phân áp R1 –R2 hồi tiếp về ngõ In + . Để giải thích nguyên lý mạch ta giả sử tụ C chưa nạp điện và Op-amp đang ở trạng thái bão hịa dương. Lúc này, cầu Hình 3.14: Mạch dao động tích thốt - C nạp + -Vcc Vo=+Vcc C + - R1 R2 +Vcc R Chương 3: Mạch dao động đa hài 40 phân áp R1 – R2 đưa điện áp dương về ngõ In + với mức điện áp là: V0 = +VCC    21 2. RR R VV CCin VA (  in V > 0V) Trong khi đĩ, ở ngõ In- cĩ điện áp tăng dần lên từ 0V, điện áp tăng do tụ C nạp qua R theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là  =RC Khi tụ C nạp cĩ  in V <  in V thì Op-amp vẫn ở trạng thái bão hịa dương. Khi tụ C nạp đến mức điện áp  in V >  in V thì OP-AMP đổi thành trạng thái bão hịa âm, ngõ ra cĩ V0 = -VCC. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp âm về ngõ In + với mức điện áp là:    21 2. RR R VV CCin VB (  in V < 0V ) Trong khi đĩ ở ngõ In- vẫn cịn đang ở mức điện áp dương với trị số: 21 2. RR R VV CCin   do tụ C đang cịn nạp điện. Như vậy Op-amp sẽ chuyển sang trạng thái bão hịa âm nhanh cho cạnh xung vuơng thẳng đứng. Tụ C bây giờ sẽ xả điện áp dương đang nạp trên tụ qua R1 và tải ở ngõ ra xuống mass. Khi tụ C xả điện áp dương đang cĩ thì  in V vẫn ở mức điện áp âm nên Op-amp vẫn ở trạng thái bão hịa âm. Khi tụ C xả hết điện áp dương sẽ nạp điện qua R để cĩ điện áp âm đang cĩ do ngõ ra đang ở trạng thái bão hịa âm chiều nạp bây giờ ngược với chiều dịng điện nạp trên hình vẽ. Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức  in V <  in V (ngõ In - nhỏ hơn ngõ In+) thì Op-amp lại đổi thành trạng thái bão hịa dương về ngõ ra cĩ V0 = +VCC. Mạch đã trở lại trạng thái giả thiết ban đầu và hiện tượng trên cứ tiếp diễn liên tục tuần hồn. b. Dạng sĩng ở các chân: Mức giới hạn điện áp ngõ ra là: V0max  +VCC V0min  -VCC Mức giới hạn điện áp ở hai ngõvào là: VA 21 2. RR R V CC   VB 21 2. RR R V CC   Dạng điện ở ngõ vào In- là dạng tam giác. Thời gian điện áp ở ngõ vào In - tăng từ VB lên VA là Op- amp ở trạng thái bão hịa dương, Thời gian điện áp ở ngõ vào In- VA Vin- VB Vin+ VA VB Vo Vcc -Vcc t t t Hình 3.15. Dạng sĩng ở các chân. Chương 3: Mạch dao động đa hài 41 giảm từ VA xuống VB là Op_amp ở trạng thái bão hịa dương. Dạng điện áp ở ngõ In + và ngõ ra là trạng thái xung vuơng đối xứng. Chu kỳ của tín hiệu được tính theo cơng thức 1 21 2.2 R RR CLnRT   Suy ra tần số của tín hiệu xung được tính theo cơng thức T f 1  Trường hợp đặc biệt: R1 = 2R2  T = 2.R.CLn2 =2.R.C.0,69  f = CRCR ..4,1 1 ..69,0.2 1  R1 = R2  T = 2.R.CLn3 =2.R.C.1,1  CR f ..2,2 1  3.3 Dao động dùng vi mạch LM555 3.3.1 Cấu tạo vi mạch LM555 Vi mạch 555 được chế tạo thơng dụng nhất là dạng vỏ Plastic như hình vẽ 3.16 Chân 1: GND (nối đất) Chân 2: Trigger Input (ngõ vào xung nảy) Chân 3: Output ( ngõ ra) Chân 4: Reset (hồi phục) Chân 5: Control Voltage ( điện áp điều khiển) Chân 6: Threshold (Thềm –ngưỡng) Chân 7: Dirchage ( xả điện) Chân 8: +VCC ( nguồn dương) Vi mạch định thì 555 cĩ 8 chân, cĩ nguồn nuơi trong khoảng từ +5V đến +15V và mức áp tối đa là +18V. Bên trong vi mạch 555 cĩ hơn 20 Transistor và nhiều điện trở thực hiện chức năng như trong hình 3.17 gồm: Cầu phân áp gồm 3 điện trở 5K nối từ nguồn +VCC xuống mass cho ra hai điện áp chuẩn là 1/3 VCC và 2/3 VCC . Op-amp (1) là mạch khuếch đại so sánh cĩ ngõ In - nhận điện áp chuẩn 2/3 VCC cịn ngõ In + thì nối ra ngồi chân 6. Tùy thuộc điện áp của chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3 VCC mà Op-amp (1) cĩ điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Flip-Flop(F/F). Hình 3.16: Hình dạng IC555 6 57 555 2 41 8 3 Chương 3: Mạch dao động đa hài 42 Op-amp (2) là mạch khuếch đại so sánh cĩ ngõ In + nhận điện áp chuẩn 1/3 VCC cịn ngõ In - thì nối ra ngồi chân 2. Tùy thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 VCC mà Op-amp (2) cĩ áp thế ra mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển Flip –Flop (F/F). Mạch Flip-Flop (F/F) là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân Set (S) cĩ điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F là ngõ Q lên mức cao và ngõ Q của xuống mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F khơng đổi trạng thái. Khi chân Reset (R) cĩ điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F khơng đổi trạng thái. Mạch OUTPUT là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dịng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo cĩ ngõ vào là chân Q của F/F nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ cĩ điện áp thấp ( 0v) và ngược tại khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ cĩ điện áp cao (VCC) Transistor T1 cĩ chân E nối vào 1 điện áp chuẩn khoảng 1,4 V và loại Transistor PNP nên khi cực B nối ra ngồi bởi chân 4 cĩ điện áp cao hơn 1,4V thì T1 ngưng dẫn nên T1 khơng ảnh hưởng đến hoạt động của mạch khi chân 4 cĩ điện trở trị số nhỏ thích hợp (nối mass) thì T1 dẫn bão hịa đồng thời làm mạch OUTPUT cũng dẫn bão hịa và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset cĩ nghĩa là nĩ Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác, do đĩ chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần. Nếu khơng dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên VCC để tránh mạch bị Reset do nhiễu. Transistor T2 là Transistor cĩ cực C để hở nối ra chân 7 (Discharge = xả). Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hịa và cực C của T2 coi như nối mass, lúc đĩ ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn cực C của T2 bị hở, lúc đĩ ngõ ra chân 3 cĩ điện áp cao. Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra chân 7 cĩ thể làm ngõ ra phụ cĩ mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 4. Hình 3.17 là sơ đồ cấu trúc bên trong của IC 555 vẽ theo kiểu sơ đồ chức năng. Chương 3: Mạch dao động đa hài 43 3.3.2 Mạch dao động đơn ổn (monostable) Hình 3.18: Mạch đơn ổn dùng IC 555 Để cĩ thể phân tích nguyên lý của mạch đơn ổn một cách rõ ràng, dễ hiểu chúng ta sử dụng sơ đồ hình 3.18. Sơ đồ hình vẽ mạch áp dụng IC 555 làm mạch đơn ổn, sơ đồ hình 3.18 kềt hợp với sơ đồ cấu trúc bên trong IC. Trong mạch này chân ngưỡng số 6 và chân xả số 7 được nối vào điểm chung của mạch định thì RTC. Chân nhận xung kích số 2 được nối lên nguồn + VCC qua điện trở 10K sao cho chân này cĩ điện áp lớn hơn 1|3VCC. Hình 3.18: Mạch đơn ổn dùng IC 555 Đặc điểm của mạch đơn ổn là khi cĩ xung âm hẹp tác động tức thời ở ngõ vào Trigger chân hai mạch sẽ đổi trạng thái và tại ngõ ra chân 3 sẽ cĩ xung dương ra. Độ rộng xung ở ngõ ra cĩ thời gian dài hay ngắn tùy thuộc mạch định thì RTC, sau đĩ mạch sẽ trở lại trạng thái ban đầu. Nguyên lý mạch đơn ổn được giải thích như sau: Khi mở điện tụ C nối chân 6 và 7 xuống masse làm OP- AMP (1) cĩ ngõ In + nhỏ hơn ngõ In - nên ngõ ra V01 = 0v, ngõ R ở mức thấp. Lúc đĩ OP-AMP (2) cĩ Hình 3.17 Cấu trúc của IC 555. 2 Control Voltage T2 Vcc 1 + - 15 Trigger Input S GND 5K R OUTPUT 3 Threshold 3 5K 6 F/F 8 2 Vcc 5K Vr = 1.4 V + - 2 T1 3 4 1 Vcc Q Dirchage Reset OUTPUT NOT 7 +Vcc 01 K C Rt 555 12 3 4 5 6 7 8 Vo 10 K +Vcc Chương 3: Mạch dao động đa hài 44 ngõ In + cũng nhỏ hơn ngõ In - nên ngõ ra V02 = 0v, ngõ s cũng thấp. Mạch F|F cĩ hai ngõ R và S đều ở mức thấp và nhờ cấu trúc của mạch chi tiết nê F\F cĩ ngõ ra Q ở mức cao, qua mạch đảo ngõ ra chân 3 sẽ cĩ mức thấp gần 0v. khi Q ở mức cao ạo phân cực bão hịa cho T2 làm T2 dẫn nối chân 7 xuống mass, chân 6 cũng bị nối mass nên tụ C khơng nạp điện được, mạch sẽ ổn định ở trạng thái này nếu khơng cĩ tác động khác ở bên ngồi. Khi đĩng khĩa K sẽ cĩ xung âm kích vào chân Trigger số 2 làm OP-AMP (2) đổi trạng thái ngõ S lên mức cao. Mức cao của ngõ S điều khiển làm F|F đổi trạng thái, làm ngõ Q xuống mức thấp, ngõ ra qua mạch đảo sẽ tăng lên mức cao và xung dương ra. Lúc đĩ, Q ở múc thấp nên T2 ngưng dẫn để tụ C nạp điện qua RT. Trong thới gian tụ C nạp điện mạch vẫn giữ trạng thái này nên ngõ ra tiếp tục ở ngõ cao. Điện áp nạp trên tụ cĩ trị số tăng theo hàm số mũ và khi điện áp đạt gía trị 2|3 VCC thì OP-AMP (1) đổi trạng thái,ngõ R tăng lên mức cao. Ngõ Rcĩ mức cao sẽ điều khiển F|F trở lại trạng thái cũ, ngõ Q lên mức cao làm ngõ ra qua mạch đảo sẽ xuống mức thấp chấm dứt xung dương ra. Đồng thời lúc đĩ T2 được phân cực bão hịa nên chân 7 nối mass làm tụ C xả điện, mạch sẽ ổn định ở trạng thái này cho đến khi nào cĩ xung âm khác tác động vào chân Trigger (số 2). Thời gian xung dương ra tức là thời gian nạp điện từ 0v lên 2|3 VCC được tính theo như sau: Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ là: VC = VCC ( 1-  x t e ) Trong đĩ  = RT. C Thời gian tụ nạp được điện thế từ 0V lên 2|3 VCC là tx được tính bởi: VC = VCC ( 1 -  x t e ) = 2|3VCC Suy ra: ( 1-  x t e ) = 3 2 hay là 1 - 3 2 =  x t e 3 1 =  x t e =  x t e 1  x t e = 3 Cuối cùng ta cĩ hàm số ngược của hàm số mũ là Ln. Như vậy: tx = . Ln3 ( Ln3 = 1,1 ) tx = 1,1 RT. C Chương 3: Mạch dao động đa hài 45 3.3.3 Mạch dao động bất ổn (astable) Sơ đồ mạch hình 3.19 là ứng dụng của IC 555 là mạch đa hài phi ổn để tạo xung vuơng. Trong mạch chân ngưỡng (Threshold) so 6 được nối với chân Trigger số 2 nên hai chân này cĩ chung điện áp là điện áp trên tụ C để so với điện áp chuẩn 2/3 VCC và 1/3 VCC bởi Op- amp (1) và Op- amp (2). Chân 5 cĩ tụ nhỏ 0.01F nối mass để lọc nhiễu tần số cao cĩ thể làm ảnh hưởng điện áp chuẩn 2/3 VCC. Chân 4 nối nguồn +VCC nên khơng dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa 2 điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ. Ngõ ra chân 3 cĩ điện trở 1,2 K hạn dịng cho Led và Led để biểu thị mức điện áp ra (chỉ cĩ thể dùng trong trường hợp tần số dao động cĩ trị số thấp từ 20HZ trở xuống cịn ở tần số cao hơn 40HZ trạng thái sáng tắt của Led khĩ cĩ thể nhận biết bằng mắt thường). Để phân tích nguyên lý của mạch cần phối hợp mạch ứng dụng hình 3.19 và sơ đồ cấu trúc hình 3.17. Khi mới đĩng điện tụ C bắt đầu nạp từ 0V lên nên: - Op-amp (1) cĩ VI + < VI - nên ngõ ra cĩ V01 = mức thấp, ngõ R= 0 (mức thấp). - Op-amp (2) cĩ VI + > VI - nên ngõ ra cĩ V02 = mức cao, ngõ S=1 (mức cao). Mạch F/F cĩ ngõ S=1 nên Q =1 và Q = 0. Lúc đĩ ngõ ra chân 3 cĩ V0  VCC (do qua mạch đảo ) làm Led sáng. - Transistor T2 cĩ VB2 = 0 do Q = 0 nên T2 ngưng dẫn để tụ C được nạp điện. Tụ C nạp điện qua RA và RB với hằng số thời gian khi nạp là: )( BAnap RR  C Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 1/3 VCC thì Op-amp (2) đổi trạng thái, ngõ ra cĩ V02 = mức thấp, ngõ S = 0 ( mức thấp). Khi S xuống mức thấp thì F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức cao, Led vẫn sáng. Khi điện áp trên tụ tăng đến mức 2/3 VCC thì Op-amp (1) dổi trạng thái, ngõ ra cĩ V01 = mức cao, ngõ R = 1. Mạch F/F cĩ ngõ R= 1 nên Q= 1. Lúc đĩ ra chân 3 cĩ V0  0V làm Led tắt. Khi ngõ Q=1 sẽ làm T2 dẫn bão hịa và chân 7 nối mass, làm tụ C khơng nạp tiếp điện áp được mà phải xả điện qua RB và Transistor T2 xuống mass. Tụ C xả điện qua RB với hằng số thời gian là: xả = RB. C Khi điện áp trên tụ (tức la điện áp chân 2 và chân 6) giảm xuống dưới 2/3 VCC thì Op-amp(1) đổi trở lại trạng thái cũ là V01 = mức thấp, ngõ R = 0. Khi R xuống mức thấp thì F/F khơng đổi trạng thái nên điện áp ngõ ra vẫn ở mức thấp, Hình 3.19: Mạch đa hài phi ổn +VCC=12V .01 C R96 Ra R=1,2K Rb 555 1 2 3 4 5 6 7 8 Chương 3: Mạch dao động đa hài 46 Led vẫn tắt. Khi điện áp trên tụ giảm xuống đến mức 1/3 VCC thì Op- amp(2) lại cĩ VI + > VI - nên ngõ ra cĩ V02 = mức cao, ngõ S1 = 1. Mạch F/F cĩ ngõ S=1 và 0Q , ngõ ra chân 3 qua mạch đảo cĩ V0  + VCC làm Led lại sáng, đồng thời lúc đĩ T2 mất phân cực do 0Q nên ngưng dẫn và chấm dứt giai đoạn xả điện của tụ. Như vậy mạch đã trở lai trạng thái ban đầu và tụ lại nạp điện từ mức 1/3 VCC nên đến 2/3 VCC, hiện tượng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hồn. Lưu ý: Khi mới mở điện tụ C sẽ nạp điện từ 0V lên 2/3 VCC rồi sau đĩ tụ xả điện là 2/3 VCC xuống 1/2 VCC chứ khơng xả xuống 0V. Những chu kỳ sau tụ sẽ nạp từ 1/3VCC lên 2/3VCC chứ khơng nạp từ 0V nữa. Thời gian tụ nạp là thời gian V0  + VCC, Led sáng. Thời gian tụ xả là thời gian V0  0V, Led tắt. Thời gian nạp và xả tụ được tính theo cơng thức: Thời gian nạp: tnạp = 0,69. nạp tnạp = 0,69.( RA + RB ) C Thời gian xả: txả = 0,69.xả txả = 0,69. RB. C Điện áp ở ngõ ra chân 3 cĩ dạng hình vuơng với chu kỳ là: T = tnạp +txả T = 0,69 ( RA + 2RB ) C Do thời gian nạp và thời gian xả khơng bằng nhau ( tnạp > txả ) nên tín hiệu hình vuơng ra khơng đối xứng. Tần số của tín hiệu hình vuơng là: CRRT f BA )2(69,0 11   3.4 Dao động dùng các cổng logic