Tải bản đầy đủ

bai giang ky thuat xung so

MỤC LỤC
Chương 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH RLC
1.1 Khái niệm và các dạng xung .............................................................. 1
1.2 Các thông số của tín hiệu xung .......................................................... 3
1.3 Mạch lọc ............................................................................................. 4
1.3.1 Mạch lọc RC ................................................................................ 4
1.3.2 Mạch lọc RL ................................................................................ 8
1.3.3 Mạch lọc LC ................................................................................ 9
1.4 Mạch tích phân ................................................................................... 9
1.4.1 Mạch tích phân RC ...................................................................... 9
1.4.2 Mạch tích phân RL ...................................................................... 12
1.4.3 Mạch tích phân dùng Op-Amp .................................................... 13
1.5 Mạch vi phân ...................................................................................... 13
1.5.1 Mạch vi phân RC ......................................................................... 13
1.5.2 Mạch vi phân RL ......................................................................... 16
1.5.3 Mạch vi phân dùng Op-Amp ....................................................... 17
Chương 2: MẠCH XÉN VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP
2.1 Mạch xén ......................................................................................... 18
2.1.1 Mạch xén song song .................................................................... 19
2.1.2 Mạch xén nối tiếp ........................................................................ 22
2.2 Mạch ghim ........................................................................................ 25

2.2.1 Mạch ghim đỉnh trên ................................................................... 25
2.2.2 Mạch ghim đỉnh dưới .................................................................. 27
Chương 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI
3.1 Mạch dao động đa hài dùng BJT ...................................................... 29
3.1.1 Trạng thái tắt, dẫn bão hòa của BJT ............................................ 29
3.1.2 Mạch dao động lưỡng ổn (bistable) ............................................ 30
3.1.3 Mạch dao động đơn ổn (monostable) .......................................... 31
3.1.4 Mạch dao động bất ổn (astable) .................................................. 34
i


3.2 Mạch dao động đa hài dùng Op-Amp .............................................. 37
3.2.1 Trạng thái bão hoà của Op-Amp và mạch so sánh...................... 37
3.2.2 Mạch dao động đơn ổn (monostable) .......................................... 38
3.2.3 Mạch dao động bất ổn (astable) .................................................. 39
3.3 Dao động dùng vi mạch LM555....................................................... 41
3.3.1 Cấu tạo vi mạch LM555 .............................................................. 41
3.3.2 Mạch dao động đơn ổn (monostable) .......................................... 43
3.3.3 Mạch dao động bất ổn (astable) .................................................. 45
3.4 Dao động dùng các cổng logic ......................................................... 46
Chương 4: CÁC MẠCH TẠO XUNG KHÁC
4.1 Dao động blocking ........................................................................... 47
4.2 Mạch Schmitt trigger ........................................................................ 49
4.2.1 Mạch dùng BJT ........................................................................... 49
4.2.2 Mạch dùng Op-Amp.................................................................... 50
4.3 Mạch dao động dùng UJT ................................................................ 50

ii


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Chương 2
MẠCH XÉN VÀ MẠCH GHIM ĐIỆN ÁP
2.1 Mạch xén
Mạch xén là mạch cắt đi một phần của dạng điện áp vào ở trên hay ở dưới một
mức chuẩn nào đó. Mối liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của mạch xén thường có
các dạng sau:
Vo


Vo

Vdc

Vi
0

Vi

Vdc

Vdc

0
Vdc

(a)

(b)
Vo

Vo

Vdc2
Vdc
Vi

Vdc1
0

Vi

Vdc2

Vdc

0

Vdc1

(c)

(d)
Vo

Vo

Vdc2
Vdc

0

Vdc1

Vi

0
Vdc

(e)
(f)
Hình 2.1 Đặc tuyến truyền đạt của một số mạch xén cơ bản

18

Vi
Vdc1 Vdc2


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Dựa vào cấu trúc mạch xén gồm mạch xén song song và mạch xén nối tiếp.
 Mạch xén song song là mạch xén có phần tử xén nối song song với ngõ
ra.
 Mạch xén nối tiếp là mạch xén có phần tử xén nối nối tiếp với ngõ ra.
2.1.1 Mạch xén song song


Xét mạch sau:
R

Va
D

Vi

Vdc

Vk Vo

Hình 2.2
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường
hợp xảy ra:
 Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:
R

Va
D

Vi

Vdc

Vk Vo

 Vo= Vdc

Hình 2.3
 Trường hợp 2: Khi Vathành:
R

Va
Vi

D
Vdc

Vk Vo

 Vo= Vi

Hình 2.4

19


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Ví dụ 1: Cho Vi và Vdc như hình 2.5. Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
V

Khi 0
Vm

Vdc

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi.

t

Khi t1Vdc  Diode dẫn,

0

thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc.

V

t1

t2

t3

t4

Vi

Khi t2
Vdc

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi.
Khi t3Vdc  Diode dẫn,

t

0

t1

t2

-Vm

t3

t4

Vo

thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc.
Hình 2.5
Từ hình 2.5 ta thấy, khi Vi lớn hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn bằng Vdc, khi Vi
nhỏ hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn băng Vi. Vì vậy, đặc tuyến truyền đạt có
dạng như hình 2.1a.


Xét mạch sau:
R

Va
D

Vi

Vk Vo

Vdc

Hình 2.6
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường
hợp xảy ra:
 Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:
R

Va
Vi

D

Vk Vo

 Vo= Vdc

Vdc

Hình 2.7

20


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

 Trường hợp 2: Khi Vathành:
R

Va
D

Vi

 Vo= Vi

Vk Vo
Vdc

Hình 2.8
Ví dụ2: Cho Vi và Vdc như hình 2.9. Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
V

Khi 0Vdc  Diode dẫn,

Vi

Vm

thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc.

t1

Khi t1
0

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi.

V

t2

t3

t

t4

Vdc

Khi t2Vdc  Diode dẫn,
thuộc trường hợp 1, Vo= Vdc.

0

Khi t3
t1

t2

t3

t

t4

Vo

Vdc
-Vm

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= Vi.

Hình 2.9
Từ hình 2.9 ta thấy, khi Vi lớn hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn bằng Vdc, khi Vi
nhỏ hơn Vdc thì điện áp ngõ ra luôn băng Vi. Vì vậy, đặc tuyến truyền đạt có
dạng như hình 2.1e.

Bài tập:
Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.10. Biết
Vi  10 sin t , với ω bất kỳ, Vdc có độ lớn bằng 5v.
R

R

R

D

Vi

D

Vo

Vi

Vdc

(a)

Vo

Vi

Vdc

(b)

D

(c)

21

Vo

Vdc


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp
R

Vi

R

Vo Vi

Vdc

R

D

Vdc

Vo Vi

Vdc

D

Vo

D

(d)
(e)
Hình 2.10
2.1.2 Mạch xén nối tiếp


(f)

Xét mạch sau:
Va

Vi

Vdc

Vk
D

Vo

R

Hình 2.11
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường
hợp xảy ra:
 Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:
Va Vk
Vi

Vdc

R

Vo

 Vo= Vi - Vdc

Hình 2.12
 Trường hợp 2: Khi Vathành:
Va Vk
Vi

Vdc

R

Vo

 Vo= 0V

Hình 2.13

22


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Ví dụ 3: Cho Vi và Vdc như hình 2.14. Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
Khi 0
V
Vm

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V.

Vdc

Khi t1Vdc  Diode dẫn,

t
0

t1

t2

t3

t4

thuộc trường hợp 1, Vo= Vi - Vdc.

Vi
V

Khi t2dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V.

Vo

Vm-Vdc

Khi t3Vdc  Diode dẫn,

0

t1

t2

t3

t
t4

thuộc trường hợp 1, Vo= Vi - Vdc.
Hình 2.14


Xét mạch sau:
Va
Vi

Vk
D

Vdc

Vo

R

Hình 2.15
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode. Mạch trên có hai trường
hợp xảy ra:
 Trường hợp 1: Khi Va>Vk  Vi>Vdc, diode dẫn, sơ đồ mạch trở thành:
Va
Vi

Vdc

Vk
R

Vo

 Vo= Vi - Vdc

Hình 2.16
 Trường hợp 2: Khi Vathành:
Va
Vi

Vdc

Vk
R

Vo

 Vo= 0V

Hình 2.17
23


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Ví dụ 4: Cho Vi và Vdc như hình 2.18. Điện áp ngõ ra được xác định như sau:
Khi 0Vdc  Diode dẫn,

V

thuộc trường hợp 1, Vo= Vi – Vdc=

Vi

Vm

Vi + 5.

t1

Khi t1
t2

t3

t

t4

0
-5

Vdc

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V.
V

Khi t2Vdc  Diode dẫn,

Vo

Vm +5

thuộc trường hợp 1, Vo= Vi – Vdc=
5

t

Vi + 5.
t1

0

Khi t3
t2

t3

t4

dẫn, thuộc trường hợp 2, Vo= 0V.
Hình 2.18

Bài tập:
Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.19. Biết
Vi  10 sin t , với ω bất kỳ, Vdc có độ lớn bằng 5v.

Vi

D

Vdc

R

Vo

(a)
Vi

Vi

D

R

D

R

Vo

Vi

D

R

Vo

(b)

Vdc

(d)
Hình 2.19

Vdc

Vi

Vo

Vdc

(c)
D

R

Vo

Vi

Vdc

(e)

R
Vdc

(f)

24

D

Vo


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

2.2 Mạch ghim
2.2.1 Mạch ghim đỉnh trên


Cho mạch hình 2.20a, điện áp Vi và Vdc như hình 2.20b.
V

c

Vi

Vm

Va
Vi

Vdc

Vdc

Vo

R

t

Vk

0
Vdc

t1

t2

t3

t4

t5

-Vm

(a)

(b)

Hình 2.20
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ.
Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không.
 Trong khoảng thời gian 0 < t < t1, ta thấy Va > Vk làm diode dẫn, mạch
hình 2.20a trở thành:
c
+ Va

R

Vk

Vm

Vo

 Vo = Vdc
Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc
này, Vc = Vi – Vo= Vm – Vdc

Vdc

 Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va < Vk làm diode ngưng dẫn,
mạch hình 2.20a trở thành:
c
+ -

Tụ C xả qua R. Do R rất lớn nên tụ xả
không đáng kể  Vc là hằng số trong
Va
R
suốt khoảng thời gian từ t1 đến t2  Vc
Vo
Vk
Vm
= Vm – Vdc
Mà: Vo = Vi – Vc= –Vm –(Vm –
Vdc
Vdc)= –2Vm + Vdc
 Trong khoảng thời gian t2 < t < t3:
c
+ Va
Vm

Vk
Vdc

R

Vo

Ta có: –Vi +Vc +Vak +Vdc=0
 Vak= Vi – Vc – Vdc
Do trong thời gian trước tụ xả không
đáng kể nên tại thời điểm t2 điện áp trên
tụ Vc= Vm – Vdc.
 Vak= Vi – (Vm – Vdc) – Vdc = Vm
– Vm + Vdc – Vdc= 0

25


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

Lúc này, diode vẫn ngưng dẫn, Vo= Vi
– Vc= Vm – (Vm – Vdc)= Vdc
 Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác.
Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng như hình 2.21:
V
Vi

Vm

Vdc

Vdc

t

0

t1

t2

t3

t4

t5

-Vm

V
Vm
Vdc

Vdc

t

0

t1

t2

t3

-(2Vm -Vdc)

t4

t5

Vo

Hình 2.21

Bài tập:
1/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.20a. Biết Vi
như hình 2.20b nhưng Vdc > Vm.
2/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.20a. Biết Vi
như hình 2.20b nhưng Vdc < 0.

26


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

2.2.2 Mạch ghim đỉnh dưới


Cho mạch hình 2.22a, điện áp Vi và Vdc như hình 2.22b.
V

c

Vi

Vi

Vm

Vk
Va

Vdc

Vdc

R Vo

t

0

t1

t2

t3

t4

t5

Vdc
-Vm

(a)

(b)

Hình 2.22
Gọi Va là điện thế tại anode, Vk là điện thế tại cathode và Vc là điện áp trên tụ.
Giả sử, ban đầu điện áp trên tụ Vc bằng không.
 Trong khoảng thời gian 0 < t < t1, ta thấy Vk > Va làm diode ngưng dẫn,
mạch hình 2.22a trở thành:
c
+ -

Vk
Va

Vm

R

Vo

Vdc

Tụ C nạp qua điện trở R có giá trị rất
lớn nên nạp không đáng kể.
 Vc = 0V
 Vo = Vi – Vc= Vi

 Trong khoảng thời gian t1 < t < t2, ta thấy Va > Vk làm diode dẫn, mạch
hình 2.22a trở thành:
c
- +
Vk
Va

Vm

R

Vo

 Vo = Vdc
Tụ C nạp qua diode nên đầy tức thì, lúc
này, Vc = Vi – Vo= –Vm – Vdc

Vdc

 Trong khoảng thời gian t2 < t < t3:
c
- +
Vk
Vm

Va

R
Vdc

Vo

Diode ngưng dẫn, tụ xả qua R nên
không đáng kể.
 Vc là hằng số trong khoảng thời gian
từ t2 đến t3 và Vc= –Vm – Vdc
Mà: Vo= Vi – Vc
 Vo= Vm + (Vm + Vdc)= 2Vm +Vdc

27


Chương 2: Mạch xén và mạch ghim điện áp

 Trong khoảng thời gian t3 < t < t4:
Ta có: –Vi +Vc +Vka +Vdc=0
 Vka= Vi – Vc – Vdc
c
- +
Do trong thời gian trước tụ xả không
đáng kể nên tại thời điểm t3 điện áp trên
Vk
tụ Vc= –Vm – Vdc.
R
Vm
Va
Vo
 Vka = Vi + (Vm + Vdc) – Vdc
= –Vm + Vm + Vdc – Vdc= 0
Vdc
 diode vẫn ngưng dẫn.
 Vo= Vi – Vc= –Vm +(Vm +Vdc)
 Vo= Vdc
 Ta làm tương tự cho các khoảng thời gian khác.
Từ những trình bày trên điện áp ra có dạng:
V
Vi

Vm

Vdc

Vdc

t

0

t1

t2

t3

t4

t5

-Vm

V
(2Vm+Vdc)
Vo

Vm
Vdc

Vdc

t

0

t1

t2

t3

t4

t5

Hình 2.23

Bài tập:
1/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.22a. Biết Vi
như hình 2.22b nhưng Vdc < –Vm.
2/ Hãy vẽ và giải thích dạng điện áp ngõ ra của các mạch ở hình 2.22a. Biết Vi
như hình 2.22b nhưng –Vm < Vdc < 0.

28


Chương 3: Mạch dao động đa hài

Chương 3
MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI
3.1 Mạch dao động đa hài dùng BJT
3.1.1 Trạng thái tắt, dẫn bão hòa của BJT
Vcc

Vcc

RC

LED

LED

1

K

0

VBB

RB

Q

VC

VC

Q

VCE

0

IB

VBE

Hình 3.1a


RB

K

VCE
IB

IC

RC

IC

VBE

Hình 3.1b

Xét mạch ở hình 3.1a:
 Khi khóa K ở vị trí [0], dòng I B  0  I C  0  BJT tắt coi như cực C
và E của BJT bị hở mạch như hình 3.1b. Khi đó, LED tắt, điện thế
VC  Vcc .
Vcc

 Khi khóa K ở vị trí [1], dòng I B lớn,
BJT dẫn bão hòa, ta xem như cực C và
cực E bị nối tắt.
 VCE  VCEsat  0,2V , VBE  0,8V và
I
I B  K C , với K là hệ số dẫn bão hòa sâu



(K=25),  là hệ số khuếch đại của BJT.
IC 

Vcc  VLED  VCEsat
, với VLED là điện
Rc

RC

IC

LED

1

K

RB

Q

VC
VCE

VBB
IB

VBE

Hình 3.1c

áp rơi trên LED. Khi đó, LED sáng.


Bài tập:

1/ Tính Rb, Rc và lựa chọn Q trong mạch ở hình 3.1a sao cho khi đóng khóa K
qua vị trí [1] thì transistor dẫn bão hòa. Biết VBB  5V , Vcc= 12V, VLED  2,5V
và để LED sáng bình thường dòng qua LED là 20mA.
29


Chương 3: Mạch dao động đa hài

3.1.2 Mạch dao động lưỡng ổn (bistable)
Mạch ở hình 3.2a là mạch dao động lưỡng ổn hay còn gọi là mạch dao động
hai trạng thái bền. Trong đó, mạch được thiết kế sao cho Q1 và Q2 làm việc ở
vùng dẫn bão hòa.
Vcc

Vcc

R1

VO1

R2

Q1

RC 2

RC 1

RC 2

RC1

VO1

VO 2

R1

R2

Q1

Q2

Q2

VBE1

VO 2

VBE 2

Vi

Vi

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.
Vcc  VBE1
Lúc này, dòng I B1 
tại cực B của transistor Q1 làm transistor Q1 tiếp
RC 2  R2
tục dẫn. Đồng thời, dòng I B 2  0 tại cực B của transistor Q2 làm transistor Q2
tiếp tục tắt. Do đó, nếu không có tác động bên ngoài 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 VBE1  0  Q1
ngưng dẫn làm điện thế tại VO1 lớn  VBE 2 đủ lớn  Q2 dẫn, mạch ở hình 3.2a
trở thành như hình 3.2c.
Vcc
Vcc  VBE 2
Lúc này, dòng I B 2 
tại
RC1  R1
R
R
cực B của transistor Q2 làm transistor Q2
R
R
V
tiếp tục dẫn. Đồng thời, dòng I B1  0 tại
V
cực B của transistor Q1 làm transistor Q1
Q1
Q2
tiếp tục tắt. Do đó, nếu không có tác động
bên ngoài thì Q2 vẫn dẫn, Q1 vẫn tắt. Vì
V
V
vậy, trạng thái Q2 dẫn, Q1 tắt là trạng thái
ổn định của mạch.
Vi
Để thay đổi trạng thái ta cấp một
Hình 3.2c
xung dương vào Vi, làm VBE1 đủ lớn 
Q1 dẫn làm điện thế tại VO1  0V 
VBE 2  0V  Q2 ngưng dẫn …
C1

C2

1

2

O2

O1

BE 1

BE 2

30


Chương 3: Mạch dao động đa hài

Từ nguyên lý hoạt động ở trên, ta thấy, mạch ở hình 3.2 có 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:
VO1

Vm1

t

0

t1

t2

t3

t4

VO 2

Vm2

t

0

t1

t2

t3

t4

VBE1
V

0

t
t3

t4

t2

t3

t4

t2

t3

t4

t1

t2

t1

t1

VBE 2

V

0

t

Vi
t

0

Hình 3.3

Bài tập
1/ Hãy thiết kế mạch ở hình 3.2a sao cho I C1  I C 2  20mA . Biết Vcc= 5V.
3.1.3 Mạch dao động đơn ổn (monostable)
Hình 3.4a là mạch dao động đơn ổn hay còn gọi là mạch dao động một
trạng thái bền. Q1 và Q2 được thiết kế để làm việc trong vùng dẫn bão hòa.

31


Chương 3: Mạch dao động đa hài
Vcc

RB1

RC1
R

VO1

Vcc

VO1

VO 2

C

RB1

RC1

RC 2

-

R

+

C

Q1

Q1

RC 2

VO 2

Q2

VBE 2

Q2

Vi

Vi

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 RC 2 và mối nối BE của Q1, điện áp
trên tụ có chiều như hình 3.4b, ngoài dòng nạp qua tụ dòng I B1 còn được cung
cấp từ nguồn qua RB1 . Do đó, cho dù tụ nạp đầy thì Q1 vẫn dẫn  VO1  0V 
Q2 tiếp tục tắt. Nếu không có tác động bên ngoài thì mạch không 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 VBE 2 đủ lớn 
Q2 dẫn, tụ C đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1 làm VBE1  0  Q1 ngưng
dẫn, mạch ở hình 3.4a trở thành như hình 3.4c.
Vcc
Lúc này, tụ C xả qua RB1 và Q2 làm
điện áp trên tụ giảm dần. Sau khi tụ xả
hết, tụ tiếp tục nạp năng lượng từ nguồn
RB1
RC1
RC 2
Vcc qua RB1 và Q2  điện áp trên tụ đổi
R
- C+
VO1
VO 2
dấu và tăng dần. Mà VBE1  VC với VC là
Q1
điện áp trên tụ.  VBE1 cũng tăng dần.
Q2
Tới một lúc nào đó VBE1 đủ lớn, làm Q1
VBE 2
VBE1
+
+
dẫn  VO1  0V  Q2 tắt …
Vi

Hình 3.4c

32


Chương 3: Mạch dao động đa hài

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 có tác động bên ngoài, mạch thay đổi
trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn, sau một thời gian mạch tự trở về trạng thái ổn định.
Do đó, trạng thái Q1 tắt, Q2 dẫn là trạng thái không ổn định của mạch.
Dạng điện áp VO1 , VO 2 , VBE1 và VBE 2 như sau:
VO1

Vm

t

0

t1

t2

TO

VO 2
Vcc

t

0

t1

t2

t1

t2

t1

t2

VBE1
V

0

t

-Vcc

VBE 2

V

0

t

Vi
t

0

t1

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 đó, để tính To ta xét điện áp VBE1 trong thời gian từ
t1 đến t2 và dời trục tọa độ như sau:

33


Chương 3: Mạch dao động đa hài
V

2Vcc

Vcc  V

t

0

TO

Hình 3.6
Trong thời gian này VBE1 cũng chính là điện áp trên tụ C và có phương trình sau:
t

 

VC (t )  2Vcc1  e 




Khi t  To thì điện áp VC  Vcc  V . Do Vcc  V  VC  Vcc
T



 Vcc  2Vcc1  e 


O

 1 e



TO






T

 O
1
1
 e  
2
2



Lấy logarit hai vế ta được: 

1
 ln  

2

TO

 TO   ln 2
Mà:   RB1C được gọi là thời hằng nạp xả của tụ
 TO  RC ln 2  0.693 RB1C  0.7 RB1C

Bài tập
1/ Hãy thiết kế mạch ở hình 3.4a sao cho I C1  I C 2  20mA 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

RC1
VO1

RB 2

C1

Vcc

RC 2

RB1
C2

Q1

RC1

VO 2

VO1

C1

-

+

RC 2

RB1
C2
-

Q1

Q2

VBE1

RB 2

VBE 2

Hình 3.7b

34

VO 2

Q2

VBE1

Hình 3.7a

+

VBE 2


Chương 3: Mạch dao động đa hài



Nguyên lý hoạt động:
Giả sử ban đầu, Q1 dẫn, Q2 tắt, mạch ở hình 3.7a trở thành như hình 3.7b
 VO1  0V , VO 2  Vcc . Lúc này, tụ C2 nạp năng lượng từ nguồn qua RC 2 và
mối nối BE của Q1, điện áp trên tụ có chiều như hình 3.7b, ngoài dòng nạp qua
tụ dòng I B1 còn được cung cấp từ nguồn qua RB1 . Đồng thời, tụ C1 được nạp qua
RB 2 và có chiều như hình 3.7b.  điện áp trên tụ C1 , VC1 (điện áp trên tụ C1 )
tăng dần. Mà VBE 2  VC1  VBE 2 cũng tăng dần. Tới một lúc nào đó, VBE 2 đủ lớn
làm Q2 dẫn.  tụ C2 đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q1.  VBE1  0 làm
Q1 tắt.
Khi mạch ở trạng Q1 tắt, Q2 dẫn, mạch ở hình 3.7a trở thành như hình 3.7c:
 VO1  Vcc , VO 2  0V . Lúc này, tụ
C1 xả năng lượng qua mối nối BE của
Vcc
Q2. Sau đó, nạp năng lượng từ nguồn
qua RC1 và mối nối BE của Q2, điện áp
R
R
R
R
trên tụ đảo chiều và tăng dần xem hình
C
C
V
V
3.7c, ngoài dòng nạp qua tụ dòng I B 2 còn
được cung cấp từ nguồn qua RB 2 . Do đó,
Q2 vẫn được duy trì ở trạng thái dẫn cho
Q1
Q2
dù tụ C1 đã nạp đầy. Đồng thời, tụ C2
V
V
được nạp qua RB1 và Q2 sau khi đã xả hết
Hình 3.7c
xem hình 3.7c.  điện áp trên tụ C2 , VC 2
(điện áp trên tụ C2 ) tăng dần.
Mà VBE1  VC 2  VBE1 cũng tăng dần. Tới một lúc nào đó, VBE1 đủ lớn làm Q1
dẫn.  tụ C1 đặt điện áp âm vào mối nối BE của Q2.  VBE 2  0 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 đó, không có trạng thái ổn
định. Vì vậy, mạch được gọi là mạch dao động bất ổn hay mạch dao động phi
ổn.
Dạng điện áp VO1 , VO 2 , VBE1 và VBE 2 như sau:
C1

B2

B1

C2

2

1

O1

O2

BE 1

BE 2

35


Chương 3: Mạch dao động đa hài

VO1
Vcc

t

0

t1

t2

t4

Tx 2

Tx1

VO 2

t3

Vcc

t

0

t1

t2

t3

t4

t1

t2

t3

t4

t1

t2

t3

t4

VBE1
V

0

t

-Vcc

VBE 2

V

0

t

-Vcc

Hình 3.8
Từ hình 3.8 ta thấy, Tx1 chính là thời gian tụ C2 xả và nạp qua RB1 , Tx 2
chính là thời gian tụ C1 xả và nạp qua RB 2 . Tương tự như mạch dao động đơn ổn
ta có công thức:
Tx1  0.693RB1C2
Tx 2  0.693RB 2C1
Tx1 , Tx 2 có đơn vị là s. Tụ C1 , C2 có đơn vị là F. RB1 , RB 2 có đơn vị là Ω.
Chu kỳ của điện áp ra: T  Tx1  Tx 2  0,693( RB1C2  RB 2C1 )
1
Tần số của điện áp ra: f 
T

36


Chương 3: Mạch dao động đa hài

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

 VoSat

+Vcc

V

+

V

-

Vùng bão hòa
dương

Vi

Vcc A

Vo

0

 VoSat

Vùng bão hòa
âm

-Vcc

Vcc A

Vùng tuyến
tính

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 vòng hở,
Vi  V  V là điện áp vào. Dựa vào đặc tuyến truyền đạt ta thấy:
 Khi V  V thì Vo  Vosat , op-amp làm việc trong vùng bão hòa dương.
 Khi V  V thì Vo  Vosat , op-amp làm việc trong vùng bão hòa âm.
 Khi V  V thì Vo  A.Vi
Đối với op-amp lý tưởng thì A   , Vosat  Vcc và điện trở ngõ vào Ri   . Đối
với op-amp thực tế thì 105  A  108 , Vosat nhỏ hơn Vcc một vài volt và điện trở
ngõ vào 106  Ri  1013 .
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
hòa như hình 3.11 sau:
+Vcc

Vi

Vo

+

Vi

Hình 3.11a

-

-Vcc

VDC

Vi
Vo

-

Vo

+

+

-

VDC

+Vcc

+Vcc

-Vcc

-Vcc

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
Vi  10 sin t , với ω bất kỳ, VDC có độ lớn bằng 5v.

37


Chương 3: Mạch dao động đa hài

3.2.2 Mạch dao động đơn ổn (monostable)
V
VO

 Vcc
 Vcc

R

V

+Vcc

C

0

V

-

V

+

Vo

-Vcc

Vi

Hình 3.12

t

R2

 Vcc

TO

Vi

Tph

R1

t

0

t1

t2

t3

Hình 3.13


Nguyên lý hoạt động:
 Ở chế độ xác lập, op-amp làm việc trong vùng bão hòa âm, Vo  Vcc .
Lúc này, diode dẫn nên V  V , với V là điện áp phân cực thuận của diode.
R1
R1
VO  
VCC   VCC
R1  R2
R1  R2
R1
Với  
R1  R2
Do V  VCC  V  V , suy ra, op-amp tiếp tục làm việc trong vùng bão hòa
âm. Nếu không có tác động bên ngoài thì mạch không thay đổi trạng thái. Vì
vậy, đây là trạng thái ổn định của mạch.
 Khi có xung dương tác động vào Vi ,  V  V , làm op-amp đổi qua trạng
thái bão hòa dương, Vo  Vcc .
Lúc này, diode ngưng dẫn, tụ C nạp năng lượng từ Vo qua R xuống mass, làm
V tăng dần.
R1
Mà: V 
VO  V   VCC
R1  R2
Do V có thể tăng dần tới  Vcc , V có điện thế nhỏ hơn  Vcc nên tới một lúc
nào đó V  V . Khi này, op-amp làm việc trong vùng bão hòa âm, Vo  Vcc ,
diode dẫn, tụ xả và điện thế V được ghim ở mức  V . Op-amp ở trạng thái bão
hòa dương là trạng thái không ổn định của mạch.

Mà: V 

38


Chương 3: Mạch dao động đa hài

Từ nguyên lý hoạt động trên ta thấy, mạch có một trạng thái ổn định nên mạch
được gọi là mạch đơn ổn hay còn gọi mạch một trạng thái bền. Hình 3.13 là
dạng điện áp ngõ ra và dạng điện áp trên tụ của mạch.
To là độ rộng xung, nó phụ thuộc vào thời gian nạp của tụ, vì vậy, để tính To ta
xét phương trình sau:
t
 


VC (t )  (Vcc  V )1  e 


T
 

Tại thời điểm t  To ta có: VC (To )  (Vcc  V )1  e    Vcc  V


V


T
T
 
 
Vcc  V


Vcc
1  e   
1  e   


 Vcc  V






 1  V
Vcc
T
 

V
 k

Đặt k 
 1  e   
Vcc

 1 k
O

O

O

O

e



TO



1

 k
1 k

e



TO



1 k
1 
 e 

1 
1 k
TO

 1 k 
 1 k 
 ln 
  TO   ln 


1  
1  
Mà:   RC
 1 k 
 TO  RC ln 

1  
1  
Tương tự, ta có: Tph  RC ln 

 1 k 
TO

39

+Vcc
C naïp

Vo=+Vcc

+

3.2.3 Mạch dao động bất ổn (astable)
a. Nguyên lý:
Mạch điện hình 3.14 là sơ đồ mạch
dao động tích thoát dùng Op-amp để
cho ra tín hiệu vuông.
Sơ đồ có 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 hòa dương. Lúc này, cầu

R

-



+

C

-Vcc

R1

-

R2

Hình 3.14: Mạch dao động tích
thoát


Chương 3: Mạch dao động đa hài

phân áp R1 – R2 đưa điện áp dương về ngõ In+ với mức điện áp là: V0 = +VCC
Vin   VCC .

R2
 VA ( Vin > 0V)
R1  R 2

Trong khi đó, ở ngõ In- có 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 có Vin < Vin thì Op-amp vẫn ở trạng thái bão hòa dương. Khi tụ C
nạp đến mức điện áp Vin > Vin thì OP-AMP đổi thành trạng thái bão hòa âm, ngõ
ra có V0 = -VCC. Lúc này cầu phân áp R1 – R2 đưa điện áp âm về ngõ In+ với
mức điện áp là:
Vin  VCC .

R2
 VB ( Vin < 0V )
R1  R 2

Trong khi đó ở ngõ In- vẫn còn đang ở mức điện áp dương với trị số:
Vin   VCC .

R2
R1  R 2

do tụ C đang còn nạp điện. Như vậy Op-amp sẽ chuyển sang trạng thái bão hòa
âm nhanh cho cạnh xung vuông 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 có thì Vin vẫn ở mức điện áp âm nên Op-amp vẫn ở trạng thái bão hòa âm.
Khi tụ C xả hết điện áp dương sẽ nạp điện qua R để có điện áp âm đang có do
ngõ ra đang ở trạng thái bão hòa âm chiều nạp bây giờ ngược với chiều dòng
điện nạp trên hình vẽ.
Khi tụ C nạp điện áp âm đến mức Vin < Vin (ngõ In- nhỏ hơn ngõ In+) thì Op-amp
lại đổi thành trạng thái bão hòa dương về ngõ ra có V0 = +VCC.
Mạch đã trở lại trạng thái giả thiết ban đầu và hiện tượng trên cứ tiếp diễn liên
tục tuần hoàn.
V
in-

b. Dạng sóng ở các chân:
Mức giới hạn điện áp ngõ ra là:
V0max  +VCC
V0min  -VCC
Mức giới hạn điện áp ở hai
ngõvào là:
R2
R1  R 2
R2
VB  VCC .
R1  R 2

VA
t
VB
Vin+

VA
t

VA   VCC .

Dạng điện ở ngõ vào In- là dạng
tam giác. Thời gian điện áp ở ngõ
vào In- tăng từ VB lên VA là Opamp ở trạng thái bão hòa dương,
Thời gian điện áp ở ngõ vào In-

VB
Vo

Vcc
t
-Vcc

Hình 3.15. Dạng sóng ở các chân.
40


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×