Giáo trình Kỹ thuật xung số - Chương 2: Các mạch tạo xung cơ bản

CHƯƠNG 2: CÁC MẠCH TẠO XUNG CƠ BẢN 2.1. Mạch dao động đa hài một trạng thái bền (Monostable) 2.1.1. Đại cương Dao động đa hài một trạng thái bền là mạch có hai trạng thái trong đó có một trạng thái bền và một trạng thái không bền. Thường mạch luông luôn tồn tại ở trạng thái bền. Sau khi kích khởi thì mạch chuyển sang trạng thái không bền sau đó chuyển về trạng thái bền. Thời gian tồn tại trạng thái không bền là lúc mạch tạo độ dài xung ra. 2.1.2. Mạch monostable dùng BJT Sơ đồ mạch và dạng sóng 0 0 0 t t t v0 vc2/vb2 vi t1 -(Vcc – ico1*Rc1) T0 Tph Nguyên lý làm việc Khi 0 £ t £ t1 : trạng thái bền ban đầu. Q1 tắt, Q2 dẫn bão hoà: vces/Q2 = 0.2 V vbes/Q2 = 0.8 V vc/Q1 = Vcc – ico1 * Rc1 Nạp điện cho tụ C2 đến Vc2 = Vcc – ico1 * Rc1- Vbes/Q2 . Khi t1 £ t £ t1 + T0 t = t1: mạch được kích khởi với cực tính dương có biên độ đủ lớn vào cực nền của Q1 Þ vb1 > Vg Þ JE/Q1 phân cực thuận nên dẫn đến Q1 dẫn. Þ ib1 tăng ® ic1 tăng theo ® VRc1 cũng tăng lên ® Vc/Q1 giảm xống bản cực bên trái của tụ C2 bớt dương dẫn đến bản cực bên phải của tụ bớt âm ® Vbes/Q2 giảm xuống ® làm cho ib giảm ® ices cũng giảm ® VRc2 giảm ® Vc/Q2 tăng lên ® Vb/Q1 tăng theo ® dẫn đến Q1 nhanh chóng chuyển sang dẫn bão hoà và Q2 tắt. Khi Q2 tắt thì tồn tại dòng ico2 , tụ C2 bắt đầu xả và nạp (xả hết điện tích và đổi cực tính nạp trở lại), lúc này làm cho vb/Q2 tăng đến khi = Vg (điện áp ngưỡng) thì Q2 dẫn trở lại… Khi t ³ t1 + T0 t = t1 + T0 : giai đoạn phục hồi. Lúc này Q1 tắt, Q2 dẫn bảo hoà tụ C2 xả điện tích từ nguồn Vcc qua Rc1 xuống mass. Ta có: Độ dài xung ra: T0 » 0.7Rb2C2 2.1.3. Mạch Monostable dùng Op Amp Sơ đồ mạch và dạng sóng 0 0 0 t t t Ubh vc vi t1 T0 -Ubh Tph Nguyên lý làm việc Khi 0 £ t £ t1: trạng thái bền ban đầu. Mạch ở trạng thái bền: diode D dẫn Þ ghim điện áp trên tụ C là Vg (C//D), (0.7V nên xem như = 0V Þ tụ C không được nạp điện), nhưng v- vẫn dương hơn v+ (do v+ < 0 vì v0 = -Ubh) nên mạch duy trì trạng thái bền. Khi t1 £ t £ t + T0: trạng thái không bền t = t1 : mạch được kích khởi bởi vi với biên độ đủ lớn tại ngỏ vào không đảo dẫn đến điện thế tại ngỏ vào không đảo dương hơn ngỏ vào đảo nên lúc này v0 = +Ubh. Þ diode D phân cực ngược nên tụ C nạp điện từ ngỏ ra của Op-Amp qua R điện thế ngỏ vào đảo v- tăng Þ vC = v- ³ v+ mạch đổi trạng thái sang mạch trạng thái bền v0 = -Ubh Khi t1 + T0 £ t: giai đoạn phục hồi t = t1 + T0 Þ v0 = -Ubh lúc này: tụ C xả điện tích từ mạch qua R (do ảnh hưởng của D nên ghim điện áp của tụ ở Vg). 2.2. Mạch dao động đa hài không trạng thái bền (Astable) 2.2.1. Mạch không trạng thái bền dùng BJT Sơ đồ mạch và dạng sóng C1 C2 Vo2 Rc2 Rb1 Q2 1 2 3 Vcc Q1 1 2 Rc1 Rb2 3 Vo1 v01 0 t vc2 -Vcc 0 t vc1 -Vcc 0 t v02 Vcc 0 t Vcc T1 T2 t1 t2 Nguyên lý hoạt động Khi 0 £ t < t1: Q1 tắt, Q2 dẫn bảo hoà Lúc này, tụ C2 sẽ được nạp điện từ nguồn Vcc qua Rc1 để đạt đến giá trị Vcc, đồng thời tụ C1 sẽ xả và nạp từ nguồn Vcc qua Rb1 xuống Q2 đang dẫn bảo hoà. Tụ C1 càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng, làm cho điện thế tại cực nền Q1 tăng lên cho đến khi Vb1 ³ Vg thì lúc này Q1 bắt đầu dẫn Þ sụt áp trên Rc1 tăng nên vc/Q1 giảm dẫn đến tiếp giáp JE/Q2 phân cực yếu hơn Þ BJT Q2 chuyển sang chế độ dẫn khuếch đại, làm cho vc/Q2 tăng và thông qua tụ C1 sẽ làm cho BJT Q1 nhanh chóng đi vào dẫn bảo hoà và Q2 nhanh chóng tắt. Mạch chuyển sang trạng thái không bền thứ hai ứng với Q1 dẫn bảo hoà và Q2 tắt. Khi t1 £ t < t2: Q1 dẫn bảo hoà, Q2 tắt Lúc này, tụ C1 và C2 vẫn tiếp tục luân phiên xả và nạp điện nên tương tự như trên, Q1 sẽ chuyển dần sang dẫn khuếch đại và tắt, còn Q2 sẽ chuyển trạng thái từ tắt sang dẫn khuếch đại và nhanh chóng dẫn bảo hoà. Quá trình chuyển đổi trạng thái trong mạch cứ tự động tiếp diễn nên mạch luôn luôn tạo độ dài xung ra. Ta có: Độ rộng xung: T1 » 0.7Rb1C1 và T2 » 0.7Rb2C2 Chu kỳ: T = T1 + T2 » 0.7(Rb1C1 + Rb2C2) Tần số: f = 1/T. 2.2.2. Mạch không trạng thái bền dùng Op Amp Sơ đồ mạch và dạng sóng R2 R1 -Vcc Vo C + - R +Vcc t 0 v0 -Ubh Ubh t1 t2 t3 t 0 vc T1 T2 Nguyên lý hoạt động Khi 0 £ t < t1: mạch ở trạng thái không bền ban đầu. Giả sử ngõ ra tồn tại trạng thái bão hoà dương v0 = +Ubh và tụ C sẽ xả và nạp theo chiều từ ngõ ra v0 qua điện trở R. Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng, cho đến khi điện áp trên tụ vc = v- ³ , thì lúc đó v0 sẽ đổi trạng thái sang mức bão hoà âm v0 = -Ubh. Lúc này, mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và bắt đầu chuyển sang trạng thái không bền thứ hai. Khi t1 £ t < t2: mạch ở trạng thái không bền thứ hai Khi t = t1: v0 = -Ubh Þ tụ C sẽ xả và nạp theo chiều ngược lại từ điểm đất qua R đến ngõ ra v0. Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng (càng âm hơn), cho đến khi điện áp trên tụ vc = v- < (điện thế ngõ vào không đảo dương hơn ngõ vào đảo) thì ngõ ra của mạch sẽ đổi trạng thái sang trạng thái bão hoà dương v0 = +Ubh. Lúc này, mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền thứ hai và chuyển về trạng thái không bền ban đầu. Quá trình trong mạch cứ tiếp diễn như vậy và mạch luôn luôn tạo độ dài xung ra. Chu kỳ của dãy xung: T = T1 + T2 = 2RC.ln() 2.3. Mạch kích khởi Schmitt (Schmitt trigger) 2.3.1. Khái niệm Mạch kích khởi Schmitt là mạch có nhiệm vụ đổi những dạng sóng không thật sự vuông ở đầu vào thành dạng sóng vuông ở đầu ra. 2.3.2. Mạch kích khởi Schmitt dùng BJT Sơ dồ mạch và dạng sóng vi v0 v02 v01 0 VL VH t vi t v0 0 0 v01 v02 VL VH Nguyên lý hoạt động Khi vi = 0 thì Q1 tắt, Q2 dẫn bảo hoà Þ vc = vces/Q2 + vRe = v01. Tăng vi đến khi vi > Vg/Q1 + vRe thì Q1 bắt đầu dẫn làm cho điện áp vc/Q1 giảm dẫn đến điện thế tại cực nền của Q2 giảm . dòng ib/Q2 giảm Þ ic/Q2 giảm theo nên vRe cũng giảm theo và lúc này làm cho Q1 nhanh chóng chuyển sang dẫn bảo hoà và Q2 nhanh chóng tắt. Ta có: v0 = v02 = Vcc. Người ta gọi điện thế của tín hiệu vào vi mà tại đó ngõ ra của mạch đổi trạng thái từ mức v01 đến mức v02 là mức VH (mức điều khiển cao). Tiếp tục tăng vi sao cho vi > VH thì Q1 vẫn dẫn bảo hoà và Q2 tắt; lúc đó, v0 = v02 và ngõ ra của mạch vẫn không thay đổi trạng thái. Giảm tín hiệu vào vi xuống sao cho vi < VH thì Q2 vẫn tắt và ngõ ra của mạch vẫn không thay đổi trạng thái. Tiếp tục giảm vi sao cho vi Vg/Q2 + vRe thì Q2 bắt đầu dẫn làm cho điện thế vRe tăng lên nên lúc này Q1 nhanh chóng tắt và Q2 nhanh chóng đi vào dẫn bảo hoà. Điện thế ngõ ra đổi trạng thái từ v02 về v01. Mức điện thế của tín hiệu vào vi mà tại đó ngõ ra đổi trạng thái từ v02 về v01 được gọi là mức VL (mức điều khiển thấp). Giảm vi sao cho vi < VL thì Q1 vẫn tắt và Q2 vẫn dẫn bảo hoà, lúc này ngõ ra của mạch vẫn không thay đổi trạng thái. 2.3.3. Mạch kích khởi Schmitt dùng Op Amp 0 v0 vi +Ubh -Ubh VH VL Sơ đồ mạch và dạng sóng R2 R1 -Vcc v0 + - +Vcc vi t vi t v0 0 0 -Ubh +Ubh VL VH Nguyên lý hoạt động Ban đầu vi v- = vi Þ ngõ ra của mạch tồn tại ở mức bão hoà dương v0 = + Ubh. Tăng vi sao cho vi ³ v+ = VH Þ v- > v+ nên ngõ ra của mạch sẽ đổi trạng thái sang mức bão hoà âm v0 = -Ubh Þ . Như vậy, mức điện thế của tín hiệu vào vi mà tại đó ngõ ra của mạch đổi trạng thái từ mức bão hoà dương +Ubh sang mức bão hoà âm –Ubh, gọi là mức VH. Tăng vi sao cho vi > VH thì v- > v+ nên ngõ ra của mạch vẫn không thay đổi trạng thái, nghĩa là v0 = -Ubh. Giảm điện áp tín hiệu vào vi sao cho vi = v- £ (vi = v- âm hơn so với v+). ngõ ra của mạch đổi trạng thái sang mức bão hoà dương v0 = +Ubh = VH Mức điện thế của tín hiệu vào vi mà tại đó ngõ ra của mạch đổi trạng thái từ mức bão hoà âm sang mức bão hoà dương, gọi là mức VL. Giảm vi hơn nữa sao cho vi < VL thì v- < v+ nên ngõ ra vẫn không thay đổi trạng thái v0 = +Ubh. 2.4. Vi mạch định thời IC 555 2.4.1 Khái niệm chung về IC 555 S R Q R Q1 R Reset RSFF R + - SS2 + - SS1 4 3 1 6 5 2 7 8 Chức năng của các chân: Chân (1): nối mass. Chân (2): là chân kích khởi (trigger), dùng để đặt xung kích thích bên ngoài khi mạch làm việc ở chế độ một trạng thái bền. Chân (3): là chân ngõ ra của IC. Chân (4): là chân cho hoặc không cho mạch làm việc (reset). Muốn mạch làm việc được thì chân (4) phải ở mức logic 1 (nối lên nguồn Vcc). Chân (5): là chân điều khiển bằng điện thế. Ta có thể đưa một điện áp ngoài vào chân này để làm thay đổi tần số dãy xung phát ra. Khi không được sử dụng thì chân này nối xuống mass thông qua tụ khoảng 0.01mF. Chân (6): là chân điện áp ngưỡng. Chân (7): là chân phóng điện (chân xả). Chân (8): để đặt nguồn cung cấp Vcc = 5¸15V. Thông thường 3 điện trở R = 5kW. OpAmp SS2 có mức điện thế ngưỡng 2/3Vcc còn điện thế ngưỡng đưa vào ngõ vào đảo của SS1 là 1/3Vcc. Bảng trạng thái của RSFF: S R Q0: trạng thái cũ trước đó. x: trạng thái cấm. Bão hoà âm ở đây = 0 Q 0 0 1 1 0 1 0 1 Q0 0 1 x 2.4.2. Mạch Monostable dùng IC 555 Sơ đồ mạch và dạng sóng t t t 0 0 0 vc vi v0 vlogic1 1/3vcc T0 Tph Nguyên lý hoạt động Khi 0 £ t £ t1: trạng thái bền ban đầu BJT Q1 dẫn bảo hoà Þ vc = vces/Q1 = 0.2 V » 0 V tụ C không được nạp. Lúc này vi > 1/3.Vcc và (S=1 & R=0) Þ Q = 1 Khi t1 £ t £ t1 + T0 : trạng thái không bền Khi t = t1: vi < 1/3.Vcc Þ Q1 tắt nên tụ C nạp từ Vcc qua R vc = v(6) ³ v(5) = 2/3.Vcc (ngỏ ra bảo hoà âm) (ngỏ ra bảo hoà dương) Q = 1 Þ v0 = 0 chấm dứt trạng thái không bền và chuyển sang giai đoạn phục hồi Khi t > t1 + T0 : giai đoạn phục hồi Lúc này Q = 1 và v0 = 0 , tụ C xả điện tích Þ vc = v(6) giảm. (giữ nguyên trạng thái cũ) tụ C vẫn tiếp tục xả và T0 = t ln3 = 1,1*RC 2.4.3. Mạch không trạng thái bền dùng IC 555 Sơ đồ mạch và dạng sóng t 0 v0 t 0 vc t1 t2 t3 Vlogic1 2/3Vcc 1/3Vcc T1 T0 Nguyên lý hoạt động Khi 0 £ t < t1 : mạch tồn tại trạng thái không bền ban đầu. Ngõ ra v0 = 1 Û Q/FF = 0 Þ BJT tắt (không có dòng qua BJT) tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc qua điện trở R1 và R2. Tụ càng nạp thì điện áp trên tụ càng tăng, cho đến khi điện áp trên tụ vc = v(6) = v(2) ³ 2/3Vcc. Lúc đó: SS1: v- > v+ Þ R = 0 SS2: v+ > v- Þ S = 1 Þ Q = 1 Þ v0 = 0 nên mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền ban đầu và bắt đầu chuyển sang trạng thái không bền thứ hai. Khi t1 £ t < t2: Khi t = t1: mạch tồn tại trạng thái không bền thứ hai và Q = 1, v0 = 0. Vì Q = 1 nên BJT dẫn ® tụ C xả điện qua R2 đến chân số 7 qua BJT đến mass. Tụ càng xả thì điện áp trên tụ càng giảm nên làm cho điện thế tại chân số 6 và 7 cũng giảm xuống. Nếu điện áp tụ C giảm đến giá trị 1/3Vcc v+ Þ R = 0 SS2: v- > v+ Þ S = 0 Q vẫn giữ nguyên trạng thái cũ trước đó (Q=1). Do đó, tụ C vẫn tiếp tục xả cho đến khi vc £ 1/3Vcc, mà vc = v(2) = v(6) nên: SS1: v- < v+ Þ R = 1 SS2: v- > v+ Þ S = 0 Q = 0 Þ v0 = 1. Mạch chấm dứt thời gian tồn tại trạng thái không bền thứ hai và bắt đầu chuyển về trạng thái không bền ban đầu. Vì Q = 0 Þ BJT tắt nên không có dòng đổ qua BJT Þ tụ C được nạp điện bổ sung (vì nó vẫn còn giữ 1/3Vcc) và quá trình cứ tiếp diễn. Ta có, chu kỳ dao động của mạch: T = T1 + T2 = 0.7C(R1+R2) + 0.7CR2 = 0.7C(R1+2R2).