Chương 5 (phần 2) - Mạch tạo xung - Kỹ thuật điện tử

Môn Kỹ thuật điện tử. Chương 5 (phần 2) - Mạch tạo xungTóm tắt lý thuyết, tổng hợp công thức, các ví dụ minh họa dễ hiểu.

Chương 5 (Phần 2)

5.2 Mạch tạo xung

5.2.1 Mạch tạo dạng xung RC

5.2.2 Các chuyển mạch điện tử

5.2.3 Mạch đa hài lưỡng ổn

5.2.4 Mạch đa hài đơn ổn

5.2.5 Mạc đa hài phi ổn

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

5.2 Mạch tạo xung

 Tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

◦ Tín hiệu liên tục (còn được gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự) là tín hiệu có biên độ biến thiên liên tục theo thời gian

◦ Tín hiệu rời rạc (còn được gọi là tín hiệu xung hay số) là tín hiệu có biên độ biến thiên không liên tục theo thời gian

 Tín hiệu xung: là tín hiệu rời rạc theo thời gian

sự biến thiên biên độ từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh

 Hình dạng: vuông, tam giác, răng cưa, nhọn, hình thang…

5.2 Mạch tạo xung

5.2.1 Mạch tạo dạng xung RC

 Quá trình nạp điện

 Hằng số thời gian của mạch

  =R.C R.C

 Thời gian 3 là thời gian quá độ

của mạch (nạp đầy hoặc xả hết)

 Quá trình nạp điện

5.2.2 Các chuyển mạch điện tử

 Khi Vi=R.C 0, BJT ngắt, IC0, VC

 VCC, BJT như một khóa

điện tử hở mạch

 Khi Vi=R.C 5V, BJT thông bão

hòa, ICICsat, VC  0, BJT

như một khóa điện tử đóng

mạch

 Sơ đồ mạch

Mạch tạo xung vuông

Các mạch tạo xung cơ bản nhất là các mạch tạo xung vuông

được gọi chung là mạch dao động đa hài Có ba loại mạch dao

động đa hài là:

◦ Dao động đa hài lưỡng ổn (còn gọi là mạch Flip-Flop): mạch có hai trạng

thái và hai trạng thái đều ổn định

◦ Dao động đa hài đơn ổn : mạch có hai trạng thái, trong đó một trạng thái

ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung

◦ Dao động đa hài phi ổn: mạch có hai trạng thái và cả hai trạng thái đều

không ổn định còn gọi là mạch tự dao động

Mạch dao động đa hài dùng BJT dựa vào sự nạp điện và sự xả

điện của tụ điện kết hợp với đặc tính chuyển mạch của Transistor

Ngoài ra mạch dao động đa hài được tạo ra từ các linh kiện như op-amp, IC555, các cổng logic, …

5.2.3 Mạch đa hài lưỡng ổn

 Mạch dao động đa hài lưỡng ổn được tạo ra bằng

cách ghép hai mạch đảo sao cho điện áp ra của mạch

đảo này là ngõ vào của mạch đảo kia

 Mạch có 2 trạng thái, trong mỗi trạng thái một

trasistor tắt và một transistor bão hoà

 Giả thiết có mạch Flip-Flop đối xứng nhưng hai

transistor không thể cân bằng một cách tuyệt đối nên

sẽ có một Transistor dẫn mạnh hơn và một Transistor

dẫn yếu hơn.

 Giả thiết T1 dẫn mạnh hơn  I C1 lớn hơn qua RC1  V C1

giảm V B2 giảm  T 2 chạy yếu hơn  I C2 nhỏ  V C2 tăng

VB1 tăng  T 1 chạy mạnh mạnh hơn  T 1 sẽ tiến đến

trạng thái bão hòa T2 tiến đến ngưng dẫn Một trạng

thái của mạch Flip-Flop.

 Tương tự nếu T2 dẫn mạnh hơn  T 2 sẽ tiến đến trạng

thái bão hòa T1 tiến đến ngưng dẫn  trạng thái thứ

hai của mạch Flip-Flop.

 Mạch Flip-Flop sẽ ở một trong hai trạng thái trên nên

được gọi là mạch lưỡng ổn.

 Điện áp nguồn âm (–VBB) có tác dụng phân cực cho

T2 để T2 ổn định ở trạng thái ngưng tránh tác động

của nhiễu có thể làm cho T2 đổi trạng thái

Mạch đảo

5.2.3 Mạch đa hài lưỡng ổn

Các phương pháp kích đổi trạng thái của flip-flop

 Mạch kích một bên  Mạch kích đếm:

5.2.3 Mạch đa hài lưỡng ổn

Mạch kích một bên

 Xung kích điều khiển là xung vuông qua mạch vi phân RC để đổi từ xung vuông ra hai xung nhọn

 Diod D có tác dụng loại bỏ xung

nhọn dương và chỉ đưa xung nhọn âm vào cưc B1 để đổi trạng thái T1 từ bão hòa sang ngưng dẫn

 Khi mạch đã ổn định ở trạng thái này thì mạch sẽ không bị tác động đổi trạng thái bởi xung kích vào cực B1 nữa

 Muốn đổi trạng thái của mạch trở lại trạng thái cũ thì phải cho xung vuông tiếp theo qua mạch vi phân và diod D vào cực B2 (vì T2 đang ở trạng thái bão hòa)

 Mạch Flip-Flop phải được kích lần lượt, luân phiên vào cực B1 và B2 thông qua hai mạch vi phân và hai Diod

5.2.3 Mạch đa hài lưỡng ổn

Mạch kích đếm

 Mạch kích đếm đổi trạng thái mạch Flip- Flop bằng một

xung kích

 Mạch đang ở trạng thái T1 bão hòa, T2 ngưng dẫn.

 Khi có xung vuông ở ngõ vào ( Vin ) thì qua hai tụ C1

– C2 sẽ có hai xung nhọn dương ứng với cạnh lên xung

của vuông và có 2 xung nhọn âm ứng với cạnh xuống

của xung vuông tại điểm A và B

 Thời điểm có xung nhọn dương cả hai diode D1 – D2

đều bị phân cực ngược nên không có tác dụng với mạch

Flip-Flop.

 Khi có xung nhọn âm thì xung âm sẽ làm giảm điện áp

VA và diod D1 được phân cực thuận T1 từ bão hòa sang

ngắt, T2 từ ngắt sang bão hòa

 Do VB =R.C 11V rất cao so với xung âm nên khi có xung

nhọn âm thì điện áp VB vẫn ở mức dương cao nên D2

vẫn bị phân cực ngược và xung âm không có tác dụng

với T2

 Khi có xung vuông thứ hai đến ngõ vào thì lần này xung

nhọn âm chỉ có tác dụng đối với T2 là transistor đang

bão hòa nên mạch Flip-Flop lại trở về trạng thái cũ.

5.2.4 Mạch đa hài đơn ổn

 Mạch có hai trạng thái, trong đó một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái tạo xung

 Mạch đơn ổn khi cấp nguồn sẽ ở một trạng thái ổn định khi không có tác động ở bên ngoài vào

 Khi đầu vào nhận một xung kích chuyển sang trạng thái tạo xung và độ rộng xung tùy thuộc vào thông số RC

 Sau thời gian có xung , mạch đơn ổn sẽ tự dộng trở về trạng thái ổn định ban đầu

5.2.4 Mạch đa hài đơn ổn

Trạng thái ổn định của mạch đơn ổn

 Khi mở điện, tụ C tức thời nạp điện qua điện trở RC2 tạo dòng điện đủ lớn cấp cho cực B1  T1 bão hòa  VC1 =R.C

VCesat ≈ 0,2V Cầu phân áp RB2 và RB

sẽ tạo ra điện áp phân cực cho T2 ngưng dẫn vì VB2 < 0V

 Điện áp nạp trên tụ có giá trị khoảng

VC =R.C VCC – VBesat ≈ VCC

 Khi tụ nạp đầy thì dòng nạp bên tụ bằng 0 nhưng T1 vẫn chạy ở trạng thái bão hòa vì vẫn còn dòng IB1 qua

RB1 cấp phân cực cho cực B1

 Hai Transistor sẽ chạy ổn định ở trạng thái này nếu không có tác động

gì từ bên ngoài

5.2.4 Mạch đa hài đơn ổn

Trạng thái tạo xung của mạch đơn ổn

 Khi V i nhận xung kích âm qua tụ C1  V B1 giảm  T 1

đang bão hòa chuyển sang trạng thái ngắt  I C1 =R.C 0

V C1 tăng cao qua cầu phân áp R B2 – R B sẽ phân cực

cho T2 chạy bão hòa.

 Khi T2 chạy bão hòa VC2=R.C VBEsat ≈0.2V  tụ C có chân

mang điện áp dương coi như nối mass và chân kia

có điên áp âm so vớ mass nên điện áp âm này sẽ

phân cực ngược cho cực B1 làm T1 tiếp ngắt dù đã

hết xung kích Lúc đó tụ C xả điện qua điện trở R B1

và transistor T2 từ C xuống E  T1 ngắt ,T2 bão hòa 

điện áp ở các chân C và B của transistor đổi ngược

lại chính là xung điện ở ngõ ra

 Sau khi tụ xả xong làm mất điện áp âm đặt vào cực

B1 vàT1 sẽ hết trạng thái ngắt và chuyển sang trạng

thái bão hòa như lúc ban đầu

 Khi T1 trở lại trạng thái bão hòa thì VC1 =R.C VCEsat ≈ 0,2

V nên T2 mất phân cực sẽ ngắt như lúc ban đầu

 Thời gian tạo xung của mạch đơn ổn chính là thời

gian xả điện của tụ C qua RB1 Sau thời gian này

mạch tự trở lại trạng thái ban đầu là trạng thái ổn

định.

5.2.4 Mạch đa hài đơn ổn

a) Điện áp vào Vi, trước thời điểm có

xung kích là trạng thái ổn định Khi

có xung nhọn âm thì mạch đơn ổn

bắt đầu chuyển sang trạng thaí tạo

xung

b) dạng điện áp VB1, khi có xung kích là

T1 ngưng, tụ C xả điện áp âm nên

VB1 có điện áp âm ≈ -VCC và tụ C xả

điện qua RB1 làn điện áp âm giảm

dần theo hàm số mũ Thời gian xả

của tụ C chính là thời gian tạo xung

ở ngõ ra

c) Ở trạng thái ổn định VC1 =R.C 0,2V (bão

hòa), ở trạng thái tạo xung VC1 =R.C

VCC (ngắt) nên T1 có xung vuông

5.2.5 Mạch đa hài phi ổn (Mạch tự dao động)

 Mạch đơn ổn sẽ tạo ra sóng vuông liên tục mà

không cần xung kích bên ngoài.

 Giả thiết T 1 dẫn điện mạnh hơn, tụ C1 nạp

điện qua R C2 dòng I B1 tăng cao  T 1 bão

hòadòng I C1 tăng cao và V C 1 ≈ V CE sat ≈ 0,2V,

tụ C 2 xả điện qua R B2 và qua T 1 , điện áp âm

trên tụ C 2 đưa vào cực B 2 làm T 2 ngắt.

 Thời gian ngưng dẫn của T2 chính là thời gian

tụ C2 xả điện qua R B2 Sau khi tụ C2 xả song,

cực B2 lại được phân cực nhờ R B2 nên T2 dẫn

bão hòa làm V C2 =R.C V CE sat ≈ 0,2V  tụ C1 xả điện

qua R B1 và điện áp âm trên tụ C1 đưa vào cực

B1 làm T1 ngắt  tụ C2 lại nạp điện qua R C1

làm cho dòng I B2 tăng cao và T2 bão hòa

nhanh

 Thời gian ngưng dẫn của T1 chính là thời gian

tụ C1 xả điện qua R B1 Khi tụ C1 xả điện xong,

cực B1lại được phân cực nhờ RB1 nên T1 trở

lại trạng thái dẫn bão hòa như trạng thái gỉa

thiết ban đầu Hiện tượng này được lặp lại

tuần hoàn

5.2.5 Mạch đa hài phi ổn

(Mạch tự dao động)

 t1: thời gian tụ C1 xả điện qua RB1 từ

điện áp –VCC lên nguồn +VCC:

 Tần số của xung vuông là:

 Nếu là mạch đa hài phi ổn đối xứng ta

có :

 Dạng sóng

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

 Vi mạch định thời 555 và họ của nó được

ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế

 Dùng kết hợp với các linh kiện RC  thực

hiện nhiều chức năng như định thời, tạo

xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều

khiển các linh kiện bán dẫn công suất

như Transistor,SCr,Triac

Sơ đồ chân

 Chân1: GND (nối đất)

 Chân 2: Trigger Input

(ngõ vào xung nảy)

 Chân3: Output ( ngõ ra)

 Chân4: Reset (hồi phục)

 Chân5: Control Voltage

( điện áp điều khiển)

 Chân6: Threshold (Thềm –ngưỡng)

 Chân7: Dirchage ( xả điện)

 Chân 8: Vcc (Nguồn cấp)

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

Sơ đồ chân

 chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

 chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3

 Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

 Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức

áp trên chân 2 và 6

 Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase Tuy nhiên trong hầu hết các mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01uF ÷0.1uF, các

tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định

 Chân số 6(THRESHOLD) : là ngõ vào của 1 tầng so áp khác mạch so sánh dùng các transistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

 Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bỡi tầng logic khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7

tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

 - Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC

555 trong khoảng từ +5v ÷ +15v và mức tối đa là +18v

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555 Nguyên tắc hoạt động của IC 555

 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp

 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp

 FF: Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC,

chân S =R.C [1] và FF được kích Khi điện áp ở

chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF =R.C [1]

và FF được reset

 Mạch Output: khuếch đại tăng dòng cấp cho tải

 Transistor T1: Reset IC555 bất chấp tình trạng

ở các ngõ vào khác, do đó chân Reset dùng để

kết thúc xung ra sớm khi cần (khi chân 4 điện

áp thấp  T1 thông bão hòa output mức thấp)

 Transistor T2:

◦ khi Q ở mức cao  T2 bão hòa chân 3 cũng ở

mức thấp

◦ Khi Q ở mức thấp  T2 ngưng dẫn  chân 3 có

điện áp Theo nguyên lý trên cực C của T2 ra

chân 7có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp

giống mức điện áp của ngõ ra chân 4

 Cấu trúc IC 555

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

Mạch đa hài phi ổn

 Thời gian tụ nạp là thời gian V0 ≈ +

5.2.6 Mạch dao động đa hài dùng IC 555

Mạch đa hài đơn ổn

 Đặc điểm của mạch đơn ổn là

khi có xung âm hẹp tác động tức

thời ở ngõ vào Trigger chân 2

mạch sẽ đổi trạng thái và tại ngõ

ra chân 3 sẽ có xung dương ra

 Độ rộng xung ở ngõ ra có thời

gian dài hay ngắn tùy thuộc mạch

định thì RtC , sau đó mạch sẽ trở

lại trạng thái ban đầu

 Thời gian xung dương ra tx

 Sơ đồ kết nối

tx =R.C 1,1 Rt C