Bộ tài liệu kỹ thuật xung số chương 3 tt

2 – Mạch đa hài đơn ổn - Mạch dao động đa hài đơn ổn cũng có hai trạng thái T1 bão hòa-T2 ngưng hoặc ngược lại, nhưng trong hai trạng thái đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái

Đỗ Thế Cần Email : dtcan@dut.udn.vn

Mobile: 0907971768

1

MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI

2 – Mạch đa hài đơn ổn

- Mạch dao động đa hài đơn ổn cũng có hai trạng thái T1 bão hòa-T2 ngưng hoặc ngược lại, nhưng

trong hai trạng thái đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định gọi là trạng thái

tạo xung

- Ban đầu mạch đơn ổn sẽ ở trạng thái ổn đinh nếu không có tác động của xung kích Khi có xung

kích, mạch đơn ổn sẽ tạo ra một xung ở ngõ ra với độ rộng xung tùy thuộc vào các thông số RC

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

- Mạch đơn ổn có thể thiết kế sử dụng: transistor, op-amp, vi mạch định thì hoặc cổng logic

- Mạch đơn ổn còn gọi là mạch định thì nhờ thời gian xung có thể định trước nhờ vào các thông số

của mạch

3

– Nguyên lý làm việc:

C

C Nạp

IB1

Ci

Vi = 0V -VBB

RB

RB2

IC1

+VCC

a) Trạng thái ổn định:

- Khi cấp nguồn, tụ C nạp qua RC2 tạo ra dòng đủ lớn cấp cho cực B1 để phân cực cho T1 -> T1 sẽ dẫn bão hòa

- IC1 qua RC1 đủ lớn để tạo sụt áp trên RC1, lúc này VC1

= VCEsat = 0,2V

- Cầu phân áp RB2 và RB sẽ làm cho VB2 <0V -> T2 ngưng dẫn

- Sau khi tụ nạp đầy: VC = VCC – VBEsat ≈ VCC

- Khi tụ đầy-> dòng qua C bằng không nhưng T1 vẫn dẫn bão hòa nhờ vào IB1 qua RB1 -> T1 và T2 sẽ giữ

ở trạng thái này mãi mãi nếu không có tác động từ bên ngoài

RC1 RB1 RC2

C

C xả

Ci

RB

RB2

Bão hòa Ngưng

+VCC

IB2

IC2

b) Trạng thái tạo xung

- Khi ngõ vào Vi nhận xung kích âm -> VB1 giảm -> T1 ngưng dẫn

- Lúc này IC1 = 0 -> VC1 tăng cao qua cầu phân áp RB2

-RB phân cực T2 chạy bão hòa

- Khi T2 bão hòa VC2 = VCEsat≈ 0,2V Điều này làm cho

tụ C có chân mang điện áp dương coi như nối mass và chân còn lại âm so với mass, điện áp âm này phân cực ngược T1 qua cực B1 -> T1 tiếp tục ngưng dẫn dù hết xung kích

- Lúc này tụ C xả điện qua RB1 và T2 Trong lúc này T1 ngưng, T2 bão hòa nên điện áp ở các chân C và B của hai transistor đổi ngược lại chính là xung điện ở ngõ

ra

- Sau khi tụ C xả xong làm mất điện áp âm đặt vào chân B1 -> T1 hết trạng thái ngưng dẫn và chuyển sang dẫn bão hòa như lúc đầu

- Khi T1 dẫn bão hòa thì VC1 = VCEsat = 0,2V -> T2 lại mất phân cực và ngưng dẫn

5

Dạng sóng vào và ra của mạch đơn ổn

- Sự khác biệt khi chưa có và có xung nhọn là gì?

- Thời gian tạo xung của mạch đơn ổn là gì?

Để mạch đơn ổn làm việc theo nguyên lý phải thỏa điều kiện là

T1 dẫn bão hòa:

IC1 = VCC −VCEsat

RC1 (VCEsat ≈ 0,2V)

IB1 = VCC −VBEsat

RB1 (VBEsat ≈ 0,8V) Muốn T1 bão hòa phải có:

IB1 > IC1

βsat

Thường chọn:

IB1 = k IC1

βsat (với k là hệ số bão hòa sâu k = 2÷4)

C

C Nạp

IB1

Ci

Vi = 0V -VBB

RB

RB2

IC1

+VCC

Tính độ rộng xung được tạo ra bởi mạch đơn ổn

Hằng số thời gian nạp: τnap = RC1.C Điện áp nạp trên tụ tăng theo hàm số mũ: VC(t) = VCC(1-e-t/τ)

=> VC(t) = VCC – VCC.e-t/τ

Khi có xung âm vào B1 thì tụ xả qua RB1 với hằng số thời gian xả:

τxả = RB1.C Điện áp trên tụ xả giảm theo hàm số mũ: VC(t) = VCC.e-t/τ

Do chân dương tụ C coi như nối mass qua chân C2 khi T2 bão hòa,

nên tụ sẽ xả điện áp âm –VCC và điện áp trên tụ tăng từ -VCC lên

0V, rồi sau đó nạp tiếp từ 0V lên +VCC Như vậy đường xả và nạp

của tụ sẽ được giới hạn từ -VCC tới +VCC

 V (t) = V - 2V e-t/τ

9

Khi VC(t) = 0V mạch sẽ trở lại trạng thái ổn định vì lúc này tụ C hết thời gian xả, đây cũng là thời gian

tạo xung ở ngõ ra với xung có độ rộng xung là tx

Ta có:

VCC = 2VCC.e-tx/τ

=> e-tx/τ = 1/2 ( Logarit cơ số e: ln(e x ) = x )

=> tx = τ.ln2

Ta có τ = RB1.C

=> tx = 0,69.RB1C (*)

Từ (*) ta thấy độ rộng xung tạo ra sẽ tỉ lệ thuận với RB1 và C Vì vậy để thay đổi độ rộng xung ta có thể

thay đổi trị số của RB1 và C Tuy nhiên giá trị RB1 bị giới hạn bởi điều kiện bão hòa của T1 nên ta chỉ có

thể thay đổi C

Tính biên độ xung ra:

- Khi T1 dẫn bão hòa và T2 ngưng (trạng thái ổn định) ta có:

VC1 = VCEsat ≈ 0,2V và VC2 ≈ VCC

- Khi T1 ngưng và T2 dẫn bão hòa (trạng thái tạo xung) ta có:

VC1 ≈ VCC RB2

RC1

+ RB2 = Vx

VC2 = VCEsat ≈ 0,2V

Vậy biên độ xung dương do T1 tạo ra là: VO1 = Vx – 0,2V ≈ Vx

Biên độ xung âm do T1 tạo ra là: VO2 = VCC – 0,2V ≈ VCC

11

- Ở trạng thía phát xung T1 ngưng dẫn và T2 bão hòa Sau khoản thời gian tx (độ rộng xung) thì T2 sẽ trở lại trạng thái ngưng dẫn Tuy nhiên quá trình này không xảy ra ngay vì tụ C nạp qua RC2 làm cho

VC2 tăng lên theo hàm số mũ chứ không tăng đột biến như xung vuông Thời gian này gọi là thời gian phục hồi th:

Ta có: τnap = RC2.C

Tụ nạp đầy trong thời gian 5τ nhưng thường được tính:

th ≈ 4τnap ≈4RC2.C

C

C xả

Ci

RB

RB2

Bão hòa Ngưng

IB2

IC2

Mạch đơn ổn cải tiến dùng một mạch nguồn

VCC

C

RB2

D

RB

T2

T1

Ri

Ci

Vi

Mạch vi phân Ri-Ci có chức năng đổi xung vuông ra hai xung nhọn và diode D chỉ nhận xung nhọn âm đưa vào cực B1

13

C

RB2

D

RB

T2

T1

Ri

Vi

Ci

Ở trạng thái ổn định T1 bão hòa và T2 ngưng, tụ

C nạp điện Khi có xung nhọn âm làm diode D phân cực thuận, tụ C có chân nạp điện áp dương nối mass nên chân nạp điện âm sẽ làm phân cực ngược B1 và T1 ngưng dẫn Lúc này, VC1 tăng cao làm T2 được phân cực và bão hòa và VC2 ≈ 0,2V nên tụ C sẽ tiếp tục xả qua RB1 và mạch sẽ duy trì trạng thái T1 ngưng-T2 dẫn bão hòa cho đến khi tụ xả hết Sau thời gian tạo xung tx mạch trở về trạng thái ổn định

Để chuyển trạng thái T2 từ ngưng sang dẫn bão hòa khi có xung kích âm vào B1 ta có thể dùng tụ gia tốc

Cj ghép song song với RB2 Khi có xung kích âm ở cực B1 -> T1 chuyển từ bão hòa sang ngưng -> VC1 tăng Ở trạng thái chuyển tiếp, vì Cj nối tắt nên điện

áp VCj phân cực nhanh cho cực B2 làm T2 dẫn bão hòa nhanh-> VC2 giảm nhanh Điều này làm xung vuông

ra ở C2 có cạnh xuống thẳng đứng, sửa lại tốc độ dốc trước của xung ra

C

RB2

D

VCC

T2

T1

Ri

Vi Ci

Cj

Mạch đơn ổn cải tiến dùng tụ gia tốc

15

Đối với mạch đơn ổn có xét đến thời gian hồi phục th của xung ra trên cực C2, vì tụ C nạp điện qua RC2 làm VC2 tăng chậm làm độ dốc sau của xung bị kéo dài ra

Để làm giảm thời gian hồi phục ở ngõ ra, làm độ dốc sau được thẳng ta có thể sử dụng thêm Diode D và điện trở RD như hình bên

Khi T2 ngưng, điện áp VC2 làm phân cực ngược diode D và

tụ C chỉ nạp qua RD nên điện áp VC2 tăng nhanh

Trong mạch này khi T2 bão hòa, VC2 giảm nên diode D phân cực thuận, điện trở ở cực C2 là RC2 song song RD

Thông thường ta chọn RC2 = RD = 2RC1

C

VCC

T2

T1

Ri

Vi

Cj

RD

Di

Ci

Mạch đơn ổn cải tiến dùng diode cách ly bảo vệ mối nối BE1

C

RB2

D

VCC

T2

T1

Ri

Vi

Ci

Di

Mạch vi phân tạo ra xung nhọn làm phân cực thuận Di ->

T1 ngưng – T2 bão hòa Lúc này, C sẽ xả điện và điện áp đang nạp trên tụ đưa vào B1 với trị số ≈ VCC Điện áp này

có thể làm hỏng mối nối BE1 (VCC lớn hơn điện áp đánh thủng)

Để bảo vệ mối nối BE=1 ta đặt thêm 1 diode D giữa tụ C

và cực B1 Khi tụ xả điện thì diode D sẽ chịu điện áp ngược thay cho BE1 qua đó bảo vệ BE1 không bị đánh thủng