Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử - Chương 8

Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc, tổng hợp mà đặc biệt là bài giảng m

Chương 8: Kỹ thuật xung 8.1 Khái niệm:

Xung điện là 1 dạng điện áp hoặc dòng điện mà thời gian tồn tại của

nó rất nhỏ, có thể so sánh được với quá trình quá độ của mạch điện mà nó tác dụng

 Một số dạng xung thường gặp:

Xung vuông: ( xung chữ nhật)

Hình 8.1 Tín hiệu xung vuông

Xung hình thang

Hình 8 2 Tín hiệu xung hình thang

Xung tam giác ( xung răng cưa )

Hình 8.3 Tín hiệu xung tam giác

Xung hàm mũ

Hình 8.4 Tín hiệu xung vuông

v

t

t v

v

t

v

t

 Các tham số cơ bản của xung

Xét 1 xung vuông thực tế

Hình 8.5 Tín hiệu xung vuông thực tế

Trong đó:

Vm: biên độ xung ( giá trị cực đại của tín hiệu xung )

0-t1: thời gian trễ của tín hiệu xung, đó là khoảng thời gian cần thiết

để tín hiệu tăng từ 0 – 0,1 Vm

t1- t2: thời gian lên hay còn gọi là độ dài sườn trước của xung, đó là khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu tăng từ 0,1 Vm– 0,9 Vm

t2- t3 : thời gian tồn tại đỉnh xung

t3- t4: thời gian giảm hay còn gọi là độ dài sườn sau của xung

t5= t1+t2+t3+t4: thời gian tồn tại của xung

Đối với dãy xung tuần hoàn ta có thêm các thông số sau:

Hình 8.6 Tín hiệu xung vuông tuần hoàn

 Chu kỳ xung T=tx+tng

 Độ rộng xung tx

 tng: thời gian nghỉ của xung

 Tần số xung f=1/T

Trong kỹ thuật xung số, người ta thường dù ng phương pháp số đối với tín hiệu xung khi biên độ xung Vm > mức ngưỡng VHthì xung đó ở trạng

t4

t3

t1

v 0.9Vm 0.9Vm

t2

tng v

t T

tx

th¸i møc 1 hay møc cao Khi Vm < møc ng­ìng VL th× xung ị tr¹ng th¸i møc thÍp hay møc 0

Khi Vl<Vm<VH xung ị tr¹ng th¸i cÍm

8.2 C¸c chÕ ®ĩ lµm viÖc cña BJT

Tuú theo ®iÖn ¸p ph©n cùc, BJT cê thÓ lµm viÖc ị tr¹ng th¸i ng­ng dĨn, khuÕch

®¹i hay dĨn b·o hoµ

 ChÕ ®ĩ ng­ng dĨn: tiÕp xuc JEvµ JC ®Òu ph©n cùc ng­îc

 ChÕ ®ĩ khuÕch ®¹i: JE ph©n cùc thuỊn, JC ph©n cùc ng­îc

 ChÕ ®ĩ b·o hoµ: JE vµ JE ®Òu ph©n cùc thuỊn

§Ó ®êng ng¾t c¸c m¹ch ®iÖn tö, ng­íi ta th­íng dïng BJT

Ta xÐt m¾c m¹ch sau:

H×nh 8.7.M¹ch t¹o tÝn hiÖu xung vu«ng

Khi ®iÖn ¸p vi ©m hoƯc nhâ h¬n ®iÖn ¸p ng­ìng, BJT sÏ r¬i vµo tr¹ng th¸i ng­ng dĨn (hoƯc t¾t) Dßng IC cê gi¸ trÞ rÍt bÐ, IC=ICbo

Khi ngđ vµo vi d­¬ng , BJT dĨn, tuú theo gi¸ trÞ cña dßng ngđ vµo IB, BJT

cê thÓ dĨn khuÕch ®¹i hoƯc b·o hoµ

Khi BJT dĨn b·o hoµ, ®iÖn ¸p trªn cùc C vµ E rÍt nhâ VCES=0.2V, dßng IC

lóc ®ê cê gi¸ trÞ lµ ICS=(VCC-VCES)/RC VỊy ®iÒu kiÖn ®Ó BJT ho¹t ®ĩn g ị chÕ ®ĩ b·o hoµ th× dßng IB>ICS/

NÕu vi < ®iÖn ¸p ng­ìng th× BJT t¾t, v0=VCC

NÕu (vi- VBE)/Rb> ICS/, BJT dĨn b·o hoµ, ng­îc l¹i BJT dĨn khuÕch ®¹i

9.3 C¸c m¹ch t¹o xung c¬ b¶n.

8.3.1 Mạch không trạng thái bền (astable)

Mạch còn được gọi là mạch dao động đa hài dùng để tạo xung vuông

8.3.1.1 Sơ đồ mạch và dạng sóng :

VCC

Rc

Rc2 Rc2

Q1 Rc1

Q2

Rb2 Rb1

Vo2 Vo1

Hình 8.8 Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch không trạng thái bền

8.3.1.1 Nguyên lý làm việc :

 Trạng thái không bền ban đầu : 0  t t1

Q1 tắt , Q2 dẫn bão hòa  V01 = Vcc

V02 = Vces = 0.2V 0 Vb/Q2 = Vbes = 0.8V 0 Tụ C2 nạp điện từ Vcc  Rc1  JE/Q2 để đạt đến giá trị Vcc Tụ C1 xả và nạp điện theo chiều ngược lại từ Vcc  Rb1  BJT Q2 dẫn bão hòa Qúa trình nạp điện của tụ C1 làm Vb1tăng  Vc1 tăng  cho đến khi Vc1 = Vb 1  V 

JE/Q1 phân cực thuận  Q1 dẫn  ic1 tăng  v01 giảm  thông qua C2 làm Vb2

t

t t

t

v02

vb1

vb2

v01

t1 t2

T2

T1

giảm  JE /Q2 phân cực yếu hơn  Q2 dẫn khuếch đại  ic2 giảm  v02 tăng thông qua C1 Vb 1 càng tăng  Q1 nhanh chóng dẫn bão hòa  V01  0 , do tính chất điện áp trên tụ C2 không đột biến  nên nó đặt toàn bộ điện áp âm lên cực B/Q2 làm Q2 nhanh chóng tắt  mạch chuyển sang trạng thái không bền thứ hai

 Trạng thái không bền thứ 2 :

Q1 dẫn bão hòa , Q2 tắt  V01 = 0 ,Vb 1 = Vbes = 0.8 0

V02 = Vcc Tụ C1 xả và nạp điện theo chiều ngược lại từ Vcc  Rc2  JE/Q1 để đạt đến giá trị Vcc - ic02.Rc2 với chiều cực tính như hình vẽ Trong khi đó tụ C2 cũng nạp từ Vcc  Rb2 Q1 dẫn bão hòa với chiều cực tính như hình vẽ để tiến đến Vcc Tụ C2 càng nạp  Vc2 tăng cho đến khi Vc2 = Vb 2  V  Q2 đẫn  ib2 tăng ic2 tăng  V02 giảm thông qua C1 làm Vb 1 giảm  Q1 dẫn khuếch đại

 ic1 giảm  V01 tăng thông qua C2 Vb 2 tăng  Q2 dẫn bão hòa  V02  0 do tính chất điện áp trên tụ C1 không đột biến  đặt toàn bộ điện áp âm vào cực B/Q1  Q1 nhanh chóng tắt  mạch chuyển về trạng thái không bền ban đầu ứng với Q1 tắt , Q2 dẫn bão hòa Quá trình cứ tiếp tục như vậy , trong mạch luôn luôn tự động chuyển trạng thái mà không cần xung kích khởi từ bên ngoài vào

Do đó mạch sẽ luôn luôn tạo độ dài xung ra

 Chu kỳ dao động : T = T1 + T2

Xác định T1 : Q1 tắt , Q2 dẫn bão hòa

Vc1 (t) = [ Vc1 () - Vc1 (0) ](1 - exp (- t/1 )) + Vc1 (0)

Vc1 () = Vcc ; Vc1 (0) = - Vcc Khi t = T1 Vc1 (T1 ) = V  0

 T1 = 1ln

V

2V cc

cc ; 1 = Rb1 C1 Xác định T2 : Q1 dẫn bão hòa , Q2 tắt Tương tự ta có :

 T2 = 2 ln2

 T = T1 + T1 = (1 + 2) Ln 2

= 0,7 ( C1.Rb1 + C2.Rb2 ) Chọn C1 = C2 = C  T = 0,7 C ( Rb1 + Rb2 )

Để T không đổi nhưng T1 ,T2 thay đổi được dùng biến trở để thay đổi Nếu Rb1 = Rb2 = Rb T = 1,4 C Rb

8.3.2 Mạch monostable dùng BJT :

8.3.2.1 Sơ đồ mạch và dạng sóng :

Hình 8.9 Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch một trạng thái bền

8.3.2.2 Nguyên lý làm việc :

* 0 t < t0: Trạng thái bền : Q1tắt ,Q2dẫn bão hòa

 V0 = Vces= 0.2v 0 ; Vb /Q2= Vbes= 0.8v 0

Tụ C1nạp từ Vcc qua Rc1và tiếp xúc JE của BJT Q2 đang dẫn bão hòa với chiều cực tính như hình vẽ để đạt đến giá trị Vc2 Vcc

* Ở trạng thái không bền :

t = t0 : Mạch được kích khởi bởi xung V i có cực tính dương có giá trị đủ lớn đưa vào cực nền của BJT Q1 Vb /Q1 > V. JE phân cực thuận  Q1 dẫn ib1 tăngiC1tăng Vc/Q1 giảm Vb/Q2giảm  Q2từ dẫn bão hòa chuyển sang dẫn khuếch đại dòng ic2 giảm 

Vc /Q2 = V0 tăng thông qua R1 làm cho Vb /Q1 tăng  Q1 dẫn bão hòa 

Vc /Q1  0v, do tính chất điện áp trên tụ C2không đột biến, lúc này toàn bộ điện áp âm đặt vào cực B/ Q2 làm cho Q2 nhanh chóng tắt Mạch chuyển sang trạng thái không bền Q1dẫn bão hòa Q2 tắt Ở trạng thái không bền này tụ C2 xả và nạp điện theo chiều ngược lại từ Vcc  Rb2  Q1dẫn bão hòa  tiến đến giá trị Vc= Vcc Qúa trình nạp điện cho C2làm cho Vb /Q2 thay đổi, tụ C2càng nạp  Vb /Q2 càng tăng lên (bớt âm hơn) và tăng cho đến khi Vc2= Vb /Q2  V Tiếp xúc JE cuả Q2phân cực thận trở lại  Q2dẫn  dòng ib2 tăng  ic2 tăng  Vc /Q2 giảm

t

T0

t

Vcc VO

VCC

-Vbb

Q2 R1 Q1

C1

Rb2

Rb1

V i

vi

t0

vo

 thông qua R1làm cho Vb /Q1 giảm  Q1 từ dẫn bão hòa sang dẫn khuếch đại

 ib1 gỉam ic1 giảm  Vc /Q1 tăng thông qua C2  Vb/Q2 tăng  thúc đẩy BJT Q2 nhanh chóng dẫn bão hòa  Vc /Q2  0 Q1 tắt Mạch chuyển sang giai đoạn phục hồi, kết thúc trạng thái không bền

8.3.2.3.Tính độ dài xung ra T 0 :

Thời gian mạch tồn tại ở trạng thái không bền  mạch tạo độ dài xung ra , sau đó mạch tự động trở về trạng thái bền ban đầu

T0 phụ thuộc vào trị số linh kiện trong mạch :

Vc1 (t) = [ Vc1 () - Vc1(0) ].(1 - exp (-(t - t0)/)) + Vc1 (0)

Vc1 (0) = - Vcc ; Vc1 () = Vcc

 Vc1 (t) = (2.Vcc ).(1 - exp (-(t - t0)/)) -Vcc

Khi t = t0+ T0  Vc1 (t0 + T0 ) = V  0

Thay vào ta có :

T0 = ln

Vcc 2.Vcc =0.7 với  = C2.Rb2

8.3.3 Mạch hai tr¹ng th¸i bÒn dùng BJT(bistable) :

8.3.3.1 Sơ đồ mạch và dạng sóng :

Hình 8.10 Sơ đồ mạch và dạng sóng của mạch hai trạng thái bền

vi1 vi2

t

t

vi1

vi2

t t

t1 t2

v01

v02

Q1

Rc1

Q2

Rb2 Rb1

1

Rc2

vcc

v02

v01

8.3.3.2 Nguyªn lý ho¹t ®ĩng

Người ta chọn 2 thành phần đối xứng nhau, nhưng trong thực tế, 2 BJT có các thông số khác nhau Khi đóng điện áp nguồn, BJT này dẫn mạnh thì BJT kia đẫn yếu hơn Nhưng mạch là hồi tiếp dương khép kín nên làm cho BJ T dẫn mạnh trở thành dẫn bão hòa, còn BJT kia sẽ dần dần tắt hẳn ( Khi BJT làm việc ở chế độ ngưng dẫn hay dẫn bão hòa thì ít chịu ảnh hưởng của nhiễu so với khi BJT làm việc ở chế độ khuếch đại)

 0< t < t1: Trạng thái bền ban đầu : Q1 tắt, Q2 dẫn bão hòa

 t1 t < t2:

Tại t = t1 : vb/Q1 > điện áp ngưỡng, dẫn đến tiếp xúc JE của BJT Q1 được phân cực thuận, BJT Q1dẫn  ib1 tăng  ic1tăng  vc/Q1giảm, thông qua R2dẫn đến

vb/Q2giảm tiếp xúc JE/Q2 phân cực yếu hơn  Q2ra khỏi chế độ bão hòa và đi vào dẫn khuếch đại : lúc này dòng ic2giảm  vc/Q2tăng lên thông qua R1làm cho vb/Q1tăng theo  Q1nhanh chóng dẫn bão hòa  vc /Q1  0v Q2tắt Như vậy mạch chuyển sang trạng thái bền thứ hai ứng với Q1 dẫn bão hòa, Q2tắt Mạch sẽ luôn luôn ở trạng thái bền này nếu không có xung kích khởi

 t2  t < t3:

t = t2: Mạch được kích khởi bởi xung cực tính dương với biên độ đủ lớn đưa vào cực nền Q2 Tại thời điểm này, Vb/Q2 > V Q2dẫn ib2tăng  ic2 tăng Vc/Q2 giảm thông qua R1làm cho Vb/Q1 giảm  Q1 phân cực yếu, từ dẫn bão hòa chuyển sang dẫn khếch đại  ic1giảm  Vc /Q1tăng thông qua R2làm cho Vb/Q2 tăng Q2dẫn bão hòa  Vc /Q2 0 Q1tắt Mạch chuyển về trạng thái bền ban đầu