bài giảng kỹ thuật xung

Bài giảng kỹ thuật xung số với đầy đủ bài tập có giải tốt nhất cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử viễn thông nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản để tạo tín hiệu xung và biến đổi tín hiệu xung. Tài liệu gồm 5 chương phù hợp cho cả sinh viên hệ cao đẳng và đại học

Trang 1

Chương 1 Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung Mạch RLC

CH ƯƠNG 1:

KHÁI NI M CƠ B N V K THU T XUNG - M CH RLC

1.1 Khái ni ệm

Tín hiệu điện có thể được phân làm các loại:

- Theo dạng sóng như: tín hiệu sin, tam giác, xung vuông, nấc thang, …

- Theo tần số như: tín hiệu hạ tần, âm tần, cao tần, siêu cao tần, …

- Theo sự liên tục như: tín hiệu liên tục biên độ, thời gian; tín hiệu rời rạc biên độ, thời gian

- Theo tính tuần hoàn: tín hiệu tuần hoàn và không tuần hoàn

Tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia ra làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu gián đoạn Tín hiệu liên tục còn được gọi là tín hiệu tương tự hay tuyến tính; tín hiệu gián đoạn còn được gọi là tín hiệu xung hay số

Tín hiệu sin là một tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu liên tục được biểu diễn như hình 1.1, ta

có thể tính được biên độ của nó ở từng thời điểm Ngược lại, tín hiệu xung vuông là tín hiệu tiêu biểu cho loại tín hiệu gián đoạn, và được biểu diễn như hình 1.2, biên độ của nó chỉ có 2 giá trị là mức cao và mức thấp, thời gian để chuyển từ mức biên độ thấp lên cao hay từ mức biên độ cao xuống thấp rất ngắn và xem như tức thời

v

t+Vp

Vp

0

Hình 1.1 Tín hiệu hình sin Hình 1.2 Tín hiệu xung vuông

Các dạng khác của tín hiệu xung như: xung tam giác, xung nhọn, xung răng cưa, xung nấc thang, … được biểu diễn như ở hình 1.3

v

t0

a) Xung tam giác

v

t0

b) Xung nhọn

Trang 2

Chương 1 Khái niệm cơ bản về kỹ thuật xung

v

t0

c) Xung răng cưa

v

t0

0tkhi0tu

1.2.2 Xung ch ữ nhật (regtangular pulse)

2 1

tttkhi1

tt,ttkhi0tp

Có thể xem xung vuông p(t) như là tổng của 2 xung vuông x1 và x2 như sau:

p(t) = x1(t) + x2(t)

với x1(t) = u(t - t1)

x2(t) = - u(t - t2)

1.2.3 Xung đơn vị (Unit-Impulse Function)

Còn gọi là xung δ(t) hay phân bố Dirac, được định nghĩa như sau:

( ) ( )

λδ

≠

=δ

∫ε

ε

−

0d

0t0

t

Xung dirac δ(t) có thể được khảo sát như là đạo hàm của u(t)

Trang 3

∆

( )tu

~

∆

( )t

~δ

∆1

Rõ ràng bước nhảy đơn vị u(t) là giới hạn của ~u( )t khi ∆ → 0 Từ đó có thể xác định xung dirac gần đúng ~δ( )t là đạo hàm của bước nhảy đơn vị gần đúng ~u( )t , tức là ( )

dt

)t(u

~dt

~

=δ

Và u(t) có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân: ( ) ∫ ( )

∞

−

ττδ

=

t

dt

tx

1.2.4 Hàm d ốc (Ramp Function)

0t0

0tt

τ là thời hằng

1.3 Các thông s ố của tín hiệu xung

Khi khảo sát tín hiệu xung, ta xét các thông số cơ bản sau:

Trang 4

1.3.1 Chu k ỳ xung - Tần số xung

Độ rộng của xung là thời gian ứng với mức điện áp cao gọi là ton (hay tx) Thời gian không có xung ứng với mức điện áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng)

Chu kỳ xung là: T = ton + toff

Tần số xung là số lần xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian được tính theo công thức: T

1

f =

Hình 1.4 Chu kỳ xung 1.3.2 Độ rỗng và hệ số đầy của xung

Trong một chu kỳ của xung, thời gian có xung (ton) thường rất ngắn so với chu kỳ T Người ta định nghĩa, độ rỗng của xung là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton:

Ta có: Hệ số đầy

T

ton

=η

1.3.3 Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau:

Trong thực tế, các xung vuông không có dạng lý tưởng mà có dạng như hình 1.5 Khi tăng điện áp sẽ có thời gian trễ tr gọi là độ rộng sườn trước,ngược lại, khi giảm điện áp cũng sẽ có thời gian trễ tf gọi là độ rộng sườn sau

Trang 5

Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm

Thời gian xung có biên độ từ 0,9Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh của xung gọi là tp

Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp + tf

Độ sụt đỉnh xung ∆V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung

1.4 Tr ạng thái ngưng và dẫn của Transistor:

Như vậy, ngõ vào VI có mức thấp, ngõ ra V0 có mức cao

1.4.2 Tr ạng thái dẫn bão hòa:

Để transistor chuyển từ trạng thái ngắt sang trạng thái dẫn bão hòa thì ngõ vào phải được cấp một điện áp đủ lớn sao cho điện áp ra VB lớn hơn một mức ngưỡng để transistor được phân cực bão hòa Điện áp này được gọi là VBesat có trị số tùy thuộc chất bán dẫn chế tạo transistor

Hình 1.7 Transistor bão hòa

VBEsat ≈ 0,7V ÷ 0,8V (đối với transistor Silicium)

VBEsat ≈ 0,2V ÷ 0,3V (đối với transistor Germanium)

Trong mạch điện hình 1.7, điện trở RC được coi là điện trở tải để xác định dòng điện IC qua transistor Như đã biết, khi transistor chạy ở trạng thái bão hòa thì cực C có điện áp ra là:

Trang 6

VC = VCEsat ≈ 0,1V ÷ 0,2V

Như vậy, dòng IC được tính theo công thức

C

CEsat CC

Csat

R

VV

I (β: độ khuếch đại dòng điện)

Trường hợp cần cho transistor chạy bão hòa sâu thì dòng điện IB được tính:

β

B

I

k

I (k là hệ số bão hòa sâu, k ≈ 2 ÷ 5)

Điện trở RB được chọn theo công thức:

B

BEsat i

B

I

VV

- Nếu Vi+ > Vi- thì V0 = +VCC, gọi là trạng thái bão hòa dương

- Nếu Vi+ < Vi- thì V0 = -VCC, gọi là trạng thái bão hòa âm

Trong thực tế, mạch khuếch đại so sánh sẽ nhận một điện áp ở ngõ vào là Vi để so sánh với điện áp chuẩn là VR Tùy thuộc theo yêu cầu của mỗi mạch mà ta cho điện áp ngõ vào Vi vào ngõ đảo hay ngõ không đảo và điện áp chuẩn vào ngõ còn lại

Trang 7

1.5.1 Điện áp V i vào ngõ đảo, V R vào ngõ không đảo

Hình 1.9

Theo sơ đồ mạch so sánh hình 1.9a có điện áp ngõ vào Vi đưa đến ngõ đảo để so sánh với điện

áp chuẩn VR ở ngõ không đảo

Hàm truyền đạt của mạch biểu diễn như hình 1.9b Nếu Vi < VR hay (Vi+ > Vi-) thì V0 = +VCC,

và ngược lại, nếu Vi > VR (hay Vi+ < Vi-) thì V0 = -VCC

1.5.2 Điện áp V i vào ngõ không đảo, V R vào ngõ đảo

Hình 1.10

Mạch so sánh hình 1.10a có cách cho điện áp vào Vi ngược lại với mạch so sánh hình 1.9a, nên có hàm truyền ngược lại và được biểu diễn như hình 1.10b Theo đó, Nếu Vi < VR hay (Vi+ <

Vi-) thì V0 = -VCC, và ngược lại, nếu Vi > VR (hay Vi+ > Vi-) thì V0 = +VCC

Hai trạng thái ngưng và dẫn bão hòa của transistor hay hai trạng thái bão hòa dương và bão hòa âm của Op-Amp được dùng để cho ra hai mức cao và mức thấp, tạo ra các tín hiệu xung điện

1pC

1R

Rp

K

+

=+

=

Trang 8

τ+

ppKRC

• Phản ứng với hàm vi(t) = a.1(t)

( )

p

ap

τ+

=τ+

=

t 0

i

pp

a1p

p.p

apK.tvp

=

τ = RC: thời hằng của mạch - đặc trưng tốc độ xảy ra quá trình quá độ

Độ rộng xung quy ước: t0 = (2.3 ÷ 3)τ

• Phản ứng với xung vuông:

Phân tích xung vuông thành tổng 2 đột biến:

0v

Trang 9

Trường hợp τ >> t0: quá trình xảy ra tương tự, với điểm khác là trong khoảng 0 ÷ t0 mạch vẫn chưa đạt giá trị xác lập

=

τ+

=

τ

−t2

i 0

e1.k

1p

p.pk

pK.pvp

C

qvv

v = + = + với q là điện tích trên C

dt

dvC

idt

vdt

dvRC

0 0

K

+

=

Trang 10

0

tτ

• Phản ứng với xung vuông:

R i C

tt1.e1at1.e1.a

vvv

=

=ω

H H s

f

35.0f2

2.2

0.9a0.1a

t1

vC

Thời hằng càng nhỏ thì tín hiệu càng ít bị méo dạng

Chức năng tích phân tín hiệu:

Trang 11

0 0 0

C R 0 R i

vdt

dv.RC

vdt

dq.R

vvvvv

=

Chọn τ = RC rất lớn sao cho 0 v0

dt

dv

Mạch hạ thông với τ = RC rất lớn → mạch tích phân

c Ph ản ứng của mạch RC với dãy xung vuông:

vi

C

vC

Nếu t nhỏ hơn độ rộng xung T thì phản ứng của mạch giống như đối với xung đơn, trường hợp

t >> T thì phản ứng của mạch giống như hình vẽ

Quá trình:

+ Khi có xung, tụ C nạp qua R, vC tăng, vR giảm

+ Khi không có xung, tụ C phóng điện qua R → vR đổi dấu, vC giảm, vR tăng

Ở những chu kỳ đầu, điện tích nạp của tụ lớn hơn điện tích xả → điện áp trung bình trên tụ C tăng dần

Ở những chu kỳ sau, điện tích nạp bằng với điện tích xả → đạt trạng thái cân bằng động, khi

đó điện áp trung bình của C không tăng

Thời gian đạt trạng thái cân bằng động được qui ước:

Số lượng xung tối thiểu để đạt cân bằng động:

Trang 12

0

10.470

Trang 13

24

1RR

R.Ev

2RR

R.Ev

2.1C.R//

• Chức năng: lấy 1 phần tín hiệu vào của vi

• Yêu cầu: v0 phải tuần hoàn giống vi

• Điều kiện lý tưởng:

1 1

2 i 0

RR

R.vv

+

=

Trang 14

Do tác dụng của các điện dung ký sinh C2, v0 bị méo dạng so với vi Để khắc phục, thường mắc thêm tụ C1 song song với R1 để bổ chính Tùy thuộc vào trị số của tụ C1 mà tác dụng bổ chính sẽ khác nhau

Đặt Z1 và Z2 sao cho:

1 1 1

pCR

1Z

1

+

=

2 2 2

pCR

1Z

p1.RR

RZ

Z

Zp

K

2 1 2 1 2 2

1

2

τ+

τ++

=+

=

Trong đó: τ1 =R1C1

2 1

2 1 2 1 2

RR

R.RCC

++

=τ

p

apvt1.atv

τ

−τ++

=

p1p

1.RR

R.a

pK.pvpv

2

2 1 2

1 2

i 0

τ

−τ++

2 2 1 1 2

1 2

t

2

2 1 2

1

2 0

e.CCR

CRCR1.RR

R.a

e.1

.RR

R.atv

• Nếu t = 0:

2 1

1 0

CC

C.av

+

=

• Nếu t = 8 (xác lập):

2 1

2 0

RR

R.av

1 0

CC

C.av

+

=

• 0 ≤ t < ∞: quá trình phân bố lại điện tích trong đó các tụ C1, C2 nạp hay xả

• t = ∞: mạch xác lập (không còn sự thay đổi điện tích), dòng qua các tụ bằng 0, điện áp

vi phân bố giữa các điện trở

Trang 15

2 1

2 0

RR

R.av

+

=

a B ổ chính thiếu:

2 1 2 2

1

RR

RC

1

R R

R C

C

+

=+

c B ổ chính lố:

2 1 2 2

1

RR

RC

Trang 16

1.8 M ạch RL

Mạch hạ thông Mạch thượng thông

LpR

Rp

K

+

LpR

Lpp

- Phản ứng của mạch RL thượng thông giống với mạch RC thượng thông

- Phản ứng của mạch RL hạ thông giống như với mạch RC hạ thông

Khi đòi hỏi t lớn thường không sử dụng mạch RL do:

o Kích thước cuộn cảm lớn

o Giữa các vòng dây tồn tại điện dung ký sinh → tự kích dao động

1.9 M ạch RLC

(SV tự tìm hiểu)

Trang 17

Chương 2 Khóa điện tử và các mạch biến đổi dạng xung

CHƯƠNG 2:

KHÓA ĐI N T VÀ CÁC M CH BI N Đ I D NG XUNG

2.1 Khóa BJT t ải R:

Chế độ khóa: Transistor tồn tại chủ yếu ở hai trạng thái tắt và bão hòa, trạng thái khuếch

đại là trạng thái trung gian khi khóa chuyển từ tắt sang bão hòa hoặc ngược lại

Chế độ khuếch đại: tiếp xúc JE (BE)

phân cực thuận, tiếp xúc JC (CB) phân

cực nghịch Quan hệ dòng:

ic = β.ib = α.ie

và ie = ic + ib

Chế độ bão hòa: hai tiếp xúc JE, JC

phân cực thuận Quan hệ dòng:

Giả thuyết mức E1 đủ làm cho transistor bão hòa Trong khoảng thời gian này dòng iC = 0

0 ÷ t1: thời gian trễ, 3 yếu tố tạo nên trễ là:

Trang 18

+ Thời gian cần thiết để các điện dung rào thế xả điện tích và nạp lại điện tích cho tiếp xúc

JE của điện áp VBE = Vγ

+ Thời gian để các hạt dẫn đi từ cực E qua miền B đến cực C

+ Thời gian để dòng iC tăng từ 0.1IC,sat đến 0.9IC,sat (dòng bão hòa)

• t1 ÷ t2: sườn lên, transistor dẫn ở chế độ khuếch đại

sat , ce CC Sat , C C

R

VR

VVI

Ii

Điều kiện bão hòa: ib ≥ ibn Nếu ib > ibn (hoặc β.ibn > ic) → xảy ra hiện tượng tích lũy điện tích

dư

i

iS

bn

= (thường S = 1.2 ÷ 2) S rất lớn → bão hòa sâu

Tổng trở ra R0 ≈ tổng trở ra của BJT Khi bão hòa (JE, JC đều phân cực thuận) → điện thế của

Trang 19

sat , CE CC sat , C C

R

VR

VVI

( )

RL,e

.I

t t sat , C

0

sat , CE CC sat , C C

RR

VR

R

VV'

Ii

+

≈+

−

=

=Cuộn L nạp điện → iL tăng lên, iR giảm xuống

( )

C 0 '

t t sat , C

i

2

=τ

Trang 20

( )

' t t 0 sat , C CC R 0 CC 0

2

e.R.'IVi.RV

t CC

R

vVi

0 CC 0 S R C

R

vVdt

dv.Ciii

R

Vi

Transistor đi vào trạng thái bão hòa

Trang 21

2.4 M ạch xén:

Ch ức năng: giới hạn biên độ tín hiệu

Các m ạch xén dùng diode:

• Mạch nối tiếp: tải nối tiếp diode

• Mạch song song: tải song song với diode

Giả thiết diode lý tưởng

Trang 22

Trang 23

Xén ở 2 mức về bản chất là ghép xén trên với xén dưới

Đối với các diode thực tế, thông số của diode khác lý tưởng thì tín hiệu ra càng

f i

0

rR

RVrR

rv

v

+

++

=

DR

r+

( i N)

f

rR

r

−+

Trang 24

V

2 Z

V

Vùng 1: vi < 0 và

2 Z

v > → D1 dẫn thuận, D2 dẫn nghịch

Vùng 2: vi < 0 và

2 Z

v < → D2, D1 tắt

Vùng 3: vi > 0 và

1 Z

v < → D1, D2 tắt

Vùng 4: vi > 0 và

1 Z

v > → D1 dẫn nghịch, D2 dẫn thuận

2.5 M ạch ghim điện áp:

Trang 25

Ch ức năng: cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới ở một mức điện thế nào đó

Mạch trên là mạch cố định đỉnh trên mức 0V

• t1 ÷ t2: vi > vC = 0, diode dẫn → tụ C nạp tới Vim

• t2 ÷ t3: vi giảm, do C không phóng điện được nên: (do diode lý tưởng)

v0 = vi - vC = vi - V1m

Đỉnh trên ghim ở mức 0V (tụ nạp, diode dẫn → điện áp ra bằng 0)

• t3 ÷ t4: vi > vC = V1m → vi tăng biên độ lên V2m nên diode dẫn, tụ nạp bổ sung đến mức

V2m, v0 = 0V

• t > t4: v0 = vi - V2m Nếu vi không thay đổi biên độ thì mạch vẫn duy trì khả năng ghim đỉnh trên mức 0 Nếu vi giảm biên độ bằng V3m < V2m thì mạch mất khả năng ghim đỉnh trên mức 0V

Để khắc phục nhược điểm trên, người ta mắc thêm điện trở R có giá trị rất lớn song song với diode Khi diode tắt, tụ C phóng điện qua R, sau vài chu kỳ mạch phục hồi khả năng ghim ở mức 0V Khi có R tụ C phải nạp bổ sung ở mỗi chu kỳ nên tín hiệu ngõ ra bị xén đầu (nhược điểm khi

có thêm R)

Chú ý:

+ Khi đảo chiều nguồn E thì ta có mạch

ghim đỉnh trên tại E

+ Khi đảo chiều diode, mạch trở thành

mạch ghim đỉnh dưới (giải thích hoạt động

tương tự như mạch ghim đỉnh trên)

Trang 26

2.6 M ạch so sánh:

Ch ức năng: đánh dấu các thời điểm

bằng nhau hay khác nhau của tín hiệu vào

So sánh điện áp: dùng khuếch đại

thuật toán lý tưởng ở chế độ xung

v+ > v- thì v0 = +E (bão hòa dương)

v+ < v- thì v0 = -E (bão hòa âm)

So sánh dòng điện:

Trang 27

v0

Ta có:

2 2 1

1 2 1

R

vR

vii

Giả thiết R1 = R2 = R

Nếu i > 0: v0 = -E

Nếu i < 0: v0 = +E

Trang 28

Chương 3 Dao động đa hài

CHƯƠNG 3:

DAO Đ NG ĐA HÀI

3.1 M ạch hai trạng thái bền: (bistable, trigger, Flip Flop)

Mạch 2 trạng thái bền, mỗi trạng thái có 1 transistor tắt và 1 transistor dẫn

Dẫn bão hòa: khả năng chống nhiễu cao Để mạch chuyển trạng thái cần kích khởi

Dẫn khuếch đại: chống nhiễu không cao, tốc độ chuyển đổi cao (nhanh)

Để Q1 tắt, nguồn VBB đảm bảo để vb1 ≈ -(0.5 ÷ 1)V → mạch họat động tin cậy

Giả thiết Q1 tắt, Q2 dẫn bão hòa:

vC2 = VCE,sat ≈ 0

Trang 29

Chương 3 Dao động đa hài

1 2 C

2 C

C CC C

sat , CE CC R

R

VR

VV

và

1 B 1

1

1 B BB 1

B

sat , CE BB

RR

VR

R

VV

+

≈+

+

=

2 B 2

C

sat , CE CC R

R

RR

VR

R

VVi

i

1 1

1 C 2

+

≈+

BB R

VR

//

R.iR.RR

V

b 1

BB 1

b 1 cbo b b 1

sat , CE b

1 1

+

−+

+

=

Do Q2 bão hòa:

2 1

2 2

1

C 2

2 CC 2 R C

RR

R.VR.iv

Tại thời điểm t 1 , kích kh ởi xung dương vào cực B 1 :

→ Q1 dẫn bão hòa, iC1 tăng lên, vC1 giảm gần bằng 0

→ Q2 tắt do ảnh hưởng của điện áp trên tụ C2 làm vb2 < 0

→ ic2 = icbo2 ≈ 0, toàn bộ dòng iR2 đổ vào R1 để duy trì Q1 bão hòa

→ Mạch đổi sang trạng thái mới Q1 bão hòa, Q2 tắt

Lưu ý: Nếu không có tụ C thì mạch vẫn hoạt động bình thường nhưng chậm hơn, tụ C làm

mạch hoạt động nhanh hơn

Tụ C2 xả điện tích qua R2 và Q1

Tụ C1 nạp điện qua RC2, R1, Q1 → VC2 tăng dần theo mức nạp của tụ C1

Ảnh hưởng của tải:

Tải RL có thể mắc song song với RC hoặc với transistor Có thể mắc đối xứng hoặc không đối xứng

• Khi tải mắc song song với transistor: giả thiết Q1 tắt, Q2 bão hòa RL phân nhánh dòng iR2 làm giảm dòng ib2 Nếu RL quá nhỏ thì ib2 có thể giảm tới mức Q2 không thể bão hòa

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	882,67 KB