Bài giảng kỹ thuật xung số

9-Hệ số lấp đầy của chuỗi xung T t Q x   1.3 Các quá trình đặc trƣng trong mạch xung và lôgic Khi tín hiệu tác động lên các mạch điện tử xảy ra hai quá trình cơ bản đó là quá trình dừ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ)

CHƯƠNG 1: TÍN HIỆU XUNG

VÀ QUÁ TRÌNH TÁC ĐỘNG XUNG LÊN KHÂU TUYẾN TÍNH

1.1 Mở đầu

Các thiết bị điện tử hiện có rất nhiều chế độ làm việc khác nhau Một trong số đó rất quan trọng và đang phát triển trong các thiết bị điện, điện tử nói chung hay trong công nghệ chuyển mạch tự động hiện nay đó là chế độ xung Hay người ta thường gọi đó là chế độ khoá của các mạch điện tử

* Đặc điểm của chế độ xung:

- Điện áp (hay dòng điện) không tồn tại liên tục mà tồn tại một cách gián đoạn theo thời gian

* Các ưu điểm cơ bản của thiết bị làm việc ở chế độ xung:

- Cho phép thực hiện phép đo khoảng cách đơn giản trong các hệ thống Rada xung

Thời gian tồn tại của xung được gọi là độ rộng xung, ký hiệu là tx có thứ nguyên là giây (s) Độ rộng xung có tính chất tương đối phụ thuộc vào thiết bị mà chúng tác động lên

Ví dụ:

- Trong hệ thống điều khiển tự động tx được tính bằng giây (s)

- Trong các hệ thống thông tin liên lạc tx được tính bằng mili giây (ms) đến micro giây (s)

- Trong Vật lý hạt nhân thì tx tính bằng nanô giây đến picro giây (ns – ps)

1.2.2 Các dạng tín hiệu xung cơ bản

Trong thực tế có nhiều loại tín hiệu xung có dạng khác nhau, thể hiện quy luật biến thiên phức tạp của nhiều loại tín hiệu khác nhau

Chúng ta chỉ xét một số dạng tín hiệu xung cơ bản thường gặp và sử dụng đó là xung chữ nhật (vuông), xung hình thang, xung hàm mũ (xung kim), xung tam giác (xung răng cưa) và xung hình chuông Các dạng tín hiệu xung được biểu diễn dưới hình vẽ sau:

a) xung chữ nhật; b) xung hình thang; c) xung hàm mũ;

d) xung tam giác; e) xung hình chuông Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung thị tần hoặc âm tần

Trong kỹ thuật để truyền tín hiệu xung đi người ta phải tiến hành điều chế chúng bằng tần số sóng mang ở dải tần cao để tránh làm suy giảm tín hiệu quá lớn Tín hiệu xung được điều chế bởi sóng mang cao tần được gọi là xung cao tần (hay còn gọi là xung

1.2.3 Các tham số của tín hiệu xung vuông

Tín hiệu xung được đặc trưng bởi các thông số cơ bản của chúng Mỗi loại tín hiệu xung có một tham số đặc trưng riêng để đánh giá và khảo sát chúng

Đối với xung vuông ta xét một số tham số cơ bản đặc trưng cho nó với trường hợp tổng quát

u(t)

t x

U(m) I(m)

1-Biên độ xung(Um ; Im ): là giá trị điện áp hay dòng điện cực đại mà tín hiệu xung đạt được

2-Độ rộng xung tx : là thời gian tồn tại của tín hiệu xung

3-Độ rộng đỉnh xung tđ : là thời gian tồn tại của đỉnh xung

4-Độ rộng sườn trước ts(+): là thời gian để cho điện áp hay dòng điện thay đổi từ chân đến đỉnh xung

5 Độ rộng sườn sau ts(-): là thời gian để cho điện áp hay dòng điện thay đổi từ đỉnh xung đến chân để kết thúc một xung

6-Độ sụt đỉnh xung ∆U (∆I): là mức độ suy giảm của điện áp hay dòng điện ở phần đỉnh xung

Độ sụt đỉnh xung có thể đánh giá bằng giá trị tuyệt đối là ∆U hoặc ∆I nhưng cũng

có thể đánh giá theo giá trị tương đối tính bằng phần trăm

% 100

m

UU

để xét các đặc trưng thời gian của tín hiệu xung vuông như tx ; ts(+) ; ts(-) ; tđ không thể đạt

độ chính xác tuyệt đối mà ở các giá trị gần đúng Việc xác định các tham số này thông qua giá trị đặc trưng α để khảo sát tuỳ theo yêu cầu chính xác khác nhau Thông thường α

= 0,2; 0,1; 0,05; 0,01

Như vậy việc xác định các tham số thời gian trên được thực hiện ở các mức biên

độ tương đối αUm và (1 – α )Um như hình vẽ sau:

(+)

t s

(-)

U(m)

U(m) U(m)

Hình 1.4: Nguyên tắc xác định các tham số thời gian của tín hiệu xung theo hệ số α

Khi xét dãy tín hiệu xung có chu kỳ lặp lại (tín hiệu xung tuần hoàn) ta còn xét các tham

số sau:

7-Chu kỳ lặp lại (tần số lặp) của dãy xung là T (f = 1/T)

Dãy xung vuông tuần hoàn có chu kỳ lặp lại được biểu diễn như sau:

tx

T

8-Độ thưa của chuỗi xung Q = T/tx

Độ thưa của chuỗi xung Q thay đổi trong khoảng khá rộng từ một vài đơn vị đến hàng nghìn đơn vị

Đối với các dãy xung có Q < 5 được gọi là dãy xung rộng

Đối với các dãy xung có Q > 5 được gọi là dãy xung hẹp

9-Hệ số lấp đầy của chuỗi xung

T

t Q

x





1.3 Các quá trình đặc trƣng trong mạch xung và lôgic

Khi tín hiệu tác động lên các mạch điện tử xảy ra hai quá trình cơ bản đó là quá trình dừng và quá trình quá độ

Quá trình dừng là trạng thái cân bằng về điện ở trong các mạch điện tử

Quá trình quá độ (QTQĐ) là quá trình mạch điện chuyển từ quá trình dừng này sang quá trình dừng khác

Như ở mục trước đã đề cập, độ rộng xung có thời gian nhỏ xấp xỉ thời gian Quá trình quá độ của mạch điện tử mà nó tác động lên, cho nên trong thời gian Quá trình quá

độ mạch sẽ làm méo dạng tín hiệu xung, làm thay đổi các tham số thời gian của nó như tx

; ts(+) ; ts(-) ; tđ

Có hiện tượng này là do các phần tử ký sinh trong mạch có tính cảm và tính dung gây lên Chúng phụ thuộc vào độ rộng của các xung tác động lên mạch và khoảng cách giữa các xung này

Tóm lại: Quá trình quá độ là quá trình chuyển đổi trạng thái của mạch xung

Quá trình quá độ của mạch chủ yếu làm ảnh hưởng đến các tham số độ rộng sườn xung

*Điều kiện để mạch xung làm việc bình thường:

- tx >> tQT QĐ Tức là động rộng của xung tác động lên mạch điện phải rất lớn hơn thời gian Quá trình quá độ của mạch mà nó tác động lên

- T – tx >> tQT QĐ Tức là khoảng trống của dãy xung (hay khoảng cách giữa hai xung kế tiếp) phải rất lớn hơn thời gian quá trình quá độ của mạch điện mà nó tác động lên

Khi đảm bảo hai điều kiện này thì việc xét mạch xung (phân tích mạch xung) do tác động của chuỗi xung tương tự như việc xét tác động của một xung đơn lên mạch

Để phân tích tác động của tín hiệu xung lên mạch điện tử chúng ta cũng sử dụng các công cụ toán học như trong giáo trình Lý thuyết mạch

1.3.1 Đối với mạch tuyến tính

Đối với mạch tuyến tính ta sử dụng các phương pháp cơ bản sau:

- Phương pháp kinh điển là sử sụng việc mô tả mạch bởi các phương trình vi phân

và tích phân với tác động đầu vào và phản ứng đầu ra Giải phương trình này để tìm quan

hệ giữa tín hiệu tác động ở đầu vào với tín hiệu là phản ứng đầu ra của mạch

- Phương pháp toán tử là phương pháp sử dụng thuật toán Laplace để mô tả mạch thông qua hàm ảnh Sau khi tìm được hàm ảnh của phản ứng đầu ra ta sẽ tìm được hàm gốc phụ thuộc vào thời gian của nó

- Phương pháp phân tích phổ tín hiệu là sử dụng chuỗi Fourier và tích phân Fourier để phân tích mạch tìm phản ứng đầu ra của mạch là hàm của thời gian phụ thuộc vào phổ của tín hiệu vào

- Phương pháp xếp chồng sử dụng tích phân Du – ha – men, nguyên lý xếp chồng, tích phân tín hiệu vào phức tạp thành các tín hiệu đơn giản để tìm phản ứng đầu ra tương ứng với chúng Tín hiệu ra của mạch chính là xếp chồng các tín hiệu ra thành phần vừa tìm được

1.3.2 Với mạch phi tuyến

Việc phân tích mạch phi tuyến là phức tạp và khó khăn do đó ta thường tính toán gần đúng chúng bằng cách sử dụng phương pháp tuyến tính hoá các phần tử phi tuyến theo đặc tuyến Vôn-Ampe của chúng như sau

Hình 1.5: Tuyến tính hóa các phần tử phi tuyến

Tuỳ theo đặc tuyến Vôn-Ampe của phần tử phi tuyến và yêu cầu độ chính xác phân tích mà ta sử dụng phương pháp tuyến tính nào cho phù hợp

Thiết bị xung là thiết bị phi tuyến ta nên sử dụng phương pháp này để phân tích

1.4 Tín hiệu xung tác động lên khâu tuyến tính

Khi nghiên cứu mạch xung chúng ta chia làm 2 loại:

1.5 Tín hiệu xung tác động lên khâu RC, RL

1.5.1 Điện áp đột biến tác động lên khâu RC, RL

u v (t)

Hình 1.7: Tín hiệu vào đột biến điện áp

Hằng số thời gian của mạch là: = R.C

Điện áp trên tụ biến thiên theo thời gian có dạng:

UC(t) = UC(0) + [UC(∞) – UC(0)](1 – e-t/ ) (1.2)

Xét tại thời điểm ban đầu (t = 0) ta có UC(0) = 0

Tại thời điểm xác lập (t = ∞) ta có UC(∞) = E

Thay vào công thức 2.2 ta tính được:

Giải thích hiện tượng:

Tại thời điểm t = 0 tín hiệu ở đầu vào đột biến ứng với tần số cao làm cho trở

kháng tụ C là

C j

Quy luật biến thiên điện áp trên tụ C và điện trở R tuân theo quy luật hàm số mũ, với hằng số thời gian  C = R.C phụ thuộc vào tham số của mạch Được biểu diễn trên hình 1.8

E

t 0

Ura = UR(0) + UL(0) = i.R + i.|jωL| ≈ UL(0) = E

Như vậy sụt áp chủ yếu đặt lên cuộn cảm L

Tại t = ∞ lúc đó tần số của tín hiệu vào rất thấp làm cho ZL nhỏ chủ yếu là điện trở thuần của các vòng dây do đó điện áp rachủ yếu dặt lên điện trở R

E

t 0

u v(t) E

t x

u 1(t) E

Hình 1.10: Phân tích xung vuông thành 2 điện áp đột biến

Phương trình được mô tả như sau:

Khâu RC là khâu tuyến tính do đó ta áp dụng được nguyên lý xếp chồng

Khi xung vuông này tác động lên khâu RC theo nguyên lý xếp chồng điện áp ra trên điện trở và tụ điện C sẽ là xếp chồng của hai điện áp ra do U1(t) và U2(t) gây lên trên chúng

Với tx là độ rộng của xung tx < ∞

Trong đó ∆U = E.e-tx/

∆U được gọi là độ sụt đỉnh xung ra so với xung vào nó phụ thuộc vào biên độ xung vào E

và tỷ số giữa độ rộng xung vào tx với hằng số thời gian của mạch nó tác động lên  = R.C Tỷ số này càng lớn thì xung ra càng gần với dạng xung vào, tức là tín hiệu ra càng ít

bị méo dạng Dạng của tín hiệu ra trên R và C được mô tả trên hình 1.11

t 0

a)

tx 0

b) Hình 1.12: Quan hệ giữa  và tx ảnh hưởng đến dạng tín hiệu ra trên tụ điện và điện trở

a) Trên tụ điện b) Trên điện trở

* Đối với tụ điện:

- Tỷ số  /tx càng lớn thì méo tín hiệu trên tụ càng lớn

- Tỷ số  /tx càng nhỏ thì méo tín hiệu trên tụ càng nhỏ khi  / tx < 0,03 phản ứng đầu ra trên tụ ít méo dạng mà gần giống dạng xung tác động ở đầu vào

- Khi  /tx > 0,3 uC(t) không kịp tăng đến mức biên độ E trong khoảng thời gian tồn tại của xung tx, biên độ xung ra nhỏ, điện áp trên tụ có dạng giống tín hiệu điện áp răng cưa

* Đối với điện trở:

- Khi tỷ số  /tx tăng lên thì độ sụt đỉnh xung U lớn lên dạng điện áp trên điện trở có dạng điện áp xung nhọn như tín hiệu vi phân của xung đầu vào Khi  /tx ≥ 10 dạng điện

áp ra gần giống dạng điện áp tác động ở đầu vào Điện áp trên điện trở là hình thang

- Khi tỷ số  /tx giảm đi thì độ sụt đỉnh xung U càng tăng lên khi  /tx ≤ 0,1 thì dạng điện áp trên điện trở là dạng xung nhọn vi phân của xung vuông

b) Đối với khâu RL

Chúng ta xét tương tự như khâu RC và ta cũng nhận được các kết quả như đã xét với khâu Rc với hằng số thời gian là  =L/R Giá trị điện áp trên L trong mạch RL giống như giá trị điện áp trên điện trở R trong mạch RC Còn giá trị điện áp trên điện trở R trong mạch RL giống như điện áp trên tụ C trong mạch RC

Bài tập chương

1 Trình bày tín hiệu xung và các tham số cơ bản của tín hiệu xung

2 Trình bày các quá trình đặc trưng trong mạch xung và lôgic

3 Trình bày quá trình tác động xung lên khâu tuyến tính

4 Trình bày quá trình tín hiệu xung tác động lên khâu RC, RL

4.1 Cho mạch điện với các tham số linh kiện như hình vẽ:

Biết uv(t) là xung vuông có biên độ U = +10V

và tần số là 1kHz

a Hãy xác định các giá trị điện áp trên điện trở

và tụ điện trong một chu kỳ của tín hiệu vào?

b Vẽ dạng tín hiệu trên điện trở và tụ điện

4.2 Cho mạch điện với các tham số linh kiện như hình vẽ:

Biết uv(t) là xung vuông có biên độ U = +5V

và tần số là 5kHz

a Hãy xác định các giá trị điện áp trên điện

trở và cuộn cảm trong một chu kỳ của tín hiệu

4.3 Câu hỏi như bài 4.1 nhưng xung vào có biên độ U = -10V

4.4 Câu hỏi như bài 4.2 nhưng xung vào có biên độ U = -5V

CHƯƠNG 2: MẠCH BIẾN ĐỔI XUNG

Mạch biến đổi xung là mạch dùng để tạo ra các dạng tín hiệu xung có dạng khác với tín hiệu xung tác động ở đầu vào theo một yêu cầu kỹ thuật nào đó

Ưu điểm của khoá điện tử so với khoá cơ khí

- Kích thước gọn nhẹ

- Tốc độ chuyển trạng thái cao

- Độ tin cậy làm việc cao (ít hỏng hóc khi làm việc)

- Độ nhạy làm việc cao (công suất tín hiệu điều khiển nhỏ)

- Không gây đánh lửa khi làm việc (không gây nhiễu cho các thiết bị khác)

- Có thể sản xuất hàng loạt, do đó giá thành của thiết bị rẻ

2.1.2 Mô hình tổng quát của khoá điện tử và các yêu cầu cơ bản

a) Mô hình khoá điện tử:

Được mô tả dưới dạng mạng 4 cực như hình vẽ

Hình 2.1: Mô hình khoá điện tử

Đóng vai trò chủ yếu trong khoá điện tử là phần tử phi tuyến, đó là: Điốt, đèn điện

tử, Transistor

Trạng thái làm việc giống như khoá cơ học, khi khoá đóng ứng với trạng thái dẫn điện của phần tử phi tuyến, khi khoá ngắt ứng với trạng thái không dẫn điện của phần tử phi tuyến

b) Các yêu cầu cơ bản đối với khoá điện tử:

- Điện trở trong của khoá ở trạng thái đóng là R (+) nhỏ, ở trạng thái ngắt là R (-) phải lớn Lý tưởng thì R (+) = 0 và R (-) = ∞ Điện trở trong của khoá quyết định độ nhạy của khoá và độ lớn lượng sụt áp trên khoá

- Tốc độ chuyển đổi trạng thái của khoá phải lớn (tần số làm việc)

- Độ nhạy của khoá phải lớn (tức là yêu cầu công suất nguồn kích thích để khoá chuyển trạng thái phải nhỏ)

- Độ tin cậy làm việc cao, kích thước gọn nhẹ, giá thành hạ

- Độ ổn định mức ngưỡng của khoá phải lớn (là giá trị điện áp hay dòng điện của khoá mà tại đó xảy ra quá trình chuyển đổi trạng thái của nó)

- Độ ổn định mức ngưỡng của khoá phụ thuộc vào độ ổn định của nguồn cung cấp, độ ổn định của môi trường xung quanh, tính chất làm việc ổn định của các phần tử phi tuyến nằm trong mạch khoá

2.2 Khoá dùng Tranzitor

Khoá dùng Transistor là loại mạch khoá thông dụng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

2.2.1 Các kiểu mắc Transistor trong mạch khoá

Việc mắc Transistor trong mạch khoá hoàn toàn giống như trong các mạch khuếch đại, nhưng chế độ làm việc của Transistor trong mạch khoá khác hẳn chế độ làm việc của

nó trong mạch khuếch đại

Ở trong mạch khuếch đại điểm làm việc của Transistor nằm trong vùng khuếch đại đoạn tuyến tính của đặc tuyến Vôn – Ampe

Ở mạch khoá điểm làm việc của Transistor không nằm cố định ở vùng khuếch đại

mà di chuyển từ vùng cắt khi khoá tắt sang vùng bão hoà khi khoá thông

Cách mắc Transistor trong mạch khoá có 4 kiểu giống như trong mạch khuếch đại

Đó là:

- Mắc cực Emitơ chung (EC)

- Mắc cực Bazơ chung (BC)

- Mắc cực Colectơ chung (CC)

- Mắc theo kiểu hình sao

Kiểu mắc EC thường được sử dụng trong trường hợp khuếch đại tín hiệu Kiểu mắc BC thường được sử dụng trong mạch điều khiển nguồn Kiểu mắc CC thường được

sử dụng trong các mạch phối hợp trở kháng Kiểu mắc hình sao thường được sử dụng tạo

ra 2 tín hiệu ngược pha nhau

Trong thực tế kiểu mắc EC thường được sử dụng nhất bởi vì nó có một số ưu điểm

- Hệ số khuếch đại cả điện áp lẫn dòng điện lớn

- Công suất tín hiệu kích thích để khoá chuyển trạng thái nhỏ (tức là độ nhạy làm việc cao)

u r2(t)

R c

+E c

d) Mắc hình sao Hình 2.2: Các kiểu mắc Transistor trong mạch khoá

2.2.2 Quá trình dừng trong khoá EC

Hình 2.4: Đặc tuyến Vôn – Ampe iC = f(UCE) với iB = const

Đặc tuyến Vôn – Ampe này được chia làm 3 vùng:

C

R

U E

) (

C C

-IC0

+IC0i

-UCC

i(-)C

i(-)C

i(-)B

Hình 2.5: Biểu diễn dòng ngược IB(-), IC(-) và IC0

Trong đó IC0 là dòng điện cực C khi tắt, IC0 phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, nó có giá trị khá nhỏ

+ Trong sơ đồ trên tại đầu vào ta có:

Lúc này B-E được phân cực thuận mức tín hiệu vào mạch khoá chuyển lên E2 β là

hệ số khuếch đại dòng của Transistor trong khoá EC

- ở mạch ra ta có:

R

U E

R

U E I

) ( 2







B B BE

R

E I

CEbh c

C Bbh

R

E R

U E I

S  trong đó S là độ sâu bão hoà (2.9b)

Trong thực tế thường chọn S = 1,5 ÷ 3 Nếu chọn IB quá lớn sẽ vào bão hoà sâu

2.2.3 Quá trình quá độ trong khoá EC

Khi khoá chuyển trạng thái từ B sang A cần phải có thời gian tđóng

R B

R C T

u v(t)

u r(t) -E c

*Thời gian đóng khoá:

Biểu đồ điện áp có thể được phân tích như sau:

- Tại thời điểm t < t1 khi tín hiệu vào điều khiển ở mức E1 Transistor tắt khi đó

IB(-)= - IC0 Điện tích trên khoá Q(t) = Q0 ≈ 0; IC(-) = IC0

- Tại thời điểm t = t1 tín hiệu điều khiển ở đầu vào khoá đột biến chuyển từ mức E1xuống mức E2 Dòng IB tăng đột biến từ mức – IC0 đến mức IB1>>0 Điện tích Q(t) tăng theo quy luật hàm mũ

- Tại thời điểm t > t1 tín hiệu đầu vào ở mức E2, dòng IB = IB1 điện tích trong cực Bazơ Q(t) tăng đến giá trị Qmax Điểm công tác của Transistor chạy theo đường tải một chiều từ B đến A Dòng IC tăng theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian

 β Tương tự UCE cũng tăng theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian β

* Theo biểu đồ điện áp thì thời gian đóng khoá được tính theo biểu thức sau:

* Thời gian trễ ban đầu t0:

)(

Để t0 nhỏ thì dòng điện IB1 phải lớn có nghĩa là RB chọn phải có giá trị nhỏ

* Thời gian tăng xung tS(+) (chuyển điểm làm việc tử B đến A):

) 1 ln(

Transistor được coi là đối xứng khi β =BH

Trong đó β là thời gian sống của động tử trong cực B của Transistor trong chế độ khuếch đại được tính theo biểu thức:

*Thời gian ngắt khoá:

- Tại thời điểm t < t2 tín hiệu vào ở mức E2 < 0, UBE < 0 Transistor thông bão hoà, dòng IB = IB1 ≥ IBbh IC = ICbh, UCE = UCEbh ≈ 0

- Tại thời điểm t = t2 ở đầu vào tín hiệu đột biến từ mức E2 < 0 lên mức E1 > 0 làm cho UBE tăng đột biến > 0 đồng thời dòng IB giảm đột biến từ mức IB1 > 0 xuống mức IB2

< 0 có biên độ lớn Điện tích Q(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là

 bh Khi đó dòng điện cực C iC(t) và điện áp UCE(+) giảm không đáng kể

- Khi điểm làm việc của Transistor chạy từ điểm làm việc bão hoà ở chế độ xác lập khi t < t2 đến đường tới hạn đó chính là thời gian tiêu tán điện tích Q đã tích luỹ trên khoá ở thời gian đóng khoá

- Khi điểm làm việc của khoá bắt đầu ra khỏi vùng bão hoà chạy trong vùng khuếch đại thì kết thúc quá trình tiêu tán điện tích trong cực B của Transistor và bắt đầu thời gian sườn sau của xung ra tS(-) Lúc này Q(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng

số thời gian  β đến giá trị Q(0) ≈ 0

Lúc đó dòng iC(t) giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian là  β tới giá trị IC0 ≈ 0 khá nhỏ Tương ứng với thời gian đó thì điện áp uCE(t) cũng giảm theo quy luật hàm số mũ với hằng số thời gian β từ giá trị UCE ≈ 0 về giá trị

UCE(0) = IC0.RC – EC ≈ - EC

Khi điểm làm việc của khoá bắt đầu đi vào vùng cắt thì kết thúc thời gian khoá ngắt (tn) Như vậy sau khoảng thời gian kể từ khi có xung tác động vào thời điểm t = t2đến khi điểm làm việc của khoá bắt đầu đi vào vùng cắt thì khoá ngắt Và thời gian khoá ngắt được tính theo công thức sau:

Bbh B

B B

tt

I I

I I

2.2.4 Các phương pháp tăng tốc cho khoá điện tử

Căn cứ vào các biểu thức tính thời gian đóng khoá và ngắt khoá chúng ta có các giải pháp để tăng tốc độ cho khoá điện tử như sau:

- Chọn phần tử khoá điện tử cho phù hợp (dòng IC khuếch đại phải lớn, tần số làm việc phải cao) chọn Transistor cao tần

- Giảm thời gian bão hoà sâu thật ngắn bằng tụ tăng tốc hoặc điốt tăng tốc Mục đích là phải làm cho S phải lớn có thể tới ∞ nhưng trong một khoảng thời gian ngắn để

i

b) Hình 2.9: a) Sơ đồ dùng tụ tăng tốc cho khoá điện tử b) Quá trình biến thiên dòng điện tại cực B của Transistor

Nguyên tắc hoạt động như sau:

- Khi có tín hiệu đột biến tại đầu vào thì tụ C coi như bị ngắn mạch cho nên điện trở đầu vào RB = RB1 suy ra IB = IB1 = E2/RB1

- Khi tín hiệu không còn đột biến nữa thì dòng điện IB = IBbh = E2/RB

Như vậy ta đã tạo được sự đột biến của dòng IB tại thời điểm đầu của đột biến để đưa nhanh khoá vào trạng thái bão hoà sâu, sau đó dòng IB giảm dần đến giá trị IBbh Và rút ngắn được thời gian tích luỹ của điện tích tại cực B của Transistor

b) Dùng điốt tăng tốc:

Do điện trở RB rất lớn cho nên thời gian để lượng điện tích tại cực B của Transistor cũng tương đối lâu, cho nên khi mắc thêm điốt vào mạch điện như hình vẽ thì thời gian để tiêu tán hết lượng điện tích dư thừa sẽ được rút ngắn Bởi vì điện trở thuận của điốt nhỏ mắc song song với RBE nên điện trở đầu vào là điện trở song song rất nhỏ Nên thời gian tiêu tán điện tích giảm đi rất nhiều

Hình 2.10: Mạch khoá dùng điốt tăng tốc

c) Ghim điểm làm việc ở chế độ thông khuếch đại

Có nghĩa là ghim điện áp UCE ở một giá trị gần với giá trị UCEbh

III

ghim

U

b) Hình 2.11: a) Mạch khoá ghim điểm làm việc

b) Đặc tuyến V-A với UghimNguyên tắc như sau:

- Khi IB tăng lên thì IC cũng tăng lên và như vậy UCE cũng dương dần lên Đến khi

UCE > Eghim thì D được phân cực thuận Lúc này dòng Ic không tăng được nữa vì dòng điện lúc này rẽ nhánh qua điốt Vì vậy giá trị của UCE cũng không tăng được nữa chỉ bằng giá trị của Eghim

Như vậy muốn ghim điện áp UCE tại giá trị nhỏ hơn UCEbh phải chọn giá trị Ughim như sau:

Eghim > UCEbh

2.3 Khoá dùng điốt

2.3.1 Các loại điốt xung

Trong kỹ thuật xung sử dụng các linh kiện bán dẫn, yêu cầu độ rộng sườn xung nhỏ, gây méo tín hiệu xung ít Đối với việc sử dụng điốt làm phần tử trong mạch xung

người ta thường sử dụng các loại điốt có điện dung mặt ghép nhỏ Cmặt ghép = 1 ÷ 2 pF Còn với điốt thông thường thì Cmặt ghép = 10 ÷ 20 pF

Để đảm bảo độ rộng sườn nhỏ, độ ổn định ngưỡng cao người ta thường sử dụng điốt tiếp điểm và điốt Schotky để thiết kế mạch xung

2.3.2 Đặc trƣng của điốt làm việc ở chế độ xung

Đặc tuyến V-A của điốt xung có dạng như hình vẽ 3.12

Trên sơ đồ Hình 2.12 điểm A là

điểm làm việc trong trạng thái đi ốt

tắt ứng với điện áp đặt lên đi ốt là –

U0 dòng ngược trong đi ốt là –I0

Điểm B là điểm làm việc trong trạng

thái thong(đi ốt thong) ứng với điện

áp đặt lên đi ốt là + U1 dòng chạy qua

đi ốt là I1

B

I1

U1-U0

0

i

0

a.Sơ đồ tương đương b) Đặc tuyến lý tưởng

Hình 2.13:Sơ đồ tương đương của diode Hình 2.13 a và b chỉ ra sơ đồ tương đương và đặc tuyến lý tưởng của điốt làm việc ở chế độ xung

2.3.3 Sơ đồ khoá dùng điốt bán dẫn

Đ là đi ốt làm mạch khoá thường dùng là đi ốt xung

e(t) là tín hiệu điều khiển chuyển trạng thái cho đi ốt e(t) thường là điện áp mức tương ứng để sao cho di ốt thông sẽ có mức (+U1)

Sơ đồ tương đương của mạch khoá đi ốt được chỉ ra trên Hình 2.15

etd

Rt1

D

Hình 2.15: Sơ đồ tương đương của khoá điốt

Đối với sơ đồ nối tiếp các giá trị của nguồn tương đương (etd) và điện trở tương đương (Rtd) được xác định theo công thức:

2.3.4 Quá trình quá độ trong mạch khóa đi ốt :

Ta xét tín hiệu điều khiển mạch khoá là xung vuông với biên độ Umv=E2 + E1

Ta xét sơ đồ khoá đi ốt như Hình 2.16 a

a) sơ đồ khoá điốt b) Sơ đồ tương đương

Hình 2.16:Sơ đồ mạch khoá điot Trên sơ đồ R là điện trở hạn chế mạch vào tín hiệu điều khiển Cks là điện dung ký sinh bao gồm điện dung lắp ráp và điện dung phản ánh của mạch tải ,e(t) là nguồn điều khiển Điện dung tương đương Ctd= CAK + CRS trong đó CAK là điện dung mặt ghép của đi ốt Biểu đồ điện áp của mạch khoá được chỉ ra trên Hình 2.17

U(t)

U

0 U

1 E

t t

2.3.5 Ứng dụng của khoá điốt :

Khoá điốt được sử dụng nhiều trong các hệ thống chuyển mạch,các hệ thống chuyển kênh trong thiết bị điện thoại số.Nó sử dụng trong các máy thu thông tin để chọn băng sóng làm việc,chọn các bộ ngoại sai khác nhau cũng nhu chọn các bộ lọc và các bộ giải điều chế với các vùng thu có nhiều chế độ làm việc khác nhau

2.4 Mạch hạn chế biên độ và ghim mức tín hiệu

- Mức điện áp cho trước này được gọi là mức ngưỡng

- Khi giá trị điện áp vào vượt mức ngưỡng xảy ra quá trình hạn chế thì gọi là bộ hạn chế trên,còn khi điện áp vào nhỏ hơn mức ngưỡng xảy ra quá trình hạn chế thì gọi là bộ hạn chế dưới

b Đặc tuyến của bộ hạn chế biên độ :

Đặc tuyến của bộ hạn chế biên độ được chỉ ra trên Hình 2.18

c.Các tham số cơ bản của bộ hạn chế:

- Độ ổn định mức ngưỡng hạn chế (giá trị ngưỡng e1 và e2 ) phụ thuộc vào tính ổn định của phần tử hạn chế

- Độ rõ ràng tại điểm gãy khúc của đặc tuyến hạn chế (tại điểm xảy ra quá trình hạn chế

là gãy khúc hay là uốn cong)

u

rat

0

U1 E1

a)

u rat

u V(t)

0

C2 U2

b)

C2 C1

rat

U 1

u

V(t)

c) Hình 2.18 : Đặc tuyến bộ hạn chế biên độ a.Hạn chế dưới b.hạn chế trên c.Hạn chế 2 chiều

Đặc tuyến và tham số của bộ hạn chế biên độ giống đặc tuyến vôn- ampe của các phần tử phi tuyến như di ốt, đèn điện tử hoặc tranzistor,pherit.Do đó chúng ta sử dụng các linh kiện phi tuyến này để xây dựng các bộ hạn chế biên độ

d.Công dụng của bộ hạn chế :

- Bộ hạn chế biên độ được xây dựng để thực hiện việc chọn các xung cùng cực tính từ dãy xung hai cực tính trong quá trình chọn xung tin hiệu.Bởi vì trong quá trình xử lý,gia công và truyền tín hiệu người ta phát đi dãy tín hiệu mang nhiều tham số khác nhau.Một trong các cách đó là phát các nhóm xung cùng cực tính trong tín hiệu tổng là dãy xung hai cực tính.khi thu được dãy xung nay cần phải tách riêng chúng ra để xử lý.Quá trình tách hau xung cùng cực tính từ dãy xung hai cực tính được chỉ ra trên Hình 2.19

- Tách xung đồng bộ tring các hệ thống tạo quét màn hình Để đồng bộ quá trình tạo quét dòng và quét màn hình với hình ảnh cần hiển thị, người ta phát kèm tín hiệu đồng bộ với tín hiệu hình ảnh Tín hiệu này gọi là tín hiệu tổng hợp.Bộ tao tín hiệu quét sẽ được khởi động để tạo ra tín hiệu quét tại thời điểm có xung đồng bộ xuất hiện.Nhiệm vụ của

bộ tách xung đồng bộ là tách tín hiệu đồng bộ ra khỏi tín hiệu ảnh trong tín hiệu tổng hợp.Sơ đồ khối,sơ đồ nguyên lý và biểu đồ điện áp được chỉ ra trên Hình 2.20

-Hạn chế tín hiệu trước khi thực hiện tách sóng tần số để loại trừ hiện tượng điều biên ký sinh với tín hiệu điều chế tần số để đảm bảo chất lượng thông tin

Như chúng ta đã biết việc điều chế tín hiệu có thể là điều chế tấn số tức là tần số của tín hiệu sau khi điều chế sẽ thay đổi theo hàm mũ của tín hiệu điều chế.Khi thu được tín hiệu điều tần do quá trình xử lý tín hiệu trên đường truyền và trong hệ thống thì biên độ

của tín hiệu điều tần biến thiên do hiện tượng điều biên ký sinh gây nên.Sự biến thiên này nếu không khử bỏ sẽ gây ảnh hưởng đến tín hiệu tách sóng tần số

Vì vậy trước khi tách sóng tần số người ta phải đưa tín hiệu điều tần thu được qua bộ hạn chế biên độ để loại bỏ hiện tượng điều biên ký sinh này.Sơ đồ khối và biểu đồ điện

áp quá trình hạn chế biên độ của tín hiệu điều tần được miêu tả trên Hình 2.21

BỘ CHỌN XUNG CÙNG CỰC TÍNH

Mạch tách Xung đồng bộ

t 0

t 0

c.Biểu đồ điện áp Hình 2.20 :Mạch chọn xung đồng bộ

HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ

Tín hiệu điều tần cơ sở

Tín hiệu điều tần đẳng biên

(t)

a.Sơ đồ hạn chế

Để nhận được tín hiệu xung vuông từ xung sin có cùng tần số người ta sử dụng bộ hạn chế biên độ và mạch sửa dạng xung như Hình 2.22

BỘ HẠN CHẾ BIÊN ĐỘ

BỘ SỬA DẠNG XUNG

U1(t)

a.Sơ đồ khối

2.Bộ hạn chế biên độ dung diot bán dẫn

Các bộ hạn chế biên độ dùng điôt bán dẫn sơ đồ đơn giản , đặc tuyến hạn chế có độ ổn định ngưỡng cao, độ rõ ràng của điểm hạn chế tốt

a.Bộ hạn chế dùng diot mắc nối tiếp:

Trong sơ đồ này bộ hạn chế mắc diot hạn chế nối tiếp với điện trở tải Theo s ơ đồ chỉ ra ở Hình 2.23

R D

t 0

t 0

Trong bán chu kì dương của tín hiệu ở khoảng thời gian to ÷ t1 lúc đó UA > UK điot thông

Uv(t)

Do RĐ(-) >>Rt

Luôn luôn thoả mãn công thức do RĐ(-)

>>Rt >> RĐ(+)

Bộ hạn chế theo sơ đồ Hình 2.28 trên là bộ hạn chế dưới ở mức 0 ,còn đảo điot thì ta có

bộ hạn chế trên mức 0.Khi muốn có bộ hạn chế ở mức khác 0 ta dùng 1 bộ nguồn Et mắc nối tiếp giữa tải với đất Theo sơ đồ Hình 2.29

Khi nghiên cứu ảnh hương của các tham số ký sinh đến dạng xung ta xét sơ đồ tương đương của hình 3.30a Trong đó CAK của điot Đ còn C0 là điện dung ký sinh đầu ra được tính theo công thức :

C0=C1p +Ct là điện dung lắp ráp và điện dung của tải phản ánh tới mạch hạn chế nối tiếp Giả thiết ta xét xung vào là xung vuông lý tưởng      0

s

Với điện trở nguồn vào Ri=0

-Khi có xung đột biến vào tại thời điểm t=0 đi ốt Đ thông Điện áp ra dột biến 1 lượng

0

C C

C U U

AK

AK V

R

R Rt

R Rt C

R Rt

R Rt C

- Khi xung vào đột biến âm tại thời điểm t=t1 đi ốt Đ tắt , lượng đột biến âm ở đàu

ra sẽ là U như trên Sau đó giảm theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian

 p=R1 (CAK + C0)

Đọ rộng sườn xung rat =3R S  1( CAK + C0) (2-40)

Như vậy ta thấy t > S  t S 

Do đó khi có yêu cầu độ rộng sườn xung thỏa mãn tS cho phép ta phải chon Rt sao cho đạt yêu cầu

 Chon các tham số của mạch hạn chế :

Với mạch hạn chế nối tiếp phải chọn Rt sao thỏa mãn biểu thức :

 t ra

U

b- Biểu đồ điện áp Hình 2.31 : mạch hạn chế song song dùng diot Việc chọn các linh kiện trong mạch đẻ thỏa mãn điều kiện hạn chế là

Quá trình hoạt động của mạch như sau :

-Trong bán chu kỳ dương của tín hiệu đàu vào UV(t) ở khoảng thời gian từ t0 đến t1 lúc đó

do UA > UK nên đi ốt Đ thông điện trở của đi ốt luc thông là R D  Điện áp đàu ra trong khoảng thời gian này được tính theo biểu thức:

t D

t D

t D

t D V

ra

R R R

R R

R R R

R R

R R t U t U

0 0

Trong bán chu kỳ âm của tín hiệu vào tức là khoảng thời gian từ t1 đến t2 lúc đó ta có UA

<UK đi ốt tắt , do đó điện trở của đi ốt R D  rất lớn và điện áp ra U r   t được xác định như sau :

R

R R

R R R

R R

R R t U

t

D D

t D

t D

t D

t D V