Giáo trình Kỹ thuật xung

LỜI GIỚI THIỆU Kỹ thuật xung là môn học cơ sở của nghành Điện – Điện tử và có vị trí khá quan trọng trong toàn bộ chương trình học của sinh viên và học sinh, nhằm cung cấp các kiến thức liên quan đến các phương pháp cơ bản để tạo tín hiệu xung và biến đổi dạng tín hiệu xung. Giáo trình Kỹ thuật xung gồm 4 chương, được biên soạn cho hệ cao đẳng nhằm giúp sinh viên có các kiến thức cơ bản về tín hiệu xung và hiểu được các nguyên lý cơ bản của các mạch tạo xung, biến đổi dạng xung với nhiều linh kiện khác nhau. Để giúp sinh viên nắm vững lý thuyết, có các ví dụ, bài tập ứng dụng và bài tập thiết kế mạch ứng với từng phần. Sau khi hoàn tất môn học sinh viên có thể tự thiết kế một mạch tạo xung với các thông số yêu cầu cho những mạch ứng dụng cụ thể. Dù có nhiều cố gắng, giáo trình cũng không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến từ các đồng nghiệp và các sinh viên. Tp, Hồ Chí Minh năm 2006 Đào Thị Thu Thủy MÔN HỌC: KỸ THUẬT XUNG 1. Mã môn học: 2. Số đơn vị học trình: 2 3. Trình độ thuộc khối kiến thức: Khối chuyên ngành. 4. Phân bố thời gian: Lý thuyết 80% - bài tập 20% 5. Điều kiện tiên quyết: Không 6. Mô tả vắn tắt nội dung môn học: Môn học bao gồm các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung: mạch RLC, mạch xén, mạch kẹp, mạch so sánh, dao động đa hài. 7. Nhiệm vụ của sinh viên: Tham dự học và thảo luận đầy đủ. Thi và kiểm tra giữa học kỳ theo qui chế 04/1999/QĐ-BGD&ĐT. 8. Tài liệu học tập: 9. Tài liệu tham khảo: [1]. Jacob Millman, PULSE DIGITAL AND SWITCHING WAREFORMS , [2]. Nguyễn Việt Hùng, KỸ THUẬT XUNG VÀ SỐ [3]. Nguyễn Tấn Phước, KỸ THUẬT XUNG 10. Tiêu chuẩn đánh giá sinh viên: - Nắm được cơ bản nội dung môn học. - Có tính chủ động và thái độ nghiêm túc trong học tập. - Kiểm tra giữa môn học để được dự thi. - Thi với hình thức trắc nghiệm, viết và bài tập 11. Thang điểm thi: 10/10 12. Mục tiêu của môn học: Sau khi hoàn tất môn học sinh viên cần nắm vững các phương pháp tạo xung và biến đổi dạng xung. 13. Nội dung chi tiết của chương trình: Nội dung Số tiết Lý thuyết Bài tập Kiểm tra Chương 1: Tín hiệu xung và mạch RLC 6 4 2 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 6 4 2 1 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 12 10 2 Chương 4:Các mạch tạo xung khác 4 4 Ôn tập 2 2 Chương 1: TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH R L C §1.1. Khái niệm và các dạng xung §1.2. Các thông số của tín hiệu xung §1.3. Mạch lọc 1.3.1. Mạch lọc RC 1.3.2. Mạch lọc RL 1.3.3. Mạch lọc LC §1.4. Mạch tích phân §1.5. Mạch vi phân Bài tập Chương 2: MẠCH GIAO HOÁN DIODE, OP-AMP, BJT §2.1. Mạch xén 2.3.1. Mạch xén dương 2.3.1. Mạch xén âm 2.3.2. Mạch xén 2 mức §2.2. Mạch ghim 2.4.1. Mạch ghim đỉnh trên 2.4.2. Mạch ghim đỉnh dưới §2.3. Mạch so sánh dùng Op-amp Bài tập Chương 3: MẠCH DAO ĐỘNG ĐA HÀI §3.1. Khái niệm chung §3.2. Hai trạng thái của Transistor §3.3. Mạch lưỡng ổn §3.4. Mạch đơn ổn Bài tập §3.5. Mạch phi ổn Bài tập Chương 4: CÁC MẠCH TẠO XUNG KHÁC §4.1. Mạch dao đông đa hài dùng Op_amp §4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thời IC555 §4.3. Mạch Schmitt Trigger MỤC LỤC Chương 1:Tín hiệu xung và mạch giao hoán RLC. 1.1. Khái niệm. 1 1.2. Các thông số cơ bản của tín hiệu xung. 2 1.3. Các dạng hàm cơ bản. 3 1.4. Mạch RC. 4 1.5. Mạch RL. 16 Chương 2: Mạch biến đổi dạng xung 2.1. Mạch xén. 20 2.2 Mạch ghim (Mạch kẹp). 26 2.3. Mạch so sánh. 28 Chương 3: Mạch dao động đa hài dùng BJT 1.1 Khái niệm chung. 31 1.2 Trạng thái ngắt dẫn của Transistor. 31 3.3. Mạch dao động đa hài lưỡng ổn dùng BJT. 33 3.4. Mạch dao động đa hài đơn ổn. 37 3.5. Mạch dao động đa hài phi ổn. 43 Chương 4:Các mạch dao động khác 4.1. Mạch dao động đa hài dùng Op_amp. 52 4.2. Mạch dao động đa hài dùng vi mạch định thì IC555. 55 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 1 CHƯƠNG 1 TÍN HIỆU XUNG VÀ MẠCH GIAO HOÁN RLC. 1.1. KHÁI NIỆM • Các tín hiệu điện có biên độ thay đổi theo thời gian được chia làm hai loại cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. ƒ 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. ƒ 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. • Đặc điểm chung: là thời gian tồn tại xung rất ngắn hay sự biến thiên biên độ từ thấp lên cao hay từ cao xuống thấp xảy ra rất nhanh. • Bản chất vật lý: dòng điện, điện áp, ánh sáng…. • Hình dạng: vuông, tam giác, răng cưa, nh?n, hình thang… T t a. Xung vuông đơn cực T t b. Xung vuông lưỡng cực T t e. Xung nhọn lưỡng cực T t d. Xung tam giác T t c. Xung răng cưa t T f. Xung nấc thang Hình 1.1 Các dạng tín hiệu xung Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 2 1.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XUNG 1.2.1. Xung đơn • Khái niệm: xung đơn là chỉ có một xung riêng biệt. Trong đó: Vm : Biên độxung. ∆V : Độ sụt áp đỉnh xung. tr : Độ rộng sườn trước. tP : Độ rộng đỉnh xung. tf : Độ rộng sườn sau. ton : Độ rộng xung thực tế. ƒ Độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau là thời gian biên độ xung tăng hay giảm trong khoảng 0,1Vm đến 0,9Vm. ƒ Độ rộng đỉnh xung là thời gian xung có biên độ nằm trong khoảng từ 0,9 Vm đến Vm ứng với đoạn đỉnh. ƒ Độ rộng xung thực tế là: ton = tr + tp +tf ƒ Độ sụt áp đỉnh xung ∆V là độ giảm biên độ ở phần đỉnh xung. 1.2.2. Dãy xung • Khái niệm: dãy xung là tín hiệu gồm nhiều xung đơn. Dãy xung có thể tuần hoàn hoặc không tuần hoàn. Trong đó: Vm : Biên độxung. ton : Độ rộng xung. toff : Thời gian không có xung. T : Chu kỳ ƒ Độ rộng của xung là thời gian ứng với điện áp cao gọi là ton (hay tx). ƒ Thời gian không có xung ứng với điện áp thấp gọi là toff (hay thời gian nghỉ tng). ƒ Chu kỳ xung là: T = ton + toff (s) ƒ Xung vuông đối xứng: ton = toff t ∆V v(t) ton tr tp tf Vm 0.9Vm 0.2 Vm Hình 1.2 Xung vuông đơn t Vm v(t) ton T toff Hình 1.3 Dãy xung vuông tuần hoàn Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 3 ƒ Tần số là số xung xuất hiện trong một đơn vị thời gian, được tính theo công thức: T 1f = (Hz) ƒ Độ rỗng của xung là tỉ số giữa chu kỳ T và độ rộng xung ton: ont TQ = ƒ Nghịch đảo của độ rộng Q được gọi là hệ số đầy xung: T ton=η Để phân tích tín hiệu xung cần đưa về các dạng hàm cơ bản: hàm đột biến, hàm tuyến tính, hàm mũ giảm, hàm mũ tăng. 1.3. CÁC DẠNG HÀM CƠ BẢN 1.3.1. Hàm đột biến: v(t) = a.1(t - t0). • Đột biến xảy ra tại thời điểm t = t0 với biên độ là a. • 1(t – t0) : Hàm đột biến đơn vị. • Khi t < t0 : v = 0 Khi t ≥ t0 : v = a 1.3.2. Hàm tuyến tính: v(t) = k(t - t0). • k : Độ dốc của hàm. t0 t a v v(t) Hình 1.4 Hàm đột biến t0 t v Hình 1.5 Hàm tuyến tính. v(t) Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 4 1.3.3. Hàm mũ giảm: τ−−= /)tt(e.a)t(v 0 1.3.4. Hàm mũ tăng: )/)tt(e1(.a)t(v 0 τ−−−= ™ Để phân tích 1 tín hiệu xung, phải đưa về dạng tổng các hàm cơ bản. Ví dụ: Suy ra: v(t) = v1(t) + v2(t) = a.1(t) – a.1(t – t0) 1.4. MẠCH RC 1.4.1. Phản ứng với hàm đột biến điện áp: vi = a.1(t) • t < 0 : vi = 0 , i = 0 vR = 0 , vC = 0 t0 t v Hình 1.6 Hàm mũ tăng. a )/)tt(e1(.a)t(v 0 τ−−−= t t0 a v v(t) t0 a v t - a v1(t) v2(t) ⇔ 0 t a vi v t a to Hình 1.6 Hàm mũ giảm τ−−= /)tt(e.a)t(v 0 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 5 • t = 0 : vi = a Mặt khác: vi = vC + vR Mà vC = 0 (Điện áp trên tụ không đột biến). Do đó: vR = a ⇒ R a R v i R == • t > 0 : Tụ C nạp bằng dòng điện R vv i Ci −= vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm dần. • t = ∞ : Mạch xác lập. Tụ C nạp đầy với vC = vi = a , vR = 0 , i = 0 τ−= /tR e.av )e1(.av /tC τ−−= τ = RC : Được gọi là thời hằng. τ đặc trưng cho tốc độ diễn ra quá trình quá độ. τ càng lớn, quá trình quá độ càng kéo dài, mạch lâu xác lập. 1.4.2. Phản ứng với xung vuông: ™ Phân tích vi thành tổng các hàm cơ bản, ta có: vi = v1 + v2 Với : v1 = a.1(t) v2 = - a.1(t - tp) τ−−τ− −= /)ptt(/tR e.ae.av )e1(.a)e1(.av /)ptt(/tC τ−−τ− −−−= ™ Quá trình vật lý trong mạch: ƒ t < 0 : vi = 0 , i = 0 , vC = 0 , vR = 0 0 t a vi tp 0 t a v1 tp v2 - a vC(t) vR(t ) a t v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 6 ƒ 0 ≤ t < tp : vi = a ; tụ C nạp điện bằng dòng R vvi Ci −= . vC tăng dần, ⇒ i giảm dần, vR giảm. ƒ tp ≤ t : vi = 0, tụ C phóng điện qua R, với dòng R vi C−= . Điệp áp vR giảm dần đến 0. t vR(t a a vc(t) a t tp Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 7 1.4.3. Phản ứng với hàm tuyến tính: vi = kt Bằng cách lý luận tương tự, ta có: )e1(.kv /tR τ−−τ= )e1(.kktvvv /tRiC τ−−τ−=−= 9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải C thì được gọi là mạch thông thấp(hạ thông ). Nếu mạch hạ thông có thời hằng rất lớn thì được gọi là mạch tích phân (Mạch lọc thông thấp). 9 Mạch RC lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch thông cao(thượng thông ). Nếu mạch thượng thông có thời hằng rất nhỏ thì được gọi là mạch vi phân (Mạch lọc thông cao). 1.4.4. Mạch thông thấp RC t τ vi kτ vi = kt t τ vi kτ v R vC v C R i v R + Vo - v C Vi Hình 1.8a Mạch thông thấp RC fc Vo Hình 1.8b Đáp ứng tần số f Vi 2 Vi 0 BW Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 8 • Tín hiệu ra lấy trên C. • Mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số nhỏ hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu vào. • Tần số cắt RC fC π2 1= Tại tần cắt điện áp ra có biên độ 20 ViV = a. Mạch tích phân RC : ĐN: Mạch tích phân là mạch mà điện áp ra V0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi(t)ø : ∫= dttViKtV )()(0 Trong đó K là hệ số tỉ lệ. Mạch tích phân RC chính là mạch lọc thông thấp RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc của mạch. • Thiết lập công thức: Từ hình 1.8a ta có: Vi (t)= VR(t) + VC (t) (1) Từ điều kiện tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc ta có: fi >> RC fC π= 2 1 ⇒ R >> Cf X i C π= 2 1 ⇒ VR(t) >> Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau) Từ (1) và (2) ta có:Vi (t) ≈ VR(t) = R. i(t) ⇒ R tViti )()( = (3) Điện áp ra V0 (t): V0 (t) = ∫= dttiCtVC )(1)( ⇒ V0(t) = ∫ dtRtViC )(1 ⇒ V0(t) = ∫ dttViRC )(1 Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào Vi(t) với hệ số tỉ lệ K là RC K 1= khi tần số fi rất lớn so với fC . • Điều kiện mạch tích phân: fi >> fC ⇔ fi >> RCπ2 1 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 9 RC >> ifπ2 1 ⇔ τ>> ifπ2 1 = π2 iT Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ của tín hiệu vào. VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch tích phân: Vi(t) = Vm.sinω(t) Đ iện áp ra: V0(t)= ∫ ωω−=ω tRCVtdtSinVRC mm cos1 V0(t) = )90sin( 0−tRC Vm ωω Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch tích phân như trên thì điện áp ra bị trễ pha 900 và biên độ bị giảm xuống với hệ số tỉ lệ là RCω 1 . b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông : Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xả của tụ. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti (hình 1.9a). • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ=RC rất nhỏ so với Ti thì tụ nạp và xả rất nhanh nên điện áp ngõ ra V0(t) có dạng giống như dạng điện áp vào Vi(t) (hình 1.9b). • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ= 5 iT thì tụ nạp và xả điện áp theo dạng hàm số mũ, biên độ đỉnh của điện áp ra nhỏ hơn Vp ( hình 1.9c) • Nếu mạch tích phân có hằng số thời gian τ rất lớn so với Ti thì tụ C nạp rất chậm nên điẹân áp ra có biên độ rất thấp (hình 1.9d) nhưng đường tăng giảm điện áp gần như đường thẳng. Như vậy, mạch tích phân chọn trịsố RC thích hợp thì có thể sửa dạng xung vuông ở ngõ vào thành dạng sóng tam giác ở ngõ ra. Nếu xung vuông đối xứng thì xung tam giác ra là tam giác cân. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 10 Trường hợp ngõ vào là một chuỗi xung vuông không đối xứng với ton> toff qua mạch tích phân. Trong thời gian ton ở ngõ vào có điện áp cao nên tụ C nạp điện. Trong thời gian toff ngõ vào có điện áp 0V nên tụ xả điện nhưng do thời gian toff nhỏø hơn ton nên tụ chưa xả điện hết thì lại nạp điện tiếp làm cho điện áp của tụ tăng dần (hình 1.10). Như vậy, tín hiệu ra có dạng xung nấc thang Ti Vi(t) t a) Dạng sóng ngõ vào. V Vo(t) t b) Dạng sóng ngõ ra khi τ <<Ti V Vo(t) t c) Dạng sóng ngõ ra khi τ = 5 iT V Vo(t) t d) Dạng sóng ngõ ra khi τ >>Ti V Hình 1.9: Dạng sóng vào và ra Vi(t) t VM to to Hình 1.10 : Chuỗi xung vuông vào Vo(t) t VM Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 11 1.4.5. Mạch thông cao RC • Tín hiệu ra lấy trên R. • Mạch thông cao cho các tín hiệu có tần số cao hơn tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số thấp bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra sớm pha so với tín hiệu vào. • Tần số cắt RC fC π2 1= Tại tần cắt điện áp ra có biên độ 20 ViV = a. Mạch vi phân RC : ĐN: Mạch vi phân là mạch có điện áp ngõ raV0(t) tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của điện vào Vi(t). Ta có: V0(t) = )(tVidt dK Trong đó K là hệ số tỉ lệ. Mạch vi phân RC chính là mạch lọc thông cao RC khi tín hiệu vào có tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc của mạch. Trong kỹ thuật xung, mạch vi phân có tác dụng thu hẹp độ rộng xung tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công suất khác như SCR, Triac… • Thiết lập công thức: Từ hình 1.11a ta có: Vi (t)= VR(t) + VC (t) (1) Từ điều kiện tần số fi rất thấp so với tần số cắt fc ta có: fi << RC fC π= 2 1 ⇒ R << Cf X i C π= 2 1 ⇒ VR(t) << Vc(t) (2) (vì dòng i(t) qua R và C bằng nhau) Từ (1) và (2) ta có:Vi (t) ≈ VC(t) Đối với tụ C, điện áp trên tụ còn được tính theo công thức: C tqtVC )()( = ï Trong đó q(t) làđiện tích nạp vào tụ. Từ đó ta có : fc Vo Hình 1.11b Đáp ứng tần số f Vi 2 Vi 0 BW R C i vC + Vo - v R Vi Hình 1.11a Mạch thông cao RC Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 12 )(1)(1)()( ti Cdt tdq Cdt tdV dt tdV Ci === Hay là:i(t) = dt tdV C i )( (3) Điện áp ra V0 (t): V0(t) = VR(t) = R.i(t) ⇒ V0(t) = R dt tdV C i )( Như vậy, điện áp ra V0(t) tỉ lệ với vi phân ( đạo hàm) theo thời gian của điện áp vào với hệ số tỉ lệ K là K = RC khi tần số fi rất thấp so với fC. • Điều kiện mạch vi phân: fi << fC ⇔ fi << RCπ2 1 RC << ifπ2 1 ⇔ τ << ifπ2 1 = π2 iT Trong đó: τ= R.C là hằng số thời gian. Ti là chu kỳ của tín hiệu vào. VD: Trường hợp điện áp vàoVi(t) là tín hiệu hình sin qua mạch vi phân: Vi(t) = Vm.sinω(t) Điện áp ra là: V0(t) = dt dCR. ( Vm.sinωt ) = ωR.C.Vmcosωt = ωR.C.Vm.sin(ωt + 900) Như vậy, nếu thỏa mãn điều kiện của mạch vi phân như trên thì điện áp ra bị sớm pha 900 và biên độ nhân với hệ số tỉ lệ làωRC. b. Điện áp vào là tín hiệu xung vuông: Khi điện áp vào là tín hiệu xung vuông có chu kỳ Ti thì có thể xét tỉ lệ hằng số thời gian τ =RC so với Ti để giải thích các dạng sóng ra theo hiện tượng nạp xảcủa tụ. Giả sử điện áp ngõ vào là tín hiệu xung vuông đối xứng có chu kỳ Ti(hình1.12a). • Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ = 5 iT thì tụ nạp và xả điện tạo dòng i(t) qua điện trở R tạo ra điện áp giảm theo hàm số mũ. Khi điện áp ngõ vào bằng 0V thì đầu dương của tụ nối mass và tụ sẽ xả điện áp âm trên điện trở R. Ở ngõ ra sẽ có hai xung ngược nhau có biên độ giảm dần (1.12b) • Nếu mạch vi phân có hằng số thời gian τ rất nhỏ so với Ti thì tụ sẽ nạp xả điện rất nhanh nên cho ra hai xung ngược dấu nhưng có độ rộng xung rất hẹp được gọi là xung nhọn. Như vậy, nếu thỏa điều kiện của mạch vi phân thì mạch RC sẽ đổi tín hiệu từ xung vuông đơn cực ra 2 xung nhọn lưỡng cực. Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 13 Ví dụ 1: Cho mạch như hình vẽ: vi = 5.1(t) R = 1KΩ C = 470 pF Hãy xác định và vẽ đồ thị vC(t), vR(t) cho các trường hợp sau: a. E = 0, R1 = ∞ b. E = 1V, R1 = ∞ c. E = 1V, R1 = 2KΩ Bài giải C R1 R vi E + - Vi(t) t Ti Vo(t) t Vo(t) t a) Dạng sóng ngõ vào. b) Dạng sóng ngõ ra khi τ = 5 iT . c) Dạng sóng ngõ ra khi τ << Ti. Hình 1.12: Dạng sóng vào và ra của mạch vi phân nhận xung vuông. Vm Vm Vm Vm -Vm Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 14 a. E = 0, R1 = ∞ Mạch tương đương: vi = 5.1(t) vR = 5. τ− /te vC = 5. )e1( /t τ−− Với τ = RC = 470.10-12.1.103 = 470.10-9 = 0,47 (µs) = 1V, R1 = ∞ b. E Mạch tương đương: 9 Xét tác dụng của nguồn E: iE = 0 0R.iv E E R == 0R.ivER == 9 Xét tác dụng của nguồn vi: 0R.ivER == )e1.(5v /tiC τ−−= τ = RC = 0.47 µs 9 Cộng tác dụng của 2 nguồn, suy ra: τ−= /tR e.5v 1)e1.(5v /tC −−= τ− t v )t(vR 5 )t(vi )t(vC C Rvi C R vi E + - Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 15 = 2KΩ c. E = 1V, R1 Mạch tương đương: 9 Xét tác dụng của nguồn E: Ta có: 1RR Ei +−= )V( 3 1 1RR RER.ivER −=+−== )V( 3 2R.ivv 1 E 1R E C −==−= 9 Xét tác dụng của nguồn vi : )K()R//R(Rtñ Ω== 3 21 τ−== /tRtñiR e.vv 5 )e.(v /tiC τ−−= 15 τ = Rtđ.C = 0,313 µs 9 Cộng tác dụng của 2 nguồn: t v )t(vR 5 4 )t(vi)t(vC -1 C R1 R vi E + - C R1 R E + - i Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 16 3 1e.5v /tR −= τ− 3 2)e1.(5v /tC −−= τ− 1.5. Mạch RL: 1.5.1. Phản ứng với hàm đột biến điện áp: vi = a.1(t) • t < 0 : vi = 0 Suy ra: vR = 0, vL = 0 • t = 0 : vi = a Suy ra: i = 0 ( dòng qua cuộn dây không đột biến ). vR = 0 vL = vi – vR = a • t > 0 : Dòng qua cuộn dây tăng dần, vR tăng, vL giảm. • t = ∞ : Mạch xác lập. vL = 0 vR = a )e(.av /tR τ−−= 1 τ−= /tL e.av Với τ = L/R được gọi là thời hằng. t v )t(vR 5-1/3 5=)t(vi)t(vC 5-2/3 -1/3 -2/3 L Rvi vR(t) vL(t ) a t v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 17 1.5.2. Phản ứng với hàm tuyến tính: vi = kt Tương tự ta có được: )e(.kv /tL τ−−τ= 1 )e(.kktv /tR τ−−τ−= 1 Với τ = L/R. 9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải R thì được gọi là mạch hạ thông (thông thấp). 9 Mạch RL lấy tín hiệu ra trên tải L thì được gọi là mạch thượng thông (thông cao). ™ Nhận xét: • Phản ứng của mạch RL thông cao giống phản ứng của mạch RC thông cao. • Phản ứng của mạch RL thông thấp giống phản ứng của mạch RC thông thấp. t τ vi kτ v L vR v Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 18 BÀI TẬP CHƯƠNG I Bài 1: Cho mạch như hình vẽ: R = 1KΩ C = 470 pF Hãy xác định và vẽ đồ thị vi (t), vC(t), vR(t) cho các trường hợp sau: a. vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = ∞ ; E = 0 b. vi(t) = 5.1(t) – 5.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V c. vi(t) = 5.1(t) – 7.1(t – t0) ; t0 = 10 µs ; R1 = 5,6KΩ ; E = 2V Bài 2: Cho vi như hình vẽ: a. Phân tích vi(t) thành dạng tổng các hàm cơ bản. b. Khi đặt vi ở ngõ vào của mạch RC thượng thông, hãy xác định và vẽ vOUT khi 10 RCT = . Bài 3: Xác định và vẽ vR , vC của mạch RC khi vi là chuỗi xung vuông có tần số là T = 2t0 trong các trường hợp: a. τ >> t0. b. τ << t0. C R1 R vi E + - vi t a -a T T a t vi to Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 19 Bài 4: a. Tín hiệu vi như hình vẽ được đưa vào mạch hạ thông RC. Hãy xác định và vẽ dạng tín hiệu ngõ ra. b. Cho T1 = T2 = RC, Hãy xác định giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tín hiệu ngõ ra; Vẽ dạng tín hiệu này. Bài 5: Cho mạch như hình vẽ: Khi t < 0 : K ở vị trí số 2. t = 0 : K sang vị trí số 1. t = 30 µs : K trở lại vị trí số 2. Hãy xác định và vẽ iL , vL trong các trường hợp sau: a. E = 10 V R1 = 1K R2 = 1K L = 1mH b. E = 10 V R1 = 10K R2 = 10K L = 10mH R1 1 K LR2 2 E + - T1 T2 V Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 20 CHƯƠNG 2 MẠCH BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 2.1. MẠCH XÉN Chức năng: Giới hạn biên độ tín hiệu. Phân loại theo chức năng có 3 loại: - Mạch xén trên (xén dương). - Mạch xén dưới (xén âm). - Mạch xén hai mức(xén dương và xén âm) Phân loại theo cấu trúc có 2 loại: - Mạch xén nối tiếp: phần tử xén mắc nối tiếp với tải - Mạch xén song song: phần tử xén mắc song song với tải 2.1.1. Mạch xén dùng Diode Đn: là một dạng mạch sửa dạng sóng rất phổ biến trong thực tế. Giả sử các diode lý tưởng: Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch rf = 0 : điện trở thuận rs = ∞ : điện trở nghịch a. Mạch xén trên : Xén phần tín hiệu lớn hơn giá trị VN. D Vi - R - + + Vo - R Vi D - Vn Vo + + Vn Vi > VN : D dẫn ⇒ V0 = VN Vi ≤ VN : D tắt ⇒ V0 = Vi Vi ≥ VN : D tắt ⇒ V0 = VN Vi < VN : D dẫn ⇒ V0 = Vi ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. Hình 2.1a. Mạch xén song song Hình 2.1b. Mạch xén nối tiếp VN vi vo VN Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 21 ™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin: b. Mạch xén dưới : Xén phần tín hiệu nhỏ hơn giá trị VN. + - + Vn - Vn Vo Vi + D D Vi R Vo R - + - Hình 2.2a. Xén dưới song song Hình 2.2 b.Xén dưới nối tiếp • Vi ≥ VN : D tắt ⇒ V0 = Vi • Vi < VN : D dẫn ⇒ V0 = VN • Vi > VN : D dẫn ⇒ V0 = Vi • Vi ≤VN : D tắt ⇒ V0 = VN ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào và tín hiệu ngõ ra. VN t v vo vi VN vi vo VN Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 22 ™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin: c. Mạch xén 2 mức: Kết hợp mạch xén trên và xén dưới. ƒ Xén 2 mức nối tiếp. ƒ Xén 2 mức song song. ƒ Xén 2 mức nối tiếp và song song. • Vi < VN1 < VN2 : D1 dẫn, D2 tắt ⇒ V0 = VN1 • VN1 < Vi < VN2 : D1 tắt, D2 tắt ⇒ V0 = Vi • Vi >VN2 >VN1 : D1 tắt, D2 dẫn ⇒ V0 = VN2 ™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: t v VN vi vo vo vi VN1 D1 R D2 VN2 VN1 < VN2 Hình 2.3. Mạch song song VN1 vi vo VN1 VN2 VN2 Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 23 ™ Dạng tín hiệu ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào có dạng hình sin: Ví dụ: Cho mạch xén như hình vẽ. R1 = 100KΩ V1 = 25V R2 = 200KΩ V2 = 100V Các diode D1 và D2 là diode lý tưởng. Điện áp ngõ vào vi biến thiên từ 0V đến 150V. Hãy xác định và vẽ hàm truyền đạt. Giải: • vi = 0 : D1 off, D2 on Suy ra: vo = VA 12 12 RR VVi + −= VA = V1 + VR1 = V1 + i.R1 = V1 + 1 12 12 R. RR VV + − = 25 + 100. 200100 25100 + − = 50 (V). • V2 > vi > VA : D1 on , D2 on vo = VA = vi • vi ≥ V2 : D1 on Suy ra VA = vi , do đó D2 off v VN2 t VN1 Vi Vo D1 D2 R1 R2vi vo V1 V2 A Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 24 Dòng iR2 = 0 ⇒ vo = V2 =100 (V). • Đặc tuyến hàm truyền đạt: 2.1.2. Mạch xén 2 mức dùng diode zenner: Để giới hạn biên độ xung người ta còn dùng diode zener thay cho diode D và nguồn chuẩn VR. Điện áp VZ do hiệu ứng zener sẽ là điện áp giới hạn biên độ xung. Giả sử các diode zenner lý tưởng: Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch rf = 0 : điện trở thuận Vz : điện áp ổn định củ Z khi phân cực nghịch a. Giới hạn xung dương • Vi < 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0 • Vi ≥ 0 : Z phân cực nghịch + Vi < VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi > VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = VZ b. Giới hạn xung âm 50 vi vo 50 100 100 D1 off D2 on D1 on D2 on D1 on D2 off Z R VoVi Hình 2.4. Mạch giới hạn xung dương + VZ - Hình 2.5. Mạch giới hạn xung âm Z R VoVi - VZ + Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Biên Soạn: Đào Thị Thu Thủy Trang 25 • Vi < 0 : Z phân cực nghịch + Vi > - VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi <- VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = - VZ • Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0 c. Giới hạn xung âm dương • Vi <-VZ1 < 0 : Z1 phân cực nghịch, Z1