Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 12: Mạch dao động đa hài (Multivibrator)
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
12
Mạch dao động đa hài
(multivibrator)
12-1 Mạch dao động đa hài hai trạng thái bền (bistable multivibrator)
Mạch bistable là mạch có thể có một trong hai trạng thái bền (stable state) và có thể chuyển từ
trạng thái bền này sang trạng thái bền kia bằng một kích thích bên ngoài (trigger). Mạch hai trạng
thái bền được dùng nhiều trong các thao tác trên tín hiệu số như đếm, lưu trữ thông tin nhị phân,…
Mạch bistable còn có tên gọi khác là mạch binary, flip-flop.
12-1-1 Các trạng thái bền của mạch binary
Hình 12-1 biểu diễn sơ đồ của một mạch binary. Các linh kiện A , A2 là các transistor; ngõ vào
1
X
là base của transistor, ngõ ra Y là collector của transistor và Z là emitter. Cực tính của nguồn
cung cấp trên hình là dành cho transistor loại NPN. Lưu ý là ngõ ra của mỗi bộ khuếch đại được
ghép đến ngõ vào của bộ khuếch đại kia.
Hình 12-1
Mạch binary với A , A2 là các transistor
1
và VYY =VCC ,VXX =VBB , Ry = RC
.
Vì tính đối xứng của mạch nên có thể dòng tĩnh của mỗi transistor là như nhau. Điều này sẽ
đúng nếu cả hai transistor đều được phân cực đủ âm để tắt hoặc đủ dương để bão hòa. Tuy nhiên,
trong thực tế, trạng thái này ít được sử dụng như ta sẽ thấy ở các phân tích sau.
Bây giờ ta thử xét trường hợp cả hai transistor đều làm việc trong vùng tích cực với dòng như
nhau. Trong trường hợp này ta có thể tìm được dòng I1 = I2 phù hợp với định luật Kirchhoff và đặc
1/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
tính linh kiện. Tuy nhiên, trạng thái này sẽ là trạng thái không bền (unstable state) của mạch. Ta giả
sử là dòng I1 có một thay đổi nhỏ. Nếu I1 tăng thì điện áp tại ngõ ra Y sẽ giảm và ngõ vào X2 sẽ
1
giảm theo. Sự thay đổi này sẽ được khuếch đại đảo bởi A2 và ngõ ra Y2 sẽ tăng. Do đó, điện áp tại
X1 sẽ trở nên dương hơn và kết quả là dòng I1 sẽ tăng hơn nữa. Chu trình này lặp lại bản thân nó.
Dòng I1 tiếp tục tăng và dòng I2 tiếp tục giảm, trạng thái của mạch sẽ di chuyển ra xa trạng thái
khởi đầu của nó. Điều này xảy ra là do mạch có hồi tiếp dương và sẽ chỉ xảy ra nếu độ lợi vòng của
mạch lớn hơn một.
Từ thảo luận ở trên ta thấy là trạng thái bền của một mạch binary sẽ là trạng thái mà trong đó
dòng và áp thỏa mãn định luật Kirchhoff; phù hợp đặc tính linh kiện; nhưng thêm vào đó, độ lợi
vòng phải nhỏ hơn một. Về mặt nguyên lý, để flip-flop ở vào trạng thái bền thì cả hai transistor sẽ
tắt hoặc cả hai bị bão hòa.
Trong thực tế, để mạch binary ở trong trạng thái bền, ta chỉ cần một transistor tắt và transistor
kia bão hòa là đủ. Nếu như ta phân cực cho một transistor tắt, transistor còn lại hoạt động trong
vùng tích cực. Khi nhiệt độ thay đổi hoặc do tuổi thọ của linh kiện và các thông số linh kiện thay
đổi, điểm tĩnh có thể thay đổi và điện áp ngõ ra có thể thay đổi đáng kể. Thậm chí, khi đó transistor
được phân cực trong vùng tích cực có thể sẽ bị tắt.
Do đó, các mạch binary thường được phân cực sao cho trong một trạng thái bền, một linh kiện
sẽ tắt và linh kiện còn lại sẽ ở vào trạng thái bão hòa.
12-1-2 Mạch binary dùng transistor
Một mạch binary dùng transistor được vẽ trong hình 12-2. Gần như toàn bộ áp nguồn VCC sẽ
đặt lên transistor bị tắt. Do đó, điện áp này phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng collector của transistor
BVCE , thường có giá trị khoảng vài chục volt.
Hình 12-2
Mạch binary với transistor NPN
phân cực cố định.
Khi transistor bão hòa, dòng collector IC là tối đa. Do đó, RC phải được chọn sao cho giá trị
này của IC ≈VCC RC không vượt quá dòng cho phép tối đa. Các giá trị R , R2 và VBB phải được
1
chọn để trong một trạng thái, dòng base phải đủ lớn để lái transistor bão hòa; và trong trạng thái thứ
hai, chuyển tiếp emitter – base phải nằm trong vùng tắt. Tín hiệu tại collector, được gọi là dao động
ngõ ra Vw , là sự thay đổi của điện áp collector khi có sự chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái
kia, tức là Vw =VC1 −VC2 . Nếu tải R có thể bỏ qua, điện áp collector của transistor bị tắt là VCC . Vì
1
điện áp bão hòa collector khoảng vài chục milivolt nên dao động Vw ≈VCC độc lập với RC .
Các nhà chế tạo transistor dùng trong các mạch binary thường xác định đặc tính bão hòa và tắt
cho transistor. Dòng ngược bão hòa ICBO của transistor phụ thuộc nhiệt độ. Hệ số khuếch đại dòng
2/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
dc trong cấu hình CE,
VCE là hàm của IC và dòng base IB . Tương tự, VBE
(sat)
β
, được xác định như một hàm của dòng collector IC . Điện áp bão hòa
là phụ thuộc vào IC và IB .
(
sat
)
Ví dụ 12-1
Tính dòng và áp trong trạng thái bền của mạch binary trong hình 12-2. Giả sử giá trị
β tối thiểu là
20.
Hướng dẫn
Mạch hình 12-3(a) vẽ kết nối giữa base của Q và collector của Q2 ; và hình 12-3(b) vẽ kết nối giữa
1
collector của Q và base của Q2 . Giả sử transistor Q là tắt và transistor Q2 là dẫn. Vì điện áp bão
1
1
hòa nhỏ (khoảng vài chục milivolt) nên đầu tiên ta thử bỏ qua chúng và giả sử VB = 0 và VC = 0 .
2
2
Từ hình 12-3(a) ta có Q2 bão hòa và Q tắt. Do đó, nếu bỏ qua ICBO
1
15
⎛
⎞
VB1 = −12
= −1.56 V
⎜
⎝
⎟
⎠
15+100
Vì điện áp cần để tắt transistor là khoảng 0.1 V (đối với Ge) hoặc 0 V (đối với Si) nên Q thật sự
1
tắt.
Để xác nhận là với Q tắt, Q2 thật sự bão hòa ta sẽ tính dòng IC2 . Từ hình 12-3(a), bỏ qua ICBO
1
12
I1 =
I2 =
= 5.45 mA
2.2
12
15+100
= 0.10 mA
và
IC = I1 − I2 = 5.45 mA
−
0.10 mA
= 5.35 mA
2
Nếu loại transistor là xác định thì dòng base tối thiểu IB cần để có dòng bão hòa collector là
2
5.35 mA có thể đọc được từ đặc tuyến collector. Trong ví dụ này,
β đã xác định nhưng không có
đặc tuyến nên ta có thể dùng công thức thay thế để tìm IB để bão hòa
2
IC
5.35
20
2
I
=
=
= 0.27 mA
(
)
B
2
min
β
Từ hình 12-3(b) ta có thể tính dòng base của
Q2 . Do đó
12
I3 =
I4 =
= 0.70 mA
2.2 +15
12
= 0.12 mA
100
và
IB = I3 − I4 = 0.70
−
0.12
Vì các giá trị này vượt quá dòng base tối thiểu (0.27 mA ) cần để bão hòa, Q2 thật sự bão hòa. Điện
áp collector của từ hình 12-3(b) là
= 0.58 mA
2
Q
1
3/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
V =12 − 2.2I =12 − 2.2 0.70 =10.5 V
(
)(
)
C1
3
Tóm lại, một trạng thái bền của mạch binary được xác định bằng áp và dòng như sau
IC1 = 0 mA
IC2 = 5.35 mA
IB1 = 0 mA
IB2 = 0.58 mA
VB2 ≈ 0 V
VC1 =10.5 V VC2 ≈ 0 V
VB1 = −1.56 V
Trạng thái bền thứ hai là trạng thái trong đó Q2 tắt và Q dẫn. Khi đó, các đại lượng dòng áp đã
1
tính ở trên được tráo đổi lẫn nhau giữa Q và Q2 . Dao động ngõ ra là VC1 −VC2 =10.5 V , xấp xỉ
1
điện áp cung cấp tại collector là 12 V .
Các giả sử (VB2 = 0 và VC2 = 0 ) đã dùng trong ví dụ này có thể bỏ đi khi sử dụng đặc tuyến từ nhà
chế tạo. Ví dụ, nếu transistor là loại 2N914 thì IB2 = 0.58 mA và IC2 = 5.35 mA ( IC2 IB2 = 9.2),
VCE2(sat) = 0.15 V và VBE2(sat) = 0.7 V . Sử dụng các điện áp này ta có thể tính lại dòng và áp của các
trạng thái bền. Ví dụ, từ hình 12-3(a) với VC2 = 0.15 V , dùng nguyên lý xếp chồng ta có
15
100
⎛
⎞
⎛
⎞
VB1 = −12
+ 0.15
= −1.43 V
⎜
⎝
⎟
⎠
⎜
⎝
⎟
⎠
15+100
15+100
và Q là Off. Từ hình 12-3(a), ta cũng có thể tính được
1
12 − 0.15
0.15+12
15+100
I1 =
= 5.39 mA
I2 =
= 0.11 mA
= 0.26 mA
2.2
5.28
IC2 = I1 − I2 = 5.28 mA
I
(
=
min
)
B2
20
Từ hình 12-3(b) với VB2 = 0.7 V
12 − 0.7
0.7 +12
100
I3 =
= 0.66 mA
I4 =
= 0.13 mA
2.2 +15
và IB2 = I3 − I4 = 0.53 mA . Vì giá trị IB2 này vượt quá I
= 0.26 mA nên Q2 là dẫn bão hòa.
)
B2
min
Vì V =12 − 0.66 2.2 =10.5 V , các giá trị mới của trạng thái bền là
(
)(
)
C1
IC1 = 0 mA
IC2 = 5.28 mA
IB1 = 0 mA
IB2 = 0.53 mA
VB2 ≈ 0.7 V
VC1 =10.5 V VC2 ≈ 0.15 V
VB1 = −1.43 V
Khi so sánh hai tập kết quả trên, ta thấy là việc giả sử transistor bão hòa chỉ gây ra các kết quả có
sai số nhỏ. Sai số này có thể được bỏ qua nếu các điện áp trong mạch là lớn khi so với các điện áp
của chuyển tiếp.
4/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
Hình 12-3
Mạch tương đương để tính các trạng thái bền của mạch binary trong hình 12-2.
12-1-3 Mạch binary có tải
Mạch binary có thể được dùng để lái các mạch khác nên tại một hoặc cả hai collector có thể có
tải. Các tải này phải được xét đến khi tính toán vì chúng làm giảm biên độ của điện áp collector VC1
của transistor tắt. Ảnh hưởng đầu tiên là tải làm giảm dao động ngõ ra. Hơn nữa, giảm VC1 sẽ làm
giảm IB2 và do đó Q2 có thể không bị bão hòa. Vì vậy, các thành phần của mạch phải được chọn
để khi tải nặng nhất, một transistor vẫn bị bão hòa trong khi transistor kia tắt.
Vì điện trở R cũng là tải của transistor tắt, ta nên dùng giá trị R lớn so với RC . Tuy nhiên, để
1
1
đảm bảo độ lợi vòng phải vượt quá đơn vị trong quá trình chuyển giữa hai trạng thái, ta phải có
R < hfeRC
.
1
Đối với vài ứng dụng (trong máy tính), tải sẽ khác nhau khi các toán tử khác nhau được thực
thi. Đối với các mạch như vậy, điều kiện để transistor bị bão hòa là thay đổi. Một dao động ngõ ra
hằng số Vw ≈V và dòng bão hòa base hằng số IB2 có thể có được bằng cách kẹp collector đến một
điện áp phụ V <VCC thông qua diode D và D2 như hình 12-6. Khi Q tắt, điện áp collector nâng
1
1
lên và khi nó đến
V
, diode D dẫn và kẹp ngõ ra tại
V
(ngoại trừ một điện áp rơi nhỏ trên diode).
1
12-1-4 Tụ giao hoán
Một flip-flop sẽ giữ nguyên trạng thái bền của nó cho đến khi có một tín hiệu kích thích bên
ngoài (thường được gọi là tín hiệu trigger), ví dụ như một xung. Có nhiều trường hợp ta muốn flip-
flop phải thay đổi trạng thái một cách nhanh chóng ngay sau khi có tín hiệu trigger. Thời gian
chuyển được định nghĩa là khoảng thời gian cần để chuyển từ trạng thái này sang trang thái kia.
Thời gian chuyển có thể được giảm xuống bằng cách tạo ra các điện dung nhỏ song song với điện
trở R của flip-flop. Một flip-flop với các tụ này được vẽ trong hình 12-4. Vì các tụ này hỗ trợ cho
1
mạch binary trong việc tạo ra các chuyển trạng thái nhanh, chúng được gọi là các tụ giao hoán
(commutating capacitor) , tụ tăng tốc (speed-up capacitor).
5/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
Hình 12-4
Mạch binary khi có tụ speed-up (C1' = C1
)
Giả sử là A2 dẫn và A tắt và để tạo ra sự chuyển trạng thái thì một xung âm được đặt vào X2 .
1
Điểm Y2 sẽ tăng lên nhanh chóng và ta muốn sự tăng lên này được truyền đến X1 với độ trễ tối
thiểu. Linh kiện A có điện dung ngõ vào Ci , nếu không có C1 , cấu hình mạch bao gồm R , R2 và
1
1
Ci . Lúc này, nếu Y2 nâng lên với thời gian lên có thể bỏ qua thì điện áp tại X1 sẽ tăng lên với thời
hằng RCi , trong đó là R song song với R2 . Tốc độ nâng lên của X1 có thể được tăng lên bằng
R
1
cách bổ sung tụ C1 . Nếu tụ C1 có điện dung vô cùng lớn thì điện áp tại X1 sẽ nâng lên cùng một
tốc độ như điện áp tại Y2 và toàn bộ biên độ điện áp sẽ được truyền qua tụ. Tuy nhiên, giá trị tụ quá
lớn cũng là một khuyết điểm.
Điện áp trên C1' và C1 là không giống nhau vì transistor một bên dẫn còn một bên tắt. Ví dụ,
trong hình 12-4, điện áp trên C1' là VC1 −VB2 = 9.8 V và điện áp trên C1 là VC2 −VB1 =1.58 V với
A tắt và A2 dẫn. Khi mạch được trigger để A dẫn và A2 tắt, điện áp trên C1' phải thay đổi đến
1
1
1.58 V và đối với C1 là 9.8 V . Khi đó flip-flop sẽ không ở trong trạng thái mới một cách hoàn
toàn cho đến khi quá trình thay đổi điện áp trên tụ hoàn tất. Lúc này, một xung trigger kế tiếp sẽ
phải chờ quá trình này kết thúc mới có thể thực hiện chuyển đổi trạng thái. Khoảng thời gian nhỏ
nhất giữa hai lần trigger liên tiếp được gọi là thời gian phân giải (resolving time) của flip-flop và
nghịch đảo của nó là tần số tối đa mà flip-flop có thể đáp ứng.
Nếu mạch binary được trigger để A tắt và A2 dẫn, mạch tương đương để tính thời hằng
τ
khi
y ) là Ro , thì
R bằng R song song với R2 + Ro . Đối với một transistor bão hòa, Ro rất nhỏ hơn so
1
có tụ C1 được cho trong hình 12-5(a). Nếu trở kháng ngõ ra của A2 (bao gồm
= C1R , với
với R2 nên R ≈ R2R2 R + R .
R
τ
1
(
)
1
2
Tương tự, từ hình 12-5(b) ta có thể tính được thời hằng τ ' kết hợp với
của A2 là R . Giá trị của R ít khi vượt quá 1 k và thường R
R2 . Do đó, τ ' ≈ C1'R' với R' là tổ
C
1' . Điện trở ngõ vào
ꢀ
i
i
i
hợp song song của R và Ry + Ri . Vì Ry + Ri thường nhỏ hơn R hoặc R2 nên τ >τ ' và
1
1
R R2C1
1
τ = RC1 ≈
(12-1)
R + R2
1
với C1 = C1' là điện dung giao hoán.
6/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
Hình 12-5
Mạch tương đương để tính thời hằng.
Nếu điện dung ngõ vào khi tính đến hiệu ứng Miller là Ci thì C1 có thể được chọn theo công
thức
R2Ci
C1 =
(12-2)
R
1
Nếu 2
τ
là thời gian cho phép giữa hai lần trigger thì tần số hoạt động tối đa là
R + R2
1
1
fmax
=
=
(12-3)
2τ 2C1R R2
1
12-2 Mạch Schmitt trigger
Một dạng mạch bistable quan trọng được vẽ trong hình 12-6. Mạch này được gọi tên là mạch
Schmitt trigger.
Hình 12-6
Mạch Schmitt trigger. Điện áp
nguồn VYY là dành cho
transistor NPN và phải đổi
dấu đối với transistor PNP.
Cũng như mạch cơ bản trong hình 12-1, mạch này chỉ có hai trạng thái bền vì vòng hồi tiếp
dương với độ lợi vòng lớn hơn đơn vị. Ta sẽ phân tích mạch này kỹ hơn bằng cách giả sử là ta đã
hiệu chỉnh để độ lợi vòng nhỏ hơn đơn vị. Một cách, trong nhiều khả năng, để hiệu chỉnh độ lợi là
giảm các điện trở Ry1 . Nếu Ry1 đủ nhỏ thì sự tái tạo tín hiệu là không thể. Do đó, mạch sẽ không
hoạt động như một flip-flop mà có thể dùng như một bộ khuếch đại. Giả sử là mạch là một bộ
khuếch đại với ngõ vào
Nếu A2 đang dẫn thì trên RZ sẽ có điện áp rơi làm cho emitter của
đủ nhỏ thì sẽ tắt. Khi tăng lên, mạch sẽ không đáp ứng cho đến khi
đó, ngõ ra vo sẽ là vo =VYY − I2Ry2 với I2 là dòng qua Ry để tắt. Với
v và ngõ ra vo như hình 12-6.
A
nâng lên. Kết quả là nếu
1
v
A
v
A đến điểm cắt. Lúc
1
1
A
A đang dẫn, mạch sẽ ở
1
2
1
7/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
chế độ khuếch đại và vì độ lợi
X2 tiếp tục rơi xuống và Z2 tăng lên. Do đó, sẽ có thời điểm
này, vo VYY (ở đây ta bỏ qua dòng ngược bão hòa) và ngõ ra sẽ lại không đáp ứng theo ngõ vào.
Đồ thị của vo theo được vẽ trong hình 12-7(a). Điện áp tại đó bị tắt là
∆vo
∆
v
dương nên ngõ ra sẽ tăng khi
v tăng. Khi v tiếp tục tăng,
v
đủ lớn làm cho A2 bị tắt. Tại điểm
=
v
A
v =V .
1
1
Hình 12-7
Đáp ứng của mạch Schmitt
trigger (a) khi độ lợi vòng
≤1, (b) độ lợi vòng ≥1
.
Bây giờ giả sử ta tăng độ lợi vòng bằng cách tăng
Ry1 . Ảnh hưởng của sự thay đổi này trên
điểm cắt có thể bỏ qua. Tuy nhiên, trong vùng tích cực, độ lợi khuếch đại
v
=
V
∆
vo sẽ tăng và
∆v
1
kết quả là độ dốc của phần đi lên trong hình 12-7(a) sẽ dốc hơn. Độ dốc này sẽ tiếp tục tăng cùng
với sự gia tăng của độ lợi vòng cho đến khi độ lợi vòng là đơn vị. Tại đó, độ dốc sẽ là không xác
định. Và cuối cùng, khi độ lợi vòng lớn hơn đơn vị, độ dốc đảo ngược dấu và đồ thị của vo theo
v
có dạng như hình 12-7(b).
Đường cong trong hình 12-7(b) có thể được dùng để mô tả hoạt động của mạch. Khi
lên từ không, vo sẽ giữ tại ngưỡng thấp cho đến khi đạt đến 1 . Khi vượt quá mạch sẽ đột
ngột chuyển sang ngưỡng cao. Tương tự, nếu ban đầu là lớn hơn thì khi giảm, ngõ ra sẽ giữ
tại ngưỡng cao cho đến khi đến giá trị V2 và tại điểm này mạch sẽ đột ngột chuyển xuống mức
v nâng
v
V
v
V
1
v
V
v
1
v
thấp. Ta nói rằng mạch có tính chất trễ.
Một đường thẳng đứng tại v =V nằm giữa V2 và
V sẽ cắt đồ thị tại ba điểm. Các điểm trên và
1
dưới cùng,
a
và
c
, là các điểm ổn định. Điểm
b
là điểm không ổn định. Tại v =V mạch sẽ hoặc ở
. Khi v =V trong giới hạn giữa V2 và 1 , mạch
điểm hoặc ở điểm
a
c
tùy thuộc vào hướng của
v
V
Schmitt trigger sẽ ở vào một trong hai trạng thái bền nên mạch là dạng bistable.
12-3 Mạch dao động đa hài một trạng thái bền (monostable multivibrator)
Sơ đồ mạch trong hình 12-8 là mạch monostable. Các cực tính của nguồn cung cấp chỉ trong
hình là dành cho transistor loại NPN. Ở đây, cũng giống như trong mạch binary, ngõ ra Y2 được
ghép đến ngõ vào X1 thông qua một cầu phân áp điện trở, trong đó C1 là một tụ giao hoán nhỏ. Tụ
8/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
này có cùng mục đích như đã xét trong phần trên. Ghép dc mà ta đã thấy trong mạch binary từ
Y
1
đến X2 được thay bằng ghép thông qua tụ
C . Điện trở R tại ngõ vào A2 tạo nên đường trả về
nguồn VYY . Điều này không bắt buộc, điện trở này có thể được nối đến một điện áp thấp hơn.
Hình 12-8
Mạch monostable với A , A2 là transistor
1
PNP và VYY =VCC ,VXX =VBB , Ry = RC
.
Ta giả sử là các thông số của mạch được hiệu chỉnh sao cho nó ở trong trạng thái bền với
tắt và A2 dẫn. Mạch này sẽ có thể đi ra khỏi trạng thái bền khi một xung trigger âm được đặt tại
ngõ vào X2 hoặc 1 . Ta cần phải lưu ý là tín hiệu trigger là không đối xứng, nó chỉ được đặt lên
A
1
Y
một ngõ vào chứ không phải hai ngõ vào đồng thời.
Giả sử là một xung trigger được đặt vào X2 và làm cho A2 tắt hoàn toàn. Điện áp tại Y2 sẽ
nâng lên xấp xỉ VYY , và vì có tụ giữa Y2 và X1 , tầng
thể được lái vào vùng bão hòa hoặc có thể hoạt động trong vùng tích cực. Trong cả hai trường hợp,
dòng I1 sẽ chảy qua điện trở ngõ ra Ry của 1 , và điện áp tại đột ngột rơi xuống một lượng là
I1Ry . Điện áp tại X2 rơi cùng một lượng vì điện áp trên tụ
A sẽ đi vào trạng thái dẫn. Linh kiện này có
1
A
Y
1
C
không thể thay đổi tức thời. Mạch
monostable bây giờ đang ở trạng thái giống như bền (quasi-stable).
Hình 12-9
Mạch đơn giản để tính vX tại ngõ vào A2 trong
2
trạng thái giống như bền. Điện áp tương đương
Thevenin là điện áp tại Y nếu tụ C bị cắt khỏi
1
Y . Tại t =
0
điện áp trên tụ C là VYY −Vσ . Với
1
VBE
≡Vσ và VBE ≡Vγ
.
(
sat
)
(cutin)
Mạch sẽ tiếp tục ở trong trạng thái giống như bền này chỉ trong khoảng thời gian
được nối đến VYY qua điện trở . Do đó X2 sẽ nâng điện áp lên, và khi đạt đến điện áp ngưỡng Vγ
của A2 sẽ tắt và mạch trở lại trạng thái bền khởi đầu. Bây giờ ta sẽ xem cái gì ảnh hưởng lên
thời gian mạch ở trạng thái giống như bền. Trong khoảng thời gian A2 tắt, các thay đổi điện áp tại
X2 có thể được tính từ mạch 12-9. Trong mạch này tầng được thay bằng mạch tương đương với
nguồn và điện trở Ro biểu diễn trở kháng trở kháng ngõ ra của bộ khuếch đại kể cả
sóng điện áp tại X2 được vẽ trong hình 12-10. Sự chuyển từ trạng thái ổn định sang trạng thái
giống như ổn định xảy ra tại thời điểm = 0. Nếu ta đặt VBE(sat) ≡Vσ và VBE(cutin) ≡Vγ thì khi < 0
vX =Vσ , điện áp bão hòa base của transistor. Vì và X2 là ghép qua tụ, một sự thay đổi đột ngột
T vì X2
R
,
A
1
A
1
V
Ry . Dạng
t
t
t
,
Y
2
1
9/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
của điện áp tại
tại rơi xuống một lượng là I1Ry . Vì vậy, tại t =
theo lũy thừa hướng đến VYY với thời hằng
Y
phải tạo ra một sự gián đoạn tương tự trong điện áp tại X2 . Tại t =
0
+
, điện áp
1
Y
0 + , vX =Vσ − I1Ry . Điện áp vX sẽ nâng lên
1
2
2
τ
= R + R C
(
)
o
Vì tại t = ∞ , vX =VYY nên điện áp ngõ vào tầng hai là
2
vX 2 =V − V −V + I R e−t τ
(12-4)
đó,
(
)
YY
YY
σ
1
y
Sự nâng lên này chỉ tiếp tục cho đến khi vX 2 nâng lên đến điện áp Vγ , tại thời điểm
t
=
T
một sự chuyển ngược lại sẽ xảy ra. Giải biểu thức trên cho t = T khi vX 2 =Vγ ta có
VYY + I1Ry −Vσ
T =τ ln
(12-5)
VYY −Vγ
Trong biểu thức này, Vσ là điện áp bão hòa (0.3 V đối với Ge và 0.7 V đối với Si), Vγ là điện
áp ngưỡng tắt (0.1 V đối với Ge và 0.5 V đối với Si). Ta có thể sử dụng giá trị trong bảng 12-1 để
tính cho các điện áp ngưỡng tắt và bão hòa.
VCE(sat)
VBE(sat) ≡Vσ
VBE(active)
VBE(cutin) ≡Vγ
VBE(cutoff )
Si
0.3
0.1
0.7
0.3
0.6
0.2
0.5
0.1
0.0
Ge
-0.1
Bảng 12-1
0
Các giá trị điện áp chuyển tiếp thông thường của transistor NPN ở 25 C
.
Hình 12-10
Sự thay đổi điện áp tại X2 trong
trạng thái giống như bền. Điện áp
ngưỡng tắt Vγ và điện áp bão hòa
Vσ là dương đối với transistor NPN
và âm đối với PNP.
Ký hiệu
gian trễ có thể được thay đổi bằng cách thay đổi thời hằng τ hoặc I1 . Dòng I1 , chảy qua
linh kiện dẫn, được điều khiển bằng dòng base. Dòng ngõ vào này phụ thuộc VXX . Do đó,
được thay đổi bằng cách thay đổi VXX
T
là thời gian trễ (delay time), hay còn được gọi là độ rộng xung (pulse width). Thời
T
A
1
khi
T
có thể
.
Thời gian
T của mạch monostable thường không ổn định mà phụ thuộc đặc tính linh kiện
thông qua I1 Vσ và Vγ . Độ ổn định sẽ lớn hơn khi
,
R
được trả về đến một điện áp có biên độ lớn
10/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
như VYY hơn là đến
trả về đến VYY , đường cong 2 tương ứng với đường trả về đến điện áp thấp
được hiệu chỉnh để có cùng giá trị khởi đầu To
Nếu được trả về đến đất thì mạch sẽ không hoạt động. Dưới các điều kiện này, VBE2
trong trạng thái bền, và dòng collector của Q2 là khá nhỏ, khoảng vài lần ICBO . Nếu transistor Q2
bị phân cực ngược thì dòng collector sẽ là ICBO . Do đó, với được trả về đến đất, Q 2 sẽ luôn bị
tắt. Để có thể chuyển trạng thái, Y2 phải đủ lớn để làm ra khỏi trạng thái tắt. Nhưng nếu nối
V hoặc đến đất. Hình 12-11 minh họa điểm này. Đường cong 1 tương ứng với
1
R
V1 . Thời hằng đã
.
R
≈ 0
R
Q
R
1
đất thì sự thay đổi trong ngõ ra Q2 là quá nhỏ và mạch không thể bị trigger.
Hình 12-11
Minh họa ưu điểm của việc
điện trở
R nối đến VYY so với
các điện áp thấp hơn.
12-4 Mạch dao động đa hài không trạng thái bền (astable multivibrator)
Hình 12-12 vẽ sơ đồ của mạch dao động đa hài ghép collector dùng transistor loại PNP. Vì
ghép tụ được sử dụng giữa các tầng nên không có transistor nào có thể giữ ở trạng thái tắt lâu. Thay
vào đó, mạch có hai trạng thái giống như bền, và mạch chuyển liên tục giữa hai trạng thái này.
Hình 12-12
Mạch astable ghép collector.
Dạng sóng tại base và collector của mạch hình 12-12 được vẽ trong hình 12-13. Ta thấy là tức
thời tại trước thời điểm
tắt. Do đó, khi vB1 dương, vC1 = −VCC ,vB2 =VBE(sat) , và vC2 =VCE(sat) . Tụ C1 nạp thông qua
< 0
1 , và vB1 giảm xuống theo hàm mũ hướng đến −VCC . Tại thời điểm t = 0, cực base đạt đến
điện áp ngưỡng Vγ và dẫn. Khi đi vào trạng thái bão hòa, vC1 nâng lên một lượng IRC đến
t = 0, transistor Q2 dẫn bão hòa và mang dòng collector
I trong khi Q bị
1
t
,
R
B
1
Q
Q
1
1
11/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
VCE(sat) như hình 12-13(b). Do vC1 nâng lên nên vB2 cũng nâng lên một lượng như vậy vì cả hai
được ghép tụ. Sự nâng điện áp tại vB2 làm tắt Q2 và collector của nó hướng đến −VCC . Điện áp
giảm tại vC2 được ghép qua tụ C1 đến cực base của
Q làm xuất hiện gai âm trong vB1 như hình
δ
1
12-13(a), và điện áp vC2 đột ngột rơi xuống một lượng
hình 11-12. Biểu thức tính cho δ là
δ = IB' rbb' +Vσ −Vγ
δ
. Mạch tương đương để tính
δ
giống như
(12-6)
với dòng base IB' tại gai được cho bởi
VCC −VCE(sat) −Vσ +Vγ
IB' =
(12-7)
RC + r
bb'
Dạng sóng tại base của
Q và collector của Q2 thay đổi theo hàm mũ với thời hằng
1
τ ' = R + r C đến các mức V và −V .
(
)
C
bb'
1
σ
CC
Điện áp vB2 là IRC +Vσ tại
t
= 0 + và giảm theo hàm mũ với thời hằng τ2 = R2C2 hướng đến
−VCC . Tại t = T2 , B2 đạt đến mức ngưỡng Vγ và có sự chuyển trạng thái ngược lại. Dạng sóng của
tầng đầu tiên trong khoảng thời gian T là giống dạng sóng của tầng thứ hai trong khoảng thời gian
1
T2 như hình 12-13. Nếu thời hằng cơ bản của hai transistor khác nhau, hai phần của một chu kỳ đầy
đủ sẽ không giống nhau.
Hình 12-13
Dạng sóng của mạch hình 12-
12. Tại t = 0 − , tầng đầu tiên
Q tắt và tầng thứ hai Q2 dẫn.
1
12/13
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
12-4-1 Xem xét thời gian
Chu kỳ
T
được cho bởi
T = T +T = 0.69 R C + R C
(12-8)
(12-9)
(
)
1
2
1
1
2
2
Đối với mạch đối xứng với R = R2 ≡ R và C1 = C2 ≡ C
1
T =1.38RC
tần số dao động có thể được thay đổi từ vài Hz đến vài MHz bằng cách hiệu chỉnh
R
hoặc C .
Có thể thay đổi
T
bằng cách nối R và R2 đến một điện áp phụ
−V
(collector giữ nguyên tại
1
−VCC ). Nếu
V
bị thay đổi thì T thay đổi theo biểu thức
VCC
⎛
⎝
⎞
T = 2RC ln 1+
(12-10)
⎜
⎟
⎠
V
Một mạch như vậy được gọi là bộ biến đổi điện áp sang tần số (voltage-to-frequency
converter). Nếu mỗi điện trở được thay bằng một transistor hoạt động như một nguồn dòng đối
R
với sự nạp xả của tụ C thì giữa áp và tần số sẽ có quan hệ tuyến tính.
Trong hình 12-13 ta để ý là có thời gian quá độ (thời hằng τ ' ) trong dạng sóng của một
transistor khi nó được lái sâu vào vùng bão hòa. Thời gian phục hồi tr này có thể là một phần đáng
kể của nửa chu kỳ T 2 của một mạch đối xứng. Ta có
T
tr
=
2.2τ
'
=
2.2 R
+
r
C
≈
2.2RCC và = 0.69RC
(
)
C
bb'
2
với R
≡
R
=
R2 . Do đó
1
tr
2.2RC
RC
R
=
= 3.2
(12-11)
T 2 0.69R
Nếu ta bỏ qua điện áp bão hòa trên chuyển tiếp thì
VCC
VCC
IC ≈
và IB ≈
RC
R
Để đảm bảo bão hòa, IB
≥
IC
β
nên
R
≤ β RC
(12-12)
(12-13)
và
tr
3.2
≥
T 2
β
Ví dụ, nếu βmin
=16 thì thời gian phục hối ít nhất bằng 20% của nửa chu kỳ.
13/13
13 trang
22200
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 12: Mạch dao động đa hài (Multivibrator)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_tu_chuong_12_mach_dao_dong_da_hai_m.pdf
