Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn Đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA CƠ BẢN 

Bµi gi¶ng

ĐIỆN TỬ HỌC

Người biên soạn:

Trương Văn Thanh

Quảng Ngãi, tháng 05 năm 2014

LỜI NÓI ĐẦU

Tập bài giảng Điện tử học này được biên soạn theo chương trình đào tạo mã

ngành 51140211 ban hành theo Quyết định số 705/QĐ-ĐHPVĐ ngày 07 tháng 9 năm

2012 của Hiệu trưởng trường Đại học Phạm Văn Đồng. Đây là một trong những học

phần đào tạo giáo viên giảng dạy môn Vật lí Trung học cơ sở.

Thời lượng của học phần là 3 tín chỉ, bao gồm 30 tiết lí thuyết và 30 tiết thực

hành.

Nội dung của phần lý thuyết giúp sinh viên:

- Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương như: vật liệu bán dẫn, một

số linh kiện bán dẫn thông dụng và các ứng dụng của chúng trong kỹ thuật tương tự;

biết được các phép toán, các định luật của Đại số logic, sử dụng chúng để tối ưu hóa

các hàm logic; biết được các cổng logic cơ bản, các khối logic thông dụng, các mạch

flip-flop và ứng dụng chúng để xây dựng các mạch số điển hình.

- Hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng được sử dụng

phổ biến trong đời sống và kỹ thuật

Nội dung của phần thực hành giúp sinh viên:

- Nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng như điện trở, tụ điện, cuộn

cảm, điôt, tranzito, IC…

- Lắp đặt được một số mạch điện tử thông dụng như mạch chỉnh lưu, mạch

khuếch đại trong máy tăng âm; mô phỏng được một vài mạch logic thông dụng như bộ

giải mã hiển thị kí tự…

- Vận hành được một số thiết bị điện tử thông dụng trong đời sống và ở trường

THCS như máy thu thanh, máy thu hình màu, dao động ký điện tử, máy vi tính…

- Làm việc cẩn trọng, kiên trì; gắn lí thuyết với thực tế

Để sử dụng tốt tập bài giảng này sinh viên phải học xong các học phần Điện học

trong chương trình đào tạo vì Điện tử học là khoa học có sơ sở là Điện học.

Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn trong quá trình biên soạn không tránh khỏi

những sai sót. Rất mong được ý kiến đóng góp của người sử dụng để tập bài giảng

ngày càng hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến xin được gửi về địa chỉ E-mail:

totoanly@pdu.edu.vn

PHẦN LÍ THUYẾT

Chương 1. LINH KIỆN BÁN DẪN

Từ năm 1947 tới nay, trong suốt hơn một nữa thế kỉ, vật liệu bán dẫn và các sản

phẩm điện tử được chế tạo từ chúng giữ vai trò quan trọng mang tính chất quyết định

đến các tiến bộ của khoa học và công nghệ.

Chương này đề cập bước đầu về vật liệu bán dẫn và một số linh kiện bán dẫn

thông dụng. Trong các chương sau, dựa trên các tính chất của các linh kiện bán dẫn để

tìm hiểu về các ứng dụng của chúng.

1.1. Chất bán dẫn

1.1.1. Cấu trúc tinh thể chất bán dẫn

Theo tính chất dẫn điện, người ta chia vật liệu thành 3 nhóm:

- Loại vật liệu cách điện (có điện trở suất lớn) điển hình là chất điện môi.

- Loại vật liệu dẫn điện (có điện trở suất nhỏ) điển hình là đồng. Nguyên tử đồng

có một điện tử hoá trị nằm ở quỹ đạo ngoài cùng. Do lực hút yếu, nên lực bên ngoài có

thể dễ dàng đánh bật điện tử ngoài cùng này ra khỏi nguyên tử đồng. Đó là lý do tại sao

đồng là chất dẫn điện tốt.

- Loại vật liệu bán dẫn là chất có điện tử hoá trị 4. Điển hình là các nguyên tố

thuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn Menđêlêep như Silic (Si) và Gemani (Ge).

Cấu trúc mạng tinh thể của một chất bán dẫn điển hình như Si có đồ thị cấu trúc

vùng năng lượng của chất bán dẫn và cơ chế sinh hạt dẫn của chúng được cho trên hình

1.1a.

Cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn điện có dạng ba vùng tách biệt nhau:

Vùng cấm nằm giữa một vùng có nhiều mức năng lượng cao còn bỏ trống (gọi là vùng

dẫn) và một vùng có các mức năng lượng thấp đã bị hạt chiếm đầy (gọi là vùng hoá

trị). Việc hình thành cơ chế dẫn điện gắn liền với quá trình sinh từng cặp hạt dẫn tự do

là điện tử (trong vùng dẫn) và lỗ trống (trong vùng hoá trị) nhờ việc ion hoá một

nguyên tử silic tương đương với việc một điện tử hoá trị nhảy mức năng lượng qua

vùng cấm lên vùng dẫn để lại một liên kết bị khuyết (lỗ trống) trong vùng hoá trị. Kết

quả là dòng điện trong chất bán dẫn sạch gồm hai thành phần tương đương nhau (do

các cặp sinh đôi điện tử tự do - lỗ trống) đóng góp và muốn đạt được điều này cần một

năng lượng kích thích đủ lớn (vài eV) đủ để gây ra quá trình nhảy mức của electron

qua vùng cấm từ vùng hoá trị (năng lượng thấp) lên vùng dẫn (các mức năng lượng cao

hơn).

1.1.2. Chất bán dẫn tạp chất loại n

Người ta tiến hành pha các nguyên tố có 5 điện tử hoá trị (ví dụ Asen (As),

Photpho (P)...) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn sạch thuộc nguyên tố nhóm 4 (Si,

Ge), kết quả thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng

điện tử (hạt đa số) gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n.

Tuy nhiên vẫn tồn tại cơ chế của chất bán dẫn nền (trước khi pha tạp chất) để

hình thành từng cặp hạt dẫn tự do, nên lỗ trống cũng tham gia dẫn điện và gọi tên là hạt

thiểu số. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại n cho trên hình 1.1b.

Mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát đáy vùng dẫn của

đồ thị năng lượng của chất bán dẫn làm nền. Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp

chất dễ dàng bị ion hoá giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất

lên vùng dẫn) và làm xuất hiện các ion dương tạp chất (là loại hạt có khối lượng lớn

Điện tử tự do

Lỗ trống dư

không di chuyển được và do đó không tham gia vào dòng điện).

Si Si Si

Si As Si Si Al Si Si Si Si

Si Si Si

c) b) a)

Vùng dẫn (điện tử tự do)

Lỗ trống tự do (Vùng hóa trị)

Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể chất bán dẫn

Vậy dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện tử (là loại hạt đa số) và

lỗ trống (là loại hạt thiểu số) đóng góp, việc hình thành các hạt đa số thực hiện dễ dàng

trong điều kiện bình thường với năng lượng kích thích nhỏ.

1.1.3. Chất bán dẫn tạp chất loại p

Nếu thực hiện pha các nguyên tố thuộc nhóm có 3 điện tử hoá trị, ví dụ Al, Ga,

B...) vào mạng tinh thể Si sẽ xuất hiện các liên kết ghép đôi bị khuyết (lỗ trống). Chỉ

cần kích thích một năng lượng đủ nhỏ, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hoá tạo nên các

ion âm (nhận điện tử) và các lỗ trống tự do. Mô hình mạng tinh thể của chất bán dẫn

tạp loại p cho trên hình 1.1c

Mức năng lượng tạp chất loại p nằm sát đỉnh vùng hoá trị tạo cơ hội nhảy mức ào

ạt cho các điện tử hoá trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng

điện) và lỗ trống (là hạt nhận đa số) ; điện tử trong cơ chế này là hạt thiểu số.

1.1.4. Chuyển tiếp p - n

Bằng các biện pháp công nghệ đặc biệt người ta tạo ra được một vùng chuyển

tiếp (tiếp xúc, hay mối nối) tính dẫn điện từ loại p sang loại n được gọi là một tiếp xúc

công nghệ pn. Đây là một dạng tiếp xúc phi tuyến tính có tính chất dẫn điện không đối

xứng theo hai chiều điện áp đặt vào:

p n

Etx

p p n n

Etx Etx

Engoài + Engoài +

b) c)

Hình 1.2. Ba chế độ cơ bản của tiếp xúc công nghệ pn a) Chưa có tác động ngoài; b) Phân cực thuận (mở); c) Phân cực ngược (khoá)

a. Bình thường khi chưa có tác động của trường ngoài (hình 1.2a) hệ thống tiếp

xúc pn ở trạng thái cân bằng và không có dòng điện qua nó. Các ion dương (bên n) và

ion âm (bên p) tạo nên một điện trường cục bộ hướng từ n sang p làm cân bằng

giữa dòng điện khuếch tán (của các hạt dẫn đa số) do chênh lệch nồng độ và dòng điện

gia tốc (của các hạt dẫn thiểu số) do điện trường nội bộ .

b. Khi tác động của ngược chiều với (chiều hướng từ vùng p sang

vùng n, xem hình 1.2b), trạng thái cân bằng cũng bị phá vỡ: dòng khuếch tán của các

hạt đa số tăng mạnh (có giá trị lớn) và dòng gia tốc giảm tới 0. Ta nhận được một tiếp

xúc pn phân cực thuận.

c. Khi tác động của cùng chiều với (hướng trường ngoài từ vùng n sang

vùng p, xem hình 1.2c), trạng thái cân bằng ban đầu bị phá vỡ, dòng khuếch tán bị cản

tới giá trị 0, dòng gia tốc tăng lên nhưng không đáng kể vì do các hạt dẫn thiểu số có

nồng độ rất nhỏ so với hạt dẫn đa số, dòng này nhanh tới một giá trị bão hoà (cỡ 10-7  10-9 A). Ta nói trong trường hợp này tiếp xúc pn bị khoá (bị phân cực ngược) và qua

nó chỉ có dòng điện ngược nhỏ chảy từ vùng n sang vùng p.

Việc phân tích trên dẫn tới kết luận về tính chất dẫn điện không đối xứng của tiếp

xúc p-n: khi bị khoá, dòng qua nó nhỏ trong khi điện áp đặt vào (hướng từ n sang p) có

giá trị lớn, do đó tiếp xúc có điện trở tương đối lớn. Khi được mở, tiếp xúc dẫn điện tốt

với đặc trưng dòng qua nó (chảy từ p sang n) lớn trong khi điện áp rơi trên nó nhỏ, có

chiều từ p sang n.

1.2. Điôt bán dẫn

1.2.1. Cấu tạo

Cấu tạo của một điôt (diode) bán dẫn bao gồm một tiếp xúc phi tuyến p-n và hai

tiếp xúc tuyến tính (tiếp xúc Ommic) để lấy ra hai điện cực được gọi là anôt (từ vùng

p) và catôt (từ vùng n), với ký hiệu quy ước cho trên hình 1.3a.

1.2.2. Đặc tuyến vôn - ampe của điôt bán dẫn

Đặc tính von ampe biểu thị quan hệ đồ thị giữa dòng điện chảy qua điôt và điện

áp đặt giữa anôt (A) và catôt (K) của nó (hình 1.3b).

Ta có các nhận xét và chú ý sau đây đối với đặc tính hình 1.3b:

Đặc tính có ba vùng rõ rệt:

Vùng (1) điôt được phân cực thuận với đặc trưng dòng lớn, điện áp nhỏ, điện trở

nhỏ.

Trong vùng mở (1) đặc tính có hai vùng (a) dòng thuận còn rất nhỏ và tăng yếu

và (b) dòng thuận đủ lớn tăng mạnh. Điểm điện áp giới hạn giữa hai vùng này gọi là

ngưỡng điện áp mở của điôt (Umở).

Với điôt có nguồn gốc từ vật liệu Silic Umở  0,7V, từ Gemani Umở = 0,3V.

Tiếp xúc phi tuyến

Anôt (A)

Catôt (K)

Umở

n p

Hình 1.3. a) Kí hiệu điôt; b) Đặc tính của điôt

Vùng (2) điôt phân cực ngược (khoá) với đặc trưng dòng điện nhỏ, có giá trị Irò

rất nhỏ (khoảng hàng chục A tới hàng chục mA) gần như không đổi, điện áp lớn

(hàng chục tới hàng trăm V), điện trở lớn (hàng chục nghìn ).

Vùng (3) dòng điện ngược tăng mạnh, điện trở nhỏ, điện áp gần như không đổi,

được gọi là vùng bị đánh thủng.

1.2.3. Phân loại

Dựa vào tác dụng của điôt ta có các loại

1.2.3.1. Điôt chỉnh lưu

a. Công dụng, kí hiệu

Điôt chỉnh lưu dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều.

Điôt chỉnh lưu được kí hiệu như trên hình 1.3a

b. Cấu tạo và đặc điểm

Điôt chỉnh lưu có thể làm việc với cường độ dòng điện lớn, lớp chuyển tiếp p-n

cần có tiết diện lớn.

1.2.3.2. Điôt tách sóng

a. Công dụng

Điôt tách sóng là một loại điôt chỉnh lưu dùng để tách tín hiệu tần số thấp ra khỏi

sóng mang cao tần. Điôt tách sóng được kí hiệu như trên hình 1.3a

b. Đặc điểm

Điôt tách sóng làm việc với các dòng điện nhỏ, nhưng tần số cao, nên lớp chuyển

tiếp cần có thiết diện nhỏ để giảm điện dung của lớp chuyển tiếp p-n, thường dùng điôt

tiếp điểm.

1.2.3.3. Điôt Zêne

a. Cấu tạo, kí hiệu và nguyên lí

Ở điôt bán dẫn, khi U ngược đủ lớn, thì lớp chuyển tiếp bị đánh thủng: dòng điện

ngược tăng nhanh, trong khi hiệu điện thế thay đổi ít. Nói chung, sau đó điôt bị hỏng.

Tuy nhiên, bằng cách pha tạp đặc biệt, người ta đã chế tạo ra các điôt mà khi bị đánh

thủng thì không bị hỏng. Đó là những điôt Zêne, được kí hiệu như trên hình 1.4a

a) +



c) b)

UZ là hiệu điện thế đánh thủng của điôt Zêne. Ung là điện áp nguồn. Mạch ổn áp hoạt động khi Ung  UZ.

Hình 1.4. Điôt Zêne a) Kí hiệu; b) Đặc tuyến vôn-ampe; c) Một sơ đồ ổn áp dùng điôt Zêne

b. Đặc tuyến, hình 1.4b.

c. Công dụng, hình 1.14c.

Điôt Zêne được sử dụng ở phần điện thế ngược của đặc tuyến, ở khu vực đánh

thủng. UZ ổn định chính là điện áp đặt lên tải R

1.2.3.4. Điôt biến dung

a. Cấu tạo, nguyên lí và kí hiệu

Là lớp chuyển tiếp p-n được chế tạo đặc biệt, khi phân cực nghịch lớp chuyển

tiếp đóng vai trò như một tụ điện, trong đó các mẫu bán dẫn ở hai phía của lớp chuyển

tiếp đóng vai trò của hai bản tụ điện, còn lớp chuyển tiếp là chất cách điện của tụ điện.

Điện dung của tụ điện này phụ thuộc hiệu điện thế đặt vào. Hình 1.5a là kí hiệu của

điôt biến dung.

b. Công dụng

Điôt biến dung có thể dùng thay cho tụ biến đổi, được dùng nhiều trong lĩnh vực

cao tần. Ví dụ hình 1.5b là điôt biến dung dùng trong mạch chọn sóng.

b) a)

Hình 1.5. Điôt biến dung a) Kí hiệu; b)Sơ đồ nguyên tắc của mạch chọn sóng dùng điôt biến dung

a. Cấu tạo, nguyên lí và kí hiệu

1.2.3.5. Điôt phát quang

Điôt được chế tạo từ những vật liệu bán dẫn thích hợp, khi dòng điện thuận chạy

qua điôt, ở lớp chuyển tiếp p-n có ánh sáng phát ra. Đó là điôt phát quang (LED). Màu

sắc của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào các chất bán dẫn làm điôt và cách pha tạp chất

vào các chất bán dẫn đó. Hình dạng, kí hiệu của điôt phát quang như trên hình 1.6a, b.

p n

n p

a) b) c)

Hình 1.6. Điôt phát quang. a) Hình dạng; b) Kí hiệu; c) LED bảy đoạn

b. Đặc điểm, công dụng

Điôt phát quang tiêu thụ ít năng lượng, bền, được dùng làm các bộ hiển thị, đèn

báo, trong các màn hình quảng cáo, đèn trang trí và thắp sáng…

Lade (laser) bán dẫn cũng hoạt động trên cơ sở sự phát quang của lớp chuyển tiếp

c. LED bảy đoạn

p-n.

LED bảy đoạn có loại anôt chung (như hình 1.6c) và loại catôt chung. Hiện nay

LED bảy đoạn được dùng nhiều trong các thiết bị chỉ thị số.

LED bảy đoạn là tập hợp 7 LED được chế tạo dạng thanh dài sắp xếp như hình

1.6c và được ký hiệu bằng bảy chữ cái là a,b,c,d,e,f và g. Phần phụ của đèn là một

chấm sáng (P) để chỉ dấu phẩy thập phân. LED bảy đoạn được điều khiển bằng các loại

IC giải mã như IC 7447, 7448 họ TTL hay 4511, 4513 họ CMOS.

a. Cấu tạo, nguyên lí và kí hiệu

1.2.3.6. Phôtôđiôt

Ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào lớp chuyển tiếp p-n tạo thêm các cặp

electron-lỗ trống. Do đó, nếu điôt mắc vào hiệu điện thế ngược, thì dòng ngược qua lớp

chuyển tiếp p-n tăng lên rõ rệt khi có ánh sáng. Ánh sáng càng mạnh thì cường độ dòng

điện càng lớn. Người ta ứng dụng điều này để chế tạo ra phôtôđiôt (hay điôt quang),

b. Công dụng

được kí hiệu như trên hình 1.7a

Phôtôđiôt dùng làm cảm biến ánh sáng, mạch điện nguyên tắc như hình 1.7b

a) b)

Hình 1.7. Phôtôđiôt a) Kí hiệu; b) Mạch điện nguyên tắc

Ngoài các loại điôt nói trên, trong kĩ thuật, người ta còn sử dụng một số điôt có

tính chất đặc biệt khác.

1.3. Tranzito lưỡng cực (tranzito hai mối nối - BJT)

1.3.1. Cấu tạo của tranzito lưỡng cực

Tranzito (transistor) lưỡng cực (thường gọi tắt là tranzito) là một hệ thống gồm

ba lớp bán dẫn tạp chất cho tiếp xúc công nghệ xen kẽ nhau, do đó hình thành một hệ

gồm hai tiếp xúc p-n phi tuyến tính (hình 1.8a,b) rất gần nhau, kết hợp với ba tiếp xúc

tuyến tính để đưa ra 3 điện cực được gọi lần lượt là emitơ (cực phát) bazơ (cực gốc) và

colectơ (cực góp) viết tắt là cực E, B, C tương ứng. Có hai kết cấu đặc trưng là dạng

pnp (hình 1.8a) và dạng npn (hình 1.8b) với các ký hiệu quy ước trên hình 1.8c,d tương

ứng. Như vậy có thể mô tả một cách quy ước tranzito bao gồm hai điôt DEB và DCB

Emitơ

Colectơ

Bazơ

Tiếp xúc Colectơ

Emitơ

Colectơ

B f)

Bazơ

Tiếp xúc Emitơ

mắc đối nhau với ba cực ra E, B, C (hình 3.8e,f).

Hình 1.8. Mô hình cấu tạo của tranzito. a) loại n-p-n; b) loại p-n-p c), d) ký hiệu quy ước; e), f) mô tả quy ước

1.3.2. Nguyên tắc hoạt động của tranzito

Để mô tả hoạt động của tranzito, ta lấy tranzito lại pnp làm ví dụ. Sự hoạt động

của tranzito npn sẽ tương tự bằng việc thay thế lỗ trống bằng điện tử.

Trên hình 1.9a khi tiếp xúc colectơ không được phân cực, tiếp xúc emitơ được

phân cực thuận. Độ rộng vùng điện tích không gian giữa p và n (còn gọi là vùng

nghèo) sẽ bị giảm, mức giảm tuỳ theo điện áp phân cực, kết quả là dòng của các hạt đa

số (các lỗ trống) khuếch tán từ miền bán dẫn p (cực E) sang miền bán dẫn n (cực B).

Khi tiếp xúc emitơ không được phân cực, tiếp xúc colectơ phân cực ngược, không

có dòng của các hạt đa số (điện tử ở bán dẫn n) chỉ có dòng của các hạt thiểu số (lỗ

trống ở bán dẫn n) (hình 1.9b).

Trường hợp tiếp xúc emitơ phân cực thuận, tiếp xúc colectơ phân cực ngược

(hình 1.9c). Khi tiếp xúc emitơ phân cực thuận, các hạt đa số khuếch tán qua tiếp xúc

tới miền bazơ taọ nên dòng IE. Tại miền bazơ các hạt đa số này lại chuyển thành các

hạt thiểu số, một phần bị tái hợp với các điện tử tạo thành dòng IB, phần còn lại do độ

rộng của miền bazơ rất mỏng, tiếp xúc colectơ phân cực ngược nên các lỗ trống ở miền

bazơ bị cuốn sang miền colectơ taọ lên dòng Ic. Dòng Ic này được tạo bởi hai thành

phần: dòng của các hạt đa số từ miền emitơ, và dòng của các hạt thiểu số (lỗ trống ở

miền bazơ khi chưa có sự khuếch tán từ emitơ sang). Dòng của các hạt thiểu số được

Dòng hạt thiểu số

Dòng hạt đa số

gọi là dòng rò và ký hiệu là Ico. Ico có giá trị rất nhỏ cỡ nA tới vài A.

C E C E

Vùng nghèo

Dòng hạt đa số

Dòng hạt thiểu số

B B

C E

Hình 1.9. Nguyên lý hoạt động của tranzito

1.3.3. Các cách mắc cơ bản của tranzito

Tranzito có ba cực (E, B, C) nếu đưa tín hiệu vào hai cực và lấy tín hiệu ra ở hai

cực thì phải có một cực là cực chung. Do vậy, đối với tranzito có 3 cách mắc cơ bản:

bazơ chung, emitơ chung, colectơ chung.

1.3.3.1. Cách mắc bazơ chung (CB)

Sơ đồ cách mắc BC được minh hoạ ở trên hình 1.10

Trên hình vẽ 1.10a chiều mũi tên chỉ chiều của dòng điện trên các cực của

tranzito. Để thấy rõ quan hệ giữa 3 cực của tranzito trong cách mắc BC người ta dùng

hai đặc tính: đặc tính vào và đặc tính ra.

Đặc tính vào (hình 1.10b) mô tả quan hệ giữa dòng vào IE với điện áp đầu vào

UBE, ứng với các giá trị điện áp khác nhau của điện áp ra UCB.

Đặc tính ra (hình 1.10c) mô tả quan hệ giữa dòng điện IC với điện áp ra UCB, ứng

với các giá trị khác nhau của dòng điện vào IE. Đặc tính này được chia thành 3 vùng:

vùng tích cực, vùng cắt (hay vùng khoá) và vùng bão hoà.

UEE

UCC

UEE UCC

IC(mA)

Vùng tích cực

7mA

IE(mA)

6mA

UCB=20V UCB=10V UCB=1V

5mA

a ò h

4mA

o ã b

3mA

g n ù V

2mA

1mA

5 4 3 2 IE= 7 6 5 4 3 2 1

UCB(V)

1 0 UBE(V) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 15 5 b) 10 c) 20 Vùng cắt

Hình 1.10. Tranzito mắc bazơ chung a) Sơ đồ; b) Đặc tính vào; c) Đặc tính ra

Vùng tích cực được dùng để khuếch đại tín hiệu (nên còn được gọi là vùng

khuếch đại). Trong vùng tích cực tiếp xúc emitơ được phân cực thuận, dòng IB nhỏ và

tiếp xúc colectơ phân cực ngược. Ở phần thấp nhất của vùng tích cực (đường IE=0),

dòng IC là dòng bão hoà ngược ICO, dòng ICO rất nhỏ (cỡ A) và thường được ký hiệu

thay cho ICBO. Khi tranzito hoạt động, trong vùng tích cực có quan hệ gần đúng IEIC.

Vùng cắt là vùng mà ở đó dòng IC=0. Trong vùng cắt tiếp xúc emitơ và colectơ

đều phân cực ngược.

Vùng bão hoà là vùng ở bên trái đường UCB = 0 trên đặc tính ra. Trong vùng bão

hoà tiếp xúc emitơ được phân cực thuận, dòng IB lớn và tiếp xúc colectơ được phân cực

ngược, dòng IC lớn.

+ Hệ số 

Trong chế độ một chiều, để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong miền

bazơ, người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện dc.

(1.20)

Với IC, IE là các dòng điện tại điểm làm việc. Theo đặc tính ra hình 1.10b thì  =

1, nhưng thực tế  thường trong khoảng 0,9  0,998.

Trong chế độ xoay chiều, khi điểm làm việc thay đổi trên đặt tuyến ra, hệ số 

xoay chiều được định nghĩa:

(1.21)

Hệ số ac còn được gọi là hệ số bazơ chung, hệ số ngắn mạch. Thông thường giá

trị dc  ac.

Có thể trình bày tóm tắt các đặc điểm chung của cách mắc CB trong bảng 1.1

1.3.3.2. Cách mắc emitơ chung (CE)

Sơ đồ cách mắc CE được cho trên hình 1.11.

Trong cách mắc CE, đặc tính ra là quan hệ giữa dòng ra IC và điện áp ra UCE, ứng

với một giá trị của dòng vào IB. Đặc tính vào là quan hệ giữa dòng vào IB và điện áp

vào UBE, ứng với một giá trị của điện áp ra UCE.

Chú ý rằng trên hình 1.11c, độ lớn của IB cỡ A, còn độ lớn của IC cỡ mA. Vùng

tích cực của cách mắc CE là miền ở bên phải của đường nét đứt UCEbh và phía trên

đường IB = 0.

Vùng phía trái của UCEbh là vùng bão hoà. Vùng cắt là vùng ở phía dưới đường IB

= 0. Vùng còn lại là vùng tích cực (Vùng tích cực của cách mắc CE là miền ở bên phải

của đường nét đứt UCEbh và phía trên đường IB = 0), ở đây tiếp xúc emitơ phân cực

thuận, tiếp xúc colectơ phân cực ngược, vùng này được dùng để khuếch đại điện áp,

dòng điện hoặc công suất.

UCC

p IC

UBB

n IB UCC p UBB IE

IB=90A

IB=80A

IC(mA)

IB=70A

IB=60A

IB(A)

a ò h

IB=50A

o ã b

IB=40A

Vùng tích cực

g n ù V

IB=30A IB=20A IB=10A

UCE=20V UCE=10V UCE=1V

IB=0A

8 7 6 5 4 3 2 1 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 10 UBE(V) UCE(V) UCEbh b) 5 Vùng cắt

15 ICEOICBO c)

Hình 1.11. Tranzito mắc E chung a) Sơ đồ; b) Đặc tính vào; c) Đặc tính ra

Theo đặc tính ra hình 1.11c khi IB = 0 thì dòng IC  0. Điều này được giải thích

như sau:

Khi IB = 0, chọn  = 0,996 ta có

(1.22)

Nếu ICBO = 1 A, khi IB = 0, dòng IC = 29,4.1 A = 29,4 A.

Dòng I khi đó chính là dòng ICEO .

Vậy:

(1.23) IB = 0

+ Hệ số 

Trong chế độ một chiều, để đánh giá khả năng điều khiển của dòng IB đối với

dòng IC, người ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện .

(1.24)

Với IC và IB là giá trị dòng điện tại điểm làm việc. Thông thường  có giá trị

trong khoảng từ 50 tới trên 400.

Trong chế độ xoay chiều, hệ số  xoay chiều được định nghĩa:

(1.25) UCE = const

+ Quan hệ giữa  và 

Ta có:

(1.26) IE = IC + IB

Mặt khác:

Kết hợp các điều kiện trên ta có:

(1.27)

Hoặc:

(1.28)

Có thể trình bày tóm tắt các đặc điểm chung của cách mắc CE trong bảng 1.1

1.3.3.3. Cách mắc Colectơ chung (CC)

Sơ đồ cách mắc CC được cho trên hình 1.12

Đặc tính vào và đặc tính ra của cách mắc CC tương tự như cách mắc CE, bằng

cách thay IC bằng IE, UCE bằng UEC.

Có thể trình bày tóm tắt các đặc điểm chung của cách mắc CC trong bảng 1.1

IE n IC

IE IC p p C E

UBB B IB IB UEE

UEE UBB

Hình 1.12. Tranzito mắc C chung

Cách mắc

Đặc trưng

Trở kháng vào

Nhỏ đến trung bình (30 … 150)

Trung bình đến lớn (50 … 500K)

Nhỏ đến trung bình (1 … 10K)

Nhỏ đến trung bình

Trở kháng ra

Trung bình đến lớn (30 … 500K)

Lớn đến rất lớn (300 K … 2M)

(50 … 100)

Khuếch đại công suất

Lớn (26 … 40dB)

Trung bình (20 … 30dB)

Nhỏ (10 … 20dB)

Hệ số khuếch đại dòng điện

Nhỏ hơn 1

Rất lớn (25 … 150)

(KI = I2 / I1)

Hệ số khuếch đại điện áp

Nhỏ hơn 1

Rất lớn (300 … 1000)

(KU = U2 / U1)

Tần số giới hạn

Bé

Lớn

Tùy thuộc nguồn

1800

Độ dịch pha của tin hiệu ra so với tín hiệu vào

Bảng 1.1. Tóm tắt các đặc điểm chung của 3 cách mắc BJT

1.4. Tranzito trường (FET)

1.4.1. Giới thiệu chung

Khác với tranzito lưỡng cực mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả

hai loại hạt dẫn (điện tử và lỗ trống) tạo nên, tranzito trường (Field Effect Transistor -

FET), hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, độ dẫn điện của đơn tinh thể bán

dẫn được điều khiển nhờ tác dụng của một điện trường ngoài. Dòng điện trong FET chỉ

do một loại hạt dẫn tạo nên. Công nghệ bán dẫn, vi điện tử càng tiến bộ, FET càng tỏ

rõ ưu điểm quan trọng về mặt gia công, xử lý tín hiệu với độ tin cậy cao và mức tiêu

hao năng lượng cực bé.

Tranzito hiệu ứng trường FET gồm có hai loại chính:

- FET điều khiển bằng cực cửa tiếp xúc p-n (viết tắt là JFET).

- FET có cực cửa cách ly: Thông thường lớp cách điện là lớp ôxít nên gọi là

Metal oxide Semiconductor FET (MOSFET hay MOS). Trong loại tranzito trường có

cực cửa cách điện lại được chia làm hai loại là MOS có kênh liên tục (kênh đặt sẵn) và

MOS có kênh gián đoạn (kênh cảm ứng).

Mỗi loại FET lại được chia làm hai loại: kênh N và kênh P.

Tranzito trường có ba cực: Cực máng (D -Drain) là nơi các hạt dẫn đa số ra khỏi

kênh, cực cổng (G - Gate) là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh và cực nguồn (S

- Source) là nơi mà các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS.

Tranzito trường có những ưu điểm nổi bật so với tranzito lưỡng cực là dòng điện

qua FET chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên, do vậy FET là linh kiện một loại hạt

dẫn. FET có trở kháng vào rất cao, tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với BJT. Nó

không bù điện áp tại vùng ID = 0 và do đó nó là phần tử ngắt điện, FET có độ ổn định

về nhiệt cao và có tần số làm việc cao. Tuy nhiên nó có nhược điểm là hệ số khuếch

đại thấp hơn nhiều so với BJT.

1.4.2. Tranzito trường có lớp chuyển tiếp (JFET)

1.4.2.1. Cấu tạo và kí hiệu

JFET được gọi là FET có mối nối đơn, có hai loại: JFET kênh N và JFET kênh P.

JFET kênh N có cấu tạo gồm thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra gọi

là cực máng D và cực nguồn S. Hai bên thanh bán dẫn loại N là hai vùng bán dẫn loại

P tạo thành tiếp xúc p - n như điôt. Hai vùng này được nối với nhau tạo thành cực cửa

G (hình 1.13a).

JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại với JFET kênh N.

1.4.2.2. Nguyên tắc hoạt động

Xét JFET kênh N có cực D nối với dương nguồn, S nối với âm nguồn như hình

1.13b.

a. Khi cực G hở (UGS = 0V) hình 1.13b

Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh theo chiều từ cực dương của nguồn vào cực D

Vùng nghèo

Kênh n G

Kênh p G

và ra ở cực S để trở về âm nguồn của UDS, kênh có tác dụng như một điện trở

Vùng nghèo

UDS

UGS

Vùng bão hoà

ID c) UGS= - 0V

UGS= - 1V

UGS= - 2V

UGS= - 3V

UDS

d) Hình 1.13. Tranzito trường có lớp chuyển tiếp a) Cấu tạo và kí hiệu; b), c) Nguyên lý hoạt động; d) Đặc tính

Nếu tăng điện áp UDS từ 0V lên thì dòng ID tăng lên nhanh nhưng sau đó đến một

điện áp giới hạn thì dòng ID không tăng được nữa gọi là dòng điện bão hoà IDSS. Điện

áp UDS có IDSS gọi là điện áp ngắt Up (pinch - off).

b. Khi cực G có điện áp âm (UGS<0V) hình 1.13c

Khi cực G có điện áp âm nối vào chất bán dẫn loại P, trong kênh N có dòng điện

chạy qua nên có điện áp dương ở giữa chất bán dẫn N sẽ làm cho tiếp xúc P-N bị phân

cực ngược, điện tử trong chất bán dẫn của kênh N bị đẩy vào làm thu hẹp tiết diện

kênh, nên điện trở kênh dẫn tăng lên, dòng ID giảm xuống.

Khi tăng điện áp âm ở cực G, mức phân cực ngược càng lớn làm dòng ID càng

giảm nhỏ và đến một giá trị giới hạn dòng ID gần như không còn. Điện áp này ở cực G

gọi là điện áp ngắt Up.

Hình 1.13d là đặc tính ra của JFET kênh N; cho biết sự thay đổi của ID theo UDS

ứng với từng điện áp UGS ở cực G (còn gọi là họ đặc tính ID/UDS).

1.4.3. Tranzito trường MOSFET

MOSFET được chia làm hai loại là MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh

gián đoạn. Mỗi loại kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo chất bán dẫn là

kênh N hay P. Ta xét các loại MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo ngược lại cho kênh P.

1.4.3.1. MOSFET kênh liên tục

Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh liên tục

Người ta chế tạo sẵn kênh dẫn điện để nối hai vùng bán dẫn loại N có nồng độ tạp

chất cao và vùng bán dẫn loại N có nồng độ tạp chất thấp hơn. Các lớp bán dẫn này

được khuếch tán trên một nền là chất bán dẫn loại P, phía trên kênh dẫn điện có phủ

lớp ôxít cách điện SiO2. Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn

N nồng độ cao gọi là cực S và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp ôxít nhưng

vẫn cách điện với kênh dẫn, thường cực S được nối chung với nền P (hình 1.14a).

Kí hiệu của MOSFET kênh liên tục như trên hình 1.14b,

Hoạt động của MOSFET kênh liên tục

a. Khi UGS = 0V:

Trường hợp này, kênh dẫn điện có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện áp

UDS thì dòng ID tăng lên đến một trị số giới hạn là IDSS (dòng ID bão hoà). Điện áp UDS

ứng với trị số IDSS cũng gọi là điện áp ngắt Up giống JFET.

b. Khi UGS < 0V:

Trong trường hợp này cực G có điện áp âm nên đẩy các điện tử ở kênh N vào

vùng nền P làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N (như hình 1.14c) và dòng ID bị giảm

xuống do điện trở trong kênh dẫn điện tăng lên. Khi tăng điện áp âm ở cực G thì dòng

ID càng nhỏ và đến một trị số giới hạn dòng ID gần như không còn, điện áp này ở cực G

SiO2 kênh N

gọi là điện áp ngắt Up.

cực máng D

Đế

nền P

cực cổng G

N G S N

cực nguồn S

N S

G S a) b)

10,9

UGS=+1V

UGS= 0V

8 IDSS

UGS= -1V

IDSS/2

UGS= -2V UGS= UP/2= -3V

IDSS/4

-2

ID(mA) ID

-6 UP

-3 UP/2

0 0,3UP

UDS UGS c)

Hình 1.14. MOSFET kênh dẫn liên tục. a) Cấu tạo; b) kí hiệu; c) Đặc tính.

c. Khi UGS>0V:

Khi phân cực cho cực G có điện áp dương, các điện tử thiểu số ở miền P bị hút

vào vùng N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bị giảm xuống và dòng ID tăng

cao hơn trị số hoà bão IDSS. Trường hợp này dòng ID lớn dễ làm hỏng MOSFET nên ít

được sử dụng.

Đặc tính của MOSFET kênh liên tục

Hình1.14c là đặc tính ra ID/UDS và đặc tính truyền đạt ID/UGS của MOSFET liên

tục kênh N.

1.4.3.2. MOSFET kênh gián đoạn

Cấu tạo và kí hiệu của MOSFET kênh gián đoạn

Hình 1.15a giới thiệu cấu tạo của MOSFET kênh gián đoạn, hình 1.15b là kí hiệu

SiO2

kênh N

cực máng

của chúng. D

Đế

G N D S

cực cổng G

cực nguồn

nền P D

N S G

UGS = 7V

UGS = 6V

UGS = 5V

UGS = 4V

UGS = 3V

S b) a) ID ID(mA)

UDS UGS c)

Hình 1.15. MOSFET kênh dẫn gián đoạn. a) Cấu tạo; b) Ký hiệu; c) Đặc tính.

Trong MOSFET kênh gián đoạn, hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao không

dính liền nhau nên gọi là kênh gián đoạn, mặt trên kênh dẫn điện cũng được phủ một

lớp ôxít cách điện SiO2. Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào vùng bán dẫn N

gọi là cực S và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp ôxít và cách điện đối với

cực D và S.

Hoạt động của MOSFET kênh gián đoạn

Do cấu tạo kênh bị gián đoạn nên bình thường không có dòng điện qua kênh, ID =

0 và điện trở giữa D và S rất lớn.

Khi phân cực cho G có UGS>0V, các điện tích dương ở cực G sẽ hút các điện tử

của nền P về phía giữa của hai vùng bán dẫn N và khi lực hút đủ lớn thì số điện tử bị

hút nhiều hơn, đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N và kênh dẫn được hình thành. Khi đó

có dòng điện ID đi từ D sang S, điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng

lớn. Điện áp UGS đủ lớn để tạo thành kênh dẫn điện gọi là điện áp ngưỡng UGS(T) hay

UT. Khi UGS

dẫn chưa được tạo thành).

Đặc tính của MOSFET kênh gián đoạn

Đặc tính ra và đặc tính truyền đạt của MOSFET gián đoạn kênh N được giới thiệu

ở hình 1.24c. Khi UGS>UT dòng ID và UGS quan hệ với nhau theo công thức.

(1.37) Đây chính là phương trình của đặc tính truyền đạt hình 1.15c.

Hệ số k là một hằng số, nó được xác định nhờ các giá trị Id và UGS tương ứng trên

đặc tính ra (ứng với mỗi một điểm bất kỳ trên đặc tính ra ta có một cặp (ID, UGS) tương

ứng gọi là ID(on) và UGS(on), khi đó:

1.5. Tirixto (điôt chỉnh lưu có điều khiển - SCR)

1.5.1. Nguyên tắc cấu tạo

a) b) c)

Hình 1.16. Tirixto. a) Cấu tạo; b) Ký hiệu; c) Sơ đồ thay thế

Tirixto (thyristor) là một linh kiện có 4 chất bán dẫn xen kẽ nhau p1n1p2n2 như

hình 1.16a, hai dây nối tới p1 và n2 là hai cực tương ứng anôt (A) và catôt (K). Theo

cách bố trí này Tirixto có ba tiếp xúc p-n. Do có ba tiếp xúc J1. J2, J3, nên khi có một

điện áp đặt vào A-K không có dòng điện chạy qua.

1.5.2. Nguyên lí làm việc

Ứng dụng chính của tirixto là trong các mạch điều khiển.

UG0

Xung

Evo

Xét mạch chỉnh lưu có điều khiển pha xung trên hình 1.17a

a) Hình 1.17. Sơ đồ mạch ứng dụng tirixto

Nếu cực G của tirixto luôn được phân cực dương để tirixto thông, thì tirixto giống

như một điôt chỉnh lưu thông thường.

Nếu đặt vào cực G một chuỗi xung kích thích làm tirixto mở tại những thời điểm

nhất định ở nữa chu kì dương của điện áp nguồn đặt vào anôt, thì trên tải có điện áp

dương trong khoảng thời gian có xung điện áp kích thích đặt vào cực G, như hình

1.17b.

1.6. Triac

1.6.1. Nguyên tắc cấu tạo và kí hiệu

Có thể coi triac như gồm hai tirixto mắc song song, ngược chiều, có chung cực

điều khiển G, được kí hiệu như hình 1.18a

1.6.2. Nguyên tắc làm việc và ứng dụng

Triac có tác dụng điều khiển điện áp xoay chiều. (trên tải có cả một phần điện áp

nữa chu kì âm). Cực điều khiển G cần có điện áp dương cho cả hai chiều điều khiển.

Trong trường hợp triac làm việc với tín hiệu xoay chiều, thì A1, A2 luân phiên là catôt

hay anôt khi mà nó có điện áp dương so với cực kia.

Xung

Một thí dụ về sơ đồ sử dụng triac được nêu trên hình 1.18b.

a) b) c)

Hình 1.18. Triac

a) Kí hiệu; b) Sơ đồ mạch; c) Tác dụng điều chỉnh điện áp của triac.

Hai điôt D1 và D2 có tác dụng chỉnh lưu, dùng để tạo ra điện áp điều khiển cho cực

G. Khi thay đổi biến trở R, ta điều chỉnh bề rộng xung điều khiển và do đó điều chỉnh

được mức điện áp xoay chiều trên tải (hình 1.18c). Mạch này có nhiều ứng dụng trong

việc điều chỉnh điện áp xoay chiều như thay đổi tốc độ môtơ…

1.7. Mạch vi điện tử

1.7.1. Khái niệm và phân loại

1.7.1.1. Khái niệm

Từ các linh kiện rời rạc như điôt, tranzito, điện trở... người ta tìm cách chế tạo kết

hợp chúng trên một đế bán dẫn, bằng một qui trình thống nhất và đã được kết nối lại để

thực hiện một hoặc nhiều chức năng, nhiệm vụ được thiết kế sẵn từ trước khi chế tạo.

Quá trình này làm xuất hiện một nhóm linh kiện điện tử thế hệ mới được gọi là linh

kiện vi điện tử viết tắt là IC (Integrated Circuit) với nhiều ưu điểm căn bản so với các

thế hệ trước đó:

- Có kích thước càng ngày càng thu gọn, hay mật độ phần tử trên một đơn vị

không gian ngày càng cao.

- Độ tin cậy và chắc chắn khi hoạt động được nâng cao rõ rệt trong bối cảnh đòi

hỏi phát triển kỹ thuật càng ngày càng đa dạng và phức tạp.

- Có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ (chức năng cứng) trên một chíp đã chế tạo hay

thực hiện nhiều chức năng mềm khi chuẩn bị chương trình và nạp sẵn cho chúng trước

khi sử dụng.

- Độ linh hoạt hay tốc độ phản ứng nhanh với các tín hiệu tần số cao

- Tiêu hao năng lượng tính trên một đơn vị không gian của chíp càng ngày càng

nhỏ.

Các ưu thế trên dẫn tới khuynh hướng IC trở thành linh kiện chủ yếu trong giai

đoạn hiện nay và tiếp sau của công nghệ Điện tử - Tin học - Viễn thông và các ngành

liên quan.

1.7.1.2. Phân loại

Theo tính chất của tín hiệu điện trong vi mạch, có thể chia các linh kiện IC thành

3 nhóm lớn: Nhóm 1 thuộc về các vi điện tử tương tự (IC tương tự-tuyến tính), nhóm 2

thuộc về các vi điện tử số chỉ làm việc với các tín hiệu biến thiên rời rạc theo thời gian

(các biến và hàm trạng thái). Nhóm 3 là các IC thuộc về quá trình thực hiện giao tiếp

tín hiệu liên tục với tín hiệu rời rạc và ngược lại

1.7.2. Vi mạch tương tự

1.7.2.1. Khái niệm

Vi mạch tương tự là những vi mạch làm việc với các tín hiệu ở lối vào có giá trị

biến thiên một cách liên tục theo thời gian. Vi mạch tương tự được chế tạo thành nhiều

loại, thực hiện các chức năng khác nhau, như khuếch đại, tạo dao động, ổn áp, tách

sóng, biến đổi tín hiệu, bộ lọc…

Mạch khuếch đại thuật toán là một trong số các vi mạch tương tự được sử dụng rất

phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử tương tự

Cấu trúc bên trong của một vi mạch khuếch đại thuật toán thường có các khối cơ

Tầng đệm

Mạch khuếch đại vi sai

khuếch đại công suất

Mạch ổn áp nguồn

Nguồn gương

Tầng bảo vệ

bản như trên hình 1. 19

Hình 1.19. Cấu trúc khối cơ bản của một mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại vi sai gồm hai tranzito liên kết emitơ. Mạch có hai lối vào: lối

vào đảo và lối vào không đảo. Ưu điểm của mạch vào vi sai là là khử được trôi điểm

không khi có sự thăng giáng về nhiệt độ, nhờ sử dụng hai tranzito có đặc trưng giống

hệt nhau (sẽ phân tích rõ hơn ở chương 2). Mạch khuếch đại vi sai là khối quan trọng,

cơ bản trong vi mạch thuật toán.

Tầng đệm, là tầng phối hợp giữa tầng vào và tầng công suất (tầng ra). Việc sửa

dạng tín hiệu cũng được thực hiện phần lớn ở tầng này.

Tầng khuếch đại công suất là tầng nâng cao cả về điện áp và dòng điện của tín

hiệu. Vì tầng này hoạt động với công suất lớn và trực tiếp với các tải lối ra, nên có thể

xảy ra hiện tượng quá tải, hoặc chưa phù hợp về trở kháng. Do vậy cần có tầng bảo vệ

để can thiệp khi có sự cố, nhằm tránh quá tải, tránh đoản mạch.

Mạch nguồn nhận nguồn nuôi từ ngoài với điện áp quy định, ổn định điện áp này

và chia nó ra thành các mức điện áp khác nhau thích hợp cho các tầng. Thực hiện

nhiệm vụ đó là khối nguồn gương. Tầng bảo vệ cũng can thiệp vào khối này khi nguồn

cung cấp bị quá áp (có điện áp quá cao)

1.7.2.2. Kí hiệu và cách bố trí chân

Người ta thường kí hiệu vi mạch tương tự bằng các hình chữ nhật hoặc tam giác có

các chân được đánh số (hình 1.20a, b)

a) b) c)

Hình 1.20. Các kiểu kí hiệu vi mạch tương tự trên sơ đồ

Trên kí hiệu của mạch khuếh đại thuật toán có lối vào đảo (dấu -) và không đảo

(dấu +), đó là các lối vào nối với mạch vi sai (hình 1.20c).

a) b)

Hình 1.21. Các kiểu bố trí chân của vi mạch

Về hình dạng bên ngoài, các vi mạch tương tự thường có hai dạng phổ biến: bố trí

các chân theo kiểu răng lược và kiểu bố trí các chân theo kiểu chân rết (hình 1.21)

Thứ tự đánh số các chân được quy định từ trái qua phải theo mặt chữ đối với cách

bố trí kiểu răng lược (hình 1.21a) và ngược chiều kim đồng hồ nhìn từ trên xuống theo

mặt chữ đối với kiểu chân rết (hình 1.21b).

1.7.3. Vi mạch số

1.7.3.1. Khái niệm

Về cấu trúc, vi mạch số được tổ hợp bởi các cổng logic hay các mạch logic. Vì các

cổng logic làm việc chỉ trên hai mức điện áp, nên chúng có cấu trúc đơn giản và có độ

tin cậy cao. Trong vi mạch số, các tranzito hoạt động ở chế độ bảo hòa hoặc ngắt. Với

các vi mạch tương tự, điện áp nguồn nuôi thường là trên 12V, với các vi mạch số dùng

tranzito lưỡng cực, điện áp nguồn thường vào cỡ 5V.

Người ta có thể phân loại vi mạch số theo dạng tín hiệu, hoặc theo các phép tính

logic cần thực hiện.

- Theo dạng tín hiệu, có ba loại vi mạch số là mạch logic xung, mạch logic thế,

mạch logic xung-thế. Trong các loại mạch đó, thì loại mạch logic thế được dùng phổ

biến hơn cả, vì khi chế tạo loại mạch này người ta ít phải sử dụng đến các phần tử thụ

động.

- Theo các phép tính logic cần thực hiện, các mạch logic được chia ra hai nhóm

chính:

+ Nhóm các mạch (hay phần tử) thực hiện một phép logic. Đó là các mạch logic

đơn giản nhất, gọi là các cổng logic cơ bản như: VÀ (AND), HOẶC (OR), ĐẢO

(NOT), VÀ-ĐẢO (NAND), HOẶC-ĐẢO (NOR).

+ Nhóm mạch thực hiện nhiều phép logic. Đó là các mạch logic thực hiện các phép

tính logic phức tạp hơn như VÀ-HOẶC, HOẶC-VÀ, ĐẢO-VÀ-HOẶC…

1.6.3.2. Các phần tử cơ bản của mạch logic

Cổng Đảo

Cổng Và - Đảo

Cổng Hoặc - Đảo

Cổng Hoặc

Cổng Và

Kí hiệu thông dụng các phần tử (cổng) logic cơ bản được nêu trên hình 1.22

Hình 1.22. Các cổng logic cơ bản

Các vi mạch số là các linh kiện trong đó chứa nhiều phần tử logic. Cách bố trí chân

của vi mạch số cũng giống như với vi mạch tương tự. Trên hình 1.23 là sơ đồ cấu tạo

bên trong của vi mạch số 7400, gồm bốn phần tử VÀ-ĐẢO.

Hình 1.23. Các phần tử logic bên trong vi mạch số 7400

Các phần tử logic và các mạch logic sẽ được xét rõ hơn trong chương 5.

Chương 2. KHUẾCH ĐẠI

Trong phần kĩ thuật điện tử xử lí tín hiệu tương tự, thì khuếch đại đóng vai trò

quan trọng nhất; khuếch đại hầu như có mặt trong mọi thiết bị điện tử. Mạch khuếch

đại bao gồm nhiều linh kiện điện tử, trong đó vai trò chính thuộc về các loại tranzito và

vi mạch tuyến tính. Trong chương trước ta mới nêu ra các linh kiện và tính chất chính

của chúng, còn ở chương này, ta đi sâu vào các mạch điện có chứa các linh kiện đó.

2.1. Khái niệm chung về khuếch đại

2.1.1. Những chỉ tiêu và tham số cơ bản

Thực chất của quá trình khuếch đại là quá trình biến đổi năng lượng có điều

khiển, trong đó năng lượng của nguồn cung cấp được biến đổi thành năng lượng của

dòng điện biến thiên theo quy luật của tín hiệu như hình 2.1. Đây là quá trình gia công

Dạng tín hiệu

Tín hiệu ra

Tín hiệu vào

Khuếch đại

Nguồn

Năng lượng

xử lí tín hiệu dạng tương tự.

Hình 2.1. Mô phỏng quá trình khuếch đại

2.1.1.1. Hệ số khuếch đại

* Hệ số khuếch đại là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của bộ khuếch

đại. Nó cho biết tín hiệu ở lối ra lớn hơn bao nhiêu lần so với tín hiệu ở lối vào:

(2.1)

trong đó Av là đại lượng đặc trưng cho tín hiệu ở lối vào, Ar là đại lượng tương ứng ở

lối ra.

Nói chung, tầng khuếch đại có chứa các phần tử điện kháng và làm việc với tín

hiệu biến thiên, nên tín hiệu ở lối vào và lối ra lệch pha so với nhau, vì vậy hệ số

khuếch đại là một đại lượng phức, được biểu diễn dưới dạng:

(2.2)

Ở đây, K  K là một số dương, biểu thị tỉ số độ lớn của đại lượng ở lối ra và lối

vào (còn gọi là biên độ của hệ số khuếch đại); K là độ dịch pha của tín hiệu ra so với

tín hiệu vào, khi qua bộ khuếch đại.

Hai mối quan hệ cơ bản thể hiện sự phụ thuộc vào tần số của hệ số khuếch đại:

- Đặc trưng biên độ - tần số: K = f1(), như thấy trên hình 2.2a, trong đó  là tần

số góc của tín hiệu.



tb

t

c

Ktb



t

tb

c



- Đặc trưng pha - tần số:  = f2(), như thấy trên hình 2.2b.

b) a)

Hình 2.2. Đặc tính biên độ - tần số và pha - tần số

* Các hệ số khuếch đại thường dùng là:

- Hệ số khuếch đại dòng điện

- Hệ số khuếch đại điện áp

- Hệ số khuếch đại công suất . Vì PR, PV là công suất trung bình, có

những giá trị thực, nên KP là giá trị thực.

Nếu bộ khuếch đại có nhiều tầng, thì hệ số khuếch đại của cả bộ là:

(2.3)

với Ki là hệ số khuếch đại của tầng thứ i.

* Hệ số khuếch đại là đại lượng không thứ nguyên. Trong thực tế, người ta còn

biểu thị K trên thang logarit, theo đơn vị đêxiben (dB). Người ta nhận thấy rằng sự cảm

thụ âm thanh của tai người không phụ thuộc tuyến tính vào cường độ âm thanh, mà vào

logarit của cường độ ân thanh. Điều đó được vận dụng để tính hệ số khuếch đại điện áp

và dòng điện theo dB như sau:

(2.4) KU,I (dB) = 20logKU,I

3,16

31,6

100

1000

10000

K(dB)

Bảng 2.1 cho ta một số thí dụ về giá trị của hệ số khuếch đại.

Hệ số khuếch đại công suất được tính theo dB như sau:

(2.5) KP (dB) = 20logKP

Hệ số khuếch đại tính ra dB của bộ khuếch đại bằng tổng các hệ số khuếch đại

tính ra dB của các tầng:

(2.6)

2.1.1.2. Sự méo tín hiệu

- Khái niệm: Khi dạng của tín hiệu ở lối ra của bộ khuếch đại khác với dạng của tín

hiệu ở lối vào, thì ta nói rằng có sự méo tín hiệu do bộ khuếch đại gây ra.

- Phân loại: Có hai loại méo tín hiệu: méo tuyến tính và méo phi tuyến.

+ Méo tuyến tính gồm méo tần số và méo pha.

Méo tần số là sự méo tín hiệu do hệ số khuếch đại phụ thuộc vào tần số, tức là do

sự không bằng phẳng của đường đặc trưng biên độ tần số (hình 2.2a). Nguyên nhân của

méo tần số là do trong các tầng khuếch đại có các phần tử điện kháng (như tụ điện,

cuộn cảm…).

Hệ số méo tần số được định nghĩa bởi:

(2.7)

trong đó Ktb là hệ số khuếch đại ở tần số trung bình, còn K là hệ số khuếch đại ở tần số

mà ta xác định hệ số méo M.

Thí dụ hệ số méo tần số thấp là với Kt là hệ số khuếch đại ở tần số thấp.

Méo pha là sự méo gây nên bởi sự phụ thuộc phức tạp của độ dịch pha vào tần số

(hình 2.2b)

+ Méo phi tuyến là sự méo tín hiệu do các phần tử phi tuyến trong mạch gây ra.

Các linh kiện như tranzito, điôt, biến thế có lõi sắt từ…, khi làm việc ở các đoạn cong

của đặc tuyến vôn - ampe, gây nên méo phi tuyến. Méo phi tuyến làm xuất hiện ở tín

hiệu lối ra các thành phần có tần số cao (các hài bậc cao) không có trong tín hiệu ở lối

vào. Độ méo phi tuyến phụ thuộc vào số lượng và biên độ của các hài này. Hệ số méo

phi tuyến  được xác định như là căn bậc hai của tỉ số giữa tổng công suất các hài bậc

cao với công suất của tín hiệu ở tần số cơ bản.

(2.8)

trong đó P1 là công suất của tín hiệu ở tần số cơ bản, P2, P3, Pn là công suất của các hài

bậc 2, 3, n.

2.1.1.3. Trở kháng của tầng

Trở kháng lối vào và lối ra của tầng khuếch đại được định nghĩa là:

(2.9)

(2.10) và

Nói chung trở kháng là những đại lượng phức vì có sự lệch pha

giữa hiệu điện thế và dòng điện .

2.1.1.4. Phân loại các bộ khuếch đại

Căn cứ vào các chỉ tiêu nói trên, người ta phân loại các bộ khuếch đại theo nhiệm

vụ, với các tên gọi và đặc điểm khác nhau và các yêu cầu cơ bản như sau:

- Bộ khuếch đại điện áp:

KU lớn; Zvào >> Znguồn tín hiệu; Zra << Ztải (Znguồn tín hiệu nói chung là lớn)

- Bộ khuếch đại dòng điện:

KI lớn; Zvào << Znguồn tín hiệu; Zra >> Ztải

- Bộ khuếch đại công suất:

KP lớn; Zvào = Znguồn tín hiệu; Zra = Ztải

Ngoài ra còn có các kiểu phân loại khác như theo tần số làm việc: bộ khuếch đại

một chiều, khuếch đại âm tần, khuếch đại cao tần,…

2.1.2. Hồi tiếp trong các bộ khuếch đại

- Hồi tiếp là thực hiện việc đưa một phần (hay toàn bộ) tín hiệu từ lối ra về lối vào

bộ khuếch đại. Có thể thực hiện hồi tiếp trong một tầng, vài tầng hay trong cả bộ

khuếch đại. Hồi tiếp trong bộ khuếch đại sẽ làm thay đổi hầu hết các chỉ tiêu chất

lượng và làm cho bộ khuếch đại thay đổi một số tính chất.

Giả sử bộ khuếch đại có hệ số khuếch đại mạch hồi tiếp có hệ số hồi tiếp

nói chung là những số phức, thì ta có thể viết:

(2.11)

(2.12) và

Nói chung, các biên độ (K và ) và độ dịch pha (K và ) có giá trị khác nhau ở

các tần số khác nhau.

Nếu bộ khuếch đại làm việc ở khu vực tần số trung bình và bộ hồi tiếp không có

thành phần điện kháng, thì K và  là những đại lượng thực

- Có thể phân ra hai loại hồi tiếp: hồi tiếp nối tiếp và hồi tiếp song song. Nếu xét

theo loại tín hiệu hồi tiếp, thì có thể phân ra hồi tiếp điện áp và hồi tiếp dòng điện. Nếu



Khuếch đại

xét theo pha của tín hiệu thì có hai loại: hồi tiếp dương và hồi tiếp âm



Uht

Hồi tiếp



Vào

Hình 2.3. Nguyên lí thực hiện hồi tiếp Hình 2.4. Nguyên lí hồi tiếp điện áp nối tiếp

Ta hãy xét trường hợp hồi tiếp điện áp nối tiếp hay được dùng trong các máy thu

thanh, có sơ đồ được thấy trên hình 2.4

Ta gọi:

là hệ số khuếch đại khi không có hồi tiếp

là hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp

là điện áp tín hiệu đưa vào bộ khuếch đại

là điện áp hồi tiếp

là điện áp ở lối vào bộ khuếch đại

thì

Vì nên khi chia hai vế cho ta có

hay

Do đó: (2.13)

Ta có = Kexp[j(K+)] = Kexpj, với  = K +  là độ lệch pha giữa tín

hiệu hồi tiếp và tín hiệu vào. Như vậy, nói chung hệ số khuếch đại khi có hồi tiếp phụ

thuộc vào cả biên độ và độ dịch pha của hệ số khuếch đại và hệ số hồi tiếp .

Ta hãy xét hai trường hợp riêng có ý nghĩa quan trọng, đó là khi  = 2k và khi j

= (2k+1)p, với k là các số nguyên.

Nếu  = k, thì exp(j) = exp(j) = -1 nên

(2.14)

ta có hồi tiếp âm (chú ý rằng K và đều có giá trị dương). Nếu  = 2k, thì exp(j) = 0

(2.15) và

ta có hồi tiếp dương.

- Để đánh giá mức độ ổn định của bộ khuếch đại, ta đưa vào tỉ số gọi là hệ

số không ổn định. Hệ số này càng nhỏ thì hệ càng ổn định. Ta hãy tính hệ số không ổn

định khi có hồi tiếp bằng cách lấy vi phân biểu thức của Kht (2.13) và thu được biểu

thức 2.16

(2.16)

tức là hệ số không ổn định giảm đi (1 + K) lần, nói khác đi độ ổn định tăng lên (1 +

K) lần.

- Ta cũng có thể tính được trở kháng vào theo biểu thức

tức là trở kháng vào tăng lên (1+ K) lần.

- Trở kháng ra được tính theo hệ thức 2.18

(2.17)

tức là trở kháng ra giảm đi (1+ K) lần.

Như vậy, hồi tiếp âm làm giảm hệ số khuếch đại, nhưng lại tăng tính ổn định,

nâng cao trở kháng vào, giảm trở kháng ra. Hồi tiếp âm còn làm giảm hệ số méo tần số

và méo pha, làm cho đặc tuyến tần số bằng phẳng hơn. Vì vậy hồi tiếp âm được dùng

trong hầu hết các bộ khuếch đại.

Xét tương tự với hồi tiếp dương, ta thấy hồi tiếp dương tuy có làm tăng hệ số

khuếch đại, nhưng lại làm giảm độ ổn định, giảm trở kháng vào. Vì thế, hồi tiếp dương

không được dùng trong khuếch đại. Tuy nhiên, trong hồi tiếp dương, nếu K tiến đến

xấp xỉ bằng 1, thì tiến tới vô cùng. Ta gọi đó là điều kiện tự kích; khi đó bộ khuếch

đại trở thành máy phát dao động (sẽ xét ở chương 4).

2.2. Các mạch khuếch đại dùng BJT

2.2.1. Phân cực cho BJT

+ E1 -

E2 -

Hình 2.5. Sơ đồ phân cực cho tranzito dùng hai bộ nguồn

Ta đã biết, muốn tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại thì lớp chuyển tiếp E-B

phải được phân cực thuận và lớp chuyển tiếp B-C phải được phân cực nghịch. Để thực

hiện được điều đó, cần phải có hai nguồn điện E1 và E2. Như thấy trên hình 2.5, ta có

một mạch khuếch đại dùng tranzito n-p-n.

Theo sơ đồ này, nếu là tranzito silic thì UBE trong khoảng 0,5V đến 0,7V; nếu là

tranzito gemani, thì UBE trong khoảng 0,1V đến 0,12V. điện thế colectơ cao hơn điện

thế emitơ, UCE thường vào cỡ từ 2V đến 12V. Tuy nhiên đối với mạch khuếch đại công

suất lớn thì điện áp đó có thể lên tới hàng chục hay hàng trăm vôn.

Do cách phân cực dùng hai nguồn không thuận tiện, nên trong thực tế, người ta

chỉ phân cực cho tranzito bằng một nguồn điện và sử dụng các điện trở một cách thích

hợp.

2.2.1.1. Phân cực kiểu định dòng bazơ

Trên hình 2.6 là một kiểu phân cực dùng một nguồn và điện trở, gọi là phân cực

+ E -

UCE

UBE

bằng định dòng bazơ.

Hình 2.6. Một kiểu phân cực bằng định dòng bazơ

Dòng IB được xác định bằng nguồn E và RB. Ta có thể tính được dòng IB như sau:

(2.18)

Vì UBE << E, nên có thể tính gần đúng

Trong mạch colectơ, ta có E = ICRC + UCE. Phương trình này còn gọi là phương

trình đường tải, bởi trong trường hợp này RC vừa là điện trở phân cực vừa là điện trở

tải. Từ biểu thức này, ta thấy với E và RC có giá trị cố định, khi dòng IC tăng lên thì UCE

sẽ giảm xuống và ngược lại.

Với kiểu phân cực định dòng bazơ, độ ổn định của mạch không cao, bởi nếu do

một yếu tố nào đó (ví dụ nhiệt độ) mà UBE thay đổi, khiến dòng IB thay đổi, thì dòng IC

sẽ thay đổi nhiều. Do vậy, người ta thường dùng các kiểu phân cực khác để nâng cao

tính ổn định cho mạch, như kiểu phân cực phân áp hay phân cực phản hồi.

2.2.1.2. Phân cực kiểu phân áp

Trên hình 2.7 là sơ đồ của mạch phân cực kiểu phân áp, hay được dùng trong

thực tế. So với kiểu phân cực định dòng bazơ, sơ đồ có thêm điện trở R2. Điện áp của

cực bazơ là: (2.19)

Dòng điện qua mạch phân áp R1, R2 là

(2.20)

Hình 2.7. Mạch phân cực kiểu phân áp

Trong nhiều trường hợp, để xác định R1 và R2 có thể giả thiết I = 20 IB =20 IC/,

như vậy có thể suy ra:

và

Nếu cho biết  = 250, IC = 6mA, E = 6V và UB = 0,6V, ta tính được R2 = 1,25k

và R1 = 11,25k .

Loại mạch này có độ ổn định cao hơn loại phân cực định dòng bazơ, vì ảnh

hưởng của sự thay đổi dòng IB được bù trừ qua R1 và R2 theo hai chiều ngược nhau.

Tuy nhiên, vì R1 khác R2 nên sự thăng giáng điện áp trên hai điện trở này là khác nhau

và sự bù trừ là không hoàn toàn. Mặc dù vậy, vì dòng IB rất bé so với I, nên sai số là

không đáng kể.

Ta hãy phân tích tác dụng của điện trở RE đóng vai trò tham gia vào phân cực và

ổn định chế độ nhiệt. Có thể thấy rằng khi tranzito làm việc, nhiệt độ của các lớp tiếp

xúc p-n tăng lên do sự tiêu tán năng lượng của tranzito; mặt khác nhiệt độ của môi

trường cũng có thể thay đổi. Khi nhiệt độ tăng lên, dòng IC tăng lên, làm thay đổi chế

độ làm việc của mạch mà ta đã xác định trước. Nếu có RE, thì điện áp trên nó sẽ là UE

= IE.RE. Do đó sụt áp trên RE, mà điện áp

(2.21)

giảm đi so với ở (2.19). Có thể nhận thấy rằng nếu dòng IE tăng lên một lượng IE thì

nó sẽ làm UBE giảm đi một lượng UBE nào đó; lượng thay đổi này sẽ làm giảm lại

dòng IC, tức là kéo điểm làm việc về vị trí cũ. Đây chính là sự hồi tiếp âm, do ta đã mắc

điện trở RE vào mạch emitơ. Ta thấy thêm một thí dụ về tác dụng tăng cường độ ổn

định của hồi tiếp âm.

Để khi làm việc với tín hiệu biến thiên mà tín hiệu không làm thay đổi chế độ

hoạt động của mạch, thì khi RE có giá trị lớn (trên vài trăm ôm), người ta cần mắc song

song với RE một tụ điện được chọn sao cho dung kháng đối với tín hiệu là bé; tụ điện

này tạo đường thoát cho tín hiệu trong mạch. Do đó sự hồi tiếp âm chỉ mạnh đối với

dòng điện không đổi, mà không xảy ra với tín hiệu biến thiên (hình 2.8)

Hình 2.8. Mạch phân cực kiểu phân áp và phản hồi âm

2.2.1.3. Phân cực kiểu phân áp và hồi tiếp âm

Nhìn trên sơ đồ ở hình 2.8, ta nhận thấy cách nối của R1 được thay đổi một chút,

đầu trên của nó không mắc trực tiếp với nguồn mà mắc qua điện trở RC. Như vậy, R1

vừa làm nhiệm vụ phân cực vừa làm nhiệm vụ hồi tiếp âm. Giả sử IC tăng (chẳng hạn,

do nhiệt độ tăng) thì điện thế cực C giảm, làm cho điện thế cực B giảm và dòng IB

giảm, kéo theo dòng IC giảm, nghĩa là điểm làm việc được kéo trở về chỗ cũ. Do có

thêm thành phần hồi tiếp âm, nên chế độ hoạt động của mạch này ổn định hơn, tuy hệ

số khuếch đại của mạch có giảm đi chút ít. Loại mạch này thường được sử dụng ở

mạch khuếch đại tiền công suất.

Ngoài các kiểu phân cực đã nêu trên, trong thực tế còn có nhiều cách phân cực

khác. Tuy nhiên, mỗi kiểu phân cực có những ưu nhược điểm khác nhau và thường

mang tính chất chuyên dụng, nên ta không đề cập trong tập bài giảng này.

2.2.2. Các chế độ làm việc cơ bản của một tầng khuếch đại

2.2.2.1. Điểm làm việc của một tầng khuếch đại

Để tranzito làm việc, ta cần phân cực cho nó. Tùy theo điều kiện phân cực, tức là

tùy thuộc sự lựa chọn thông số của các linh kiện trong mạch, ta xác định chế độ làm

việc cho tranzito, hay còn nói là xác định điểm làm việc cho mạch khuếch đại. Mỗi loại

dạng tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại đòi hỏi một điểm làm việc thích hợp.

Hình 2.9 minh họa cách chọn điểm làm việc và việc đưa tín hiệu vào, lấy tín hiệu

ra trong mạch khuếch đại. Trên đồ thị là thí dụ về đường đặc trưng của một mạch

Điểm làm việc

Tín hiệu ra

Tín hiệu vào

khuếch đại, trục hoành diễn tả tín hiệu vào, trục tung diễn tả tín hiệu ra.

Hình 2.9. Tín hiệu vào và ra trên đặc tuyến truyền đạt

Ta hãy xét cụ thể một tầng khuếch đại dùng tranzito mắc emitơ chung, như trên

hình 2.10.

RB là điện trở phân cực, nó xác định điểm làm việc của tranzito. Ta đã biết rằng

trong chế độ khuếch đại, dòng IC phụ thuộc chủ yếu vào dòng IB. Mặt khác dòng IB phụ

thuộc rất nhiều vào UBE, như thấy trên họ đặc tuyến vào (xem hình 1.22). Do vậy dòng

IC phụ thuộc chủ yếu vào điện áp UBE. Ở chế độ tĩnh, điện áp UBE được xác định nhờ

UCE

UBE

RB (hoặc nếu dùng kiểu phân áp, thì nhờ hai điện trở R1 và R2).

Hình 2.10. Tầng khuếch đại mắc kiểu CE

Trên họ đặc tuyến ra (hình 2.11), ta xác định đường thẳng tải theo phương trình:

(2.22) UCE + ICRC = E

Đường thẳng tải cho ta biết sự biến thiên của IC theo điện áp UCE ứng với RC và E

đã cho. Đường thẳng tải cắt họ đặc tuyến ở các điểm M và N ứng với các giá trị giới

hạn UBEmax và UBE = 0 (hay IB = 0). Dựa vào đường thẳng tải, khi biết một trong các giá

E R

UBE max

UBE 0

IC0

UBE = 0 (IB=0)

UCE0

UCE

trị IC, IB, UCE, UBE ta có thể xác định các giá trị còn lại.

Hình 2.11. Đường thẳng tải trên họ đặc tuyến ra của tranzito

Khi có tín hiệu đặt vào mạch, dòng IB biến thiên theo tín hiệu (và điện áp UBE

cũng biến thiên), kiến cho dòng IC biến thiên theo đúng quy luật của tín hiệu. Trên điện

trở colectơ RC có điện áp biến thiên giống như tín hiệu nhưng có biên độ lớn. Đó là tác

dụng khuếch đại của tranzito.

Điểm làm việc tĩnh P là điểm trên đường thẳng tải có tọa độ (IC0, UCE0) hoặc là

giao điểm của đường thẳng tải với đặc tuyến ứng với UBE0. Nó được xác định bằng

cách lựa chọn giá trị của điện trở RB (xem hình 2.10)

2.2.2.2. Các chế độ làm việc của một tầng khuếch đại

Tùy theo vị trí của P trên đường thẳng tải, người ta phân biệt các chế độ làm việc

của tầng khuếch đại như sau:

- Nếu P nằm giữa MN, thì đó là chế độ A. Ở chế độ này hệ số méo nhỏ nhất,

nhưng hiệu suất thấp nhất.

- Khi P dịch dần về phía N, tầng sẽ chuyển sang chế độ AB, khi P trùng với N, ta

nói tầng làm việc ở chế độ B. Ở chế độ này, độ méo lớn, nhưng hiệu suất cao vì dòng

tĩnh IC0 nhỏ.

- Nếu P nằm ngoài MN, ta nói là tầng làm việc ở chế độ khóa với hai trạng thái:

+ P ở trên M, ta có chế độ mở bảo hòa, dòng IC cực đại

+ P ở dưới N, ta có chế độ khóa dòng, dòng IC gần bằng không.

2.2.3. Khuếch đại dùng BJT

Sau khi xét các kiểu phân cực và xác định chế độ làm việc tĩnh của tranzito, bây

giờ ta khảo sát mạch khi có tín hiệu đưa vào. Trong chương trước ta đã biết có ba cách

mắc Tranzito, tức là có ba cách đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại dùng Tranzito. Với

mỗi cách đưa tín hiệu vào, các tham số của tín hiệu ra có thể khác nhau. Để làm thí dụ,

ta khảo sát mạch mắc theo kiểu CE, là cách mắc điển hình, hay được sử dụng. Đối với

các cách mắc khác, việc khảo sát tương tự, nên ta sẽ chỉ nêu ra kết luận.

Ta giả thiết tín hiệu vào là hình sin, ở miền tần số trung bình và trở kháng của các

tụ điện đối với tín hiệu này coi như bằng không

2.2.3.1. Tầng khuếch đại CE

Sơ đồ của tầng khuếch đại CE được vẽ trên hình 2.12. Tụ điện CP1 ngăn cách

nguồn tín hiệu với nguồn một chiều, đồng thời dẫn tín hiệu vào cực gốc của Tranzito.

Tụ điện CP2 chỉ cho tín hiệu đi ra tải, mà ngăn cản thành phần một chiều. Các điện trở

R1, R2 xác định chế độ tĩnh của tầng (còn gọi là định thiên cho tầng) khuếch đại.

Ta có các phương trình đối với thành phần một chiều như sau:

Vì nên

Có thể tính được (2.23) UCE0 = E - IC0(RC+RE)

Đối với tín hiệu xoay chiều thì RC và Rt được mắc song song. điện trở RE được bỏ

qua, vì nó được mắc song song với tụ điện CE.

-E

Cp1

Cp2

Hình 2.12. Tầng khuếch đại tín hiệu mắc kiểu CE

Như vậy, điện trở tải với tín hiệu là còn điện trở tải với dòng

một chiều là .

Khi có tín hiệu vào, điện áp và dòng điện là tổng của thành phần một chiều và

xoay chiều. Đường thẳng tải xoay chiều cũng đi qua P, nhưng có độ dốc lớn hơn đường

Đường tải xoay chiều

It m

IC0(E)

IC0

UC0

Ut m

UC0

tải tĩnh, như thấy trên hình 2.13 (c-d là đường tải xoay chiều; a-b là đường tải tĩnh).

Hình 2.13. Ảnh hưởng của tín hiệu biến thiên đối với đường tải

Với đường tải xoay chiều, có thể coi như điểm làm việc thay đổi theo tín hiệu

(dịch xuống dưới với nửa chu kì dương, dịch lên trên với nửa chu kì âm). Như vậy nếu

chọn chế độ tĩnh đúng và trị số tín hiệu phù hợp thì tín hiệu ra không méo dạng. Muốn

vậy cần thỏa mãn điều kiện sau:

UC0 > Ur m + UC0

IC0 > Ir m + IC0

trong đó UC0 là điện áp colectơ ứng với đoạn đầu của đặc tuyến ra. IC0 là dòng colectơ

ban đầu, cũng chính là độ cao của đặc tuyến ra ứng với IB = 0. Irm và Urm là biên độ của

cường độ dòng điện và điện áp của tín hiệu

Quan hệ của dòng Irm với điện áp ra

Để tăng hệ số khuếch đại của mạch, ta thường chọn RC lớn hơn Rt từ 3 đến 5 lần.

Dòng bazơ tĩnh

Còn

E = UC0 + IC0.RC + UC0 với UC0 = IC0.RC

Nguồn E cần thỏa mãn điều kiện

Thường chọn UC0 bằng 0,1  0,3E với E =

Để tính toán bộ phân áp, cần lưu ý là dòng tín hiệu bazơ Ip khi có bộ phân áp

R1R2 phải lớn hơn IB0 qua R1 (khi không có bộ phân áp). tuy nhiên với điều kiện Ip >>

IB0 thì R1, R2 phải nhỏ

RB = (R1 // R2) = (2  5)rv

Ip = (2  5)IB0

Tóm lại, tính toán chế độ một chiều của tầng khuếch đại là giải quyết nhiệm vụ

chọn hợp lí các phần tử trên sơ đồ để có tham số cần thiết của tín hiệu ra.

Để tính toán các tham số Ki, KU, KP, Uv, Ur ta dùng sơ đồ tương đương ở tín hiệu

nhỏ như trên hình 2.14, trong đó rB là điện trở miền bazơ của tranzito, rC là điện trở

miền colectơ của tranzito. Thông thường rC >> rB vì lớp chuyển tiếp C-B được phân

cực ngược. IB là nguồn dòng, biểu diễn sự khuếch tán của dòng IE qua bazơ tới

IB

colectơ. CC là điện dung lớp chuyển tiếp C-B phân cực ngược.

Hình 2.14. Sơ đồ tương đương của tầng khuếch đại CE

Ta tính được:

có thể gần đúng coi KI  

có giá trị tương đối lớn, thường vào cỡ 20 đến 100

KP = KU.KI vào khoảng từ 200 đến 5000

Rr = (RC // rC) và rC >> Rc do đó Rr  RC

Nói chung, mạch khuếch đại mắc theo kiểu CE được dùng khá phổ biến vì có các

tham số tốt như thấy ở trên.

2.2.3.2. Tầng khuếch đại CB

Sơ đồ tầng khuếch đại CB và CC được trình bày ở hình 2.15

Tầng khuếch đại CB có các đặc điểm sau:

- Tín hiệu vào và ra đồng pha

- Hệ số khuếch đại KU và KI bé hơn ở kiểu mắc CE

- Điện trở vào nhỏ vì tín hiệu đưa vào RE, vào khoảng 10  50. Đây là nhược

điểm của cách mắc này, vì thông thường trở kháng ra của nguồn tín hiệu lớn.

2.2.3.3. Tầng khuếch đại CC

Tầng khuếch đại CC có các đặc điểm sau:

- Tín hiệu vào và ra đồng pha

- Hệ số khuếch đại KI xấp xỉ kiểu CE, còn KU nhỏ hơn và xấp xỉ bằng 1.

- Điện trở vào lớn hơn tầng mắc kiểu CE, vào khoảng trên 50k.

- Điện trở ra của tầng xấp xỉ (RE // rE). Nhờ tính chất này, tầng khuếch đại CC

thường được dùng để giảm trở kháng của nguồn tín hiệu cho phù hợp với trở kháng

Cp2

Cp1

Cp2

Cp1

vào của tầng sau.

Hình 2.15. Tầng khuếch đại CB và CC

2.2.3.4. Tầng khuếch đại đảo pha

Tầng này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu, để khi đưa một tín hiệu vào, thì sẽ nhận

Ur1

Ut1

được hai tín hiệu ra lệch pha nhau 1800. Xét sơ đồ ở hình 2.16

Rt1

Ur2

Rt2

Ut2

Hình 2.16. Mạch khuếch đại đảo pha

Ta có các hệ số khuếch đại

trong đó, KU1 là hệ số khuếch đại khi tín hiệu biến thiên được lấy ra ở cực C, còn KU2

là hệ số khuếch đại khi tín hiệu được lấy ra từ cực E. Hai tín hiệu này ngược pha nhau.

RV được tính tương tự như ở kiểu mắc CC.

Ta thường chọn RE và RC sao cho (1+)(RE//Rt2)=(RC//Rt1), và thu được

KU1=KU2

Người ta còn sử dụng tầng đảo pha có tải là một biến áp mà hai cuộn thứ cấp

hoàn toàn giống nhau, được quấn ngược chiều nhau (Hình 2.18). Khi đó, tín hiệu ra có

điện áp như nhau và ngược pha nhau. Mạch được dùng khá phổ biến trong máy thu

thanh.

2.2.4. Khuếch đại công suất

2.2.4.1. Tầng khuếch đại công suất có biến áp ra, làm việc ở chế độ A

Tranzito thường được mắc kiểu CE, vì cách mắc này cho hệ số KĐ lớn. Sơ đồ của

tầng KĐ công suất có biến áp ra được trình bày trên hình 2.17. Hiệu suất của tầng KĐ

ở chế độ A thường là nhỏ, chỉ vào khoảng 20%. Tuy nhiên, ở chế độ A tín hiệu ra ít bị

E

W1 W2

IC m

IC0

IB0

UCE

UC m

méo, mặc dù tín hiệu vào khá lớn.

a) b)

Hình 2.17. Sơ đồ khuếch đại công suất có tải biến áp chế độ A

Đường tải một chiều có độ dốc lớn, vì điện trở tải một chiều chính là điện trở

thuần cuộn dây sơ cấp và có giá trị nhỏ. Điện trở tải xoay chiều quy về cuộn sơ cấp là:

với n = W1/W2 là hệ số biến áp (W1, W2 là số vòng cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp); r1, r2

là điện trở thuần của cuộn sơ và cuộn thứ cấp; r1, r2 thường có giá trị nhỏ, nên có thể bỏ

qua.

Giữa công suất tín hiệu ra Pr trên cuộn sơ cấp và công suất Pt trên tải có hệ thức

Pr=Pt/ba, với ba là hiệu suất của biến áp, thường vào khoảng 80 đến 90%

Nếu ta gọi ICm là biên độ của thành phần biến thiên của dòng IC liên quan đến tín

hiệu, và UCm là biên độ điện áp tín hiệu, thì công suất ra là

(2.25)

Độ lớn của Pr chính là bằng diện tích của tam giác công suất PRQ trên hình

2.17b.

Ta có thể xác định hiệu suất của tầng khuếch đại

Hiệu suất này thấp hơn 50%, như thấy trên Hình 2.17b

2.2.4.2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B hay AB

Để nâng cao hiệu quả của tầng KĐ công suất, người ta thường dùng chế độ B.

Với chế độ B, tín hiệu ra chỉ có trong một nữa chu kì, như thấy trên hình 2.18. Do vậy

cần có biện pháp để thu nữa thu kì còn lại. Từ đặc tuyến, ta nhận thấy để có được cả

hai nữa chu kì thì cần đảo pha của tín hiệu ở cả lối vào và lối ra. Trong thực tế, người

ta thường dùng mạch KĐ công suất đẩy kéo, trong đó sử dụng hai tranzito làm việc ở

chế độ B, mỗi tranzito KĐ tín hiệu trong một nữa chu kì. Nhờ vậy, hiệu suất của mạch

cao, biên độ tín hiệu ra lớn.

Sau đây ta xét một số mạch điển hình, trước hết là mạch KĐ có biến áp đảo pha

vào và biến áp ra (hình 2.18).

Mạch gồm hai tranzito p-n-p giống nhau T1 và T2, biến áp vào với hệ số biến áp

n1 và biến áp ra với hệ số biến áp n2. Trong chế độ B, nếu lấy UBE = 0 thì không cần R1.

Nếu bỏ qua dòng điện ngược ở colectơ, thì dòng trong mạch lúc này bằng 0. Điện áp ra

trên tải cũng bằng 0, điện áp UCE trên mỗi tranzito bằng E.

Tín hiệu được đưa vào cuộn sơ cấp của biến áp vào. Ở nữa chu kì đầu, giả sử điện

thế của đầu trên cuộn thứ cấp là âm, thì T1 mở. Khi đó, đầu dưới của cuộn thứ cấp có

.iB1, với iC1 và iB1 là các giá trị tức thời của thành phần biến thiên của các dòng colectơ

điện thế dương và T2 đóng. Ở nữa chu kì sau, T2 mở và T1 đóng. Khi T1 mở, thì iC1 =

= iC1.n22.Rt. và bazơ. Cuộn sơ cấp của biến áp ra nối với T1 có điện áp U21 = iC1.

Trên tải có nửa chu kì điện áp dương . Tương tự, khi T2 mở, vì 1 = 2 = ,

trên tải có nữa chu kì điện áp âm . Ta được tín hiệu ra toàn phần cùng dạng

W21

W11

với tín hiệu vào.

Đảo pha ra

W22

W12

Đảo pha vào

UCE  E +

Hình 2.18. Tầng khuyếch đại đẩy kéo

Công suất ra ở cuộn sơ cấp biến áp ra là , có giá trị bằng phần

diện tích tam giác có gạch chéo trên đồ thị ở Hình 2.18.

ib1

IB0

UBE

ib2

Công suất đưa ra tải Pt = ba2.Pr với ba2 là hiệu suất của biến áp ra.

b) a)

Hình 2.19. Méo ở chế độ B và giảm méo bằng chế độ AB

Tuy nhiên, ở chế độ B, do mạch hoạt động với điện áp UBE 0 = 0, nên độ méo phi

tuyến khá lớn. Nguyên nhân là tính phi tuyến của đoạn đầu đặc tuyến vào (Hình 1.11)

khi UBE và IB nhỏ, gọi là hiện tượng méo gốc. Trong chế độ A, không có sự méo này,

vì IB0 đủ lớn.

Muốn giảm méo, ta dùng chế độ AB. Điện áp UBE0 được xác định nhờ R1, R2 như

trên sơ đồ ở Hình 2.18. Ta vẽ đặc tuyến vào của hai tranzito như trên hình 2.19. Trên

hình 2.19a là chế độ B; tín hiệu nhỏ bị méo đáng kể. Trên hình 2.19b là chế độ AB,

ứng với điện áp UB0 và các dòng IB0 và IC0 nhỏ. Ở chế độ này, hiệu suất vẫn cao, nhưng

độ méo thấp, nhất là với những tín hiệu lớn. Vì vậy mạch ở chế độ AB được dùng rất

phổ biến để khuếch đại công suất.

2.2.4.3. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo không dùng biến áp ra

Tầng khuyếch đại công suất đẩy kéo có thể không dùng biến áp ra, nhờ đó có thể

giảm kích thước, trọng lượng và nâng cao chất lượng khuếch đại.

Xét tính chất của tranzito n-p-n mắc theo kiểu CE ở chế độ B, ta thấy nó làm việc

ở nửa chu kì dương của tín hiệu đưa vào cực bazơ, còn tranzito p-n-p thì làm việc với

nữa chu kì âm. Do vậy, nếu kết hợp hai tranzito loại khác nhau, n-p-n và p-n-p, có các

thông số giống nhau (còn gọi là cặp tranzito bù), thì không cần đảo pha tín hiệu ở lối

vào tầng khuếch đại. Mạch khuếch đại như vậy không sử dụng biến áp vào và biến áp

ra, được trình bày trên Hình 2.20. Đây là loại mạch khuếch đại được ưa chuộng, vì nó

không sử dụng linh kiện có tính điện kháng nên đặc trưng tần số rất tốt. Mặt khác, có

thể thực hiện rất thuận tiện các mạch tích hợp khuếch đại công suất theo sơ đồ này. Ta

p-n-p

n-p-n

có thể sử dụng hai sơ đồ với hai kiểu cấp nguồn khác nhau (Hình 2.20).

Hình 2.20. Mạch công suất không dùng biến áp

Mạch khuếch đại công suất không có biến áp ra có ưu điểm là đơn giản, kích

thước nhỏ, đỡ nặng nề, có đặc trưng tần số tốt, nhưng công suất ra của mạch này

thường nhỏ hơn so với mạch có biến áp.

Để tăng tính ổn định của mạch, người ta dùng điôt để phân cực, như được trình

bày trên Hình 2.21

Nhằm duy trì dòng điện tĩnh IB0 ổn định ở chế độ AB trong một dải nhiệt rộng,

người ta sử dụng hai điôt D1, D2 và các điện trở hồi tiếp âm R1, R2 với R1, R2 < Rt.

Ngoài ra, do điện trở vi phân lúc mở của D1, D2 đủ nhỏ nên mạch vào không làm tổn

hao công suất của tín hiệu, góp phần nâng cao hiệu suất của tầng.

Khi cần có công suất ra lớn, người ta dùng tầng ra mắc Darlington, trong đó mỗi

cặp tranzito có tác dụng như một tranzito mới (Hình 2.21b). Ở đây điện trở R tạo ra sụt

áp UR  0,4V để mở , lúc dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở sang đóng nhanh

T'1

T'2

E Kiểu thường

Kiểu bù

hơn.

Hình 2.21. Mạch sơ đồ khuếch đại đẩy kéo dùng điôt để ổn định chế độ làm việc (a) và cách mắc tranzito theo sơ đồ Darlington (b)

2.3. Nối tầng khuếch đại

2.3.1. Liên kết các tầng khuếch đại

Một bộ khuếch đại thường bao gồm nhiều tầng khuếch đại được liên kết với nhau.

Mỗi tầng khuếch đại đảm nhận một chức năng khuếch đại nhất định: tầng khuếch đại

điện áp, tầng khuếch đại dòng điện, tầng khuếch đại công suất…Tín hiệu ra của tầng

trước là tín hiệu vào tầng sau, do vậy mức tín hiệu của các tầng không giống nhau. Ta

cần lựa chọn một cách thích hợp các linh kiện và sơ đồ mạch để có được bộ khuếch đại

đạt các chỉ tiêu mong muốn. Ở các tầng trước, cần ưu tiên sử dụng các linh kiện có chất

lượng cao, và thiết kế mạch sao cho bảo đảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu là lớn nhất. Còn

đối với tầng sau, cần chú ý đến hiệu suất của thiết bị. Thường thì người ta chọn chế độ

A cho các tầng trước và chế độ B hoặc AB cho tầng công suất.

Ngoài ra, còn cần chú ý đến việc thực hiện hồi tiếp âm giữa các tầng khuếch đại,

cần lọc nguồn tốt để loại trừ hồi tiếp dương. Những điều đó có ý nghĩa lớn đến tính ổn

định của bộ khuếch đại.

Một điều quan trọng nữa là phải chú ý phối hợp trở kháng nguồn tín hiệu với trở

kháng vào của tầng đầu (lối vào của bộ khuếch đại) và trở kháng ra của tầng cuối (lối

Ur1 = Uv2

Ur2

UrN

N - 1

ra của tầng khuếch đại) với tải tiêu thụ ở lối ra (xem Hình 2.22)

Hình 2.22. Nguyên lí nối các tầng khuếch đại

2.3.2. Nối tầng kiểu RC

Tầng khuếch đại liên kết RC là tầng có tải là điện trở và sự liên kết với tầng sau

được thực hiện bằng một tụ điện, gọi là tụ liên lạc. Thí dụ về nối tầng kiểu RC được

RC2

RC1

Cp1

Cp2

RII

trình bày trên sơ đồ ở Hình 2.23.

Hình 2.23. Nối tầng khuếch đại kiểu RC

Do có tụ điện liên lạc cách li hai tầng theo dòng một chiều, nên chế độ làm việc

một chiều đã được xác định của hai tầng không ảnh hưởng đến nhau. Tụ điện đưa tín

hiệu biến thiên từ lối ra của tầng trước đến lối vào của tầng sau. Nhược điểm chính của

kiểu nối tầng RC là đặc trưng khuếch đại không đồng đều trong dải tần số làm việc. Ở

vùng tần số thấp, dung kháng của tụ điện đối với tín hiệu là lớn, nên hệ số truyền đạt

thấp. Điện dung kí sinh C0 có thể bỏ qua (Hình 2.23b). Ở vùng tần số trung bình, hệ số

khuếch đại là lớn nhất, điện dung kí sinh C0 vẫn có thể bỏ qua. Ở vùng tần số cao, ta

không thể bỏ qua điện dung kí sinh; sơ đồ tương đương như trên hình 2.23c. Do có

điện dung kí sinh tín hiệu tần số cao dễ dàng thoát xuống đất. Vì vậy ở vùng tần số cao,

hệ số khuếch đại giảm đi. Đặc tuyến tần số của tầng khuếch đại RC được thấy trên

Ảnh hưởng C

Ảnh hưởng C0

Hình 2.24.

Hình 2.24. Ảnh hưởng của các tụ điện lên đặc trưng biên độ-tần số của tầng khuếch đại RC

2.3.3. Nối tầng kiểu biến áp

Nối tầng kiểu biến áp là dùng biến áp để liên kết giữa các tầng khuếch đại như

hình 2.25. Ưu điểm của cách nối tầng này là hệ số truyền đạt lớn đối với tín hiệu có tần

số cao, dễ dàng phối hợp trở kháng giữa hai tầng liên tiếp. Cách nối tầng này hay được

dùng trong các bộ khuếch đại cao tần hay ở tầng khuếch đại công suất.

Hình 2.25. Nối tầng kiểu biến áp và đặc tuyến khuếch đại của nó

Nhược điểm chính của lối ghép bằng biến áp là đặc tuyến rất không đều, tăng đột

ngột ở khu vực tần số cao, khi xảy ra cộng hưởng với mạch RC gồm cuộn dây của biến

áp và các điện dung trong mạch. Để tránh hiện tượng tự kích ở tần số cao, người ta

thường mắc thêm tụ điện song song với cuộn dây, hoặc dùng mạch hồi tiếp âm đối với

tần số cao. Đối với tầng khuếch đại công suất, thì kiểu nối tầng này khá thuận tiện cho

việc đảo pha tín hiệu.

2.3.4. Khuếch đại tín hiệu biến thiên chậm

Với tín hiệu có tần số thấp hay tín hiệu không đổi, thì việc nối tầng bằng các linh

kiện có tính chất điện kháng như tụ điện và biến áp sẽ không còn phù hợp. Khi đó,

người ta dùng các tầng khuếch đại liên kết trực tiếp với nhau. Kiểu nối tầng này tuy

đơn giản, nhưng việc điều chỉnh và ổn định chế độ có nhiều khó khăn. Khó khăn chính

là do các chế độ làm việc cho từng tầng bị phá vỡ khi có sự liên kết trực tiếp.

Sự thay đổi một cách ngẫu nhiên của điện áp ra trong bộ khuếch đại một chiều

khi tín hiệu vào không đổi (Uvào = 0) được gọi là sự trôi điểm không của bộ khuếch

đại. Chất lượng của bộ khuếch đại liên kết trực tiếp được đánh giá theo điện áp trôi

được quy về lối vào của nó: Utrvào = Utrra/K, với K là hệ số khuếch đại.

Ta hãy xét thí dụ một mạch khuếch đại liên kết trực tiếp như trên Hình 2.26. Các

điện trở R1, R2 xác định chế độ tĩnh cho T1. Điện trở RC1 là tải của T1. RC1, RE1 và T1

RC1

RC2

RC3

RE2

RE3

RE1

xác định chế độ tĩnh cho T2. R1, R2, RC1 đều tác động đến cả T1 và T2.

Hình 2.26. Tầng khuếch đại nối tầng trực tiếp

Khi dùng mạch này để khuếch đại dải tín hiệu tần số thấp, cần phải có biện pháp

ổn định (thí dụ, bằng hồi tiếp âm sâu nhiều tầng). Cách nối tầng trực tiếp có ưu điểm là

gọn nhẹ, đáp tuyến tần số tốt. Các vi mạch khuếch đại tích hợp thường sử dụng sơ đồ

nối tầng trực tiếp.

Muốn có hệ số khuếch đại lớn, cần phải ghép nhiều tầng, nhưng như thế sự trôi

lại lớn, và sự ổn định nhiệt độ khó khăn hơn. Mạch vi sai sẽ khắc phục được các nhược

điểm đó.

2.3.5. Tầng khuếch đại vi sai

Tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lí của mạch cầu (Hình 2.27). Hai

nhánh cầu là RC1, RC2 còn hai nhánh kia là T1 và T2 có cùng tham số. Điện áp Ur được

lấy ra giữa hai cực góp của hai tranzito (lối ra đối xứng). T3 làm nhiệm vụ ổn định

dòng emitơ chung cho hai tranzito, giữ cho IE = IE1 + IE2 không đổi. T4 được mắc thành

điôt để làm phần tử ổn định nhiệt, ổn định nhiệt cho T3.

Ta có IC3  IE3 =IE; UBE3 +IE.R3 = I1.R2 +UBE

RC1

Ur1

Ur2

trong đó

Uv1

Uv2

Vì vậy

Thông thường, I1.R2 >> UBE3, UBE4, nên

tức là IE được xác định chủ yếu bởi

I1, R1 và R2.

Khi cầu cân bằng, Ur = Ur1 - Ur2 = 0. Vì độ Hình 2.27. Tầng khuếch đại vi sai

trôi của hai nhánh giống nhau, nên điện áp trên

hai colectơ thay đổi cùng một lượng, và độ trôi của điện áp ở lối ra gần như triệt tiêu.

Khi có tín hiệu đưa vào một lối vào, giả sử Uv1 > 0, Uv2 = 0, thì dòng IB1 và IE1

của T1 tăng và IC1 cũng tăng. Vì IE1 tăng mà IE1 + IE2 = IE được giữ không đổi (bởi

nguồn dòng T3, T4), nên IE2 của T2 giảm, khiến cho IC2 giảm. Điện áp trên colectơ của

T1 là UC1 = E1 - IC1.RC1 giảm đi một lượng UC1. Điện áp UC2 tăng một lượng UC2. Lí

luận tương tự khi Uv1 < 0, Uv2 = 0, ta thấy khi có tín hiệu biến thiên đặt vào lối vào 1,

còn lối vào 2 được nối đất (có điện thế bằng 0), thì điện áp ở colectơ của T1 biến thiên

ngược pha với tín hiệu vào, còn điện áp ở colectơ của T2 biến thiên cùng pha với tín

hiệu vào.

Vì vậy, nếu tín hiệu được đưa vào lối vào 1, thì colectơ của T1 là lối ra đảo, còn

colectơ của T2 là lối ra không đảo. Nếu tín hiệu được lấy ra từ colectơ của T2, thì lối

vào 1 là lối vào đảo, lối vào 2 là lối vào không đảo.

Tín hiệu lấy ra giữa hai colectơ là tín hiệu vi sai:

Ur = UC1 - UC2 = UC2 - UC1 = 2UC

Hệ số khuếch đại vi sai Kvs xấp xỉ bằng hệ số khuếch đại K của tầng đơn mắc

theo kiểu CE.

Có thể dùng FET để thiết lập mạch khuếch đại vi sai.

Sơ đồ khuếch đại vi sai được sử dụng ở tầng vào của các vi mạch tích hợp khuếch

đại thuật toán.

2.4. Vi mạch khuếch đại thuật toán

Vi mạch khuếch đại thuật toán là bộ khuếch đại liên kết trực tiếp, có hệ số khuếch

đại lớn, có hai lối vào vi sai và một lối ra chung. Tên gọi của loại vi mạch này có quan

hệ với những ứng dụng đầu tiên của chúng là thực hiện các phép tính tương tự: cộng,

trừ, tích phân… Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier: OA)

đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật khuếch đại, tạo dao

động, tín hiệu xung, tạo các bộ lọc tích cực…

2.4.1. Nguyên lí vi mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán được kí hiệu như trên hình 2.28a, với lối vào đảo (-),

lối vào không đảo (+) và lối ra.

Khi có tín hiệu đến lối vào không đảo, thì pha của tín hiệu ra đồng pha với tín

hiệu vào, còn khi tín hiệu đến lối vào đảo thì pha tín hiệu ra ngược với pha tín hiệu

Lối vào đảo

Urmax

Lối vào không đảo Uv

vào. Đầu vào đảo thường được dùng để mắc mạch hồi tiếp âm bên ngoài cho OA.

Urmax

E

a) b)

Hình 2.28. Kí hiệu vi mạch thuật toán và đặc tuyến truyền đạt của nó

Cấu tạo cơ sở của OA là các tầng vi sai dùng làm tầng vào và tầng giữa của bộ

khuếch đại. Tầng ra OA thường là dùng cách mắc CC để đảm bảo khả năng tải theo

yêu cầu của các mạch. Vì hệ số khuếch đại của tầng này gần bằng 1, nên hệ số khuếch

đại của OA chủ yếu là của các tầng trước (tầng khuếch đại vi sai, tầng đệm, khuếch đại

tiền công suất…).

Đặc tuyến quan trọng nhất của OA là đặc tuyến truyền đạt (Hình 2.28b), gồm hai

đường cong ứng với các lối vào đảo và không đảo. Mỗi đường gồm đoạn nằm ngang

và đoạn dốc. Đoạn nằm ngang ứng với chế độ của tầng ra CC mở bảo hòa hoặc ngắt.

Đoạn dốc biểu thị sự phụ thuộc tỉ lệ của điện áp ra và điện áp vào, với góc nghiêng xác

định bởi hệ số khuếch đại K0 của OA khi không có hồi tiếp ngoài. Hệ số khuếch đại

này tùy thuộc vào từng OA, có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn lần. Do hệ số khuếch

đại lớn, nên có thể thực hiện hồi tiếp âm sâu để cải thiện chất lượng của mạch.

Sau đây ta khảo sát một số mạch ứng dụng cơ bản dùng OA ở chế độ làm việc

trong miền tuyến tính của đặc tuyến truyền đạt và có sử dụng hồi tiếp âm để điều khiển

các tham số cơ bản của mạch.

2.4.2. Mạch khuếch đại đảo

Sơ đồ mạch khuếch đại đảo được trình bày trên Hình 2.29.

Nếu ta coi OA là lí tưởng, thì điện trở vào của nó là: Rv  , dòng vào Iv  0. Do

vậy, dòng vào và dòng hồi tiếp bằng nhau, nhưng trái dấu Iv = -Iht. Ta có

. Hệ số khuếch đại khi không có hồi tiếp K0  . Do đó,

và . Hệ số khuếch đại điện áp của tín hiệu khi có hồi tiếp là

Iht

Rht



(2.26)

Hình 2.29. Bộ khuếch đại đảo

Nếu ta chọn Rht = R1, thì K = -1. Như vậy sơ đồ có tính chất lặp lại và đổi dấu

điện áp của tín hiệu (đảo tín hiệu). Vì U0  0 nên Rv = R1. Khi K   thì Rr = 0.

2.4.3. Mạch cộng

2.4.3.1. Mạch cộng đảo

Iht

Rht

Iht

Rht

R1 …… Rn



I1 … In

I1 …In

Sơ đồ mạch cộng đảo được trình bày trên Hình 2.30.

Hình 2.30. Bộ cộng đảo dùng thuật toán Hình 2.31. Bộ cộng không đảo

Giả sử Rht = R1 = R2 = …= Rn = R < Rv thì Iht = -(I1+I2+…+In) và

hay

Theo (2.26), ta có

Nếu ta chọn Rht và R sao cho K = -1, thì

2.4.3.2. Mạch cộng không đảo

Sơ đồ mạch cộng không đảo được trình bày trên Hình 2.31

Vì Ur có giá trị hữu hạn và hệ số khuếch đại K0 khi không có hồi tiếp là rất lớn,

nên điện áp hai đầu vào bằng nhau. Thật vậy, , nên

và

Khi Rv  , dòng đầu vào không đảo sẽ bằng 0.

I1 + I2 +…+ In = 0

hay

và (U1-Uv) + (U2-Uv) +…+ (Un-Uv) = 0

(U1 + U2 +…+ Un) - nUv = 0

U1 + U2 +…+ Un = nUv =

Do đó

Nếu ta chọn sao cho , thì

2.4.4. Mạch trừ

Trên sơ đồ Hình 2.32, ta cho điện trở R1 = Ra/a và R2 = Rb/b. Điện áp lối ra



được tính: Ur = K1.U1 + K2.U2. Tìm K1, K2.

Hình 2.32. Mạch trừ

Trước hết cho U2 = 0, thì mạch trở thành bộ khuếch đại đảo, do đó:

Vậy K1 = -a. Khi cho U1 = 0, mạch trở thành bộ khuếch đại không đảo, do đó:

và

Thay K1 và K2 vào, ta có nếu a = b = .

Xét cả hai lối vào, thì:

Ur = (U2 - U1).

2.4.5. Mạch tích phân

Sơ đồ nguyên lí của mạch tích phân được trình bày trên Hình 2.33a.

Điều kiện cân bằng ở nút A là IC + I = 0; IC = -I.

Mà

và

. Đặt nên

Ta có: (2.29)

2.4.5.1. Mạch lấy tích phân của một tổng

Sơ đồ mạch được bố trí như trên Hình 2.33b. Ta có thể chứng minh được rằng



R … R

Uv1

Uvn

(2.30)

a) b)

Hình 2.33. a) Mạch tích phân; b) Mạch tích phân của một tổng

2.4.5.2. Mạch lấy tích phân hai lớp

Sơ đồ mạch được bố trí như trên hình 2.34a. Ta có thể chứng minh được rằng

(2.31)

2.4.5.3. Mạch lấy tích phân một hiệu

Sơ đồ mạch được bố trí như trên hình 2.34b. Ta có thể chứng minh được rằng

R/2

Uv1



(2.32)

C/2

Uv2

a) b)

Hình 2.34. a) Mạch tích phân hai lớp; b) Mạch tích phân một hiệu

2.4.6. Mạch vi phân

Sơ đồ mạch được bố trí như trên Hình 2.35. Ta có

và Từ đó, suy ra Đặt RC = K, ta thu được

C/2



R/2

(2.33)

c) a) b)

Hình 2.35. a) Mạch vi phân; b) Mạch vi phân hạng hai; c) Mạch vi phân một tổng

2.4.6.1. Mạch tính đạo hàm hạng hai

Có thể tính đạo hàm hạng hai theo sơ đồ trên Hình 2.35b, với

(2.34)

2.4.6.2. Mạch tính đạo hàm của một tổng

Cũng có thể thực hiện sơ đồ mạch tính đạo hàm của một tổng theo sơ đồ Hình

2.35c, ta có:

(2.35)

2.4.7. Mạch logarit



Sơ đồ mạch được bố trí như trên Hình 2.36

Hình 2.36. Mạch logarit

Biết rằng với IS0 là dòng ngược bảo hòa, và I = ID, Ur = -UD.

Sau khi biến đổi, ta được:

Ur = K1lnK2.Uv

2.4.8. Mạch lọc dùng khuếch đại thuật toán

Mạch lọc là một mạng bốn cực, dùng để tách từ một tín hiệu phức tạp những

thành phần có tần số nằm trong một dải nhất định và loại đi những thành phần ngoài

dải tần số đó. Dãi tần số mà mạch lọc cho tín hiệu đi qua được gọi là giải thông của nó.

Mạch lọc được dùng hết sức rộng rãi trong mọi dãi tần số. Chúng còn được dùng để

tách tín hiệu hữu ích khỏi tạp nhiễu.

Có các mạch lọc phổ biến được nêu trên Hình 2.37

c) Lọc thông giải d) Lọc chắn giải a) Lọc tần thấp b) Lọc tần cao

Hình 2.37. Đường đặc trưng của các bộ lọc

Để thực hiện các mạch lọc, người ta có thể dùng mạch RLC, nhưng các loại mạch

này không ổn định và có đặc tuyến không đồng đều. Hiện nay người ta thường dùng

các mạch lọc có hàm truyền đạt bậc hai, vì chúng có nhiều ưu điểm như: đơn giản, hệ

số phẩm chất cao, dễ điều chỉnh và ổn định. Hàm bậc hai có thể viết dưới dạng toán tử

như sau:

Ở đây, p = jRC là hàm biến phức đã chuẩn hóa.

- Với mạch lọc tần thấp bậc hai: b1 = b2 = 0.

- Với mạch lọc tần cao bậc hai: b1 = b0 = 0.

- Với mạch lọc thông giải bậc hai: b2 = b0 = 0.

- Với mạch lọc chắn giải bậc hai: b1 = 0.

a) b) c)

Hình 2.38. a) Mạch lọc tần thấp; b) Mạch lọc tần cao; c) Mạch lọc thông giải

Chương 3. MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

3.1. Dao động riêng

3.1.1. Khung dao động LC

Xét khung dao động gồm cuộn dây có độ tự cảm L, tụ điện có điện dung C, điện

trở thuần của cuộn dây và dây nối bỏ qua, tức là xét khung dao động lí tưởng. Đây là

một hệ có thông số tập trung.

Trong chương trình vật lí phổ thông và vật lí đại cương, ta đã khảo sát khung dao

động LC lí tưởng. Có thể tóm tắt hoạt động của khung dao động như sau (xem Hình

3.1). Nếu tại thời điểm t=0, tụ điện có điện áp U0 do được nạp từ trước, thì nó sẽ bắt

đầu phóng điện. Khi tụ điện phóng điện qua cuộn dây, điện áp trên tụ giảm dần. Do có

hiện tượng tự cảm, trong cuộn dây có suất điện động cảm ứng được sinh ra chống lại

sự tăng của dòng điện này. Do vậy quá trình phóng điện của tụ điện kéo dài cho đến

i = Im

i = 0

UC = U0

UC = 0

i = Im

i = 0

UC = U0

UC = 0

khi điện áp trên tụ điện giảm dần tới 0.

Hình 3.1. Khung dao động LC

Trong khi tụ điện phóng điện, thì dòng điện trong mạch tăng và đạt giá trị cực đại

i= Im, lúc UC = 0. Toàn bộ năng lượng điện trường đã chuyển thành năng lượng từ

trường tập trung trên cuộn dây. Sau khi đạt giá trị cực đại, dòng điện bắt đầu giảm, từ

trường giảm làm xuất hiện suất điện động cảm ứng chống lại sự giảm đó. Do vậy, dòng

điện giảm dần theo hướng cũ và nạp lại điện tích cho tụ điện, có dấu ngược lại so với

ban đầu. Khi dòng điện giảm xuống bằng không là lúc điện áp trên tụ đạt giá trị cực

đại, tức UC = U0. Sau đó, tụ điện lại phóng điện qua cuộn dây, nhưng theo chiều ngược

lại với quá trình trên. Quá trình cứ lặp đi lặp lại và trong mạch có dao động điều hòa

của điện áp và dòng điện.

Biểu thức năng lượng điện trường:

Biểu thức năng lượng từ trường:

UC, i

Đồ thị dao động của điện áp và dòng điện trong mạch được cho trên Hình 3.2

Hình 3.2. Đồ thị dao động của điện áp và dòng điện trong khung dao động

Chu kì dao động riêng của khung là: (3.1)

Tần số dao động riêng là: (3.2)

và tần số góc là: (3.3)

Trong quá trình khung dao động, điện áp trên cuộn dây và trên tụ có giá trị bằng

nhau, và có cùng một dòng điện chạy qua cuộn dây và tụ điện. Do đó, cảm kháng và

dung kháng bằng nhau:

3.1.2. Khung dao động RLC

Trong thực tế, cuộn dây có điện trở thuần đáng kể, do đó năng lượng trong mạch

sẽ bị tiêu hao trên đó. Để xét mạch dưới dạng thông số tập trung, ta đưa vào một điện

trở R, nó bao gồm tải tiêu thụ và điện trở thuần của cuộn dây Hình 3.3.

Do có điện trở R, biên độ trong mạch sẽ giảm dần sau mỗi chu kì và sẽ tắt với

hằng thời gian  nào đó. Ta gọi dao động đó là dao động tắt dần. Sự tắt dần của dao

động tuân theo quy luật hàm mũ:

và

trong đó được gọi là hệ số tắt dần, U0, I0 là biên độ ban đầu của điện áp và

dòng điện

Tần số dao động riêng của mạch được tính theo biểu thức

Um(t)

Um(t+T)

như vậy f0 phụ thuộc nhiều vào R.

Hình 3.3. Khung dao động RLC và đồ thị biểu diễn sự tắt dần của dao động trong mạch

Nếu sự mất mát năng lượng là lớn, thì biên độ giảm nhiều sau nữa chu kì đầu tiên,

tụ điện không được nạp lại. Trong trường hợp này, quá trình trở nên không tuần hoàn

(biểu thức trong căn nhỏ hơn không).

Điều kiện để có dao động tắt dần là . Khi R rất bé để có thể bỏ qua ,

biểu thức f0 trở về dạng tần số của mạch LC lí tưởng.

Nếu không có tải ngoài, thì điện trở thuần của cuộn dây r là nơi tiêu thụ năng

lượng. Để đánh gía mức hao phí năng lượng do bản thân mạch LC, người ta đưa ra đại

lượng gọi là phẩm chất Q của mạch. Q được xác định bằng biểu thức sau:

(3.5)

Q của mạch dao động thường có giá trị từ 100 đến 200

Điều kiện trong mạch có dao động tắt dần là .

3.2. Dao động cưỡng bức

Ta đã biết dao động riêng của mạch sẽ tắt dần. Hiện tượng sẽ thay đổi như thế

nào khi khung RLC được tác động bởi nguồn dao động từ bên ngoài. Nếu dưới tác

động của nguồn tín hiệu ngoài mà trong khung có dao động không tắt dần, thì dao động

đó ta gọi là dao động cưỡng bức. Khi có dao động cưỡng bức, một số hiện tượng trong

mạch sẽ thay đổi. Ta xét sự thay đổi đó.

Về cách đưa tín hiệu ngoài vào với các phần tử của mạch, ta hay dùng hai kiểu

mạch, đó là kiểu mạch nối tiếp và kiểu mạch song song.

3.2.1. Mạch dao động cưỡng bức nối tiếp - cộng hưởng điện áp

3.2.1.1. Mạch dao động cưỡng bức nối tiếp

Mạch gồm cuộn dây L, tụ điện C, điện

trở r và nguồn dao động ngoài E (thực hiện

dao động điều hòa và có nội trở rất bé, có thể

bỏ qua) được mắc nối tiếp với nhau như thấy Hình 3.4. Mạch cộng hưởng nối tiếp

trên hình 3.4.

Tổng trở phức của mạch là:

(3.6)

Môđun của tổng trở là:

(3.7)

Góc lệch pha giữa điện áp hai đầu đoạn mạch RLC và dòng điện trong mạch được

tính theo công thức:

(3.8)

Điện áp trên cuộn dây, tụ điện, điện trở được tính lần lượt bằng

. Lưu ý rằng các đại lượng này nói chung là phức,

nhưng ta viết dưới dạng thực cho đơn giản.

Hiện tượng cộng hưởng trong mạch xảy ra khi trở kháng của mạch là đại lượng

thực, lúc đó dòng điện trong mạch cùng pha với E, tức cos = 1.

Ta rút ra khi cộng hưởng, dung kháng bằng cảm kháng, và tần số dao động riêng

của mạch bằng tần số dao động của nguồn cưỡng bức:

Vì Zch = r nên và ta cũng có UchL = UchC, tức là điện áp trên cuộn dây và

trên tụ điện bằng nhau. Nhưng bởi vì điện áp trên tụ và cuộn dây ngược pha nhau, mà

E = UL + UC + Ur, nên E = Ich.r. Như vậy, khi xảy ra cộng hưởng, thì điện áp trên điện

trở thuần bằng suất điện động ngoài.

Ta có các tỉ số điện áp trên cuộn dây và tụ điện với suất điện động ngoài như sau:

(3.9)

Điều này có nghĩa là trong mạch dao động nối tiếp, khi có cộng hưởng, điện áp

trên cuộn dây và trên tụ điện lớn hơn suất điện động ngoài Q lần. Vì vậy, cộng hưởng

này được gọi là cộng hưởng điện áp.

Ta thấy rằng tổng trở của mạch phụ thuộc vào . Khi cộng hưởng, thì  = 0 (0

là tần số cộng hưởng), tổng trở cực tiểu và bằng điện trở thuần. Nếu  > 0, mạch có

tính chất cảm kháng, và khi  < 0 mạch có tính chất dung kháng.

Q1 > Q2 > Q3

3.2.1.2. Đường cong cộng hưởng

Hình 3.5. Sự phụ thuộc đường cong cộng hưởng vào hệ số phẩm chất

Ta đã biết

Nếu biên độ của suất điện động ngoài không đổi, thì I phụ thuộc vào Z, mà Z phụ

thuộc vào tần số của nguồn cưỡng bức; có đạt cực tiểu khi có cộng hưởng. Do vậy, ta

sẽ có đường cong cộng hưởng, biểu thị sự phụ thuộc giữa tần số f và dòng I trong mạch

như trên Hình 3.5.

Trên đồ thị, ta xét ba đường cong cộng hưởng tương ứng với các hệ số phẩm chất

Q1, Q2, Q3 của mạch. Ta nhận thấy rằng khi Q càng lớn, cũng như điện trở r tiêu hao

càng nhỏ, thì trị số cực đại của đường cong cộng hưởng càng lớn.

3.2.1.3. Dải tần, dải thông của mạch dao động

Thường người ta quy ước, mạch cho qua những dao động có tần số trong khoảng

f0 - f đến f0 + f, với f0 là tần số riêng của mạch và f là độ biến thiên của tần số ứng

với hai giá trị của dòng điện.

tức là

Khoảng tần số tín hiệu được phép đi qua mạch dao động được gọi là dãi tần 2f.

Độ rộng tương đối của đường cong cộng hưởng cho phép tín hiệu đi qua được gọi

là dải thông, kí hiệu là h, và h = 2f/f0

Như vậy, (3.9)

Ta thấy độ rộng dải thông càng nhỏ khi hệ số phẩm chất càng lớn. Trên Hình 3.6,

Ich

0.7Ich

2f2

2f1

nếu Q2 > Q1 thì 2f2 < 2f1.

Hình 3.6. Dải tần, dải thông của mạch dao động

Cần chú ý rằng, hệ số phẩm chất Q đóng vai trò quan trọng. Nó xác định tính

chọn lọc của mạch dao động, khi Q tăng thì tính lọc lựa tăng. Tuy nhiên trong kĩ thuât

vô tuyến điện, nhiều khi ta cần độ rộng dải tần lớn, khi đó ta phải hạ thấp hệ số Q của

mạch.

Cũng từ hệ thức trên, ta có . Như vậy, nếu muốn tăng dải tần mà không

muốn giảm hệ số Q, thì ta cần tăng f0, tức là dùng dao động có tần số cao.

3.2.2. Mạch dao động cưỡng bức song song - cộng hưởng dòng điện

3.2.2.1. Mạch dao động song song, cộng hưởng dòng điện

Giả thiết E là nguồn dao động điều hòa với điện trở trong của nguồn rất lớn (Ri 

). Về hiện tượng, trong mạch sẽ có quá trình dao động cưỡng bức, và có thể xuất hiện

cộng hưởng. Cách khảo sát cũng giống như trong trường hợp mạch mắc nối tiếp, do

vậy ở đây ta chỉ xét một số kết quả có tính chất ứng dụng quan trọng.

Hình 3.7. Mạch cộng hưởng song song

Xét trở kháng ở hai nhánh của khung dao động trên Hình 3.7, ta có:

Z1 = R + jL = R + jXL

Để tìm tần số cộng hưởng, ta sử dụng kết quả đã biết là khi có cộng hưởng thì

không có sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch, tức là trở kháng tương

đương của mạch phải thực, ta có:

L +XLXC) = 0

XC(R2 + X2

Giải phương trình này, ta có kết quả cần tìm.

Trường hợp thứ nhất XC = 0, chỉ khi C  , hoặc   . Ta không xét trường

hợp này.

Trường hợp thứ hai:

L +XLXC = 0  R2 + XL(XL+XC) = 0

R2 + X2

Tần số cộng hưởng được xác định từ Nhớ rằng và

đặt với  là điện trở sóng của mạch, ta có tức

là

Nếu R bé, thì ch  0, tức là mạch có cộng hưởng. Lúc đó trở kháng của mạch sẽ

là:

Khi R bé, từ biểu thức ta có XL = -XC

Thay vào, ta có

Vậy khi cộng hưởng, trở kháng là cực đại và lớn hơn điện trở sóng Q lần. Dòng

điện trong mạch chính có giá trị cực tiểu.

Dòng điện trong các nhánh được tính như sau:

trong đó I là dòng điện trong mạch chính, In là dòng điện trong mạch nhánh (coi dòng

điện trong các nhánh như nhau). Từ đó ta có:

hay In = QI. Vậy dòng điện trong các nhánh lớn hơn dòng điện trong mạch chính Q lần.

Vì thế, người ta gọi trường hợp này là cộng hưởng song song hay cộng hưởng dòng

điện.

3.2.2.2. Ảnh hưởng của điện trở trong Ri của nguồn tín hiệu

Trong khi xét dao động cưỡng bức, chúng ta bỏ qua ảnh hưởng của điện trở trong

của nguồn tín hiệu.

- Trường hợp mạch mắc nối tiếp

Ta đã giả thiết Ri = 0, lúc đó hệ số phẩm chất Q của mạch là:

với h là độ rộng dãi thông. Khi Ri  0, ta thấy rằng Ri và R mắc nối tiếp nhau, nên làm

thay đổi hệ số phẩm chất Q, thành Q1:

hay

Vậy khi Ri  0, hệ số phẩm chất nhỏ đi, đường cong cộng hưởng mở rộng ra. Do

đó, để tăng tính lọc lựa của mạch, khi có dao động cưỡng bức trong mạch mắc nối tiếp,

cần giảm Ri để nguồn tín hiệu ít ảnh hưởng đến mạch dao động.

- Trường hợp mạch mắc song song

Hệ số phẩm chất: . Khi Ri có giá trị hữu hạn, ta thấy rằng Ri mắc

song song với điện trở các nhánh, vì vậy điện trở toàn mạch lúc này là:

Lúc này hệ số phẩm chất của mạch là:

và độ rộng của đường cong cộng hưởng là:

Ta nhận thấy, hệ số phẩm chất của mạch bé đi, đường cong cộng hưởng mở rộng

ra, tức là tính chọn lọc kém đi. Do đó, khi có dao động cưỡng bức trong mạch song

song cần cố gắng tăng Ri để cho nguồn cưỡng bức ít ảnh hưởng đến mạch dao động.

Từ đây ta có thêm kết luận: Khi mắc nối tiếp điện trở với mạch dao động nối tiếp

thì sẽ làm giảm hệ số phẩm chất của mạch và nếu thêm điện trở mắc song song với

mạch dao động song song thì cũng làm giảm hệ số phẩm chất của mạch. Điều đó có

những ứng dụng trong các mạch vô tuyến điện.

3.3. Các mạch liên kết

3.3.1. Mạch liên kết

Trong các mạch vô tuyến điện, nhiều khi cần truyền năng lượng điện từ từ mạch

dao động này sang mạch dao động khác. Lúc đó ta cần có mạch liên kết (mạch ghép)

để thực hiện nhiệm vụ đó. Có nhiều dạng liên kết:

- Liên kết cảm ứng (dùng biến áp) như ở Hình 3.8a.

- Liên kết điện dung như ở Hình 3.8b.

- Liên kết điện trở (liên kết galvanic) như ở Hình 3.8c.

- Liên kết hỗn hợp như ở Hình 3.8d.

a) b)

c) d)

Hình 3.8. Các kiểu mạch liên kết

Trong các mạch liên kết, mạch nối với suất điện động ngoài gọi là mạch sơ cấp,

còn mạch kia là mạch thứ cấp. Để đặc trưng cho sự liên kết, người ta đưa vào hệ số liên

kết k, được định nghĩa bằng hệ thức:

Trong đó k1 là hệ số liên kết của mạch sơ cấp đối với mạch thứ cấp, k2 là hệ số

của mạch thứ cấp đối với mạch sơ cấp.

Xét thí dụ mạch liên kết cảm ứng, là loại thường gặp. Dòng điện i1 trong mạch sơ

cấp đi qua cuộn L1 tạo ra xung quanh nó một từ trường, các đường sức này đi vào các

vòng dây của cuộn L2 và kích thích trong L2 một suất điện động cảm ứng. Suất điện

động cảm ứng này tạo nên dòng i2 trong mạch thứ cấp. Điện áp trên cuộn dây L1 là:

Suất điện động cảm ứng trong cuộn L2 là:

Ta có do đó

Nhân cả tử và mẫu số vế phải với , ta có:

do đó

với Z12 là tổng trở của phần tử liên kết, Z1, Z2 là trở kháng có cùng đặc tính với phần tử

liên kết của các mạch dao động. Hệ số liên kết k có giá trị từ 0 đến 1. Trong các mạch

vô tuyến điện, ta thường chọn k có giá trị khoảng vài phần trăm để độ chọn lọc đủ lớn.

Trong điện kĩ thuật, ở máy biến thế ta cố gắng sao cho k gần bằng 1.

3.3.2. Sự cộng hưởng trong mạch liên kết. Đường cong cộng hưởng

Sự cộng hưởng trong mạch liên kết xảy ra khi dòng điện hay điện áp là cực đại

trên mạch thứ cấp. Trong trường hợp này, ta có sự cộng hưởng toàn phần.

Để có dòng điện cực đại I2, cần phải có suất điện động cảm ứng E2 cực đại và

tổng trở Z2 có giá trị bé nhất. Nếu chỉ đạt được một trong hai điều kiện này, thì chỉ có

cộng hưởng từng phần và không có dòng điện thứ cấp cực đại.

Để có được cộng hưởng toàn phần, cả hai mạch dao động sơ cấp và thứ cấp đều

phải được chỉnh về tần số cộng hưởng.

Trong thực tế đường cong cộng hưởng được quan tâm nhiều hơn cả là đường

cong biểu diễn sự phụ thuộc của dòng thứ cấp vào tần số I2 = g(f) đối với hai mạch

giống hệt nhau và có cùng tần số riêng f01 = f02 = f0. Khi tần số dao động kích thích

bằng tần số dao động riêng f0 thì có cộng hưởng. Liên kết yếu nhất mà vẫn thu được

dòng điện thứ cấp cực đại gọi là liên kết tới hạn. Gọi k0 là hệ số liên kết khi có liên kết

tới hạn, thì k< k0 và k = k0 cũng thỏa mãn trường hợp đó. Lúc này đường cong biểu

diễn có một cực đại (hay là có hai cực đại và một cực tiểu trùng nhau), độ dốc của

k1 = 2.4k0

k = k0

I2max

k > k1

k < k0

đường cong lớn hơn trường hợp cộng hưởng đơn.

2f

(2f)max

b) a)

Hình 3.9. a) Đặc tuyến của mạch cộng hưởng kép; b) Dạng lí tưởng của dải thông

Khi k > k0, đường cong cộng hưởng có hai cực đại và một cực tiểu, nghĩa là có

hai tần số cộng hưởng, một tần số cao hơn và một tần số thấp hơn f0. Còn tại tần số f0

dòng I2 nhỏ đi, và nó sẽ nhỏ đi nhiều hơn khi mức độ liên kết lớn lên (ví dụ

k>k1=2,4k0) như trên Hình 3.9a.

Ta thấy trong trường hợp liên kết tới hạn, đường cong cộng hưởng gần với dạng lí

tưởng hơn: đỉnh bằng và các sườn đứng hơn. Trong phạm vi dải thông, các dao động

có biên độ giống nhau, còn ngoài dải thông, biên độ bị triệt tiêu. Dạng đường cộng

hưởng gần với dạng lí tưởng là hình chữ nhật như ở Hình 3.9b.

Độ rộng của dải thông phụ thuộc vào mức độ liên kết. Khi liên kết mạnh thì độ

rộng dải thông tăng, ngược lại khi liên kết yếu, độ rộng dải thông giảm. Thậm chí khi

liên kết quá yếu, độ rộng dải thông còn có thể bé hơn ở mạch cộng hưởng đơn.

3.3.3. Màn chắn

Trong các mạch vô tuyến điện, thường gặp liên kết cảm ứng hay liên kết điện

dung có hại cho các mạch dao động hay các mạch khác. Để giảm bớt những liên kết

đó, người ta dùng màn chắn. Màn chắn thường là các hộp hay lưới kim loại bao chắn

xung quanh các mạch dao động hay các mạch liên kết.

Để khử liên kết cảm ứng ở tần số thấp, người ta dùng màn chắn bằng sắt non có

độ từ thẩm  lớn. Do có  lớn nên màn có khả năng tập trung các đường sức ở trong

màn mà không cho đi ra ngoài.

Để khử liên kết cảm ứng ở tần số cao, người ta dùng màn chắn bằng kim loại

thuận từ dẫn điện tốt như đồng, nhôm…

Để khử liên kết điện dung kí sinh, người ta dùng các màn chắn bằng kim loại nối

đất (nối với vỏ máy).

Khi cần khử liên kết kí sinh giữa hai cuộn dây, để sự liên kết thuần túy là cảm

ứng, người ta không dùng màn kim loại vì nó cũng khử luôn cả liên kết cảm ứng.

Trong trường hợp này, người ta dùng màn chắn tĩnh điện dạng lưới gồm, các dây dẫn

nối với nhau và một đầu nối đất.

3.3.4. Mạch cộng hưởng thạch anh

Trong các mạch điện tử hiện đại, người ta thay các mạch dao động LC bằng các

mạch tinh thể thạch anh (được cắt một cách thích hợp từ đơn thinh thể thạch anh). Bản

thạch anh có tần số dao động rất ổn định và đặc tuyến tần số gần với dạng lí tưởng.

Kích thước của bản thạch anh bé hơn nhiều so với cuộn dây, do vậy tín hiệu bức xạ từ

nó gần như không đáng kể và ta không cần dùng màn chắn kim loại.

Kí hiệu thạch anh trong các mạch điện tử như trên Hình 3.10a.

Để thực hiện các bộ lọc dải tần, trong các mạch khuếch đại cao tần, hiện nay

người ta dùng các mạch SAW (Surface Acoustic Wave - sóng âm bề mặt) (Hình

3.10b). SAW là loại bản thạch anh đặc biệt, có kích thước bé và đặc tuyến rất lí tưởng.

Do đó, người ta có thể dùng loại mạch khuếch đại phi cộng hưởng kết hợp với SAW để

thực hiện tầng khuếch đại cao tần hay trung tần. Tức là, thay vì dùng nhiều tầng

khuếch đại cộng hưởng, người ta dùng một bộ SAW và sau đó có thể dùng nhiều tầng

phi cộng hưởng để khuếch đại mà vẫn có tính chọn lọc rất cao. Các tầng khuếch đại phi

Out

cộng hưởng chính là các vi mạch tuyến tính, nên đặc tuyến tốt và rất gọn nhẹ.

a) b)

Hình 3.10. Kí hiệu thạch anh và SAW của nó trên sơ đồ

Đối với bản thạch anh dao động, khi có điện trường cao tần tác động lên bản

thạch anh, trong nó sẽ xuất hiện dao động cơ học có độ ổn định cao, các dao động này

có biên độ cực đại khi tần số dao động bằng tần số dao động riêng của bản thạch anh

(hiệu ứng áp điện ngược). Các dao động cơ học làm phát sinh dao động điện (hiệu ứng

áp điện thuận). Như vậy dao động cơ học ổn định của bản thạch anh liên quan mật thiết

với các dao động điện.

Bản thạch anh được xem như một khung dao động nối tiếp (Hình 3.10a), trong đó

Ck đặc trưng cho tính đàn hồi của thạch anh (Ck = 0,1  0,2nF), Lk đặc trưng cho quán

tính của thạch anh (Lk  0,010,2H), còn rk là sự mất mát trong thạch anh (rk  56)

Để mắc thạch anh vào mạch điện, cần có các điện cực, tức là các tấm kim loại áp

vào mặt bản thạch anh. Điện cực này có điện dung C0 (C0 = 20  25nF). Tần số riêng

của bản thạch anh là Tần số của mạch dao động thạch anh, bao gồm bản

thạch anh và điện cực trong đó Ctđ là điện dung tương đương. Vì C0 và

Ck mắc nối tiếp, nên

Mặt khác, vì Ck << C0 nên Ctd < Ck và k < p.

Nhờ có độ phẩm chất lớn nên thạch anh được dùng rất phổ biến trong các mạch

tạo dao động hình sin. Cách thực hiện cũng đơn giản là thay khung LC bằng bản thạch

anh. Tuy nhiên, tương đối khó tạo ra dao động của thạch anh ở tần số lớn hơn 30MHz,

bởi vì với tần số này bề dày của bản thạch anh chỉ vào cỡ 0,3mm. Ở tần số cao hơn,

bản thạch anh còn mỏng hơn nữa, nên rất khó chế tạo và rất dễ vỡ.

Để có tần số cao, người ta thường dùng cách nhân tần số từ dao động của một bộ

dao động thạch anh có tần số thấp hơn.

Chương 4. TẠO DAO ĐỘNG VÀ BIẾN ĐỔI DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ

4.1. Máy phát dao động điều hòa dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính

4.1.1. Nguyên lí chung

Máy phát dao động hình sin thực hiện biến đổi năng lượng nguồn dòng một chiều

thành dòng xoay chiều có tần số theo yêu cầu. Chúng được cấu tạo trên cơ sở khung

dao động được một mạch khuếch đại bù đủ phần năng lượng mà nó bị tiêu hao trong

mỗi chu kì dao động. Như vậy khung dao động và mạch khuếch đại được kết hợp với

nhau như một hệ bảo toàn, tự bù năng lượng. Muốn hệ thực hiện được nhiệm vụ đó,

cần phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Tổng độ dịch pha K +  = 2n trong vòng kín, K là độ lệch pha qua bộ

khuếch đại K.  là độ lệch pha qua khối hồi tiếp ; n = 0, 1, 2, 3,…Công thức trên xác

Ura

định điều kiện cân bằng pha trong bộ khuếch đại có hồi tiếp dương (Hình 4.1).

Hình 4.1. Nguyên tắc của hệ tự dao động

- Điều kiện để cho hệ dao động làm việc là . Đó là điều kiện về biên độ.

Máy phát dao động hình sin sử dụng các mạch dao động LC hoặc RC. Mạch LC

thường được dùng cho vùng tần số cao, còn mạch RC được dùng cho vùng tần số thấp.

4.1.2. Máy phát dao động LC

4.1.2.1. Sơ đồ ghép biến áp hồi tiếp (sơ đồ Miller)

Sơ đồ thí dụ được trình bày trên Hình 4.2a. Mạch thực hiện hồi tiếp dương nhờ

mắc các đầu cuộn dây của biến áp một cách thích hợp. Tần số của mạch dao động do

điện dung C của tụ điện và độ tự cảm L của cuộn dây W1 quyết định:

(4.1)

Giá trị biên độ của tín hiệu hồi tiếp được quyết định bởi số vòng dây của W2. Vì

điện áp hồi tiếp nhỏ hơn điện áp ra, nên tỉ số vòng dây là

4.1.2.2. Sơ đồ ba điểm điện cảm (sơ đồ Hartley)

Sơ đồ được vẽ trên Hình 4.2b.

-E

Cp1

Cp2

Cp1

Cp2

b) a)

Hình 4.2. a) Sơ đồ Miller; b) Sơ đồ Hartley

- Tín hiệu hồi tiếp lấy từ W2.

- Tín hiệu lấy ra trên W1 và W2 ngược pha nhau Cp1 << C.

- Số vòng W2 đảm bảo biên độ điện áp hồi tiếp cho khung dao động.

- R1, R2 là các điện trở định thiên, xác định chế độ làm việc cho tranzito.

- RE, CE là mạch hồi tiếp âm, ổn định chế độ cho tranzito.

- Tần số tạo ra là

(4.2)

với L là độ tự cảm của cả cuộn dây W1, W2.

4.1.2.3. Sơ đồ ba điểm điện dung (sơ đồ Colpits)

Sơ đồ thí dụ được thấy trên Hình 4.3a

+EC

-EC

Cp2

Cp1

a) b)

Hình 4.3. a) Sơ đồ Colpits; b) Mạch tạo dao động RC dùng 3 khâu hồi tiếp

- Điện áp hồi tiếp lấy từ tụ điện C2 đưa tới lối vào qua Cp1.

- Điện áp trên tụ C1, C2 được tính đối với điểm đất chung, nên ngược pha nhau.

Do vậy, điện áp hồi tiếp sẽ gây nên hồi tiếp dương (vì pha tín hiệu ở cực bazơ và cực

colectơ ngược nhau).

- Để đảm bảo biên độ hồi tiếp, cần lựa chọn tỉ lệ thích hợp giữa C1 và C2.

- Tần số do mạch tạo ra là

(4.3)

với

4.1.3. Máy phát dao động RC

Sơ đồ thí dụ nêu trên Hình 4.3b

Điều kiện pha của mạch điện phụ thuộc vào việc chọn số khâu RC, trên sơ đồ có ba khâu. Bản thân phần tử khuếch đại có độ dịch pha 1800. Mỗi khâu chỉ có độ dịch pha nhỏ hơn 900. Như vậy, muốn có độ dịch pha 1800, ta thấy:

- Với độ dịch pha RC = 600 thì cần 3 khâu, - Với độ dịch pha RC = 450 thì cần 4 khâu.

Có thể dùng các khâu có RC khác nhau, nhưng đơn giản là dùng ba khâu có giá

trị giống nhau. Nếu trong trường hợp có ba khâu giống nhau thì

(R1 // R2 // rBE) = R.

Để tính hệ số truyền đạt của mạch dịch pha RC ba khâu, cần viết phương trình

dòng điện cho mạch vòng 21, 2, 3, sau đó dùng phương pháp thế để giải, ta có:

với

Môđun là

Độ dịch pha là

Khi Vht =  thì 2 = 6. Từ đó, ta có tần số dao động

(4.4)

Thay 2 = 6 vào, ta có

Tần số f0 ứng với góc dịch pha 1800 được xác định bởi hệ thức

(4.5)

Do vậy hệ số khuếch đại K = 29.

Người ta thấy rằng số khâu hồi tiếp tăng thì độ ổn định càng tăng.

Có thể dùng vi mạch khuếch đại thuật toán để thực hiện mạch tạo dao động.

Mạch hồi tiếp phụ thuộc tần số được mắc giữa đầu ra và đầu vào đảo (Hình 4.4). Muốn

có hệ số khuếch đại theo yêu cầu (K  29) thì phải chọn tỉ số

Chú ý rằng trên mạch ta có (R1 // R0) = R để thực hiện khâu hồi tiếp thứ ba.

Rht

 +

Trong thực tế, muốn có biên độ cần thiết, có thể hiệu chỉnh Rht.

b) Hình 4.4. Mạch tạo dao động RC dùng thuật toán

Ngoài ra, có thể dùng mạch cầu Wien để hồi tiếp như trên hình 4.4b. Nó không

và Vì vậy, cần có hệ số khuếch đại làm dịch pha ở tần số f0 tại đó

K3, và R1 = 2R2. Để hệ dao động được, người ta thường chọn R1 lớn hơn 2R2 một

lượng r nào đó.

Tần số của mạch dao động được xác định bởi

4.1.4. Tạo tín hiệu hình sin bằng phương pháp biến đổi từ một dạng tín hiệu tuần hoàn khác

Đây là máy phát đa năng, có nhiều ưu điểm, nên được ứng dụng rộng rãi. Hệ kín

bao gồm một mạch tích phân I (gồm mạch khuếch đại thuật toán, điện trở RI và tụ CI)

và mạch điều chỉnh R, cho ra tín hiệu chữ nhật và tam giác: U1 và U2 như trên hình

U1

+U1

Hình 4.5. Nguyên lí tạo tín hiệu hình sin từ dạng tín hiệu tuần hoàn khác

4.5a. Hàm truyền đạt của mạch điều chỉnh là U2 = f(U1) (ta không phân tích hàm này).

Hàm truyền đạt của bộ biến đổi xung “tam giác - sin” U3 = f2(U1) có đồ thị như

trên hình 4.5b. Cụ thể hàm truyền đạt có dạng U3 = a.sinU1. Để thực hiện hàm này có

hai phương pháp chính:

- Xấp xỉ từng đoạn tuyến tính;

- Xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính.

4.1.4.1. Xấp xỉ từng đoạn tuyến tính

Đó là chia khoảng hình sin thành 4n phần nhỏ và thay thế mỗi phần bằng một đoạn

thẳng có độ nghiêng khác nhau. Số n càng lớn thì độ chính xác càng cao và hệ số méo

hình sin càng nhỏ.

Trên sơ đồ Hình 4.6, ta thực hiện phương pháp này với n = 6. Các điôt D1 đến D10

ở trạng thái khóa bởi các điện áp U1  U5. Khi Uv tăng dần và giảm dần ở nữa chu kì

+U1

+U5

 +

D10

U1

U5

dương, thì các D1…D9 mở dần, sau đó khóa dần.

Hình 4.6. Mạch xấp xỉ 5 đoạn tuyến tính để tạo tín hiệu sin từ tín hiệu tam giác

Còn ở nữa chu kì âm thì nhóm D2…D10 cũng mở dần và khóa dần, tạo thành từng

đoạn tín hiệu có độ dốc khác nhau. Độ dốc của từng đoạn được xác định bởi điện dẫn

tác động lên từng khoảng thời gian tương ứng. Khi số thứ tự từng khoảng tăng dần, thì

độ dốc giảm dần. Độ dốc của từng đoạn được xác định bởi:

với n là góc nghiêng của đoạn thứ n.

Tập hợp các đoạn nhỏ có góc nghiêng khác nhau cho ta dạng tín hiệu hình sin.

4.1.4.2. Xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính

Theo cách này, ta chia hình sin ra nhiều đoạn và thay mỗi đoạn bằng một hàm phi

tuyến (thí dụ đường đặc trưng vôn-ampe của điôt có dạng hàm bậc hai, hoặc varistor có n). Kiểu xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính có độ chính xác cao dạng đa thức y = aixi

hơn, nhưng khó thực hiện hơn.

Ở tần số fmax  1MHz người ta thường sử dụng FET để thực hiện sự biến đổi này,

nên cần có biện pháp ổn định nhiệt tốt.

4.1.5. Tạo tín hiệu hình sin theo phương pháp số

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc xấp xỉ hóa từng đoạn kết hợp với lấy mẫu

đều theo thời gian. Phương pháp này bị hạn chế ở tần số cao, nên chưa phổ biến. Sơ đồ

DFC

DAC

khối mô phỏng phương pháp số được thấy trên hình 4.7.

Hình 4.7. Nguyên tắc tạo tín hiệu sin bằng phương pháp số

Tx là bộ tạo xung nhịp. RC là bộ đếm thuận nghịch dùng để mở theo thời gian giá

trị tức thời của đối số. DFC là bộ biến đổi số - hàm dùng để tạo tín hiệu hình sin (dạng

số). DAC là bộ biến đổi số - tương tự. Số lượng mẫu càng lớn thì hình sin có độ chính

xác càng cao.

4.2. Máy phát dao động không điều hòa

Máy phát dao động không điều hòa, thường dùng nguyên tắc tích phóng, mà

trong đó phần tử tích lũy năng lượng thường là tụ điện, mạch phóng điện thường là tải

tiêu thụ. Để thực hiện việc chuyển mạch một cách tự động, ta sử dụng thiết bị chuyển

mạch là tranzito hay vi mạch điện tử. Có thể mô tả nguyên lí máy phát loại này bằng sơ

Nguồn năng lượng

Phần tử tích lũy năng lượng

Mạch phóng điện

đồ ở hình 4.8.

Thiết bị chuyển mạch

Hình 4.8. Nguyên tắc máy phát dao động không điều hòa

4.2.1. Mạch phát xung đa hài dùng tranzito

Sơ đồ nguyên lí của máy phát đa hài tự dao động và biểu đồ thời gian của tín hiệu

Ura1

VB1

Ura2

E

được trình bày trên Hình 4.9.

Ura2

2

+E t

Ura1

VB2

E

Hình 4.9. Máy phát xung đa hài

Trạng thái cân bằng của mạch, trong đó một tranzito bi cấm, một tranzito thông,

chỉ ổn định trong một khoảng thời gian giới hạn nào đó, rồi tự động lật sang trạng thái

kia và ngược lại.

Hai trạng thái nêu trên của mạch đa hài tự dao động còn gọi là các trạng thái

chuẩn cân bằng. Ở đó, những sự thay đổi tương đối chậm của dòng điện và điện áp

giữa các điểm trong sơ đồ dần dần tới một trạng thái tới hạn nào đó, mà tại đấy có

những điều kiện dẫn đến sự tự động chuyển đột ngột từ trạng thái này sang trạng thái

khác. Nếu tác động tới các cửa vào một điện áp đồng bộ nào đó có chu kì lặp xấp xỉ

nhưng ngắn hơn chu kì của điện áp dao động, thì quá trình chuyển đột ngột sẽ xảy ra

sớm hơn. Trong trường hợp đó, ta có chế độ làm việc đồng bộ của mạch phát đa hài tự

dao động, mà đặc điểm chính là chu kì của xung ra phụ thuộc vào chu kì của điện áp

đồng bộ, còn độ rộng của xung ra do các thông số RC của mạch quy định.

Nguyên lí hoạt động của sơ đồ có thể tóm tắt như sau: việc hình thành xung

vuông ở lối ra được thực hiện sau một khoảng thời gian 1 = t1 - t0 (đối với lối ra 1)

hoặc 2 = t2 - t1 (đối với lối ra 2) nhờ sự chuyển trạng thái đột ngột của sơ đồ tại các

thời điểm t0, t1, t2…

Trong khoảng 1, tranzito T1 bị cấm, T2 thông. tụ C1 đã được nạp đầy điện tích

trước t0 sẽ phóng điện qua T2 qua nguồn E, qua R1 theo đường +C1  T2  R1  -C1,

làm cho điện thế trên cực bazơ của T1 thay đổi như trên Hình 4.9b. Đồng thời, trong

khoảng thời gian này, tụ điện C2 được nguồn E nạp theo đường +E  RC  T2  -E,

làm cho điện thế trên bazơ T2 cũng thay đổi như trên Hình 4.9b.

Lúc t = t1, UB1  +0,6V và T1 mở, xảy ra quá trình đột biến thứ nhất nhờ mạch hồi

tiếp dương, làm sơ đồ lật đến trạng thái T1 thông, T2 bị cấm.

Trong khoảng thời gian 2 = t2 - t1, trạng thái trên được giữ nguyên. Tụ điện C2

 +0,6V, làm T2 mở và xảy ra sự đột biến lần thứ hai, chuyển sơ đồ về trạng thái ban

bắt đầu phóng điện và C1 bắt đầu quá trình nạp tương tự như trên cho tới lúc t = t2, UB2

đầu.

1 = R1C1ln2  0,7R1C1

2 = R2C2ln2  0,7R2C2

Các tham số chủ yếu của xung vuông ở lối ra được xác định bởi các hệ thức sau:

Nếu chọn mạch đối xứng R1 = R2, C1 = C2, T1 giống hết T2, thì ta có 1 = 2 và

nhận được sơ đồ mạch phát đa hài đối xứng. Ngược lại, ta sẽ có xung đa hài không đối

xứng khi 1  2. Chu kì của xung vuông là Tra = 1 + 2. Biên độ xung được xác định

gần đúng bằng điện áp nguồn E.

Sơ đồ có hạn chế ở khu vực tần số thấp (dưới 1000 Hz) và tần số cao (trên 10

KHz) do trị số của tụ điện và đặc trưng tần số của tranzito.

4.2.2. Mạch phát xung đa hài dùng vi mạch tuyến tính

Để lập các xung vuông có tần số thấp hơn 1000 Hz, thì sơ đồ vi mạch tuyến tính

dựa trên cấu trúc một mạch so sánh hồi tiếp dương sẽ có nhiều ưu điểm hơn so với sơ

đồ dùng tranzito ở trên. Tuy nhiên do tính chất tần số của vi mạch khá tốt nên với

những tần số cao hơn nữa, việc ứng dụng sơ đồ có vi mạch vẫn có nhiều ưu điểm. Hình



Ura

4.10 nêu sơ đồ nguyên lí của một mạch phát đa hài dùng vi mạch tuyến tính.

Hình 4.10. Máy phát đa hài vi mạch tuyến tính

Nguyên lí làm việc của mạch nêu trên Hình 4.10, được gọi là trigơ Schmidt, như

sau. Trigơ là loại mạch có khả năng lật trạng thái khi có tín hiệu lối vào vượt một mức

ngưỡng nào đó. Khi điện thế đầu vào N đạt tới ngưỡng lật của trigơ Schmidt, thì sơ đồ

chuyển trạng thái và điện áp ra thay đổi một cách đột ngột tới giá trị ngược lại với giá

trị cũ. Sau đó điện thế ở lối ra N thay đổi theo hướng ngược lại và tiếp tục cho tới khi

chưa đạt được ngưỡng lật khác (ví dụ khoảng 1  2). Sơ đồ lật về trạng thái ban đầu

vào thời điểm t2 khi UN = Uđóng = -Umax. Quá trình thay đổi UN được điều khiển bởi

thời gian phóng và nạp của C bởi Ura qua R (Hình 4.11)

Nếu chọn Ura max = -Ura min = Umax thì Uđóng = -Umax.

là hệ số hồi tiếp dương của mạch. Ungắt = Umax với

Cần lưu ý là điện áp vào ở N chính là điện áp trên tụ điện C, được quyết định bởi

sự phóng và nạp điện từ nguồn Umax hay -Umax thông qua R trong các khoảng thời gian

0  1 và 1  2… Lúc đó, phương trình vi phân để xác định UN(t) có dạng:

với điều kiện ban đầu UN(t=0) = Uđóng = -Umax. Phương trình này có nghiệm

UN(t) = Umax[1 - (1 + .exp(-t/RC))].

UN đạt được ngưỡng lật của trigơ Schmidt sau một khoảng thời gian bằng  =

RC.ln(1+2R1/R2). Từ đó chu kì dao động được tính bởi:

Tra = 2 = 2RC.ln(1+2R1/R2).

Nếu chọn R1 = R2, ta có Tra  2,2RC. Như vậy, chu kì của dao động tao ra chỉ phụ

thuộc vào các thông số mạch ngoài R1, R2 (mạch hồi tiếp dương) và R,C (mạh hồi tiếp

âm)

Khi cần thiết kế các mạch đa hài có độ ổng định tần số cao hơn và có khả năng

UN = UC

Umax

Ungắt

Uđóng

Umax

Umax

Ungắt

Uđóng

Umax

Ura

Umax

Umax



Tra

điều chỉnh tần số ra, người ta sử dụng mạch phức tạp hơn (ví dụ có hai mạch so sánh).

Hình 4.11. Qúa trình tạo xung của mạch trigơ Schmidt

4.2.3. Mạch không đồng bộ một trạng thái ổn định

Đây là loại mạch có một trạng thái bền ổn định, trạng thái thứ hai chỉ ổn định

trong một khoảng nhất định (phụ thuộc vào tham số của mạch), sau đó quay về trạng

thái ổn định bền ban đầu. Mạch còn gọi là đa hài hay rơle thời gian.

4.2.3.1. Đa hài chế độ đợi dùng tranzito

Uvào

x

Tvào

UB1

Ura

0.6V

UB2

Ura

Tra

E

Ura

Thí dụ về một mạch đa hài chế độ đợi được trình bày trên Hình 4.12.

Hình 4.12. Mạch đa hài chế độ đợi

Thực chất đây là mạch trigơ RS mà trong đó điện trở hồi tiếp dương được thay

thế bằng một tụ điện. Trạng thái ban đầu là T2 thông, T1 bị cấm (nhờ R1). Do T2 thông,

nên UCE2  UB1  0 làm cho T1 bị cấm. Đây là trạng thái bền ổn định (gọi là trạng thái

đợi). Tại t = t0 có xung dương ở lối vào, làm T1 thông. Điện thế UCE1 giảm từ +E

xuống gần bằng 0. Bước nhảy điện thế này thông qua bộ lọc tần số cao RC đặt toàn bộ

vào bazơ T2 làm điện thế trên bazơ thay đổi đột ngột từ mức thông +0,6V đến mức -E

+ 0,6V  -E. Khi đó, T1 được duy trì ở trạng thái thông nhờ mạch hồi tiếp dương R1R2

(ngay cả khi xung thôi tác dụng, điện áp xung bằng 0). Tụ điện C bắt đầu được nạp

điện, làm điện thế UB2 thay đổi:

Nếu ở t = t0 mà UB2 = -E, thì khi t = , UB2 = E. T2 bị cấm cho tới t = t1, khi đó

UB2 = +0,6V.

Độ dài xung ra bằng tx = t1 - t0 = RCln2 = 0,7RC.

Sau lúc t = t1, T2 thông và quá trình hồi tiếp dương qua R1 đưa mạch về trạng thái

ban đầu đợi xung vào tiếp theo.

Chú ý đến điều kiện x < tx < Tv với x là độ rộng xung vào, Tv là chu kì xung vào.

Nếu thỏa mãn điều kiện đó thì Tra = Tv.

4.2.3.2. Mạch đa hài chế độ đợi dùng vi mạch thuật toán

Sơ đồ thí dụ được nêu trên Hình 4.13.

Để đơn giản, ta giả thiết vi mạch được cấp nguồn đối xứng E. Do đó, Urmax =

Urmin = Umax. Lúc t < t1 thì Uv = 0 và Ur = -Umax, UC = UN = 0.

Qua mạch hồi tiếp dương R1, R2, Up = - Umax với

Uvào

Tvào

UC=UN

Uramax

Ura

 +

Uramin

Uvào

Ura

Uramax

Uramin

Đây là trạng thái ổn định bền của mạch, do điôt D đã ghim mức điện áp ở .

Hình 4.13. Mạch đa hài chế độ đợi dùng vi mạch

Lúc t = t1, xung nhọn dương được đưa vào đầu P. Nếu biên độ thích hợp và lớn

hơn - Umax thì dẫn đến lật trạng thái, và ta có một trạng thái cân bằng không bền với

Ur = +Umax = Umax. Qua mạch hồi tiếp dương, ta có Up = Umax. Sau t1, điện áp Umax

nạp cho tụ điện C làm cho UC = UN tăng dần lên cho tới t = t2. Khi đó UN = Umax thì

xảy ra đột biến, do UN - Up đổi dấu, điện áp ra đổi dấu lần thứ hai, dẫn đến Ur = Umin =

-Umax (trên đồ thị từ t1 đến t2, UN > UC > 0 nên điôt phân cực ngược và có điện trở rất

lớn).

Tiếp sau t2, do tụ điện C phóng điện qua R, giá trị điện áp ra lúc đó dần tới -Umax,

tại t = t3, UC = UN = 0, điôt trở nên mở, ghim thế lối vào đảo ở giá trị 0, mạch quay về

trạng thái đợi ban đầu.

Ta có nhận xét, độ rộng xung tx = t2 - t1 được xác định bởi quá trình tụ điện C nạp

max = U-

rmin = Umax, ta có:

từ mức 0 tới Umax. Với giả thiết U+

UC(t) = UN(t) = Umax[1 - exp(t/RC)].

Thay UC(t1) = 0 và UC(t2) = Umax vào, ta có

Gọi t3 - t2 = thph là thời gian hồi phục về trạng thái ban đầu có liên quan tới quá

trình phóng điện của tụ điện C từ Umax về mức 0 hướng tới lúc xác lập UC() = -Umax,

UC(t) = UC() - [UC() - UC(0)].exp(-t/RC)

Cho UC(t) = 0, ta suy ra

vì  < 1 nên tx >> thph.

Người ta cố gắng chọn các thông số và cải tiến mạch để thph nhỏ, nâng cao độ tin

cậy mạch khi có dãy xung tác động ở lối vào. Khi đó cần tuân theo điều kiện tx + thph <

Tv = Tr với Tv là chu kì của xung kích thích ở lối vào.

4.2.4. Mạch dao động nghẹt

Mạch phát dao động nghẹt (blocking generator) là một bộ khuếch đại đơn hay

đẩy kéo, có hồi tiếp dương mạnh qua một biến áp xung (Hình 4.14), nhờ đó tạo ra các xung có độ rộng 10-3 đến 10-6s và có biên độ lớn. Mạch phát dao động nghẹt có thể làm

việc ở chế độ tự dao động, đồng bộ, đợi hay chế độ phân tần.

Hình 4.14 là sơ đồ của mạch phát dao động nghẹt tự dao động gồm một tranzito T

mắc kiểu CE với biến áp xung Tr có ba cuộn: cuộn sơ cấp Wk, hai cuộn thứ cấp WB và

Wt. Quá trình hồi tiếp dương thực hiện từ Wk sang WB nhờ cực tính ngược nhau của

 EC +

+ Wt 

UB   +

chúng.

Hình 4.14. Mạch dao động nghẹt

Tụ điện C và điện trở R để hạn chế dòng điện cực bazơ. Điện trở R tạo dòng

phóng điện cho tụ C (lúc T khóa). Điôt D1 để loại xung có cực tính âm trên tải, sinh ra

khi tranzito chuyển từ chế độ thông sang chế độ cấm. Mạch R1, D2 dùng để bảo vệ

tranzito khỏi bị quá áp. Các hệ số biến áp của biến áp xung được xác định bởi:

Quá trình dao động xung liên quan tới thời gian thông và được duy trì ở trạng thái

bảo hòa (nhờ mạch hồi tiếp dương) của tranzito. Kết thúc việc tạo xung là lúc tranzito

ra khỏi trạng thái bảo hòa và chuyển đột biến về chế độ cấm nhờ hồi tiếp dương.

- Trong khoảng 0 < t < t1, T bị cấm do điện áp đã nạp trên C: UC > 0. Tụ C phóng

điện qua mạch WB  C  R  RB  -E. Tại thời điểm t1, điện áp UC = 0 (Hình 4.15).

- Trong khoảng t1 < t < t2, khi UC chuyển qua giá trị 0, xuất hiện quá trình đột

biến (blocking) thuận nhờ hồi tiếp dương qua WB, dẫn tới mở hẵn tranzito đến mức bảo

hòa.

- Trong khoảng t2 < t < t3, T bảo hòa sâu, điện áp trên cuộn Wk gần bằng trị số E.

Đó là giai đoạn tạo đỉnh xung, có sự tích lũy năng lượng từ trong các cuộn dậy của

biến áp. Lúc này tốc độ thay đổi dòng colectơ giảm đi, nên suất điện động cảm ứng

trên Wk, WB cũng giảm, làm cho dòng iB giảm theo, do đó làm giảm mức bảo hòa của

EC

EC/nB

EC/nt

C nạp

C phóng

iBbh

T, đồng thời tụ điện C được iB nạp điện theo chiều: đất  T  RC  WB  đất.

Hình 4.15. Biểu diễn quá trình tạo dao động của mạch blocking

Khi iB giảm tới mức bảo hòa iBbh = iCbh/ sẽ xuất hiện hồi tiếp dương theo hướng

ngược lại, T thoát khỏi trạng thái bão hòa và đột ngột về trạng thái cấm, iC = 0. Tuy

nhiên do hiện tượng tự cảm của cuộn dây trên cực colectơ, sẽ hình thành một mức điện

áp âm biên độ lớn (lớn hơn E). Sau đó tụ C phóng điện, duy trì T ở trạng thái cấm cho

tới khi UC = 0, sẽ lặp lại một chu kì làm việc mới.

Độ rộng xung tính được là:

2Rt là tải phản ảnh về

Trong đó rv là điện trở vào của tranzito lúc thông; Rt = nt

mạch cực colectơ (mạch sơ cấp);  là hệ số khuếch đại tĩnh của T.

- Thời gian hồi phục t4  t6 do thời gian phóng điện của tụ điện quyết định và

được xác định bởi:

Nếu bỏ qua các thời gian tạo sườn trước và sườn sau thì chu kì xung là Tx  tx +

thph và tần số của dãy xung là:

(4.8)

- Sơ đồ mạch phát dao động nghẹt có thể dùng hai tranzito mắc đẩy kéo để tạo ra

các xung vuông với hiệu suất năng lượng cao và tham số xung tốt.

4.2.5. Mạch tạo xung răng cưa

Mạch phát điện áp răng cưa thuộc loại máy phát dao động tích thoát. Các xung

dao động có dạng răng cưa. Mạch phát xung răng cưa được ứng dụng nhiều trong các

mạch quét của máy thu hình, dao động kí, ra đa…Để thực hiện nó, có thể dùng nhiều

cách khác nhau, ở đây ta lấy thí dụ tạo xung răng cưa bằng tranzito và vi mạch điện tử.

4.2.5.1. Mạch tạo xung răng cưa dùng tranzito

Trên sơ đồ Hình 4.16 là mạch tạo xung răng cưa dùng tranzito n-p-n hoạt động ở

chế độ đợi.

Chọn các điện trở phân cực để tranzito T ở trạng thái cấm khi chưa có xung kích

thích đồng bộ. Lúc này dòng một chiều đi qua RC để nạp điện cho tụ C trong khoảng

thời gian t1. Khi có xung đồng bộ, tranzito T thông, tụ điện phóng điện trong khoảng

Ura

Umax

Umin

thời gian t2.

Hình 4.16. Mạch tạo xung răng cưa

4.2.5.2. Mạch tạo xung răng cưa bằng vi mạch khuếch đại thuật toán

Mạch này được xây dựng trên cơ sở mạch tích phân đảo, trong đó mạch hồi tiếp

có tụ điện C như hình 4.17. Giả thiết U0 = 0, điện áp ra có dạng:

trong đó Q0 là điện tích có trên tụ điện tại t = 0

Ura

 +

Với ta có

thành phần Ura0 được xác định từ điều kiện ban đầu

của tích phân Hình 4.17. Tạo xung răng cưa bằng vi mạch Ura0 = Ura(t=0) = Q0/C

Như vậy ta đã hình thành được xung răng cưa, khi tín hiệu vào là xung chữ nhật.

Người ta có thể tạo ra đồng thời xung vuông và xung tam giác nhờ ghép nối tiếp

một bộ tích phân sau một mạch trigơ Schmidt. Trong sơ đồ ở Hình 4.18, mạch trigơ tạo

ra các xung vuông, còn mạch tích phân tạo ra xung tam giác. Hai mạch này mắc nối

tiếp với nhau và tạo thành vòng hồi tiếp kín kích thích lẫn nhau làm lật các trạng thái

+ 

để tạo xung.

Hình 4.18. Mạch tạo xung vuông và xung răng cưa

4.3. Điều biến tín hiệu

Trong thông tin liên lạc, tín hiệu của tin tức cần phải truyền đi xa. Các tín hiệu

này thường có tần số thấp, và với loại tín hiệu này khả năng bức xạ vô tuyến rất thấp

nên khó truyền đi xa được. Đối với tín hiệu tần số cao, bức xạ vô tuyến rất tốt, truyền

đi xa được, nhưng đó là loại tín hiệu con người không cảm nhận được. Do vậy phải gửi

tín hiệu tần số thấp vào tín hiệu tần số cao để nhờ nó “mang” đi xa là rất cần thiết trong

thông tin vô tuyến. Quá trình “gửi” tín hiệu tần số thấp lên tín hiệu tần số cao gọi là

quá trình biến điệu, hay điều biến (điều chế).

Giả sử tín hiệu cần truyền đi có phương trình F(t). Tín hiệu cao tần là tín hiệu

hình sin có tần số lớn và có phương trình U = Umcos(t + ). Với các đại lượng đặc

trưng cho dao động Um, ,  ta có ba phương thức điều biến sau:

- Nếu Um  F(t), còn  = const,  = const, thì đó là điều biến biên độ (điều biên)

- Nếu   F(t), còn Um = const,  = const, thì đó là điều biến tần số (điều tần)

- Nếu   F(t), còn  = const, Um = const, thì đó là điều biến pha (điều pha)

Trong kĩ thuật người ta thường dùng điều biến biên độ và điều biến tần số, nên ở

đây ta trình bày hai loại điều biến này.

4.3.1. Điều biến biên độ

4.3.1.1. Nguyên lí điều biến biên độ

Điều biến biên độ

Tín hiệu U2

Tín hiệu đã được điều biến

Tín hiệu U1

Sơ đồ khối và dạng tín hiệu của điều biến biên độ được trình bày trên Hình 4.19

Hình 4.19. Nguyên lí điều biến biên độ

Giả sử sóng mang có phương trình u1 = U1cost, với  là tần số sóng mang. Dao

động của tín hiệu cần truyền đi có phương trình u2 = U2cost, với  là tần số tín hiệu

cần truyền đi. Mối quan hệ hệ giữa hai tần số là  = 2F << 2f = .

Ta đặt hai điện áp u1 và u2 lên một yếu tố phi tuyến, tại đoạn cong của đặc tuyến,

ví dụ của tranzito, điôt…Với yếu tố phi tuyến, quan hệ giữa dòng ra và điện áp đặt vào

có thể viết dưới dạng tổng quát sau (chẳng hạn, tranzito mắc kiểu CE):

B +…

iC = iC0 + aUB + bU2

Để đơn giản, ta giới hạn xét đến số hạng bậc hai:

2cos2t

iC = IC0 + a(u1 + u2) + b(u1 + u2)2

= IC0 + aU1cos t + aU2cos t + bU1

2cos2t + 2bU1U2costcost

+ bU2

Lưu ý là sau khi biến đổi ta được

Ta thấy xuất hiện thành phần có tần số  với biên độ thỏa

mãn yêu cầu đặt ra, tức biên độ này biến thiên theo quy luật của tín hiệu. Ta gọi thành

phần điều biến là iđb, thì:

Như vậy, hai thành phần tín hiệu và sóng mang qua

yếu tố phi tuyến sẽ cho một tín hiệu phức tạp. Phổ tín hiệu

ra giàu hơn phổ tín hiệu vào. Để lấy riêng ra thành phần

điều biến, ta cần có bộ lọc với tần số  và độ rộng dãi

thông 2. Trên mạch cộng hưởng (xem Hình 4.20), ta thu

Hình 4.20. Mạch điều biến biên độ được:

với U0 = aU1Zch.

4.3.1.2. Hệ số điều biến

Hệ số điều biến thể hiện độ sâu của tín hiệu điều biến. Sự thay đổi độ sâu của tín

hiệu điều biến có quan hệ đến hiệu suất của máy phát. Trong biểu thức trên, ta đặt

và gọi M là hệ số điều biến, như vậy:

u = U0(1 + Mcost)cost = UMcost.

Ta thấy rằng biên độ UM có giá trị cực đại là Umax = U0(1 + M) và giá trị cực tiểu

là Umin = U0(1 - M). Do đó

Ta có một số trường hợp đặc biệt sau:

M = 0 thì Umax = Umin, không có điều biến.

M = 1 thì Umin = 0, điều biến tối đa.

M > 1 thì sóng mang bị cắt

Vậy, để có điều biến bình thường, thì M phải thỏa mãn điều kiện 0 < M  1. M

càng gần 1 càng tốt, nên các đài phát thanh thường chọn M từ 90% đến 100%.

Ta biểu diễn dao động điều biến trong các trường hợp trên như ở Hình 4.21.

Biểu thức u = U0(1 + Mcost)cost còn có thể viết lại dưới dạng:

u = U0cost + (M/2)U0cos( - )t + (M/2)U0cos( + )t

Như vậy, dao động đã bị điều biến gồm ba thành phần có tần số  và (  ).

c) M > 1 a) M < 1 b) M = 1

Hình 4.21. Dạng tín hiệu điều biến biên độ phụ thuộc vào hệ số M

Dùng phương pháp phổ, ta có thể biểu diễn tín hiệu điều biến như ở hình 4.22.

Trên phổ ta thấy:

- Thành phần tần số  có biên độ U0

- Thành phần tần số  - , có biên độ (M/2)U0.

(M/2)U0



  



 + 

- Thành phần tần số  + , có biên độ (M/2)U0.

Hình 4.22. Phổ của dao động điều biến biên độ

4.3.2. Điều biến tần số

Như đã nói, điều biến tần số là làm cho tần số của sóng mang biến thiên theo quy

luật của tín hiệu cần truyền đi. Quá trình điều biến được thể hiện trên Hình 4.23.

Do tần số sóng mang thay đổi, nên khác với điều biên, độ sâu điều biến được xác

định bởi số gia của tần số biến thiên so với tần số mang trung tâm 0. Đối với lĩnh vực

truyền thanh, khi mà tín hiệu chỉ biến đổi trong phạm vi hàng chục kHz, thì sóng mang

cũng đã cần có tần số hàng chục triệu Hz. Do vậy, trong trường hợp tín hiệu có tần số

cao và dãi tần rộng, thì sóng mang phải có tần số cực lớn, nếu không sẽ ảnh hưởng đến

Uth

Ubd

0

max

min

giá trị của thành phần có tần số  - .

Hình 4.23. Dạng tín hiệu điều biến tần số

4.3.2.1. Nguyên tắc điều biến tần số

Hình 4.24 trình bày nguyên tắc của điều biến tần

số. Tụ điện Cx có điện dung biến đổi theo quy luật của

tín hiệu cần điều biến (Cx có thể là micro điện dung).

Như vậy, tần số dao động của mạch LC sẽ thay đổi

Hình 4.24. Mạch nguyên lí điều biến tần số theo quy luật của tín hiệu. Để sự thay đổi tần số do tín

hiệu gây nên bé hơn nhiều so với tần số sóng mang, ta chọn Cx << C.

4.3.2.2. Bộ hạn biên

a) b)

Hình 4.25. a) Đặc tuyến bộ hạn biên; b) Sơ đồ nguyên lí bộ hạn biên

Ưu điểm chính của tín hiệu điều tần là sử dụng được mạch hạn biên để loại trừ tác

động của nhiễu. Trong thực tế, nhiễu trên đường truyền chủ yếu tác động vào biên độ

của tín hiệu cao tần, nên sau khi ta “xén biên” tín hiệu điều tần, thì ảnh hưởng của

nhiễu biên độ bị loại trừ.

Nguyên lí làm việc của bộ hạn biên dựa trên tính chất của yếu tố phi tuyến.

Thường người ta dùng điôt làm nhiệm vụ hạn biên, như thấy trên Hình 4.24.

Trên sơ đồ, bộ R1, E1 có tác dụng dịch đặc tuyến của D1 về phía âm, còn bộ R2, E2

có tác dụng dịch đặc tuyến của D2 về phía dương. Để thấy rõ điều này, ta tách sơ đồ

Ura

E1

Ura

+E2

Ura

+E2

trên thành hai sơ đồ hạn biên trên và hạn biên dưới như ở Hình 4.26.

Hình 4.26. Nguyên tắc làm việc của mạch hạn biên

4.4. Tách sóng

Tách sóng là quá trình tách dao động điều biến ra khỏi dao động bị điều biến. Về

mặt tần số mà nói, nếu coi điều biến là quá trình chuyển phổ của tín hiệu (dao động

điều biến) từ miền tần số thấp lên miền tần số cao, thì tách sóng là quá trình ngược lại,

chuyển phổ của tín hiệu trở về miền số thấp với kết cấu ban đầu như trước khi điều

biến.

Cả hai quá trình này đều liên quan đến sự biến đổi phổ tần số, cho nên cũng như

điều biến, quá trình tách sóng đòi hỏi phải dùng một phần tử phi tuyến tính và sau đó

phải dùng mạch lọc để lọc lấy thành phần có ích mong muốn.

Quá trình tách sóng không những cần thiết cho máy thu (thu thanh cũng như thu

hình…) mà còn được dùng rất phổ biến trong các thiết bị đo lường vô tuyến điện.

100

4.4.1. Lý thuyết tách sóng biên độ

Để đơn giản tính toán, giả sử anten của máy thu thu được dao động mang có tần

số , bị điều biến bằng tín hiệu điều hòa có tần số , nghĩa là coi điện áp trong anten

thu có dạng:

Biểu thức u = UMcost = U0(1 + Mcost)cost

= U0cost + (M/2)U0cos( - )t + (M/2)U0cos( + )t

trong đó M là hệ số điều biến, tỉ lệ với biên độ U2 của dao động điều hòa.

Vấn đề là phải tách tín hiệu ra khỏi sóng bị điều biến, mà không làm biến dạng tín

hiệu u2 = U2cost.

4.4.1.1. Tách sóng bình phương

Đặt điện áp điều biến u lên phần tử phi tuyến tính, gọi là bộ tách sóng, ví dụ điôt

bán dẫn D trong Hình 4.27, có đặc tuyến vôn-ampe:

i = f(u) = C + au + bu2.

Hình 4.27. Mạch tách sóng bình phương

Ở đây ta chỉ giới hạn ở số hạng bậc hai, đủ cho mục đích đặt ra. Do đó, bộ tách

sóng được gọi là tách sóng bậc 2.

Mắc nối tiếp với phần tử phi tuyến một điện trở tải R. Để đơn giản ta xem R là

điện trở thuần có trị số bé hơn nhiều so với điện trở của bộ tách sóng.

Yêu cầu là phải thu được dao động làm điều biến trên tải R.

Để tìm biểu thức giải tích của dòng điện trong mạch, ta đặt biểu thức của u vào

2(1+Mcost)2cos2t

biểu thức của i, ta có:

i = C + aU0(1+Mcost)cost + bU0

101

Sau khi tính toán ta có thể viết gọn:

trong đó I0 là thành phần dòng điện không đổi, ict là tập hợp các dòng điện cao tần có

tần số , 2,   , 2  , 2(  ).

Như vậy là sau khi qua bộ tách sóng bình phương, đã xuất hiện thành phần hữu

ích tần số , không có trong dao động điều biến và mục đích tách sóng đạt được.

Tuy nhiên như ta thấy theo công thức trên, đồng thời cũng xuất hiện thành phần

tần số 2, gần , khó tách riêng ra. Người ta nói xuất hiện sự méo phi tuyến. Thành

phần này càng lớn khi hệ số điều biến M càng lớn. Vì thế trong truyền thanh nghệ

thuật, dù để tiết kiệm công suất, vẫn chọn M không lớn. Việc xuất hiện thành phần tần

số 2 là nhược điểm của sự tách sóng bình phương.

4.4.1.2. Tách sóng tuyến tính (bậc nhất)

Trường hợp dao động điều biến có biên độ đủ lớn, thì ta có thể bỏ qua độ cong ở

gốc đặc tuyến vôn-ampe và xem nó có dạng đường thẳng gãy khúc (Hình 4.28) có biểu

thức liên hệ giữa i và u:

hằng số khi u > 0

khi u < 0

Điều này có nghĩa là coi bộ tách sóng là lí tưởng: điện trở theo chiều ngược bằng

T 4

T

vô cực và điện trở theo chiều thuận có giá trị không đổi và giới nội.

Hình 4.28. Nguyên lí tách sóng tuyến tính

Theo đồ thị trên Hình 4.28, chúng ta thấy khi đó dòng điện là những xung nữa

chu kì. Đó là dòng điện phức tạp, gồm có thành phần tần số mang , các thành phần

102

tần số bội của , thành phần không đổi và thành phần hữu ích tần số . Thật vậy, để

đơn giản lí luận, ta hãy giả sử điện áp đặt vào bộ tách sóng là chưa bị điều biến (có

biên độ không đổi).

Như vậy, sau khi qua bộ tách sóng, dòng điện có dạng các xung nữa chu kì như

trên hình. Nó là hàm số tuần hoàn có chu kì T, có dạng giải tích i = Imcost trong

khoảng

Theo lí thuyết phổ Fourier, có thể phân tích dòng điện i thành tập hợp dao động

có tần số 0, , 2,… n với các biên độ tương ứng là:

(chẵn)

lẻ

Bây giờ nếu dao động bị điều biến biên độ, thì trong kết quả trên, ta chỉ cần thay

Im bằng I0(1 + cos t) là được, nghĩa là xuất hiện thành phần hữu ích có dạng:

Như vậy, mục đích tách sóng đã đạt được.

Chú ý là ở đây không xuất hiện thành phần tần số gấp đôi 2 nghĩa là không có

sự méo phi tuyến. Đó là ưu điểm của tách sóng tuyến tính.

Cần nhấn mạnh rằng chữ tuyến tính ở đây không có nghĩa là toàn bộ đặc tuyến

vôn-ampe là đường thẳng, mà thực chất nó là đường gãy khúc, bộ tách sóng vẫn là yếu

tố phi tuyến tính, và có như vậy nó mới làm được nhiệm vụ tách sóng.

4.4.1.3. Tách sóng kép

Tương tự chỉnh lưu hai nữa chu kì, có thể thực hiện sự tách sóng kép (còn gọi là

tách sóng bội áp). Nguyên lí mạch tách sóng kép được mô tả trên Hình 4.29.

Do lấy ra được hai nửa của toàn chu kì, nên hiệu suất của mạch cao hơn. Tuy

nhiên trên thực tế vấn đề hiệu suất ở đây không quan trọng lắm, nên người ta chỉ cần

103

mạch tách sóng đơn là đủ.

Cần lưu ý là không phải yếu tố phi tuyến nào cũng có khả năng tách sóng, chẳng hạn yếu tố phi tuyến có đường đặc tuyến i = k3 không thực hiện được nhiệm vụ tách

sóng.

Hình 4.29. Mạch tách sóng kép

4.4.2. Bộ lọc

Như đã thấy, sau khi qua bộ tách sóng, ngoài thành phần hữu ích ra, còn có thành

phần có tần số cao. Khác với trường hợp lọc cao tần, đối với thành phần tần số thấp

dùng bộ lọc cộng hưởng LC không tốt vì hai lẽ: một là vì  bé, cần có trị số L và C

lớn, hai là vì sự cộng hưởng lại có hại, vì ở đây cần lọc cả một dải tần số thấp, không

có tính chất ưu tiên. Do đó người ta thường dùng bộ lọc RC (còn gọi là tải hay mạch

công tác của bộ tách sóng). Bộ lọc này có thể mắc nối tiếp với bộ tách sóng như trên

Hình 4.30.

Hình 4.30. Mạch lọc sau tách sóng

Yêu cầu của bộ lọc là phải khử thành phần cao tần và giữ lại thành phần hữu ích

(chẳng hạn, đó là thành phần âm tần trong máy thu thanh).

Ta có thể hiểu tác dụng của bộ lọc theo nhiều cách như sau:

Cách 1, bộ lọc tạo thành mạch rẽ. Muốn vậy, chọn R và C sao cho dung kháng

của tụ điện C đối với thành phần cao tần rất nhỏ so với R (1/C << R), khi đó thành

104

phần cao tần chỉ đi qua tụ điện mà không đi qua R.

Mặt khác dung kháng của tụ điện C đối với thành phần tần thấp rất lớn so với R

(1/ C >> R), khi đó thành phần tần thấp chỉ đi qua R. Trên điện trở này, ta thu được

điện áp hữu ích.

Như vậy, cần chọn RC thỏa mãn điều kiện:

Cách 2, thực ra, cả hai nhánh R và C tương đương với một tổng trở Z nào đó, có

thể xác định được theo công thức:

Từ đó ta tính được:

Nếu chọn RC sao cho 2C2R2 >> 1 (với  là tần số của thành phần cao tần), tức

là thì Z sẽ rất bé, và thành phần cao tần đi qua tải không gây nên sự sụt áp

đáng kể, tức là thành phần cao tần bị khử đi. Nhưng đối với thành phần hữu ích có tần

số  thì:

Nếu ta chọn R sao cho 2C2R2 << 1 tức là thì Z  R, không bé. Dòng

điện tần số  khi đi qua tải, cho ta sụt áp đáng kể, tức là đã tách được thành phần hữu

ích. Hiển nhiên thành phần không đổi cũng đi qua R, nhưng ta không cần để ý đến.

Cách 3, cũng có thể hiểu vấn đề theo cách khác, đi sâu vào bản chất vật lí của quá

trình xảy ra trong mạch lọc RC. Thực chất quá trình lọc là quá trình tích điện và phóng

điện của tụ C. Tụ điện C được tích điện bằng những xung điện. khoảng giữa các xung,

tụ điện C phóng điện qua điện trở R (nó không phóng được qua bộ tách sóng D vì điện

trở ngược của D lớn). Đặc tính quá trình tích và phóng điện tức là quy luật biến đổi của

điện áp trên tụ điện (cũng là trên tải) do quan hệ giữa hằng số thời gian  = RC và các

chu kì T, T quyết định.

Thực vậy, khi tụ phóng điện, điện áp trên nó biến đổi theo định luật:

u = U0e-1/RC

105

trong đó RC =  là hằng số thời gian của mạch phóng điện.

Có thể xảy ra ba trường hợp:

a. Trường hợp  = 1 << T << T

Nếu 1 bé hơn nhiều so với chu kì dao động cao tần T (ví dụ trường hợp này C

rất bé) thì tụ điện phóng điện nhanh, điện áp trên tụ điện biến đổi theo đúng các xung

dòng điện. Người ta nói mạch không có quán tính ngay cả đối với thành phần cao tần.

Điện áp trên tụ điện lúc này có dạng xung, tức là gồm cả thành phần cao tần và âm tần,

không tách được thành phần hữu ích ra; mục đích lọc không đạt được.

b. Trường hợp T <<  = 2 << T

Ví dụ, tăng điện dung C lên sao cho hằng số thời gian lớn hơn nhiều so với chu kì

của dao động cao tần, nhưng vẫn còn rất bé so với chu kì dao động âm tần. Bây giờ tụ

điện không kịp phóng điện trong khoảng thời gian giữa các xung (Hình 4.31). Bộ lọc

có quán tính đối với thành phần cao tần. Tụ điện được tích điện dần. Rõ ràng giá trị

giới hạn của điện áp trên tụ sẽ tăng cùng với biên độ của xung (đường gãy khúc trên

Hình 4.31), mà biên độ này lại biến thiên theo định luật của dao động hữu ích. Mặt

khác, vì 2 << T nên đối với thành phần tần số âm, mạch có tính chất như đã xét ở

trường hợp trên, tức là mạch không có quán tính đối với thành phần hữu ích. Kết quả là

T

trên tụ (tức trên tải) ta thu được điện áp hữu ích tần số .

Hình 4.31. Ảnh hưởng của bộ lọc RC đối với tín hiệu

c. Trường hợp  = 3 >> T

Bây giờ nếu làm cho hằng số thời gian lớn hơn nhiều so với ngay cả chu kì T thì

mạch lọc sẽ làm sai hỏng ngay cả đối với thành phần hữu ích. Lúc đó, thực tế điện áp

trên tụ điện giữ giá trị gần như không thay đổi; ta nói mạch có tác dụng san bằng (là

phẳng). Bộ lọc này được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, nhưng

không dùng được trong trường hợp tách sóng.

Như vậy, bộ lọc phải thỏa mãn điều kiện ở trường hợp thứ hai nghĩa là:

106

T << T2 << T.

Chú ý rằng:

nên điều kiện đối với bộ lọc là

Ưu điểm của bộ lọc RC là nó làm việc tốt đối với cả một miền tần số, ví dụ miền

âm tần. Rõ ràng, nếu thay cho R ta dùng bộ lọc mà điện trở bao gồm cả thành phần

cảm kháng (ví dụ cuộn dây ống nghe, loa…) thì kết luận trên vẫn đúng.

4.4.3. Nguyên lý tách sóng điều tần

Khi thu được tín hiệu điều biến tần số

(hoặc điều biến pha), trước hết người ta chuyển

nó thành dao động điều biến biên độ, sau đó

dùng các sơ đồ tách sóng thông thường như đã Hình 4.32. Mạch tách sóng điều tần khảo sát.

Sau đây là nguyên lí của mạch tách sóng điều tần, nó gồm mạch để lấy dao động

điều biến tần số, sau khi qua bộ hạn chế biên độ. Trước khi vào bộ tách sóng, tín hiệu

được đi qua khung dao động LC (phần thứ cấp của biến áp và tụ C) như hình 4.32.

Do có khung LC mà tín hiệu điều tần được chuyển thành điều biên, và ta thực

hiện các mạch tách sóng phía sau theo nguyên tắc của mạch đã xét ở trên. Hình vẽ 4.33

Ubd

1 0 2



sẽ chỉ ra nguyên lí đó.



a) c)

Hình 4.33. Nguyên lí mạch tách sóng điều tần

Hoạt động của mạch như sau:

107

u1 = U1cos(0t + m.sint) = U1cos[(t)].

Điện áp này được đặt vào mạch dao động LC có hệ số phẩm chất không lớn lắm

1  0 (trên Hình 4.33a, trường hợp 1 > 0). Mặt khác chọn sao cho độ biến đổi tần

(đường cong cộng hưởng có dạng tù). Mạch này được điều chuẩn về tần số cộng hưởng

số 2 nằm trọn trên phần thẳng của đường cong cộng hưởng. Như vậy khi tần số biến

đổi (đồ thị b), biên độ điện áp trên mạch cộng hưởng LC cũng biến đổi đúng như định

luật biến đổi của tần số (đồ thị c). Thành thử dao động điều biến tần số được chuyển

thành dao động điều biến biên độ (đồ thị d). Sau đó nó được tách sóng nhờ điôt D và

mạch lọc RC1.

Vấn đề cần chú ý ở đây là độ biến đổi biên độ phải lặp lại đúng quy luật của độ

biến đổi tần số. Muốn vậy đoạn hoạt động trên đường cong cộng hưởng phải thẳng và

đủ dài. Đó là điều khó thực hiện đối với một mạch dao động đơn. Để đảm bảo điều

này, người ta thường kết hợp đặc tuyến của hai mạch dao động.

Hình 4.34a là một sơ đồ thường được gọi là sơ đồ tách sóng phân biệt chỉnh lệch.

Hai khung dao động L1C1 và L2C2 chỉnh lệch nhau ở hai tần số nằm hai bên f0:

trong đó f là độ lệch tần số cực đại. Các điôt D1, D2 được mắc để khi tần số lệch sang

Ur1

Ur2

f

hai bên f0 thì ta sẽ nhận được các điện áp có cực tính khác nhau trên tải.

a) b)

Hình 4.34. Bộ tách sóng phân biệt chỉnh lệch

Hình 4.34b là đặc tuyến tách sóng của sơ đồ. Đường chấm chấm là tổng hợp của

hai đặc tuyến cộng hưởng Ur1 và Ur2. Ta nhận thấy đường này gồm một đoạn thẳng khá

108

dài, nghĩa là đạt yêu cầu đặt ra.

Nhược điểm của mạch tách sóng này là hoạt động không ổn định do tần số cộng

hưởng của các khung dao động có thể biến đổi; đường cong cộng hưởng có thể bị suy

giảm, làm thay đổi dạng đặc tuyến tách sóng.

Cần nhắc lại rằng các quá trình điều biến, tách sóng, hạn chế biên độ, trộn

sóng…là những quá trình biến đổi phổ tần số. Vì thế cần phải dùng các yếu tố phi

tuyến tính. Ngoài ra các quá trình ổn định điện áp, ổn định dòng điện, nhân tần số v.v.

cũng là những quá trình biến đổi phổ tần số nên phải dùng các yếu tố phi tuyến tính.

Nguyên tắc nhân tần số rất đơn giản: Đưa dao động có tần số  vào yếu tố phi

tuyến tính bậc 2, bậc 3…; trong dao động ra sẽ xuất hiện các thành phần tần số 2,

3…Sau đó, dùng mạch lọc, rồi khuếch đại, chúng ta sẽ được dao động có tần số gấp

đôi (2) gấp ba (3)…Bằng cách nhân nhiều lần, chúng ta có thể thu được những dao

động có tần số rất cao.

4.5. Đổi tần

4.5.1. Nguyên tắc hoạt động của mạch đổi tần (mạch tách sóng hêtêrôđin)

Thường trong các máy thu thanh cũng như thu hình hiện đại, ta phải thực hiện

khâu biến đổi tần số nhằm mục đích biến đổi dao động cao tần điều biến thành dao

động điều biến có tần số thấp hơn mà người ta gọi là tín hiệu trung tần điều biến. Khâu

biến đổi tần số này được xem là khâu tách sóng lần thứ nhất, và khi đó khâu tách sóng

âm tần (trong máy thu thanh) hoặc khâu tách sóng thị tần (trong máy thu hình) sẽ là

tách sóng lần thứ hai. Với tín hiệu trung tần điều biến có tần số sóng mang không đổi,

ta có khả năng thiết kế những tầng khuếch đại dùng các mạch cộng hưởng để tăng độ

Đổi tần

1

2 = tt

3

chọn lọc.

Hình 4.35. Nguyên lí đổi tần

Như vậy, quá trình đổi tần, còn gọi là tách sóng tạo phách là quá trình biến đổi tín

109

hiệu cao tần

u1 = U1(1 + Mcost)cos 1t = UM1cos1t

thành tín hiệu trung tần

u2 = … = UM2costtt

với tt là tần số trung tần thấp hơn so với cao tần tức là tt = 2 < 1 (hình 4.35)

Ta thấy ở đây có sự thay đổi phổ tần số và như vậy cần phải dùng yếu tố phi

tuyến tính.

Phương pháp chung là tạo ra một dao động cao tần, nhờ một khối tạo sóng riêng

(còn gọi là tầng dao động nội, ngoại sai hay hêtêrôđin - heterodyne) có tần số 3:

u3 = U3cos3t

Đặt đồng thời điện áp cao tần điều biến u1 và điện áp dao động nội u3 lên một yếu

tố phi tuyến tính có đặc tính vôn-ampe:

i = C + au + bu2 i = C + a(u1 + u3) + b(u1 + u3)2.

Thay u1, u3 từ các phương trình trên và thực hiện phép tính, kết quả chúng ta được

dòng điện trong mạch là:

i = I0 + ict + bUM1U3cos(1 - 3)t

trong đó I0 là tập hợp các dòng điện không đổi (tần số bằng 0); ict là tập hợp các dòng

điện tần số cao (1, 3, 21, 23, 1 + 3), còn thành phần sau cùng thỏa mãn đòi hỏi

đặt ra:

1, 3 >> 2 = 1 - 3 >> .

- Có tần số 2 = 1 - 3 < 1 thỏa mãn điều kiện:

- Có biên độ bUM1U3 giữ nguyên sự điều biến

Tần số 2 tuy bé hơn 1 nhưng vẫn thuộc miền tần số vô tuyến điện vì thế như đã

biết, nó được goi là trung tần tt. Nhờ mạch cộng hưởng điều chỉnh về tt và có giải

thông không bé hơn , ta lấy được thành phần trung tần hữu ích.

Chúng ta hãy nói thêm về việc chọn quan hệ giữa 1 và 3. Theo nguyên tắc trên

thì chỉ cần 1 khác 3 một lượng tt là được không kể 1 lớn hơn 3 hay 3 lớn hơn 1.

Tuy nhiên, ở máy thu sóng dài, sóng trung, sóng ngắn (trong máy thu thanh)

thường chọn 3 > 1 còn ở máy thu sóng cực ngắn (thu thanh và thu hình) lại chọn 3

110

< 1. Sở dĩ như vậy là vì trong một băng sóng (ví dụ băng sóng dài) tần số dao động

của hêtêrôđin sẽ thay đổi không lớn hay nói một cách khác, hệ số băng sóng

sẽ nhỏ, nếu ta chọn 3 > 1.

Ví dụ, nếu trung tần là 465 kHz, ở băng sóng từ 520 - 1600 kHz, khi f3 cao hơn

một trung tần thì:

Còn nếu f3 bé hơn f1 một trung tần thì:

Rõ ràng ở trường hợp thứ hai, tần số hêtêrôđin thay đổi nhiều khi thu băng sóng

dài, rất khó giữ cho biên độ dao động của hêtêrôđin được ổn định. Vì vậy nên chọn 3

> 1.

Còn ở máy thu sóng cực ngắn, khi tần số làm việc rất cao (vài chục đến vài trăm

MHz) thì trung tần cũng rất cao (vài MHz đến vài chục MHz), do đó việc ổn định dao

động hêtêrôđin rất khó khăn. Bởi vậy trường hợp này nên dùng tần số 3 bé hơn 1

một trung tần để dễ dàng ổn định chế độ của hêtêrôđin.

4.5.2. Các mạch đổi tần thông dụng

Dựa vào cách đưa điện áp cao tần điều biến u1 và điện áp của hêtêrôđin u3 vào

tranzito, người ta có thể chia các sơ đồ đổi tần thành hai loại: sơ đồ trộn sóng mà cả u1

và u3 đều đưa vào cực gốc (Hình 4.36a) và sơ đồ trộn sóng mà u1 đưa vào cực gốc còn

u3 đưa vào cực phát (Hình 4.36b)

a) b)

Hình 4.36. Các mạch đổi tần thông dụng dùng tranzito

111

Ta giải thích sơ lược hoạt động của các mạch trên đây.

Sơ đồ ở hình 4.36a có ưu điểm là do dao động của hêtêrôđin được đưa vào cực B,

nên công suất của bộ tạo sóng không cần thiết phải lớn. Tuy nhiên khuyết điểm của sơ

đồ này là không cách li được mạch tạo sóng (hêtêrôđin) với mạch vào (anten). Cũng do

đó dao động từ hêtêrôđin phát ra có thể hỗ cảm sang mạch anten và phát sóng ra ngoài

không gian, gây nhiễu tới các máy thu gần đó.

Sơ đồ ở hình 4.36b tránh được các khuyết điểm của sơ đồ đầu nên hay dùng hơn.

Trong sơ đồ này, dao động cao tần điều biến được ghép từ cuộn L1 qua cuồn L2 và đưa

vào cực gốc của tranzito. Điện áp từ hêtêrôđin được đưa vào cực phát của tranzito qua

cuộn ghép L3. Đối với tín hiệu vào (u1) tranzito, có thể coi mắc theo kiểu emitơ chung

vì trở kháng của cuộn ghép L3 không đáng kể đối với tần số tín hiệu vào. Còn với dao

động hêtêrôđin (u3) tranzito có thể coi như mắc theo kiểu bazơ chung vì cuộn ghép L2

có ít vòng, trở kháng nhỏ không đáng kể.

Trong thực tế người ta có thể dùng một tranzito để vừa tạo sóng và vừa trộn tần.

Ở trường hợp này, chế độ làm việc của tranzito phải ở mức trung gian, nên không được

tốt cho cả hai. Tuy nhiên do mạch này đơn giản và gọn nên trong các máy thu đơn

giản, người ta vẫn hay dùng.

Để nâng cao chất lượng, người ta dùng hai chế độ chuyên biệt cho hai tranzito,

một cái tạo sóng và cái kia trộn tần. Do chế độ dùng riêng nên mạch có nhiều ưu điểm,

như ổn định cao, hệ số khuếch đại lớn…Các sơ đồ này sẽ được nêu lại trong phần máy

112

thu thanh.

Chương 5. CƠ SỞ ĐIỆN TỬ SỐ

Chúng ta đang ở trong thời đại công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ. Kĩ thuật

số và công nghệ điện tử đã đóng góp to lớn cho sự phát triển đó. Khác với ở kĩ thuật

tương tự, tín hiệu trong kĩ thuật số được rời rạc và số hóa, do vậy mọi loại thông tin, số

liệu, âm thanh, hình ảnh đều có thể đưa về dạng số để thiết bị số xử lí.

Những cách thức thiết kế và các mạch kĩ thuật số cho phép ta dễ dàng thu thập,

chia sẻ thông tin và thao tác trên những thông tin này theo một phương thức hoàn toàn

mới. Máy tính là một trong những công cụ số điển hình, đang trở thành phổ biến, tác

động mạnh mẽ vào mọi lĩnh vực của đời sống xã hội và mỗi cá nhân chúng ta.

Chương này sẽ trình bày những nội dung cơ bản nhất ở mức độ đơn giản cho

những người mới làm quen kĩ thuật điện tử số.

Để thấy được sự khác nhau giữa việc xử lí tín hiệu tương tự và tín hiệu số ta so

Thiết bị xử lí tương tự

Chuyển đổi số - tương tự

Số hóa nhị phân 01

Thiết bị xử lí số 01

Rời rạc hóa tín hiệu

sánh giữa hai quá trình bằng sơ đồ hình 5.1 sau:

Hình 5.1. Nguyên tắc xử lí tín hiệu tương tự và số

Đối với thiết bị xử lí số, vì những phần tử chỉ có hai trạng thái vật lí phân biệt,

nên việc rời rạc hóa và số hóa nhị phân là quá trình rất quan trọng. Nội dung được trình

bày trong chương này là phân tích hoạt động của các khối ở sơ đồ trên.

5.1. Hệ đếm trong kĩ thuật số

5.1.1. Khái niệm về đơn vị thông tin

Bit là đơn vị thông tin cơ bản được sử dụng để biểu diễn một trong hai trạng thái

0 hay 1.

Byte là tổ hợp của 8 bit. Byte là đơn vị biểu diễn dữ liệu cơ bản. Ta có thể hình

dung bộ nhớ như một cái tủ có nhiều ngăn kéo, mỗi ngăn là một ô nhớ. Trong phần lớn

113

máy tính điện tử, mỗi ô nhớ có khả năng chứa một dãy tám chữ số nhị phân 1 hoặc 0.

1 Gigabyte

1 Terabyte

Dung lượng của mỗi ô nhớ như vậy được lấy làm đơn vị, gọi là Byte (B). Byte có các bội sau: 1 Kilobyte (kB) = 210 B = 1024 B 1 Megabyte (MB) = 210 kB = 1024 kB (GB) = 210 MB = 1024 MB (TB) = 210 GB = 1024 GB (PB) = 210 TB = 1024 TB 1 Petabyte

5.1.2. Các hệ đếm thường dùng trong kĩ thuật số

2 = 43

dư 1

2 = 21

dư 1

2 = 10

dư 1

2 = 5

dư 0

2 = 2

dư 1

2 = 1

dư 0

2 = 0

dư 1

Số nhị phân

5.1.2.1. Hệ nhị phân

Hình 5.2. Cách đổi số thập phân sang số nhị phân

Trong sinh hoạt và đời sống, chúng ta dùng hệ đến 10 hay gọi là hệ đếm thập

phân. Còn hệ đếm trên máy tính là hệ đếm nhị phân. Chúng ta biết trong hệ đếm thập

phân, một số được xác định không những bởi giá trị của các chữ số xuất hiện của nó

mà còn bởi vị trí của các chữ số. Số 10 là cơ số của hệ thập phân, cơ sở của hệ thập

phân là lũy thừa của 10.

Ví dụ: 567 = 5.102 + 6.101 + 7.100

Nếu chúng ta lấy cơ số là 2, ta được hệ nhị phân, cơ sở của hệ này là lũy thừa của

2. Ví dụ, kí hiệu số nhị phân 101 theo cách viết tổng thập phân có nghĩa là:

1.22 + 0.21 + 1.20 = 5 trong hệ thập phân

Hệ đếm này có thể dễ dàng diễn tả trên máy tính. Ở đây, các chữ số 0 và 1 được

thể hiện nhờ những phần tử điện hoặc điện tử với hai trạng thái khác nhau: không hoặc

114

có dòng điện; điện thế thấp hoặc điện thế cao; cấm hay thông dòng điện v.v.

Ta có thể đổi từ hệ 10 sang hệ 2 theo cách sau: ta chỉ việc chia dần cho 2 và lấy

0.375 × 2

0. 75

0.75 × 2

1. 50

0.50 × 2

0 1 1

phần dư theo chiều ngược lại. Ví dụ, đổi số 87 ra số nhị phân (hình 5.2)

: 2 = 2

dư

Hình 5.3. Đổi số thập phân lẻ ra số nhị phân

: 2 = 1

dư

: 2 = 0

dư

5.625 =

0.625 × 2 = 1.25

0.25 × 2 = 0.50

0.50 × 2 = 1.00

Hình 5.4. Đổi số thập phân có lẻ

Đổi số thập phân lẽ ra số nhị phân: Lấy phần lẽ nhân với 2 ta được một số, nếu số

115

lớn hơn 1 thì vị trí tương ứng là 1, nếu số nhỏ hơn 1 thì số tương ứng là 0; tiếp lấy phần

lẻ của số đó nhân tiếp với 2 và quy luật lấy giá trị tương ứng của số nhị phân như trên.

Tiếp tục quá trình cho đến kết quả cuối cùng bằng 1 thì thôi. Ví dụ, đổi số 0,375 ra số

nhị phân (hình 5.3)

Việc đổi số thập phân có lẻ thì cần phải có hai quá trình: Phần nguyên được thực

hiện bằng cách chia lặp cho 2. Còn phần lẻ bằng cách nhân liên tiếp cho 2 như hai cách

ở trên. Ví dụ, đổi số 5,625 ra số nhị phân (hình 5.4):

5.1.2.2. Hệ bát phân

Hệ đếm được thực hiện từ 0 cho đến 7 sau đó vòng lặp là 10 đến 17, …

Việc đổi từ hệ bát phân sang hệ nhị phân rất thuận tiện. Thực vậy, xét đến cùng thì cơ số 8 là lũy thừa nguyên của cơ số 2 (8 = 23). Mỗi chữ số hệ đếm bát phân tương

ứng với một số ở hệ đếm nhị phân với 3 chữ số:

Ví dụ: được viết ở hệ nhị phân là 010 001 (21)8

(2 1)8

Điều quan trọng là ta cần nhớ tám số nhị phân đầu tiên tương ứng từ 0 đến 7 theo

bảng 5.1.

Thập phân

Nhị phân

Bát phân

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

000 001 010 011 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001

0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21

116

Bảng 5.1: Những số nhị phân đầu tiên

5.1.2.3. Hệ thập lục phân

Hệ này sử dụng 16 kí tự là:

0  9, A, B, C, D, F

Lợi ích của hệ 16 cũng tương tự như hệ 8. Khi đổi sang hệ mhị phân đơn giản và

nhanh chóng: mỗi số từ 0  F được thay bởi một số nhị phân 4 bit. Vậy trên nguyên tắc

cũng cần nhớ 16 giá trị nhị phân 4 bit đầu tiên từ 0000 đến 1111. Ta có bảng 5.2. Việc

đổi số từ hệ 16 sang hệ nhị phân và ngược lại được áp dụng tương tự như việc đổi của

hệ bát phân.

Thập phân

Nhị phân

Thập lục phân

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

000 001 010 011 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 10 11

Bảng 5.2: Những giá trị nhị phân 4 bit đầu tiên

5.1.2.4. Các mã nhị phân cân bằng

Các số nhị phân trực tiếp đôi khi khó hình dung và khó đổi ra số thập phân. Mã

BCD (Binary Coded Decimal) cho phép đổi dễ dàng từ số nhị phân ra số thập phân.

Bảng 5.3 sau giới thiệu mã BCD 4 bit cho các số thập phân từ 0 đến 9.

Bit có nghĩa lớn nhất có trọng số 23 = 8, bit có nghĩa bé nhất có trọng số 1. Mã

này được gọi một cách chính xác hơn là mã BCD8421. Phần 8421 gắn vào tên của nó

117

cho ta biết trọng số tương ứng với mỗi vị trí trong mã 4 bit.

Ngoài mã nhị phân BCD8421, còn có các mã BCD khác như BCD4221,

BCD5421…Nhưng thường dùng nhiều hơn cả là mã BCD8421, như bảng 5.3.

Thập phân

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Bảng 5.3: Những giá trị nhị phân BCD8421 đầu tiên

5.1.2.5. Mã Gray

Đó là một mã nhị phân không cân bằng. Trong mã Gray, mỗi lần cộng thêm 1-đại

lượng kế tiếp sau - kéo theo sự thay đổi trạng thái chỉ của 1 bit. Đó là ưu điểm của mã

này. Vì vậy, mã Gray nó được dùng trong các hệ thống đo lường, trong điều chỉnh tốc

độ quay. Nó làm cho hệ thống có độ tin cậy cao.

Việc đổi số nhị phân sang mã Gray được minh họa như hình 5.5

Số nhị phân

Mã Gray

+ + + + + + +

Hình 5.5. Đổi số nhị phân sang mã Gray

Viết dãy số nhị phân đầy đủ, sau đó các số nhị phân đưa chéo lên đầu của số kế

sau (mũi tên chéo). Tiến hành cộng mođun 2 hai bit (theo dấu móc), kết quả đưa xuống

để thiết lập dãy số của mã Gray. Chú ý các phép cộng theo nguyên tắc như sau: 1 + 1 =

118

0; 0 + 0 = 0; 1 + 0 = 1; 0 + 1 = 1.

Thử với số nhị phân 10110, ta được mã Gray là 11101.

Việc đổi ngược mã Gray về nhị phân tiến hành như sau: Đầu tiên bit bên trái của

Gray được chuyển xuống để làm bit bên trái của nhị phân.

Đồng thời bit này lại đưa lên đầu bit kế sau để cộng mođun 2 với bit đó cho kết

quả số nhị phân thứ hai. Lấy kết quả đó đưa lên đầu bit kế sau để cộng với bit đó cho

kết quả thứ ba. Cứ như vậy cho đến bit cuối cùng. Ví dụ được thấy trên Hình 5.6.

Hình 5.6. Đổi mã Gray về nhị phân

5.1.2.6. Các mã chữ cái - số

Trong máy tính và thiết bị số, cần ghi các tin tức không số như chữ cái, dấu phép

tính và các kí tự khác. Có khoảng 26 chữ cái, 10 chữ số, các loại dấu khác nhau, kí tự

đồ họa, kí tự điều khiển truyền tin…Tổng số có khoảng 87 mã. Như vậy ít nhất có 7 bit ghi theo mã nhị phân (vì 27 = 128).

Ba loại mã phổ biến nhất là mã ASCII (Mã trao đổi thông tin Mỹ), mã EBCDIC

(mã trao đổi nhị phân thập phân mở rộng và mã Unicode.

Mã EBCDIC là hệ thống mã BCD mở rộng, tức là đưa mã 6 bit của BCD lên 8 bit của EBCDIC. Do vậy số kí hiệu thể hiện được nhiều hơn, tức 28 = 256. Loại mã này ít

dùng trong các máy tính cá nhân, chỉ thấy dùng trong các máy tính cỡ lớn.

Mã ASCII (7 bit thể hiện được 128 kí hiệu) được dùng phổ biến để trao đổi thông

tin trong máy tính cá nhân và trong hệ thống truyền tin, nó thường dùng để dịch ngôn

ngữ lập trình ra ngôn ngữ máy. Các kí hiệu được phân bố như sau: Các kí tự từ 0 đến

31 và 127 là các kí tự điều khiển, từ 31 đến 64 là các kí tự đặc biệt và các con số, từ 65

119

đến 96 là chữ cái viết hoa và một vài kí hiệu, từ 97 đến 127 là các chữ cái thường và

vài kí hiệu thông thường khác. Hiện nay người ta mở rộng cho ASCII thành tiêu chuẩn

8 bit và biểu diễn được 256 kí hiệu.

Mã Unicode là một tiêu chuẩn biểu diễn dữ liệu đang được phát triển, được gọi là

tiêu chuẩn kí tự toàn cầu, dùng 2 byte, tức 16 bit, để biểu diễn các kí tự và kí hiệu. Do

có 2 byte nên nó có thể biểu diễn 65 536 kí tự hoặc kí hiệu khác nhau. Đó là điều cần

thiết trong hệ thống đa ngôn ngữ hiện nay.

Một ưu điểm lớn của Unicode là sự tương thích của nó với ASCII, tức 8 bit đầu

của nó giống hệt với ASCII.

5.2. Cơ sở đại số logic

5.2.1. Khái niệm về đại số logic

Đại số logic được hiểu là một tập hợp Y của các đối tượng (các biến) A, B, C....

trong đó xác định hai phép tính logic cộng (+) và nhân (.). Các biến logic có hai trạng

thái: có hoặc không, mệnh đề đúng hoặc sai. Khi trạng thái của đối tượng là có ta gán

cho biến logic biểu diễn nó giá trị quy ước là 1 và ký hiệu là A, còn khi trạng thái của

đối tượng là không ta gán cho nó giá trị quy ước 0 và ký hiệu là

Giữa các biến logic, người ta định nghĩa ba phép toán cơ sở:

- Phép phủ định (phép đảo) logic đối với một biến logic A nào đó là khi tác động

phép toán này A sẽ nhận giá trị đảo của giá trị ban đầu và ký hiệu là

- Phép cộng logic (phép hoặc/tuyển) được ký hiệu bằng dấu "+".

Ví dụ A + B là phép cộng giữa hai biến logic A và B, mỗi biến được gọi là một số

A+B

A.B

hạng và kết quả gọi là một tổng.

c) a)

b) Hình 5.7: Đồ thị Venn mô tả ba phép tính logic cơ bản a) Phép phủ định (NOT); b) Phép cộng logic; c) Phép nhân logic

- Phép nhân logic (phép và/hội) được ký hiệu bằng dấu ".". Ví dụ A.B là phép

120

nhân giữa hai biến logic A và B, mỗi biến được gọi là một thừa số của phép nhân, kết

quả gọi là tích số. Có thể dùng giản đồ Venn trong lý thuyết tập hợp (xem hình 5.7) để

biểu diễn mô tả ba phép toán logic vừa nêu.

Một trạng thái của đối tượng nào đó luôn luôn có thì biến logic biểu diễn nó luôn

ở giá trị 1, còn khi trạng thái của đối tượng luôn luôn không có, giá trị logic của nó

luôn là 0. Ta nhận được trong tập hợp này hai hằng số 1 và 0.

5.2.2. Các tính chất quan trọng của tập hợp các biến logic

Khi thực hiện ba phép toán cơ bản lên các biến logic, ta nhận được một kết quả

được gọi là hàm logic (hàm trạng thái). Khi hàm logic nhận được là do từ nhiều cách

tác động của phép toán logic khác nhau ta gọi là chúng tương đương nhau và ký hiệu

bằng dấu "=" giữa các kết quả này.

Các tính chất cơ bản.

* Tính hoán vị của phép cộng và phép nhân:

A + B = B + A hay A.B = B.A (5.1)

* Tính kết hợp của phép cộng và phép nhân

(A + B) + C = A + (B + C); (A.B).C = A . (B.C) (5.2)

* Tính phân phối giữa phép cộng và phép nhân:

A (B + C) = A. B + A.C (5.3)

* Hai quy tắc của phép phủ định:

(5.4)

* Bốn quy tắc của phép cộng:

A + A = A; A + = 1

A + 0 = A; A + 1 = 1 (5.5)

* Bốn quy tắc của phép nhân:

A . A = A; A .

= 0 A .1 = A; A . 0 = 0 (5.6)

* Tính chất hấp thụ:

A. (A + B) = A (5.7)

* Tính nhất quán:

nếu A + B = B

121

thì A. B = A (5.8)

* Luật De Morgan lập hàm phủ định của một hàm:

(5.9)

(5.10)

(5.11)

Các hệ thức (5.1) đến (5.11) có thể dễ dàng chứng minh tính đúng đắn của chúng

khi ta sử dụng đồ thị Venn hoặc sử dụng các công tắc trạng thái A, B trong một mạch

điện với phép cộng là mắc song song, phép nhân là mắc nối tiếp các công tắc, trạng

thái nối mạch có giá trị 1, ngắt mạch có giá trị là 0.

5.2.3. Các hàm logic sơ cấp

5.2.3.1. Nhóm các hàm một biến

(hàm bù của A - NOT) Y1 = 0 (A luôn bằng 0) Y0 = Y3 =

Y2 = 1 (A luôn bằng 1) Y4 = A (hàm lặp của A - YES)

Y3 =

Y4 = A

Ký hiệu quy ước của Y3 và Y4 cho trên hình 5.8.

Hình 5.8. Ký hiệu quy ước hàm NOT và YES

5.2.3.2. Nhóm các hàm hai biến. Xem bảng 5.4

5.2.3.3. Hệ hàm logic đầy đủ

Từ một tổ hợp các hàm logic sơ cấp nào đó, ta có thể xây dựng được một hàm

logic bất kỳ. Một nhóm các hàm sơ cấp, từ chúng có thể xây dựng được các hàm logic

khác được gọi là một hệ hàm đầy đủ.

Có 4 hệ hàm đầy đủ.

a) Hệ bao gồm các hàm Y0 = ; Y1 = A.B và Y2 = A + B

(NAND) b) Hệ chỉ dùng hàm Y3 =

(NOR) c) Hệ chỉ dùng hàm Y4 =

122

.B) d) Hệ gồm hai hàm Y7 = A  B và Y5 = A. (hoặc Y6 =

Biến A

Biểu thức đại số

Ký hiệu

Tên gọi tiếng việt

Tên quốc tế

Hàm B

Nhân logic

AND

Y1 = A.B

Cộng logic

Y2 = A+B

Và - Đảo

NAND

Hoặc-Đảo

NOR

INHIBITI-

Cấm B

INHIBITI-

Cấm A

Không đồng trị EX-OR

Đồng trị

EX-NOR

IMPLI-

Kéo theo A

CATION

IMPLI-

Kéo theo B

Y10

CATION

Bảng 5.4: Các hàm hai biến cơ bản

5.2.4. Phương pháp biểu diễn hàm logic

5.2.4.1. Biểu diễn hàm logic bằng bảng chân lí

Hàm logic có thể biểu diễn ở dạng một bảng liệt kê các giá trị có thể của biến và

giá trị tương ứng của hàm gọi là bảng chân lý (hay bảng trạng thái) giống như bảng

5.5. Như vậy với hàm hai biến ta có bảng gồm 3 cột và 4 dòng, với hàm 3 biến ta có bảng chân lý gồm 4 cột và 23 = 8 dòng (tương ứng với mọi trạng thái tổ hợp biến có thể

123

có)

Bảng 5.5: Bảng chân lý hàm 2 biến của hàm Y8 và Y7

Biến Biến

Hàm Y8 Hàm Y7 A B B A

1 0 0 0 0 0

0 0 1 1 1 0

0 1 0 1 0 1

1 1 1 0 1 1

. + A.B . B + A. Y8 = Y7 =

5.2.4.2. Biểu diễn hàm logic bằng biểu thức

Khái niệm về Mactec (Mi) và Mintec (mi). Phương pháp biểu diễn hàm logic bằng

biểu thức giải tích có hai dạng cơ bản:

- Dạng tổng các tích các biến, mỗi số hạng của tổng chứa đủ mặt các biến được

gọi là một mintec ký hiệu là mi.

- Dạng tích các tổng các biến, mỗi thừa số của tích chứa đủ mặt các biến được gọi

là một mactec ký hiệu là Mi (chỉ số i tính trong hệ mười).

Bảng 5.6a. Các mi và Mi của hàm hai biến (k =2)

Biến

Mintec mi Maxtec Mi A B

0 0

0 1

1 0

1 1

Bảng các mi và Mi của hàm 2 biến Y(A,B), hàm 3 biến Y (A,B,C) và hàm 4 biến

124

Y (A, B, C, D) được giới thiệu trên bảng 5.6a, b, c.

Bảng 5.6b: Các mi và Mi của hàm ba biến (k =3)

Biến

mi Mi A B C

0 0 0

0 0 1

0 1 0

0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1

Ta cần chú ý, trong bảng 5.6 khi biến có giá trị bù (trị 0) ta ký hiệu là , còn khi

biến ở dạng trực tiếp (nhận giá trị 1) ta ký hiệu tương ứng là A. Trong cùng một hàng của bảng 5.6a, b hay c; tổng chỉ số mi và Mj này luôn bằng (2k - 1) trong đó k là số biến của hàm cặp mi và Mj này (i + j = 2k -1) được gọi là cùng tên nhau, ví dụ trong bảng

5.6b cặp m4 và M3 hay cặp m6 và M1.

Ví dụ :

Cho hàm

Khi đó có thể viết dưới dạng mintec: Y7 = m1 + m2 =

Áp dụng công thức (5.9) ta có:

Hoặc có thể viết dưới dạng mactec:

125

Ở đây các mintec và mactec tham khảo trong bảng 5.6a

Bảng 5.6c: Bảng các mi và Mi của hàm 4 biến (k = 4)

Biến

Mintec mi Maxtec Mi A B C D

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

126

1 1 1 1

5.2.4.3. Biểu diễn hàm logic bằng phương pháp hình học (bìa Karnaugh)

Hàm logic k biến được biểu diễn thành một bảng có 2k các ô vuông (mỗi ô tương

ứng với một mintec mi của hàm). Các tổ hợp biến phải xếp theo thứ tự là 2 ô (2 mintec)

kề nhau chỉ được phép có 1 biến khác trị số. Hình 5.9 đưa ra bìa Karnaugh của các hàm

logic từ 2 tới 4 biến.

A AB

0 B 1 C 00 01 11 10

0 0 . A. . . .B. A.B. A. .

m0 m2 m0 m6 m2 m4

1 AB 1 ABC .B .B.C A. .C . .

m7 m3 m1 m3 m5 m1

a) 2 biến b) 3 biến

CD 00 01 11 10

00 .B. . . . . A.B. . A. . .

m4 m12 m8 m0

01 . . .D .B. .D A.B. .D A. .D .

m5 m13 m9 m1

11 ABCD .B.C.D . .C.D . . .

m15 m7 m3 m11

10 . .C. .B.C. A.B.C. A. . .

m6 m14 m2 m10

c) 4 biến

Hình 5.9. Bìa Karnaugh của hàm logic

Cách gán giá trị của bìa Karnaugh: ô nào ứng với giá trị mintec mi = 1 thì gán giá

trị 1 vào nó, còn ô nào có trị mi = 0 thì bỏ trống, khi đó biểu diễn được bìa Karnaugh

của một hàm logic nào đó đã cho trước, như các ví dụ trên hình 5.10 tương ứng. Cần

lưu ý bên mép trái của hàng và phía trên của cột ghi các trị số giá trị của biến và ký

127

hiệu biến tương ứng theo đúng trật tự quy định để tránh nhầm lẫn (như trên hình 5.9).

Như vậy, khi lập bìa Karnaugh cho một hàm logic nào đó ta cần thực hiện các

bước:

+ Lập bìa Karnaugh ứng với số biến của hàm đã cho, chú ý hai ô kề nhau trong

bìa phải có khoảng cách từ mã nhị phân là tối thiểu (khác nhau chỉ có một giá trị nhị

phân).

+ Sau khi đã đủ các ô trống (đúng qui tắc) các mintec mi có mặt trong biểu thức

của hàm sẽ được điền 1 vào vị trí của ô tương ứng trong bìa, nghĩa là trong biểu thức

của hàm có bao nhiêu số hạng mi sẽ có đủ bấy nhiêu ô có trị 1 trong bìa Karnaugh.

A A AB

00 01 11 10 C 1 B 0 0 1 B

1 0 0 0 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

F= BC+ A C+ AB + ABC Y8= AB+ Y7 = A + B a) b) c)

CD 00 01 11 10

00 1 Y = D + B D + A

01 + ABCD + ABC + BC 1 1

11 1

10 1 1

Hình 5.10. Cách biểu diễn hàm logic bằng bìa Karnaugh

Chú ý: Khi lập bìa Karnaugh, ta phải chú ý đến trật tự các con số trong cách biểu

diễn công thức và trong bìa Karnaugh phải như nhau.

5.2.5. Phương pháp rút gọn (tối thiểu hóa) hàm logic

Bài toán kỹ thuật liên quan tới hàm logic rất đa dạng. Vấn đề cần quan tâm là làm

cách nào để dễ dàng giải bài toán nhờ các mạch điện tử có số phần tử logic sơ cấp ít

128

nhất. Bởi vì, những mạch càng ít linh kiện càng dễ đạt tới tối ưu, có độ tin cậy và độ

chuẩn hoá cao, linh kiện sẵn có trên thị trường. Vì vậy, ta cần phải rút gọn hàm logic.

Có hai cách rút gọn hàm logic thông dụng là rút gọn bằng giải tích và rút gọn bằng bìa

Karnaugh.

5.2.5.1. Phương pháp rút gọn bằng giải tích

Dựa trên các tính chất của đại số logic, các hệ thức đã biết (5.1) đến (5.11); khi số

biến logic không nhiều biểu thức giải tích của hàm được biến đổi trực tiếp.

Ví dụ 1: Rút gọn hàm sau:

Y(A, B, C, D) = A + C + D + B D = A + C+ ( D + BD)

áp dụng tính chất A + B = A+ B có:

Y(A, B, C, D) = A + C.1 + ( D + BD)

A + C + ( D + BD) = A + C.1+ D( + B)

dùng tính chất (5.9) ( + B) = và tính chất A + .B = A + B

Y = A + C + D = C + D + A

Việc tối thiểu hàm logic bằng phương pháp giải tích cho ta kết quả tối thiểu tốt

nhất.

5.2.5.2. Phương pháp rút gọn bằng bìa Karnaugh sử dụng quy tắc vòng ô kề nhau (qui

tắc Karnaugh)

“Các ô có trị 1 nằm kề nhau, ta có thể vòng chúng lại thành 1 ô lớn, đại diện cho

1 số hạng rút gọn đi một số biến”. Khi sử dụng quy tắc Karnaugh cần lưu ý mấy trường

hợp sau:

- Số các ô vòng lại phải bằng 2n (n là số nguyên 0,1,2,3...)

- Hai hay nhiều ô nằm ở 2 mép của bìa tính theo hàng hay theo cột cũng được coi

là kề nhau.

- Một hoặc vài ô có trị 1 có thể tham gia vòng nhiều lần vào các nhóm khác nhau

(nhóm độc lập, không chứa nhau).

- Không được thực hiện vòng các ô, mà sau khi vòng ô lớn có được, lại chứa nhau

hay chứa tất cả các ô con đã được vòng từ trước đó.

Để làm rõ quy tắc ta nêu vài ví dụ minh hoạ.

129

Ví dụ 1: Hãy rút gọn hàm Y(A,B,C)= ABC + BC+ A C+ AB

Hàm Y có bìa Karnaugh cho trên hình 5.11 gồm 4 ô có trị 1 ứng với các mintec

m3, m5, m6 và m7.

Thực hiện vòng m3 với m7, m6 với m7 và m5 với m7 ta được 3 ô mới ký hiệu

tương ứng là X1, X2 và X3 các ô này có giá trị:

X1 = m3 + m7 = BC

00 01 11 10 X2 = m6 + m7 = AB AB C

X3 = m5 + m7 = AC 0 1 m6

kết quả ta được hàm Y đã rút gọn: 1 1 m3 1 m7 1 m5 Y = X1 + X2 + X3

Hình 5.11. Rút gọn hàm theo ví dụ 1 = BC + AB + AC

Ví dụ 2: Rút gọn hàm Y (A,B,C,D) cho trên bìa Karnaugh (hình 5.12). Biểu thức

đầy đủ của hàm G có dạng:

Y = m(0,1,2,4,6,7,8,9,10,11,12,14),

gồm 12 số hạng có đủ mặt các biến ABCD.

AB CD

Ta có thể thực hiện vòng ô như sau:

1m0 1 m4 1m12 1 m8

Ô lớn X1 gồm có m0 + m4 + m12 + m8

1 m1

1 m9

+ m2 + m6 + m14 + m10

1 m7

1m11

Kết quả là X1 =

1 m2 1 m6 1m14 1m10

Ô lớn X2 = m0 + m1 + m8 + m9 =

Ô lớn X3 = m8 + m9 + m10 + m11 Hình 5.12. Rút gọn hàm theo ví dụ 2 =A

Ô lớn X4 = m6 + m7 = BC

Hàm G sau khi rút gọn có dạng:

+ + A + BC G = X1 + X2 + X3 + X4 =

Trong các ví dụ trên, lưu ý rằng trong một ô lớn sau khi đã vòng các ô nhỏ, các

biến logic nào có giá trị thay đổi thì sẽ không có mặt trong biểu thức thu gọn của các Xi

130

nữa.

Khi tối giản bằng bìa Karnaugh, mức độ tối giản hàm logic phụ thuộc vào việc

ghép các ô lớn. Do đó, tối giản bằng bìa Karnaugh có thể cho kết quả rút gọn chưa tối

ưu.

5.3. Các cổng logic cơ bản

5.3.1. Cổng thực hiện hàm đảo (phủ định logic - NOT)

5.3.1.1. Nguyên lý cổng thực hiện hàm đảo.

Biểu thức thực hiện chức năng NOT

(5.12)

E2 = +12V

Bảng chân lý, ký hiệu quy ước của cổng NOT (được cho trên hình 5.13)

Biến Hàm

A YNOT

1.5K

18K

0 1 YNOT A

1 0

E1 = -12V

b) a)

Hình 5.13. Cổng đảo a) Bảng chân lý; b) Ký hiệu Hình 5.14. Sơ đồ mạch điện cổng đảo

Như vậy cổng NOT luôn luôn chỉ có một đầu vào và một đầu ra với giá trị biến

vào và hàm ra luôn là giá trị đảo của nhau. Khi ghép liên tiếp hai cổng NOT ta sẽ nhận

được hàm lặp (hàm F4 trong hình 5.8), trị hàm ra luôn bằng trị biến vào.

5.3.1.2. Mạch số thực hiện cổng NOT (hình 5.14)

Ở hình 5.14, T làm việc ở chế độ đóng ngắt, khi UA ở mức thấp thì T ngắt (không

dẫn dòng điện), điện áp cổng ra UY ở mức cao. Khi UA chuyển lên mức cao (A = 1) thì

T nối mạch ở chế độ bão hoà, chuyển UY về mức thấp (Y = 0)

5.3.2. Cổng thực hiện phép nhân logic (cổng AND)

5.3.2.1. Nguyên lý cổng thực hiện phép nhân logic

Biểu thức thực hiện chức năng AND

(5.13) YAND = A.B

Bảng trạng thái, ký hiệu quy ước của cổng AND 2 cổng vào cho trên hình 5.15.

131

Ta có nhận xét là:

YAND = 1 chỉ khi tất cả các cổng vào có giá trị logic 1

YAND = 0 khi có ít nhất một cổng vào có giá trị 0

Biến vào Hàm ra

A B YAND A YAND 0 0 0 B

0 1 0 b)

1 0 0

1 1 1

Hình 5.15. Cổng AND; a) Bảng chân ký của cổng AND, b) Ký hiệu

+12V

Y = A.B

5.3.2.2. Mạch điện tử số thực hiện hàm YAND

a) b)

Hình 5.16. Các mạch điện tử số thực hiện hàm AND

Hình 5.16. đưa ra mạch điện tử số thực hiện hàm AND. Khi có một đầu vào nào

đó ở mức điện áp thấp, điôt tương ứng với đầu vào này sẽ dẫn điện, khi đó điện áp ở

cổng ra (khi không tải) sẽ ở mức thấp bằng giá trị điện áp thuận rơi trên điôt (0,7V với

loại điôt Si). Còn khi tất cả các cổng vào đều ở mức điện áp cao các điôt đều không dẫn

điện làm giảm áp trên điện trở R nhỏ, Y đầu ra ở mức điện áp cao. Chú ý rằng khi mắc

Rtải ở tại cửa ra, R và Rtải hình thành một bộ chia áp điện trở khi A = B = 1, khi đó cần

132

đảm bảo điều kiện của mức ra cao nhỏ nhất (ví dụ là 2V). Ví dụ tính cho R = 3,9k

hay 12V. Rtải = 2V (3,9K + Rtải)

Suy ra điều kiện đối với tải mắc vào cổng là Rtải min = 780 

5.3.3. Cổng thực hiện phép cộng logic (cổng OR)

5.3.3.1. Nguyên lý cổng thực hiện phép nhân logic

Biểu thức logic thực hiện chức năng OR:

(5.14) YOR = A + B

Bảng trạng thái, biểu thức hàm, các ký hiệu quy ước của cổng OR hai đầu vào

cho trên hình 5.17a, b.

Biến vào Hàm ra

A B YOR A YOR 0 0 0

B 0 1 1 b)

1 0 1

a) 1 1 1

Hình 5.17. Cổng hoặc (OR) a) Bảng chân lý; b) ký hiệu

Ta nhận xét là:

YOR = 1 khi có bất kỳ đầu vào nào của nó có trị 1

YOR = 0 chỉ khi tất cả các đầu vào có trị 0

YOR = 1 khi tất cả các đầu vào có trị 1 tức là có tính chất

A + B +... + N = 1 + 1 +... + 1 = 1

5.3.3.2. Mạch điện tử số thực hiện hàm YOR

Ví dụ một vài dạng mạch điện tử số thực hiện hàm OR được cho trên hình 5.18.

Trên hình 5.18a, khi A = 1 hoặc B = 1 hoặc A = B = 1 (tương ứng với mức điện

áp lớn hơn + 3V) ta nhận được Y = 1 (ứng với mức điện áp lớn hơn + 2,4V). Còn khi

133

A = B = 0 (mức điện áp gần 0V) cổng ra ở mức nhỏ hơn 0,7V (Y = 0).

Ở mạch hình 5.18b, T1 và T2 là 2 tranzito tại hai cổng ra của 2 vi mạch số, chế tạo

theo công nghệ logic ghép emitơ (logic không bão hoà - ECL). Khi đấu hai đầu ra của

chúng với nhau ta được Y = A + B. Khi sử dụng loại ECL có thể chỉ dùng một IC với

hai cổng vào A và B và 2 cổng ra trong đó có một cổng ra thực hiện hàm Y (cổng ra

Y = A + B

-12V

còn lại thực hiện hàm ).

b) a)

Hình 5.18. Ví dụ về mạch điện tử số thực hiện cổng OR

Cũng như cổng AND, việc thực hiện bằng các mạch điện tử số cổng OR không

được thuận lợi vì lý do công nghệ.

5.4. Các cổng đa chức năng thông dụng

Ba cổng logic đã xét có thể dẫn tới các cổng đa chức năng khác. Chúng làm cho

việc thực hiện các phép tính logic trở nên thuận tiện và nhanh chóng hơn. Sau đây, giới

thiệu thêm bốn cổng đa chức năng thông dụng.

Cổng và - đảo (NAND)

Cổng hoặc - đảo (NOR)

Cổng đồng trị (EX-NOR)

Cổng không đồng trị (EX-OR).

5.4.1. Cổng thực hiện hàm logic và - đảo

5.4.1.1. Nguyên lí cổng NAND

Biểu thức thực hiện chức năng cổng và - đảo

(5.15)

Bảng chân lý, ký hiệu quy ước của một cổng NAND hai đầu vào (hình 5.19a, b),

ký hiệu tương đương của cổng NAND (hình 5.19c)

Ta có các nhận xét sau:

134

- YNAND = 0 chỉ khi tất cả các đầu vào của cổng NAND ở mức cao (A = B =1)

- YNAND =1 khi có ít nhất một đầu vào của cổng NAND ở mức thấp.

- Có thể xem cổng NAND như là ghép nối tiếp một cổng AND với một cổng

Biến vào

Hàm ra

NOT (xem hình ký hiệu tương đương hình 5.19c)

YNAND

Hình 5.19. Cổng và đảo. a) Bảng chân lý của cổng NAND; b) ký hiệu

5.4.1.2. Mạch điện tử số thực hiện cổng NAND

Mạch điện hình 5.20 mô tả cấu trúc cổng NAND DTL nhờ cách ghép nối tiếp

cổng AND hình 5.16a với một cổng NOT hình 5.14 thực hiện theo cấu trúc mô tả bởi

E2 = +12V

Y = A.B

1.5K

18K

E1 = -12V

hình 5.19c.

Hình 5.20. Sơ đồ mạch điện cổng NAND kết hợp liên tiếp cổng AND và NOT

5.4.2. Cổng thực hiện hàm logic hoặc - đảo

5.4.2.1. Nguyên lí cổng NOR

Biểu thức thực hiện chức năng cổng hoặc - đảo

(5.16)

135

Bảng chân lý, ký hiệu quy ước của một cổng NOR có hai đầu vào (hình 5.21a,b,c)

YNOR = A+B

Hàm ra Biến vào A

B YNOR = A + B

B b) 1 0 A 0

YNOR = A+B

A 0 1 0

0 0 B c)

0 1 1 1

Hình 5.21. Cổng hoặc đảo (NOR) a) Bảng chân lý; b) ký hiệu; c) Ký hiệu tương đương OR - NOT

Ta có nhận xét là:

+ Đầu ra cổng NOR sẽ lên mức cao (YNOR = 1) khi tất cả các đầu vào của nó ở

mức thấp.

+ YNOR = 0 (đầu ra ở mức thấp) khi có ít nhất 1 đầu vào của nó ở mức cao.

+ Cổng NOR là sự kết hợp liên tiếp cổng OR và cổng NOT.

E2 = +12V

Y = A + B

1.5K

18K

E1 = -12V

5.4.2.2. Mạch điện tử số thực hiện cổng NOR

Hình 5.22. Cổng NOR kết hợp từ hai cổng OR và NOT

Mạch hình 5.22 là sự ghép nối tiếp cổng OR hình 5.18a và cổng NOT hình 5.14

theo ký hiệu tương đương hình 5.21c.

5.4.3. Cổng đồng trị (EX-NOR)

Cổng đồng trị thực hiện hàm logic cùng trị số. Biểu thức logic có dạng:

136

Y = A + B = A.B + A.B (5.17)

Bảng chân lý của hàm được giới thiệu trên hình 5.23a. Sơ đồ mạch điện hàm này

được vẽ trên hình 5.23b.

Theo bảng chân lý hình 5.23a, ta thấy khi hai cổng vào cùng trị số (1 hoặc 0) thì

đầu ra bằng 1, còn khi cổng vào không cùng trị số đầu ra bằng 0. Như vậy cổng EX-

NOR sẽ có đầu ra bằng 1 khi các trạng thái đầu vào có số chẵn các số 1. Vì vậy có thể

xem là một mạch phát hiện các bít chẵn.

Từ biểu thức (5.17) ta có thể xây dựng cổng này từ các cổng và, hoặc, đảo như

A.B

trên hình 5.23b.

Biến vào Hàm ra

A B Y = A + B

A.B

1 0 0

Y = A.B + A.B

0 0 1

0 1 0

1 1 1 b)

Hình 5.23. Cổng đồng trị a) Bảng chân lý; b) Sơ đồ điện và kí hiệu.

5.4.4. Cổng không đồng trị (EX-OR)

Cổng không đồng trị thực hiện hàm logic khác dấu, không đồng (cùng) trị số.

Biểu thức logic có dạng:

Y = A + B = A.B + A.B (5.18)

Bảng chân lý của hàm được giới thiệu trên hình 5.24a Sơ đồ mạch điện hàm này

được vẽ trên hình 5.24b.

Từ bảng chân lý hình 5.24a ta thấy nó gần giống bảng chân lý của cổng hoặc, chỉ

khác là ở đây khi hai cổng vào cùng 1 thì đầu ra bằng 0. Cổng EX-OR sẽ có đầu ra

bằng 1 khi các trạng thái đầu vào có số lẻ các số 1. Vì vậy có thể xem là một mạch phát

137

hiện các bít lẻ. Cổng này còn có tên gọi khác là cổng khác dấu; khi hai đầu vào có giá

trị giống nhau đầu ra có giá trị là 0 còn khi đầu vào có giá trị khác nhau đầu ra có giá

A.B

trị là 1.

Biến vào Hàm ra

A B Y = A + B

A.B

0 0 0

1 1 0

Y = A.B + A.B

0 1 1

1 0 1

b) a)

Hình 5.24. Cổng không đồng trị a) Bảng chân lý ; b) Sơ đồ điện và kí hiệu.

Từ biểu thức (5.18) ta có thể xây dựng cổng này từ các cổng và, hoặc, đảo như

trên hình 5.24b.

5.5. Các vi mạch logic thông dụng

Các mạch điện tử số được thiết kế trên cơ sở các vi mạch, chúng được chia thành

hai loại:

Mạch logic tổ hợp, trong đó trạng thái lối ra của mạch ở mọi thời điểm chỉ phụ

thuộc vào các giá trị lối vào. Thuộc loại này có: các bộ số học, bộ mã hóa, bộ giải mã,

bộ phân kênh, hợp kênh, ...

Mạch logic có nhớ, hay logic dãy, trong đó trạng thái lối ra khi có tín hiệu tác

động tại một thời điểm, không những phụ thuộc vào các giá trị lối vào ở thời điểm đó

mà còn phụ thuộc vào trạng thái của mạch ở thời điểm trước đó nữa. Thuộc loại này

có: các triger, các bộ đếm, các phần tử nhớ, bộ ghi dịch...

5.5.1. Giới thiệu một số vi mạch logic thông dụng

Mục này giới thiệu một số vi mạch loại TTL thuộc họ 7400, 74LS00 (hình 5.25)

và vi mạch loại CMOS thuộc họ 4000 (hình 5.26). Để tham khảo kĩ các loại vi mạch

này cần tìm sách tra cứu IC số.

138

- Vi mạch loại TTL

7400/74LS00

7402/74LS02

7404/74LS04

7408/74LS08

7432/74LS32

Nguồn cung cấp của các khối cổng logic này đều là +5V (pin 14, pin 7 nối mass)

Hình 5.25. Một số vi mạch số thông dụng

- Vi mạch loại CMOS

Nguồn cung cấp UCC = 3V  15V. So với loại TTL thì CMOS có trở kháng vào

4011

4049

4001

cao nên có nhiều ứng dụng hơn.

Hình 5.26. Vi mạch CMOS

5.5.2. Các mạch logic tổ hợp

Khi đã biết chức năng của một mạch logic tổ hợp, ta có thể thiết kế và thực hiện

Bìa Karnaugh

Tối thiểu hóa

Bảng trạng thái

Sơ đồ logic

Biểu thức tối thiểu

được mạch logic này. Các bước tiến hành như sau:

Biểu thức logic

Tối thiểu hóa

Logic thực

139

Hình 5.27. Các bước thiết kế mạch logic

- Từ yêu cầu chức năng ta lập bảng chân lý (trạng thái) của hàm.

- Từ bảng chân lý suy ra biểu thức của hàm logic.

- Tối thiểu hoá hàm logic.

- Từ hàm logic (đã tối thiểu) thiết kế mạch.

Ta có thể diễn đạt quy trình trên bằng sơ đồ khối hình 5.27

5.5.2.1. Mạch bán cộng

Mạch cộng số học là mạch điện cơ bản để từ đó thực hiện các phép toán số học

khác trong số học nhị phân. Mạch bán cộng thực hiện cộng hai số nhị phân tự nhiên 1

bit. Từ quy tắc cộng hai số nhị phân 1 bit (logic thực): 0 + 0 = 0; 0 + 1 = 1; 1 + 0 = 1;

1 + 1 = 10 = 0 nhớ 1. Ta lập được bảng chân lí như hình 5.28a.

A B TS N

0 0 0 0

1 0 1 0

0 1 1 0

1 1 0 1 b) c) a)

Hình 5.28. Bảng chân lí và mạch điện mạch bán cộng

Từ bảng chân lí ta xác định được hàm logic

TS = + (5.19) N = AB

Từ hàm logic ở hệ thức 5.19 và sử dụng các cổng logic cơ bản, xây dựng được

mạch điện hình 5.28b. Thực hiện biến đổi hệ thức 5.19, ta có hệ thức 5.20 và xây dựng

được mạch điện trên hình 5.28c.

TS = + = + + +

= (A+B) + (A+B) = ( + )(A+B)

140

TS = (A+B) (5.20) N = AB

Sử dụng IC SN7451 và SN7400 có trong thực tế và từ hàm logic ở hệ thức 5.20

7400

7451

xây dựng được mạch điện hình 5.29

Hình 5.29

5.5.2.2. Mạch mã hóa

a. Khái niệm

Các hệ thống số chỉ có thể xử lí các bít 0 và 1. Tuy vậy người ta khó hiểu được

những chuỗi dài những con số 0 và 1. Vì vậy cần phải nghĩ ra các phương tiện để

chuyển đổi giữa ngôn ngữ thường ngày và ngôn ngữ máy, đó là các bộ mã hoá. Nếu

dùng mã nhị phân để biểu thị đối tượng ta đã mã hoá nhị phân quá trình đó. Một ký tự

nhị phân có hai giá trị 0 và 1, tương ứng với việc biểu diễn hai tín hiệu, nếu dùng n ký tự nhị phân (n số tự nhiên nguyên) sẽ biểu diễn được 2n tín hiệu khác nhau. Điều kiện

để mã hoá N tín hiệu là:

2n  N (5.21)

Dưới đây giới thiệu một số bộ mã hóa

b. Bộ mã hoá thập - nhị phân (mã hoá BCD)

Bộ mã hoá BCD là mạch điện chuyển một ký tự thập phân tại đầu vào 0, 1, 2, 3,

4, 5, 6, 7, 8, 9 thành một từ mã biểu diễn số thập phân tương ứng trong hệ nhị phân tại

đầu ra.

Áp dụng công thức 5.21 ta có n = 4 tức là phải sử dụng 4 bit nhị phân DCBA biểu

diễn các ký tự từ 0 đến 9. Ta chọn mã ở đầu ra là mã BCD 8421, theo đó có bảng trạng

thái 5.7 và hệ hàm ra có dạng biểu thức 5.22 (chú ý quan hệ Y0… Y9 là không đồng

141

thời).

Bảng 5.7: bảng chân lý của bộ mã hoá thập phân sang nhị phân

Y4 Y3

(Y0)

Y8 Y9

Các hàm ra

Tín hiệu vào D (24) C (22) B (21) A (20)

(MSB)

0 0 0 0 Y0 (0)

0 0 0 1 Y1 (1)

0 0 1 0 Y2 (2)

0 0 1 1 Y3 (3)

0 1 0 0 Y4 (4)

0 1 0 1 Y5 (5)

A (LSB)

0 1 1 0 Y6 (6)

0 1 1 1 Y7 (7)

1 0 0 0 Y8 (8)

1 0 0 1 Hình 5.30. Cấu trúc mạch điện bộ mã hoá BCD 8421 Y9 (9)

D = Y8 + Y9 =

C = Y4 + Y5 + Y6 + Y7 =

(5.22) B = Y2 + Y3 + Y6 + Y7 =

A = Y1 + Y3 + Y5 + Y7 +Y9 =

Từ các hệ thức 5.22 ta xây dựng được cấu trúc mạch điện hình 5.30 cho bộ mã

hoá BCD8421, chú ý điều kiện vào là các biến Y0 ... Y9 không xuất hiện đồng thời, nếu

Y1 =1 thì Yj =0 (i j) và khi Y1 = ... Y9 = 0 thì A = B = C = 0 ngầm thể hiện Y0 = 1.

5.5.2.3. Mạch giải mã

a. Khái niệm

Bộ giải mã có nhiệm vụ tiếp nhận chuyển đổi một từ mã nhị phân đầu vào thành

một tín hiệu logic duy nhất ở một đầu ra nào đó, tương ứng với mã nhị phân đã tác động. Như vậy với N đầu vào có thể nhận giá trị 0 hay1, sẽ có 2N tổ hợp mã đầu vào.

Với mỗi tổ hợp mã đầu vào chỉ có một đầu ra tương ứng với biểu diễn của mã đầu vào

142

được kích hoạt lên mức tích cực, các đầu ra còn lại ở mức đối lập với mức tích cực.

Khi không dùng hết các tổ hợp mã đầu vào, bộ giải mã được thiết kế loại bỏ các

tổ hợp này để chúng không tác động tới bất kỳ đầu ra nào.

b. Bộ giải mã nhị phân - bát phân (3 đường thành 8 đường - 1 trong 8)

Bảng chân Đầu vào Đầu ra

(MSB) B 0

lý (hình 5.31a) C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 A (LSB) và mạch điện

0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 (hình 5.31b)

0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 thực hiện việc 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 giải mã 3 đường 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 thành 8 đường. 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0

1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0

1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0

1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1

C (MSB)

A (LSB)

Y0 = C.B.A

Y1 = C.B.A

Y2 = C.B.A

Y3 = C.B.A

Y4 = C.B.A

Y5 = C.B.A

Y6 = C.B.A

Y7 = C.B.A

Hình 5.31. Bộ giải mã nhị phân - bát phân

Với đầu vào C, B, A sẽ xuất hiện 23 = 8 tổ hợp khác nhau của các trạng thái vào,

143

khi đó qua các cổng AND từ 0 tới 7. Chỉ một trong các tổ hợp tác động cùng lúc ở các

đầu vào gây phản ứng tích cực ở đầu ra tương ứng của một trong các cổng AND này,

tức là đầu ra này lên mức tích cực. Ví dụ với tổ hợp mã vào là 101 (= C A)chỉ duy

nhất cổng AND5 chuyển đầu ra lên mức tích cực cao.

c. Bộ giải mã từ BCD thành 7 đoạn (LED) hiển thị

Màn hình LED (như giới thiệu ở 1.2.3.5c) được sử dụng một cách phổ biến nhất

để hiển thị sáng các ký số thập phân từ 0 tới 9 và đôi khi các ký tự từ a tới f. Cấu tạo

màn hình loại anôt chung gồm 7 thanh LED độc lập nhau được bố trí như trên hình

Nối chung Anôt

Loại colectơ hở

Màn hình LED 7 đoạn

Đầu vào BCD

D C B A

Bộ giải mã BCD thành 7 đoạn

Đầu vào điều khiển xóa

7466 hoặc 7467

Đầu vào thử LED

5.32 (khi tất cả 7 anôt của các điôt LED nối chung với nhau).

Hình 5.32. IC giải mã 7446/7447 (BCD thành 7 đoạn) điều khiển màn hình LED 7 đoạn có anôt chung

Khi sử dụng anôt chung nối tới 5V, một điện trở hạn chế dòng điện ở mức 5mA

tới 40mA cho mỗi LED. Từ catôt của chúng nối tơí đầu ra tương ứng của bộ giải mã có

mức tích cực thấp (mức 0) và cấu trúc loại hở cực colectơ để chịu dòng lớn.

Với loại có catôt chung thì nhóm catôt chung được nối tới 0V qua điện trở hạn

dòng (vài trăm ), anôt của mỗi thanh LED được nối tới đầu ra của bộ giải mã có mức

tích cực cao qua một bộ đệm (mức 1). Khi thoả mãn điều kiện của mức tích cực LED

sẽ phát sáng vì có dòng chảy qua và hiển thị vạch mà nó biểu diễn.

Các IC giải mã trong trường hợp dùng LED catôt chung không được nối trực tiếp

144

tới các thanh LED vì đầu ra của TTL hay CMOS không đủ dòng cung cấp cho LED khi

đó cần giao diện thường là tranzito đệm giữa IC giải mã và thanh LED có catôt nối

chung.

+ Các ký tự của các đoạn LED được ký hiệu lần lượt là a, b, c, d, e, f và g (hình

5.32).

5.6. Mạch Trigơ

Mạch trigơ số (còn có tên gọi là Flip - Flop, viết tắt là FF) là một phần tử hết sức

quan trọng và cơ bản trong kĩ thuật điện tử số. Một FF thường có hai đầu ra Q, các

đầu ra này thực hiện các chức năng:

- Hai trạng thái ra Q, ổn định, có tính liên hợp. Nghĩa là khi Q =1 thì = 0 và

ngược lại khi Q = 0 thì = 1 .

- Các trạng thái đầu ra không chỉ phụ thuộc các trạng thái đầu vào đặt tới ở thời

điểm đang xét, mà còn phụ thuộc vào trạng thái trước đó của trigơ (trước khi đặt tín

hiệu tới trigơ đang ở trạng thái nào).

- Có khả năng tiếp nhận, lưu trữ tín hiệu trong một thời gian tuỳ theo yêu cầu và

xuất ra một trạng thái nhị phân đang được lưu giữ trong FF.

- Có thể mở rộng chức năng của FF nhờ có các đầu vào điều khiển hoạt động của

FF, ngoài các đầu vào tín hiệu (xoá tín hiệu đang lưu, cho phép ghi hay đọc...).

5.6.1. Một số cấu trúc mạch thường gặp của trigơ

5.6.1.1. Cấu trúc trigơ RS (Set : đặt; Reset: đặt lại).

a. Cấu trúc trigơ không đồng bộ

Sơ đồ cấu trúc trigơ RS giới thiệu trên hình 5.33.

a) b) c)

Hình 5.33. Sơ đồ cấu trúc trigơ RS không đồng bộ. a) Dùng cổng NAND; b) Dùng cổng NOR; c) Kí hiệu

Theo sơ đồ cấu trúc này hệ hàm đầu ra có dạng:

145

hoặc

Bảng chân lí và đồ thị thời gian minh họa hoạt động của FF giới thiệu trên hình

5.34. Trạng thái của trigơ được mô tả như sau:

- Khi đặt vào S = 1, R = 0 đầu ra có Q =1,

- Khi đặt vào S = 0, R = 1 đầu ra có Q = 0,

- Khi đặt vào S =R =0, đầu ra giữ nguyên trạng thái trước đó đang có.

- Khi đặt vào S =R =1 cấm không hoạt động (khi đó hai đầu ra không đúng

chức năng đã nêu ở trên).

Minh hoạ cho các trạng thái làm việc này là đồ thị thời gian hình 3.34b.

Sn Rn Qn+1 t

0 0 Qn Rn

1 1 0 0 t

0 0 1 1 Qn+1

1 1 Cấm t

a) b)

IC1

Hình 5.34. Hoạt động của trigơ RS không đồng bộ a) Bảng chân lí; b) Đồ thị thời gian.

b. Cấu trúc trigơ RS đồng bộ

Trigơ đồng bộ có thêm một cổng

IC2

đồng bộ như trên hình 5.35. Nhờ hai

cổng NAND là IC1, IC2 mà các đầu vào

S, R có điều khiển được trạng thái ra của

Hình 5.35. Cấu trúc của trigơ RS đồng bộ Q và hay không.

Khi C = 1 hai IC1, IC2 cho phép các đầu vào S, R điều khiển trạng thái ra Q,

146

theo bảng chân lí hình 5.34a.

Khi C = 0 hai đầu ra của IC1, IC2 có mức 1, tương đương trạng thái R = S = 0,

đầu ra giữ nguyên trạng thái, không phụ thuộc vào trạng thái của đầu vào R và S.

5.6.1.2. Trigơ D (Delay : trễ).

Cấu trúc của trigơ D được xây dựng trên cơ sở trigơ RS, bằng cách nối từ đầu vào

S qua cổng đảo đưa tới đầu vào R của trigơ RS như trên hình 5.36.

Khi C = 1, nếu D = 1 tương đương S = 1, R = 0, ta có Q = 1, = 0; nếu D = 0

tương đương S = 0, R = 1, đầu ra có Q = 0, = 1. Khi C = 0 đầu ra Q,

giữ nguyên trạng thái trước đó. Hình 5.37 minh hoạ hoạt động của trigơ D đồng bộ. Các xung D1,

D2 không làm lật trạng thái của Q vì lúc đó C = 0. Khi xung D3 lên 1 tại t1 nhưng Q vẫn

giữ nguyên giá trị 0, chỉ tới t2 là cạnh lên của C1 Q mới lật trạng thái lên 1. Trong suốt

khoảng t2, t3 Q = 1 vì D3 = 1. Q chỉ trả về 0 tại t4 khi C = 1

a) b)

Hình 5.36. Trigơ D a) Sơ đồ mạch; b) kí hiệu.

D1 D2

C1 C2

t2 t1 t3 Q

147

Hình 5.37. Đồ thị thời gian của trigơ D

5.6.1.3. Trigơ JK (Jump : nhảy; Keep : giữ).

Người ta bổ xung vào đầu vào của trigơ RS hai đường hồi tiếp, về đầu S và Q

về đầu R như trên hình 5.38 ta nhận được trigơ JK.

J K Qn S R Qn+1

0 0 1 0 0 0 1

0 0 0 1 0 0 0

0 1 1 0 0 1 0

0 1 0 1 0 0 0

1 0 1 0 0 0 1 a) 1 0 0 1 1 0 1

a. 1 1 1 0 0 1 0 b)

1 1 0 1 1 0 1

Hình 5.38. Trigơ JK. a) Sơ đồ mạch; b) Bảng chân lí

Với hai đường hồi tiếp về, hoạt động của trigơ JK tuân theo bảng chân lí hình

5.38b. Hai đầu JK có thể nhận bốn tổ hợp giá trị, tại mỗi giá trị của J, K đầu ra Q trước

đó có thể là 1 hoặc 0 (hai hàng liên tiếp trên bảng chân lí hình 5.38b nhận một giá trị

JK). Do đó để giải thích hoạt động của trigơ ở đây cần 8 hàng.

Khi đầu vào J, K ít nhất có một trạng thái 0 (các hàng từ 1 đến 6) bảng chân lí của

trigơ JK giống bảng chân lí của trigơ RS trên hình 5.37a. Khi J = K =1 (hai hàng cuối

của bảng chân lí) trạng thái của Q ở bậc thứ n+1 sẽ nghịch đảo trạng thái trước đó (Q ở

bậc thứ n).

5.6.1.4. Trigơ T

Từ trigơ JK có thể thiết kế trigơ T



(loại trigơ rất thường dùng cho các bộ

đếm) bằng cách nối hai đầu vào J = K =1

(hình 5.39), lúc đó trigơ JK hoạt động ở

trạng thái bập bênh theo xung đồng hồ Hình 5.39. Cấu trúc trigơ T

148

đưa tới cổng đồng bộ C

5.6.2. Ứng dụng của trigơ

Một trong những ứng dụng của trigơ là xây dựng các bộ đếm. Thực hiện ghép

liên tiếp các trigơ T (TFF) hoạt động bập bênh của các trigơ đếm mang tính dây chuyền

ta sẽ nhận được bộ đếm xung kiểu tuần tự: cứ mỗi xung nhịp đưa tới đầu vào T sẽ

được bộ đếm cộng lại trong hệ nhị phân, tổng số xung vào sẽ xuất hiện ở dạng nhị phân

tại các đầu ra của TFF. Tổng quát, khi ghép n trigơ đếm liên tiếp nhau số trạng thái nhị phân tương ứng với số xung tối đa có thể đếm được là 2n - 1 gọi là dung lượng của bộ

đếm. Bộ đếm xung mô tả trên đây gọi là bộ đếm nhị phân, thực chất là phép chia hai

liên tiếp số lượng xung nhịp ở đầu vào T.

Hình 5.40a và 5.41a là cấu trúc mạch điện của hai dạng bộ đếm nhị phân phổ biến

nhất dùng TFF (hay JKFF ở chế độ J - K = 1) gọi tên là bộ đếm nhị phân kiểu đếm tiến (hình 5.40a) và kiểu đếm lùi (hình 5.41a) với xung đếm tối đa là 23 -1 = 7 xung, chính

là phép đếm trong hệ đếm 8. Ta có bảng trạng thái, đồ thị thời gian minh họa hoạt động

của các mạch 5.40a và 5.41a thể hiện trên hình 5.40b và 5.41b.

Q2 Q1 Q0 Số xung

0 0 0 0

Vào xung đếm

0 0 1 1

FF0

FF1

FF2

0 1 0 2 a) 0 1 1

1 0 0

1 0 1

1 1 0

1 1 1 b) 0 0 0 3 4 5 6 7 8

149

Hình 5.40. Bộ đếm nhị phân kiểu đếm tiến a) cấu trúc mạch; b) bảng chân lý, đồ thị xung

Có hai nhận xét quan trọng từ bảng trạng thái của bộ đếm nhị phân:

- FF phía sau sẽ lật trạng thái khi FF phía trước chuyển từ mức cao về mức thấp

(sườn đi xuống của xung).

- FF phía sau sẽ chuyển khi mọi FF phía trước đã ở mức 1.

Nhận xét đầu giúp ta giải thích kết cấu và hoạt động của mạch ở hình 5.40a và

5.40b: cứ sau mỗi sườn đi xuống của xung đếm (từ mức 1 về mức 0) FF0 sẽ chuyển giá

trị, FF1 và FF2 cùng có thuộc tính tương tự khi Q0 và Q1 chuyển từ 1 về 0. Ở mạch hình

5.41a đếm xuống thực hiện bằng cách trừ dần số xung, sau lần kích thích thứ nhất có

được nối với đầu vào T của FF phía sau nên khi Q Q0 = Q1 = Q2 = 1, vì các đầu ra

từ 0 lên 1 thì từ 1 xuống 0 sẽ kích thích chuyển cho FF sau như đồ thị thời gian

hình 5.41b đã chỉ rõ.

Vào xung đếm

Q2 Q1 Q0

0 0 0

FF0

FF1

FF2

1 1 1 a)

1 1 0

1 0 1

1 0 0

0 1 1

0 1 0

0 0 1

0 0 0 b) Số xung 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Hình 5.41. Bộ đếm nhị phân kiểu đếm lùi a) cấu trúc mạch; b) bảng chân lý, đồ thị xung

Khi sử dụng nhiều TFF mắc liên tiếp, dung lượng của bộ đếm sẽ tăng, ví dụ với 5TFF sẽ đếm được 25 - 1 = 31, xung đếm thứ 32 thì Q4 = Q3 = Q2 = Q1 = Q0 = 0 (về

trạng thái ban đầu). Tuy nhiên việc ghép nhiều sẽ tích luỹ sự chậm trễ của mỗi FF lại,

đây là nhược điểm của mạch đếm kích thích không đồng bộ dạng hình 5.40 và 5.41 còn

150

gọi là kiểu đếm nối tiếp.

5.7. Biến đổi số tương tự và biến đổi tương tự số

5.7.1. Giới thiệu chung

Do sự phát triển nhanh chóng của kĩ thuật điện tử số, đặc biệt là sự sử dụng máy

tính điện tử số, nên thường phải dùng mạch số để xử lí tín hiệu tương tự. Muốn vậy cần

phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số tương ứng để đưa vào máy tính số xử

lí. Mặt khác thường có yêu cầu biến đổi tín hiệu số (kết quả xử lí) thành tín hiệu tương

tự tương ứng để đưa ra phù hợp với các thiết bị tương tự. Sự chuyển đổi từ tín hiệu

tương tự sang số gọi là biến đổi AD, mạch điện thực hiện công việc đó gọi là ADC.

Chúng ta gọi sự chuyển đổi từ số sang tương tự là DA, mạch thực hiện là DAC.

Để kết quả xử lí có độ chính xác, thì chuyển đổi AD và DA phải có độ chính xác

đủ cao. Mặt khác để dùng điều khiển và giám sát các quá trình biến đổi nhanh, thì

ADC và DAC phải có tốc độ đủ lớn. Vậy độ chính xác và tốc độ chuyển đổi là các đặc

trưng kĩ thuật chủ yếu để đánh giá chất lượng ADC và DAC.

Kĩ thuật chuyển đổi ADC và DAC phát triển nhanh chóng và có nhiều phương

thức khác nhau. Trong phạm vi chương trình, chúng ta chỉ nêu lên bộ biến đổi ADC

xấp xỉ tiệm cận và DAC hình T, đây là những bộ biến đổi được dùng phổ biến.

5.7.2. Bộ biến đổi ADC

Trong ADC, tín hiệu đầu vào là tín hiệu liên tục, tín hiệu ở đầu ra là tín hiệu số

được mã hóa và là rời rạc. Sự chuyển đổi AD đòi hỏi phải lấy mẫu đối với tín hiệu

tương tự ở đầu vào ở những thời điểm quy định, sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu đó

thành lượng số đầu ra. Nói chung quá trình chuyển đổi AD có 4 bước: lấy mẫu, nhớ

mẫu, lượng tử hóa và mã hóa. Cần chú ý, lấy mẫu và nhớ mẫu thường là công việc liên

tục của cùng một mạch điện, lượng tử hóa và mã hóa là công việc đồng thời thực hiện

trong quá trình chuyển đổi với khoảng thời gian cần thiết là một phần của thời gian nhớ

mẫu.

Định lí lấy mẫu: Đối với tín hiệu tương tự v1 thì tín hiệu lấy mẫu vs sao cho sau

quá trình lấy mẫu, có thể khôi phục trở lại một cách trung thực nếu điều kiện fs  2Flmax

được thỏa mãn, trong đó fs là tần số lấy mẫu, Flmax là giới hạn trên của dãi tần tín hiệu

151

tương tự (hình 5.42).

Vì mỗi lần chuyển đổi điện áp lấy mẫu thành tín hiệu số tương ứng đều cần một

thời gian nhất định, nên phải nhớ mẫu một khoảng thời gian cần thiết sau mỗi lần lấy

mẫu.

Hình 5.42. Lấy mẫu tương tự tín hiệu đầu vào

Ta đã biết tín hiệu số không chỉ rời rạc theo thời gian, mà còn không liên tục

trong biến đổi giá trị. Một giá trị bất kì của tín hiệu số đều phải biểu thị bằng bội số

nguyên lần giá trị đơn vị nào đó, giá trị này là nhỏ nhất được chọn. Quá trình đó được

gọi là lượng tử hóa. Đơn vị được chọn theo quy định này gọi là đơn vị lượng tử. Việc

dùng mã nhị phân để biểu thị giá trị tín hiệu số là mã hóa. Mã nhị phân có được sau

quá trình trên chính là tín hiệu đầu ra của chuyển đổi AC.

5.7.3. Bộ biến đổi DAC

Bộ điện trở được mắc thành dạng hình T gọi là một mắt, chúng được nối dây

chuyền với nhau, để nối với lối vào là các tín hiệu số. Như vậy khi tín hiệu đi qua mỗi

mắt thì điện áp ra sẽ bị suy giảm. Tín hiệu được đưa vào bộ khuếch đại thuật toán nhờ

bộ chuyển mạch tương tự. Tương ứng với một bit số, ta cần có một chuyển mạch tương

Khuếch đại thuật toán

Tín hiệu ra tương tự

Điện trở hình T

Tín hiệu số

Chuyển mạch tương tự

tự. Điện áp tương tự đầu ra sẽ tỉ lệ thuận với tín hiệu số ở lối vào (hình 5.43).

152

Hình 5.43. Nguyên lí bộ biến đổi DAC

5.7.4. Ứng dụng của ADC và DAC

Một trong những ứng dụng quan trọng của ADC và DAC là hệ thống thu thập số

liệu, đây là bộ phận quan trọng của các thiết bị đo lường, hiển thị, ghi và xử lí số…hiện

đại. Các đại lượng vật lí của đối tượng số liệu biến thành tín hiệu điện sau khi tác động

vào các bộ cảm biến. Hệ thống thu thập số liệu sẽ thu thập thông tin số liệu lối ra của

bộ cảm biến để lưu trữ, hiển thị hoặc xử lí bằng máy vi tính. Một hệ thống như vậy rất

cần cho các thiết bị số hiện đại như đo lường, điều khiển…mà trong đó ADC và DAC

là hạt nhân của hệ thống. Hình 5.44 nêu ra một sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thu

Thu thập số liệu

Máy vi tính

DAC

ADC

Chuyển mạch

RAM

Định thời

Đếm địa chỉ

Mạch hiển thị

thập số liệu điển hình.

Hình 5.44. Hệ thống thu thập số liệu

Hệ thống có năm bộ phận:

- Bộ phận thu thập số liệu gồm các mạch cảm biến, khuếch đại, chuyển mạch

nhiều kênh, ADC để thu thập và chuyển đổi AD thành tín hiệu số.

- Bộ nhớ RAM lưu giữ thông tin.

- Mạch định thời.

- Bộ phận ghép nối với máy tính.

- Bộ hiển thị các số liệu trên màn hình.

Với cấu trúc của hệ thống này, chúng ta bước đầu làm quen với việc sử dụng các

153

khối phần tử mạch số để tạo nên một hệ thống số thực dụng.

Chương 6. CÁC HỆ THỐNG ỨNG DỤNG KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

Để giải quyết một nhiệm vụ nhất định trong lĩnh vực kĩ thuật điện tử, người ta cần

xây dựng một hệ thống điện tử bao gồm nhiều thiết bị chức năng. Ngày nay nhiều lĩnh

vực hoạt động của con người có sự tham gia trực tiếp hay gián tiếp của một hệ thống

điện tử

Phần này sẽ đưa ra một số hệ thống điện tử thông dụng được ứng dụng trong đời

sống hàng ngày và trong kĩ thuật hiện đại. Đó là hệ thống thông tin liên lạc bằng kĩ

thuật vô tuyến điện hay tổng quát hơn là hệ thống liên lạc dùng tần số cao, trong đó

thông tin chỉ được truyền theo một chiều nhất định.

Hoạt động của con người càng đa dạng, nhu cầu thông tin trao đổi tin tức, số liệu

hình ảnh càng trở lên phong phú cấp bách. Các hệ thống thông tin điện tử giải quyết

kịp thời và chính xác các yêu cầu nêu trên, đáp ứng được đòi hỏi ngày càng tăng với số

lượng khổng lồ thông tin trên mọi lĩnh vực đời sống văn hóa, nghiên cứu khoa học,

ứng dụng kĩ thuật đến các hoạt động kinh tế xã hội chính trị của cộng đồng con người.

Một trong những thiết bị quan trọng để xử lí thông tin đó là máy tính điện tử, công cụ

không thể thiếu được trong các lĩnh vực khoa học và đời sống hiện nay.

6.1. Nguyên lí thông tin liên lạc

Anten

Nguồn tin

Gia công tin

Khuếch đại công suất cao tần

Điều biến

Khuếch đại cao tần

Hình vẽ 6.1, 6.2 đưa ra nguyên lí của hệ thống thông tin liên lạc điển hình.

Tạo dao động cao tần

Hình 6.1. Hệ thống phát VTĐ

Ở đây tin tức (ví dụ âm thanh, hình ảnh) từ một nguồn tin qua các thiết bị gia

công tin được chuyển thành tín hiệu là dạng dao động điện từ tần số thấp. Các dạng dao

động này không có khả năng bức xạ đi xa, nên người ta phải dùng các dao động điện từ có tần số cao (> 105 Hz) để làm nhiệm vụ tải tin. Đó là các tín hiệu cao tần điều biến.

154

Tín hiệu cao tần sẽ được khuếch đại đủ mức yêu cầu, được đưa tới anten phát và bức

xạ trong không gian hay đưa đến cáp dẫn sóng. Tại nơi thu tin, qua thiết bị đầu vào,

dao động cao tần được chọn lựa, khuếch đại, gia công trung gian, sau đó giải điều biến

để lấy ra dao động của tín hiệu tin. Tín hiệu tin được khuếch đại và tới bộ phận nhận

Anten thu

Mạch vào

Nhận tin

Khuếch đại cao tần

Giải điều biến

Khuếch đại tin

tin.

Hình 6.2. Hệ thống thu VTĐ

Đặc điểm chủ yếu của hệ thống loại này:

- Đây là một hệ thống thông tin hở, tín hiệu chỉ truyền theo một hướng thuận từ

nơi phát đến nơi thu tin. Tại nơi thu tín hiệu nhận được như thế nào, nơi phát không

biết được. Để hệ thống làm việc tin cậy và có chất lượng, người ta cố gắng nâng cao

các chỉ tiêu kĩ thuật của thiết bị phát và thiết bị thu một cách độc lập.

- Hệ thống gồm hai quá trình cơ bản là quá trình điều biến tại nơi phát và quá

trình giải điều biến tại nơi thu.

- Môi trường truyền tin có vai trò rất quan trọng đến chất lượng của hệ thống,

trong đó yếu tố nhiễu (dao động lạ không mong muốn) có vai trò ảnh hưởng quyết

định. Cần phải có nhiều giải pháp để nâng cao tính chống nhiễu, tăng hiệu quả thông

tin.

- Các thông số chỉ tiêu quan trọng nhất của hệ thống là dạng điều biến, công suất

và tần số dao động phát, khoảng cách và môi trường truyền tin, độ chọn lọc và độ nhạy

của thiết bị thu.

Để mang tín hiệu có ích đi xa thì cần có tín hiệu cao tần. Tín hiệu cao tần là

những dao động điều hòa có tần số cao, thường thì lớn hơn tần số tín hiệu cần truyền

đến hàng trăm hay hàng ngàn lần. Tín hiệu có tần số càng cao thì bức xạ càng mạnh, và

tính chất truyền sóng của nó trong môi trường cũng thay đổi. Biểu thức thường dùng

155

trong truyền sóng vô tuyến điện là:

với c là vận tốc truyền sóng vô tuyến điện, bằng với vận tốc ánh sáng: c=300 000km/s;

f là tần số của sóng mang;  là bước sóng.

6.2. Máy thu thanh

6.2.1. Máy thu thanh khuếch đại trực tiếp

Loại máy thu này thực tế hiện nay không còn sử dụng trong đời sống, do nó có

nhiều nhược điểm như độ chọn lọc thấp, hiện tượng fađinh (fading) nhiều…Tuy nhiên

ta đưa vào mục này để hiểu thêm về nguyên lí thông tin liên lạc bởi sơ đồ đơn giản, dễ

hiểu. Đây cũng là loại máy mà trước kia được sử dụng khá phổ biến ở nước ta, với

nhiều sơ đồ khác nhau nhưng trên cùng một nguyên lí.

Tách sóng

Chọn sóng

KĐ cao tần

KĐ âm tần

Sơ đồ nguyên lí của máy thu thanh khuếch đại trực tiếp được vẽ trên hình 6.3

Hình 6.3. Nguyên lí máy thu thanh khuếch đại trực tiếp

Máy thu khuếch đại trực tiếp còn được phân chia ra một số loại như máy thu hồi

khuếch; máy thu tái sinh; máy thu siêu tái sinh; máy thu hồi khuếch và tái sinh…Thực

tế đó chỉ là những cải tiến nhằm cải thiện độ nhạy của máy thu trong điều kiện ít

tranzito mà thôi. Gọi là máy thu trực tiếp vì chúng xử lí trực tiếp tín hiệu cao tần thu

được chứ không qua khâu biến đổi nào để thay đổi tần số mang. Hình 6.4 là một sơ đồ

điển hình của máy thu khuếch đại trực tiếp:

Hình 6.4. Sơ đồ máy thu khuếch đại trực tiếp dùng ba tranzito

Anten thu và đưa tín hiệu vào khung cộng hưởng LC để lựa chọn đài muốn thu,

156

tín hiệu sau khi chọn được đưa qua tụ điện C1 vào cực B của T1 để khuếch đại cao tần.

Tín hiệu tại lối ra của bộ khuếch đại đủ lớn được đưa qua tầng tách sóng D. Tín hiệu

sau tách sóng có hai thành phần chính, thành phần cao tần qua tụ C3 xuống đất, còn

thành phần âm tần đi qua tụ C4 để vào tầng khuếch đại âm tần T2. Tín hiệu sau khi

được khuếch đại điện áp được đưa qua tụ điện C6 để vào tầng khuếch đại công suất chế

độ A. SP là loa để nhận tín hiệu ra cuối cùng, vì nó là tải colectơ của T3, nên yêu cầu

trở kháng loa phải lớn để phù hợp với trở kháng ra của tầng công suất này.

Đây là sơ đồ của máy có chất lượng trung bình, muốn thực hiện tốt hơn về chế độ

chọn lọc, cần có cuộn ghép để lấy tín hiệu ra từ cuộn cộng hưởng. Mặt khác có thể thực

hiện thêm mạch tái sinh để tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc. Nhưng do loại máy này

đã lỗi thời, nên ta chỉ nêu lên một sơ đồ khuếch đại trực tiếp để minh họa mà thôi.

6.2.2. Máy thu đổi tần

6.2.2.1. Sơ đồ khối, đặc điểm

Trên Hình 6.5 thể hiện sơ đồ khối máy thu đổi tần

Điểm khác chủ yếu so với máy thu khuếch đại trực tiếp là ở đây có tầng biến đổi

tần số, chuyển dao động thu được sang trung tần, giữ nguyên sự điều biến. Đối với vô

tuyến truyền thanh, thường chọn ftt = 465 kHz (ở Liên Xô trước đây), ftt = 455 kHz (ở

một số nước châu Âu khác, Nhật Bản và Việt Nam…) đảm bảo lớn hơn tần số âm tần

Mạch vào

KĐ cao tần

Trộn tần

KĐ trung tần

Tách sóng

KĐ âm tần

Tạo sóng (Hêtêrôđin)

và bé hơn tần số mang.

Hình 6.5. Nguyên lí máy thu đổi tần

Đặc điểm của máy thu đổi tần là trung tần không đổi trong mọi dải tần số cần thu.

Như đã nói, để thực hiện điều này, các bản linh động của tụ xoay mạch vào và tụ xoay

157

ở mạch tạo sóng được lắp chung trên một trục, do đó f1 và f3 biến đổi đồng thời sao cho

hiệu của chúng là ftt không đổi. Do vậy, các tầng khuếch đại trung tần của máy thu

được thiết kế để hoạt động ở chế độ cộng hưởng có độ chọn lọc cao. Đó là yêu cầu rất

cơ bản đối với máy thu chất lượng tốt.

Đặc điểm khác của máy thu loại này là có tính lọc lựa rất cao. Thật vậy, giả sử

trong anten của máy khuếch đại thẳng có tác dụng đồng thời hai tín hiệu tần số f1 =

20MHz (của đài cần thu) và f2 = 20,2MHz (của đài nhiễu có tần số lân cận), chúng

cách nhau 0,2/20 = 1%. Giải thông của mạch vào là giới nội (không bé quá, xem hình

6.6). Nếu tín hiệu thứ hai gây ra nhiễu đáng kể, ta nói máy bị lẫn đài. Bây giờ giả sử

các tín hiệu này tác dụng lên mạch vào máy thu đổi tần có tần số của hêtêrôđin là f3 =

19,535MHz, đường cong cộng hưởng của mạch vào vẽ trên hình 6.6b, đường cong

cộng hưởng của cuộn trung tần vẽ3 trên hình 6.6c. Hai tín hiệu này vào máy thu tạo ra

hai trung tần:

ftt = 20 - 19,535 = 0,465MHz

ftt’ = 20,2 - 19,535 = 0,665MHz

Chúng khác nhau đến:

Bây giờ, rõ ràng dao động có tần số ftt’ ở ngoài vùng trung tâm của mạch cộng

Utt

f/f1

f1 f2

f/f1

f/ftt

hưởng nên có biên độ không đáng kể, không gây nhiễu. Do đó máy có tính lọc lựa cao.

a) c) b)

Hình 6.6. Đường cong của các mạch cộng hưởng mạch vào và trung tần

Một đặc điểm khác của máy thu đổi tần là có dạng nhiễu đặc biệt gọi là nhiễu

gương. Giả sử anten đồng thời chịu tác dụng của hai tín hiệu có tần số là f1 và f4: f1 = f3

158

+ ftt và f4 = f3 - ftt với f3 là tần số dao động hêtêrôđin

Rõ ràng khi trộn sóng, cả hai tín hiệu đều cho ta cùng một trung tần ftt và trong

ftt

máy thu có thể thu được đồng thời cả hai tín hiệu

này: máy bị nhiễu. Vì f1 và f4 đối xứng gương

qua f3 (Hình 6.7), nên loại nhiễu này gọi là nhiễu

gương. Tuy nhiên nhiễu gương thực tế không

đáng sợ. Thật vậy, giả sử f1 = 20MHz tín hiệu

Hình 6.7. Phổ của nhiễu gương gương của nó là f4 = f1 - 2ftt = 19,07MHz khác

nhau đến 1/20 = 5%.

Ngay mạch vào có phẩm chất trung bình thu được biên độ A4 bé hơn biên độ A1

nhiều (Hình 6.6c): Nhiễu gương thực tế không biểu lộ. Như vậy, để khử nhiễu gương

cần làm cho mạch vào của máy thu có dải thông hẹp là được, tức là cần tăng cao hệ số

phẩm chất của mạch chọn sóng vào.

6.2.2.2. Các bộ phận của máy thu đổi tần

a. Mạch vào

Mạch vào của máy thu thường là mạch

a) b) cộng hưởng có hệ số phẩm chất cao để chọn

lọc tốt tín hiệu của đài cần thu. Hình 6.8. Mạch vào máy thu thanh Ngoài ra mạch cộng hưởng ở lối vào

thường không chỉ gồm một tụ điện (Hình 6.8a) mà gồm nhiều tụ điện gọi là các tụ “dãn

băng tần”.

Để hiểu thế nào là dãn băng tần, ta xét sơ đồ ở Hình 6.8b. Nếu trong sơ đồ Hình

6.8a, điện dung ban đầu Cmin (điện dung cực tiểu) của tụ biến đổi C bằng 10% điện

dung toàn phần của nó, thì bước sóng riêng của mạch b thay đổi 3,16 lần khi tụ có Cmax (tính theo công thức /0 = [Cmax/Cmin]1/2).

Còn nếu mắc theo sơ đồ Hình 6.8b với trường hợp C1 = C2 = C0 thì khi điện dung

của tụ C thay đổi từ nhỏ nhất đến lớn nhất, bước sóng riêng của mạch thay đổi chỉ có

1,2 lần, nghĩa là với cùng góc quay của tụ xoay, bước sóng thay đổi ít hơn. Như vậy, rõ

ràng dễ bắt đài hơn. Vì một dãi có độ rộng hạn chế, nên ở máy thu này, người ta phân

một vùng tần số rộng thành nhiều dải nhỏ hay nhiều băng tần (ví dụ 8 băng), do đó dễ

159

bắt đài hơn.

b. Bộ đổi tần

Một tầng trộn tần phối hợp với một tầng tạo sóng nội được gọi là một bộ đổi tần.

Như phần nguyên lí đổi tần đã trình bày, ta có thể dùng một tranzito để thực hiện tầng

TT1

này (Hình 6.9). Hoạt động của mạch như sau:

Hình 6.9. Mạch đổi tần dùng một tranzito

Phần tạo sóng: Mạch dao động tạo tần số dựa trên các linh kiện chủ yếu: L4 C2, để

đồng chỉnh ta dùng thêm C3, C4. Mạch đồng chỉnh là cần thiết trong các mạch đổi tần

thu sóng VTĐ. Để duy trì dao động ra, tín hiệu được trích ra một phần nhờ kiểu ghép

ba điểm điện cảm trên cuộn L2, tín hiệu được đưa vào cực E nhờ tụ Cp (lối mắc BC).

Sau khi khuếch đại đủ mức yêu cầu, tín hiệu lấy ra trên L3 được hồi tiếp dương trở lại

khung dao động.

Phần trộn sóng: tín hiệu cao tần được đưa vào cực B sau khi được chọn sóng nhờ

bộ cộng hưởng L1C1 và cảm ứng qua L2. Còn tín hiệu dao động nội cũng vẫn qua tụ Cp

để vào cực E. Tại yếu tố phi tuyến tranzito, hai tín hiệu được trộn với nhau và tạo ra

phách. Kết quả là ở lối ra, ta nhận được thành phần cần thiết là tín hiệu trung tần. tín

hiệu trung tần được chọn lọc nhờ các biến áp trung tần, trên sơ đồ là biến áp trung tần

thứ nhất (TT1). Sau đó tín hiệu được đưa vào khối khuếch đại trung tần để tiếp tục

khuếch đại.

c. Các tầng khác

Sau bộ đổi tần, là khối khuếch đại trung tần. Để nâng cao tính chọn lọc và hệ số

160

khuếch đại, các tầng khuếch đại trung tần hầu hết có tải là các mạch cộng hưởng. Đối

với các mạch hiện đại dùng vi mạch, và do đặc tuyến của các bộ lọc thạch anh rất tốt,

nên hiện nay khối trung tần chỉ cần bộ lọc đầu vào tốt như SAW là đủ, không cần dùng

các khung cộng hưởng LC ở các tầng.

Để tránh hiện tượng fađinh hầu hết trong các loại máy thu VTĐ đều phải thiết kế

mạch AGC (Automatic Gain Control). Mạch này có tác dụng tự động điều chỉnh hệ số

khuếch đại trong máy thu thanh. Tín hiệu cho mạch này thường được lấy sau mạch

tách sóng và đưa lên hồi tiếp ở các tầng khuếch đại trung tần đầu.

Mạch tách sóng: Do tín hiệu đã qua nhiều tầng khuếch đại nên có biên độ khá

lớn, vì thế có thể cũng chỉ cần mạch tách sóng đơn là đủ yêu cầu. Sau mạch tách sóng

là bộ lọc loại bỏ những tần số cao tần không cần thiết, để chỉ còn tín hiệu âm tần đưa

vào khối khuếch đại âm tần.

Trước khi đưa vào khuếch đại âm tần, tín hiệu được đưa qua bộ điều chỉnh âm

lượng hay bộ điều chỉnh âm sắc để điều chỉnh phù hợp sở thích của người dùng. Tầng

khuếch đại âm tần đầu tiên là tầng khuếch đại điện áp, tiếp đến là tầng khuếch đại dòng

điện và sau cùng là tầng khuếch đại công suất. Ở các tầng này, ta có thể áp dụng kiểu

ghép RC, trực tiếp hay biến áp. Nếu ở chất lượng trung bình, thì hai tầng đầu dùng kiểu

ghép RC để dễ điều chỉnh, còn tầng khuếch đại công suất dùng kiểu biến áp vào và ra

BATT3

BATT1

BATT2

để có hiệu suất cao.

R10

C12

C14

C13

C11

C10

C21

C19

R21

C20

R19

R14

BAĐP

BAXA

R16

R12

C15

C17

R11



R18

R13

C16

R15

R17

R20

C18

161

Hình 6.10. Mạch điện nguyên lí máy thu đổi tần dùng tranzito

Ở các máy có chất lượng cao, thì tất cả tầng khuếch đại âm tần có thể dùng vi

mạch để thực hiện. Đa phần các máy hiện đại không chỉ đơn giản là máy thu thanh, mà

còn thêm nhiều chức năng khác như máy đọc cassette, CD… do vậy yêu cầu chất

lượng bộ khuếch đại âm tần rất cao, và phần lớn các khối này đều dùng vi mạch. Vì

biên độ tín hiệu ở các lối vào khác nhau là khác nhau, nên khi dùng vi mạch cần xác

định đúng lối vào phù hợp để không bị méo tín hiệu. Sau đây ta nêu lên một sơ đồ máy

thu đổi tần 7 tranzito. Sơ đồ có tính chất nguyên lí, minh họa các nội dung cơ bản đã

trình bày ở trên (Hình 6.10)

Hiện nay một số máy thu có ứng dụng các vi mạch, do vậy chất lượng cao hơn,

độ nhạy tốt hơn và kích thước được giảm nhiều. Các vi mạch có thể thay thế một khối

chức năng trên sơ đồ khối, thậm chí có những vi mạch thay thế được nhiều khối. Ngoài

vi mạch ta chỉ còn thấy một số bộ phận phụ như bộ chọn sóng, bộ lọc, khung dao động,

còn các khối khác đã được vi mạch đảm nhận. Hình 6.11 mô tả nguyên lí khối của một

Mạch lọc SAW

Đổi tần

Khuếch đại trung tần

Khuếch đại cao tần

Khuếch đại âm tần

Tách sóng

Mạch chọn sóng

Khung dao động

máy thu thanh đổi tần dùng vi mạch tổ hợp

Hình 6.11. Nguyên lí máy thu đổi tần dùng vi mạch

6.3. Nguyên lí truyền hình

6.3.1. Những khái niệm cơ bản của ánh sáng và sự cảm nhận của mắt người

162

6.3.1.1. Ánh sáng

Dao động điện từ do các vật thể trong thiên nhiên bức xạ chiếm một dải tần số rất

rộng. Trong dải tần số đó, có một

khoảng hẹp, bước sóng từ 380nm đến 780nm (1nm = 10-9m) là

Sóng Radio

những dao động điện từ mà mắt

T a

T a v ũ

người có thể cảm nhận được,

h ồ n g

t r ụ

g a m a

ử n g o ạ

được gọi là ánh sáng nhìn thấy.

T a R ơ n g h e n

n g o ạ

Dải phổ ánh sáng mà mắt người

Tia trông thấy

cảm nhận được gọi là dải phổ

trông thấy. Hình 6.12. Phân bố thang sóng điện từ

6.3.1.2. Màu sắc

Đặc tính của màu sắc được mắt người cảm nhận theo các thành phần của ánh

Độ chói

Màu

Sắc điệu

Sắc

Độ bảo hòa màu

sáng (Hình 6.13).

Hình 6.13. Thành phần của màu sắc

a. Độ chói

Độ chói hay cảm giác về ánh sáng nhiều hay ít là cảm nhận của mắt với cường độ

của nguồn sáng, hay nói khác đi là cảm ứng của mắt với biên độ trung bình của toàn

phổ.

b. Độ bảo hòa màu

Độ bảo hòa của một màu là sự tinh khiết của màu ấy với màu trắng, hay nói khác

đi là màu ấy bị “pha loãng” bởi ánh sáng trắng nhiều hay ít.

c. Sắc điệu

Sắc điệu là tính chất tạo nên màu sắc. Sắc điệu của một màu hoàn toàn chỉ là cảm

giác chủ quan của mắt người. Trong đo lường và tính toán, ta xác định sắc điệu bằng

bước sóng  của ánh sáng màu.

163

6.3.1.3. Cảm nhận của mắt người đối với ánh sáng màu sắc

Mắt người có cảm nhận ánh sáng không đồng đều đối với các bước sóng. Nếu lấy

nguồn sáng trắng có cường độ chuẩn và mắt người ghi nhận được 100% (độ chói), thì

cũng với cường độ ấy, với ánh sáng đỏ (Red-R) mắt có cảm giác độ chói là 30%, xanh

Độ chói %

59%

30%

11%

 (nm)

R 650

G 525

B 450

lá cây (Green-G) là 59% và ánh sáng xanh da trời (Blue-B) là 11% (Hình 6.14).

Hình 6.14. Phổ cảm nhận của mắt người đối với màu sắc

Mắt người cảm nhận độ chói và màu sắc khác nhau, bởi trong mắt có hai loại tế

bào hình que và hình nón, cảm nhận với hai thành phần của ánh sáng. So với độ chói,

thì cảm nhận về màu sắc của mắt người kém nhạy hơn nhiều, bởi số lượng tế bào cảm

nhận ánh sáng trắng lớn hơn nhiều số tế bào cảm nhận màu sắc. Do có nhược điểm về

cảm nhận màu sắc của mắt mà trong truyền hình màu, người ta có thể thay đổi một số

thông số kĩ thuật, nhằm đơn giản hóa các thiết bị, mà vẫn đảm bảo sự cảm nhận hình

ảnh màu. Truyền hình màu dùng ba màu cơ bản là R, G, B; với ba màu cơ bản này, có

thể tái tạo được nhiều nhất các màu trong tự nhiên.

6.3.2. Giới thiệu tổng quan về truyền hình

Vào thập kỉ 30 người ta bắt đầu nghiên cứu truyền hình và đến năm 1954 về cơ

bản đã hoàn thiện được kĩ thuật này với sự ra đời máy thu dùng đèn VIDECON. Do có

nhiều lí do khác nhau, trên thế giới tồn tại nhiều hệ thống tiêu chuẩn truyền hình khác

nhau: FCC, CCIR, OIRT…song nguyên tắc cơ bản là giống nhau. Các hệ truyền hình

đều chứa đựng các nội dung tin tức sau: tín hiệu hình, xung đồng bộ, tần số sóng mang,

trung tần hình, trung tần tiếng, khoảng cách sóng mang hình và tiếng…

Dải tần số hình ảnh phụ thuộc vào sự lựa chọn của từng hệ tiêu chuẩn:

164

FCC: 0  4,5 MHz

CCIR: 0  5,5 MHz

OIRT: 0  6,5 MHz

6.3.2.1. Nguyên lí truyền hình ảnh

Một trong những nguyên lí đầu tiên của truyền hình là dùng tế bào quang điện, để

biến đổi tín hiệu quang năng (hình ảnh) thành tín hiệu điện (dòng điện) tương ứng

(2)

(4)

(6)

(5)

(1)

(3)

(Hình 6.15).





Hình 6.15. Nguyên lí truyền hình ảnh

Ánh sáng từ vật (1) qua hệ thống quang học (2) đi vào tế bào quang điện (3) và

tạo ra dòng điện tương ứng. Dòng điện được khuếch đại qua hệ thống (4) để có thể làm

phát sáng hệ phát quang (5). Ảnh cuối cùng được tái tạo trên màn (6).

Thực chất với hệ thống đơn giản như trên, ảnh cuối cùng thu được chỉ là ánh sáng

trung bình của vật mà thôi, chứ chưa cho phép nhận dạng được vật. Nguyên lí này cho

ta biết được cách thức biến đổi tín hiệu và truyền tín hiệu ánh sáng trong hệ thống điện

tử.

6.3.2.2. Nguyên lí quét

Để có cảm giác nhìn được hình ảnh của vật ở phía thu, người ta chia vật thành

nhiều điểm. Mỗi điểm được một hệ thống (như ở Hình 6.15) thể hiện. Như vậy tập hợp

các điểm đó cho ta cảm giác ảnh của vật. Nếu số lượng điểm chia nhiều lên thì sự thể

hiện của bức ảnh càng chính xác. Tuy nhiên, chế tạo một thiết bị gồm nhiều hệ thống

như vậy là điều không tưởng. Áp dụng tính chất lưu ảnh của mắt và nguyên lí quét, thì

thiết bị đơn giản đi nhiều và khả thi.

Giả sử vật được giới hạn trong khung chữ nhật a  b = 4/3. Ta chia khung hình

thành 625 dòng (theo OIRT), như vậy số lượng điểm ảnh trong một dòng là:

625  (4/3) = 833 điểm.

Số lượng điểm trong một khung hình (còn gọi là mặt hay dòng):

165

625  833 = 520 625 điểm

Để có được hình ảnh động, ta cần thực hiện được 25 khung hình trong một giây,

hay nói khác đi ta cần truyền đi:

520 625  25  13.106 điểm/s tương ứng với tần số hình 13 MHz

Còn với FCC, ta có 525  (4/3)  30 = 700 Số điểm trong một giây: 525  700  25  9.106 điểm, tần số hình là 9 MHz.

Để thực hiện người ta dùng phương pháp quét (Hình 6.16a), trong một khung

hình phải quét 625 dòng (OIRT), như vậy trong một giây phải quét được

625  25 = 15 625 dòng

Để điều khiển việc quét người ta dùng dòng điện biến thiên theo quy luật răng

cưa (Hình 6.16b), và như vậy dòng điện đó phải có tần số 15 625 Hz. Đó gọi là tần số

quét dòng (hay còn gọi là quét ngang). Kí hiệu fH = 15 625 Hz.

a) b)

Hình 6.16. Quét hình và tín hiệu điều khiển quét

Để lật các khung hình này sang khung hình khác, tức là để có 25 khung hình

trong một giây, người ta dùng dòng điện răng cưa có tần số 25 Hz. Tần số này được gọi

là tần số quét mành (hay còn gọi là quét dọc, quét mặt). Kí hiệu fV = 25 Hz.

Quét từ trái qua phải được gọi là quét thuận, tương ứng với thời gian tt. Quét từ

phải qua trái gọi là quét ngược (flyback), tương ứng thời gian tn - tt.

Tuy nhiên với mức cường độ sáng như trong truyền hình, thì với 25 khung

hình/1s, ta vẫn có cảm giác nhấp nháy. Để khắc phục hiện tượng này, cần phải tăng số

khung hình quét trong một giây. Cần phải chọn tần số này bằng một bội số chẵn của

tần số quét mặt, để tránh hiện tượng nhiễu điện lưới lên hình ảnh. Do vậy với các nước

dùng điện lưới 50 Hz, thường người ta chọn tiêu chuẩn OIRT để có 25 Hz  2 = 50 Hz

là tần số quét mặt. Còn những nước dùng điện lưới 60 Hz, thì chọn tiêu chuẩn FCC để

166

có tần số quét mặt là 30 Hz  2 = 60 Hz.

Nếu tần số quét mặt tăng lên như thế, thì tần số quét dòng cũng sẽ tăng gấp đôi,

điều đó khó về mặt kĩ thuật và không kinh tế, do vậy người ta dùng phương pháp quét

xen kẽ. Tức là quét mặt chẵn và mặt lẽ, hai mặt này đan xen nhau (Hình 6.17), trên mỗi

mặt có số dòng giảm đi 1/2, tức là 312,5 dòng. Với tính chất lưu ảnh của mắt, ta vẫn có

cảm giác số dòng quét như gấp 2, tức là như 625 dòng. Tần số dòng sẽ được giữ

Mặt lẽ

Xóa mặt lẽ

Mặt chẵn

Xóa mặt chẵn

nguyên.

Hình 6.17. Nguyên lí quét xen kẽ

Như vậy:

Theo OIRT: fV = 50Hz

fH = 15.625Hz

Tần số tín hiệu hình: 13MHz/2 = 6,5MHz

Theo FCC: fV = 60Hz

fH = 15.750Hz (vì số dòng trên một hình là 525)

Tần số tín hiệu hình: 9MHz/2 = 4,5MHz

Để hình ảnh phía thu không bị biến dạng với phía phát, cần đồng bộ việc quét ở

phía thu và phát.

Khi sai đồng bộ dòng, hình sẽ biến dạng theo chiều ngang.

Khi sai đồng bộ mặt, hình sẽ bị trôi lên hay trôi xuống.

Đài phát sẽ phát các xung đồng bộ dòng và mặt để điều khiển việc quét của máy

thu. Tín hiệu đó được gọi là tín hiệu đồng bộ SYN, nó là những chuỗi xung vuông xuất

hiện theo từng dòng quét, được cài vào mức tối của tín hiệu hình. Độ rộng của xung

đồng bộ dòng và mặt khác nhau (Hình 6.18).

Xung SYN + Xung SYN dòng: bề rộng 5s

167

+ Xung SYN mặt: bề rộng 192s

Xung SYN mặt được chia thành các nhóm: nhóm xung cân bằng trước, nhóm

xung bó sát và nhóm xung cân bằng sau. Số lượng các xung cân bằng và bó sát là khác

Xung bó sát

Xung cân bằng trước

Xung cân bằng sau

192µs

5µs

nhau tùy theo tiêu chuẩn truyền hình.

Hình 6.18. Xung đồng bộ dòng và mành

Xung cân bằng có nhiệm vụ làm cho hai khung hình giữ ở một khoảng cách nhất

định, khắc phục hiện tượng sai lệch các dòng chẵn và lẽ chập nhau.

Biến đổi Quang/Điện

Xử lí tín hiệu

Biến đổi Điện/Quang

Điều khiển

Đồng bộ

Đến đây ta có thể hình thành mô hình khối về nguyên tắc truyền hình (Hình 6.19)

Hình 6.19. Nguyên tắc truyền hình

Xung xóa

Xung đồng bộ

100%

75%

Thị tần

10% 0%

6.3.2.3. Tín hiệu hình

Hình 6.20. Tín hiệu hình

Tín hiệu hình là tín hiệu phản ánh sự biến thiên của ánh sáng từ mức tối nhất đến

mức sáng nhất mà mắt người cảm nhận được. Đối với hình màu thì tín hiệu hình sẽ bao

168

gồm cả tín hiệu màu. Còn đối hình ảnh đen trắng thì tín hiệu hình còn gọi là thị tần. Để

tái tạo hình ảnh, người ta dùng thiết bị thông dụng là đèn hình (gồm loại dùng tia điện

tử và loại tinh thể lỏng). Vì để cài các tín hiệu đồng bộ nên mức điện áp của tín hiệu

hình được dành lại một phần cho mục đích này (25% trên Hình 6.20), và dành thêm

một phần để bù vào mức sáng (10% trên Hình 6.20).

Vai của xung đồng bộ hay là xung xóa, đối với truyền hình màu là vị trí để cài

xung đồng bộ màu.

Tín hiệu thị tần và các xung đồng bộ được gọi là tín hiệu hình.

6.3.2.4. Máy phát hình

Thiết bị phát hình bao gồm máy phát hình có tín hiệu đồng bộ và máy phát tiếng

được thiết kế trên một hệ thống. Như vậy dải tần của máy phát truyền hình sẽ có một

độ rộng nhất định để chuyển tải các tín hiệu đó. Tùy theo hệ tiêu chuẩn sẽ có các dải

tần số sóng mang khác nhau.

Tiêu chuẩn OIRT CCIR FCC

Khoảng cách hình-tiếng 6,5MHz 5,5MHz 4,5MHz

Độ rộng phổ tín hiệu 8MHz 7MHz 6MHz

Việc bố trí tín hiệu được mô tả trên phổ tín hiệu cao tần lân cận tần số sóng mang

Sóng mang hình

Sóng mang tiếng

f(MHz)

0.5

1.25

6.5

8.0

hình (hình 6.21), lấy theo tiêu chuẩn OIRT, tọa độ 0 ứng với tần số sóng mang hình.

Hình 6.21. Phổ tín hiệu truyền hình

Với sóng mang hình ta chỉ cần truyền đi một biên tần trên (bên phải trục tung),

còn biên tần dưới được nén lại gọi là biên tần “cụt”. Người ta không nén tới 0, vì có thể

làm biên tần dưới bị hao hụt. Theo tiêu chuẩn người ta nén đến -1,25MHz. Dải tần của

169

âm thanh hẹp (0,5MHz), nên người ta truyền đi cả hai biên tần.

Từ đó ta có sơ đồ khối của một máy phát hình đen trắng (Hình 6.22).

Bộ dao động thạch anh để tạo ra tần số cao ổn định, tín hiệu này được đưa đến hai

bộ chia tần để có tần số thích hợp với sóng mang hình và mang tiếng. Đối với từng tiêu

chuẩn khác nhau người ta có thể dùng các phương thức điều biến khác nhau cho hình

và tiếng. Trong thí dụ này, tiếng được điều biến FM, còn hình được điều biến AM. Sau

điều biến, các tín hiệu đã điều biến được khuếch đại lên trước khi đưa vào bộ lọc tín

hiệu để bố trí các tín hiệu sóng mang trên tải tần (như được mô tả trên phổ tín hiệu cao

tần). Tín hiệu sau đó được khuếch đại công suất để đạt mức yêu cầu và đưa ra anten

Tạo xung đồng bộ

Điều biến AM

Khuếch đại sóng điều biến

Bộ chia tần số cho sóng mang hình

Tín hiệu hình (camera)

Bộ lọc tín hiệu

Khuếch đại công suất cao tần

phát chung.

Khuếch đại sóng điều biến

Điều biến FM

Bộ chia tần số cho sóng mang tiếng

Tín hiệu tiếng (micro)

Tạo sóng mang

Hình 6.22. Sơ đồ khối máy phát hình đen trắng

6.3.3. Đại cương về máy thu hình

6.3.3.1. Sơ đồ khối máy thu hình

Kết cấu máy thu hình phức tạp hơn máy thu thanh nhiều. Ngoài chức năng thu,

biến đổi sóng mang cao tần, tách sóng và khuếch đại tín hiệu hình, âm thanh, máy thu

hình còn thực hiện chức năng quét hình đồng bộ với đài phát để có hình ảnh trung thực.

Sau đây giới thiệu sơ đồ khối của máy thu hình đen trắng (Hình 6.23). Nguyên lí cơ

170

bản của nó còn ứng dụng cho cả máy thu hình màu.

6.3.3.2. Nguyên lí hoạt động của sơ đồ

Tín hiệu thu được từ anten đưa vào khối chuyển kênh. Tại đây tín hiệu cao tần

được đổi thành tín hiệu trung tần giống như nguyên lí đổi tần đã khảo sát ở trên. Tín

hiệu truyền hình mang cả thành phần hình và thành phần tiếng. Trong bộ chuyển kênh

(tuner) có bộ dao động nội và bộ trộn sóng. Nó tạo ra ở lối ra hai tín hiệu trung tần:

trung tần hình và trung tần tiếng với phổ như trên Hình 6.21. Việc trộn sóng có mục

đích chuyển phổ tín hiệu từ vùng siêu cao tần tới vùng trung tần có dải tần cố định từ

Khuếch đại âm tần

Khuếch đại trung tần tiếng

Tách sóng tiếng

Lái tia

Khối chuyển kênh



Tách sóng

Khuếch đại trung tần

Khuếch đại thị tần

Catôt

Khối quét dọc

Tách xung đồng bộ

Khối quét ngang

Nguồn sơ cấp ổn áp



Khối cao áp đưa đến Anôt đèn hình

Nguồn áp thứ cấp cung cấp các tầng

31,5 đến 38MHz (hệ OIRT)

Hình 6.23. Sơ đồ khối máy thu hình đen trắng

Khối tách sóng có nhiệm vụ tách tín hiệu hình ra khỏi sóng mang trung tần, mặt

khác nó tạo phách bởi hai trung tần hình và tiếng tạo ra trung tần tiếng lần 2 là

6.5MHz. Ra khỏi khối này tín hiệu sẽ có ba thành phần chính:

- Tín hiệu tiếng vào khối tiếng: Khối tiếng thực chất là một máy thu thanh FM,

tức là trong đó có các khối: trung tần (lần 2), tách sóng tiếng điều tần và khối khuếch

đại âm tần.

- Tín hiệu thị tần được đưa vào tầng khuếch đại thị tần để nâng cao mức điện áp

171

và dòng điện đạt mức yêu cầu của catôt đèn hình.

- Tín hiệu đồng bộ được đưa vào khối tách xung đồng bộ. Thực chất của khối

tách xung là một mạch hạn biên nhằm tách các đỉnh xung ra khỏi phần thị tần ở dưới.

Tín hiệu này được đưa vào mạch tích phân để chọn xung đồng bộ mành, đưa ra điều

khiển khối quét mành. Tín hiệu đưa vào mạch vi phân để chọn xung đồng bộ dòng, lấy

ra để điều khiển khối quét dòng.

Khối quét nhằm điều khiển tia điện tử có mang tín hiệu thị tần để tạo ra hình ảnh

trên màn hình. Khối quét gồm hai mạch quét: mạch quét dọc và mạch quét ngang. Hai

mạch này tạo ra các dao động có tần số fV và fH, đồng thời khuếch đại công suất đủ

cung cấp cho các cuộn dây quét dọc và quét ngang được bố trí trên đèn hình.

Khối cao áp vừa tạo ra nguồn áp cho anôt đèn hình, vừa là trạm cấp áp thứ cấp

cho các tầng trong máy. Do lợi dụng nguồn áp có tần số cao nên đặc tính điện áp nguồn

tốt và gọn nhẹ.

6.4. Nguyên lí truyền hình màu

6.4.1. Nguyên lí kết hợp

Như ta đã biết, khi đặt vấn đề nghiên cứu truyền hình màu thì đã hàng triệu máy

thu hình đen trắng. Vấn đề đặt ra lúc này là truyền hình đen trắng vẫn tồn tại song song

với truyền hình màu. Để giải quyết vấn đề đó, cần phải thỏa mãn nguyên lí kết hợp. Ta

Hình đen trắng

Máy thu đen trắng

Đài phát đen trắng

Hình đen trắng

Hình màu

Đài phát màu

Máy thu màu

Hình đen trắng

mô tả nguyên lí đó bằng sơ đồ hình 6.24 sau:

Hình 6.24. Nguyên lí kết hợp

Khi có đài phát đen trắng thì cả máy thu hình đen trắng và màu đều thu được,

ngược lại khi phát màu thì cả máy màu và máy đen trắng cũng bắt được, dĩ nhiên chỉ

172

có ảnh màu khi máy thu màu nhận chương trình của máy phát màu.

Điều này cho thấy truyền hình màu và truyền hình đen trắng đều có những

nguyên lí chung giống nhau. Có thể nói rằng truyền hình màu chỉ là sự bổ sung truyền

các tín hiệu màu trên nguyên tắc của truyền hình đen trắng

6.4.2. Tín hiệu trong truyền hình màu

6.4.2.1. Tín hiệu màu

Dựa trên nguyên tắc tổng hợp màu, sử dụng những tỉ lệ khác nhau của các màu cơ

bản sẽ tạo ra các màu khác nhau. Nguyên tắc chọn màu cơ bản trong truyền hình màu

là khi tổng hợp các màu cơ bản đó, sẽ thu được số lượng màu nhiều nhất. Với nguyên

tắc đó, dựa trên tam giác màu Macxoen, người ta lựa chọn ba màu cơ bản trong truyền

hình là: R (Red), G (Green), B (Blue)

6.4.2.2. Tín hiệu chói

Để tương thích với truyền hình đen trắng, trong truyền hình màu, người ta truyền

thêm tín hiệu chói. Kí hiệu độ chói là Y. Tín hiệu của độ chói Y tương đương với tín

hiệu thị tần trong truyền hình đen trắng. Trong tất cả các hệ màu, quan hệ giữa độ chói

Y và các màu là:

Y = 0,30R + 0,59G + 0,11B.

Đối với màu trắng bảo hòa:

R = G = B = 1  Y = 1

Đối với màu đen:

R = G = B = 0  Y = 0

Để biểu diễn tín hiệu màu và tín hiệu chói, ta kí hiệu: UR, UG, UB, UY. Trong

nhiều tài liệu, do thói quen, người ta cũng có thể gọi R, G, B, Y là tín hiệu, nhưng phải

hiểu màu và tín hiệu là khác nhau.

6.4.2.3. Tín hiệu màu hiệu (hay tín hiệu hiệu màu)

Ta thấy rằng, nếu truyền đi các tín hiệu UY và các tín hiệu UR-Y, UB-Y thì ở máy

thu ta có thể khôi phục các tín hiệu màu UR, UG, UB. Như vậy ta chỉ cần truyền ba tín

hiệu UR-Y, UB-Y ,UY thay vì phải truyền đi 4 tín hiệu. Các tín hiệu được gọi là tín hiệu

màu hiệu (Hình 6.25a). Việc tìm lại tín hiệu màu UG được thực hiện nhờ một mạch ma

173

trận, gọi là ma trận G (Hình 6.25b)

UR-Y



Ma trận

UR-Y

UB-Y



UB-Y

a) b)

Hình 6.25. Tạo tín hiệu màu hiệu và khôi phục tín hiệu màu

6.4.2.4. Phương pháp nén tín hiệu

Vì giải thông của tín hiệu màu tổng hợp T (gồm UY, UR-Y, UB-Y) vẫn còn quá rộng

(18MHz = 3  6MHz) không tương thích với truyền hình đen trắng, do vậy cần nén các

tín hiệu. Như ta đã biết, mắt rất nhạy cảm với tín hiệu chói, do vậy tín hiệu này không

bị nén. Đối với tín hiệu màu, mắt kém nhạy cảm hơn, nên ta có thể nén hai tín hiệu

màu hiệu UR-Y và UB-Y.

Với tín hiệu UR-Y ta nén đến 1,5MHz, còn UB-Y nén đến mức 0,5MHz, vì đối với

màu B mắt kém nhạy nhất. Do đó tải tần sau khi nén là:

f(MHz)

1.5

0.5

6.0

9.0

D = DY + DR-Y + DB-Y + 1 = 6 + 1,5 + 0,5 + 1 = 9MHz (Hình 6.26)

Hình 6.26. Phổ của các tín hiệu chói và tín hiệu màu hiệu

6.4.3. Hệ truyền hình màu NTSC

Hiện nay trong kĩ thuật truyền hình màu có nhiều hệ thống khác nhau, nhưng cơ

bản nhất là ba hệ thống truyền hình màu: NTSC, PAL, SECAM. Các hệ truyền hình

này cùng với các tiêu chuẩn lựa chọn là OIRT, FCC, CCIR có thể dẫn đến nhiều “hệ”

174

truyền hình khác nhau. Đối với ba hệ truyền hình cơ bản, có những nguyên lí giống

nhau là đều phải tương thích với hệ truyền hình đen trắng có cùng tiêu chuẩn. Do vậy

để hiểu được khái niệm ban đầu về truyền hình màu, ta cần nghiên cứu kĩ hơn đối với

một hệ. Một trong các hệ đó là hệ NTSC. Đây là hệ truyền hình màu ra đời đầu tiên

(1953, Mỹ), có nguyên lí rất cơ bản, thiết bị đơn giản hơn, và cũng là hệ được nhiều

nước sử dụng.

NTSC là chữ viết tắt của cụm từ National Television System Committee (Ủy ban

hệ truyền hình quốc gia), hệ NTSC tính theo tiêu chuần FCC.

6.4.3.1. Đặc điểm của hệ NTSC

- Tín hiệu độ chói Y được tính theo:

Y = 0,30R + 0,59G + 0,11B

Có độ rộng dải tần là 4,2MHz

- Hai tín hiệu “hiệu màu” được truyền đồng thời sang phía thu. Thông tin màu

được truyền đi trong hệ NTSC không phải dưới dạng tín hiệu màu (R-Y) và (B-Y) mà

là tín hiệu I và Q. Hình 6.27 biểu thị đồ thị vectơ màu, mỗi màu sắc được biểu thị bởi

độ dài vectơ và góc pha. Sở dĩ NTSC chọn I và Q là vì do phổ tần số truyền hẹp nên

cần thu hẹp dải thông của (R-Y) và (B-Y) để truyền đi. Tuy nhiên, khi thu hẹp dãi

thông của tín hiệu màu sẽ ảnh hưởng đến sự cảm thụ màu của mắt. Do vậy, cần xác

định đặc tính của mắt với màu sắc, trục I và Q chính là theo phương mắt có độ nhạy

cảm tốt nhất. Xét gần đúng hệ trục I và Q lệch so với hệ trục (R-Y) và (B-Y) một góc 330, trong đó trục I theo hướng mắt có độ nhạy cao nhất, còn Q thì theo hướng mắt có

R-Y

B-Y

độ phân biệt màu kém nhất.

Hình 6.27. Phân bố trục màu I, Q so với R-Y và B-Y

I = 0,74(R-Y) - 0,27(B-Y)

175

Q = 0,48(R-Y) + 0,41(B-Y)

Tín hiệu I có độ rộng dải tần 1,5MHz

Tín hiệu Q có độ rộng dải tần 0,5MHz

Hai tín hiệu màu hiệu được điều biến vuông góc lên cùng một sóng mang màu.

Sóng mang màu còn được gọi là tải màu. Tải màu được chọn theo tiêu chuẩn FCC là

3,58MHz. Còn theo CCIR là 4,43MHz. Với phương thức điều biến vuông góc, nên

việc bố trí màu trong phổ chói không theo kiểu dàn trải liên tiếp hai phổ màu mà chúng

được lồng vào nhau, như hình vẽ sau (Hình 6.28)

Đây là điều sáng tạo của NTSC, vì bản thân dải thông của tín hiệu chói khá hẹp

(4,2MHz), nên bố trí hai dải màu thì vừa khó giải quyết tạo tải màu, vừa chiếm dải tín

hiệu chói gây ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tín hiệu.

Hình 6.28. Phổ tín hiệu của hệ màu NTSC

Điều biến vuông góc có nghĩa là tải màu của một tín hiệu được xoay pha một góc

Điều biến Q

900

fm = 3.18

Điều biến I

900. Có thể biểu diễn như ở hình 6.29 sau:

Hình 6.29. Điều biến tín hiệu I, Q lên tải màu

- Điều biên nén:

Trong NTSC tín hiệu I và Q được điều biến biên độ vào sóng mang màu (tải màu)

ftm = fc. Tuy nhiên, ta không truyền đi sóng mang (sóng mang không mang nội dung

tin) mà chỉ truyền đi hai dải biên tần trên và biên tần dưới, phương pháp này gọi là

truyền thông tin song biên. Im là tín hiệu song biên của I và Qm là tín hiệu song biên

176

của Q (Hình 6.30).

A0/2

Hình 6.30. Điều biên nén tín hiệu I, Q

Như vậy điều biên nén hay điều biên cân bằng là mạch gồm có hai mạch điều

biên giống nhau, nhưng sóng tải tần đến hai mạch điều biên có pha ngược nhau.

- Tín hiệu đồng bộ màu:

Vì tần số mang màu fc bị nén hoàn toàn, bên phát không truyền sang phía thu, nên

máy phát phải truyền đi tín hiệu đồng bộ màu để máy phục hồi tần số mang màu đúng

với tần số và pha ban đầu như phía máy phát, nhằm đảm bảo màu sắc của hình ảnh

phía thu giống như phía phát.

Tín hiêu đồng bộ màu có tần số đúng bằng ftm = fc = 3,58MHz được cài vào vai

sau của xung xóa dòng, gồm khoảng 10 chu kì có biên độ bằng 0,9 độ cao xung đồng

0.9h

5.2µs

2.2µs

bộ dòng, (Hình 6.31)

Hình 6.31. Cài tín hiệu đồng bộ màu

- Tách sóng đồng bộ:

Trong máy thu hình NTSC, có thể có nhiều cách để tách tín hiệu màu ra khỏi

sóng điều biến, nhưng thuận tiện và phổ biến hơn là tách sóng đồng bộ. Tách sóng

đồng bộ có nguyên lí cơ bản là: Mạch sẽ thực hiện tách sóng khi đưa vào mạch đó một

tín hiệu có tần số, pha bằng với sóng điều biến. Nghĩa là, ta phải tạo ra và đưa vào bộ

tách sóng một tải phụ có fp = 3,58MHz, dĩ nhiên phải trùng cả pha. Do vậy ta có sơ đồ

177

tách sóng đồng bộ như hình 6.32.

TSĐB I

900

fp 3.58 MHz

TSĐB Q

Hình 6.32. Sơ đồ khối tách sóng đồng bộ tín hiệu I, Q

- Chọn tải màu:

Phần trước ta đã nói đến tải màu của NTSC cần thiết để mang thông tin màu,

nhưng ở đây cần nói thêm nên chọn trị của nó bằng bao nhiêu để nó gây nhiễu lên màn

hình ít nhất. Tần số càng cao thì ảnh hưởng của nó càng khó nhận biết, tuy nhiên không

thể vượt ra khỏi dải tần của tín hiệu chói. Ngoài ra, cần lưu ý rằng nếu tải màu lặp lại

cùng vị trí trên màn ảnh thì sẽ tạo ra sọc trắng đen rất khó chịu. Nếu ta đảo vị trí gây

nhiễu của tải màu, lúc đó mắt sẽ không cảm nhận được nhiễu nữa. Điều đó có thể mô tả

như trên hình 6.33.

Ứng với mức sáng

Ứng với mức tối

Cần lựa chọn để nhiễu trên màn hình có dạng của hình 6.33b

b) a)

Hình 6.33. Nhiễu của tải màu và khử nhiễu của NTSC

Như vậy cần chọn:

Với hệ NTSC theo FCC, số dòng quét là 525 dòng, người ta chọn k = 228 và

178

fH=15 734,264Hz, do vậy:

6.4.3.2. Bộ mã hóa NTSC

Dựa trên nguyên lí xử lí tín hiệu màu đã chọn, ta xây dựng sơ đồ dạng tổng quát

bộ mã hóa NTSC như trên Hình 6.34. Ở đây lưu ý tốc độ truyền tín hiệu phụ thuộc vào

độ rộng dãi tần của tín hiệu đó. Như vậy để các tín hiệu có dải tần khác nhau đến cùng

lúc tại bộ phận tổng hợp, thì cần xử lí trễ hợp lí đối với các tín hiệu có dải tần rộng

hơn, chẳng hạn như tín hiệu chói (độ rộng 4,2MHz) hay tín hiệu I (độ rộng 1,5MHz)

cần làm trễ đối với tín hiệu Q (độ rộng 0,5MHz). Kết quả, ta được hai sóng vuông pha

Delay

Khuếch đại Y: 0 - 4.2 MHz

M á y

Delay

Khuếch đại I: 0 - 1.5 MHz

Điều biên nén I

C A M E R A

M A T R Ậ N

p h á t

Điều biên nén II

Khuếch đại Q: 0 - 0.5 MHz

Tạo sóng ftm = 3.58

Xoay 900

Xung Đồng bộ

Đồng bộ màu

với nhau ở lối ra của điều biên nén 1 và 2.

Hình 6.34. Bộ mã hóa NTSC

6.4.3.3. Sơ đồ khối bộ giải mã NTSC

Hình 6.45 vẽ sơ đồ khối bộ giải mã NTSC

- Kênh chói: Tín hiệu độ chói Y có dải tần rộng, do đó phải qua dây trễ (DL), sau

đó qua mạch khuếch đại điện áp tín hiệu màu tạo ra ba tín hiệu sắc cấp cho ba ca tốt

179

của đèn hình màu.

- Khuếch đại màu là bộ khuếch đại cộng hưởng nhằm khuếch đại điện áp tín hiệu

Lọc Y

Khuếch đại Y

Trễ

Tách sóng I

Trễ

Ma trận

Tạo sóng fp= 3.58 MHz

ĐB

Tách sóng Q

Xoay pha 900

màu tại tần số ftm = 3,58MHz và đưa hai tín hiệu Im và Qm tới bộ tách sóng đồng bộ.

Hình 6.35. Bộ giải mã NTSC

- Tạo sóng mang phụ fp: Do tín hiệu I và Q được điều biến vuông góc lên sóng

mang, nên bộ tạo sóng mang phụ có nhiệm vụ tạo ra sóng có tần số đúng bằng tần số

của tải màu ftm, thì mới có thể tách sóng đồng bộ được. Để tần số tạo luôn luôn đồng bộ

với tần số tải màu, bộ tạo sóng mang phụ được làm việc dưới sự điều khiển của xung

đồng bộ màu.

- Tách sóng tín hiệu màu: Bộ tách sóng tín hiệu màu có nhiệm vụ biến đổi tín

hiệu điều biến vuông góc thành tín hiệu điều biên, sau đó tách sóng điều biên để lấy tín

hiệu I và Q. Mạch tách sóng I nhận tín hiệu vuông góc Im, sau tách sóng cho ta tín hiệu

I với dải tần rộng (0…1,5MHz). Vì dải tần rộng hơn tín hiệu Q nên cần làm trễ để tín hiệu chậm lại. Mạch tách sóng Q với tải phụ lệch pha 900 so với tải phụ của mạch tách

sóng I. Dải thông của tín hiệu Q hẹp hơn, sau tách sóng có bộ lọc với độ rộng

(0…0,5MHZ)

- Mạch khuếch đại và ma trận có nhiệm vụ tạo ra ba tín hiệu màu ER, EG, EB từ tín

hiệu chói EY và hai tín hiệu màu I, Q.

Nói chung hệ NTSC là hệ truyền hình màu tương đối đơn giản, có dải thông hẹp,

thiết bị rẻ, nhưng hình màu tương đối tốt.

Nhược điểm chính của máy là máy thu cần nhiều núm điều chỉnh, dễ gây méo

180

pha do điều biến vuông góc.

6.4.4. Xu hướng phát triển của truyền hình

Ngoài hệ NTSC, trên thế giới còn dùng rất phổ biến hệ PAL và hệ SECAM. Đây

là hai hệ có nhiều ưu điểm, trong đó đặc điểm lớn nhất là khắc phục được hiện tượng

sai pha. Tuy vậy, so với nguyên lí cơ bản của NTSC cũng không khác nhau nhiều.

Tương lai phát triển của truyền hình rất phong phú, truyền hình màu số là hiện

thực có nhiều ưu điểm. Các máy thu hình hiện nay còn đang cồng kềnh do kích thước

đèn hình quá lớn. Các nhà kĩ thuật đã cho ra nhiều mẫu thiết kế màn hiển thị có kích

thước rộng và mỏng. Hiện nay loại máy này dần thay thế các loại máy thu hình có đèn

hình thủy tinh, đó là điều kiện cho sự phát triển kĩ thuật truyền hình. Truyền hình đa

chức năng sẽ là hướng phát triển trong tương lại và là nhu cầu không thể thiếu được

trong đời sống.

6.5. Đại cương về máy vi tính

6.5.1. Nguyên lí cấu trúc

Một máy tính số là loại máy tính làm nhiệm vụ xử lí các tín hiệu số. Ngày nay,

khi nói tới máy tính người ta thường hiểu ngầm là máy tính số (ngoài máy tính số ra

còn có máy tương tự nữa).

Một hệ thống máy tính cá nhân (PC) thường sử dụng hiện nay giới thiệu trên hình

Màn hình

Hộp máy

Chuột

Bàn phím

6.36.

Hình 6.36. Máy vi tính

Phần trung tâm là hộp máy, trong đó xử lí, lưu trữ thông tin trong các ổ đĩa cứng,

đĩa mềm, có các mạch ghép nối vào, ra. Bên ngoài hộp máy có bàn phím (keyboard)

dùng để nhập các lệnh và dữ liệu, có màn hình (monitor) dùng để xuất dữ liệu, có chuột

(mouse) để nhập các lệnh. Ngoài việc hiển thị lên màn hình các văn bản còn có thể in

181

ra giấy bằng máy in.

Cấu trúc chung của một máy tính cá nhân có thể biểu diễn bằng sơ đồ khối chức

năng hình 6.37. Các khối chính trong sơ đồ khối như sau:

- Khối xử lí trung tâm CPU (Central processing unit)

Bộ xử lí trung tâm có chức năng thu thập, xử lí, cho chạy các lệnh. Đây có thể ví

như bộ não của con người. Bên trong CPU gồm các mạch điều khiển logic, các mạch

số khác.

- Bộ nhớ: dùng để lưu giữ các dữ liệu và lệnh. Bộ nhớ bao gồm hai loại: bộ nhớ

trong và bộ nhớ ngoài.

Bộ nhớ trong là các bộ nhớ bán dẫn. Bộ nhớ trong gồm có các bộ nhớ chỉ đọc

ROM và bộ nhớ ghi/đọc RAM.

Bộ nhớ ngoài là những thiết bị để lưu trữ thông tin bên ngoài máy tính như đĩa

mềm, đĩa quang lazer, băng giấy đục lỗ, trống từ....

Bộ nhớ thường được chia thành từng ô nhớ nhỏ như từ (hay byte). Mỗi ô nhớ đó

cũng như một thiết bị vào ra được gán một địa chỉ để CPU có thể định vị khi cần đọc

Bộ nhớ trong

RAM

ROM

Bus hệ thống

Xử lý trung tâm CPU

Ghép nối vào

Ghép nối ra

Thiết bị vào

Thiết bị ra

- Bàn phím - Chuột - Micro - Máy quét...

- Màn hình - Máy in - Ổ đĩa - Máy vẽ....

hay viết dữ liệu lên nó.

Hình 6.37. Sơ đồ khối chức năng máy tính

182

- Các thiết bị ngoại vi

Các thiết bị này bao gồm các thiết bị vào/ra (I/O) dùng để nhập hoặc xuất các dữ

liệu. Bàn phím, chuột, máy quét ... thuộc loại thiết bị vào. Màn hình, máy in.... thuộc

loại thiết bị ra.

Các ổ đĩa ở bộ nhớ ngoài có thể được coi vừa là thiết bị vào vừa là thiết bị ra. Các

thiết bị ngoại vi này liên hệ với CPU qua các mạch ghép nối vào/ra. Mạch này cho

phép nối hai bộ phận độc lập nhằm làm cho chúng có thể phối hợp và thông tin được

với nhau.

- Bus hệ thống là một tập hợp các đường dây mà qua đó CPU có thể liên kết với

các bộ phận khác.

Máy tính phải có một mạch tạo xung điện (gọi là đồng hồ hệ thống) để duy trì

hoạt động và đồng bộ hoá CPU cùng các bộ phận liên quan với nhau. Tần số đồng hồ

này quyết định tốc độ hoạt động của CPU.

Ngoài phần cứng đã giới thiệu ở trên, một phần mềm (còn gọi là hệ điều hành)

cần được cài đặt sẵn trong máy tính. Phần mềm này là tập hợp các chương trình sử

dụng để điều hành các chức năng cơ bản của các bộ phận phần cứng hay phần mềm

trên hệ thống máy tính.

6.5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ xử lí

Thiết kế mạch điện của một CPU quyết định tốc độ cơ bản của nó, nhưng nhiều

nhân tố khác có thể ảnh hưởng đến tốc độ xử kí như thanh ghi, đồng hồ hệ thống, BUS,

CACHE.

Độ dài của các thanh ghi, được gọi là kích thước từ, cho biết khối lượng dữ liệu

mà máy tính có thể xử lí tại một thời điểm cho trước bất kì. Kích thước càng lớn, máy

tính có thể xử lí một tập dữ liệu càng nhanh hơn. Hiện nay bộ xử lí từ có kích thước 64

bit thay vì 32 bit trước kia.

Dung lượng bộ nhớ RAM có ảnh hưởng lớn đến sức mạnh của máy tính. Nếu có

nhiều RAM, máy xử lí thông tin nhanh hơn, truy xuất các tập tin dữ liệu lớn hơn và

như vậy máy chạy nhanh hơn. Các RAM hiện nay có dung lượng trung bình từ 128

MB trở lên, trước kia máy tính thường dùng RAM dưới 64 MB, điều đó chỉ phù hợp

với hệ điều hành nhỏ và các trình ứng dụng bé. Trong việc nâng cấp máy tính, hiệu quả

183

và kinh tế nhất là tăng dung lượng bộ nhớ RAM.

Tốc độ hoạt động của máy tính bị ràng buộc bởi tốc độ của đồng hổ hệ thống. Khi

tốc độ của đồng hồ hệ thống tăng lên, số lượng các chỉ thị mà nó thi hành mỗi giây

cũng tăng lên. Tốc độ của đồng hồ ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất của CPU. Một

CPU hoạt động ở 300 MHz có thể xử lí nhanh gấp hai lần tốc độ 166 MHz. Tốc độ của

đồng hồ thể hiện tốc độ xử lí của CPU. Hiện nay các tốc độ xử lí có thể đạt hàng GHz

(năm 2004 tốc độ đã đạt trên 3 GHz)

Trong các máy vi tính, BUS là đường dẫn nối các thành phần máy tính với nhau.

có hai BUS chính là BUS hệ thống và BUS mở rộng. BUS hệ thống nằm trên bo mạch

chính (main board), để nối CPU với các thiết bị khác nằm trên bo mạch hệ thống. BUS

mở rộng nối với các thiết bị ngoài như bàn phím, con chuột, modem, máy in… Số

lượng các dây dẫn trên BUS ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu giữa các thành phần

cứng. Để đánh giá tốc độ của BUS người ta dùng đơn vị MHz. Trong nhiều năm các

BUS hệ thống hoạt động ở tốc độ 66 MHz, hiện nay tốc độ của BUS đã tăng lên rất

nhiều có thể đạt hàng trăm MHz.

Việc di chuyển dữ liệu giữa RAM và các thanh ghi của CPU là một trong những

tác vụ mất thời gian nhất mà một CPU phải thực hiện, bởi vì RAM chậm hơn nhiều so

với CPU. Một giải pháp cục bộ cho vấn đề này là kèm thêm một bộ nhớ CACHE trong

CPU. Bộ nhớ CACHE tương tự như RAM, nhưng xử lí nhanh hơn so với bộ nhớ bình

thường. Loại cache nằm trong CPU gọi cache mức 1, còn loại được bố trí bổ sung trên

bo mạch chính gọi là cache mức 2. Dung lượng cache thường từ 512 KB đến vài MB,

cache thực chất là một bộ đệm cho bộ nhớ (memory buffer)

6.5.3. Các cổng giao tiếp

Các thành phần bên trong của một máy PC truyền thông tin với nhau thông qua

BUS dữ liệu, vốn bao gồm các dây dẫn song song. Tương tự như vậy, một giao diện

song song là một nối kết gồm 8 dây dẫn hoặc nhiều hơn mà qua đó các bit dữ liệu có

thể truyền qua. Với giao diện tuần tự, các bit dữ liệu được tuyền một lần một bit qua

một dây đơn. Để thực hiện chuyển đổi tín hiệu song song thành tín hiệu tuần tự, cần có

bộ chuyển đổi gọi là UART. Như vậy một giao diện song song có thể quản lí khối

184

lượng dữ liệu lớn hơn giao diện tuần tự.

Ngoài các cổng mở rộng tiêu chuẩn, các máy PC còn có thêm các cổng chuyên

dụng để kết nối với các thiết bị ngoại vi khác.

Giao diện SCSI: đây là bộ điều hợp mở rộng BUS ra bên ngoài máy tính thông

qua một dây cáp. Như vậy SCSI giống như một dây nối mở rộng cho BUS dữ liệu. Một

chuẩn SCSI có thể hỗ trợ một BUS 32 bit và có thể truyền đi với tốc độ 160Mbps.

Muốn cung cấp một cổng cho máy PC, cần có một card điều hợp cắm vào khe cắm mở

rộng. Nhiều thiết bị sử dụng giao diện SCSI như ổ cứng, ổ CD, máy quét…

Hiện nay giao diện USB đang dần trở lên phổ biến trong các máy PC. Vì chuẩn

USB cho phép 127 thiết bị được nối với BUS thông qua một cổng đơn. Các thiết bị

ngoại vi hiện tại và tương lai sẽ sử dụng hầu hết giao tiếp này với máy PC.

Hình 6.38. Các cổng giao tiếp bố trí sau hộp máy

Giống như chuẩn USB, chuẩn IEEE 1394 mở rộng BUS máy tính tới nhiều thiết

bị ngoại vi thông qua một cổng đơn. Tuy nhiên công nghệ này còn đắt tiền so với USB

nên nó không được phổ biến.

Ngoài các giao diện trên, các máy PC hiện nay còn có các giao diện khác có tính

chất chuyên dụng hơn như MIDI là loại dành cho các nhạc cụ. Các kiểu giao diện đặc

biệt khác có thể thông qua các card giao tiếp mở rộng để nối PC tới các thiết bị. Hình

6.38 giới thiệu bố trí các cổng giao tiếp trên một PC để bàn.

185

6.5.5. Các CPU được sử dụng trong máy tính cá nhân

Từ năm 1978, các bộ xử lí Intel đã tiến hóa từ chip 8086 và 8088 tới chip 80286,

80386, 80486 và sau đó tới các bộ xử lí Pentium. Hiện nay chúng ta đang ở thế hệ

Pentium IV, có tốc độ xử lí cao hơn 3 MHz

Trong một thời gian dài AMD chỉ được biết đến như một nhà cung cấp các bộ xử

lí hiệu năng thấp để sử dụng cho máy tính giá rẻ. Tuy nhiên sự thay đổi lớn cho bộ xử

lí này là sự ra đời của bộ xử lí K6 (năm 1998). Với bộ xử lí K6-III, AMD đã phá vỡ rào

cản 600 MHz và cũng là bộ xử lí nhanh nhất tương thích với máy tính IBM.

Cyrix đã khởi đầu như một hãng sản xuất chip chuyên dụng, nhưng sau cùng đã

bắt đầu sản xuất các bộ vi xử lí cho các PC, đó là các loại Media GX và hiện nay là các

bộ xử lí MII.

Các bộ vi xử lí còn được phân ra làm loại CISC (Complex Instruction Set

Computer) và RISC (Reduced Instruction Set Computer). Thí dụ 80286 là loại CISC,

còn 80386 là loại RISC.

Các tập chỉ thị dành cho RISC được giữ cho nhỏ gọn, việc này cho phép bộ xử lí

nhanh hơn và xử lí nhiều dữ liệu hơn trong một đơn vị thời gian. Các bộ xử lí RISC

được dùng phổ biến trong các máy Apple, một số trạm làm việc, và nhiều hệ thống

máy tính mini và mainframe. Chúng cũng là nền tảng cho nhiều thiết bị kĩ thuật số cỡ

nhỏ.

Một hệ thống xử lí song song khai thác sức mạnh của nhiều bộ xử lí trong một hệ

thống đơn, cho phép chúng chia sẽ các nhiệm vụ xử lí. Trong một hệ thống song song

quy mô lớn MPP, nhiểu bộ xử lí được sử dụng, có khi dùng đến hàng ngàn bộ xử lí

cùng một lúc.

Chúng ta có thể khẳng định rằng máy tính sẽ xử lí nhanh hơn trong tương lai vì

sự tiến bộ của công nghệ cả phần cứng cũng như phần mềm

6.6. Đại cương về dao động kí điện tử (Oscilloscope)

Dao động kí điện tử là thiết bị quan trọng trong đo lường, nó dùng để quan sát và

nghiên cứu các tín hiệu điện. Bộ phận quan trọng nhất của dao động kí là bộ phận hiển

thị, đó là ống tia electron.

6.6.1. Cấu tạo ống tia electron

186

6.6.1.1. Súng điện tử

Ống tia electron là một đèn chân không dùng để biến đổi tín hiệu điện thành hình

Chùm tia êlectrôn

ảnh, nó tương tự như đèn hình của máy

thu hình, nhưng thường có kích thước

Màn huỳnh quang

nhỏ và bộ phận lái tia dùng điện trường.

Bộ phận quan trọng của ống tia electron

Hình 6.39 là súng điện tử, nó tạo ra chùm electron

mảnh để bắn vào màn huỳnh quang làm phát ra ánh sáng.

Vì chùm tia electron có quán tính rất bé nên ống electron có khả năng ghi nhận

những quá trình điện biến thiên đến hàng chục triệu lần trong một giây (MHz).

Ta có các ống tia electron hội tụ và làm lệch bằng điện trường và ống tia electron

hội tụ và làm lệch bằng từ trường.

Độ dư sáng của màn huỳnh quang, tức là thời gian màn huỳnh quang tiếp tục phát

sáng sau khi electron kích thích, có thể kéo dài từ hàng micro giây đến hàng chục giây.

Với dao động kí điện tử, màn huỳnh quang có thể có độ dư sáng rất ngắn. Đối với đèn

hình trong tivi độ dư sáng dài hơn, còn đối với rađa thì rất dài. Hình 6.39 mô tả nguyên

lí cấu tạo của ống electron.

6.6.1.2. Ống tia electron hội tụ bằng điện trường

Ống tia là một bóng chân không cao (10-6  10-8mmHg), phía trong, xung quanh

mặt hình nón phủ một lớp graphít nối với điện thế dương, phía trong đáy hình nón

được phủ lớp chất phát quang. Phần hình trụ được gắn các điện cực: cực catôt K nơi

phát ra các electron, cực điều khiển M, anôt thứ nhất A1 và anôt thứ hai A2. Các điện

cực đó tạo thành súng electron như hình

K M A1

6.40.

Cực điều khiển M thường có điện áp

âm khoảng -20V đến -70V so với catôt,

được điều chỉnh bởi chiết áp P1. Nó có tác

dụng thu hẹp tiết diện ngang dòng electron 

Ua2



phát ra từ catốt. Số electron qua cửa sổ của

điện cực M phụ thuộc rất nhiều vào điện Hình 6.40. Cấu tạo ống tia điện tử

187

thế của cực này, do đó bằng cách thay đổi

điện thế của M, ta có thể thay đổi số electron trong chùm tia và như vậy thay đổi được

cường độ vệt sáng trên màn huỳnh quang.

Điện thế của A1 dương so với catôt (khoảng 250V đến 500V), người ta dùng P2

để điều chỉnh điện áp của nó. Anôt A2 nối với lớp graphít có điện thế cao, làm nhiệm

vụ gia tốc cho chùm electron (khoảng 1000 đến 2000V).

Với sự phân bố điện thế như trên ta thấy rằng trường tĩnh điện đã tạo nên hai thấu

kính điện tử. Thấu kính thứ nhất được tạo nên bởi điện trường giữa anôt A1 và cực M,

thấu kính thứ hai được tạo nên bởi điện trường giữa A2 và anôt A1.

Qua hai thấu kính chùn electron được hội tụ hai lần. Chính khi thay đổi điện áp

của anôt A1 làm thay đổi độ hội tụ của hai thấu kính và do đó có thể điều chỉnh cho

chùm tia electron hội tụ ngay trên màn huỳnh quang.

6.6.1.3. Ống tia electron làm lệch bằng điện trường

Để cho tia electron di chuyển, tạo nên hình ảnh trên màn huỳnh quang giống dạng

tín hiệu cần nghiên cứu ta dùng hệ thống làm lệch tia electron (lái tia).

Hệ thống làm lệch bằng điện trường được thực hiện bởi các cặp bản cực x, y đặt

vuông góc với nhau như trên hình 6.40.

Điện trường trong hai cặp bản cực có phương thẳng góc với phương của tia

electron. Khi ta đặt điện áp nào đó vào các cặp bản cực, tia electron sẽ lệch về phía bản

cực có điện áp dương.

Sự chuyển động của tia điện tử là tổng hợp của hai chuyển động do hai điện áp

đặt vào hai cặp bản cực gây nên.

Ống tia electron hội tụ và làm lệch bằng điện trường thường áp dụng trong dao

động kí điện tử

6.6.2. Dao động kí điện tử

6.6.2.1. Công dụng

Dao động kí điện tử là một dụng cụ để ghi lại hình ảnh của tín hiệu cần khảo sát.

6.6.2.2. Nguyên tắc cấu tạo

Bộ phận chính của dao động kí là ống tia electron có hệ thống làm lệch bằng điện

trường.

188

6.6.2.3. Nguyên lí làm việc

Ta đặt vào cặp bản cực X một điện áp răng cưa, tín hiệu cần khảo sát được đưa

vào cặp bản Y của dao động kí

Muốn cho hình ảnh đứng yên trên màn hình, thì chu kì T của điện áp răng cưa

phải bằng số nguyên lần chu kì TY của tín hiệu cần nghiên cứu. Muốn cho hình ảnh

hiện lên trên màn hình được ổn định, ta dùng mạch đồng bộ đặt trong dao động kí.

Trên hình vẽ trường hợp dao động hiện trên màn huỳnh quang của dao động kí

y khi T = TY (Hình 6.41a) và T = 2TY (Hình 6.41b). y

T = TY

T = 2TY

x x

a) b)

Hình 6.41. Tín hiệu có tần số khác nhau hiển thị trên màn huỳnh quang

Để thuận tiện cho việc khảo sát các hệ thống có tín hiệu vào và ra (ví dụ hệ thống

khuếch đại), hiện nay dao động kí thường dùng là loại hai kênh hai tia. Thực chất loại

này là hai hệ thống dao động kí được thiết kế dùng một màn hình hiển thị. Ngoài ra

trên dao động kí thường có thêm bộ phận tạo tín hiệu mẫu để tiện cân chỉnh và định

lượng tín hiệu cần khảo sát.

Hình 6.42. Hình dạng bên ngoài của một dao động kí

Hình 6.42 là dạng của một dao động kí hai kênh hai tia hiện nay thường dùng

189

trong phòng thí nghiệm.

190

PHẦN THỰC HÀNH

Bài 1: Mở đầu

1.1. Nội quy thực hành

- Thực hiện đúng nội quy phòng thực hành

- Thực hiện đúng nội dung bài thực hành

1.2. Tìm hiểu, sử dụng một số dụng cụ cơ bản

1.2.1. Đồng hồ vạn năng (AVO mét)

- Cấu tạo: Chuyển mạch đại lượng đo, chuyển mạch thang đo, mặt chia độ...

- Sử dụng: tập đo điện trở, điện áp, dòng điện, kiểm tra cuộn dây, kiểm tra tụ điện

1.2.2. Mỏ hàn điện, kìm cắt dây...

Tập sử dụng mỏ hàn, kìm cắt dây điện, tuốc-nơ-vít...

1.3. Tìm hiểu các linh kiện điện tử

1.3.1. Điện trở, tụ điện, cuộn dây

- Nhận biết linh kiện

- Đọc được các thông số kĩ thuật

- Dùng AVO mét đo kiểm các linh kiện

1.3.2. Điôt

- Nhận biết được điôt

- Dùng AVO mét đo kiểm được mối nối, tìm được chân điôt

1.3.3. Tranzito

- Nhận biết được BJT

- Dùng AVO mét đo kiểm được hai mối nối, loại BJT và tìm được các chân.

1.4. Thi công mạch in nguồn điện (bằng phương pháp thủ công)

- Cắt board đồng đúng kích thước;

- Phủ lớp mực in mạch lên phía tráng đồng của board

- Ngâm board đồng trong dung dịch muối sắt (FeCl3)

- Rửa sạch mạch in bằng nước và xà phòng

- Về nhà tẩy sạch lớp mực in, khoan lỗ, tráng nhựa thông lên mạch in.

1.5. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

- Tìm hiểu nội dung bài 2: Mạch nguồn

191

- Hoàn thành việc thi công mạch in nguồn điện ở mục 1.4.

Bài 2: Mạch nguồn

2.1. Tìm hiểu nguyên lí mạch nguồn

a. Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn (hình 1)

Hình 1. Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn điện

b. Từ sơ đồ nguyên lí, vẽ sơ đồ khối thể hiện các chức năng chỉnh lưu, lọc điện và

ổn áp của mạch điện, ghi nhận kết quả vào báo cáo thực hành.

2.2. Lắp đặt linh kiện lên mạch in

a. Nhận từ giáo viên hướng dẫn bộ linh kiện của mạch nguồn

b. Cắm linh kiện vào mạch in.

c. Ghi nhận vị trí công tắc, VT_A và VT_B trên board nguồn

d. Kiểm tra tổng thể và nộp sản phẩm (board nguồn) tại giáo viên hướng dẫn.

2.3. Lắp đặt Board nguồn vào hộp máy

a. Nhận dụng cụ thực hành và thiết bị (board nguồn, hộp máy, biến áp nguồn) từ

giáo viên hướng dẫn.

b. Lắp đặt board nguồn, máy biến áp vào hộp máy

c. Kết nối máy biến áp với board nguồn.

2.4. Đo kiểm tra mạch nguồn, hoàn thành nội dung 2 của báo cáo thực hành

Thực hiện theo đúng quy trình sau:

a. Bước 1, tập đo điện áp bộ nguồn khi chưa nối nguồn điện: Tập sử dụng AVO

192

mét để đo điện áp ngõ vào, điện áp ngõ ra ở VT_A và VT_B ở board nguồn

b. Bước 2, đo điện áp bộ nguồn khi có điện: Nhất thiết phải được sự cho phép

của giáo viên hướng dẫn SV mới được nối điện vào bộ nguồn để đo kiểm. Ghi nhận

kết quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 1.

Bảng 1: Kết quả đo điện áp bộ nguồn.

VT_A VT_B Vị trí đo Kết quả Ngõ vào board nguồn

Đại lượng cần đo

Thang đo đồng hồ

Giá trị đo

2.5. Kết quả thực hành

Giáo viên hướng dẫn thu nhận và đánh giá lần 1:

a. Báo cáo thực hành với nội dung của mục 2.1b và 2.4b

b. Hộp máy đã lắp đặt, kết nối thành công mạch nguồn.

2.6. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

Tìm hiểu nội dung bài 3: Khuếch đại dùng IC

Bài 3: Khuếch đại dùng IC

Audio Muting

7 5

VT_A

3.1. Tìm hiểu sơ đồ nguyên lí của khối khuếch đại công suất LA4440:

Hình 2. IC LA4440. a) Mạch điện nguyên tắc; b) Mạch in

193

Từ hình 2a, tìm hiểu

- Linh kiện nối với các chân của IC

- Chân cấp nguồn

- Chân nối ra loa

- Chân đưa tín hiệu vào

3.2. Thi công mạch điện LA4440

- Nhận bộ linh kiện từ giáo viên hướng dẫn

- Cắm đầy đủ linh kiện vào mạch in LA4440 (hình 2b)

- Đề nghị giáo viên hướng dẫn kiểm tra, khi được phép thực hiện hàn chân linh

kiện vào mạch.

3.3. Lắp đặt board mạch LA4440 vào hộp máy

a. Lắp tản nhiệt cho IC

b. Chọn vị trí thích hợp lắp đặt board mạch vào hộp máy

c. Kết nối nguồn cung cấp cho board mạch

d. Kết nối biến trở âm lượng (RV3 ở hình 3) với board mạch.

e. Vẽ sơ đồ khối mạch điện đã lắp đặt trong hộp máy vào báo cáo thực hành:

- Mạch điện gồm khối nguồn, khối công suất và biến trở âm lượng

- Đường cung cấp nguồn

- Đường đi của tín hiệu

3.4. Chạy thử mạch điện LA4440

a. Kiểm tra kĩ và báo cáo với giáo viên hướng dẫn kết quả bước 3.3a, b, c và d.

b. Khi được sự cho phép của giáo viên hướng dẫn, thực hiện đóng điện để chạy

thử board mạch LA4440.

3.5. Kết quả

Giáo viên hướng dẫn thu nhận và đánh giá lần 2:

a. Báo cáo thực hành với nội dung của mục 3.3e

b. Hộp máy đã lắp đặt, kết nối thành công mạch nguồn và mạch LA4440

3.6. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

Tìm hiểu nội dung bài 4: Mạch khuếch đại dùng BJT và mạch điều chỉnh âm sắc

194

kiểu suy giảm.

Bài 4: Mạch khuếch đại dùng BJT và mạch âm sắc

4.1. Tìm hiểu sơ đồ nguyên lí của mạch khuếch đại MIC dùng BJT C1815 và

mạch điều chỉnh âm sắc kiểu suy giảm:

Hình 3. Sơ đồ mạch MIC và mạch điều chỉnh âm sắc kiểu suy giảm

Từ hình 3, tìm hiểu:

a. Mạch khuếch đại MIC

- Cung cấp điện DC cho BJT

- Ngõ vào và ngõ ra của tín hiệu

b. Mạch điều chỉnh âm sắc

- Tác dụng của RV1 và RV2

- Ngõ vào và ngõ ra của tín hiệu

4.2. Thi công mạch điện

a. Nhận board mạch và bộ linh kiện từ giáo viên hướng dẫn

b. Cắm đầy đủ linh kiện vào mạch trên board mạch

c. Ghi nhận vị trí nối: nguồn cung cấp, tín hiệu vào và tín hiệu ra

d. Đề nghị giáo viên hướng dẫn kiểm tra, khi được phép thực hiện hàn chân linh

kiện vào mạch.

4.3. Lắp đặt board mạch vào hộp máy

a. Chọn vị trí thích hợp lắp đặt board mạch vào hộp máy

195

b. Kết nối nguồn cung cấp cho board mạch

c. Kết nối ngõ ra tín hiệu của board mạch với biến trở âm lượng RV3.

d. Kết nối ngõ MIC với ngõ vào tín hiệu của board mạch

e. Vẽ sơ đồ khối mạch điện đã lắp đặt trong hộp máy vào báo cáo thực hành:

- Mạch điện gồm khối nguồn, khối công suất, biến trở âm lượng, mạch điều chỉnh

âm sắc và mạch khuếch đại MIC

- Đường cung cấp nguồn

- Đường đi của tín hiệu

4.4. Chạy thử mạch điện

a. Kiểm tra kĩ và báo cáo với giáo viên hướng dẫn kết quả bước 4.3a, b, c và d.

b. Khi được sự cho phép của giáo viên hướng dẫn, thực hiện đóng điện để chạy

thử mạch điện đã lắp đặt (máy tăng âm công suất nhỏ).

c. Đo điện áp ở các chân của BJT C1815 ghi nhận kết quả vào báo cáo thực hành

theo mẫu ở bảng 2

Bảng 2: Giá trị điện áp tại các chân BJT

Chân E Chân B Chân C Vị trí đo Kết quả Nguồn cung cấp

Đại lượng cần đo

Thang đo đồng hồ

Giá trị đo

4.5. Kết quả

Giáo viên hướng dẫn thu nhận và đánh giá lần 3:

a. Báo cáo thực hành với nội dung của mục 4.3e và 4.4c

b. Hộp máy đã lắp đặt, kết nối thành công máy tăng âm.

4.6. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

Tìm hiểu nội dung bài 5: Máy thu thanh.

Bài 5: Máy thu thanh

5.1. Thiết bị thực hành:

01 Radio cassette còn chạy được

196

5.2. Nội dung tự tìm hiểu:

a. Sơ đồ khối chức năng;

b. Sơ đồ nguyên lí;

5.3. Nội dung thực hành:

5.3.1. Tìm các núm chức năng của máy và hiểu công dụng của chúng. Ghi nhận

kết quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 3:

Bảng 3: Tên và công dụng các núm chức năng

Stt Tên núm chức năng Công dụng

5.3.2. Thực hiện và trình bày vào báo cáo thực hành các bước để:

a. Thu được một đài ở băng sóng cực ngắn

b. Thu được một đài ở băng sóng ngắn.

c. Tăng/giảm âm lượng

d. Tăng/giảm âm trầm

e. Tăng/giảm âm bổng

5.4. Kết quả:

Các nhóm hoàn thành báo cáo thực hành với nội dung của mục 5.3.1 và mục

5.3.2, nộp tại giáo viên hướng dẫn

5.5. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

Tìm hiểu nội dung bài 6: Máy thu hình đen trắng.

Bài 6: Máy thu hình đen trắng

6.1. Thiết bị thực hành:

01 tivi đen trắng còn chạy được

6.2. Nội dung tự tìm hiểu:

6.2.1. Sơ đồ khối chức năng;

6.2.2. Sơ đồ nguyên lí.

6.3. Nội dung thực hành:

6.3.1. Tìm các ngõ đầu vào của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận kết

quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 4.

197

Bảng 4: Tên và công dụng các ngõ đầu vào

Stt Tên ngõ đầu vào Công dụng

6.3.2. Tìm các ngõ đầu ra của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận kết

quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 5.

Bảng 5: Tên và công dụng các ngõ đầu ra

Stt Tên ngõ đầu ra Công dụng

6.3.3. Tìm các núm chức năng của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận

kết quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 6.

Bảng 6: Tên và công dụng của các núm chức năng

Stt Tên núm chức năng Công dụng

6.3.4. Thực hiện và trình bày vào báo cáo thực hành các bước để:

a. Thu được một chương trình truyền hình.

b. Thay đổi tần số dao động ngang.

c Thay đổi tần số dao động dọc.

d. Tăng/giảm độ sáng.

e. Tăng/giảm độ tương phản.

g. Tăng/giảm âm lượng.

6.3.5. Quan sát máy thu hình khi không có lái tia ngang; khi không có lái tia dọc.

Ghi nhận kết quả vào báo cáo thực hành

6.4. Kết quả:

Các nhóm hoàn thành báo cáo thực hành với nội dung của mục 6.3, nộp tại giáo

viên hướng dẫn.

6.5. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

198

Tìm hiểu nội dung bài 7: Máy thu hình màu.

Bài 7: Máy thu hình màu

7.1. Thiết bị thực hành:

02 tivi màu còn chạy được; lớp mang theo đầu DVD, máy tính xách tay

7.2. Nội dung tự tìm hiểu:

Sơ đồ khối chức năng

Nguyên lí làm việc

7.3. Nội dung thực hành:

7.3.1. Tìm các ngõ đầu vào của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận kết

quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 7.

Bảng 7: Tên và công dụng của các ngõ đầu vào

Stt Tên ngõ đầu vào Công dụng

7.3.2. Tìm các ngõ đầu ra của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận kết

quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 8.

Bảng 8: Tên và công dụng của các ngõ đầu ra

Stt Tên ngõ đầu ra Công dụng

7.3.3. Tìm các nút chức năng của máy và hiểu công dụng của chúng, ghi nhận kết

quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 9.

Bảng 9: Tên và công dụng của các nút chức năng

Stt Tên nút chức năng Công dụng

7.3.4. Thực hiện và trình bày vào báo cáo thực hành các bước thực hiện, kết quả

thực hiện để:

a. Thu được một chương trình truyền hình.

d. Tăng/giảm độ sáng.

e. Tăng/giảm độ tương phản.

199

g. Tăng/giảm âm lượng.

7.3.5. Thực hiện kết nối, vận hành hệ thống đầu DVD - Tivi; hệ thống máy tính -

Tivi và trình bày vào báo cáo thực hành kết quả các bước kết nối, vận hành đã thực

hiện.

7.4. Kết quả:

Các nhóm hoàn thành báo cáo thực hành với nội dung của mục 7.3, nộp tại giáo

viên hướng dẫn

7.5. Chuẩn bị bài ở nhà cho buổi học sau:

Tìm hiểu nội dung bài 8: Dao động kí điện tử.

Bài 8: Dao động kí điện tử

8.1. Thiết bị thực hành:

01 dao động kí điện tử, 01 bộ thực hành mạch chỉnh lưu bán dẫn.

8.2. Nội dung tự tìm hiểu:

Cấu tạo, nguyên lí làm việc của dao động kí điện tử

Mạch chỉnh lưu.

8.3. Nội dung thực hành:

8.3.1. Tìm các nút chức năng của dao động kí và hiểu công dụng của chúng, ghi

nhận kết quả vào báo cáo thực hành theo mẫu ở bảng 10.

Bảng 10: Tên và công dụng của các nút chức năng

Stt Tên nút chức năng Công dụng

8.3.2. Thực hiện và trình bày vào báo cáo thực hành (Bảng 11) các bước và kết

quả thực hiện để:

- Khảo sát dạng sóng điện tại điểm A của mạch điện hình 4

200

Hình 4. Mạch chỉnh lưu nữa chu kì

- Khảo sát dạng sóng điện tại điểm B của mạch điện hình 5

Hình 5. Mạch chỉnh lưu nữa chu kì có tụ lọc

- Khảo sát dạng sóng điện tại điểm E của mạch điện hình 6.

Hình 6. Mạch chỉnh lưu cầu có tụ lọc

8.4. Kết quả:

Các nhóm hoàn thành báo cáo thực hành với nội dung của mục 8.3, nộp tại giáo

viên hướng dẫn

Bảng 11: Khảo sát dạng sóng mạch chỉnh lưu

201

Điểm khảo sát Các bước thực hiện Dạng sóng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Thế Khôi (Chủ biên), Hồ Tuấn Hùng (2007), Điện tử học, NXB Đại

học Sư phạm, Hà Nội.

[2] Nguyễn Văn Ninh, Hoàng Cao Tân (2000), Vật lí kĩ thuật I, NXB Giáo dục,

Hà Nội.

[3] Nguyễn Văn Ninh, Hoàng Cao Tân (2000), Vật lí kĩ thuật II, NXB Giáo dục,

Hà Nội.

[4] Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thế (2000), Kĩ thuật điện tử 1, NXB Giáo dục,

Hà Nội.

[5] Nguyễn Kim Giao, Lê Xuân Thế (2000), Kĩ thuật điện tử 2, NXB Giáo dục,

Hà Nội.

202

[6] Trần Văn Thịnh (2005), Kĩ thuật điện tử, NXB Đại học Sư phạm, Hà Nội.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1

PHẦN LÍ THUYẾT ......................................................................................................... 2

Chương 1. LINH KIỆN BÁN DẪN................................................................................. 3

1.1. Chất bán dẫn .......................................................................................................... 3

1.2. Điôt bán dẫn .......................................................................................................... 6

1.3. Tranzito lưỡng cực (BJT) .................................................................................... 11

1.4. Tranzito trường (FET) ......................................................................................... 17

1.5. Tirixto .................................................................................................................. 23

1.6. Triac .................................................................................................................... 24

1.7. Mạch vi điện tử ................................................................................................... 25

Chương 2. KHUẾCH ĐẠI ............................................................................................. 30

2.1. Khái niệm chung về khuếch đại .......................................................................... 30

2.2. Các mạch khuếch đại dùng BJT .......................................................................... 36

2.3. Nối tầng khuếch đại ............................................................................................ 51

2.4. Vi mạch khuếch đại thuật toán ............................................................................ 56

Chương 3. MẠCH DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ .................................................................. 64

3.1. Dao động riêng .................................................................................................... 64

3.2. Dao động cưỡng bức ........................................................................................... 67

3.3. Các mạch liên kết ................................................................................................ 73

Chương 4. TẠO DAO ĐỘNG VÀ BIẾN ĐỔI DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ ....................... 79

4.1. Máy phát dao động điều hòa dùng hệ tự dao động gần với hệ bảo toàn tuyến tính ..... 79

4.2. Máy phát dao động không điều hòa .................................................................... 84

4.3. Điều biến tín hiệu ................................................................................................ 95

4.4. Tách sóng .......................................................................................................... 100

4.5. Đổi tần ............................................................................................................... 109

Chương 5. CƠ SỞ ĐIỆN TỬ SỐ ................................................................................. 113

5.1. Hệ đếm trong kĩ thuật số ................................................................................... 113

5.2. Cơ sở đại số logic .............................................................................................. 120

203

5.3. Các cổng logic cơ bản ....................................................................................... 131

5.4. Các cổng đa chức năng thông dụng .................................................................. 134

5.5. Các vi mạch logic thông dụng........................................................................... 138

5.6. Mạch Trigơ ........................................................................................................ 145

5.7. Biến đổi số tương tự và biến đổi tương tự số .................................................... 151

Chương 6. CÁC HỆ THỐNG ỨNG DỤNG KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ ........................... 154

6.1. Nguyên lí thông tin liên lạc ............................................................................... 154

6.2. Máy thu thanh ................................................................................................... 156

6.3. Nguyên lí truyền hình ....................................................................................... 162

6.4. Nguyên lí truyền hình màu ................................................................................ 172

6.5. Đại cương về máy vi tính .................................................................................. 181

6.6. Đại cương về dao động kí điện tử (Oscilloscope) ............................................. 186

PHẦN THỰC HÀNH .................................................................................................. 190

Bài 1: Mở đầu ........................................................................................................... 191

Bài 2: Mạch nguồn ................................................................................................... 192

Bài 3: Khuếch đại dùng IC ....................................................................................... 193

Bài 4: Mạch khuếch đại dùng BJT và mạch âm sắc ................................................ 195

Bài 5: Máy thu thanh ................................................................................................ 196

Bài 6: Máy thu hình đen trắng ................................................................................. 197

Bài 7: Máy thu hình màu .......................................................................................... 199

Bài 8: Dao động kí điện tử ....................................................................................... 200

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 202

204

MỤC LỤC .................................................................................................................... 203

Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn Đồng

Nội dung bài giảng giúp sinh viên: Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương, hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng, nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng,...

ĐIỆN TỬ HỌC

-E

-E

-E

+EC

-EC



Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok

Bài giảng Điện tử học - ĐH Phạm Văn Đồng

Nội dung bài giảng giúp sinh viên: Biết được những kiến thức về điện tử học đại cương, hiểu được nguyên lí hoạt động của các thiết bị điện tử thông dụng, nhận biết được một số linh kiện bán dẫn thông dụng,...

ĐIỆN TỬ HỌC

-E

-E

-E

+EC

-EC



Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok