Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
1/13
12
Mạch dao động đa hài
(multivibrator)
12-1 Mạch dao động đa hài hai trạng thái bền (bistable multivibrator)
Mạch bistable là mạch có thể có một trong hai trạng thái bền (stable state) và có thể chuyển từ
trạng thái bền này sang trạng thái bền kia bằng một kích thích bên ngoài (trigger). Mạch hai trạng
thái bền được dùng nhiều trong các thao tác trên tín hiệu số như đếm, lưu trữ thông tin nhị phân,…
Mạch bistable còn có tên gọi khác là mạch binary, flip-flop.
12-1-1 Các trạng thái bền của mạch binary
Hình 12-1 biểu diễn sơ đồ của một mạch binary. Các linh kiện
12
,AA là các transistor; ngõ vào
X
là base của transistor, ngõ ra
Y
là collector của transistor và
Z
là emitter. Cực tính của nguồn
cung cấp trên hình là dành cho transistor loại NPN. Lưu ý là ngõ ra của mỗi bộ khuếch đại được
ghép đến ngõ vào của bộ khuếch đại kia.
Vì tính đối xứng của mạch nên có thể dòng tĩnh của mỗi transistor là như nhau. Điều này sẽ
đúng nếu cả hai transistor đều được phân cực đủ âm để tắt hoặc đủ dương để bão hòa. Tuy nhiên,
trong thực tế, trạng thái này ít được sử dụng như ta sẽ thấy ở các phân tích sau.
Bây giờ ta thử xét trường hợp cả hai transistor đều làm việc trong vùng tích cực với dòng như
nhau. Trong trường hợp này ta có thể tìm được dòng
12
I
I
=
phù hợp với định luật Kirchhoff và đặc
Hình 12-1
Mạch binary với
12
,A A là các transistor
và
,,
YY CC XX BB y C
VVV VRR
=
==
.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
2/13
tính linh kiện. Tuy nhiên, trạng thái này sẽ là trạng thái không bền (unstable state) của mạch. Ta giả
sử là dòng
1
I
có một thay đổi nhỏ. Nếu
1
I
tăng thì điện áp tại ngõ ra
1
Y sẽ giảm và ngõ vào
2
X
sẽ
giảm theo. Sự thay đổi này sẽ được khuếch đại đảo bởi
2
A và ngõ ra
2
Y sẽ tăng. Do đó, điện áp tại
1
sẽ trở nên dương hơn và kết quả là dòng
1
I
sẽ tăng hơn nữa. Chu trình này lặp lại bản thân nó.
Dòng
1
I
tiếp tục tăng và dòng
2
I
tiếp tục giảm, trạng thái của mạch sẽ di chuyển ra xa trạng thái
khởi đầu của nó. Điều này xảy ra là do mạch có hồi tiếp dương và sẽ chỉ xảy ra nếu độ lợi vòng của
mạch lớn hơn một.
Từ thảo luận ở trên ta thấy là trạng thái bền của một mạch binary sẽ là trạng thái mà trong đó
dòng và áp thỏa mãn định luật Kirchhoff; phù hợp đặc tính linh kiện; nhưng thêm vào đó, độ lợi
vòng phải nhỏ hơn một. Về mặt nguyên lý, để flip-flop ở vào trạng thái bền thì cả hai transistor sẽ
tắt hoặc cả hai bị bão hòa.
Trong thực tế, để mạch binary ở trong trạng thái bền, ta chỉ cần một transistor tắt và transistor
kia bão hòa là đủ. Nếu như ta phân cực cho một transistor tắt, transistor còn lại hoạt động trong
vùng tích cực. Khi nhiệt độ thay đổi hoặc do tuổi thọ của linh kiện và các thông số linh kiện thay
đổi, điểm tĩnh có thể thay đổi và điện áp ngõ ra có thể thay đổi đáng kể. Thậm chí, khi đó transistor
được phân cực trong vùng tích cực có thể sẽ bị tắt.
Do đó, các mạch binary thường được phân cực sao cho trong một trạng thái bền, một linh kiện
sẽ tắt và linh kiện còn lại sẽ ở vào trạng thái bão hòa.
12-1-2 Mạch binary dùng transistor
Một mạch binary dùng transistor được vẽ trong hình 12-2. Gần như toàn bộ áp nguồn
CC
V sẽ
đặt lên transistor bị tắt. Do đó, điện áp này phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng collector của transistor
CE
B
V, thường có giá trị khoảng vài chục volt.
Khi transistor bão hòa, dòng collector
C
I
là tối đa. Do đó,
C
R
phải được chọn sao cho giá trị
này của
CCCC
I
VR≈ không vượt quá dòng cho phép tối đa. Các giá trị
1
R
,
2
R
và
BB
V phải được
chọn để trong một trạng thái, dòng base phải đủ lớn để lái transistor bão hòa; và trong trạng thái thứ
hai, chuyển tiếp emitter – base phải nằm trong vùng tắt. Tín hiệu tại collector, được gọi là dao động
ngõ ra
w
V, là sự thay đổi của điện áp collector khi có sự chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái
kia, tức là
12wC C
VV V=−. Nếu tải
1
R
có thể bỏ qua, điện áp collector của transistor bị tắt là
CC
V. Vì
điện áp bão hòa collector khoảng vài chục milivolt nên dao động
wCC
VV
≈
độc lập với
C
.
Các nhà chế tạo transistor dùng trong các mạch binary thường xác định đặc tính bão hòa và tắt
cho transistor. Dòng ngược bão hòa
CBO
I
của transistor phụ thuộc nhiệt độ. Hệ số khuếch đại dòng
Hình 12-2
Mạch binary với transistor NPN
phân cực cố định.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
3/13
dc trong cấu hình CE,
β
, được xác định như một hàm của dòng collector
C
I
. Điện áp bão hòa
()
CE sat
V
là hàm của
C
I
và dòng base
B
I
. Tương tự,
()
BE sat
V
là phụ thuộc vào
C
I
và
B
I
.
Ví dụ 12-1
Tính dòng và áp trong trạng thái bền của mạch binary trong hình 12-2. Giả sử giá trị
β
tối thiểu là
20.
Hướng dẫn
Mạch hình 12-3(a) vẽ kết nối giữa base của
1
Q và collector của
2
Q; và hình 12-3(b) vẽ kết nối giữa
collector của
1
Q và base của
2
Q. Giả sử transistor
1
Q là tắt và transistor
2
Q là dẫn. Vì điện áp bão
hòa nhỏ (khoảng vài chục milivolt) nên đầu tiên ta thử bỏ qua chúng và giả sử
2
0
B
V= và
2
0
C
V
=
.
Từ hình 12-3(a) ta có
2
Q bão hòa và
1
Q tắt. Do đó, nếu bỏ qua
CBO
I
1
15
12 1.56 V
15 100
B
V⎛⎞
=− =−
⎜⎟
+
⎝⎠
Vì điện áp cần để tắt transistor là khoảng
0.1 V
(đối với Ge) hoặc
0 V
(đối với Si) nên
1
Q thật sự
tắt.
Để xác nhận là với
1
Q tắt,
2
Q thật sự bão hòa ta sẽ tính dòng
2C
I
. Từ hình 12-3(a), bỏ qua
CBO
I
1
12 5.45 mA
2.2
I==
2
12 0.10 mA
15 100
I==
+
và
212
5.45 mA 0.10 mA 5.35 mA
C
III=−= − =
Nếu loại transistor là xác định thì dòng base tối thiểu
2B
I
cần để có dòng bão hòa collector là
5.35 mA có thể đọc được từ đặc tuyến collector. Trong ví dụ này,
β
đã xác định nhưng không có
đặc tuyến nên ta có thể dùng công thức thay thế để tìm
2B
I
để bão hòa
()
2
2min
5.35 0.27 mA
20
C
B
I
I
β
== =
Từ hình 12-3(b) ta có thể tính dòng base của
2
Q
. Do đó
3
12 0.70 mA
2.2 15
I==
+
4
12 0.12 mA
100
I==
và
234
0.70 0.12 0.58 mA
B
III=−=−=
Vì các giá trị này vượt quá dòng base tối thiểu ( 0.27 mA ) cần để bão hòa,
2
Q
thật sự bão hòa. Điện
áp collector của
1
Q
từ hình 12-3(b) là
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
4/13
()( )
13
12 2.2 12 2.2 0.70 10.5 V
C
VI=− =− =
Tóm lại, một trạng thái bền của mạch binary được xác định bằng áp và dòng như sau
12 1 2
1C2 1 2
0 mA 5.35 mA 0 mA 0.58 mA
10.5 V V 0 V 1.56 V 0 V
CC B B
CBB
IIII
VVV
== = =
=≈ =− ≈
Trạng thái bền thứ hai là trạng thái trong đó
2
Q tắt và
1
Q dẫn. Khi đó, các đại lượng dòng áp đã
tính ở trên được tráo đổi lẫn nhau giữa
1
Q và
2
Q. Dao động ngõ ra là
12
10.5 V
CC
VV−= , xấp xỉ
điện áp cung cấp tại collector là 12 V .
Các giả sử (
2
0
B
V= và
2
0
C
V=) đã dùng trong ví dụ này có thể bỏ đi khi sử dụng đặc tuyến từ nhà
chế tạo. Ví dụ, nếu transistor là loại 2N914 thì
2
0.58 mA
B
I
=
và
2
5.35 mA
C
I
=
(
22
9.2
CB
II
=
),
CE2(sat)
0.15 VV=
và
2( )
0.7 V
BE sat
V=
. Sử dụng các điện áp này ta có thể tính lại dòng và áp của các
trạng thái bền. Ví dụ, từ hình 12-3(a) với
2
0.15 V
C
V
=
, dùng nguyên lý xếp chồng ta có
1
15 100
12 0.15 1.43 V
15 100 15 100
B
V⎛⎞⎛⎞
=− + =−
⎜⎟⎜⎟
++
⎝⎠⎝⎠
và
1
Q là Off. Từ hình 12-3(a), ta cũng có thể tính được
()
12
212 2
min
12 0.15 0.15 12
5.39 mA 0.11 mA
2.2 15 100
5.28
5.28 mA 0.26 mA
20
CB
II
III I
−+
== ==
+
=−= = =
Từ hình 12-3(b) với
2
0.7 V
B
V
=
34
12 0.7 0.7 12
0.66 mA 0.13 mA
2.2 15 100
II
−+
== ==
+
và
234
0.53 mA
B
III=−= . Vì giá trị
2B
I
này vượt quá
(
)
2min
0.26 mA
B
I= nên
2
Q là dẫn bão hòa.
Vì
()()
1
12 0.66 2.2 10.5 V
C
V=− = , các giá trị mới của trạng thái bền là
12 1 2
1C2 1 2
0 mA 5.28 mA 0 mA 0.53 mA
10.5 V V 0.15 V 1.43 V 0.7 V
CC B B
CBB
IIII
VVV
== = =
=≈ =− ≈
Khi so sánh hai tập kết quả trên, ta thấy là việc giả sử transistor bão hòa chỉ gây ra các kết quả có
sai số nhỏ. Sai số này có thể được bỏ qua nếu các điện áp trong mạch là lớn khi so với các điện áp
của chuyển tiếp.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
5/13
12-1-3 Mạch binary có tải
Mạch binary có thể được dùng để lái các mạch khác nên tại một hoặc cả hai collector có thể có
tải. Các tải này phải được xét đến khi tính toán vì chúng làm giảm biên độ của điện áp collector
1C
V
của transistor tắt. Ảnh hưởng đầu tiên là tải làm giảm dao động ngõ ra. Hơn nữa, giảm
1C
V sẽ làm
giảm
2B
I
và do đó
2
Q có thể không bị bão hòa. Vì vậy, các thành phần của mạch phải được chọn
để khi tải nặng nhất, một transistor vẫn bị bão hòa trong khi transistor kia tắt.
Vì điện trở
1
R
cũng là tải của transistor tắt, ta nên dùng giá trị
1
R
lớn so với
C
. Tuy nhiên, để
đảm bảo độ lợi vòng phải vượt quá đơn vị trong quá trình chuyển giữa hai trạng thái, ta phải có
1fe C
R
hR<
.
Đối với vài ứng dụng (trong máy tính), tải sẽ khác nhau khi các toán tử khác nhau được thực
thi. Đối với các mạch như vậy, điều kiện để transistor bị bão hòa là thay đổi. Một dao động ngõ ra
hằng số
w
VV≈ và dòng bão hòa base hằng số
2B
I
có thể có được bằng cách kẹp collector đến một
điện áp phụ
CC
VV< thông qua diode
1
D và
2
D như hình 12-6. Khi
1
Q tắt, điện áp collector nâng
lên và khi nó đến V, diode
1
D dẫn và kẹp ngõ ra tại V (ngoại trừ một điện áp rơi nhỏ trên diode).
12-1-4 Tụ giao hoán
Một flip-flop sẽ giữ nguyên trạng thái bền của nó cho đến khi có một tín hiệu kích thích bên
ngoài (thường được gọi là tín hiệu trigger), ví dụ như một xung. Có nhiều trường hợp ta muốn flip-
flop phải thay đổi trạng thái một cách nhanh chóng ngay sau khi có tín hiệu trigger. Thời gian
chuyển được định nghĩa là khoảng thời gian cần để chuyển từ trạng thái này sang trang thái kia.
Thời gian chuyển có thể được giảm xuống bằng cách tạo ra các điện dung nhỏ song song với điện
trở
1
R
của flip-flop. Một flip-flop với các tụ này được vẽ trong hình 12-4. Vì các tụ này hỗ trợ cho
mạch binary trong việc tạo ra các chuyển trạng thái nhanh, chúng được gọi là các tụ giao hoán
(commutating capacitor) , tụ tăng tốc (speed-up capacitor).
Hình 12-3
Mạch tương đương để tính các trạng thái bền của mạch binary trong hình 12-2.