197 Dòng ghim (I H ) và đ i ệ n áp d ẫ n thu ậ n U F c ủ a đ iôt b ố n l ớ p c ũ ng t ươ ng t ự nh ư trong tiristo. M ộ t trong nh ữ ng ứ ng d ụ ng ph ổ bi ế n nh ấ t c ủ a đ iôt 4 l ớ p là t ạ o ra dao độ ng r ă ng c ư a (s ơ đồ nguyên lí c ủ a m ạ ch nh ư hình 2.167). Trong đ ó t ụ C 1 đượ c n ạ p đ i ệ n tr ở R 1 t ừ ngu ồ n E. Quá trình n ạ p ti ế p đ i ệ n cho đế n khi đ i ệ n áp trên hai c ủ a t ụ đ i ệ n C 1 v ượ t quá giá tr ị đ i ệ n áp kích m ở cho đ iôt 4 l ớ p làm đ iôt m ở , t ụ phóng đ i ệ n nhanh qua n ộ i tr ở nh ỏ c ủ a đ iôt làm đ i ệ n áp trên t ụ C 1 gi ả m xu ố ng. Đ i ệ n áp đặ t trên hai c ự c đ iôt c ũ ng gi ả m. Khi đạ t m ứ c làm dòng qua đ iôt nh ỏ h ơ n dòng ghim I H thì đ iôt l ạ i khóa và t ụ C l ạ i b ắ t đầ u n ạ p. Đ i ệ n áp ra có d ạ ng r ă ng c ư a hình 2.167. Đ i ệ n tr ở R 1 trên s ơ đồ ph ả i ch ọ n để khi đ iôt m ở dòng ch ạ y trong m ạ ch ph ả i có c ườ ng độ b ằ ng dòng m ở đ iôt I s (N ế u nh ỏ h ơ n I s thì đ iôt s ẽ không m ở ). Nh ư ng R 1 c ũ ng ph ả i đủ l ớ n để ng ă n không cho dòng qua đ iôt gi ả m xu ố ng d ướ i giá tr ị dòng I H khi t ụ C 1 phóng đ i ệ n. Ngh ĩ a là ng ă n ng ừ a kh ả n ă ng đ iôt đ óng ngay sau khi t ụ phóng đ i ệ n. Ví d ụ : S ơ đồ nguyên lí t ạ o m ạ ch dao độ ng r ă ng c ư a (h.2.167) đ iôt b ố n l ớ p có tham s ố nh ư sau: U s = 10V ; U s = 1v, I s = 500mA và I H = 1,5mA ngu ồ n E =30V. Hãy tính giá tr ị c ự c đạ i và c ự c ti ể u c ủ a R 1 để m ạ ch làm vi ệ c bình th ườ ng. Gi ả i: C ă n c ứ vào m ạ ch có th ể vi ế t : E = (IR 1 ) + U c và I U-E =R c 1 T ạ i đ i ệ n áp m ở m ở đ iôt có : U c = U s và I min = I s ta suy ra : 40kΩ= A500.10 10V-30V = I U-E =R 6 s s 1max Đ iôt m ở hoàn toàn ta có U c = U 1 và U max =I H . V ậ y: N ế u có đ iôt 4 l ớ p ghép song song và ng ượ c chi ề u sau đ ó đặ t chúng vào m ộ t v ỏ b ọ c ta đượ c đ iôt b ố n l ớ p hai chi ề u. Nguyên lí làm vi ệ c c ủ a lo ạ i này t ươ ng t ự nh ư đ iôt 4 l ớ p m ộ t chi ề u v ừ a k ể trên. 198 Chương 3 KĨ THUẬT XUNG - SỐ "K ĩ thu ậ t xung - s ố '' là thu ậ t ng ữ bao g ồ m m ộ t l ĩ nh v ự c khá r ộ ng và quan tr ọ ng c ủ a ngành k ĩ thu ậ t đ i ệ n t ử - tin h ọ c. Ngày nay, trong b ướ c phát tri ể n nh ả y v ọ t c ủ a k ĩ thu ậ t t ự độ ng hóa, nó mang ý ngh ĩ a là khâu then ch ố t, là công c ụ không th ể thi ế u để gi ả i quy ế t các nhi ệ m v ụ k ĩ thu ậ t c ụ th ể h ướ ng t ớ i m ụ c đ ích gi ả m các chi phí v ề n ă ng l ượ ng và th ờ i gian cho m ộ t quá trình công ngh ệ hay k ĩ thu ậ t, nâng cao độ tin c ậ y hay hi ệ u qu ả c ủ a chúng. Trong ch ươ ng này, do th ờ i gian h ạ n ch ế , chúng ta ch ỉ đề c ậ p t ớ i m ộ t s ố v ấ n đề có tính ch ấ t c ơ b ả n, m ở đầ u c ủ a k ĩ thu ậ t xung - s ố . Vi ệ c nghiên c ứ u chi ti ế t h ơ n s ẽ đượ c th ự c hi ệ n ở giáo trình K ỹ thu ậ t xung, K ỹ thu ậ t s ố và X ử lý tín hi ệ u s ố . 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG 3.1.1. Tín hiệu xung và tham số Tín hi ệ u đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n bi ế n đổ i theo th ờ i gian (mang n ộ i dung c ủ a m ộ t quá trình thông tin nào đ ó) có hai d ạ ng c ơ b ả n: liên t ụ c hay r ờ i r ạ c (gián đ o ạ n). T ươ ng ứ ng v ớ i chúng, t ồ n t ạ i hai lo ạ i h ệ th ố ng gia công, x ử lí tín hi ệ u có nh ữ ng đặ c đ i ể m k ĩ thu ậ t khác nhau mang nh ữ ng ư u, nh ượ c đ i ể m khác nhau là h ệ th ố ng liên t ụ c (analog) và h ệ th ố ng r ờ i r ạ c (digital). Nhi ề u khi, do đặ c đ i ể m l ị ch s ử phát tri ể n và để phát huy đầ y đủ ư u th ế c ủ a t ừ ng lo ạ i ta g ặ p trong th ụ c t ế h ệ th ố ng lai ghép k ế t h ợ p c ả vi ệ c gia công x ử lí hai lo ạ i tín hi ệ u trên. Đố i t ượ ng c ủ a ch ươ ng này ch ỉ đề c ậ p t ớ i lo ạ i tín hi ệ u r ờ i r ạ c theo th ờ i gian g ọ i là tín hi ệ u xung. D ạ ng các tín hi ệ u xung th ườ ng g ặ p cho trên hình 3.1. Chúng có th ể là m ộ t dãy xung tu ầ n hoàn theo th ờ i gian v ớ i chu kì l ặ p l ạ i T, hay ch ỉ là m ộ t xung đơ n xu ấ t hi ệ n m ộ t l ầ n, có c ự c tính d ươ ng, âm ho ặ c c ự c tính thay đổ i. Hình 3.1: Các dạng tín hiệu xung a) Dãy xung vuông; b) Dãy xung tam giác (răng cưa); c) Dãy xung hàm mũ (xung kim) 199 Hình 3.2 ch ỉ ra m ộ t xung vuông th ự c t ế v ớ i các đ o ạ n đặ c tr ư ng: s ườ n tr ướ c, đỉ nh và s ườ n sau. Các tham s ố c ơ b ả n là biên độ , độ r ộ ng xung, độ r ộ ng s ườ n tr ướ c và sau, độ s ụ t đỉ nh. Hình 3.2: Các tham số của một tín hiệu xung • Biên độ xung U m xác đ inh b ằ ng giá tr ị l ớ n nh ấ t c ủ a đ i ệ n áp tín hi ệ u xung có đượ c trong th ờ i gian t ồ n t ạ i c ủ a nó. • Độ r ộ ng s ườ n tr ướ c và s ườ n sau (t tr và t s ) xác đ inh b ở i kho ả ng th ờ i gian t ă ng và th ờ i gian gi ả m c ủ a biên độ xung trong kho ả ng giá tr ị 0,l U m đế n 0,9U m • Độ r ộ ng xung t x xác đị nh b ằ ng kho ả ng th ờ i gian có xung v ớ i biên độ trên m ứ c 0,1U m (hay m ứ c 0,5U m tùy theo chu ẩ n quy ướ c). • Đ ô s ụ t đỉ nh xung th ể hi ệ n m ứ c gi ả m biên độ xung ở đ o ạ n đỉ nh xung. V ớ i dãy xung tu ầ n hoàn, còn có các tham s ố đặ c tr ư ng sau (c ụ th ể xét v ớ i dãy xung vuông). • Chu kì l ặ p l ạ i xung T (hay t ầ n s ố xung f = 1/T) là kho ả ng th ờ i gian gi ữ a các đ i ể m t ươ ng ứ ng c ủ a hai xung k ế ti ế p nhau. • Th ờ i gian ngh ỉ t ng (h3.1a) là kho ả ng th ờ i gian tr ố ng gi ữ a hai xung liên ti ế p. • H ệ s ố l ấ p đầ y γ là t ỉ s ố gi ữ a độ r ộ ng t x và chu kì T. T t X = γ t ừ đ ó có h ệ th ự c : T = t x + t ng và γ < 1 Trong k ĩ thu ậ t xung - s ố , ng ườ i ta th ườ ng s ử d ụ ng ph ươ ng pháp s ố đố i v ớ i d ạ ng tín hi ệ u xung v ớ i quy ướ c ch ỉ có hai tr ạ ng thái phân bi ệ t: 200 • Tr ạ ng thái có xung (kho ả ng t x ) v ớ i biên độ l ớ n h ơ n m ộ t m ứ c ng ưỡ ng U H g ọ i là m ứ c cao hay m ứ c "1', m ứ c U H th ườ ng đượ c ch ọ n c ỡ b ằ ng 1/2 đ i ệ n áp ngu ồ n cung c ấ p. • Tr ạ ng thái không có xung (kho ả ng t ng v ớ i biên độ nh ỏ h ơ n m ộ t m ứ c ng ưỡ ng U L ) g ọ i là m ứ c th ấ p hay m ứ c "O". M ứ c U L đượ c ch ọ n tùy theo ph ầ n t ử khóa (tranzito, IC). • Các m ứ c đ i ệ n áp ra trong d ả i U L < U ra < U H là các tr ạ ng thái c ấ m. V ấ n đề này s ẽ đượ c đề c ậ p k ĩ h ơ n ở ph ầ n ti ế p theo. 3.1.2. Chế độ khóa của tranzito Tranzito làm vi ệ c ở ch ế độ khóa ho ạ t độ ng nh ư m ộ t khóa đ i ệ n t ử đ óng m ở m ạ ch v ớ i t ố c độ nhanh (l0 -9 + l0 -6 s), do đ ó có nhi ề u đặ c đ i ể m khác v ớ i ch ế độ khu ế ch đạ i đ ã xét ở Ch ươ ng 2. a - Yêu cầu c ơ bản v ớ i m ộ t tranzito ở ch ế độ khóa là đ i ệ n áp đầ u ra có hai tr ạ ng thái khác bi ệ t:  U ra ≥ U H khi U vào ≤ U L (3-1)  U ra ≤ U L khi U vào ≥ U H Ch ế độ khóa c ủ a tranzito đượ c xác đ inh b ở i ch ế độ đ i ệ n áp hay dòng đ i ệ n m ộ t chi ề u cung c ấ p t ừ ngoài qua 1 m ạ ch ph ụ tr ợ (khóa th ườ ng đ óng hay th ườ ng m ở ). Vi ệ c chuy ể n tr ạ ng thái c ủ a khóa th ườ ng đượ c th ự c hi ệ n nh ờ m ộ t tín hi ệ u xung có c ự c tính thích h ợ p tác độ ng t ớ i đầ u vào. C ũ ng có tr ườ ng h ợ p khóa t ự độ ng chuy ể n đổ i tr ạ ng thái m ộ t cách tu ầ n hoàn nh ờ m ạ ch h ồ i ti ế p d ươ ng n ộ i b ộ , khi đ ó không c ầ n xung đ i ề u khi ể n (xem các ph ầ n m ạ ch t ạ o xung ti ế p sau). Để đư a ra nh ữ ng đặ c đ i ể m ch ủ y ế u c ủ a ch ế độ khóa, hãy xét m ạ ch c ụ th ể hình 3.3. Hình 3.3: Mạch khóa (đảo) dùng Tranzito 201 S ơ đồ th ự c hi ệ n đượ c đ i ề u ki ệ n (3-1) khi l ự a ch ọ n các m ứ c U H , U L c ũ ng nh ư các giá tr ị R c và R B thích h ợ p. Ban đầ u (khi U v = 0 hay U v ≤ U L ) tranzito ở tr ạ ng thái đ óng, dòng đ i ệ n ra I c = 0, lúc không có t ả i R t . U ra = +E cc Lúc đ i ệ n tr ở t ả i nh ỏ nh ấ t R c = R t (v ớ i R t là đ i ệ n tr ở vào c ủ a m ạ ch t ầ ng sau n ố i v ớ i đầ u ra c ủ a s ơ đồ ) U ra = 0,5E cc là m ứ c nh ỏ nh ấ t c ủ a đ i ệ n áp ra ở tr ạ ng thái H, để phân bi ệ t ch ắ c ch ắ n, ta ch ọ n U H < 0,5Ecc (ch ẳ ng h ạ n U H = l,5V khi E cc = 5V). Phù h ợ p v ớ i đ i ề u ki ệ n (3-1), đ i ệ n áp vào ph ả i n ằ m d ướ i m ứ c U L ( đượ c hi ể u là đ i ệ n áp vào l ớ n nh ấ t để tranzito v ẫ n b ị khóa ch ắ c ch ắ n U L =U Vmax ). V ớ i tranzito silic ng ườ i ta ch ọ n U L = 0,4V. Khi có xung đ i ề u khi ể n c ự c tính d ươ ng đư a t ớ i đầ u vào U vào ≥ U H tranzito chuy ể n sang tr ạ ng thái m ở (bão hòa), đ i ệ n áp ra khi đ ó ph ả i th ỏ a mãn đ i ề u ki ệ n U ra ≤ U L . Đ i ệ n tr ở R c ch ọ n thích h ợ p để th ờ i gian quá độ đủ nh ỏ và dòng I c không quá l ớ n, ch ẳ ng h ạ n R c = 5kΩ. Xác đị nh R B để khi U v = U H = 1,5V thì U ra ≤ U L = 0,4V. Mu ố n v ậ y I cbh = E CC /R C = 1mA, v ớ i β = 100 khi đ ó dòng baz ơ I BbH = 10µA. Để tranzito bão hòa v ữ ng, ch ọ n I B = 100µA (t ứ c là có d ự tr ữ 10 l ầ n), lúc đ ó l ư u ý U BE = 0,6V có 9k Ω 100 µ 0 0,6)V(1,5 R B = − = b - Đặc tính truyền đạt c ủ a s ơ đồ v ớ i nh ữ ng tham s ố trên cho ở hình 3.4. Để đ ánh giá m ứ c tin c ậ y c ủ a khóa, ng ườ i ta đị nh ngh ĩ a các tham s ố độ d ự tr ữ ch ố ng nhi ễ u ở m ứ c cao S H và ở m ứ c th ấ p S L : S H = U ra khóa – U H (3-2) S L = U L - U ra mở Ở đ ây, U ra khóa và U ra m ở là các đ i ệ n áp th ự c t ế t ạ i l ố i ra c ủ a tranzito lúc khóa hay m ở t ươ ng ứ ng v ớ i tr ườ ng h ợ p c ụ th ể trên S H = 2,5V – l,5V = 1V (lúc U v ≤ U L ) S L = 0,4V – 0,2V = 0,2V (lúc U v ≥ U H ) T ừ đ ó có nh ậ n xét sau: - Có th ể d ễ dàng đạ t đượ c m ứ c S H l ớ n b ằ ng cách ch ọ n E cc và các tham s ố R c , R B thích h ợ p. - Do S L th ườ ng nh ỏ , c ầ n ph ả i quan tâm đặ c bi ệ t t ớ i vi ệ c nâng cao tính ch ố ng nhi ễ u v ớ i m ứ c th ấ p. Vì tr ị s ố đ i ệ n áp ra U rabh = U CEbh th ự c t ế không th ể gi ả m đượ c, mu ố n S L t ă ng, c ầ n t ă ng m ứ c U L (xem bi ể u th ứ c 3.2). 202 Hình 3.4: Đặc tuyến truyền đạt của tranzito khóa 3.1.3. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán Khi làm vi ệ c ở ch ế độ xung, m ạ ch vi đ i ệ n t ử tuy ế n tính ho ạ t độ ng nh ư m ộ t khóa đ i ệ n t ử đ óng, m ở nhanh, đ i ể m làm vi ệ c luôn n ằ m trong vùng bão hòa c ủ a đặ c tuy ế n truy ề n đạ t U ra = f(U vào ) (h.2.104). Khi đ ó đ i ệ n áp ra ch ỉ n ằ m ở m ộ t trong hai m ứ c bão hòa U + ramax và U - ramax ứ ng v ớ i các biên độ U v đủ l ớ n. Để minh h ọ a nguyên lí ho ạ t độ ng c ủ a m ộ t IC khóa ta xét m ộ t ví d ụ đ i ể n hình là m ạ ch so sánh (comparator). a - Mạch so sánh (h.3.8) th ự c hi ệ n quá trình so sánh biên độ c ủ a đ i ệ n áp đư a vào (U vào ) v ớ i m ộ t đ i ệ n áp chu ẩ n (U ngưỡng ) có c ự c tính có th ể là d ươ ng hay âm. Thông th ườ ng giá tr ị U ngưỡng đượ c đị nh tr ướ c c ố đ inh và mang ý ngh ĩ a là m ộ t thông tin chu ẩ n (t ươ ng t ự nh ư qu ả cân trong phép cân tr ọ ng l ượ ng ki ể u so sánh), còn giá tr ị U vào là m ộ t l ượ ng bi ế n đổ i theo th ờ i gian c ầ n đượ c giám sát theo dõi, đ ánh giá, mang thông tin c ủ a quá trình độ ng (th ườ ng bi ế n đổ i ch ậ m theo th ờ i gian) c ầ n đượ c đ i ề u khi ể n trong m ộ t d ả i hay ở m ộ t tr ạ ng thái mong mu ố n. Khi hai m ứ c đ i ệ n áp này b ằ ng nhau (U vào = U ngưỡng ) t ớ i đầ u ra b ộ so sánh s ẽ có s ự thay đổ i c ự c tính c ủ a đ i ệ n áp t ừ U + ramax t ớ i U - ramax ho ặ c ng ượ c l ạ i. Trong tr ườ ng h ợ p riêng, n ế u ch ọ n U ngưỡng = 0 thì th ự c ch ấ t m ạ ch so sánh đ ánh d ấ u lúc đổ i c ự c tính c ủ a U Vào . Trong m ạ ch hình 3.8a U vào và U ngưỡng đượ c đư a t ớ i hai đầ u vào đả o và không đả o t ươ ng ứ ng c ủ a IC. Hi ệ u c ủ a chúng U o = U v - U ngưỡng là đ i ệ n áp gi ữ a hai đầ u vào c ủ a IC s ẽ xác đị nh hàm truy ề n c ủ a nó: Khi U v < U ngưỡng thì U o < 0 do đ ó U ra = U + ramax Khi U v ≥ U ngưỡng thì U o > 0 và U ra = U - ramax (3-3) Nh ư v ậ y, đ i ệ n áp ra đổ i c ự c tính khi U vào chuy ể n qua giá tr ị ng ưỡ ng U ngưỡng . N ế u U vào và U ngưỡng trong hình 3.8a đổ i v ị trí cho nhau hay cùng đổ i c ự c tính (khí v ị trí gi ữ nguyên) thì đặ c tính hình 3.8b đả o ng ượ c l ạ i (ngh ĩ a là h.38c và d). Khi U v < U ngưỡng thì U ra = - U - ramax Khi U v ≥ U ngưỡng thì U ra = + U + ramax 203 b - Trong những trường hợp biên độ c ủ a U vào và U ngưỡng l ớ n h ơ n giá tr ị đ i ệ n áp đầ u vào t ố i đ a cho phép c ủ a IC, c ầ n m ắ c chúng qua b ộ phân áp đ i ệ n tr ở tr ướ c khi đư a t ớ i các đầ u vào c ủ a IC. Gi ố ng nh ư khóa tranzito, khi làm vi ệ c v ớ i các tín hi ệ u xung bi ế n đổ i nhanh c ầ n l ư u ý t ớ i tính ch ấ t quán tính (tr ễ ) c ủ a IC thu ậ t toán. V ớ i các IC thu ậ t toán tiêu chu ẩ n hi ệ n nay, th ờ i gian t ă ng c ủ a đ i ệ n áp ra kho ả ng V/µs, do đ ó vi ệ c dùng chúng trong các m ạ ch comparator có nhi ề u h ạ n ch ế khi đ òi h ỏ i độ chính xác cao. Trong đ i ề u ki ệ n t ố t h ơ n, vi ệ c s ử d ụ ng các IC chuyên d ụ ng đượ c ch ế t ạ o s ẵ n s ẽ có t ố c độ chuy ể n bi ế n nhanh h ơ n nhi ề u c ấ p (c ỡ V/ns. ví d ụ lo ạ i µA710, A110, LM310-339 hay NE521 ). Ho ặ c dùng các bi ệ n pháp k ĩ thu ậ t m ạ ch để gi ả m kho ả ng cách gi ữ a 2 m ứ c U ± ramax Hình 3.8 : a), c) - Bộ so sánh dùng IC thuật toán với hai kiểu mắc khác nhau và b), d) - Hàm truyền đạt tương úng của chúng c - Có thể mở rộng ch ứ c n ă ng c ủ a m ạ ch so sánh nh ờ m ạ ch hình 3.9a v ớ i đặ c tính truy ề n đạ t cho trên hình 3.9b, g ọ i là b ộ so sánh t ổ ng. T ừ đặ c tính hình 3.9b th ấ y rõ b ộ so sánh t ổ ng s ẽ chuy ể n tr ạ ng thái ở đầ u ra lúc t ổ ng đạ i s ố c ủ a hai đ i ệ n áp vào ( đư a t ớ i cùng m ộ t đầ u vào) đạ t t ớ i 1 giá tr ị ng ưỡ ng ( đư a t ớ i đầ u vào kia). N ế u ch ọ n U ngưỡng = 0 (h.3.9a) thì m ạ ch s ẽ l ậ t lúc có đ i ề u ki ệ n U 1 + U 2 = 0 (h.3.9b). Các nh ậ n xét khác, đố i v ớ i m ạ ch hình 3.8a ở đ ây đề u đ úng cho b ộ so sánh t ổ ng khi đả o l ạ i: đặ t U 1 và U 2 t ớ i đầ u vào N và U nguỡng t ớ i đầ u vào P. . m ở m ạ ch v ớ i t ố c độ nhanh (l0 -9 + l0 -6 s), do đ ó có nhi ề u đặ c đ i ể m khác v ớ i ch ế độ khu ế ch đạ i đ ã xét ở Ch ươ ng 2. a - Yêu cầu c ơ bản v ớ i m ộ t tranzito. nhau và b), d) - Hàm truyền đạt tương úng của chúng c - Có thể mở rộng ch ứ c n ă ng c ủ a m ạ ch so sánh nh ờ m ạ ch hình 3.9a v ớ i đặ c tính truy ề n đạ t cho trên hình 3.9b, g ọ i là b ộ . vi ế t : E = (IR 1 ) + U c và I U-E =R c 1 T ạ i đ i ệ n áp m ở m ở đ iôt có : U c = U s và I min = I s ta suy ra : 40kΩ= A500.10 10V-30V = I U-E =R 6 s s 1max Đ iôt m ở hoàn