Các đị nh lu ật cơ ả n v ề m ạch điệ n
Định luật Ohm phát biểu rằng cường độ dòng điện trong một đoạn mạch tỷ lệ thuận với điện áp giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở của đoạn mạch đó.
U: hiệu điện thế giữa hai đ u đoạn mạch (V) R: điện trở c a đoạn mạch (Ω)
2.Định luật Kirchhoff (Định luật Kirchhoff vềdòng điện)
Một mạch điện bao gồm hai hoặc nhiều phần tử được kết nối với nhau, trong đó các phần tử này tạo thành những nhánh khác nhau Giao điểm của hai hoặc nhiều nhánh trong mạch được gọi là nút.
Nếu xem mỗi ph n tử trong mạch là một nhánh mạch này gồm 5 nhánh và 4 nút
Khi xem nguồn hiệu thế nối tiếp với R1 là một nhánh và hai phần tử L và R2 là một nhánh, ta có mạch gồm ba nhánh và hai nút Phương pháp này giúp đơn giản hóa quá trình giải mạch.
9 Định luật Kirchhoff 1: Tổng đại sốcác dòng điện tại một nút bằng không
Trong đ : ij: dòng điện trên các nhánh gặp nút j
Với qui ước: Dòng điện r i khỏi nút có giá trị m và dòng điện hướng vào nút có giá trị dương (hay ngược lại)
Theo định luật Kirchhoff 1, ta c phương tr nh ở nút A: i1 + i 2 - i 3 + i 4 = 0
Nếu ta qui ước dấu ngược lại ta cũng được cùng kết quả:
- i 1 - i 2 + i 3 - i 4 =0 Hay ta có thể viết: i 3 = i 1 + i 2 + i 4
Định luật Kirchhoff 1 khẳng định rằng tổng các dòng điện chạy vào một nút bằng tổng các dòng điện chạy ra khỏi nút đó Định luật này là hệ quả của nguyên lý bảo toàn điện tích, đảm bảo rằng điện tích không bị mất mát trong một mạch điện.
Tại một nút điện tích không được sinh ra cũng không ị mất đi
Định luật Kirchhoff 2 (Định luật Kirchhoff vềđiện thế) Định luật Kirchhoff 2: Tổng đại số hiệu thế c a các nhánh theo một vòng kín bằng không
∑ ( ) Để áp dụng định luật Kirchhoff 2, ta chọn một chiều cho vòng và dùng qui ước:
Hiệu thế có dấu (+) xuất hiện khi di chuyển theo chiều giảm của điện thế, tức là khi gặp cực dương trước Theo định luật Kirchhoff 2, hiệu thế cho vòng abcd được mô tả trong hình vẽ sau.
Ta cũng c thể viết định luật Kirchhoff 2 cho mạch trên bằng cách chọn hiệu thế giữa 2 điểm và xác định hiệu thếđ theo một đư ng khác c a vòng: b c v 1 v 3 v 2 a d
10 Định luật Kirchhoff về hiệu thế là hệ quả c a nguyên lý bảo toàn n ng lượng: Công trong một đư ng cong kín bằng không
Bài tập thực hành c a học viên
Bài 1: Cho mạch điện có sơ đồ như h nh vẽ:
Viết phương tr nh dòng điện tại các nút A,B,C,D
Viết phương tr nh điện áp cho các vòng mạch (a),(b),(c),(d)
Bài 2: Cho mạch điện c sơ đồnhư h nh vẽ:
Tính các dòng và áp
Bài 3: Sử dụng đồng hồ VOM để đo các giá trị điên áp xoay chiều, điện áp 1 chiều
Bài Tham khảo mục 3, ài 1.
Bài 2: Tham khảo mục 3, ài 1.
Bài : Hướng dẫn sử dụng đồng hồ VOM
H nh 1 7 Đồng hồ vạn n ng VOM được sử dụng để đo điện trở, đo điện áp một chiều
VDC, điện áp xoay chiều VAC, và đo dòng điện Đồng hồ gồm có 4 ph n chính:
Khối chỉ thị: dùng đểxác định giá trịđo được (kim chỉ thị và các vạch đọc khắc độ)
Khối lựa chọn thang đo: dùng để lựa chọn thông sốvà thang đo (chuyển mạch lựa chọn và panel chỉ dẫn lựa chọn)
Bộ phận hiệu chỉnh: dùng để hiệu chỉnh
Khối các đ u vào ra Đo điện trở:
Thang đo điện trở không chỉ có chức năng đo giá trị điện trở mà còn được sử dụng để kiểm tra thông mạch, sự phóng nạp của tụ điện, diode và nhiều linh kiện điện tử khác.
Để sử dụng thang đo điện trở, trước tiên bạn cần lắp pin Bật chuyển mạch ở chế độ đo điện trở và chập hai đầu que đo lại với nhau, sau đó điều chỉnh để kim đồng hồ chỉ 0 Ohm Cuối cùng, đặt que đo vào hai đầu của điện trở và đọc trị số trên thang đo.
Giá trịđiện trở = giá trị kim chỉ * giá trịthang đo Để kiểm tra thông mạch ta bật chuyển mạch ởthang đo điện trở Đặt 2 que đo ở
Để kiểm tra thông mạch, sử dụng 2 vị trí đo Nếu kim đồng hồ chỉ 0 Ohm, nghĩa là hai vị trí này đã được thông mạch Để đo điện áp một chiều, bật chuyển mạch ở thang đo DC và lựa chọn thang đo phù hợp Khi đo, đặt que đỏ vào cực dương và que đen vào cực âm của nguồn, chọn thang đo cao hơn điện áp cần đo một nấc Nếu chưa xác định được mức điện áp, hãy chọn thang đo DC lớn nhất để xác định, sau đó chọn thang đo phù hợp để có kết quả chính xác hơn.
Để đo điện áp xoay chiều, bật chuyển mạch ở thang đo AC và chọn thang đo cao hơn mức điện áp cần đo một nấc Nếu chưa xác định được mức điện áp, hãy chọn thang đo AC lớn nhất để xác định, rồi sau đó chọn thang đo phù hợp để có kết quả chính xác hơn Để đo dòng điện, bật chuyển mạch ở thang đo dòng với thang đo cao nhất, sau đó kết nối que đồng hồ nối tiếp với tải, que đỏ ở chiều dương và que đen ở chiều âm Nếu kim chỉ thị thấp quá, giảm thang đo và thực hiện lại.
Linh kiện điện tử là các thành phần thiết yếu trong mạch điện tử, do đó, người học cần nắm vững kiến thức cơ bản về chúng để có khả năng làm việc hiệu quả với các mạch điện tử.
- Ph n iệt công dụng và nguyên tắc hoạtđộng c a các linh kiện điện tử;
- Kiểm tra được các linh kiện điện tử;
- Lắp được các mạchđiện tử cơ ản;
- Thực hiện các thao tác an toàn với mạch điện tử.
Điện trở là đại lượng vật lý phản ánh khả năng cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, được định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện thế ở hai đầu của vật thể và cường độ dòng điện chạy qua nó.
U: là hiệu điện thế giữa hai đ u vật dẫn điện, đo ằng voltage (V)
I: là cư ng độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo ằng ampe (A)
R: là điện trở c a vật dẫn điện, đo ằng Ohm (Ω).
Điện trở than ép dạng thanh có công suất từ 1/4W đến 1W, với giá trị từ 10Ω đến 22MΩ Loại điện trở này nổi bật với độ ổn định cao và được sử dụng phổ biến, có công suất từ 1/20W đến một số watt lớn hơn.
Điện trở màng kim loại có độ ổn định cao nhưng giá thành đắt Điện trở oxit kim loại nổi bật với khả năng chống nhiệt và ẩm tốt, với công suất 0.5W Trong khi đó, điện trở dây quấn thường được sử dụng khi cần giá trị điện trở rất thấp hoặc dòng điện cao, với công suất từ 1W đến 25W.
Cung 270° kết nối với một con chạy có khả năng quay quanh trục giữa, cho phép con chạy tiếp xúc với vành điện trở, với giá trị điện trở thay đổi từ một trong hai đầu đến điểm con chạy khi quay Hai loại cấu tạo phổ biến là loại bằng than với công suất thấp (1/4W đến 1/2W) và loại bằng dây quấn với công suất cao hơn (thường từ 1W đến 3W).
Các giá trị điện trở thư ng dùng cho mỗi loại chiết áp:
H nh 2 1 H nh dáng điện trở
Kí hiệu: trong sơ đồ mạch điện tửđiện trởđược kí hiệu
Trong hệSI, điện trởc đơn vịlà Ohm ( Ω )
Ngoài ra ngư i ta còn dùng các bội số c a Ohm:
Có rất nhiều cách phân loại điện trở: phân loại theo giá trị, phân loại theo cấu tạo, phân loại theo công suất…
Phân loại theo giá trị:
- Điện trở có giá trịthay đổi (biến trở)
Phân loại theo cấu tạo:
- Điện trở màng kim loại
- Điện trở oxit kim loại
Phân loại theo công suất:
- Điện trở thư ng: Điện trở thư ng là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W
- Điện trở công suất: Là các điện trở có công suất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W
- Điện trở sứ, điện trở nhiệt: Là cách gọi khác c a các điện trở công suất , điện trở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt
Người ta thường sử dụng điện trở để giảm nguồn cung cấp điện một chiều đến mức yêu cầu Trong các tính toán mạch cơ bản, điện trở thường được biểu diễn bằng một điện trở tải RL kết hợp với một điện trở sụt áp RD mắc nối tiếp.
Mức điện áp U2 nhận được trên RL so với U1đ ị sụt áp một lượng
U1 – U2 = UD Điện áp đặt trên RD là UD = I*RD Điện áp đặt trên tải RL là U2 = I*RL Điện áp cung cấp là U1 = UD + U2
H nh 2 2 Điện trở sụt áp
T ụ điệ n
Tụ điện là linh kiện điện tử bao gồm hai bản cực song song, có khả năng cách điện một chiều nhưng cho phép dòng điện xoay chiều đi qua nhờ nguyên lý phóng nạp.
Cấu tạo c a tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi
Tụ điện không phân cực về cơ ản gồm các lá kim loại xen kẽ với các lá làm bằng chất cách điện
Tụ điện điện phân được cấu tạo bởi hai điện cực cách biệt nhau bởi một màng mỏng chất điện phân Loại tụ điện này có cực tính xác định, được ghi rõ trên thân tụ; nếu kết nối ngược cực tính, lớp điện môi có thể bị phá hủy, dẫn đến hư hỏng tụ Ngoài ra, tụ điện điện phân cũng dễ bị rò điện do tồn dư lượng điện phân.
Đơn vị đo điện dung của tụ điện là Fara (F), tuy nhiên 1 Fara là một giá trị rất lớn, nên trong thực tế, người ta thường sử dụng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF), NanoFara (nF) và PicoFara (pF) để dễ dàng hơn trong việc đo lường và ứng dụng.
Các loại tụ điện thư ng gặp ở 2 dạng: dạng có trị số cố định và dạng có trị số có thểthay đổi được
2.4.1.T ụ điệ n có tr ị s ố c ố đị nh
Tụ gốm là linh kiện điện tử có kích thước nhỏ và giá thành rẻ, hoạt động ở điện áp cao nhưng có điện trở rò cao Giá trị của tụ gốm dao động từ 1pF (10^-12 F) đến 1μF (10^-6 F) Chúng được sản xuất dưới nhiều dạng khác nhau như đĩa, ống và phiến gốm tráng kim loại.
Tụ mica tráng bạc: đắt tiền, chất lượng cao, có giá trị từ2.2pF đến 10nF (1nF 10 -9 F)
Tụ Polistiren được cấu tạo từ lá kim loại được bao bọc bởi lớp màng mỏng polistiren, tạo thành một lớp cách điện với độ ổn định cao và tổn hao thấp ở tần số cao Sản phẩm này được sử dụng cho các mạch điện yêu cầu độ ổn định, độ chính xác và độ tin cậy cao.
Tụ Polyeste giấy: có dạng trụ, dùng trong các mạch điện tử, chất điện môi là polyeste và giấy ép, có trị số từ1nF đến 1F
Tụ điện điện phân: điện áp làm việc thấp, c điện dung lớn từ 0.1F đến 4700F
2.4.2 T ụ điệ n có tr ị s ố thay đổ i
Thông thư ng là một loại điện môi không khí, bao gồm hai bộ cánh kim loại lắp xen kẽ, với một bộ cố định và một bộ có khả năng xoay 180 độ qua một trục quay Khi cánh xoay ra hoàn toàn, điện dung đạt mức tối thiểu, trong khi khi cánh xoay vào hoàn toàn, điện dung đạt mức tối đa Giá trị điện dung của thông thư ng thay đổi từ 10pF đến 1000pF.
Dòng điện xoay chiều được sử dụng để truyền tín hiệu qua các tụ điện, cho phép kết nối giữa các tầng khuếch đại có sự chênh lệch về điện áp một chiều.
Tụ lọc nguồn trong các mạch chỉnh lưu nhằm tạo ra điện áp 1 chiều bằng ph ng hơn.
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, tạo từ dây dẫn điện được quấn vòng, sinh ra từtrư ng khi c dòng điện chạy qua
Cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường khi dòng điện đi qua, đồng thời tạo ra hiện tượng trễ pha giữa dòng điện và điện áp với góc lệch 90°.
Cuộn cảm được đặc trưng ằng độ tự cảm Cuộn cảm c độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từtrư ng mạnh và dự trữ nhiều n ng lượng
Cuộn cảm là một thiết bị điện tử được tạo thành từ nhiều vòng dây quấn chặt, với dây quấn được sơn lớp cách điện Lõi của cuộn dây có thể là không khí, hoặc sử dụng các vật liệu dẫn từ như ferrite hay lõi thép kỹ thuật để tăng cường hiệu suất.
Hình 2.4 Hình dáng cuộn cảm
Trong hệSI, độ từ cảm c a cuộn d y c đơn vị là Henry (H)
Tuy nhiên, ngư i ta thư ng hay dùng các ước số c a Henry
Có ba loại cuộn cảm dựa trên vật liệu lõi: cuộn dây lõi không khí, cuộn dây lõi sắt bụi và cuộn dây lõi sắt lá.
Khi một cuộn dây có dòng điện chạy qua, nó sẽ tạo ra một từ trường, điều này là nguyên lý hoạt động của nam châm điện Nếu giá trị dòng điện trong cuộn dây thay đổi, cường độ từ trường phát sinh cũng sẽ thay đổi, dẫn đến sự xuất hiện của sức điện động cảm ứng (tự cảm) trên cuộn dây, có xu hướng đối lập lại dòng điện ban đầu.
Cuộn cảm được ứng dụng trong các máy biến áp để tạo ra điện áp cao hơn (tăng áp) hoặc điện áp thấp hơn (giảm áp) so với điện áp đầu vào.
Dựa vào cấu tạo của vùng năng lượng, người ta phân chia thành ba vùng năng lượng khác nhau, tùy thuộc vào tình trạng mức năng lượng trong vùng đó có bị điện tử chiếm chỗ hay không.
- Vùng h a trị (miền đ y): trong vùng này các mức n ng lượng đều ị electron chiếm giữ.
- Vùng dẫn (vùng trống): trong vùng này các mức n ng lượng còn ỏ trống hay ị electron chiếm giữ một ph n.
- Vùng cấm:trong vùng này không c mức n ng lượng để electron chiếm chỗ.
Hình 2.5.Cấu tạo vùng năng lượng
- Ed: mức n ng lượng vùng đáy
- Et: mức n ng lượng vùng tr n
- Gọi Eg = Ed – Et: giá trị n ng lượng vùng cấm
Hình 2.6 Cấu tạo vùng năng lượng của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấm
Chất bán dẫn thu n là chất bán dẫn không pha thêm tạp chất
Có hai chất bán dẫn thu n cơ ản:
Silicium (Si) có Eg = 1.12eV
Gemanium (Ge) có Eg = 0.72eV
Hình2.7 Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Si
Dưới tác động của năng lượng bên ngoài như nhiệt hoặc điện, electron có thể bị bức ra khỏi mối liên kết, tạo ra electron tự do và lỗ trống Hiện tượng này được gọi là sự phát sinh cặp điện tử-lỗ trống Các electron tự do di chuyển trong mạng tinh thể và khi gặp lỗ trống, chúng có xu hướng tái hợp để trở về trạng thái cân bằng, hiện tượng này được gọi là sự tái hợp cặp điện tử-lỗ trống.
H nh 2 8 Đồ thị giải thích cơ chế phát sinh từng cặp hạt dẫn tự do
Gọi ni là số electron ở vùng dẫn , pi là số lỗ trống ở vùng hóa trị
Vậy dòng điện sinh ra trong chất bán dẫnthu n do cả 2 loại hạt dẫn electron và lỗ trống tạo thành
4.1.2 Ch ấ t bán d ẫ n t ạ p a Chất bán dẫn tạp loại n
Khi một chất bán dẫn thu n được pha thêm tạp chất thuộc nhóm hóa trị V (như Asen As, Photpho P,…) th n trở thành chất bán dẫn tạp loại n
Nguyên tử tạp chất liên kết với bốn nguyên tử silicon xung quanh và có một electron dư thừa ở lớp ngoài cùng Electron này có liên kết yếu với hạt nhân, do đó dễ dàng bị ion hóa.
1 ion dương và điện tử tự do vùng hóa trị p i vùng dẫn n i vùng cấm E g
H nh 2 9 Cơ chế phát sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn tạp chất loại n
Gọi nn là số điện tử ở vùng dẫn, pn là số lỗ trống ở vùng hóa trị
Diode
Dựa vào cấu tạo của vùng năng lượng, người ta phân chia thành ba vùng năng lượng khác nhau tùy thuộc vào tình trạng mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không.
- Vùng h a trị (miền đ y): trong vùng này các mức n ng lượng đều ị electron chiếm giữ.
- Vùng dẫn (vùng trống): trong vùng này các mức n ng lượng còn ỏ trống hay ị electron chiếm giữ một ph n.
- Vùng cấm:trong vùng này không c mức n ng lượng để electron chiếm chỗ.
Hình 2.5.Cấu tạo vùng năng lượng
- Ed: mức n ng lượng vùng đáy
- Et: mức n ng lượng vùng tr n
- Gọi Eg = Ed – Et: giá trị n ng lượng vùng cấm
Hình 2.6 Cấu tạo vùng năng lượng của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấm
Chất bán dẫn thu n là chất bán dẫn không pha thêm tạp chất
Có hai chất bán dẫn thu n cơ ản:
Silicium (Si) có Eg = 1.12eV
Gemanium (Ge) có Eg = 0.72eV
Hình2.7 Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Si
Dưới tác động của nhiệt hoặc điện trường bên ngoài, electron có thể bị bức ra khỏi mối liên kết, tạo ra electron tự do và lỗ trống Hiện tượng này được gọi là sự phát sinh cặp điện tử-lỗ trống Các electron tự do di chuyển trong mạng tinh thể và khi gặp lỗ trống, chúng có xu hướng tái hợp để trở về trạng thái cân bằng, hiện tượng này được gọi là sự tái hợp cặp điện tử-lỗ trống.
H nh 2 8 Đồ thị giải thích cơ chế phát sinh từng cặp hạt dẫn tự do
Gọi ni là số electron ở vùng dẫn , pi là số lỗ trống ở vùng hóa trị
Vậy dòng điện sinh ra trong chất bán dẫnthu n do cả 2 loại hạt dẫn electron và lỗ trống tạo thành
4.1.2 Ch ấ t bán d ẫ n t ạ p a Chất bán dẫn tạp loại n
Khi một chất bán dẫn thu n được pha thêm tạp chất thuộc nhóm hóa trị V (như Asen As, Photpho P,…) th n trở thành chất bán dẫn tạp loại n
Nguyên tử tạp chất gắn kết với bốn nguyên tử silicon xung quanh và có một electron thừa ở lớp ngoài cùng Electron này liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa.
1 ion dương và điện tử tự do vùng hóa trị p i vùng dẫn n i vùng cấm E g
H nh 2 9 Cơ chế phát sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn tạp chất loại n
Gọi nn là số điện tử ở vùng dẫn, pn là số lỗ trống ở vùng hóa trị
Chất bán dẫn tạp loại n chủ yếu dẫn điện nhờ vào điện tử, được gọi là hạt tải đa số Mặc dù vậy, vẫn có cơ chế hình thành các cặp hạt dẫn tự do, do đó lỗ trống cũng tham gia vào quá trình dẫn điện và được xem là hạt dẫn thiểu số.
Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n được hình thành từ electron, là hạt tải đa số, và lỗ trống, là hạt tải thiểu số Trong khi đó, chất bán dẫn tạp loại p cũng có cấu trúc tương tự nhưng chủ yếu chứa lỗ trống.
Khi một chất bán dẫn thu n được pha thêm một tạp chất thuộc nh m III (như nhôm Al, Ga, B…), th n trở thành chất bán dẫn tạp loại p
Nguyên tử tạp chất kết nối với bốn nguyên tử silicon xung quanh, để lại một lỗ trống ở lớp ngoài cùng Lỗ trống này có khả năng dễ dàng bị ion hóa thành ion âm và tạo ra lỗ trống tự do.
Mức năng lượng tạp chất gần đỉnh vùng hóa trị tạo điều kiện cho các điện tử hóa trị nhảy mức mạnh mẽ, hình thành cặp ion âm tạp chất và lỗ trống, trong đó lỗ trống là hạt dẫn chủ yếu và điện tử là hạt dẫn thiểu số.
H nh 2 10 Cơ chế phát sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn tạp chất loại p
Gọi np là sốđiện tửở vùng dẫn, pp là số lỗ trống ở vùng hóa trị
Vậy dòng điện trong chất bán dẫn tạp loại p ch yếu do lỗ trống tạo ra
4.1.3 M ặ t ghép (ti ế p xúc) p-n vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấm
Mức n ng lượng đáy vùng dẫn
Mức n ng lượng tạp chất loại p
Mức n ng lượng đỉnh vùng hóa trị
- - - - p p n p vùng hóa trị vùng dẫn vùng cấm
Mức n ng lượng đáy vùng dẫn
Mức n ng lượng tạp chất loại n
Mức n ng lượng đỉnh vùng hóa trị n n p n
Utx: hiệu điện thế tiếp xúc
Khi cho hai chất bán dẫn loại p và loại n tiếp xúc nhau thì xảy ra hiện tượng khuếch tán
Khi lỗ trống ở chất bán dẫn loại p di chuyển sang chất bán dẫn loại n, chúng tái hợp với điện tử, trong khi điện tử từ chất bán dẫn n cũng di chuyển sang chất bán dẫn p để tái hợp với lỗ trống Quá trình này tạo ra dòng điện khuếch tán Ikt, hướng từ chất bán dẫn p sang chất bán dẫn n Ở mặt tiếp xúc, chất bán dẫn p mất đi một số lỗ trống, dẫn đến mang điện tích âm, trong khi chất bán dẫn n mất đi một số điện tử, mang điện tích dương Sự chênh lệch này tạo ra hiệu điện thế tiếp xúc Utx, gây ra dòng trôi Itr ngược chiều với dòng khuếch tán.
Sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trống tăng lên làm gia tăng hiệu điện thế tiếp xúc, dẫn đến dòng trôi lớn hơn Khi dòng điện Itr bằng với Ikt, tiếp xúc p-n đạt trạng thái cân bằng động.
Diode được cấu tạo từ một tiếp xúc p-n và hai điện cực nằm ở hai phía Cực anod, ký hiệu A, nằm ở phía miền bán dẫn p, trong khi cực catod, ký hiệu K, nằm ở phía miền bán dẫn n.
4.2.2 Phân c ự c cho diode a Phân cực thuận
Diode được xem là phân cực thuận khi bán dẫn p kết nối với cực dương và bán dẫn n kết nối với cực âm của nguồn điện bên ngoài Điều này có nghĩa là hiệu điện thế tiếp xúc ngược chiều với điện trường bên ngoài.
Do hiệu điện thế tiếp xúc ngược chiều với điện trường ngoài, tổng điện trường tại lớp tiếp xúc giảm, dẫn đến việc lớp tiếp xúc bị thu hẹp Kết quả là, điện tử từ bán dẫn n dễ dàng di chuyển sang bán dẫn p, tạo ra dòng điện chạy qua diode p-n.
Diode phân cực thuận cho phép dòng điện chạy qua Để nghiên cứu mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của diode, chúng ta thực hiện một mạch thí nghiệm cụ thể.
Hình 2.11.Sơ đồ mạch điện và đặc tuyến của diode khi phân cực thuận
Khi UAK< U: dòng qua diode không đáng kể
Khi UAK> U: dòng qua diode rất lớn
Trong các mạch điện tử, khi phân cực thuận Diode th luôn luôn c điện trở mắcnối tiếp với Diode b Diode phân cực ngƣợc
Diode được xem là ở trạng thái phân cực ngược khi bán dẫn p được kết nối với cực âm và bán dẫn n được kết nối với cực dương của một nguồn điện bên ngoài, khác với hiệu điện thế tiếp xúc trong cùng chiều điện trường bên ngoài.
Do hiệu điện thế tiếp xúc cùng chiều với điện trường ngoài, tổng điện trường tại lớp tiếp xúc tăng lên, làm cho lớp tiếp xúc rộng ra Kết quả là, điện tử khó di chuyển qua lớp tiếp xúc này, dẫn đến việc không có dòng điện qua diode Do đó, diode phân cực ngược không cho dòng điện đi qua.
Transistor
BJT có cấu tạo gồm hai tiếp xúc p-n nối với nhau và đưa ra 3 miền
Miền emitơ là miền có nồng độ tạp chất cao nhất, và điện cực phát ra từ miền này được gọi là cực emitơ, ký hiệu là E.
Miền azơ, được biết đến là miền thứ hai, có nồng độ tạp chất thấp nhất Điện cực từ miền này được gọi là cực azơ, ký hiệu là chữ B (cực nền).
Miền thứ a, hay còn gọi là miền colectơ, có nồng độ tạp chất trung bình Điện cực được đưa ra từ miền này được gọi là cực colectơ, ký hiệu là chữ C (cực thu).
Tùy theo trình tự sắp xếp c a các lớp bán dẫn mà ta có 2 loại BJT sau:
Hình 2.21 Cấu tạo Transistor lưỡng cực (BJT) loại pnp và loại npn
Để BJT hoạt động hiệu quả, cần cung cấp điện áp một chiều cho các điện cực của nó, quá trình này được gọi là phân cực BJT BJT có ba chế độ làm việc chính.
Chế độ Tiếp xúc BE (JE) Tiếp xúc BC (JC)
Chế độ ngưng dẫn Ph n cực ngược Ph n cực ngược
Chế độ khuếch đại Ph n cực thuận Ph n cực ngược
Chế độ o hòa Ph n cực thuận Ph n cực thuận
Xét BJT loại npn làm việc ở chế độ khuếch đại:
Hình 2.22 Sơ đồ phân cực của BJT loại npn
Khi tiếp xúc BE phân cực thuận, điện tử ở miền Emitơ dễ dàng di chuyển qua miền Bazơ để tái hợp với lỗ trống Tuy nhiên, do nồng độ tạp chất trong miền Bazơ thấp, chỉ một lượng nhỏ điện tử được tái hợp Số điện tử còn lại tiếp tục di chuyển qua miền Colectơ và chạy về cực dương của nguồn UCC Lượng điện tử vào miền Emitơ tạo ra dòng IE ra khỏi miền này, trong khi điện tử ra khỏi miền Colectơ sinh ra dòng IC đi vào cực C Lượng lỗ trống tái hợp tại miền Bazơ được cung cấp bởi nguồn UEE, tạo ra dòng IB đi vào cực B.
* Hệ thức gi a các dòng điện và các cách mắc của BJT
Qua việc ph n tích trên rút ra được hệ thức cơ ản về các dòng điện trong BJT như sau:
IE = IB + IC(2.1) Đểđánh giá quan hệ giữa IE và IC, ngư i ta đánh giá hệ số truyền đạt dòng điện:
càng g n 1 thì chất lượng BJT càng tốt Đểđánh giá quan hệ IC và IB, ngư i ta đánh giá hệ số khuếch đại dòng điện:
Để BJT hoạt động hiệu quả với tín hiệu xoay chiều, cần thực hiện phân cực một chiều, cung cấp điện áp và dòng điện một chiều cho các cực của BJT Biết trước các giá trị nguồn nuôi một chiều, điện trở hạn chế dòng, hệ số khuếch đại dòng β và điện áp phân cực UBE = 0.7V cho BJT loại Si, ta có thể xác định điểm làm việc tĩnh Q(IB, IC, UCE) của BJT Quỹ tích các điểm Q này được gọi là đường tải tĩnh.
Phân cực bằng dòng cốđịnh
Mạch điện phân cực BJT bằng dòng cố định là phương pháp đơn giản nhất để phân cực Nguồn UB cung cấp điện áp phân cực thuận cho tiếp xúc JE, đạt UBE = 0.7V, trong khi RB được sử dụng để điều chỉnh dòng IB Đồng thời, nguồn UCC cung cấp điện áp phân cực ngược cho tiếp xúc JC, với điện trở RC nhằm hạn chế dòng IC.
Với BJT loại npn ta c n đạt được điều kiện UC> UB> UE, còn BJT loại pnp thì UC<
Từ mạch điện h nh (2.23), ta tính được dòng azơ:
Dòng colectơ ICđược xác định bởi:
I I (2.6) Điện áp giữa cực C và E:
U CE = U CC – I C R C (phương tr nh đường tải tĩnh) (2.7)
Từ công thức (2.7), khi dòng ICt ng luôn làm điện áp UCE giảm và ngược lại dòng IC giảm sẽ làm t ng điện áp UCE
Hình 2.24 Mạch điện dùng nguồn U CC phân cực cho tiếp xúc J E và J C của BJT
Ngoài ra, ta có thể chỉ dùng một nguồn UCC làm cả hai nhiệm vụ phân cực cho tiếp xúc JE và tiếp xúc JCnhư h nh (2.24).
Khi đ , dòng IBđược xác định:
Đường tải tĩnh (một chiều) là tập hợp các cặp giá trị IC và UCE, thể hiện mối quan hệ giữa chúng trong phương trình (2.7), với đặc điểm là có hệ số góc âm (hình (2.25)) Điểm giới hạn của đường tải tĩnh xảy ra khi BJT ở trạng thái hở mạch, tại đó dòng IC bằng 0.
U CE(hm) = U CC Ở trạng thái ngắn mạch c a BJT, điện áp UCE= 0 khi đ :
I C(ngm) = U CC / R C Đểđảm bảo chếđộ khuếch đại tốt nhất, ngư i ta thư ng chọn điểm làm việc tĩnh ở khoảng giữa đư ng tải tĩnh
ICQ 0.5IC(ngm) và UCEQ 0.5UCE(hm)
H nh 2 25 Đồ thịphương tr nh đường tải tĩnh
Phân cực bằng dòng emitơ (mạch chia áp)
Hình 2.26 Mạch điện phân cực BJT bằng dòng emitơ (mạch chia áp)
Sơ đồ tương đương 1 chiều c a mạch điện hình 2.26
U CC đư ng tải tĩnh
Từ mạch điện hình (2.26), ta có:
U CC = I C (R C + R E ) + U CE (xem IE IC)
điện áp giữa hai cực C và E là:
U CE = U CC – I C (R C + R E ) (phương tr nh đư ng tải tĩnh) (2.12)
Các điểm giới hạn c a đư ng tải tĩnh là:
Ví dụ: Cho mạch điện như h nh 2.26 với UCC = 18V, R1 = 48k, R2 = 12k, RC 1.5k và RE = 500 BJT có hệ số = 80 T m điểm làm việc tĩnh ?
Vậy, điểm làm việc tĩnh Q(0.06mA; 4.8mA; 8.4V)
Phân cực bằng điện áp hồi tiếp
Hình 2.27 Mạch điện phân cực BJT bằng điện áp hồi tiếp
Điện trở RB được kết nối trực tiếp giữa cực colectơ và cực azơ trong mạch phân cực Sự khác biệt chính giữa mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp và mạch phân cực dòng cố định là mạch phân cực bằng điện áp hồi tiếp cho phép dòng IB cảm biến theo điện áp hoặc dòng điện ở mạch ra, trong khi mạch phân cực dòng cố định không có tính năng này.
Khi nhiệt độ tăng, hệ số β của transistor giảm, dẫn đến dòng IC giảm Điều này xảy ra do điện áp trên RC (UR = IC.RC) tăng, làm giảm điện áp UCE (UCE = UCC – IC.RC) Sự giảm điện áp này cũng ảnh hưởng đến điện áp trên RB, dẫn đến dòng IB giảm, từ đó tiếp tục làm giảm dòng IC qua một vòng hồi tiếp.
IC được bù kiểu ngược pha cho điểm làm việc Q ổn định hơn so với kiểu phân cực bằng dòng cố định Khi giả sử β giảm, quá trình dẫn đến dòng ICt sẽ trở lại trạng thái an toàn, dẫn đến IC giảm do sự giảm β.
Từ mạch ở hình (2.27), ta có:
UCC = (IB + IC)RC + IB.RB + UBE
điện áp đặt trên 2 cực C-E là:
Transistor trường FET (Field Effect Transistor) là linh kiện dẫn điện bằng một loại hạt dẫn, khác với BJT dẫn điện bằng cả điện tử và lỗ trống, vì vậy FET còn được gọi là transistor đơn cực FET được chia thành hai nhóm chính: nhóm có cực cửa là một tiếp xúc pn (JFET) và nhóm có cực cửa cách ly (MOSFET).
5.2.1 Transistor trườ ng JFET a Cấu tạo
Hình (2.28) minh họa cấu tạo của JFET kênh n và kênh p, trong đó có hai loại kênh dẫn điện: kênh loại n (hình 2.28a) dẫn điện bằng điện tử và kênh loại p (hình 2.28b) dẫn điện bằng lỗ trống Hai cực chính được gọi là cực máng D (Drain) và cực nguồn S (Source), trong khi cực cửa G (Gate) nằm ở vùng bán dẫn đối diện kênh dẫn, có thể có một hoặc hai cực cửa.
Hình 2.28 Cấu tạo và kí hiệu JFET kênh n và kênh b Nguyên lý hoạt động
Xét JFET kênh n có cực D nối với dương nguồn, S nối với âm nguồn, ta có:
Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh theo chiều từ cực dương c a nguồn vào cực
D và ra cực S để trở về âm nguồn c a UDD, kênh có tác dụng như một điện trở
Khi điện thế UDS tăng từ 0V, dòng ID sẽ tăng nhanh chóng, nhưng khi đạt đến một điện thế giới hạn, dòng ID không thể tăng thêm nữa, được gọi là dòng điện bão hòa IDSS Điện thế UDS tương ứng với IDSS được gọi là điện thế ngắt Up.
Hình 2.29 JFET kênh n khi U GS = 0V và U DS > 0V
Khi cực G c điện thế âm (UGS< 0V):
Khi cực G c điện thế âm được kết nối, tiếp xúc p-n sẽ bị phân cực ngược, dẫn đến việc các điện tử trong chất bán dẫn kênh n bị đẩy ra, làm thu hẹp tiết diện kênh Hệ quả là điện trở kênh dẫn tăng lên và dòng ID giảm xuống.
Hình 2.30.JFET kênh n khi cực G có điện thế âm
Thyristor
Hình 2.49 Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồtương đương của SCR
SCR là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn xen kẻ nhau p1n1p2n2; trên các miền p1, n2 và p2tương ứng lấy ra các cực anod A, catod K và cực điều khiển G p 1 p 2 n 1 n 2
Khi UA< UK: SCR phân cực ngược nên SCR tắt và chỉ tồn tại dòng rò.UAK>
Dòng điện qua SCR bị ảnh hưởng bởi UBR, dẫn đến khả năng SCR bị đánh thủng Khi giảm điện áp UAK xuống dưới mức UBR, dòng điện không thể trở về mức an toàn, dẫn đến SCR bị hỏng.
Khi UA> UKnhưng UAK còn nhỏ
UG = 0 thì SCR tắt nên dòng qua cũng chỉ là dòng rò
T ng UAK đến mức UBO (Breakover) thì SCR chuyển từ tắt sang dẫn làm cho
UAK giảm và dòng IA t ng nên ta n i SCR c đặc tính điện trở âm
UAK tiếp tục giảm đến UH và dòng IA t ng đến IH thì dòng qua SCR biến thiên theo điện áp UAKnhư diode thư ng
Khi UAK phân cực thuận và tín hiệu UG đến cực G, SCR sẽ dẫn nhanh chóng Tại thời điểm này, dù có tiếp tục kích vào cực G hay ngừng kích, SCR vẫn giữ trạng thái dẫn.
Như vậy, SCR có thể dẫn nh cực cổng nhưng không thể tắt bằng cực cổng Đ y là đặc tính tự giữ c a SCR
H nh 2 50 Đặc tuyến Von-Ampe của SCR
Sau đ y là các thông số kỹ thuật chính c a SCR
Dòng thuận tối đa (IA) là dòng điện anod lớn nhất mà SCR có thể chịu đựng liên tục, và trong trường hợp dòng lớn, cần phải giải nhiệt đầy đủ Giá trị dòng thuận tối đa này phụ thuộc vào từng loại SCR, có thể dao động từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere Điện thế ngược tối đa (VBR) là điện thế phân cực nghịch tối đa mà SCR có thể chịu đựng trước khi xảy ra hiện tượng hủy thác, với giá trị này có thể từ vài chục volt đến hàng ngàn volt.
Dòng chốt (latching current) là dòng điện tối thiểu cần thiết để duy trì trạng thái dẫn điện của SCR sau khi chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn Đối với SCR công suất nhỏ, dòng chốt thường chỉ lớn hơn một chút so với dòng duy trì (IH), trong khi với SCR công suất lớn, dòng chốt lại lớn hơn nhiều so với dòng duy trì.
Dòng cổng tối thiểu (Minimum gate current) là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển SCR Khi điện thế VAK vượt quá VBO, SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG.
Trong ứng dụng SCR, việc tạo ra dòng cổng dẫn điện ngay là rất quan trọng Dòng cổng tối thiểu cần thiết tùy thuộc vào từng loại SCR, dao động từ dưới 1mA đến vài chục mA Thông thường, SCR có công suất lớn yêu cầu dòng kích lớn hơn Tuy nhiên, cần lưu ý rằng dòng cổng không được quá cao, vì điều này có thể gây hỏng nối cổng-cathode của SCR.
Thời gian mở (turn-on time) là khoảng thời gian từ khi bắt đầu xung kích đến khi SCR dẫn dòng bão hòa, thường là 0,9 lần dòng định mức Thời gian mở thường chỉ kéo dài vài micro giây Do đó, thời gian hiện diện của xung kích cần phải lớn hơn thời gian mở để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Thời gian tắt (turn-off time) của SCR là khoảng thời gian từ khi điện thế VAK giảm xuống 0 Volt đến khi điện thế trở lại cao mà SCR không dẫn điện Mặc dù dòng anod bằng 0 khi VAK ở 0 Volt, nhưng nếu điện thế anod được nâng lên ngay lập tức, SCR vẫn tiếp tục dẫn điện mà không cần dòng kích Thời gian tắt thường dài hơn thời gian mở, khoảng vài chục micro giây, cho thấy SCR là linh kiện có tốc độ chậm và hoạt động ở tần số thấp, tối đa chỉ khoảng vài chục KHz.
Tốc đột ng điện thế dv/dt là yếu tố quan trọng để làm SCR dẫn điện, có thể đạt được bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc sử dụng dòng kích cực cổng Một phương pháp khác là tăng nhanh điện thế anod với dv/dt lớn mà không cần điện thế V anod cao Thông số dv/dt xác định tốc đột ng thế lớn nhất mà SCR chưa dẫn; khi vượt qua ngưỡng này, SCR sẽ dẫn điện Nguyên nhân là do sự tồn tại của điện dung nội Cb giữa hai cực nền của transistor trong mô hình tương đương của SCR, dẫn đến dòng điện qua tụ.
Dòng điện chạy vào cực nền của T1, khi dV/dt lớn, dòng icb sẽ tăng cao và kích hoạt SCR Để tránh hiện tượng này, người ta thường mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR nhằm chia bớt dòng icb.
Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt là giá trị cao nhất của tốc độ tăng dòng anod, và nếu vượt quá mức này, SCR có thể bị hư hỏng Nguyên nhân là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu điện thế giữa anod và catod vẫn còn lớn trong khi dòng điện anod tăng nhanh, dẫn đến công suất tiêu tán tức thì có thể vượt quá mức cho phép Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng, làm cho vùng này dễ bị hư hỏng Khả năng chịu đựng của di/dt phụ thuộc vào từng loại SCR.
6.1.4 L ắ p ráp các m ạ ch ứ ng d ụng thyristor đơn giả n
H nh 2 51 Sơ đồ mạch đèn khẩn cấp khi mất điện
R 1 Được chọn tùy theo dòng nạp accu
Bóng đèn 6V sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu Khi này, SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, và ắc quy được nạp qua diode D1 và điện trở R1 Khi mất điện, nguồn điện từ ắc quy sẽ kích hoạt SCR, làm đèn sáng Lúc này, đèn phát sáng nhờ điện của ắc quy.
Diac là một linh kiện bán dẫn đặc biệt cho phép dòng điện chạy qua cả hai chiều Nó được cấu tạo từ hai phần tử SCR được mắc song song và đối đầu nhau, nhưng không có cực cổng G.
Hình 2.52 Cấu tạo và ký hiệu của Diac 6.2.2 Nguyên lý làm vi ệ c
Khi điện thế UT2T1 tăng vượt mức UBO, Diac chuyển từ trạng thái tắt sang dẫn, dẫn đến việc giảm điện thế UT2T1 và dòng IT2T1 Khi UT2T1 giảm xuống giá trị UH và dòng IT2T1 giảm xuống IH, dòng IT2T1 qua Diac sẽ biến thiên theo điện thế UT2T1 giống như một diode thông thường.
Diac thư ng được dùng trong các mạch phát xung và kích thysistor với dòng khoảng vài mA
Diac tương đương với hai diode zener mắc đối đầu, và trong trường hợp không có Diac, hai diode zener với điện thế zener phù hợp có thể được sử dụng làm giải pháp thay thế.
H nh 2 53 Đặc tuyến Von-Ampe của Diac 6.2.4 L ắ p ráp các m ạ ch ứ ng d ụng Diac đơn giả n
CÁC Module CH ỨC NĂNG
M ạ ch tách kênh, ch ọ n kênh (Module Mux)
Trong truyền dữ liệu, để tiết kiệm đường truyền, người ta sử dụng một đường dây để truyền nhiều kênh thông tin, yêu cầu thực hiện việc chọn kênh thông tin phù hợp Mạch chọn kênh đảm nhiệm công việc này, trong khi tại nơi thu, thông tin nhận được cần được chuyển tới các đích khác nhau thông qua mạch phân bố kênh hoặc tách kênh Có hai loại mạch chọn kênh/phân kênh chính.
Mạch chọn kênh và phân kênh số (digital) là một phần quan trọng trong hệ thống truyền thông Trong phần này, chúng ta sẽ tập trung vào mạch chọn kênh/phân kênh số, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu Mạch này đóng vai trò quyết định trong việc phân phối tín hiệu một cách hiệu quả và chính xác.
Hình 3.4 Mạch chọn kênh – phân kênh
Mạch chọn kênh hay mạch dồn kênh là một mạch có N đầu vào thông tin và một đầu ra Thông tin từ một trong các đầu vào có thể được truyền đến đầu ra theo sự lựa chọn tùy ý Mỗi đầu vào thông tin được gán một địa chỉ, mã hóa bằng số nhị phân n bit Do đó, với N đầu vào thông tin, mạch có n đầu vào địa chỉ sao cho 2^n = N Khi một địa chỉ được tác động, thông tin ở đầu vào tương ứng sẽ được chọn và truyền ra.
Nguồn 4 Đích 1 Đích 2 Đích 3 Đích 4
Mạch chọn kênh tương tự là loại mạch cho phép truyền tín hiệu liên tục, chẳng hạn như điện áp một chiều có thể thay đổi theo thời gian hoặc điện áp một chiều ổn định.
Sơ đồ khối và cách hoạt động của mạch chọn kênh số và mạch chọn kênh tương tự có sự tương đồng Tuy nhiên, điểm khác biệt chính là mạch chọn kênh số chỉ cho phép truyền tín hiệu logic và tín hiệu được truyền theo một chiều từ cửa vào đến cửa ra Cấu trúc mạch của hai loại này cũng có sự khác biệt cơ bản.
Hình 3.5 Sơ đồ khối và cấu trúc mạch chọn kênh số
Sơ đồ khối mạch chọn kênh trong Hình 3.2a có 4 đầu vào thông tin I0 đến I3, cùng với hai đầu vào địa chỉ A1 và A0, và đầu ra S Mạch này cũng bao gồm đầu điều khiển E, có mức tích cực cao Theo cấu trúc mạch trong Hình 3.5b, khi E = 0, tất cả các đầu ra S0, S1, S2, S3 đều ở mức 1 logic, dẫn đến đầu ra S là 0 logic, không phụ thuộc vào địa chỉ tại các đầu vào địa chỉ A1 và A0.
=xx) Khi E = 1 và A1A0 = i (i = 0 3) thì S = Ii
Hình 3.6 trình bày sơ đồ khối của một số vi mạch (IC) chọn kênh, với vỏ thuộc loại hai hàng chân song song Để xác định đúng số thứ tự các chân của IC, cần nhìn từ trên xuống, bắt đầu từ số 1 và đếm ngược theo chiều kim đồng hồ Trong hình, các chữ số ghi ở mỗi đầu vào/ra chỉ rõ số thứ tự chân tương ứng trên vỏ.
IC 74150 là một mạch chọn kênh với 16 đầu vào thông tin từ I0 đến I15 Đầu vào điều khiển cho phép hoạt động ở mức thấp Đầu ra là tín hiệu đảo, khi ̅ = 1 logic thì ̅ cũng bằng 1 logic, không phụ thuộc vào địa chỉ được thiết lập ở các đầu vào địa chỉ A, B, C, D Khi ̅ = 0 logic và DCBA = i (với i từ 0 đến 15), thì ̅ sẽ bằng ̅.
IC 74151 là mạch chọn kênh với 8 đ u vào thông tin I0 I7 Mạch c 2 đ u ra đảo và không đảo ( ̅ và S)
IC 74153 và IC 4539 là các IC thuộc họ CMOS, mỗi IC bao gồm hai mạch chọn kênh với bốn đầu vào thông tin từ I0 đến I3 Các đầu địa chỉ A và B được chia sẻ cho cả hai mạch Mỗi mạch có đầu điều khiển cho phép hoạt động độc lập, với mức tín hiệu tích cực thấp (1̅ và 2̅).
E Đ u vào thông tin Địa chỉ
Hình 3.6 Một vài IC chọn kênh
IC 74253, chức n ng tương tựnhư IC 74153 nhưng c đ u ra 3 trạng thái
IC 74157, trong mỗi IC có bốn mạch chọn kênh với 2 đ u vào thông tin I0 I 1 , c chung đ u vào cho phép ̅ tác động mức thấp và đ u vào chọn A Đ u vào dữ liệu
110, 111 c đ u ra tương ứng là 1Y, đ u vào dữ liệu 210, 211 c đ u ra tương ứng là 2Y, v.v…Khi ̅ = 1 th đ u ra Y = 0
IC 4512 là mạch chọn kênh họCMOS, 8 đ u vào thông tin, đ u ra ba trạng thái
IC 4519, họ CMOS, trong chip có 4 mạch dồn kênh với hai đ u vào thông tin
IC 74298, 74398, 74399 có bốn mạch chọn kênh với 2 đ u vào, 1 đ u ra, c ch n lưu trữ (storage)
Các vi mạch chọn kênh thường có số đầu vào thông tin hạn chế, thường là 2, 4, 8 hoặc 16 Để tạo ra mạch chọn kênh với số lượng đầu vào lớn hơn, cần biết cách ghép nối các vi mạch chọn kênh Phương pháp chính để mở rộng mạch chọn kênh là kết hợp các vi mạch chuẩn hóa thành hai tầng.
2.1.3 Nh ữ ng ứ ng d ụ ng chính c ủ a m ạ ch ch ọ n kênh a Bi ến đổ i song song – n ố i ti ế p
Mạch chọn kênh thư ng giúp chuyển k bit thông tin từ dạng song song sang dạng nối tiếp, được gọi là sự dồn kênh Cụ thể, k kênh thông tin ở cửa vào sẽ được dồn lại thành một kênh truyền nối tiếp ở cửa ra Hình 3.7 minh họa sơ đồ nguyên lý của quá trình biến đổi thông tin từ song song sang nối tiếp Theo nhịp xung phát ra, từng bit thông tin tại cửa vào MUX sẽ được truyền ra cửa S theo thứ tự từ I0 đến I15 (nếu bộ đếm đếm thuận) hoặc ngược lại từ I15 đến I0 (nếu là đếm ngược).
Hình 3.7 Mạch biến đổi thông tin song song/nối tiếp dùng MUX b Kh ố i ch ọ n kênh
Nhiệm vụ của khối chọn kênh là tập trung N dữ liệu có độ dài k bit tại cửa vào và lựa chọn chúng theo địa chỉ để truyền qua cửa ra k bit Có nhiều phương pháp để thiết lập khối chọn kênh.
Bộ chọn kênh (MUX) N được sử dụng để nhận đồng thời N dữ liệu k bit và chuyển từng dữ liệu k bit qua cửa ra một cách có lựa chọn Ví dụ trong Hình 3.8, 32 bộ chọn kênh với 16 đầu vào thông tin tập trung 16 dữ liệu 32 bit Mỗi dữ liệu 32 bit được gán một địa chỉ từ 0 đến 15, và đầu vào thông tin c là địa chỉ tương ứng của 32 bộ chọn kênh Khi A3A2A1A0 = i (i = 0 đến 15), bộ chọn kênh sẽ hoạt động theo địa chỉ đã được chỉ định.
15) thì dữ liệu 32 it c địa chỉ i ở cửa vào sẽ truyền qua cửa ra
Hình 3.8 Cấu trúc một “khối chọn k nh” dùng các UX
Bit D 1 c a d ữ li ệu đị a ch ỉ s ố
Hình 3.9 Hai cấu trúc khác nhau của khối chọn kênh
Có thể sử dụng cổng đệm ba trạng thái và mạch giải mã 1/N để xây dựng khối chọn kênh Dữ liệu có độ dài k bit từ các nguồn như thiết bị đo hoặc khối điều khiển số được dẫn đến cổng đệm với k phần tử Mỗi nguồn dữ liệu và cổng đệm tương ứng được gán một địa chỉ từ 0 đến N-1 Đầu ra của mạch giải mã 1/N sẽ điều khiển cổng đệm theo địa chỉ thích hợp Kênh địa chỉ n bit (với 2^n = N) tại cửa vào giải mã 1/N sẽ xác định nguồn dữ liệu nào được truyền qua kênh chung k bit.
Nếu bản thân các nguồn dữ liệu là những ph n tử mạch ra 3 trạng thái, thì không c n có các cổng đệm 3 trạng thái (hình 3.9b) c T ạ o hàm logic
Người ta có thể sử dụng mạch chọn kênh để thực hiện hàm logic trong bảng chân lý Quy tắc là nếu hàm logic có n biến độc lập, cần chọn mạch dồn kênh với ít nhất n đầu vào địa chỉ Các biến độc lập trong bảng chân lý được đặt ở các đầu vào địa chỉ có trọng số tương ứng của MUX Giá trị hàm logic trên các hàng của bảng chân lý sẽ được ghi lên các đầu vào thông tin, với địa chỉ tương ứng theo thứ tự hàng Đầu ra của mạch dồn kênh chính là biến phụ thuộc trong bảng chân lý.
Nguồn thông tin đ u ra 3 trạng thái n bit Đị a ch ỉ
Kênh truyền chung n bit Đị a ch ỉ Giải mã 1/N
Hình 3.10 Ví dụ về tạo hàm logic dùng MUX
M ạ ch chuy ển đổ i A/D, D/A (Module D/A, A/D)
Để kết nối nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số, cần sử dụng mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC) và mạch chuyển đổi số - tương tự (DAC).
Hình 3.13.Biểu diễn quá tr nh chuyển đổi tương tự sang số
Quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được minh họa qua hình ảnh, trong đó tín hiệu tương tự VA được chuyển đổi thành dạng bậc thang đều Điều này diễn ra trong một phạm vi giá trị nhất định.
Giá trị VA được biểu diễn bằng một giá trị đại diện thích hợp, thường được chuyển thành dạng bậc thang 7 bậc Mỗi bậc sẽ được gán cho VA một giá trị rời rạc cụ thể.
VA biến thiên trong một khoảng nhỏ 3,5 4,5 ta gán cho nó một giá trị là 100
Một cách tổng quát, gọi tín hiệu tương tự là SA (VA), tín hiệu số là SD (VD) SD được biểu diễn dưới dạng mã nhịph n như sau:
Trong đ : bk = 0 hoặc bk = 1 (với k = 0 k = n - 1) và được gọi là bit
bn-1: it c nghĩa lớn nhất (MSB: Most significant it) Mỗi iến đổi c a MSB tương ứngvới sự iến đổi nửa dải làm việc.
LSB (Least Significant Bit) là bit có giá trị nhỏ nhất trong một chuỗi nhị phân Mỗi thay đổi của LSB tương ứng với một mức lượng tử, thể hiện sự biến đổi nhỏ nhất trong dữ liệu Mỗi mức lượng tử tương đương với một nấc trên thang đo, cho phép điều chỉnh chính xác thông tin số.
Trong một mạch biến đổi N bit, với N là số hạng trong dãy mã nhị phân (ví dụ như trong Hình 3.13: N = 3), mỗi nấc trên hình bậc thang sẽ đại diện cho một giá trị cụ thể.
VAM : là giá trị cực đại cho phép c a điện áp tương tự
VLSB = Q : gọi là mức lượng tử
Sai sốlượng tửh a được xác định như sau:
Khi thực hiện chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, việc lấy mẫu tín hiệu là rất quan trọng Để khôi phục tín hiệu một cách chính xác, tần số lấy mẫu \( f_M \) cần phải đáp ứng điều kiện tần số Nyquist, cụ thể là phải lớn hơn hoặc bằng tần số cực đại \( f_{th \, max} \) của tín hiệu.
Dải biến đổi c a điện áp tương tựởđ u vào
Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi có thể thực hiện chuyển đổi được Độ chính xác c a bộ chuyển đổi
Bài viết đề cập đến các yếu tố quan trọng trong hiệu suất của bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), bao gồm độ phân biệt, méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không và sai số đơn điệu Độ phân biệt được xác định bởi số bit N, trong đó một ADC có số bit đầu ra cụ thể sẽ ảnh hưởng đến khả năng phân biệt tín hiệu.
N có thể phân biệt được 2^N mức trong dải điện áp đầu vào của nó Ví dụ, với N = 12, số mức phân biệt sẽ là 2^12 = 4096 Độ phân biệt của một ADC được ký hiệu là Q và được xác định theo biểu thức cụ thể.
Hình 3.14.Độ chính xác của bộ chuyển đổi AD
Dựa vào đư ng đặc tuyến truyền đạt l tưởng và thực c a ADC Hình 3.14
- Đặc tuyến l tưởng là một đư ng ậc thang đều và c độ dốc trung nh là 1.
- Đặc tuyến thực là một đư ng ậc thang không đều do ảnh hưởng c a sai số khuếch đại, c a méo phi tuyến, và c a sai số đơn điệu.
Cho biết kết quả chuyển đổi trong 1s, được gọi là t n số chuyển đổi fc
Một ADC với tốc độ chuyển đổi cao thường có độ chính xác thấp hơn và ngược lại Điều này cho thấy yêu cầu về độ chính xác và tốc độ chuyển đổi thường mâu thuẫn Do đó, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, cần tìm cách cân bằng hai yêu cầu này một cách hợp lý nhất.
Nguyên tắc làm việc c a ADC được minh họa theo sơ đồ hình 3.15
Trước hết tín hiệu tương tựVA được đưa đến mạch lấy mẫu Mạch này có 2 nhiệm vụ:
Lấy mẫu tín hiệu tương tự tại những th i điểm khác nhau và cách đều nhau (r i rạc h a tín hiệu về mặt th i gian)
Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình chuyển đổi, cần duy trì độ ổn định của điện áp tại các điểm lấy mẫu Điều này rất quan trọng trong giai đoạn lượng tử hóa và mã hóa để đảm bảo chất lượng tín hiệu.
Hình 3.15.Đồ thị thời gian của điện áp vào ra mạch lấy mẫu
Tín hiệu ra c a mạch lấy mẫu được đưa đến mạch lượng tử h a để thực hiện làm tròn với độ chính xác bằng ± Q/2
Quá trình lượng tử hóa thực chất là quá trình làm tròn số, giúp chuyển đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu rời rạc Quá trình này được thực hiện dựa trên nguyên tắc so sánh, trong đó tín hiệu cần chuyển đổi được so sánh với một loạt các đơn vị chuẩn Q để xác định giá trị gần nhất.
Sau mạch lượng tử hóa, mạch mã hóa được hình thành Trong mạch mã hóa, kết quả lượng tử h a được tổ chức lại theo một trật tự nhất định, tùy thuộc vào loại mã yêu cầu đầu ra của bộ chuyển đổi.
Phép lượng tử hóa và mã hóa gọi chung là phép biến đổi AD
3.1 2 Các phương pháp biến đổi tương tự sang s ố
Có nhiều cách phân loại ADC, nhưng phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian là phổ biến nhất Phương pháp này giúp đánh giá tổng quát tốc độ chuyển đổi của ADC Có ba phương pháp chuyển đổi chính được sử dụng trong lĩnh vực này.
Chuyển đổi song song cho phép so sánh tín hiệu tương tự với nhiều giá trị chuẩn cùng một lúc, từ đó xác định tất cả các giá trị này đồng thời và đưa ra kết quả đầu ra.
Chuyển đổi nối tiếp theo mã đếm là quá trình so sánh từng ước theo quy luật mã đếm Kết quả của quá trình chuyển đổi này được xác định bằng cách đếm số lượng giá trị chuẩn có thể chứa trong tín hiệu tương tự cần chuyển đổi.
Chuyển đổi song song- nối tiếp kết hợp: Qua mỗi ước so sánh có thể xác định được tối thiểu 2 it đồng th i
Rom (Module Rom)
Trong các hệ thống số xử lý tín hiệu, dữ liệu thường cần được lưu trữ trong thời gian ngắn hoặc dài dưới dạng các từ mã nhị phân, với kích thước phổ biến là 8, 16 bit.
24, 32 bit) Bộ nhớ là thiết bị thực hiện nhiệm vụ trên Hoạt động c a nó có thể nằm ở một trong ba quá trình sau:
- Nhận thông tin từngoài đưa vào, gọi là quá trình ghi thông tin
- Gọi thông tin cất ở trong bộ nhớ ra, gọi là quá tr nh đọc thông tin
5.1.1 Nh ững đặc trưng chính củ a b ộ nh ớ
Ghi d ị ch song song sang n ố i ti ế p
Ghi d ị ch n ố i ti ế ps ang song song
Dung lượng bộ nhớ được định nghĩa là số bit thông tin tối đa có thể lưu trữ trong n bit Nó cũng có thể được biểu thị qua số từ nhớ n bit, đại diện cho số bit (n) thông tin mà chúng ta có thể đọc hoặc ghi đồng thời vào bộ nhớ.
Một bộ nhớ có dung lượng 256 bit, nếu được cấu trúc để truy cập đồng thời 8 bit (1 byte), có thể được biểu diễn là 32 từ nhớ x 8 bit, tương đương với 32 byte.
Các bội số hay dùng để biểu thịdung lượng là:
Cách truy cập thông tin được hiểu là cách ghi dữ liệu vào bộ nhớ và đọc dữ liệu từđ ra.C 2 cách truy cập thông tin
Truy cập trực tiếp, hay còn gọi là truy cập ngẫu nhiên, cho phép người sử dụng truy cập vào các ô nhớ trong bộ nhớ thông qua địa chỉ xác định Mỗi ô nhớ chứa một từ nhớ n bit và được mã hóa bằng số nhị phân Trong khi đó, truy cập liên tiếp, hay còn gọi là truy cập tuần tự, thường được áp dụng cho các thiết bị như đĩa từ, ngữ từ và thanh ghi dịch, yêu cầu thông tin được truyền qua một cách tuần tự đến từng bit.
M theo chiều dịch c a thanh ghi, thông tin c n ghi buộc phải dịch d n từ vị trí thứ 1 đến vị trí thứ M trong thanh ghi Quá trình lấy ra cũng tương tự
Ví dụ: thanh ghi dịch trong bài trước
Kh ả năng truy cậ p thông tin
Theo khản ng truy cập thông tin khi làm việc, các bộ nhớ chia làm 2 nhóm
Bộ nhớ ghi/đọc là loại bộ nhớ cho phép người dùng không chỉ đọc thông tin đã lưu trữ mà còn ghi thêm thông tin mới vào bất kỳ địa chỉ nào Khi ghi thông tin mới, dữ liệu cũ tại địa chỉ đó sẽ bị xóa.
Bộ nhớ chỉ đọc là bộ nhớ mà khi làm việc, ta chỉ có thểđọc thông tin đ ghi ở trong nó, ta không thể ghi thông tin mới vào được
T ốc độ truy c ậ p thông tin
Thời gian truy cập thông tin là một thông số quan trọng của bộ nhớ, được đặc trưng bởi thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu Thời gian này còn phụ thuộc vào kiểu truy cập thông tin.
Tính lâu dài của việc lưu gi thông tin
Bộ nhớ lưu trữ thông tin lâu dài ngay cả khi không còn nguồn điện, bao gồm các loại bộ nhớ như bộ nhớ từ và bộ nhớ bán dẫn chỉ đọc, thường được gọi là bộ nhớ cố định.
Bộ nhớ tạm là loại bộ nhớ mà thông tin chỉ được lưu giữ khi có nguồn điện cung cấp Khi mất nguồn nuôi, dữ liệu trong bộ nhớ này sẽ bị xóa.
5.1.2 C ấ u trúc chung c ủ a các b ộ nh ớ truy c ậ p tr ự c ti ế p
Hình 3.25 trình bày sơ đồ khối cấu trúc của bộ nhớ RAM, cho thấy cách thức ghi và đọc dữ liệu Các bộ nhớ ROM cũng có cấu trúc tương tự, nhưng thông tin chỉ được truyền theo một chiều từ bộ nhớ ra ngoài, không truyền theo hai chiều như trong hình Sơ đồ này bao gồm 4 khối chính.
Dàn nhớ, hay còn gọi là giá đỡ thông tin, có thể được hình dung như một mảng N hàng x n cột Mỗi hàng trong dàn nhớ được gọi là một ô nhớ và có một địa chỉ mã hóa bằng số nhị phân m bit Trong mỗi ô nhớ, có n phần tử với 2 trạng thái ổn định, được gọi là mắt nhớ, mỗi mắt nhớ lưu giữ 1 bit thông tin.
Mỗi ô nhớ trong dàn nhớ có khả năng lưu trữ n bit thông tin và có thể được truy cập đồng thời thông qua địa chỉ ô nhớ Với m bit địa chỉ, dàn nhớ sẽ có N = 2^m hàng (ô nhớ) với các địa chỉ từ 0 đến N, cho phép lưu giữ tối đa N từ nhớ x n bit.
H nh 3 25 Sơ đồ khối cấu trúc chung của bộ nh truy cập trực tiếp
Khối chọn địa chỉ là một mạch giải mã 1/N với m đầu vào từ A0 đến Am-1 Các đầu ra từ 0 đến N-1 của giải mã sẽ tác động tích cực tới từng ô nhớ có địa chỉ tương ứng trong dàn nhớ.
Khối vào/ra (I/O) là một mạch truyền tin 2 chiều, gồm các ph n tửđệm 3 trạng thái, dùng đểđưa thông tin ghi vào ộ nhớ hoặc lấy thông tin từ nó ra
Khối điều khiển thực hiện các thao tác quản lý bộ nhớ, bao gồm việc chọn bộ nhớ khi có nhiều bộ nhớ kết nối với kênh truyền dữ liệu chung, cùng với việc điều khiển các quá trình ghi và đọc dữ liệu.
Để sử dụng chip vi mạch nhớ hiệu quả, không cần phải hiểu sâu về cấu trúc bên trong, mà chỉ cần nắm rõ chức năng của các kênh vào và ra Kênh địa chỉ (address bus) bao gồm m dây dẫn, giúp truyền địa chỉ dưới dạng số nhị phân m bit từ A0 đến Am-1 vào bộ nhớ, từ đó cho phép truy cập thông tin tại ô nhớ có địa chỉ tương ứng.
Kênh dữ liệu (data bus) bao gồm n dây dẫn, có chức năng truyền tải dữ liệu dưới dạng số nhị phân n bit từ D1 đến Dn Nó được sử dụng để ghi dữ liệu vào bộ nhớ hoặc để nhận dữ liệu khi đọc ra từ bộ nhớ.
Kênh điều khiển để truyền một số tín hiệu điều khiển tới bộ nhớ Các tín hiệu điều khiển c a các chip nhớ thư ng có là:
+ Đ u điều khiển chọn chip, ký hiệu là CS/ hoặc CE/ Dấu gạch ngang trên đ u ký hiệu chỉ rằng tín hiệu điều khiển tích cực ở mức thấp
CÁC M ẠCH ĐIỆ N T Ử Ứ NG D Ụ NG
B ộ đế m
Bộ đếm là mạch logic được cấu thành từ nhiều Flip-Flop kết nối với nhau một cách hợp lý, nhằm đếm số xung tín hiệu đầu vào Kết quả đếm sẽ được hiển thị và lưu trữ ở đầu ra của các Flip-Flop dưới dạng mã nhị phân.
Bộ đếm là mạch điện nhận biết các xung đếm theo hai cách: theo chiều lên hoặc chiều xuống Chúng chỉ hoạt động khi có xung nhịp (xung clock) phù hợp với thời điểm tăng hoặc giảm của xung.
H nh 4 11 Sơ đồ khối bộđếm –sơ đồ khối bộđếm chạy vòng 2.1.2 Phân lo ạ i
C n cứ vào trình tự hoạt động c a các FlipFlop trong bộđếm, ta có hai loại:
Bộ đếm không đồng bộ, hay còn gọi là bộ đếm dị bộ, là loại bộ đếm trong đó các Flip-Flop (FF) được điều khiển bởi xung đếm đầu vào và cũng chịu tác động từ xung đầu ra của các FF khác Điều này dẫn đến sự chuyển đổi trạng thái của các FF không diễn ra đồng thời, tạo nên tính không đồng bộ trong hoạt động của bộ đếm.
Bộ đếm đồng bộ hoạt động dựa trên việc các Flip-Flop nhận tín hiệu điều khiển từ một xung đồng hồ duy nhất, được gọi là xung đếm đầu vào Do đó, sự chuyển đổi trạng thái của các Flip-Flop này là đồng bộ.
C n cứ theo mã nhị phân biểu thị kết quảđếm ở ngõ ra, ta có các loại bộđếm:
Bộ đếm nhị phân n bit là một thiết bị điện tử cơ bản, bao gồm n FlipFlop, mã ở ngõ ra là số nhị phân n bit Dung lượng của bộ đếm này được xác định bằng số xung cực đại mà nó có thể đếm và lưu trữ kết quả đếm ở ngõ ra, được tính bằng công thức N = 2^n – 1.
Bộđếm BCD (còn gọi là bộđếm thập phân): mã chỉ thị kết quảđếm ở ngõ ra là m BCD Dung lượng c a bộđếm là N = 10
Bộđếm Gray thì mã ởđ u ra là mã Gray
Bộ đếm chạy vòng là một loại bộ đếm được sử dụng phổ biến, với sơ đồ hoạt động như hình 4.11 Bộ đếm này có N đầu vào và N+1 đầu ra, được đánh số từ 0 đến N Trong quá trình hoạt động, chỉ có một đầu ra duy nhất thay đổi trạng thái từ logic 0 sang logic 1 tương ứng với xung đầu vào C Nếu không có xung nào đến, trạng thái của bộ đếm sẽ không thay đổi.
Q0 = 1 logic, có một xung tới thì chỉ Q1 = 1 logic, có xung thứ 4 tới thì chỉ Q4= 1 logic…; các đ u ra còn lại đều có giá trị 0 logic
C n cứvào cách đếm c a bộđếm, ta có:
- Bộ đếm thuận (hay còn gọi là bộđếm lên): nội dung bộđếm (kết quả đếm lưu trữ ở ngõ ra) t ng thêm một đơn vị khi có một xung đến
- Bộđếm ngược (hay còn gọi là bộđếm xuống): nội dung bộđếm giảm một đơn vị khi có một xung đến
Bộ đếm thuận nghịch là loại bộ đếm có khả năng hoạt động đồng thời theo cả hai hướng đếm Để thực hiện được chức năng này, bộ đếm cần có đầu vào cho xung đếm, bao gồm đầu vào UP cho đếm thuận và đầu vào DOWN cho đếm ngược.
Bộ đếm không đồng bộ là loại bộ đếm được cấu thành từ các flip-flop TFF và JKFF, hoạt động theo quy luật kết nối giữa ngõ ra Q của flip-flop trước với ngõ vào CK của flip-flop kế tiếp Loại bộ đếm này còn được biết đến với tên gọi bộ đếm nối tiếp.
Hình 4.12 Mạch đếm l n không đồng bộ theo sườn xuống dùng TFF
Xung vào Trạng thái hiện tại Trạng thái kế
Hình 4.13.Đồ thị xung minh họa hoạt động của mạch đếm hình (4.12)
Bộ đếm nhị phân không đồng bộ kiểu đếm lên sử dụng T Flip-Flop, trong đó Flip-Flop phía sau sẽ thay đổi trạng thái khi Flip-Flop phía trước chuyển từ mức cao xuống mức thấp.
Sau mỗi lần sư n đi xuống c a xung đếm từ mức 1 về mức 0, giá trị của FF1 sẽ được chuyển đổi Tương tự, FF2 và FF3 cũng có tính chất giống nhau khi Q1 và Q2 giảm từ mức 1 xuống mức 0.
Hình (4.14) minh họa cấu trúc mạch điện của bộ đếm nhị phân không đồng bộ kiểu đếm xuống sử dụng T Flip-Flop Trong bộ đếm này, mạch điện hoạt động khi kích thích đầu tiên có Q1 = Q2 = Q3 = 1 Các đầu ra Q được kết nối với đầu vào của Flip-Flop tiếp theo, do đó khi Q chuyển từ mức 0 lên mức 1, Q sẽ giảm từ mức 1 xuống mức 0, kích thích chuyển đổi cho Flip-Flop theo sau như hình (4.14) đã chỉ rõ.
Hình 4.14.Mạch đếm xuống không đồng bộtheo sườn xuống dùng TFF
Hình 4.15 Đồ thị xung minh họa hoạt động của mạch đếm hình (4.14)
Bộ đếm đồng bộ, hay còn gọi là bộ đếm song song, là một thiết bị điện tử trong đó các Flip-Flop được kết nối song song Khi nhận được xung đếm, tất cả các Flip-Flop sẽ đồng thời chuyển trạng thái, đảm bảo tính chính xác và đồng bộ trong quá trình đếm.
Hình 4.16.Mạch đếm đồng bộtheo sườn xuống dùng TFF
Xung vào Trạng thái hiện tại Trạng thái kế
Trong mạch hình (4.16), mỗi khi có xung đếm vào FF1, trạng thái của nó sẽ thay đổi theo sự biến đổi của xung CK Cổng AND 1 được sử dụng để xác định điều kiện CK = Q1 = 1, cho phép FF2 chuyển trạng thái Đồng thời, cổng AND 2 chọn điều kiện Q1 = Q2 = CK = 1 để cho phép FF3 chuyển Quá trình này diễn ra sau 7 xung đếm.
CK, trạng thái c a FF1, FF2, và FF3 tại các đ u ra song song là 111
Hình 4.17 Mạch đếm đồng bộtheo sườn xuống dùng JKFF
Hình (4.17) minh họa việc sử dụng JKFF để đếm xung, trong đó các đầu vào JK điều khiển FF2 và FF3 tương ứng với mỗi xung đếm CK FF1 thay đổi trạng thái sau mỗi sườn đi xuống của CK, trong khi FF2 chuyển trạng thái khi nhận tín hiệu từ CK.
CK = Q1 = J = K = 1; FF3 đổi trạng thái khi CK = 1 và Q1 = Q2 = J = K =1 Mọi FF đều đổi trạng thái tại sư n xuống c a xung kích CK
Bộ đếm là mạch logic phổ biến nhất trong kỹ thuật số, với nhiều ứng dụng quan trọng trong các hệ thống đo lường và điều khiển số.
Trong nhiều trư ng hợp ngư i ta dùng bộđếm để tạo mạch phát ra một dãy xung có số xung xác định trước
Hình 4.18 Mạch phát dãy xung có số xung xác định trư c
M ạ ch AD-DA
4.1 Mạch chuyển đổi sốsang tương tự (DAC)
4.1.1 T ổ ng quá v ề chuy ển đổ i DAC
Trong kỹ thuật số, đại lượng số chỉ có hai giá trị khả năng là 0 hoặc 1, cao hoặc thấp, đúng hoặc sai Tuy nhiên, trong thực tế, một đại lượng số như mức điện thế có thể có giá trị bất kỳ trong một khoảng xác định Chúng ta có thể định rõ các giá trị trong phạm vi này sẽ có chung giá trị dạng số.
Ví dụ: Với logic TTL ta có: Từ 0V đến 0,8V là mức logic 0, từ 2V đến 5V là mức logic 1
Mọi điện thế trong khoảng 0 – 0,8V được coi là giá trị logic 0, trong khi đó, điện thế từ 2 – 5V được gán giá trị logic 1.
1 Ngược lại trong kỹ thuật tương tự, đại lượng tương tự có thể lấy giá trị bất kỳ trong một khoảng giá trị liên tục Và điều quan trọng hơn nữa là giá trị chính xác c a đại lượng tương tự là là yếu tố quan trọng
Trong tự nhiên, các đại lượng như nhiệt độ, áp suất và cường độ ánh sáng đều có tính chất tương tự Để xử lý và điều khiển các hệ thống trong kỹ thuật số, cần phải chuyển đổi những đại lượng này sang dạng số.
Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá quá trình chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển đổi DAC (Digital to Analog Converter) Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và xử lý thông tin, cho phép chuyển đổi dữ liệu số thành dạng tương tự mà chúng ta có thể sử dụng và cảm nhận.
Chuyển đổi số sang tương tự (DAC) là quá trình chuyển đổi giá trị số được biểu diễn dưới dạng mã số thành mức điện thế hoặc dòng điện tương ứng Hình 4.28 minh họa sơ đồ khối của bộ chuyển đổi DAC.
Hình 4.28: Sơ đồ khối của một DAC 4.1.2 Thông s ố k ỹ thu ậ t c ủ a b ộ chuy ển đổ i DAC
4.1.2.1 Độ phân gi ả i Độ phân giải (resolution) c a bộ biến đổi DAC được định nghĩa là thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đ u ra tương tự bởi kết qua c a một thay đổi ởđ u vào số Độ phân giải c a DAC phụ thuộc vào số it, do đ các nhà chế tạo thư ng ấn định độ phân giải c a DAC ở dạng số it DAC 10 it c độ phân giải tinh hơn DAC 8 it DAC có càng nhiều it th độ phân giải càng tinh hơn
Độ phân giải luôn tương đương với trọng số của cường độ tín hiệu ở LSB, được gọi là kích thước bậc thang (step size) Khoảng thay đổi của Vout xảy ra khi giá trị đầu vào chuyển từ ước này sang ước khác Độ phân giải được xác định bằng kích thước bậc thang và có giá trị là 1V.
Hình 4.29 Dạng sóng bậc thang của một DAC
Dạng sóng bậc thang có 16 mức và 16 trạng thái đầu vào, nhưng chỉ có 15 bậc giữa mức 0 và mức cực đại Đối với DAC có N bit, tổng số mức khác nhau là 2^N, trong khi tổng số bậc là 2^N – 1.
- Do đ độ phân giải bằng với hệ số tỷ lệ trong mối quan hệ giữa đ u vào và đ u ra c a DAC Đ u ra tương tự = K x đ u vào số
+ Với K là mức điện thế (hoặc cư ng độdòng điện) ở mỗi bậc
- Như vậy ta có công thức tính độ phân giải như sau: Độ phân giải 100 0 0 (10.1)
- A fs là đ u ra cực đại (đ y thang)
- K: là mức điện thế (hoặc cư ng độdòng điện) ở mỗi bậc
- Nếu tính theo ph n tr m ta c công thức như sau:
- A fs : Đ u ra cực đại (đ y thang)
Để đánh giá độ chính xác của bộ chuyển đổi, có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất là sai số toàn thang (full scale error) và sai số tuyến tính (linearity error) Những sai số này thường được thể hiện dưới dạng phần trăm của giá trị cực đại (điểm thang) của bộ chuyển đổi.
- Sai số toàn thang là khoảng lệch tối đa ở đ u ra DAC so với giá trị dự kiến (lý tưởng), được biểu diễn ở dạng ph n tr m.
Sai số tuyến tính là độ lệch tối đa của kích thước bậc thang so với kích thước lý tưởng Độ chính xác và độ phân giải của DAC cần phải tương thích để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Theo lý thuyết, đầu ra của DAC sẽ là 0V khi tất cả đầu vào nhị phân là bit 0 Tuy nhiên, thực tế cho thấy mức điện thế đầu ra trong trường hợp này rất nhỏ, được gọi là sai số lệch (offset error) Nếu sai số này không được điều chỉnh, nó sẽ ảnh hưởng đến đầu ra DAC dự kiến trong tất cả các trường hợp.
Nhiều DAC có tính năng điều chỉnh sai số lệch bên ngoài, cho phép triệt tiêu độ lệch này bằng cách áp dụng mọi bit 0 vào DAC và theo dõi đầu ra Chúng ta cần điều chỉnh chiết áp độ lệch cho đến khi đầu ra đạt 0V.
4.1.2.4 Th ờ i gian ổn đị nh
Thời gian ổn định (settling time) là khoảng thời gian cần thiết để đầu ra của DAC chuyển từ giá trị 0 đến mức cao nhất khi đầu vào nhị phân thay đổi từ chuỗi toàn 0 đến chuỗi toàn 1 Thời gian ổn định thực chất là thời gian mà đầu ra DAC đạt được sự ổn định trong khoảng ±1/2 kích thước bậc thang (độ phân giải) của giá trị cuối cùng.
- Ví dụ: Một DAC c độ phân giải 10mV thì th i gian ổn định được đo là th i gian đ u ra c n c đểổn định trong phạm vi 5mV c a giá trịđ y thang
Thời gian ổn định của DAC thường dao động từ 50ns đến 10ns Đối với DAC có đầu ra dòng, thời gian ổn định thường ngắn hơn so với thời gian ổn định của DAC có đầu ra điện thế.
4.1.3 M ạch DAC dùng điệ n tr ở có tr ị s ố khác nhau
- Hình 4.30 là sơ đồ mạch c a một mạch DAC 4 it dùng điện trở và bộ khuếch đại đảo Bốn đ u vào A, B, C, D có giá trị giảđịnh l n lượt là 0V và 5V
Hình 4.30 D C dùng điện trở trị số khác nhau
- Bộ khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier –Op Amp) được dùng làm bộ cộng đảo cho tổng trọng số c a bốn mức điện thế vào
1/ Khi số nhị phân là 0000 thì V0 = 0
2/ Với Vr = 5V, R = RF ta có bảng kết quả như bảng sau: b3 b2 b1 b0 V0 (V)