KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
KỸ THUẬT XUNG - SỐ

Biên soạn: Đoàn Thị Thanh Thảo
Phạm Văn Ngọc

Lưu hành nội bộ
THÁI NGUYÊN 2008
1
Phần 1: Kỹ thuật xung
2
Chương 1:
KHÁI NIỆM CHUNG
1. Tín hiệu xung và tham số:
1.1. Định nghĩa
Các tín hiệu điện áp hay dòng điện biến đổi theo thời gian được chia thành 2 loại
cơ bản là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc (gián đoạn).
Tín hiệu liên tục còn gọi là tín hiệu tuyến tính hay tương tự. Tín hiệu rời rạc gọi
là tín hiệu xung hay số
Tiêu biểu cho tín hiệu liên tục là tín hiệu sin, như hình 1, với tín hiệu sin ta có thể
tính được biên độ của tín hiệu tại từng thời điểm khác nhau.
Hình 1.1: Tín hiệu hình sin
Ngược lại tiêu biểu cho tín hiệu rời rạc là tín hiệu vuông, dạng tín hiệu như hình
2, biên độ của tín hiệu chỉ có 2 giá trị mức cao V
H
và mức thấp V
L
, thời gian chuyển
mức tín hiệu từ mức cao sang mức thấp và ngược là rất ngắn coi như bằng 0
Hình 1.2: a, xung vuông điện áp > 0. b, xung vuông điện áp đều nhau

m
xác định bằng giá trị lớn nhất của điện áp tín hiệu xung có
được trong thời gian tồn tại của nó.
- Độ rộng sườn trước t
tr
, sườn sau t
s
là xác định bởi khoảng thời gian tăng và thời
gian giảm của biên độ xung trong khoảng giá trị 0.1U
m
đến 0.9U
m
.
- Độ rộng xung T
x
xác định bằng khoảng thời gian có xung với biên độ trên mức
0.1U
m
(hoặc 0.5U
m
).
- Độ sụt đỉnh xung
u∆
thể hiện mức giảm biên độ xung tương tứng từ 0.9U
m
đến
U
m
.
Với dãy xung tuần hoàn ta có các tham số đặc trưng như sau:

t
T
γ
=
(3)
Do T = t
x
+ t
ng
vậy ta luôn có
1
γ
<
- Độ rỗng của xung
Q
là tỷ số giữa chu kỳ xung T và độ rộng xung t
x
.
x
T
Q
t
=
(4)
* Trong kỹ thuật xung - số người ta sử dụng phương pháp số đối với tín hiệu xung
với quy ước chỉ có 2 trạng thái phân biệt
5
- Trạng thái có xung (t
x
) với biên độ lớn hơn một ngưỡng U

(t) khi đầu vào tác dụng
một điện áp u
vào
(t) có dạng phức tạp ta có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng để xác
định điện áp lối ra phụ thuộc vào điện áp lối vào.
- Khi tín hiệu lối vào phức tạp ta phân tích thành dạng tín hiệu đơn giản lối vào
rồi từ đó ta tính kết quả tại đầu ra của từng thành phần tín hiệu đơn giản u
ra
(1)
(t), u
ra
(2)
(t), … cuối cùng ta thực hiện lấy tổng tín hiệu ra tại ta được tín hiệu ra u
ra
(t)
- Những dạng xung cơ bản là dạng xung hình chữ nhật, hình thang, hình tam
giác, hình chuông, dạng e mũ.
- Tín hiệu vào có thể là tổng của tín hiệu điện áp hay dòng điện của dạng xung
dưới đây
a.
Là dạng tín hiệu xung vuông đột biến
E
tt
0
u
6
U(t) = E.1(t
0
) =


Dạng điện áp biến đổi theo quy luật đường thẳng
U(t) = k(t – t
0
).1(t
0
) =



<
>=−
0
00
0
)(
ttkhi
ttkhittk

Với hệ số góc
)(karctg=
α
c.
Dạng điện áp biến đổi theo quy luật hàm số mũ
U(t) = E[1 – exp(-α(t – t
0
)].1(t
0
)
=
0



U(t) = u
1
(t) + u
2
(t) với
U
1
(t) = 1(t
0
) =



<
>=
1
1
0
1
ttkhi
ttkhi
)(karctg
=
α
t
0
u
t

0
) =



<
>=−
2
2
0
1
ttkhi
ttkhi
* Dạng xung hình thang
u(t) = u
1
(t) + u
2
(t) + u
3
(t) + u
4
(t)
Trong đó u
1
(t) =



=

α
U
2
(t) =



=
<
>=−
)(
0
)(
2
3
33
harctg
tt
tttth
α
U
2
(t) =



=
<
>=−−
)(

U
2
(t) =



<
>=−−−−
2
22
0
)(1)))(exp(1(
ttkhi
ttkhitttE
α
Ta có u(t) =






>=
<=<=−−
<=<=−−−
<
3
321
211
1

U(t) = u
1
(t) + u
2
(t) + u
2
(t) trong đó:
U
1
(t) = k(t – t
1
) t >= t
1
U
2
(t) = -k(t – t
2
) t >= t
2
8

u
t
u
t
t
1
t
2
U

2
U
4
(t)
U
3
(t)
u
t
t
1
t
2
u
t
t
1
t
2
u
t
t
1
t
2
u
1
(t)
u
2

F
RC
π
=
(5) tương ứng với điện áp
0
2
i
V
V =
V
0
là biên độ điện áp lối ra, V
i
là biên độ điện áp lối vào
- Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là
0
1
( ) ( )
i
v t v t dt
RC
=
∫
(6)
- Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là
0
( )
( )
i

R
F
L
π
=
(8)
Điện áp lối ra của mạch lọc thông thấp là
0
( ) ( )
i
R
v t v t dt
L
=
∫
(9)
Điện áp lối ra của mạch lọc thông cao là
0
( )
( )
i
dv t
L
v t
R dt
=
(10)
3. Phản ứng của mạch lọc RC đối với các xung đơn
3.1. Điện áp lấy ra trên điện trở (mạch vi phân)
Hình 1.7: Mạch RC điện áp lấy ra trên R

F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch
Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
v t
i t
Z
=
(12)
2
( )
( ) . ( )
1
1
RC
i
R
v t
v t R i t
ω
= =
 
+
 ÷
 

0
( ) sin( t)
i
v t A
ω
=
thì tín hiệu lối ra là
0
0
2 2
1 1
( ) os( ) sin( 90 )
1 1
1 1
v t Ac t A t
RC RC
ω ω ω ω
ω ω
= = +
   
+ +
 ÷  ÷
   
3.2. Tín hiệu lấy ra trên tụ điện:
Hình 1.9: Mạch RC lối ra trên C
Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T

Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
v t
i t
Z
=
Điện áp lối ra trên tụ là
2
( ) 1 1
( ) ( ) ( )
1
1
C i
q t
v t i t dt v t dt
C C
RC
RC
ω
= = =
 
+
 ÷
 
Điện áp lối ra thay đổi khoảng thời gian
t
∆
là

v t A t
RC
RC
ω
ω
ω
= −
 
+
 ÷
 
4. Chế độ khóa của tranzito
4.1. Các yêu cầu cơ bản:
Tranzito làm việc ở chế độ khóa hoạt động như một khóa điện tử đóng mở mạch
với tốc độ nhanh (từ 10
-9
đến 10
-6
s) do đó nó có nhiều đặc điểm khác so với chế độ
khuếch đại như đã khảo sát trước đó ở phần nguyên lý kỹ thuật điện tử
- Yêu cầu cơ bản với tranzito làm việc ở chế độ khóa là điện áp đầu ra có 2
trạng thái khác biệt là:
* U
ra
>= U
H
khi U
vào
<= U
L

V
= 0 (tương ứng u
V
< U
L
) nên U
B
= 0, tranzitor không phân cực nên
nhưng dẫn tức tranzitor ở trạng thái đóng (cấm) khi đó dòng I
B
= 0 và I
C
= 0
Điện áp lối ra trên cực C của tranzitor khi không có trở tải R
t
là
u
ra
= +E
CC
, hay u
ra
= E
CC
– I
C
R
C
= E
CC

CC
/2
u
ra
= E
CC
/2 là mức nhỏ nhất của điện áp ra mứcc cao ở trạng thái H, do đó để
phân biệt được chắc chắn với trạng thái H ta chọn U
H
< E
CC
/2 (ví dụ chọ U
H
= 1.5 V
khi E
CC
= 5V) và điện áp vào phải nằm dưới mức U
L
để đảm bảo tranzitor vẫn bị đóng
chắc chắn tức U
L
= U
Vmax
, khi đó điện áp lối vào phụ thuộc vào tường loại tranzitor,
như là tranzitor silic chọn U
L
= 0.4V
Trạng thái dẫn bão hòa: Khi có xung điều khiển cực tính dương đưa tới lối vào
(hoặc nguồn 1 chiều) chó điện áp vào U
vào

C
C
E U
I
R
−
=
.
Khi có dòng trên trở tải R
C
ta tính dòng cực Bazơ với hệ số khuếch đại dòng
β

khi đó ta có thể chọn trở tải cực Bazơ cho phù hợp
C
B
I
I
β
=
, trong trường hợp cần chọn tranzitor ở trạng thái bão hòa sâu (trạng thái
bão hòa bền vững) ta có thể tính dòng I
B
theo công thức sau:
C
B
I
I k
β
=

<= U
L
= 0.4V, hệ số khuếch đại dòng là
100
β
=
Dòng I
Cbh
0.2
5
1
5000
CC CC
C C
E E
mA hay
R R
 
−
≈ = =
 ÷
 
Khi đó dòng Bazơ ở trạng thái bão hòa là:
I
Bbh
=
1
0.01 10
100
Cbh

14
Ví dụ 2: Mạch điện như trên tranzitor silic với E
CC
= 12V, trở tải R
C
= 1.2
kΩ
, hệ
số khuếch đại dòng điện là 100 lần và độ dữ trữ k = 3 lần, điện áp lối vào U
i
= 1.5V.
Xác định trở tải lối vào R
B
cho phù hợp?
Dòng I
C
ở trạng thái bão hòa là
3
(12 0.2)
10
1.2*10
CC CEbh
Cbh
C
E U
I mA
R
−
−
= = ≈

Chọn điện trở tiêu chuẩn là R
B
= 2.4
k
Ω
4.2. Đặc tính truyền đạt
Đặc tính truyền đạt của tranzitor để đánh giá mức độ tin cậy của khóa, người ta
định nghĩa các tham số độ dự trữ chống nhiễu ở mức cao S
H
và độ dự trữ chống nhiễu
mức thấp S
L
như sau
S
H
= U
ra đóng
– U
H
S
L
= U
L
– U
ra mở
U
ra đóng
, U
ra mở
là các điện áp lối ra thực tế của tranzitor lúc đóng hay mở tương

CC
, R
C
, R
B
cho thích hợp
Do S
L
khá nhỏ do đó chúng ta cần phải quan tâm đến tính chống nhiễu với mức
thấp. Do U
rabh
= U
CEbh
không thể giảm nhỏ hơn do đặc tính của tranzitor do đó muốn
tăng S
L
ta cần phải tăng mức U
L
. Khi đó thay vì trở tải lối vào R
B
người ta mắc thêm
vào cực Bazơ của tranzitor một vài con Diode và điện trở phân áp cho tranzitor hoạt
động
Hình 1.13: Các biện pháp nâng cao S
L
16
5. Chế độ khóa của khuếch đại thuật toán
Khi làm việc ở chế độ xung, mạch vi điện tử tuyến tính hoạt động như một khóa
điện tử đóng, mở nhanh, điểm làm việc luôn nhằm trong vùng bão hòa của đặc tuyến
truyền đạt U

+
> U
i
-
thì tối ra U
0
= +V
CC
gọi là trạng thái bão hòa dương
- Nếu lối vào U
i
+
< U
i
-
thì tối ra U
0
= -V
CC
gọi là trạng thái bão hòa âm
Thực tế thông thường mạch khuếch đại thuật toán dùng làm mạch so sánh để
thực hiện so sánh một tín hiệu lối vào U
i
với một nguồn điện áp chuẩn U
R
. Tùy theo
yêu cầu của từng mạch mà ta để điện áp lối vào ở lối vào đảo hoặc không đảo còn lối
vào còn lại được nối với một nguồn điện áp chuẩn U
R
5.1. Mạch so sánh một ngưỡng:

tính của tin hiệu lối vào U
V
17
Trường hợp 1: Điện áp đưa vào lối vào đảo và điện áp chuẩn đưa tới lối vào
không đảo:
Hì
nh 1.15: Mạch so sánh lối vào đảo
Theo mạch trên thì điện áp U
i
và điện áp chuẩn U
R
được đưa tới lối vào đảo và
lối vào thuận (không đảo) tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là
∆
U = U
i
–
U
R
là điện áp giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của
nó
Nếu U
i
< U
R
thì
∆
U > 0 khi đó lối ra U
ra
=

R
được đưa tới lối vào không
đào và đảo tương ứng của bộ so sánh, hiệu tín hiệu lối vào là
∆
U = U
V
– U
R
là điện áp
giữa 2 đầu vào so sánh của IC từ đó ta sẽ xác định được hàm truyền của nó
• Nếu U
i
< U
R
thì
∆
U < 0 khi đó lối ra U
ra
=
axram
U
−
= -V
CC
• Nếu U
i
> U
R
thì
∆

V2
được đưa tới lối và và so
sánh với 1 điện áp chuẩn U
R
(trường hợp U
R
= 0)
.
Hình 1.17: Bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào đảo và đặc tuyến truyền đạt
Khi đó tín hiệu lối vào đảo là tổng của 2 tín hiệu lối vào 1 và 2, ta có
1 2P V V
U U U= +
, khi U
P
= 0 khi đó lối ra bộ so sánh sẽ chuyển trạng thái, trường
hợp thuận thì nối 2 lối vào U
V1
, U
V2
với lối vào thuận
5.2. Mạch so sánh 2 ngưỡng
Dùng để kiểm tra xem điện áp lối vào U
V
có nằm trong một giới hạn giá trị cho
trước hay không (giá trị ngưỡng 1 và 2 tức U
ngưỡng 1
hay U
R1
và U
ngưỡng 2

do
2R V
U U U∆ = −
> 0 dẫn tới lối ra cổng logic U
0
= 0
Khi điện áp lối vào U
V
= U
R1
khi đó lối ra bộ so sánh thứ 1 chuyển trạng thái từ
-V
CC
thành +V
CC
do
1V R
U U U∆ = −
= 0 và lối ra bộ so sánh 2 vẫn giữ nguyên trạng thái
+V
CC
khi đó lối ra cổng logíc chuyển trạng thái từ 0 lên 1 tương ứng mức cao (tùy
thuộc vào họ logic mà lối ra có điện áp thích hợp)
Khi điện áp lối vào U
V
= U
R2
khi đó lối ra bộ so sánh 1 giữ nguyên trạng thái và
lối ra bộ so sánh 2 sẽ chuyển trạng thái từ +V
CC

(t) = k
)(tu
dt
d
i
Trong đó k là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào các hệ số của mạch vi phân
Trong kỹ thuật xung mạch vi phân cáo tác dụng thu hẹp độ rộng xung lối vào và
tạo ra các xung nhọn để kích các linh kiện điều khiển hay linh kiện công xuất như triac
a. Mạch vi phân dùng RC
R
C
V
i
V
0
i
Hình 2.1: Mạch vi phân dùng RC
Tín hiệu lối vào là v
i
(t) tuần hoàn với chu kỳ T, tần số góc là
2
T
π
ω
=
, tín hiệu
lối ra là v
0
(t)
Trở kháng của mạch là

2
( )
( ) . ( )
1
1
RC
i
R
v t
v t R i t
ω
= =
 
+
 ÷
 
Điện áp lối ra sau khoảng thời gian
t
∆
là từ t
0
đến t
1
là
0
2
( )
1
( )
1

RC RC
ω ω ω ω
ω ω
= = +
   
+ +
 ÷  ÷
   
22
b. Mạch vi phân dùng RL
Hình 2.3. Mạch vi phân dùng RL
Tín hiệu lối vào là tín hiệu xoay chiều có tần số góc là
ω

Tổng trở của mạch là
( )
2
2
L 1
L
Z R R
R
ω ω
 
= + = +
 ÷
 
trong đó
L
ω

R
ω
rất nhỏ so với 1 khi đó
1
L
R R
R
ω
 
+ ≈
 ÷
 
Tính toán ta được điện áp lối ra tỷ lệ vi phân với điện áp lối vào u
i
(t)
0
( ) ( )
i
L d
u t u t
R dt
=
. Trong đó k hệ số tỷ lệ k =
L
R
Dạng tín hiệu ra như hình 2.2.
1.2. Mạch khuếch đại thuật toán vi phân
Hình 2.4. Mạch vi phần dùng khuếch đại thuật toán
23
L

dt
Dòng điện hồi tiếp từ lối ra tới lối vào là I
R2
=
0
2
U
R
−
Do tính chất của bộ khuếch đại thuật toán điện trở lối vào vô cùng lớn, điện trở
lối ra vô cùng nhỏ nên ta coi dòng lối vào đảo của khuếch đại thuật toán xấp xỉ 0
Áp dụng tính chất dòng điện nút ta có
2 2
0 0
in R in R
I I hay I I+ = − =
uur uuur
.
Từ đó ta có I
in
= I
R2
hay
0
0 2
2
i i
du u du
C u R C
dt R dt

Trở kháng của mạch là
2 2
2
1 1
1
C
Z R R
RC
ω ω
   
= + = +
 ÷  ÷
   
Khi đó đặt
1
2
C
F
RC
π
=
là tần số cắt của mạch
Dòng điện trong mạch là
( )
( )
i
u t
i t
Z
=

u t u t dt
RC
RC
ω
=
 
+
 ÷
 
∫
Khi tần số lối vào f
i
>> f
C
hay f
i
>>
1
2 RC
π
⇒
1
2
i
RC
f
π
>>
2 RC
τ π

0
.
Khi tín hiệu lối vào là xung vuông thì tín hiệu lối ra là xung tích phân của tín
hiệu lối vào tương ứng với dạng xung phóng nạp cho tụ
25