Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện từ ứng dụng của nó

h Tuấn đã tận tình hướng dẫn em làm mạch điện để em có thể hoàn thành tốt phần thực hành của mình. Có lẽ không một ai có thể quên được những mái trường mà mình đã đi qua, những mái trường đã dạy dỗ mình từ thời thơ ấu cho đến lúc trưởng thành. Cứ sau mỗi chặng đường đi qua chúng em lại thấy mình trưởng thành và vững vàng hơn trong kiến thức và năng lực. Chặng đường em vừa đi qua là chặng đường với bốn năm đại học đầy khó khăn và thử thách dưới mái trường Đại học Sư phạm TP. HCM. Nơi đây không chỉ trang bị cho em những kiến thức khoa học mà còn tạo cho em một niềm tin sâu sắc vào nghề giáo và rèn luyện cho em một nghị lực để làm hành trang bước vào đời. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể các thầy cô trường Đại học Sư phạm TP. HCM đặc biệt là các thầy cô khoa VẬT LÝ đã dìu dắt và tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em có thể học tập tốt; Bên cạnh đó, gia đình luôn là nguồn động lực to lớn giúp em vững bước trên con đường mình đã chọn. Xin cảm ơn ba, mẹ đã luôn đồng hành cùng với con trong cuộc sống. Sau cùng là lời cảm ơn chân thành đến bạn bè đã động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong suốt thời gian hoàn thành đề tài. MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Ngày nay, với tốc độ phát triển mạnh mẽ của điện tử và công nghệ thông tin, hàng loạt các sản phẩm mới với công nghệ cao đã ra đời, từ những thiết bị phổ biến như máy vi tính, điện thoại, máy nghe nhạc, máy chụp hình kĩ thuật số... cho đến các vật dụng trong gia đình như tivi, tủ lạnh hay máy giặt... những thiết bị này đã góp phần nâng cao đời sống cho con người và chúng có một ý nghĩa lớn trong cuộc cách mạng công nghệ. Tuy nhiên một "thành viên" không thể không nhắc tới đó là Chip, mặc dù với vẻ bề ngoài có vẻ "bé nhỏ" nhưng những con Chip lại có một sức mạnh không hề "nhỏ" chút nào. Nếu coi các cỗ máy hiện đại ngày nay như một thực thể sống thì những con Chip bé nhỏ ấy chính là các tế bào góp phần nuôi dưỡng và duy trì sự sống cho các cỗ máy này. Trong triều đại mạch tích hợp (Intergrated Circuit – IC) hơn nửa thế kỷ qua xuất hiện nhiều con Chip tuyệt vời, nhưng chỉ một số ít thật sự nổi bật bởi tính sáng tạo, đi trước thời đại. Những con Chip này tạo nên xu hướng công nghệ và góp phần làm cho cuộc sống của chúng ta thêm thú vị. Một trong số những con Chip lừng danh đó là Chip 555, nó đã gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Vi mạch định thời 555 (Chip 555) và họ của nó được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điện tử dân dụng cũng như điện tử công nghiệp, vì nếu kết hợp với các linh kiện ngoại vi thích hợp thì nó có thể thực hiện nhiều chức năng như định thời, tạo xung chuẩn, tạo tín hiệu kích hay điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất như transistor, Triac... Đã có hàng tỉ IC định thời 555 được bán ra, đến nay Chip này vẫn còn được dùng. Xuất phát từ những đặc điểm nổi bật của Chip 555 cùng với sự hứng thú, muốn tìm hiểu em đã chọn đề tài luận văn: “Tìm hiểu IC định thời 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó”. Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu về IC định thời 555; một số mạch điện tử ứng dụng của nó; chương trình vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in được coi là mạnh nhất hiện nay: OrCad. Đối tượng nghiên cứu: Vi mạch định thời 555 và phần mềm OrCad Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực hành trên máy vi tính và thực hành lắp ráp một số mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 trên thực tế. Nội dung đề tài: Căn cứ vào mục tiêu như trên nên đề tài tập trung nghiên cứu vào ba nội dung chính đó là: Nghiên cứu IC định thời 555 và các mạch ứng dụng của nó trên cơ sơ lý thuyết. Nghiên cứu và thực hành phần mềm mô phỏng mạch điện tử “OrCad”. Thực hành lắp ráp một số mạch định thời sử dụng IC định thời 555 trên thực tế. Là một sinh viên khoa Vật lý thuộc ngành sư phạm, ít được làm quen với kỹ thuật điện tử vì vậy việc nghiên cứu đề tài về lĩnh vực điện tử đối với em gần như bước vào một thế giới kiến thức mới, rất đa dạng và phong phú. Em hy vọng qua đề tài này có thể giúp các bạn sinh viên không chuyên về điện tử có thể hiểu được phần nào về kỹ thuật điện tử vô cùng hấp dẫn và những ứng dụng rất rộng rãi của nó, qua đó hình thành lòng say mê và hứng thú tìm hiểu về kỹ thuật điện tử. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong việc thực hiện đề tài, nhưng do đây là lần đầu nghiên cứu về kỹ thuật điện tử và thời gian có hạn nên chắc chắn đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Kính mong được sự thông cảm, giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè và hội đồng bảo vệ. Em xin chân thành cảm ơn! I. Một số loại linh kiện điện tử có liên quan: Bất cứ một mạch điện điện tử nào đều dùng nhiều linh kiện điện tử khác nhau để tạo thành và các mạch điện có các công dụng khác nhau. Trong đó một số loại linh kiện được xem là cơ bản, vì nó thường được sử dụng trong các mạch điện. Ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, transistor, … Trong phạm vi đề tài đang xét về cấu tạo và các mạch điện tử ứng dụng của IC định thời 555 cũng không thể thiếu các loại linh kiện cơ bản trên. Trong đề tài này, ta sẽ không xét đến những linh kiện cơ bản trên nữa mà chỉ xét đến hai loại mạch đóng vai trò khá quan trọng trong hoạt động của IC định thời 555, đó là Flip – Flop và Op-Amp. I.1. Flip – Flop: I.1.1. Khái niệm Trong kỹ thuật số, sử dụng các tín hiệu nhị phân. Các phần tử Flip-Flop (FF) là các phần tử có khả năng truyền đạt và lưu trữ các tín hiệu nhị phân này (khả năng nhớ). Flip-Flop (viết tắt là FF) là mạch dao động đa hài hai trạng thái bền, được xây dựng trên cơ sở các cổng logic và hoạt động theo một bảng trạng thái cho trước. Flip-Flop có đặc điểm sau: Có hai trạng thái bền: Trạng thái 0 và trạng thái 1. Có thể tiếp nhận, lưu trữ, đưa tín hiệu ra để sử dụng. Vì vậy, nó rất thuận lợi trong kỹ thuật số. Tuỳ theo đặc tính làm việc mà người ta chia làm nhiều loại Flip- Flop khác nhau. I.1.2. Phân loại Có hai cách phân loại : Phân loại theo tín hiệu điều khiển. Phân loại theo chức năng. a) Phân loại FF theo tín hiệu điều khiển đồng bộ: Xét về tín hiệu điều khiển có thể chia các FF thành 2 loại là: FF không đồng bộ (không có tín hiệu điều khiển đồng bộ Clock) và FF đồng bộ (có tín hiệu Clock). Thực tế các FF được sử dụng thường là FF đồng bộ. Tín hiệu đồng bộ Clock (Ck) có thể kích khởi theo mức hay theo sườn của tín hiệu. Nếu kích khởi theo sườn tín hiệu ta có: FF được kích khởi theo sườn lên của tín hiệu Ck và FF được kích khởi theo sườn xuống của tín hiệu Ck (gọi tắt là sườn lên và sườn xuống, hoặc sườn trước và sườn sau). Flip - Flop cơ bản (Flip - Flop không đồng bộ): Cấu trúc: Các mạch FF cơ bản (FF không đồng bộ) được cấu trúc từ các mạch NAND và mạch NOR. Cấu trúc của chúng như hình 1.1 và hình 1.2. Hình 1.1: FF cấu trúc từ cổng NAND Hình 1.2: FF cấu trúc từ cổng NOR Trong đó: R, S hay S , R là các tín hiệu đầu vào, còn Q, Q là các tín hiệu đầu ra. Với FF cấu trúc từ cổng NAND: Dựa vào bảng chân trị của cổng NAND để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này: S = 0, R = 1  Q = 1. Q = 1 hồi tiếp về cổng NAND B làm cho cổng NAND B có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 1 và Q = 0. S = 1, R = 0  Q = 1. Q = 1  hồi tiếp về cổng NAND A làm cho cổng NAND A có hai ngõ vào bằng 1 nên Q = 0. Vậy Q = 0 và Q = 1. S = R = 0  Q = Q = 1 đây là trạng thái cấm. S = R = 1 : Giả sử trạng thái trước đó có Q = 1 và Q = 0  hồi tiếp về cổng NAND A nên cổng vào NAND A có một ngõ vào bằng 0 vậy Q = 1. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó. R Q 0 0 X 0 1 1 1 0 0 1 1 Q0 S FF hoạt động với 2 trạng thái là trạng thái 0 và trạng thái 1. *Trạng thái 0: Là trạng thái có Q = 0; Q= 1. Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng B làm cổng B cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác, Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng A, cùng với tín hiệu S = 1 làm cho cổng A thông và lối ra Q = 0 được duy trì. Như vậy trạng thái 0 có Q = 0; Q = 1 được duy trì bền vững. *Trạng thái 1: Là trạng thái có Q = 1; Q= 0. Ở trạng thái này, Q = 0 hồi tiếp vào cổng A làm cổng A cấm, do vậy Q = 1 được duy trì. Mặt khác, Q = 1 lại hồi tiếp vào cổng B, cùng với tín hiệu R = 1 làm cho cổng B thông và lối ra Q = 0 được duy trì. Như vậy trạng thái 1 có Q = 1, Q = 0 được duy trì bền vững. Biểu đồ tín hiệu qua FF: S - Gọi là đầu thiết lập: Start – Set R - Gọi là đầu xoá: Clear – Reset Trạng thái cấm: Khi sử dụng FF có một trạng thái mà FF không hoạt động được đó là khi tín hiệu vào S ,R đồng thời bằng 0. Khi đó các lối vào Q và Q đồng thời bằng 1 như vậy FF không ổn định. Trạng thái cấm: S = R= 0. Bảng trạng thái: Sn Rn Qn+1 0 0 Cấm 0 1 1 1 0 0 1 1 Qn Phương trình đặc trưng cho FF-RS là: Qn+1 = S +RQn và RS = 0. Với FF cấu trúc từ cổng NOR: Cấu trúc: Phương trình: Dựa vào bảng chân trị của cổng NOR để giải thích hoạt động của sơ đồ mạch này: S = 0, R = 1  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR A làm cho cổng NOR A có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 0 và Q = 1. S R Q 0 0 Q0 0 1 0 1 0 1 1 1 X S = 1, R = 0  Q = 0. Q = 0 hồi tiếp về cổng NOR B làm cho cổng NOR B có hai ngõ vào bằng 0 nên Q = 1. Vậy Q = 1 và Q = 0. Giả sử ban đầu S = 0, R = 1  Q = 0 và Q = 1. Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành S = 0, R = 0 (R chuyển từ 1  0) ta có: + S = 0 và Q = 0  Q = 1. + R = 0 và Q = 1  Q = 0. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó. Giả sử ban đầu S = 1, R = 0  Q = 1 và Q = 0. Nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi thành R = 0, S = 0 (S chuyển từ 1  0) ta có: + R = 0 và Q = 0  Q = 1. + S = 0 và Q = 1  Q = 0. Như vậy FF - RS giữ nguyên trạng thái cũ trước đó. Các trạng thái đầu ra của FF là: Trạng thái 0: Q = 0; Q = 1. Trạng thái 1: Q=1; Q = 0. Trạng thái cấm đầu vào là: R = S = 1. Bảng trạng thái của FF: Sn Rn Qn+1 0 0 Qn 0 1 0 1 0 1 1 1 Cấm Biểu đồ tín hiệu qua FF: Nhận xét chung cho các loại FF cấu trúc từ cổng NAND và NOR: Mạch cấu trúc từ cổng NAND lật trạng thái khi có sườn âm xung đến. Mạch cấu trúc từ cổng NOR lật trạng thái khi có sườn dương xung đến. Nhược điểm của FF-RS là điều khiển trực tiếp do xung đến. Trạng thái Cấm không thuận lợi cho sử dụng. Như vậy gọi là FF không đồng bộ bởi vì chỉ cần một trong hai ngõ vào S hay R thay đổi thì ngõ ra cũng thay đổi theo. Flip – Flop đồng bộ: Cấu trúc: Gồm một FF - RS thông thường nhưng có thêm mạch đồng bộ do các mạch C & D. Ck là tín hiệu điều khiển đồng bộ hay tín hiệu đồng hồ (clock) Để ký hiệu cho mạch người ta dùng quy ước dấu chữ V để biểu thị mạch làm việc với sườn xung dương. Hoạt động: FF - RS không đồng bộ có khả năng tiếp nhận, xử lý và nhớ các tín hiệu nhị phân, tuy vậy nó có nhược điểm như đã nêu trên. Để khắc phục người ta đưa thêm mạch đồng bộ để FF chỉ phản ứng với tín hiệu vào chỉ khi có tín hiệu đồng bộ đưa đến. Khi Ck = 0: Các cổng C & D khoá không cho dữ liệu vào. Vì cổng vào NAND A, B có ít nhất một ngõ vào Ck = 0  S = R = 1  Q = Q0 : FF – RS giữ nguyên trạng thái trước đó ( FF nhớ trạng thái trước đó). Khi Ck = 1: Các cổng C & D mở, mạch vào thông, FF hoạt động như một FF - RS thông thường như đã biết. Như vậy những nhược điểm do trạng thái cấm vẫn còn tồn tại. Ngõ ra Q sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào trạng thái của S và R S R Ck Q X X 1 Q0 0 1 1 Q0 S = 0, R = 0  S = 1, R= 1  Q = Q0 S = 0, R = 1  S = 1, R= 0  Q = 0 S = 1, R = 0  S = 0, R= 1  Q = 1 S = 1, R = 1  S = 0, R= 0  Q = X Tuỳ thuộc vào mức tích cực của tìn hiệu đồng bộ Ck, chúng ta có các loại tín hiệu điều khiển: Ck điều khiển theo mức 1. Ck điều khiển theo mức 0. Ck điều khiển theo sườn lên (sườn trước). Ck điều khiển theo sườn xuống (sườn sau). Đối với các FF đồng bộ, các ngõ ra chỉ thay đổi trạng thái theo ngõ vào Data khi xung Ck tồn tại mức 1 (đối với tác động mức 1), hoặc xung Ck tồn tại mức 0 (đối với FF tác động mức 0), hoặc xung Ck ở sườn lên (đối với FF tác động sườn lên), hoặc xung Ck ở sườn xuống (đối với FF tác động sườn xuống), còn tất cả các trường hợp khác của Ck thì ngõ ra không thay đổi trạng thái theo ngõ vào mặc dù lúc đó các ngõ vào có thay đổi trạng thái. b) Phân loại FF theo chức năng: Nếu xét về chức năng có thể chia ra làm 4 loại như sau: Flip – Flop RS (Là mạch duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck). Flip – Flop D (Là mạch điện tử có trạng thái lối ra lặp lại trạng thái lối vào). Flip – Flop T (Là mạch điện có chức năng duy trì và chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào tín hiệu đầu vào T với điều kiện có xung nhịp Ck tác dụng). Flip – Flop JK (FF - JK là mạch điện có chức năng thiết lập các trạng thái 0 và 1, duy trì hoặc chuyển đổi trạng thái tuỳ thuộc vào các tín hiệu J, K và xung nhịp Ck). Do đề tài chỉ tìm hiểu về IC định thời 555 nên ta sẽ không đi sâu vào các loại FF mà chỉ xét đến loại FF – RS được dùng trong IC định thời 555. 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 X Các loại tín hiệu điều khiển Ck khác FLIP - FLOP RS: Là mạch chức năng, thiết lập các trạng thái 0 và 1. Nó duy trì trạng thái, chuyển đổi trạng thái, nhớ trạng thái tùy thuộc vào các tín hiệu lối vào RS và xung nhịp Ck. FF có các ngõ vào và ngõ ra kí hiệu như hình vẽ. Trong đó: S, R là các ngõ vào dữ liệu. Q, Q là các ngõ ra. Ck là tín hiệu xung đồng bộ. Gọi Sn và Rn là các trạng thái ngõ vào Data ở xung Ck thứ n. Qn và Qn+1 là trạng thái của ngõ ra Q ở xung Ck thứ n và thứ n+1. Khi đó ta có phương trình đặc trưng cho FF - RS là: Qn+1 = Sn + nR Qn SR = 0 Bảng trạng thái mô tả hoạt động của FF - RS: Bảng trạng thái của FF - RS được viết dưới dạng khai triển như sau: Sn Rn Qn+1 Hoạt động 0 0 Qn Giữ nguyên trạng thái 0 1 0 Xóa 1 0 1 Thiết lập 1 1 X Trạng thái cấm Qn Rn Sn Qn+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 X Cấm 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X Cấm Trong bảng này ta thấy tín hiệu ngõ ra ở trạng thái tiếp theo (Qn+1) sẽ phụ thuộc vào tín hiệu các ngõ vào Data (R, S) và tín hiệu ngõ ra ở trạng thái hiện tại (Qn). Từ bảng khai triển ta thấy được khả năng chuyển đổi trạng thái cũng như yêu cầu của tín hiệu lối vào cho mỗi trường hợp chuyển đổi trạng thái. Từ đó ta suy ra điều kiện chuyển đổi được thể hiện như bảng sau: Qn Qn+1 Rn Sn 0 0 X 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 X Để thấy rõ sự chuyển đổi trạng thái ta dùng biểu đồ sau: Đồ thị dạng tín hiệu của FF - RS: I.2. Khuếch đại thuật toán (Op – Amp): Mạch khuếch đại thuật toán thường được gọi tắt là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… trong các máy tính tương tự. Trong quá trình phát triển OP – AMP còn có thêm nhiều ứng dụng khác và trở thành linh kiện tích cực quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC, mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo… I.2.1. Sơ đồ chân: Op-Amp là một mạch điện gồm nhiều linh kiện điện tử đã được mắc sẵn trong một con chíp tám chân có khả năng dùng để khuếch đại hiệu hai điện thế nhập. Chân Chức năng 1 Chỉnh không. 2 Chân nhập trừ (ngõ vào đảo). 3 Chân nhập cộng (ngõ vào không đảo). 4 Chân điện nguồn -Vcc. 5 Không dùng. 6 Chân xuất (ngõ ra). 7 Chân điện nguồn +Vcc. 8 Không dùng. I.2.2. I.2.3. Ký hiệu: Tuy có cấu tạo phức tạp, nhưng kí hiệu của OPAMP rất đơn giản như sau: Vì chân ngõ ra còn lại được nối GND bên trong chíp nên người ta không kí hiệu hình chữ nhật mà chuyển qua hình tam giác. Chân V+ gọi là “chân ngõ vào không đảo”, chân V- gọi là “chân ngõ vào đảo”. Hiệu điện thế trên 2 chân này được khuếch đại và xuất ra chân ngõ ra VO (điện áp chân VO so với GND). I.2.4. Ưu điểm của Op-Amp: Hai đầu vào đảo và không đảo cho phép Op-Amp khuếch đại được nguồn tín hiệu có tính đối xứng (các nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, mực chất lỏng… thường là nguồn có tính đối xứng). Đầu ra chỉ khuếch đại sự sai lệch giữa hai tín hiệu đầu vào nên Op-Amp có độ chống nhiễu rất cao vì khi tín hiệu nhiễu đến hai đầu vào cùng lúc sẽ không xuất hiện ở đầu ra. Cũng vì lý do này Op- Amp có khả năng khuếch đại tín hiệu có tần số rất thấp, xem như tín hiệu một chiều. Hệ số khuếch đại của Op-Amp rất lớn do đó cho phép Op-Amp khuếch đại cả những tín hiệu với biên độ khoảng vài chục micro-Volt. Do các mạch khuếch đại vi sai trong Op-Amp được chế tạo trên cùng một phiến bán dẫn, nên độ ổn định nhiệt rất cao. Điện áp phân cực đầu vào và đầu ra bằng 0 khi không có tín hiệu, do đó dễ dàng trong việc chuẩn hoá khi lắp ghép giữa các khối. Tổng trở đầu vào của Op-Amp rất lớn do đó cho phép mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé. Tổng trở ra thấp, cho phép Op-Amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải. Băng thông rất rộng, cho phép Op-Amp làm việc tốt với nhiều dạng nguồn tín hiệu khác nhau. I.2.5. Op-Amp lý tưởng Để đơn giản trong việc tính toán trên Op-Amp thực tế, ta có thể tính toán trên Op-Amp lý tưởng. Sau đó thực hiện bổ chính các thông số trong mạch. Có thể so sánh một vài thông số giữa Op-Amp lý tưởng và Op-Amp thực tế như bảng sau: Op-Amp lý tưởng Op-Amp thực tế Độ lợi vô cùng lớn. Tổng trở ngõ vào  . Tổng trở ngõ ra = 0. Băng thông  . Dòng vào tĩnh = 0. Dòng vào lệch = 0. Độ lợi 100.000 200.000. Tổng trở ngõ vào 106  1013  . Tổng trở ngõ ra nhỏ. Băng thông hữu hạn. Dòng vào tĩnh nhỏ. Dòng vào lệch 20  30 nA. I.2.6. Nguyên lý hoạt động Dựa vào kí hiệu của Op-Amp ta có đáp ứng tín hiệu đầu ra V0 theo các cách tín hiệu cổng vào lần lượt là đầu vào đảo nối masse, đầu vào không đảo nối masse và đưa tín hiệu vào đồng thời ở cả hai lối vào. Để việc khảo sát mang tính tổng quan, xét trường hợp tín hiệu vào vi sai so với masse (lúc này chỉ cần cho một trong hai cổng nối masse ta sẽ có hai trường hợp kia). Đường đặc tính ngõ vào - ngõ ra có 3 miền như hình vẽ. + Miền 1: Miền bảo hòa âm: Điện áp vào VIN quá bé làm cho điện áp ra (nếu có) VO=AV.VIN< -Vcc. Nhưng Op-Amp không thể xuất ngõ ra quá trị số -VCC, nên giá trị xuất ra luôn là –VCC. (dù VIN giảm liên tục, nhưng VOUT không đổi). + Miền 2: Miền khuếch đại tuyến tính: Điện áp VOUT = VIN.AV tạo thành một đường xiên. Do độ lợi AV rất cao nên miền này rất bé. (điện áp VOUT rất dễ bị bảo hòa). + Miền 3: Miền bảo hòa dương: Giống miền 1. Giá trị xuất ra luôn là +VCC. Trên thực tế người ta rất ít khi sử dụng Op-Amp làm việc ở trạng thái vòng hở vì tuy hệ số khuếch đại AV rất lớn nhưng phạm vi điện áp đầu vào mà Op-Amp khuếch đại tuyến tính lại là quá bé (khoảng vài chục đến vài trăm micro-Volt). Chỉ cần một tín hiệu nhiễu nhỏ hay bị trôi theo nhiệt độ cũng đủ làm điện áp cổng ra ở CCV . Do đó mạch khuếch đại vòng hở thường chỉ dùng trong các mạch tạo xung dao động. Muốn làm việc ở chế độ khuếch đại tuyến tính người ta phải thực hiện việc phản hồi âm nhằm giảm hệ số khuếch đại vòng hở xuống một mức thích hợp. Lúc này miền làm việc tuyến tính của Op-Amp sẽ rộng ra, Op-Amp làm việc trong chế độ này gọi là trạng thái vòng kín (Close loop). Với hồi tiếp âm ta có các dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: a. Mạch khuếch đại đảo: (Inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Zi, Zf có thể có bất kì dạng nào. Tín hiệu đưa vào ngõ vào (-). Vi có thể xoay chiều hoặc một chiều. Do Op-Amp lý tưởng nên: V1 = V2 = 0 ii = - if 0i i f VV Z Z    Suy ra độ lợi của điện thế của mạch: 0 f V i i V Z A V Z   Nhận xét: - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì V0 và Vi sẽ lệch pha 180 0 (nên được gọi là mạch khuếch đại đảo và ngõ vào ( - ) được gọi là ngõ vào đảo). - Zf đóng vai trò mạch hồi tiếp âm. Zf càng lớn (hồi tiếp âm càng nhỏ), độ khuếch đại của mạch càng lớn. - Khi Zf và Zi là điện trở thuần thì Op-Amp có tính khuếch đại cả điện thế một chiều. b. Mạch khuếch đại không đảo: (Non_inverting Amplifier) Dạng mạch căn bản. Ta có: V1 = V2 = Vi Và if = ii 0 2 0 22 2 f f i i f i V V i Z V VV V i Z Z Z       Suy ra: 0 1 fv i i ZV A V Z    Nhận xét: - Zf, Zi có thể có bất kỳ dạng nào. - VO và Vi cũng có thể có bất kỳ dạng nào. - Khi Zf, Zi là điện trở thuần thì ngõ ra VO sẽ có cùng pha với ngõ vào Vi (nên mạch được gọi là mạch khuếch đại không đảo và ngõ vào ( + ) được gọi là ngõ vào không đảo). - Zf cũng đóng vai trò hồi tiếp âm. Ðể tăng độ khuếch đại AV, ta có thể tăng Zf hoặc giảm Zi. - Mạch khuếch đại cả tín hiệu một chiều khi Zf và Zi là điện trở thuần. Mạch cũng giữ nguyên tính chất không đảo và có cùng công thức với trường hợp của tín hiệu xoay chiều. c. Op-Amp phân cực bằng nguồn đơn: Phần trên là các đặc tính và 2 mạch khuếch đại căn bản được khảo sát khi Op-Amp được phân cực bằng nguồn đối xứng. Thực tế, để tiện trong thiết kế mạch và sử dụng, khi không cần thiết thì Op-Amp được phân cực bằng nguồn đơn; Lúc bấy giờ chân nối với nguồn âm -VCC được nối masse. Hai dạng mạch khuếch đại căn bản như sau: Người ta phải phân cực một ngõ vào (thường là ngõ vào +) để điện thế phân cực ở hai ngõ vào lúc này là VCC/2 và điện thế phân cực ở ngõ ra cũng là VCC/2. Hai điện trở R phải được chọn khá lớn để tránh làm giảm tổng trở vào của Op-Amp. Khi đưa tín hiệu vào phải qua tụ liên lạc (C2 trong mạch) để không làm lệch điện thế phân cực. Như vậy, khi phân cực bằng nguồn đơn, Op- Amp mất tính chất khuếch đại tín hiệu một chiều. Trong hình a, mạch khuếch đại đảo, C1 là tụ lọc điện thế phân cực ở ngõ vào (+). Trong hình b, mạch khuếch đại không đảo, C1 dùng để tạo hồi tiếp xoay chiều cho mạch và giữ điện thế phân cực ở ngõ vào (-) là VCC/2. Ðộ khuếch đại của mạch vẫn không đổi. I.2.7. Một số ứng dụng của Op-Amp: Mạch so sánh Op-Amp có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như: - Mạch làm toán: Ðây là các mạch điện tử đặc biệt trong đó sự liên hệ giữa điện thế ngõ vào và ngõ ra là các phương trình toán học đơn giản như mạch cộng, mạch trừ, mạch tích phân, mạch vi phân… - Mạch so sánh: Đây là mạch ứng dụng trong thực tế, làm việc theo nguyên lí so sánh, một nguyên lý rất thông dụng trong các thiết bị công nghiệp. - Mạch lọc. Trong phạm vi đề tài đang xét công dụng của Op-Amp là so sánh điện áp, vì vậy ở đây ta chỉ xét một số loại mạch so sánh. Mạch so sánh: a/ Ðiện thế ngõ ra bảo hòa: Ta có V0 = A(V1-V2) = A.Ed Với Ed = V1 – V2 Ed là điện thế khác nhau giữa 2 ngõ vào và được định nghĩa: Ed = (điện thế ngõ vào +) - (điện thế ngõ vào -) Do mạch không có hồi tiếp âm nên V0 = A.Ed Trong đó A là độ lợi vòng hở của Op-Amp. Vì A rất lớn nên theo công thức trên V0 rất lớn. Khi Ed nhỏ, V0 được xác định. Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì V0 đạt đến trị số bảo hòa và được gọi là VSat. Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi Op-Amp và có trị số vào khoảng vài chục V . - Khi Ed âm, mạch đảo pha nên V0= -VSat - Khi Ed dương, tức V1>V2 thì V0 = +VSat. Ðiện thế ngõ ra bảo hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt. Và |+VSat| có thể khác |-VSat|. Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là: ax ax Sat dm Sat dm V E A V E A       b/ Mạch so sánh mức 0:(tách mức zéro) Mạch so sánh mức zéro không đảo: Dạng mạch: Điện thế ở ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem so sánh với điện thế chuẩn được đưa vào ngõ vào (+) Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = + VSat Khi Ei<Vref = 0V thì V0 = - VSat Mạch so sánh mức zéro đảo: Dạng mạch: Điện thế chuẩn Vref = 0V đặt ở ngõ vào (+). Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (-). Khi Ei>Vref = 0V thì V0 = - VSat Khi Ei<Vref = 0V thì V0 = + VSat c/Mạch so sánh với 2 ngõ vào có điện thế bất kỳ: So sánh mức dương đảo và không đảo: So sánh mức dương không đảo: Dạng mạch: Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (-). Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (+). Khi Ei>Vref thì V0 = + VSat Khi Ei<Vref thì V0 = - VSat So sánh mức dương đảo: Dạng mạch: Điện thế chuẩn Vref > 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (-) Khi Ei>Vref thì v0 = - VSat Khi Ei<Vref thì v0 = + VSat So sánh mức âm đảo và không đảo: So sánh mức âm không đảo Dạng mạch: Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (-) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (+) Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat Khi Ei<Vref thì v0 = - VSat So sánh mức âm đảo Dạng mạch: Điện thế chuẩn Vref < 0V đặt ở ngõ vào (+) Điện thế so sánh Ei đưa vào ngõ vào (-) Khi Ei>Vref thì v0 = + VSat Khi Ei<Vref thì v0 = - VSat II. Sơ lược về mạch tích hợp: Transistor bán dẫn, diode, Transistor FET, các điện trở biến dung… là các linh kiện thường dùng trong các mạch điện điện tử. Trong thực tế sử dụng chúng ta cần sử dụng nhiều phương thức lắp ráp khác nhau tạo thành mạch điện mới có thể làm việc. Đối với một số mạch điện tinh vi và phức tạp cho dù người ta rất thành thạo vẫn phải mất nhiều thời gian và việc điều chỉnh mới có thể sử dụng và công việc điều chỉnh nói chung đều tương đối phức tạp và giảm thiểu hiệu suất làm việc của con người. Như vậy làm thế nào để giải quyết được vấn đề đó? Qua yêu cầu thực tiễn, người ta đã tìm hiểu và sáng chế ra mạch tích hợp. Chúng ta sẽ điểm qua một số sự kiện nổi bật trong lịch sử hình thành và phát triển của những vi mach tích hợp đầu tiên của nhân loại. II.1. Lịch sử hình thành Năm 1947, J. Bardeen & W. Brattain (AT&T Bell Lab., USA) phát minh ra "Point Contact Transistor" - đây là một đột phá trong nỗ lực tìm ra thiết bị mới thay thế cho đèn điện tử. Dòng điện vào (bên trái hình tam giác) được truyền qua lớp dẫn điện trên bề mặt bản Germanium và được khuếch đại thành dòng ra (bên phải hình tam giác). Sở dĩ thiết bị khuếch đại dòng điện này có tên là transistor vì nó là một loại điện trở (Resistor) hay bán dẫn có khả năng truyền điện (Transfer). Năm 1950, W. Shockley (AT&T Bell Lab, USA) phát minh ra transistor kiểu tiếp mặt. Đây là mô hình đầu tiên của loại bipolar transitor sau này. Năm 1958, J. Kilby (Texas Instruments, Mỹ) phát minh ra mạch IC đầu tiên, mở đầu cho thời kỳ hoàng kim của mạch vi điện tử. Điểm quan trọng trong phát minh của Kilby là ở ý tưởng về việc tích hợp các thiết bị điện tử (điện trở, transistor, tụ điện…) lên trên bề mặt tấm silicon. Jack Kilby được nhận giải Nobel Vật lý năm 2000. Năm 1959, J. Hoerni và R. Noyce (Fairchild, Mỹ) thành công trong việc chế tạo ra transistor trên một mặt phẳng silicon. Hình dưới là transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector) cùng nằm trên một mặt phẳng. Transistor với cả 3 cực (base, emitter, collector) Năm 1961, cũng chính J. Hoerni và R. Noyce đã tạo ra mạch flip-flop (với 4 transistor và 5 điện trở) trên mặt silicon. Chip IC nguyên thủy do Jack Kilby Năm 1970, G.-E. Smith và W.-S. Boyle (AT&T Bell Lab., USA) tạo ra mạch CCD 8-bit. Năm 2004, công ty Intel (Mỹ) chế tạo chip Pentium 4 với trên 42 triệu transistor. Năm 2005, liên kết giữa IBM, Sony Computer Entertainment, và Toshiba giới thiệu chip CELL đa lõi (multi-core), hoạt động ở tốc độ 4 GHz, đạt tốc độ xử lý lên tới 256 Gflop. Chưa đầy 50 năm kể từ ngày Kilby đề xuất ra ý tưởng về IC, ngành công nghệ vi mạch đã đạt được những thành tựu rực rỡ. Sự tăng trưởng ở tốc độ chóng mặt của ngành công nghệ vi mạch là chìa khóa quan trọng bậc nhất trong cuộc cách mạng công nghệ thông tin hiện nay. Vậy thế nào là mạch điện tích hợp? II.2. Một vài nét sơ lược về mạch tích hợp: CCD 8-bit Mạch điện tích hợp, hay vi mạch, hay mạch tích hợp (integrated circuit), gọi tắt IC, còn gọi là chip theo thuật ngữ tiếng Anh, nó sử dụng công nghệ bán dẫn màng mỏng hay màng dày hoặc kết hợp giữa hai công nghệ đó. Trong mạch điện có chứa các linh kiện tích cực (như transistor, diode…) và các linh kiện thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm…) được kết nối với nhau, tạo thành một chip bán dẫn cơ bản kích thước cỡ micro-mét (hoặc nhỏ hơn), có chức năng chính hoàn chỉnh và được đặt trong vỏ kín. So với mạch điện có tính phân lập, nó đã giảm đi rất nhiều về thể tích, trọng lượng, dây nối và các mối hàn, nâng cao tính năng và độ tin cậy của mạch điện. Từ các linh kiện phân lập đến các mạch điện tích hợp là sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật bán dẫn. Một vi mạch tích hợp bao gồm một đơn tinh thể bán dẫn mach điện có chứa các linh kiện tích cực và các linh kiện thụ động cùng dây nối giữa chúng. Các linh kiện này được chế tạo theo một quá trình công nghệ. Một quy trình sản xuất hàng loạt được sử dụng để chế tạo một số lượng lớn các mạch tích hợp với giá thành thấp. Các vi mạch tích hợp được thiết kế để đảm nhiệm một chức năng như một linh kiện phức hợp. Một mạch tích hợp sẽ giúp giảm kích thước của mạch điện đi rất nhiều, bên cạnh đó là độ chính xác tăng lên. IC là một phần rất quan trọng của các mạch logic. Có nhiều loại IC, lập trình được và cố định chức năng, không lập trình được. Mỗi IC có tính chất riêng về nhiệt độ, điện thế giới hạn, công suất làm việc… được ghi trong bảng thông tin (datasheet) của nhà sản xuất. Cho tới nay các linh kiện của thiết bị điện tử đều sử dụng mạch IC: máy thu thanh, máy ghi âm, đồng hồ điện tử… Có thể nói cuộc sống của chúng ta không thể nào tách rời hoàn toàn được với các mạch tích hợp. Do mạch IC có hình thức đa dạng nên không thể có tín hiệu mạch điện cố định. Thông thường người ta thông qua một sơ đồ khối, khung vuông, hình tam giác hoặc hình tròn để thay thế chúng. Từ đó dẫn ra một vài ghi chú mã số của chân và thay thế cho chân dẫn mạch IC. Hình thức vỏ bọc của mạch IC có nhiều loại. Nhìn chung các mạch IC có hình thức là một miếng cho nên người ta thông thường gọi mạch IC là miếng tích hợp. Mạch IC có thể có hình thức truyền dẫn của vó bọc là hai hàng chân dẫn khi sử dụng cắm trực tiếp vuông góc với board mạch điện, hoặc chỉ có một hàng chân dẫn cắm vuông góc, hoặc bốn mặt đều có chân dẫn…đối với vỏ ngoài hình chữ nhật, ngoài ra còn có vỏ ngoài hình t._.ròn, hình quạt, hoặc loại vỏ bọc không có chân đối với mạch IC được làm trực tiếp trên các board mạch điện nhỏ và cho lớp cao su để phủ lên… Bất luận có sử dụng các mạch IC kiểu nào, chúng ta đều cần phải tìm chỗ đánh dấu để có thể chỉ ra chân thứ nhất của IC, ví dụ như một vòng tròn nhỏ, một góc khuyết hoặc một nữa khuyết. Và sau khi có chân thứ nhất ta sẽ biết được các chân còn lại bằng cách đếm theo thứ tự từ chân thứ nhất theo chiều ngược kim đồng hồ, và kết hợp với các tài liệu có liên quan ta sẽ biết thêm về cấu trúc của các chân. II.3. Ưu, nhược điểm của mạch tích hợp: Ưu điểm: Có kích thước nhỏ gọn nên tạo ra các mạch và thiết bị có kích thước nhỏ. Năng lượng tiêu thụ thấp nên giảm được nguồn cung cấp điện năng. Có độ tin cậy cao do được chế tạo thống nhất trên một khối, giảm được đáng kể các mối hàn nên các hư hỏng sẽ rất ít. Do vi mạch tích hợp có kích thước nhỏ nên có thể dùng các vật liệu quý như vàng, bạc, bạch kim.. để chế tạo mà vẫn đảm bảo được tính kinh tế của sản phẩm. Kích thước vi mạch ngày càng nhỏ, nghĩa là khoảng cách giữa các linh kiện bán dẫn ngày càng rút ngắn. Điều này cũng có nghĩa: quá trình giao tiếp giữa các linh kiện bán dẫn sẽ nhanh hơn, dẫn đến tốc độ xử lý của vi mạch được nâng lên. Nhược điểm Tốc độ tính toán của vi mạch đôi khi bị hạn chế do năng lượng cung cấp thấp. Khả năng tích hợp cao nên các tham số của các linh kiện trong mạch sẽ bị thay đổi. Yêu cầu về ổn định nhiệt độ cao do mạch tích hợp được chế tạo bằng chất bán dẫn và mật độ tích hợp cao. II.4. Phân loại mạch IC Do mạch tích hợp IC làm cho nhiều linh kiện tạo thành một mạch điện phức tạp, được chế tạo trên một chip bán dẫn cực nhỏ, cho nên đối với các mạch điện ứng dụng khác nhau cũng sẽ có các mạch IC phù hợp với các chức năng khác nhau. Chính vì vậy mà chủng loại mạch IC rất phức tạp và đa dạng. Để phân loại mạch điện tích hợp có thể căn cứ vào công nghệ sản xuẩt, tính chất, chức năng và qui mô mạch điện tích hợp. Dựa vào công nghệ sản xuất khác nhau người ta chia ra thành mạch IC màng, mạch điện tích hợp bán dẫn và mạch điện tích hợp hỗn hợp. Mạch điện tích hợp màng căn cứ vào độ dày của màng có thể phân ra thành mạch điện tích hợp màng dày và mạch điện tích hợp màng mỏng. Mạch điện tích hợp bán dẫn căn cứ vào các linh kiện sử dụng các công nghệ chế tạo bên trong nó khác nhau có thể chia mạch điện tích hợp bán dẫn thành hai loại: mạch điện tích hợp kiểu song cực và mạch điện tích hợp kiểu đơn cực. Hiện nay mạch điện tích hợp bán dẫn được sử dụng nhiều nhất. Mạch điện tích hợp hỗn hợp sử dụng chủ yếu công nghệ màng; cộng nghệ chất bán dẫn mặt phẳng thậm chí còn sử dụng các linh kiện rời. Loại mạch IC này, tính năng tương đối tốt nhưng giá thành cao. Dựa vào chức năng, tính chất khác nhau có thể chia ra thành mạch điện tích hợp số (còn gọi là mạch điện tích hợp logic) và mạch điện tích hợp tương tự. Mạch điện tích hợp số có thể thực hiện các thuật toán logic số, khi tiến hành các phép tính, mức điện thấp được xem là “0” và mức điện cao được xem là “1” trong hệ nhị phân. Thông qua các quan hệ logic để tiến hành các phép tính, nhớ, truyền đạt và chuyển đổi. Mạch điện tích hợp số được ứng dụng rộng rãi trong các máy tính, các hệ thống điều khiển tự động, các hệ thống thông tin số… Mạch điện tích hợp tương tự có thể thực hiện việc khuếch đại và chuyển đổi đối với dòng điện và điện áp. Trong đó có mạch điện những mạch điện tích hợp có quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra được gọi là mạch điện tích hợp tuyến tính (như bộ khuếch đại một chiều, bộ khuếch đại sai phân, bộ khuếch đại thuật toán…); có những mạch tích hợp có quan hệ không tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra và được gọi là mạch điện tích hợp phi tuyến tính (như bộ tách sóng, bộ ổn áp, bộ điều chế…). Dựa vào qui mô tích hợp khác nhau: Mức độ tích hợp của mạch IC thông thường là để biết có bao nhiêu linh kiện tích hợp trên một chip. Số linh kiện tích hợp càng nhiều thì độ tích hợp càng cao. Căn cứ vào độ cao thấp của mức độ tích hợp, có thể chia thành qui mô nhỏ (SSI: bên trong có vài chục linh kiện), qui mô trung bình (MSI: bên trong có vài trăm linh kiện), qui mô lớn (LSI: bên trong có trên 1000 linh kiện), qui mô cực lớn (VLSI: bên trong có hàng vạn linh kiện)… II.5. Phương pháp đặt tên của mạch IC: Chủng loai của mạch IC rất nhiều vì thế không có một tiêu chuẩn nào đặt tên thống nhất. Nói chung các dạng của nó là do cơ sở sản xuất tự mình quy định, tuy nhiên một số mạch IC thường dùng nhất là mạch IC số, nhìn chung các xưởng đếu dùng các tên gọi giống nhau. Tên gọi của các mạch IC thường dùng các số và chữ cái ghép thành. Các tên gọi của mạch IC số tương đối thống nhất, với IC cùng một kiểu dù sản xuất từ bất cứ một xưởng sản xuất nào thì kết cấu bên trong và số chân của chúng cơ bản đều như nhau. Cách đọc mã số IC: Tuỳ thuộc vào từng loại IC mà ta có cách đọc khác nhau. Ở đây ta sẽ tìm hiểu cách đọc của một loại mạch IC mà ta đã tìm hiểu ở phần trước. Bộ khuếch đại thuật toán (mạch IC tương tự thường dùng). Tất cả IC OPAMP đều được kí hiệu bằng 7 kí tự và được chia thành 3 phần. Ví dụ: MC 741CN: - Phần tiền tố chỉ nhà sản xuất (bảng 1) - Phần giữa chỉ 2 điều: + 3 số chỉ loại IC + Phần kí tự cuối chỉ khoảng nhiệt chịu đựng (bảng 2) - Phần hậu tố chỉ loại vỏ (bảng 3) III. Mạch IC gốc chuẩn thời gian: III.1. Sơ lược về IC 555: C Thương mại 00C-700C I Công nghiệp-250C-850C M Quân sự -550C-1250C CA RCA LM National Semiconductor MC Motorola NE/SE Signetics OP Precision Monolithics RC/RM Raytheon SG Silicon General TL Texas Instruments UA Fairchild D Kiểu vỏ DIP nhựa J Kiểu vỏ DIP bằng Ceramic N, PKiểu vỏ DIP nhựa chân dài Bảng 3 Bảng 2: Bảng 1: Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 là sự kết hợp giữa chức năng số (logic) và chức năng tương tự một cách tuyệt vời. IC định thời 555, công ty Signetics Corporation năm 1971 đưa ra 2 dòng sản phẩm SE555/NE555 và được gọi là “máy thời gian”. Nó cung cấp cho các nhà thiết kế mạch điện tử với chi phí tương đối rẻ, ổn định và những mạch tổ hợp cho những ứng dụng cho đơn ổn và không ổn định. Từ đó thiết bị này được sản xuất thương mại. III.1.1. Lịch sử hình thành: Đó là mùa hè năm 1970, trong văn phòng chen giữa 2 nhà hàng Trung Hoa ở thị trấn Sunnyvale, California (Mỹ), nhà thiết kế chip Hans Camenzind làm việc với vai trò tư vấn cho công ty bán dẫn Signetics. Tình hình kinh tế khó khăn, Camenzind có vợ và 4 con, kiếm chưa đến 15.000 USD/năm, nên rất muốn phát minh cái gì đó có thể hái ra tiền. Camenzind đã tạo ra chip 555 - một IC đơn giản có thể làm việc như bộ đếm thời gian. Đến nay, 555 là con chip được bán chạy nhất trong ngành bán dẫn analog, hiện diện trong các thiết bị nhà bếp, đồ chơi, phi thuyền không gian và nhiều thứ khác. Có thể nói 555 là một trong những con chip xuất sắc nhất của mọi thời đại. Ý tưởng về chip 555 nảy sinh khi Camenzind đang làm việc trên hệ thống vòng lặp khóa pha. Với một vài điều chỉnh, hệ thống này có thể làm việc như bộ định thời gian đơn giản: kích hoạt nó sẽ chạy trong một khoảng thời gian nhất định. Lúc đó không có chip nào giống như thế. Thoạt đầu, phòng kỹ thuật của Signetics từ chối ý tưởng này vì công ty đang bán linh kiện mà khách hàng có thể dùng để tạo bộ định thời gian có tính năng tương tự như 555. Camenzind không nản, ông đến gặp Art Fury, giám đốc tiếp thị của Signetics. May là Fury thích nó. Camenzind bỏ ra gần 1 năm thử nghiệm các bản thiết kế, vẽ các sơ đồ mạch trên giấy và tạo bản phim, "tất cả đều làm bằng tay". Thiết kế cuối cùng có 23 transistor, 16 điện trở và 2 diode. Chip 555 gây chấn động khi ra mắt thị trường vào năm 1971. Năm 1975 Signectics sát nhập vào Philips Semiconductors, và sau đó NXP. Đã có hàng tỉ chip 555 được bán ra, đến nay chip này vẫn còn được dùng. III.1.2. Đặc điểm: Mạch điện IC gốc chuẩn thời gian bên trong mạch điện của nó có ba con điện trở 5 k . Vì thế được đặt tên là 555, có độ phân áp cao. Các xưởng sản xuất mạch IC gốc chuẩn thời gian đều đặt tên là 555, chỉ khác nhau ở trước nó có thêm chữ cái viết tắt của tên các xưởng. Ví dụ thường dùng là các loại như: NE555, LM555. Kết cấu sự sắp đặt chân của chúng và phương pháp sử dụng đều giống nhau, tính năng cũng không sai biệt lắm. Nói chung chúng có thể thay thế lẫn nhau. Ngoài loại 555, còn có mạch điện gốc chuẩn thời gian 556, nó là mạch điện gốc chuẩn thời gian kép, bên trong nó có hai mạch điện 555. Mạch IC gốc chuẩn thời gian 555 là mạch IC quy mô được thiết kế với chức năng định dạng. Trong thực tiễn người ta phát hiện phạm vi ứng dụng của nó đã vượt ra khỏi chức năng định giờ. Thông qua việc nối với các linh kiện ngoại vi thích hợp nó có thể dùng trong các thiết bị điều khiển điện tử, đo kiểm, các máy đo, các thiết bị gia dụng, cảnh báo, các trò chơi điện tử, và các mạch điện khác. Cũng có thể dùng nó làm bộ phát xung, bộ định giờ, bộ làm trễ, bộ phát xung vuông, bộ dao động (bộ dao động kích trạng thái đơn ổn, bộ dao động đa hài hai trạng thái ổn định, bộ dao động đa hài tự do), bộ điều chế mạch xung, bộ điều chế pha. Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được sử dụng một cách rộng rãi như vậy là do nó có một số ưu điểm đặc biệt như sau: Kết cấu của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian được kết hợp tuyệt vời giữa mạch điện số (logic) và mạch điện tương tự. Chức năng logic và chức năng tương tự được tích hợp và được tương thích trong một thể thống nhất, có thể tạo thời gian trễ và tạo dao động chính xác. Nó có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tương tự. Mạch điện này sử dụng nguồn điện đơn, phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp kiểu song cực 555 là 3~ 15V. Phạm vi nguồn điện của mạch điện tích hợp 555 kiểu CMOS là 2 ~ 18V. Có thể dùng chung nguồn điện với bộ thuật toán tương tự, mạch điện số TTL hoặc CMOS. Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể độc lập tạo thành một mạch định giờ, dòng điện ra của nó là 200mA. Vì thế có thể trực tiếp kích động cơ điện nhỏ, loa, Relay, LED, diode phát quang, các phụ tải…. Khi làm việc nó làm bộ dao động, tần số làm việc lớn nhất của nó có thể đạt tới 300kHz. III.1.3. Phân loại: Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có hai loại: loại kiểu song cực và loại CMOS. Tham số chính của chúng như bảng sau: Tên tham số Ký hiệu Kiểu song cực Kiểu CMOS Đơn vị Điện áp nguồn VCC hoặc VDD 4.5 ~ 16 3 ~ 15 V Dòng điện ICC hoặc IDD 10 0.2 mA Dòng điện thiên trị IS 1 A 1pA A hoặc pA Dòng điện phục vị chính IMR 400 A 100pA A hoặc pA Dòng điện phục vị IR 1 A 100pA A hoặc pA Dòng điện kích IV 200 1~20 và VCC nhỏ lớn có liên quan mA Dòng phóng điện IDIS 200 1~20 và VCC nhỏ lớn có liên quan mA Độ chính xác định thời gian 1 1 %/V Tần số làm việc cao nhất fmax 500 500 kHz Từ bảng này, ta thấy do công nghệ chế tạo và lưu trình của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS và kiểu song cực khác nhau, các chỉ tiêu tính năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 được sản xuất có sự sai biệt trong đó có một số điểm: Công suất tiêu hao của mạch điện gốc chuẩn thời gian kiểu CMOS chỉ là một phần mấy chục so với kiểu song cực, dòng điện trạng thái chuẩn khoảng 200 A , là linh kiện công suất tiêu hao thấp. Điện áp nguồn Vcc của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS có thể thấp tới 2 ~ 3V; dòng điện ở các đầu chức năng chỉ cỡ pA. Sườn tăng lên và sườn giảm xuống của mạch xung đưa ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS sẽ tốt hơn so với kiểu song cực, thời gian chuyển đổi ngắn. Thời gian quá độ truyền đạt ở trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS sinh ra dòng điện sụt áp dòng điện đỉnh chỉ là 2 ~ 3mA; còn dòng điện kiểu song cực cao đến 300 ~ 400mA. Trở kháng đầu vào của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao gấp nhiều lần so với kiểu song cực (cao tới 1010  ). Năng lực kích của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS kém, dòng điện đưa ra chỉ 1 ~ 3mA, dòng điện kích đầu ra của kiểu song cực có thể đạt tới 200mA. Nhưng kiểu CMOS và kiểu song cực đều có những điểm chung: Chức năng của cả hai cơ bản là giống nhau, vỏ ngoài và chân dẫn được xếp đặt thống nhất. trong đại đa số trường hợp có thể trực tiếp thay thế. Cả hai đều sử dụng nguồn điện đơn thích ứng với phạm vi điện áp lớn có thể sử dụng chung nguồn điện với mạch điện logic số kiểu CMOS, TTL… Mức điện áp ở đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 có thể nối trực tiếp với mạch điện TTL, CMOS… Ảnh hưởng của việc biến đổi điện áp nguồn đối với tần số dao động và độ chính xác định thời gian nhỏ. Ảnh hưởng với độ chính xác định thời gian chỉ là 0.05% / V, tính ổn định nhiệt độ tốt. Căn cứ vào những đặc điểm nói trên, tuỳ theo từng loại mạch điện mà ta chọn kiểu cho phù hợp. Ví dụ như khi yêu cầu định thời gian dài, công suất tiêu hao nhỏ, phụ tải nhẹ nên chọn dùng kiểu CMOS, còn trường hợp phụ tải nặng yêu cầu kích dòng điện lớn, điện áo cao nên chon kiểu song cực. Trở kháng đầu vào của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu CMOS cao tới 1010  , có thể kích trực tiếp các phụ tải trở kháng cao, rất thích hợp trong các mạch điện có thời gian trễ dài, hằng số thời gian rất lớn; còn mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 kiểu song cực có thể kích trực tiếp phụ tải trở kháng thấp như các rơ-le cảm tính, động cơ điện và loa. III.2. Sơ đồ chân và chức năng của từng chân của IC 555: Các dạng hình dáng chân của IC 555 trong thực tế: Hình dạng của IC555 ở trong hình 1 (loại 8 chân hình tròn) và hình 2 (loại 8 chân hình vuông). Nhưng ở thị trường Việt Nam đa số là loại chân vuông. + Chân số 1 (GND): Nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay còn gọi là chân chung. + Chân số 2 (TRIGGER): Đây là đầu kích, được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tầng so áp. Mạch so sánh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 1/3Vcc. Nếu điện áp đặt ở chân này cao hơn 1/3 Vcc thì đầu ra sẽ bảo đảm ở mức thấp. + Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic (đầu ra). Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao, nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế mức 0 này không bằng 0V mà nó trong khoảng từ (0.35V0.75V). + Chân số 4 (RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra (đầu trở về 0). Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên Vcc. + Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Là đầu điều khiển điện áp, dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài, hay dùng các điện trở ngoài nối với GND. Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0,01 F đến 0,1 F , các tụ điện này lọc nhiễu, ngăn các xung trở lại nguồn cung cấp và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. + Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác (đầu trị số ngưỡng) và cũng được dùng như 1 chân chốt, dùng để đo kiểm tụ điện áp ở bên ngoài. Ví dụ như mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bị kích ở mức cao, đầu trị số ngưỡng sẽ quan sát sự tăng điện áp. Khi đạt tới 2/3 Vcc đầu ra sẽ ở mức cao. + Chân số 7 (DISCHARGE) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại, ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động . + Chân số 8 (Vcc): là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động (điện áp nguồn điện dương). Không có chân này IC không hoạt động được. Nó được cấp điện áp từ 2V18V (tùy từng loại IC 555). Vì thế thường được nối với mạch tích hợp logic số và bộ khuếch đại thuật toán có liên quan. III.3. Cấu tạo bên trong: Nhìn trên hình ta thấy cấu trúc của 555 tương đương với hơn 20 transitor, 15 điện trở, 2 diode và còn phụ thuộc vào nhà sản xuất. Trong mạch tương đương trên có: đầu vào kích thích, khối so sánh, khối điều khiển chức năng hay công suất đầu ra. Một số đặc tính nữa của IC 555 là : Điện áp cung cấp nằm giữa trong khoảng từ 3V đến 18V, dòng cung cấp từ 3 đến 6mA. Kết cấu bên trong của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bao gồm hai bộ so sánh, một bộ Flip-Flop (ở đây là FF - RS), hai chuyển mạch transistor cùng với 3 điện trở 5 k tạo thành bộ phát sinh điện áp gốc chuẩn. Trong hình ta có thể thấy nguồn điện Vcc thông qua mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 bởi ba điện trở phân áp bên trong của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 làm cho hai mạch điện so sánh bên trong mạch điện tạo thành bộ kích, mức điện kích trên là 2/3 Vcc, mức điện kích dưới là 1/3 Vcc. Vì vậy đầu điều khiển chân 5 nối với bên ngoài điện áp Vc có thể làm thay đổi mức điện kích trên và dưới. Để hiểu kỹ hơn về chức năng của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, ta sẽ cùng tìm hiểu chức năng của từng bộ phận cấu thành nên mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 này: ● Bộ phân áp gồm có 3 điện trở 5kΩ nối nối tiếp với sai số cực nhỏ tạo thành. Bộ phân áp này nối nguồn +Vcc xuống mass cho ra 2 điện thế chuẩn 1/3 Vcc và 2/3 Vcc. ● OP-AMP (1) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ so sánh V-(1) nhận điện áp chuẩn 2/3 Vcc, còn ngõ V+(1) thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp chân số 6 so với điện áp chuẩn 2/3 Vcc mà Op- Amp(1) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu R (Reset) điều khiển Fip-Flop(F/F). ● OP-AMP (2) là mạch khuếch đại so sánh có ngõ V+(2) nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc còn ngõ V-(2) thì nối ra ngoài chân 2. Tuỳ thuộc điện áp chân 2 so với điện áp chuẩn 1/3 Vcc mà Op-Amp(2) có điện áp mức cao hay thấp để làm tín hiệu S (Set) điều khiển Fip-Flop(F/F). ● Mạch Flip-Flop (F/F) là bộ phận chính của mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, là loại mạch lưỡng ổn kích một bên. Khi chân Set (S) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F là ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Set đang ở mức cao xuống thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. Khi chân Reset (R) có điện áp cao thì điện áp này kích đổi trạng thái của F/F làm ngõ Q lên mức cao và ngõ Q xuống mức thấp. Khi ngõ Reset đang ở mức cao xuống mức thấp thì mạch F/F không đổi trạng thái. ● Mạch Output là mạch khuếch đại ngõ ra để tăng độ khuếch đại dòng cấp cho tải. Đây là mạch khuếch đại đảo, có ngõ vào là chân Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp thấp ( 0V) và ngược lại, khi Q ở mức thấp thì ngõ ra chân 3 của IC sẽ có điện áp cao (  Vcc). ● Transistor T1 có chân E nối vào một điện áp chuẩn khoảng 1.4V, là loại Transistor PNP. Khi cực B nối ra ngoài bởi chân 4, có điện áp cao hơn 1.4V, thì T1 ngưng dẫn, nên T1 không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Khi chân 4 có điện trở trị số nhỏ thích hợp nối mass thì T1 dẫn bão hòa, đồng thời cũng làm mạch OUTPUT dẫn bão hòa, và ngõ ra xuống thấp. Chân 4 được gọi là chân Reset có nghĩa là nó Reset IC 555 bất chấp tình trạng ở các ngõ vào khác. Do đó, chân Reset dùng để kết thúc xung ra sớm khi cần. Nếu không dùng chức năng Reset thì nối chân 4 lên Vcc để tránh mạch bị Reset do nhiễu. ● Transistor T2 là Transistor có cực C để hở, nối ra chân 7 (Discharge = xả), là loại Transistor NPN. Do cực B được phân cực bởi mức điện áp ra Q của F/F, nên khi Q ở mức cao thì T2 bão hòa và cực C của T2 coi như nối mass. Lúc đó, ngõ ra chân 3 cũng ở mức thấp. Khi Q ở mức thấp thì T2 ngưng dẫn, cực C của T2 bị hở, lúc đó, ngõ ra chân 3 có điện áp cao. Theo nguyên l ý trên, cực C của T2 ra chân 7 có thể làm ngõ ra phụ có mức điện áp giống mức điện áp của ngõ ra chân 3. Và transistor T2 được đặc biệt thiết kế trong mạch tích hợp gốc chuẩn thời gian để làm một nhiệm vụ khá quan trọng là chuyển mạch phóng điện. Chuyển mạch phóng điện: Mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 trong khi sử dụng, đại đa số là có liên quan đến việc nạp phóng điện. Ví dụ: ứng dụng của mạch điện gốc chuẩn thời gian dùng làm mạch định giờ, thông thường ở đầu vào nối với một mạch điện phóng nạp RC bên ngoài để tạo ra một thời gian đóng cắt của xung đầu ra. Nó là một chu kì hữu hạn để cho tụ điện (C) nạp điện hay phóng điện thông qua điện trở R. Khi tụ C có điện áp nạp tăng tới trị số ngưỡng, trạng thái đầu ra của bộ so sánh phát sinh sự biến đổi, làm cho đầu ra của FF - RS từ mức cao lật trở thành mức thấp, sự biến đổi mức điện đầu ra đó là tín hiệu phân biệt định giờ. Thời gian định giờ này được quyết định bởi hằng số thời gian của mạch điện RC nạp điện và nó có thể tính được thông qua điện trở R và tụ điện C. Mạch nạp RC cơ bản như trên hình trên. Giả thiết tụ điện ban đầu là phóng điện. Khi đóng công tắc thì tụ điện bắt đầu nạp thông qua điện trở. Điện áp qua tụ điện từ giá trị 0 lên đến giá trị định mức vào tụ điện. Đường cong nạp được thể hiện qua hình dưới. Thời gian đó nó để cho tụ điện nạp đến 63.2% điện áp cung cấp và hiểu thời gian này là 1 hằng số. Giá trị thời gian đó có thể tính bằng công thức đơn giản sau: t = RC Đường cong nạp của tụ điện: Để làm cho mạch điện định giờ có thể sử dụng lặp lại, sau khi hoàn thiện một lần phân biệt cần làm cho tụ C có điện tích cần phải phóng hết, để chuẩn bị cho lần phân biệt định giờ sau. Vì vậy trong mạch điện gốc chuẩn thời gian 555 còn đặc biệt thiết kế một chuyển mạch tức là Transistor T2, cực gốc B nối với đầu Q của FF - RS, cực góp C nối vào đầu phóng điện (DIS), cực phát E nối đất GND. Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức thấp (Q = 0, Q = 1), Transistor T2 có cực gốc ở mức cao, transistor T2 bão hòa dẫn thông, làm cho đầu phóng điện (DIS) nối đất loại trừ sụt áp. Khi đầu ra của mạch điện gốc chuẩn thời gian ở mức cao (Q = 1, Q = 0), transistor T2 ngắt, tương đương với đầu phóng điện (DIS) hở mạch, cho nên transistor T2 có tác dụng chuyển mạch, cung cấp cho tụ điện C một đường thông phóng điện xuống đất. III.4. Một số ứng dụng cơ bản của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian: Ứng dụng của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555 có rất nhiều. Sử dụng mạch điện gốc chuẩn thời gian 555, có thể tạo thành rất nhiều hình thức của bộ dao động đa hài tự kích (như hình: đường mạch màu đỏ là dương nguồn, mạch màu đen dưới cùng là âm nguồn). Ở đây ta chỉ xét hai ứng dụng cơ bản nhất của nó là mạch đa hài đơn ổn và phi ổn dùng IC 555. III.4.1. Mạch đa hài phi ổn dùng IC 555: - Mạch phi ổn (còn gọi là mạch dao động đa hài không trạng thái bền) là một mạch dao động tự kích, nó có hai trạng thái không bền, trong quá trình dao động nó luôn tự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác mà không cần có xung kích thích từ bên ngoài. - Mạch phi ổn được sử dụng để tạo ra các xung vuông, nó có rất nhiềuu ứng dụng trong thực tế cũng như trong kỹ thuật. Chẳng hạn người ta sử dụng mạch astable để làm chuông điện ở nhà, làm những mạch đèn chớp nháy dùng cho trang trí, dùng làm các mạch phát xung điều khiển các thiết bị công suất lớn trong kỹ thuật. Mạch phi ổn cơ bản: Khi nối thông nguồn điện, điện áp nguồn Vcc thông qua điện trở RA, RB nạp điện cho tụ C, chân số 6 được nối với chân số 2 nên hai chân này có chung điện áp là điện áp trên tụ C để so sánh với điện áp chuẩn 2/3 Vcc và 1/3 Vcc bởi Op-Amp (1) và Op-Amp (2). Chân 5 nối tụ nhỏ (tụ 103 (10nF)). Chân 4 nối nguồn +Vcc nên không dùng chức năng Reset, chân 7 xả điện được nối vào giữa hai điện trở RA và RB tạo đường xả điện cho tụ (nghĩa là tụ C phóng điện sẽ thông qua RB và chân 7 để hoàn thành). Nguyên tắc hoạt động: Ký hiệu 0 là mức thấp (L) bằng 0V, 1 là mức cao (H) gần bằng Vcc. Mạch FF là loại RS Flip-Flop. Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua RA, RB, với thời hằng (RA+RB)C. * Tụ C nạp từ điện Áp 0V  1/3 Vcc: - Op-Amp(1) có V+(1)(V+ của Op-Amp1) < V-(1) (V-(1) = 2/3 Vcc). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0. - Op-Amp(2) có V+(2) > V-(2) (V+(2) = 1/3 Vcc). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 1 (H), nên S = 1. - R = 0, S = 1  Q = 1, Q = 0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có 0V Vcc (do qua mạch khuếch đại đảo). Transistor T2 có VB2 = 0 do Q = 0 nên transistor hồi tiếp không dẫn và để tụ C được nạp điện. Khi điện áp trên tụ C tăng đến 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái. * Tụ C tiếp tục nạp từ điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc: - Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0. - Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0. - R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 1, Q = 0). Transistor vẫn không dẫn. Khi điện áp trên tụ C tăng đến 2/3 Vcc thì Op-Amp(1) đổi trạng thái. * Tụ C nạp qua ngưỡng 2/3 Vcc: - Op-Amp(1) có V+(1) > V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 1 (H), nên R = 1. R R - Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0. - R = 1, S = 0  Q = 0, Q = 1. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có 0 0V V (do qua mạch khuếch đại đảo). Do Q = 1 nên transistor T2 dẫn bão hoà và chân 7 nối masse làm tụ điện C không nạp tiếp được mà phải xả điện qua RB và transistor T2 xuống masse. Tụ C xả qua RB với thời hằng là RBC. - Tụ C xả, làm cho điện áp tụ giảm xuống dưới 2/3 Vcc, khi đó Op-Amp(1) đổi trạng thái. * Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2/3 Vcc  1/3 Vcc: - Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0. - Op-Amp(2) có V+(2) < V-(2). Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 0 (L), nên S = 0. - R = 0, S = 0  Q và Q sẽ giữ trạng thái trước đó (Q = 0, Q = 1). Transistor vẫn dẫn. Khi điện áp trên tụ C giảm đến mức 1/3 Vcc thì Op-Amp(2) đổi trạng thái. * Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3: - Op-Amp(1) có V+(1) < V-(1). Do đó ngõ ra của Op-Amp(1) có mức logic 0 (L), nên R = 0. - Op-Amp(2) có V+(2) > V-(2) . Do đó ngõ ra của Op-Amp(2) có mức logic 1 (H), nên S = 1. - R = 0, S = 1  Q = 1, Q = 0. Lúc đó, ngõ ra chân 3 có 0V Vcc (do qua mạch khuếch đại đảo). Lúc đó transistor T2 mất phân cực (VB2 = 0 do Q = 0) nên transistor ngưng dẫn đồng thời chấm dứt giai đoạn xả của tụ điện. Như vậy mạch đã trở lại trạng thái ban đầu và tụ C lại được nạp điện với điện áp ban đầu là 1/3 Vcc, lên mức 2/3 Vcc, hiện tượng này sẽ tiếp diễn liên tục và tuần hoàn. Tóm lại: Trong quá trình hoạt động bình thường của mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh điện áp 1/3 Vcc  2/3 Vcc. (Xem đường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên). Khi mở điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là 0V, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2/3 Vcc. Nạp điện với thời hằng là (RA+RB)C. Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2/3 Vcc, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng 1/3 Vcc chứ không phải là 0V. Xả điện với thời hằng là RBC. Những chu kỳ sau tụ nạp từ 1/3 Vcc lên 2/3 Vcc chứ không nạp từ 0V nữa. Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, thời gian mức 0 ở ngõ ra là thời gian xả điện. Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUTPUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định. Công thức tính các giá trị trong mạch: Để tính chu kỳ dao động T của 1 mạch dao động tạo xung ta cần phải tính được thời gian khi nạp và xả của tụ điện. Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn của transistor là : T = RCln2 =0.693RC Thời gian ngưng dẫn ở mức áp cao cũng là lúc tụ C nạp dòng qua R1+R2 Tn = 0.693(RA+RB)C Thời gian ngưng dẫn ở mức áp thấp cũng là lúc tụ C xả dòng qua R2 Tx = 0.693RBC Như vậy điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ của tín hiệu sẽ là: T = Tn+Tx T = 0.693(RA+2RB)C Do thời gian nạp và thời gian xả không bằng nhau (Tn > Tx) nên tín hiệu hình vuông ra không đối xứng. Tần số của tín hiệu hình vuông: 1 1 0.693( 2 )A B f T R R C    Như vậy khi thay đổi các điện trở R1, R2 và giá trị tụ C ta sẽ thu được dao động có tần số và độ rộng xung theo ý muốn. Từ các công thức trên ta có thể tạo ra một dao động xung vuông có độ rộng Tn và Tx bất kỳ. Trong các bài toán thiết kế mạch thực tế: nếu muốn thay đổi độ lớn tần số dao động của mạch thì chỉ cần thay đổi giá trị của RA,RB hoặc của C. Mạch phi ổn đối xứng : Trong mạch phi ổn cơ bản , do thời gian nạp và thời gian xả của tụ không bằng nhau nên dạng điện áp ở ngõ ra không đối xứng. Ta có : Tn = 0.693(RA+RB)C Tx = 0.693RBC Để cho dạng sóng vuông ở ngõ ra đối xứng người ta có thể thực hiện bằng nhiều cách: Cách thứ 1: Chọn điện trở RA có trị số rất nhỏ so với RB thì lúc đó sai số giữa Tn và Tx coi như không đáng kể. Điều này khó thực hiện nếu làm việc ở tần số cao. Điện trở RA có trị số tối thiểu khoảng vài KΩ thì RB phải có trị số rất lớn khoảng vài trăm KΩ. Với các trị số điện trở này thì tần số dao đông không thể cao được. Cách thứ 2 : Dùng diode D ghép song song RB theo chiều hướng xuống như hình vẽ. Khi có diode D, thời gian tụ C nạp làm diode D được phân cực thuận có điện trở rất nhỏ nên coi như nối tắt RB. Thời gian nạp điện của tụ được tính theo công thức: Tn  0.693RAC Khi tụ C xả điện thi Diode được phân cực ngược nên tụ vẫn xả điện qua RB. Thời gian xả điện của tụ được tính theo công thức : Tx  0.693RBC. Nếu chọn trị số RA = RB thì mạch sẽ tạo ra tín hiệu hình vuông đối xứng . Thật ra trong mạch điện (hình a) khi tụ nạp dòng điện phải qua RA và điện trở thuận của Diode nên thời gian nạp vẫn lớn hơn thời gian xả một ít. Để cho tín hiệu thật đối xứng thì ghép thêm Diode nối tiếp với điện trở RB (như hình b), như vậy cả hai trường hợp nạp và xả đều có Diode. Điều kiện của hai mạch trên là RB phải có trị số khá lớn so với điện trở thuận của Diode. Mạch phi ổn điều chỉnh tần số và chu trình làm việc: Ta thấy nếu khi ta chỉ thay đổ._.hông đúng với kích thước của linh kiên trong thực tế, do đó để tiết kiệm thời gian phải chọn lại các footprint không mong muốn đó, chúng ta không cần phải check vào Run ECO to Layout khi tạo ra file.MNL. Khi đó, khi file.MNL được load ở Layout, các footprint sẽ được chọn bằng tay và chúng ta chọn các footprint phù hợp với kích cỡ của linh kiện thực tế. Như vậy chúng ta đã hoàn tất công việc vẽ một sơ đồ nguyên lý trong OrCad Capture. Chú ý là Create Netlist tạo filename.MNL chỉ khi sơ đồ mạch điện được vẽ không có bất kỳ lỗi nào. VI.2. Vẽ mạch in bằng Layout: Công cụ này dùng để sắp xếp các phần tử thực của mạch điện trên một bảng mạch. Bảng mạch in (Printed Circuit Board – PCB) được dùng để hỗ trợ việc kết nối các thành phần của bảng điện tử, trên đó đường nối giữa các phần từ được tạo ra bằng các cho axit ăn mòn lớp đồng nằm trên các phiến không dẫn điện. Các phần tử được định vị trên bảng mạch nhờ các lỗ cắm. Với công cụ này chúng ta có thể sắp xếp các phần tử thực của mạch điện một cách hợp lý và khoa học. Đầu ra của công cụ này là một bảng mạch in trên đó có các dấu của đường dẫn cũng như vị trí của các lỗ cắm linh kiện, từ đó nhà sản xuất có thể sử dụng các máy điều khiển số để khoan lỗ cũng như cho ăn mòn các tấm bakelet đồng để tạo đường dẫn của mạch điện. Với OrCAD chúng ta có thể kết nối với các máy sản xuất số tạo nên dây chuyền sản xuất sản phẩm từ quá trình thiết kế mạch nguyên lý cho đến sản phẩm thực. VI.2.1. Xây dựng mạch với Orcad Layout: a. Khởi động Orcad Layout Chạy file: Layout.exe (Start → All Programs → Orcad Family Release 9.2 → Layout ) hoặc double click vào biểu tượng trên thì chúng ta sẽ thấy một giao diện xuất hiện Đây có thể xem là khung màn hình tiền chương trình Layout để chúng ta có thể tạo mới, mở, add vào hay xuất ra các tập tin bản vẽ hoàn chỉnh. b. Tạo Project mới Chọn File → New ta sẽ thấy một hộp thoại xuất hiện như hình bên. Sau khi chọn file template cần load thì một hộp thoại khác lại xuất hiện yêu cầu mở file.MNL mà chúng ta đã tạo ra trong phần OrCAD Capture. Chọn file kết xuất của quá trình tạo Netlist, Layout sẽ yêu cầu đặt tên file layout.max, mặc nhiên có tên giống tên project đã đặt. Sau đó chọn đường dẫn thích hợp để lưu file.max. Nếu các linh kiện trong mạch thiết kế là các linh kiện mới và chưa từng liên kết đến thư viện footprint của Layout lần nào thì nó yêu cầu chúng ta phải liên kết đến footprint. c. Liên kết đến footprint Đây là giai đoạn khó, đòi hỏi kinh nghiệm để liên kết các Footprint đến từng loại linh kiện được sử dụng trong mạch. Hộp thoại Link Footprint to Component sẽ hiện ra, yêu cầu chọn chân linh kiện (Footprint) tương ứng cho các linh kiện trong mạch in. Ví dụ trong hình là linh kiện Q13 mang tên IRF9540N/TO ta chọn Footprint cho nó bằng cách bấm vào nút Link existing footprint to compenent … Đây là phần gây bối rối cho không ít người khi mới sử dụng Layout vì chân linh kiện có sẵn của Orcad quá nhiều, sắp xếp theo mục rất bài bản mà ta thì chưa hiểu gì về các chuẩn chân của các linh kiện, ví dụ như T092, T0220 … Ở hộp thoại chọn chân linh kiện, ta thêm thư viện đi kèm vào bằng cách ấn nút Add … Nhắp chuột vào các mục trong thư viện, chọn footprint tương ứng cho linh kiện Một số footprint thông dụng: - Thư viện TO: TO92 (trans. C828, C1815, C535, … ) TO202 (trans. H1061, IC ổn áp họ 78xxx, 79xxx …) - Thư viện DIP100T: /W.300 (các IC cắm từ 14-20 chân) /W.600 (các IC cắm từ 24-40 chân ). - Thư viện TM_CAP_P là footprint của các loại tụ điện. Thư viện TM_CYLND là footprint của các loại tụ điện. Thư viện TM_DIODE là footprint của các loại diode hay LED. VI.2.2. Các thành phần chính trên giao diện của chương trình Layout: a. Thanh công cụ: Open, Save Mở, lưu trang vẽ Library Maneger: Quản lí thư viện các kiểu chân hàn Delete: Xóa thành phần đã chọn Find: Tìm kiếm thành phần trên bản vẽ Edit: Hiển thị và sửa đổi các thuộc tính của thành phần đã chọn Spreadsheet: Quản lí các thành phần trên trang vẽ. Công cụ Zoom. Query: Hiển thị các điểm nghi vấn trên trang vẽ. Component: Công cụ để xử lí các thành phần (linh kiện). Pin: Công cụ để chọn và xử lí các chân hàn. Obstacle: Công cụ để chọn và xử lí các đường ngăn cách. Text: Công cụ để xử lí văn bản. Connection: Công cụ để xử lí các đường kết nối mạch. Error: Dò tìm các lỗi trên trang vẽ. Color: Định màu sắc. Online DRC: Tắt mở chức năng kiểm các quy tắc định trước. Reconnect: Tắt mở việc hiển thị các đường mạch in đã vẽ. Auto path round: Công cụ vẽ đường mạch in tự động cho từng kết nối. Shove track: Công cụ để xê dịch các đường mạch in (có kiểm tra các quy tắc định trước). Edit segment: Dịch chuyển đoạn nối mạch in. Add/Edit route: Vẽ mới hoặc sử đổi các đường mạch in (thủ công). Refresh all: Làm tươi trang vẽ. Design Rule Check: Kiểm tra các quy tắc đã định trước. b. Thanh trạng thái: : Hiển thị tọa độ hiện tại của con trỏ. : Hiển thị và cho phép chọn lớp mạch in. c. Một số menu lệnh cơ bản: Menu File Chứa các lệnh liên quan đến việc tạo mới, mở, add vào hay xuất ra các tập tin đối tượng vào Layout hay sang các thành phần khác (của phần mềm thiết kế mạch khác như Protel, PCAD PCB …) New Nếu chúng ta chọn New, chúng ta sẽ dễ dàng tạo bảng mạch in mới với File.MNL mà chúng ta đã tạo ra trong phần OrCAD Capture 9.2 ở phần trước. Khi chọn lệnh New từ menu File, màn hình hiện khung thoại Load Template File trong đó có chứa tập tin các board mạch kỹ thuật mẫu với board mạch trống hoặc những board mạch có chứa sẵn các linh kiện cố định nếu như ta đã tạo board mạch theo yêu cầu của sơ đồ chi tiết mạch điện. Sau đó, chương trình Layout sẽ yêu cầu người dùng tạo hoặc mở tập tin .MNL. (Tập tin .MNL đã được tạo ra trong chương trình OrCAD Capture). Open Lệnh Open liệt kê tất cả các tập tin .MAX đang nằm trong thư mục hiện hành. Để mở file.MAX chúng ta chỉ cần chọn file cần mở sau đó chọn Open là xong hay chúng ta có thể nhấp double click chuột vào file đã chọn. Import Cho phép chúng ta mở hay du nhập một file đã được tạo ra từ các phần mềm thiết kế mạch khác như Protel PCB, CadStar PCB … Export Cho phép chúng ta chúng ta xuất file.MAX đã được tạo ra từ OrCAD Layout sang các phần mềm thiết kế mạch in khác như CadStar PCB, Protel PCB … Menu Tools Menu Tools co các chức năng sau: Library Manager (Quản lý thư viện) Cho phép người dùng edit hay tạo mới một footprint của một linh kiện nào đó. Từ đây ta có thể tạo hay sưu tập một thư viện footprint linh kiện mà có thể hay sử dụng cho các thiết kế sau này của mình (khi chuyển về vẽ thiết kế các board mạch). Orcad Capture Cho phép ta mở chương trình thiết kế mạch nguyên lý OrCAD Capture từ chương trình vẽ board mạch OrCAD Layout. Ngoài ra còn các chức năng khác như SmartRout cho phép ta vẽ mạch thông minh, Edit App Settings, Reload App Settings VI.2.3. Đặt footprint và sắp xếp linh kiện trên board mạch Sau khi liên kết các footprint đến toàn bộ các loại linh kiện, Orcad tự động load các footprint như hình vẽ Tắt chế độ Reconnect mode để ẩn các đường nối vàng đi cho đỡ rối, sau đó bắt đầu sắp xếp linh kiện cho khoa học. Tìm kiếm linh kiện và chỉnh sửa footprint linh kiện. Khi các footprint được load thông thường chúng không đúng như yêu cầu của người thiết kế. Do đó, yêu cầu phải tìm đúng footprint cho phù hợp với từng loại linh kiện thực tế để khi tạo ra board mạch in sao cho tối ưu nhất. Cách thực hiện như sau: Chọn footprint linh kiện cần thay đổi trên board mạch vừa load, sau đó click chuột phải và chọn Properties trong menu dọc xuất hiện. Sau khi chọn Properties thì một hộp thoại xuất hiện để chọn loại footprint thích hợp như hình minh họa dưới. Click chuột vào Footprint, sau đó sẽ thấy một hộp thoại cho phép chọn footprint thích hợp. Từ hộp thoại Select Footprint cho phép người thiết kế lựa chọn footprint thích hợp theo ý thích của mình. Tuy nhiên, nếu các footprint có trong Select Footprint đó không phù hợp thì yêu cầu phải tạo mới footprint đó cho phù hợp về kích thước của linh kiện. Định dạng và kích thước board mạch • Nhấp chuột vào biểu tượng ‘Obstacle Tool’ Vẽ bao hình bên ngoài của board mạch Khi vẽ xong đường bao khép kín, double click chuột vào đường bao hay click chuột vào đường bao khi thấy con trỏ có dấu + nhỏ xuất hiện rồi click phải chuột. Sau đó chọn Properties, xuất hiện cửa sổ cho đặt độ rộng đường bao. • Thiết lập đơn vị đo và hiển thị, nó cũng là đơn vị thể hiện độ rộng của đường mạch in (net) trong board mạch. Mục đích của vấn đề này là giúp cho người thiết kế mạch in kiểm soát được độ rộng của các nets trong board mạch cũng như kích thước của board outline. Sau khi click chuột vào Options\ System Setting (hay dùng phím nóng Ctrl+G). Chúng ta sẽ thấy một hộp thoại xuất hiện, từ đây ta có thể đặt các đơn vị thiết kế, đơn vị hiển thị như Mils, Inches, Microns, Millimeters hay Centimeter. Chúng cũng cho phép thay đổi lưới hiển thị, lưới vẽ, đặt lưới nếu cần thiết. • Đo kích thước board: ‘Tool’ → ‘Dimension’ → ‘Select tool’, sau đó đo độ dài và độ rộng đường bao. Mục đích của cách làm này là cho người thiết kế biết được kích thước của board mạch mình thiết kế có kích thước bao nhiêu, có lớn so với kích thước thực tế của board mạch in mà mình đang có để từ đó có cách điều chỉnh thích hợp, sắp xếp lại linh kiện trong đường bao hợp lý với một khoảng cách hợp lý nhất. Lưu ý rằng đơn vị đo khoảng cách này có cùng đơn vị đo với đơn vị được đặt trong Menu Options\System\Settings. Muốn thay đổi đơn vị hiển thị và cũng như đơn vị đo, vào Menu Options\System\Settings để đặt lại. Tuy nhiên, đơn vị đó trên board outline sẽ không tự động thay đổi theo, để chúng có thể thay đổi ta phải vào Tool\Dimension\Select Tool hay New, sau đó click chuột vào thước đo khi thấy con trỏ chuột chuyển sang dấu + (nhỏ) rồi xê dịch thì lúc này đơn vị đo sẽ thay đổi theo đơn vị đo vừa đặt lại. Vẽ board outline Chọn công cụ vẽ board outline và vẽ, sau đó double click lên board outline để thiết lập các thông số, ta có hộp thoại như sau: Đặt linh kiện Sau khi thiết lập các thông số cho bản vẽ, ta bắt đầu sắp xếp linh kiện. Trước khi đặt linh kiện trên bản vẽ, ta phải đảm bảo rằng trên bản vẽ đã có board outline trên tất cả các lớp vẽ. Để kiểm tra Board outline và những vùng cấm, chọn spreadsheet / obstacles như hình bên dưới. Lock linh kiện (dễ dàng cho việc sắp xếp linh kiện trên bản vẽ) và thay thế linh kiện (trường hợp ta thiết kế sẵn footprint cho linh kiện) Sắp xếp linh kiện lên board mạch: • Nhấp chuột vào biểu tượng ‘Component tool’ • Để di chuyển linh kiện nào, ta nhấp chuột vào linh kiện đó, sau đó, khi nhả chuột ra và di chuyển thì linh kiện sẽ được di chuyển theo. • Đến vị trí muốn đặt linh kiện, thì nhấp chuột lần nữa • Việc bố trí linh kiện là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định, dễ vẽ, thẩm mỹ, … VI.2.4. Vẽ mạch: Xác định số lớp mạch cần vẽ Trong mục này ta cần phải xác định mạch in chúng ta cần vẽ là bao nhiêu lớp. Trong OrCad Layout ta có thể vẽ được rất nhiều lớp mạch in nhưng do trên thị trường trong nước chỉ có bán mạch in tối đa là 2 lớp và một mặt do hạn chế về mặt công nghệ nên cho dù ta có vẽ được mạch in nhiều lớp thì ta cũng không thể nào rửa mạch được. Do đó nên chọn số lớp mạch thích hợp với nhu cầu thực tế, tuỳ theo mức độ phức tạp của mạch mà có thể chọn vẽ mạch in một lớp hoặc hai lớp. Để ấn định số lớp mạch in ta chọn Orcad có thể vẽ tự động trên số lớp đã đặt. Tuy nhiên, các mạch phức tạp đòi hỏi nhiều thao tác vẽ tay. Trước khi routing, ta nên chỉnh một số thông số như: độ rộng của đường mạch, khoảng cách giữa các đường mạch. Muốn thay đổi các thông số này vào View Spreadsheet\Nets\Bôi đen tất cả\ Min Width, Conn Width, Max Width là độ rộng của Net mạch in Vẽ mạch tự động: - Để vẽ tự động: Chọn ‘Auto’ → ‘Autoroute’ → ‘Board’ - Orcad cho phép đặt nhiều chiến lược vẽ khác nhau. Ngoài ra, trước khi vẽ tự động, cần đặt các thông số như: độ rộng đường vẽ, khoảng cách đường - đường, đường - chân linh kiện, … Sau khi vẽ xong,ta cần kiểm tra lại sự đúng đắn của mạch điện bằng cách click chuột vào DRC trên thanh công cụ. Nếu mạch vẽ có lỗi hoặc cảnh báo thì sẽ có những vòng tròn màu đỏ, khi đó phải sửa hết tất cả các lỗi này thì mạch in thiết kế ra mới đảm bảo không bị chạm nhau. Vẽ mạch bằng tay Việc vẽ bằng tay, tuỳ thuộc vào 3 chế độ vẽ: AutoPath Route Mode Add/Edit Route Mode Edit Segment Mode Sau khi chọn chế độ vẽ thích hợp, ta nhấp chuột vào đường vẽ để sửa đổi hoặc vẽ đường mới từ chân này đến chân khác. Thông thường, vẽ tự động xong, đòi hỏi phải có thao tác chỉnh sửa bằng tay. VI.2.5. Đổ đồng: Chọn Obstacle Tool, right-click vào mạch in và chọn New, tiếp tục right-click chọn properties - >hiện ra hộp thoại Edit Obstacle. Tại mục Obstacle type chọn Copper pour. Tại mục Osbtracse layer chọn lớp in cần vẽ. Tại mục Clearance chọn bề dày lớp in. Tại mục Net attackment là phần mà ta muốn liên kết (VD Ground or Power). Nhấn OK Sau đó, kích trái chuột, giữ và rê chuột ngang qua bản mạch in. VI.3. Mô phỏng với chương trình Pspice: Để thuận tiện cho việc tính toán, thiết kế các thiết bị điện tử, người ta thường thay thế các mạch điện thực tế bằng các mô hình thay thế và các sơ đồ mạch điện tương đương. Việc phân tích các mạch điện nhằm dự đoán và kiểm tra khả năng làm việc của các thiết bị điện tử hoặc nhằm đưa ra các sản phẩm phù hợp với yêu cầu đặt ra. Phương pháp thực tế để kiểm tra một mạch điện là xây dựng chúng. Tuy nhiên, từ những năm 1970, khi mà các thành phần của một mạch tích hợp có kích thước ngày càng nhỏ bé thì việc xây dựng các vi mạch này trở nên rất khó khăn. Bên cạnh đó, những tác động vật lý - âm thanh, ánh sáng... không ảnh hưởng đến những mạch điện thông thường nhưng lại gây nhiễu rất lớn đối với các vi mạch. Vì vậy việc lắp ráp các vi mạch từ các thành phần thực trong phòng thí nghiệm đòi hỏi nhiều thời gian, công sức và tiền bạc. Sự phát triển của công nghệ thông tin cho phép xây dựng các phần mềm mô phỏng và phân tích quá trình làm việc của mạch điện tử. Khi đó ta có thể xây dựng, thử nghiệm, khảo sát hoạt động của mạch ứng với các trường hợp cũng như thay đổi các thông số kỹ thuật và khảo sát ảnh hưởng của chúng đến quá trình làm việc của toàn mạch. Do đó tăng tính mềm dẻo và khả năng khảo sát nhiều trường hợp, tình huống khác nhau. Vấn đề khó khăn khi sử dụng các phần mềm đó là tính chính xác của các mô hình. Nếu các mô hình không có các đặc tính giống như các phần tử thực thì việc mô phỏng là vô nghĩa. PSpice (Power Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis): Được phát triển bởi hãng MicroSim, là một trong những phiên bản thương mại được phát triển từ Spice và trở thành một phần mềm mô phỏng mạch điện phổ biến trên thế giới. PSpice có cùng các giải thuật và cấu trúc như Spice. Nó cho phép ta mô phỏng các thiết kế trước khi bắt tay vào xây dựng phần cứng. Các chương trình mô phỏng cho phép chúng ta quan sát ứng xử của mạch điện cũng như những thay đổi của chúng khi ta thay đổi các tín hiệu đầu vào hoặc giá trị của các thành phần trong mạch điện. Do đó có thể kiểm tra lại các thiết kế được coi là đã hoàn thành để xem chúng có chạy đúng trong thực tế hay không. PSpice chỉ mô phỏng và tiến hành các phép đo kiểm tra chứ không phải là phần thiết kế các mạch điện. Sơ đồ sau mô tả các bước cần thực hiện để mô tả một mạch điện bằng PSPICE: Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này đó chính là tính trực quan. Người dùng dễ dàng chuyển đổi từ sơ đồ mạch bình thường sang kiểu sơ đồ mạch dùng cho quá trình mô phỏng. Với những ưu điểm của giao diện đồ họa, phương pháp này giúp người dùng dễ dàng quan sát, xây dựng cũng như thiết lập các giá trị cho các thành phần cũng như xác định các kiểu mô phỏng và quan sát kết quả. VI.3.1. Xây dựng sơ đồ mạch với CAPTURE Tạo một dự án mới - Khởi động chương trình OrCAD CAPTURE - Tạo một dự án mới: File / New / Project - Nhập tên và địa chỉ của dự án mới - Chọn Analog Or Mixed A/D Hình : Tạo một dự án mới - Sau khi nhấn nút OK ở hộp thoại New Project, hộp thoại Create PSpice Project sẽ hiện ra, đánh dấu chọn Create a blank project và nhấp chọn OK Khi đó sẽ có một hộp thoại xuất hiện để xác nhận chương trình mô phỏng được sử dụng, ở đây chương trình mặc định là PSpice A/D nên ta chọn OK để tiếp tục. Một trang mới được mở ra trong trình quản lý dự án Project Design Manager như hình. Hình : Giao diện chính của chương trình OrCAD CAPTURE Thêm các linh kiện và kết nối chúng với nhau - Chọn cửa sổ Schematics, đây là khu vực để xây dựng mạch - Để thêm vào các phần tử, chọn từ thực đơn Place / Part(nhấn phím P), hoặc kích vào biểu tượng Place Part , khi đó hộp thoại Place Part sẽ xuất hiện. - Lựa chọn thư viện chứa các thành phần cần dùng. Có thể chọn theo danh sách các thành phần của thư viện hiện hành trong phần Part List hoặc đánh chữ cái đầu của tên thành phần ở ô Part. Nếu thư viện hiện thời không chứa thành phần cần dùng, kích vào nút , cửa sổ Add Library sẽ xuất hiện, hãy chọn thư viện phù hợp. Để mô phỏng bằng PSpice, ta phải chọn các thư viện từ thư mục Capture/Library/PSpice. Hình : Cửa sổ Place Part Một số thư viện thông dụng dùng trong mô phỏng mạch điện với PSpice bao gồm: Analog: chứa các phần tử thụ động (R,L,C), hỗ cảm, đường truyền và các nguồn dòng, nguồn áp phụ thuộc (nguồn áp phụ thuộc điện áp E, nguồn dòng phụ thuộc dòng điện F, nguồn dòng phụ thuộc điện áp G và nguồn áp phụ thuộc dòng điện H). Source và Sourcetm: bao gồm các loại nguồn dòng và nguồn áp độc lập như Vdc, Idc, Vac, Iac, Vsin, Vexp, xung... -VDC: nguồn áp một chiều -VAC: nguồn áp xoay chiều -VSIN: nguồn áp (dạng sin) -VEXP: nguồn áp (dạng hàm mũ) -VPULSE: nguồn áp (dạng xung) -IDC: nguồn dòng một chiều -IAC: nguồn dòng xoay chiều -ISIN: nguồn dòng (dạng sin) -IEXP: nguồn dòng (dạng hàm mũ) -IPULSE: nguồn dòng (dạng xung) ….. Còn rất nhiều thư viện khác bao chứa các thành phần của mạch điện như các linh kiện điện tử công suất như diode, transistor, thyristor, mosfet, các cổng logic, các thiết bị giao tiếp... - Sau khi đã đặt hết các thành phần của mạch điện vào sơ đồ ta nối các phần tử lại với nhau bằng một trong các cách sau: sử dụng câu lệnh Place / wire từ thanh công cụ của chương trình; nhấn phím w hoặc kích vào biểu tượng trên thanh công cụ. - Có thể gán tên cho các nút bằng việc sử dụng chọn Place / Net Alias, sau đó sẽ chọn nút và tên cho từng cái. Gán tên và giá trị cho các phần tử - Thay đổi giá trị của các linh kiện bằng cách nháy kép vào con số nằm bên cạnh điện trở sau đó ghi giá trị của linh kiện vào trường Value của hộp thoại Display Properties. Ta cũng có thể nháy kép vào dòng chữ bên cạnh của phần tử để thay đổi tên hoặc gán tên cho phần tử này. - Đặt tên cho các nút cần khảo sát. - Lưu dự án. Danh sách Nút lưới Danh sách các nút lưới bao gồm toàn bộ các phần tử của mạch được liệt kê theo cấu trúc như được trình bày trong phần 2 ở trên. Để tạo ra các nút lưới từ sơ đồ mạch nguyên lý, ta có thể dùng lệnh Pspice / create netlist từ menu của chương trình. Danh sách này được lưu trong tệp tin có đuôi .net và được quản lý bằng trình quản lý dự án, ta có thể chọn vào tệp tin này để xem nội dung bên trong của nó. VI.3.2. Thanh công cụ trong orcad capture hỗ trợ cho việc mô phỏng: VI.3.3. -Voltage/level : que đo hiển thị điện áp tại các nút trong mạch điện. -Current maket : que đo hiển thị dòng điện tại các điểm trong mạch điện. -Power dissipation maket : que đo hiển thị công suất tại các điểm trong mạch điện. -Voltage differential maket : que đo hiển thị điện áp bất kì tại hai điểm trong mạch điện -Enable bias current display : hiển thị dòng điện một chiều tại tất cả các điểm trong mạch điện. -Enable bias voltage display : hiển thị điện áp một chiều tại tất cả các điểm trong mạch điện. - Enable bias power display : hiển thị công suất một chiều tại tất cả các điểm trong mạch điện. -New simulation profile : đánh tên, bài mô phỏng. -Edit simulation setting : chọn loại mô phỏng. -Run : chạy mô phỏng. -View simulation result : xem lại kết quả mô phỏng VI.3.4. Xác định kiểu phân tích và mô phỏng Như đã trình bày ở trên, PSpice cho phép chúng ta phân tích một chiều, xoay chiều, phân tích động, quá độ với khai triển Fourier... Ở đây ta có thể chia ra làm hai loại: - Mô phỏng tương tự. - Mô phỏng số. a. Mô phỏng tương tự: Mô phỏng transient: Mục đích: Biểu diễn dạng sóng biến đổi theo thời gian tại các điểm mà ta muốn. Điều kiện: Có một nguồn biến đổi theo thời gian hoặc được gán cho các giá trị tạm thời Cách tiến hành: - Chọn mạch cần mô phỏng - Tạo một hồ sơ mô phỏng bằng việc chọn Pspice / New Simulation Profile hoặc chọn biểu tượng trên màn hình. - Trong hộp thoại New Simulation, đánh một tên có ý nghĩa mô tả vào ô Name. Chọn none trong danh sách Inherit From sau đó nhấn vào nút Create để tạo hồ sơ. Hình : Tạo một hồ sơ mô phỏng - Ở cửa sổ Simulation Settings: + Tại mục Analyis type: chọn time Domain + Tại mục Run to time: chọn thời gian cần mô phỏng + Tại mục Start saving data affer: chọn thời gian bắt đầu + Tại mục Maximum step size: chọn bước nhảy + Nhấn Apply , sau đó nhấn OK - Tiến hành quá trình mô phỏng: chọn PSpice / Run Chú ý: Muốn mô phỏng thông số nào, tại nút nào trong mạch thì đặt que đo thông số đó vào tại nút đó. - Khi hộp thoại mới mở ra, ta có thể xem quá trình mô phỏng có thành công hay không. Các lỗi của chương trình sẽ được liệt kê ở tệp đầu ra. - Để quan sát kết quả của quá trình mô phỏng phân tích một chiều, ta có thể mở tệp đầu ra hoặc quay trở lại sơ đồ mạch và kích vào biểu tượng V (Cho phép hiển thị điện áp dịch) hoặc I (dòng điện dịch) hoặc W (công suất tiêu tán trên các phần tử). Trong cửa sổ Pspice A/D của kết quả mô phỏng : -Fourier : chuyển dạng sóng theo miền thời gian sang dạng w (biến đổi Fourier). -Add Trace chứa kết quả mô phỏng tại các nút trong mạch điện. -Toggle cursor : cho phép hiển thị toạ độ các điểm trên đồ thị kết quả. -Plot -> Axis Setting : để thay đổi trục đo của đồ thị Quét DC Quét DC sơ cấp (DC sweep primany) Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch tại bất kì một nút nào đó trong mạch điện ứng với một dải giá trị của một nguồn cho trước. Điều kiện: Có một nguồn trong mạch điện được gán một dải giá trị nhất định ứng với một bước nhảy nhất định. Các nguồn được sử dụng trong quét DC: -VDC, VSRC -IDC, ISRC Các thông số quét: -Voltage source -Current source -Globol parameter -Model parameter -Temperature Cách tiến hành mô phỏng: - Chọn mạch mô phỏng - Từ Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng trên màn hình. Xuất hiện hộp thoại new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào name, sau đó nhấn create. Xuất hiện hộp thoại simulation settings. Chọn Analysis. + Tại mục Analysis type: chọn DC sweep + Tại mục options: chọn Primary Sweep + Tại mục Sweep variable: chọn thông số cần quét + Tại mục Name: nhập tên của nguồn được ấn định dải giá trị cho trước. + Tại mục Start value: nhập giá trị ban đầu + Tại mục End value: nhập giá trị kết thúc + Tại mục Increment: nhập bước nhảy +Nhấn Apply, sau đó nhấn OK - Nhấn Run để chạy mô phỏng. Quét DC thứ cấp (secondary sweep): Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch tại bất kì một nút nào đó trong mạch điện ứng với một nguồn quét DC trong một dải nhiệt độ nhất định. Trong đó, sự thay đổi của nguồn thứ nhất được quét theo từng bước thay đổi của nguồn thứ hai. Điều kiện: Phải thiết lập hai nguồn có giá trị thay đổi trong khoảng nhất định, với những bước nhảy nhất định. Cách tiến hành: - Chọn mạch mô phỏng - Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng trên màn hình. Xuất hiện hộp thoại new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào mục name ,sau đó nhấn create Xuất hiện hộp thoại simulation settings. Chọn Analysis. + Tại mục Analysis type: chọn DC sweep. + Tại mục options: chọn secondary DC sweep. + Tại mục Sweep variable :temperature. + Nhập dải nhiệt độ cần quét tại các mục start value, end value, increment. + Thiết lập hai nguồn DC như đã trình bày ở phần quét DC sơ cấp. +Nhấn Apply, sau đó nhấn OK. - Nhấn Run để chạy mô phỏng. Quét AC: Mục đích: Cho phép đáp ứng của mạch theo sự thay đổi của một dải tần số của một nguồn AC. Điều kiện: Có một nguồn AC trong mạch. Các nguồn AC thường dùng trong chế độ quét AC: - VAC, VSRC: nguồn áp. - IAC, ISRC: nguồn dòng . Cách tiến hình mô phỏng: - Chọn mạch mô phỏng. - Pspice -> New simulation profile hoặc chọn biểu tượng trên màn hình. Xuất hiện hộp thoại new simulation, đánh tên bài mô phỏng vào mục name ,sau đó nhấn create. Xuất hiện hộp thoại simulation settings. Chọn Analysis + Tại mục Analysis type: chọn AC sweep + Tại mục options :chọn genaral settings + Tại AC sweep type: chọn logarithmic. + Tại start frequency: chọn tần số bắt đầu. + Tại end frequency : chọn tần số kết thúc. + Tại point /decade : chọn số điểm. +Nhấp Apply, sau đó nhấp OK. - Nhấn Run để chạy mô phỏng. b. Mô phỏng số: *Công việc trước tiên của mô phỏng số cũng giống như mô phỏng tương tự là vẽ sơ đồ nguyên lý. *Các nguồn tín hiệu được sử dụng trong mô phỏng số có 2 loại: - Các nguồn tín hiệu được lấy từ thư viện SOURCE giống như trên, chỉ cần lấy ra từ thư viện và nhấp phải chuột chọn edit properties và thay đổi các thông số mong muốn. Các nguồn đó là: + Filestim1 : 1 bit + Filestim2 : 2 bit + Filestim4: 4 bit + Filestim8: 8 bit + Filestim16: 16 bit + Filestim 32: 32 bit + Digclock: xung đồng hồ. -Các nguồn tín hiệu được lấy từ thư viện SOURCETM thì sau khi lấy ra được định nghĩa theo các nguồn tín hiệu mong muốn như: nguồn tín hiệu rời rạc, nguồn xung clock hay là 1 bus. Cách định nghĩa như sau : - Lấy nguồn ra từ thư viện SOURCE - Nhấp phải vào nguồn lấy ra và chọn edit -> pspice stimulus. Xuất hiện cửa sổ stimulus editor, thiết lập các thông số cần thiết trong các mục có trong cửa sổ, kết quả sẽ được hiện lên trên màn hình. -Nhấn Save để lưu lại trong mạch mô phỏng. Cách tiến hành mô phỏng số: Chọn mạch cần mô phỏng. Chọn các nguồn tín hiệu thích hợp. Chọn mô phỏng transient, nhập các thông số thời gian. Điều chỉnh nguồn tín hiệu cần thiết. Nhấn Run để tiến hành mô phỏng. KẾT LUẬN Sau một thời gian thực hiện đề tài với sự hướng dẫn rất tận tình của thầy Phan Thanh Vân cùng với sự nổ lực của bản thân, em đã thực hiện được các yêu cầu cụ thể của đề tài như sau: Nghiên cứu vi mạch định thời 555 trên cơ sở lý thuyết. Các mạch điện tử ứng dụng trong thực tế và một số ứng dụng của mạch định thời dùng IC 555 trong thực tế. Nghiên cứu và biết sử dụng phần mềm OrCad để vẽ, mô phỏng và thiết kế mạch in. Thực hành lắp ráp một số mạch định thời trong thực tế sử dụng IC định thời 555. Qua thời gian nghiên cứu các tài liệu em đã trình bày luận văn theo hướng cung cấp cho các đối tượng đã có những kiến thức cơ bản về kỹ thuật điện tử, do đó nội dung luận văn được trình bày theo một trình tự logic sao cho thật dễ hiểu, không hạn chế số trang; hình ảnh được minh họa rõ ràng, cụ thể, từng bước sao cho người đọc có thể hiểu và nắm bắt một cách nhanh chóng những vấn đề đưa ra trong đề tài. Hướng phát triển đề tài: Dựa vào những kiến thức đã trình bày, một số mạch điện ứng dụng trên lý thuyết và thực hành cùng với công cụ thiết kế mạch điện tử đơn giản và phổ biến như OrCad, ta có thể tự mình thiết kế ra các mạch điện tử ứng dụng phù hợp với các yêu cầu thực tế, có thể chỉ cần sử dụng IC 555 hoặc có thể kết hợp sử dụng IC 555 với các loại IC khác trong một mạch điện để đạt được mục đích sử dụng của mạch điện. Chỉ là một con Chip rất nhỏ trong vô vàn con Chip được tạo ra, IC 555 được sử dụng rất rộng rãi và có thể tạo ra vô số ứng dụng cho con người, trong phạm vi đề tài này chắc chắn không thể trình bày hết được. Vì lí do đề tài được thực hiện trong thời gian ngắn và bản thân chưa có kinh nghiệm nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô, các bạn sinh viên và bạn đọc tham khảo. Một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phan Thanh Vân đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn của mình. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Minh Đức, Lê Thanh Duy (2002) Cách đọc sơ đồ điện tử, CB Tạp chí điện tử và công ty điện toán truyền số liệu VDC. [2] Du Văn Ba, Lê Thanh Duy, Trịnh Văn Sơn (2001) Mạch điện tích hợp gốc chuẩn thời gian 555, NXB trẻ, Tp. Hồ Chí Minh. [3] Bạch Gia Dương (2007) Kỹ thuật điện tử số thực hành, NXB Đại học quốc gia, Hà Nội. [4] Nguyễn Minh Huân (2003) Mạch tuần tự hai trạng thái bền (FLIP – FLOP), Luận văn tốt nghiệp 2001 – 2005, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh. [5] Nguyễn Viết Nguyên (2007) Giáo trình linh kiện điện tử, NXB Giáo dục, Hà Nội. [6] ThS. Nguyễn Tấn Phước (2008) Mạch điện tử tập 2, NXB Hồng Đức, Tp. Hồ Chí Minh. [7] Hoàng Cao Tân, Nguyễn Văn Ninh (1996) Mạch vi điện tử, NXB Giáo Dục, Hà Nội. [8] Nguyễn Thị Thanh Thảo (2005) Khảo sát mạch tạo xung vuông và ứng dụng, Luận văn tốt nghiệp 2001 – 2005, Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Hồ Chí Minh. Các trang web: [1] [2] [3] manuals&catid=50:mechatronics-software&Itemid=266 [4] [5] [6] [7] [8] ORCAD%20PSPICE [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] drawing&catid=35:informatics&Itemid=240 [16] circuilt&catid=68:electrics-electronics-lecture-notes&Itemid=308 [17] design&catid=68:electrics-electronics-lecture-notes&Itemid=308 [18] [19] [20] [21] ._.