Giáo trình kỹ thuật xung số

MẠCH XÉN, MẠCH KẸP, MẠCH SO SÁNH

MẠCH XÉN ĐIỆN ÁP DÙNG DIODE

Mạch xén là một loại mạch tạo dạng sóng, có khả năng giới hạn biên độ của điện áp hoặc dòng điện bằng cách cắt đỉnh dương hoặc âm của dạng sóng tại một giá trị nhất định Chức năng chính của mạch xén là chỉ cho phép một phần tín hiệu ngõ vào được truyền đến ngõ ra.

Dạng sóng ngõ vào cho mạch xén có thể là một dạng sóng bất kỳ nào đó Trong tài liệu sử dụng ngõ vào là sóng hình sin

Hai loại mạch xén phổ biến nhất là mạch sử dụng diode bán dẫn và mạch sử dụng transistor Trong phạm vi trình độ trung cấp, chúng ta sẽ tập trung vào mạch xén sử dụng diode bán dẫn.

Giảng viên NGUYỄN THỊ PHONG Trang 1

Giáo trình môn học KỸ THUẬT XUNG - SỐ Khoa Điện - Điện tử

Mạch xén được phân thành hai loại dựa trên vị trí của phần tử xén: mạch xén song song và mạch xén nối tiếp Mạch xén song song là khi phần tử xén được mắc song song với tải, trong khi mạch xén nối tiếp là khi phần tử xén được mắc nối tiếp với tải.

Hoạt động của diode lý tưởng khác biệt so với diode thực tế trong cùng một mạch Diode bán dẫn lý tưởng hoạt động như một công tắc đơn giản, với tác dụng đóng ngắt phụ thuộc vào cực tính của điện áp Khi diode được phân cực thuận, nó hoạt động như một công tắc đóng, trong khi khi phân cực nghịch, diode trở thành công tắc hở.

Diode bán dẫn hoạt động dựa trên cực tính của điện áp áp dụng Khi diode được phân cực thuận, nó cho phép dòng điện đi qua với điện áp VAK=V =0.6V Ngược lại, khi diode bị phân cực nghịch, nó sẽ ngừng dẫn điện.

Mạch xén bỏ một phần tín hiệu phía dương, lấy một phần tín hiệu phía âm

Tr ườ ng h ợ p diode lý t ưở ng:

Khi Vi> 0, Diode dẫn Vo = 0

Khi Vi≤ 0, Diode ngưng dẫn Vo = Vi

Dạng sóng ngõ vào hình 1.4a Mạch xén bỏ phần dương Dạng sóng ngõ ra là phần âm tín hiệu (Hình 1.4c) Mặt cắt trùng với Vo=0V

Tr ườ ng h ợ p diode th ự c t ế :

Khi Vi ≥ V , Diode dẫn Vo = V = 0.6V

Khi Vi< V , Diode ngưng dẫn Vo = Vi

Mạch xén bỏ một phần dương Dạng sóng ngõ ra hình 1.4d Mặt cắt trùng với Vo= V = 0.6V

Bây giờ nếu ta mắc thêm một nguồn điện thế một chiều VDC nối tiếp với diode như hình 1.5b, phân tích mạch như sau:

Khi Vi> VDC, Diode dẫn Vo = VDC Khi Vi ≤ VDC , Diode ngưng dẫn Vo = Vi

Dạng sóng ngõ vào hình 1.5a Mạch xén bỏ một phần dương Dạng sóng ngõ ra hình 1.5c Mặt cắt trùng với Vo=VDC

Khi Vi≥V + V DC , Diode dẫn Vo = V + V DC

Khi Vi< V + V DC , Diode ngưng dẫn Vo = Vi

Mạch xén bỏ một phần dương Dạng sóng ngõ ra hình 1.5d Mặt cắt trùng với Vo= V + V DC

Khi Vi≥ 0, Diode ngưng dẫn Vo = 0 Khi

Vi < 0 , Diode dẫn Vo = Vi

Dạng sóng ngõ vào hình 1.6a Dạng sóng ngõ ra là phần âm tín hiệu (giống hình 1.4c)

Khi Vi >- V , Diode ngưng dẫn Vo = 0

Khi Vi ≤ - V , Diode dẫn Vo = Vi+V

Mạch xén bỏ phần dương Dạng sóng ngõ ra là phần âm tín hiệu (Hình 1.6c) Mặt cắt trùng với Vo=0V

Khi Vi≥-VDC, Diode ngưng dẫn Vo = 0v Khi

Vi -(VDC+V ), Diode ngưng dẫn Vo = 0v

Khi Vi ≤ -(VDC+V ), Diode dẫn Vo = Vi+V DC +V

Mạch xén bỏ một phần dương Dạng sóng ngõ ra hình 1.7d

Mạch xén bỏ một phần tín hiệu phía âm, lấy một phần tín hiệu phía dương

Khi Vi ≥ 0, Diode ngưng Vo = Vi Khi Vi< 0, Diode dẫn Vo = 0

Dạng sóng ngõ vào hình 1.8a Mạch xén bỏ phần âm Dạng sóng ngõ ra là phần tín hiệu dương (Hình 1.8c) Mặt cắt trùng với Vo=0V

Khi Vi> -V , Diode ngưng Vo = Vi

Khi Vi≤ -V , Diode dẫn Vo = -V = - 0.6V

Dạng sóng ngõ ra Vo= -V = -0.6V

Khi Vi ≥ VDC, diode ngưng dẫn Vo = Vi Khi

Vi < VDC, Diode dẫn Vo = VDC

Dạng sóng ngõ vào hình 1.9a Mạch xén bỏ một phần âm Dạng sóng ngõ ra hình 1.9c Mặt cắt trùng với Vo=VDC

Khi Vi> -V +V DC , Diode ngưng Vo = Vi

Khi Vi≤ -V +V DC , Diode dẫn Vo = -V +V DC

Dạng sóng ngõ ra hình 1.9d Mặt cắt trùng với V=-V +V DC

Khi Vi> 0 , Diode dẫn Vo = Vi

Khi Vi ≤ 0 , Diode ngưng dẫn Vo = 0

Dạng sóng ngõ vào hình 1.10a Mạch xén bỏ phần âm Dạng sóng ngõ ra là phần tín hiệu dương (giống hình 1.8c) Mặt cắt trùng với Vo=0V

Khi Vi> V , Diode dẫn Vo = Vi-V

Khi Vi ≤ V , Diode ngưng dẫn Vo = 0

Dạng sóng ngõ ra là phần tín hiệu dương (Hình 1.10c) Mặt cắt trùng với Vo=0V

Khi Vi≥VDC, Diode dẫn Vo = Vi-VDC Khi Vi V1, D1 dẫn, D2 ngưng dẫn Vo = V1 Khi V1≥Vi≥ V2, D1 ngưng dẫn, D2 ngưng dẫn Vo = Vi Khi

Vi V2

3.2 Mạch xén hai mức dùng diode thực tế

Khi dùng 2 diode thực tế và không có hai nguồn một chiều V1, V2 (mạch hình 1.13b) thì mạch như dùng 2 diode lý tưởng có hai nguồn một chiều V1

=0.6V và V2= -0.6V Mạch xén bỏ một phần dương (mặt cắt trùng với 0.6V) và một phần âm (mặt cắt trùng với -0.6V) Dạng sóng ngõ ra hình 1.13c

3.3 Mạch xén hai mức dùng diode zener

Diode Zener có khả năng thay thế cho một diode thông thường và một nguồn điện VDC=VZ Khi diode Zener được phân cực thuận, nó sẽ có điện áp V, trong khi khi phân cực nghịch, điện áp sẽ là VZ Mạch xén hai mức sử dụng hai diode Zener được mắc nối tiếp ngược chiều nhau, như minh họa trong hình 1.14b.

Khi Vi>VZ, Z1 dẫn theo chiều nghịch, Z2 dẫn theo chiều thuận

Vo = VZ+V Khi VZ≥Vi≥ -VZ, Z1 ngưng dẫn, Z2 ngưng dẫn Vo = Vi

Khi Vi< -VZ, Z2 dẫn theo chiều nghịch, Z1 dẫn theo chiều thuận

Mạch xén trong hình 1.14a cho thấy sóng ngõ vào, với phần dương bị cắt bỏ tại mặt cắt Vz1 và phần âm tại mặt cắt Vz2 Kết quả là dạng sóng ngõ ra được trình bày trong hình 1.14c.

3.4 Ứng dụng của mạch xén

Mạch xén có nhiều ứng dụng quan trọng, bao gồm tách sóng và lọc nhiễu trong máy phát tín hiệu radio Nó cũng giúp cắt bỏ xung nhọn nhiễu từ mass tại ngõ ra của tải cảm, đồng thời chuyển đổi sóng sin thành sóng vuông để cung cấp cho các IC.

Một ứng dụng phổ biến là mạch xén bán kỳ âm, sử dụng bán kỳ dương của điện áp xoay chiều, được thể hiện qua mạch chỉnh lưu bán kỳ Mạch này nằm trong khối nguồn DC, như minh họa trong hình 1.15.

AC Biến Mạch Mạch Mạch phẳng áp chỉnh lọc ổn áp lưu

MẠCH KẸP ĐIỆN ÁP DÙNG DIODE

Mạch kẹp là loại mạch điện mà điện áp xoay chiều được điều chỉnh theo mức điện áp một chiều chuẩn Nó tạo ra một mức điện áp DC chuẩn, từ đó một đỉnh của tín hiệu xoay chiều có thể dao động Loại mạch này còn được biết đến với tên gọi là mạch khôi phục điện áp DC hoặc mạch chèn điện áp DC.

Mạch kẹp, hay còn gọi là mạch ghim điện áp hoặc mạch dịch mức, được xem như mạch ghép RC với thời hằng chuyển đổi giữa hai giá trị thấp và cao Mạch này có khả năng xử lý tín hiệu AC, bao gồm sóng sin hoặc dạng xung điện áp bất kỳ, mà không làm thay đổi dạng sóng điện áp AC Một cách lý tưởng, mạch điện chỉ thay đổi mức điện áp chuẩn DC mà vẫn giữ nguyên hình dạng sóng AC.

Mạch kẹp cần có các thành phần thiết yếu bao gồm tụ C, đóng vai trò tích trữ năng lượng; diode hoặc transistor, thực hiện chức năng khóa; điện trở R; và nguồn DC, cung cấp mức điện áp DC cần thiết.

Lưu ý: đối với mạch kẹp, giá trị RC được chọn để hằng số thời gian

 = RC đủ lớn để sụt áp qua tụ không quá lớn (tụ không được phóng điện nhanh)

Trình độ trung cấp, ta chỉ xét mạch kẹp dùng diode lý tưởng

1 Mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức không Đây là mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0v Dạng mạch hình 1.16b, ngõ vào là dạng sóng vuông (hình 1.16a)

Từ thời điểm 0 đến t1, ngõ vào có xung dương đầu tiên với Vi = Vm, diode dẫn và tụ C được nạp điện qua diode do điện trở thuận của diode rất nhỏ Cực âm của tụ nằm tại điểm A, và tụ nạp với thời hằng là τn = RdC = 0 Điện áp trên tụ VC đạt giá trị +Vm, tức là tụ nạp đầy ngay lập tức, dẫn đến ngõ ra Vo = Vi - Vc = 0.

Trong khoảng thời gian từ t1 đến t2, ngõ vào có xung âm Vi = -Vm, khiến diode phân cực nghịch và ngưng dẫn Do đó, tụ C xả điện qua R với thời hằng τx = RC, lớn hơn nhiều so với T/2, dẫn đến việc tụ C chưa kịp xả và duy trì điện áp Vc = Vm Kết quả là ngõ ra Vo được tính bằng Vi - Vc = -Vm - Vm = -2Vm, tạo ra dạng sóng ngõ ra như hình 1.16c.

Đỉnh điện áp ra được giữ cố định ở mức 0V, trong khi tần số của tín hiệu vào và ra là giống nhau Hơn nữa, điện áp đỉnh-đỉnh của cả tín hiệu vào và tín hiệu ra cũng tương đồng.

2 Mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ

Dạng mạch hình 1.17b, ngõ vào là dạng sóng vuông (hình 1.17a) Ho ạ t độ ng : Giả sử V DC = 1/2 Vm

Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, Vi = Vm >VDC, diode dẫn điện, tụ C được nạp điện qua diode với thời hằng n =RdC ≈ 0

Ta có: VDC + Vc = Vi Giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là: Vc = Vi -VDC Do đó Vo = VDC

Thời điểm từ t1 đến t2, ngõ vào tồn tại xung âm, Vi = -Vm, diode ngưng dẫn, tụ C xả điện qua R, với thời hằng là τf = RC

Sau 5τ, tụ điện sẽ xả hoàn toàn, và khoảng thời gian này lớn hơn nhiều lần so với thời gian từ t1 đến t2, do đó điện áp Vc vẫn duy trì ở mức Vi-VDC Kết quả điện áp ra Vo được tính bằng công thức Vo = Vi - Vc = -Vm - (Vi - VDC) = -Vm - Vm + VDC = -2Vm + VDC.

Dạng sóng ngõ ra như hình 1.17c

3 Mạch kẹp đỉnh dưới của tín hiệu ở mức không

Dạng mạch hình 1.18b, ngõ vào là dạng sóng vuông (hình 1.18a)

Thời điểm từ 0 đến t1, tồn tại xung dương, Vi = +Vm, diode ngưng dẫn, tụ

Tụ C được nạp qua điện trở R với thời hằng τn = RC, và do R rất lớn, nên τn cũng lớn, dẫn đến τn >> khoảng thời gian từ 0 đến t1 Kết quả là tụ C gần như không được nạp điện, với Vc gần bằng 0, do đó Vo = Vi = +Vm.

Thời điểm t1 đến t2, ngõ vào tồn tại xung âm, Vi =-Vm , diode dẫn điện, tụ

C được nạp qua diode, thời hằng nạp là τn = RdC ≈ 0, Vc = Vm (tụ nạp đầy tức thời) Vo = Vi + Vc = -Vm +Vm = 0

Thời điểm từ t2 đến t3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo

Khi Vi = +Vm, diode ngưng dẫn, tụ điện C xả qua điện trở R với thời hằng τx = RC Thời gian τx rất lớn trong khoảng từ t2 đến t3, vì vậy tụ C duy trì mức điện áp ổn định.

Vm Ta có Vo = Vi + Vc = Vm + Vm = 2Vm Dạng sóng ngõ ra như hình 1.18c

Nhận xét: Giống như phần II.1, chỉ khác là điện áp ra được ghim ở mức dương

4 Mạch kẹp đỉnh dưới của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ

Dạng mạch hình 1.19b, ngõ vào là dạng sóng vuông (hình 1.19a)

- Ho ạ t độ ng : Giả sử V DC = 1/2 Vm

Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, Vi = +Vm , VDC <

Khi diode ngưng dẫn và tụ C được nạp qua điện trở R với thời hằng τn = RC, thời gian τn lớn hơn nhiều so với khoảng thời gian từ 0 đến t1, dẫn đến việc tụ C gần như không được nạp, với điện áp Vc = 0 Do đó, điện áp đầu ra Vo bằng với điện áp đầu vào Vi, tức là Vo = Vi = +Vm.

Từ thời điểm t1 đến t2, tại ngõ vào xuất hiện xung âm với Vi = -Vm, diode bắt đầu dẫn điện, cho phép tụ C nạp qua diode Thời hằng nạp của tụ là n = RdC ≈ 0, cho thấy tụ C nạp đầy một cách tức thời.

Vc + Vi = VDC tụ nạp đầy đến giá trị là Vc = VDC - Vi = VDC + Vm Do đó Vo VDC

Từ thời điểm t2 đến t3, ngõ vào có xung dương tiếp theo với Vi = +Vm, diode ngưng dẫn, và tụ C xả điện qua R với thời hằng τx = RC Do τx rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3, nên tụ C giữ mức điện áp Vc = VDC + Vm ổn định Kết quả là Vo = Vi + Vc.

= Vm +VDC+Vm = 2Vm+VDC Dạng sóng ngõ ra như hình 1.19c

5 Ứng dụng của mạch kẹp:

Mạch kẹp khôi phục mức điện áp DC ứng trong mạch video tổng hợp trong máy phát và máy thu hình

Mạch so sánh dùng Op-Amp

Op-Amp, ký hiệu (hình 1.20a), sơ đồ chân trong IC741 (hình 1.20b)

Với Ed = V1-V2 là điện thế khác nhau giữa hai ngõ vào (thuộc vùng tuyến tính: linear region)

Độ lợi vòng hở của op-amp rất lớn, dẫn đến đầu ra Vo cũng rất lớn Khi điện áp đầu vào Ed nhỏ, Vo được xác định chính xác Tuy nhiên, khi Ed vượt qua một ngưỡng nhất định, Vo sẽ đạt đến mức bão hòa, được gọi là VSat Giá trị của Ed này phụ thuộc vào từng loại op-amp, thường nằm trong khoảng vài chục microvolt.

Khi V1 lớn hơn V2, điện áp ngõ ra Vo đạt giá trị dương tối đa +VSat, trong khi khi V1 nhỏ hơn V2, Vo sẽ đạt giá trị âm tối đa -VSat Đặc tuyến truyền đạt vòng hở của op-amp cho thấy rằng điện thế ngõ ra bảo hòa thường thấp hơn điện thế nguồn từ 1 đến 2 volt.

2.Mạch so sánh mức 0: (tách mức zero)

Xét mạch hình 1.22, điện thế ngõ vào (-) Vref=0

RL được dùng làm điện thế chuẩn Vref và điện thế Ei được đưa vào ngõ vào (+) để so sánh với điện thế chuẩn

Khi Ei>Vref=0v thì Vo=+VSat Khi EiVref=0v thì Vo=-VSat Khi Ei0v đưa vào ngõ vào (-) Điện thế so sánh Ei được đưa vào ngõ vào (+)

Khi Ei>Vref thì Vo=+VSat Khi Ei0v đưa vào ngõ vào (+) Điện thế so sánh Ei được đưa vào ngõ vào (-)

Khi Ei>Vref thì Vo=-VSat Khi Ei

Tiêu đề	Giáo Trình Kỹ Thuật Xung Số
Tác giả	Nguyễn Thị Phong
Trường học	Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức
Chuyên ngành	Điện - Điện Tử
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Thủ Đức

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	2,43 MB

Giáo trình kỹ thuật xung số

MẠCH XÉN, MẠCH KẸP, MẠCH SO SÁNH

MẠCH XÉN ĐIỆN ÁP DÙNG DIODE

MẠCH KẸP ĐIỆN ÁP DÙNG DIODE

Mạch so sánh dùng Op-Amp

ĐẠI SỐ BOOL VÀ CỔNG LOGIC

HOẠT ĐỘNG CỦA FLIP-FOP D KÍCH CẠNH