ky thuat dien tu vo ky chau chapter 11 clamping and switching circuits cuuduongthancong com

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 11 Mạch kẹp mạch giao hốn 11-1 Mạch kẹp Một cơng việc thường thực tín hiệu tuần hồn đặt lại vị trí đỉnh dương đỉnh âm tín hiệu đến mức tham khảo VR Các mạch thực việc gọi mạch kẹp (clampping circuit) Nói chung, điểm mạch kết nối qua trở kháng thấp đến nguồn tham khảo VR , ta nói điểm kẹp điện áp VR , điện áp điểm sai lệch so với VR Mạch diode hình 10-2 ví dụ mạch kẹp ngõ bị kẹp VR ngõ vào vượt VR Trong mạch này, chiều thay đổi điện áp bị kẹp nên ta gọi chúng mạch kẹp chiều Hai diode dùng để tạo nên mạch kẹp hai chiều Như ta biết, tín hiệu đưa qua mạch cách ghép tụ, thành phần dc tín hiệu bị Trong trường hợp này, mạch kẹp thường dùng để phục hồi thành phần dc, cịn có tên mạch tái tạo dc 11-1-1 Dạng sóng Xét hình 11-1, bao gồm nguồn vi với nội trở bỏ qua, tụ diode D Giả sử diode lý tưởng, tức điểm gián đoạn xảy V điện trở phân cực thuận khơng Tín hiệu vào sóng sin bắt đầu t = Tụ C không mang điện tích t = Ta tìm dạng sóng ngõ vo diode 1/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-1 (a) Mạch kẹp bản; (b) Tín hiệu vào hình sin đặt vào thời điểm t = ; (c) Dạng sóng ngõ Trong phần tư chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào tăng từ khơng đến giá trị tối đa Vm Diode lý tưởng nên áp rơi khơng Kết suốt phần tư chu kỳ đầu tiên, v A = vi Điện áp tụ C tăng theo hình sin, tụ nạp điện thông qua nguồn diode Như vậy, lúc vo không Tại cuối khoảng thời gian áp rơi tụ v A = Vm Sau phần tư chu kỳ này, tín hiệu bắt đầu giảm xuống, điện áp tụ khơng thể bám theo tín hiệu vào tụ khơng thể xả thông qua diode lúc bị phân cực ngược Điện áp tụ tiếp tục trì v A = Vm , điện áp ngõ vo = vi − Vm Trong suốt chu kỳ tiếp theo, đỉnh dương tín hiệu đạt đến khơng Diode khơng dẫn trở lại đỉnh dương tín hiệu bị kẹp không Giả sử sau đạt đến trạng thái xác lập, biên độ tín hiệu vào tăng lên Khi đó, suốt phần tư chu kỳ đầu tiên, diode lại dẫn Điện áp dc tụ C lại tăng lần đỉnh dương tín hiệu bị kẹp lại mức khơng Nhưng biên độ tín hiệu vào giảm xuống điều xảy ra? Trong trường hợp này, rõ ràng điện áp dc tụ cần phải giảm theo mạch hình 11-1 khơng có cách để làm điều Để điện áp tụ giảm, cần có điện trở mắc shunt với tụ qua diode Trong trường hợp thứ hai, tụ xả thông qua mạch nối tiếp gồm điện trở shunt diode nội trở nguồn Mạch hình 11-2(a) trình bày trường hợp có điện trở R Hình 11-2(b) vẽ dạng sóng ngõ cho trường hợp biên độ tín hiệu vào hình sin đột ngột giảm xuống hai chu kỳ tương ứng với giai đoạn xác lập trước Tại thời điểm t = t1 , biên độ tín hiệu đột ngột giảm xuống Vì tụ khơng thể xả cách nhanh chóng, đỉnh dương ngõ giảm xuống không chút trước bị kẹp lại V Điện áp tụ C giảm dần theo hàm mũ tụ xả sau vài chu kỳ, đỉnh dương không trở lại Trong trường hợp này, không giống với trường hợp R , có dịng chảy qua đỉnh dương Ngay điện áp tụ giảm đến giá trị làm cho đỉnh dương đạt đến không tụ tiếp tục xả thông qua R nội trở nguồn Lúc diode hỗ trợ cho tụ 2/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn điện Vì tụ xả chậm nên diode dẫn mà cần dẫn phần nhỏ chu kỳ để nạp lại cho tụ điện tích bị Ta thử xem dạng sóng xung quanh đỉnh dương diode dẫn Phần dạng sóng trình bày hình 11-2(c) Nếu khơng có diode, tín hiệu theo đường đứt nét với đỉnh t = t2 Nhưng nhờ diode, phần tín hiệu t2 t2' bị kẹp V t2' thời điểm tín hiệu sin vừa đạt đến khơng Để méo dạng, tụ phải bị điện tích q trình xả, điều địi hỏi thời RC phải lớn so sánh với chu kỳ tín hiệu Hình 11-2 (a) Mạch kẹp với điện trở xả (b) Tại t = t1 , biên độ ngõ vào đột ngột giảm xuống Ngõ tiến dần đến trạng thái xác lập (c) Chi tiết vo đỉnh dương 11-2 Mạch kẹp xét đến điện trở diode nội trở nguồn Hình 11-3 mạch bổ sung nội trở nguồn RS điện trở phân cực thuận cho diode R f Điện trở R f có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm ohms tùy theo loại diode sử dung Nội trở nguồn bỏ qua lên đến vài ngàn ohms tùy theo nguồn Giả sử điểm gián đoạn diode Vγ xảy V Hình 11-3 Mạch kẹp tính nội trở RS nguồn Trong thời gian dẫn, diode điện trở R f 3/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Như ta thấy, độ xác mạch tùy thuộc vào điều kiện R  R f Để phân tích mạch ta vẽ mạch tương đương mạch cần tính vo hình 11-4(a) Mạch hình 11-4(a) dùng diode dẫn hình 11-4(b) dùng diode không dẫn Nếu R  R f khơng từ hình 11-4(a), R f phải thay hai điện trở R R f mắc song song.Trong hình 11-4(b), điện trở vùng tắt diode khơng lớn R điện trở R phải thay tổ hợp song song hai điện trở Trong số trường hợp, mạch thật khơng có R , điện trở điện trở phân cực ngược Rr diode 11-2-1 Dạng sóng độ Bây ta xem xét dạng sóng ngõ tín hiệu đột ngột đặt vào mạch xem mạch đạt đến trạng thái xác lập Sau số chu kỳ, mạch đạt đến trạng thái xác lập đỉnh dương bị kẹp khơng Trong trường hợp ta dùng mạch tương đương hình 11-4 xử lý ví dụ sau Hình 11-4 Mạch tương đương hình 11-2 để tính vo (a) diode dẫn, (b) diode không dẫn Giả sử Rr  R  R f Giả sử mạch hình 11-3, RS = R f = 100 Ω, R = 10 k, C = µ F Tại t = , tín hiệu sóng vng đối xứng với biên độ 10 V , tần số kHz đặt vào mạch Như trình bày hình 11-5, tín hiệu vs từ V đến +10 V Hãy vẽ vài chu kỳ dạng sóng ngõ Để phân tích mạch này, ta giả sử tụ C khơng tích điện thời điểm đầu Dùng mạch tương đương hình 11-4(a) ta có, lần nhảy lên 10 V tín hiệu vào, ngõ nhảy đến +5 V Ngõ sau suy giảm dần khơng theo hàm mũ với thời τ = ( RS + R f ) C = 200 µ s Vì chu kỳ T = 200 µ s nên cuối nửa chu kỳ sóng vng, thời điểm t = T , ngõ rơi xuống đến vo ( t = T ) = 5e −T 2τ = V Tại thời điểm này, điện áp R f V nên điện áp tụ V Tại thời điểm t = T + , ngõ vào hạ xuống không, diode tắt ta dùng hình 11-4(b) Trong mạch này, v A = V vS = , bỏ qua RS so sánh với R vo = −4 V hình 11-5 Ngõ sau lại bắt đầu suy giảm không Tuy nhiên, thời bây gi l RC = 10 k ì F=10000 µ s , tức lớn 100 lần so với T Do độ suy giảm bỏ qua khơng hình 4/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ mơn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-5 Ví dụ q trình từ q độ đến xác lập mạch kẹp Vì khoảng t = T đến t = T điện áp tụ không thay đổi, nên thời điểm t = T + , ngõ trở lại +3 V Sau ngõ lại tiếp tục suy giảm không Phần suy giảm khoảng t = T đến t = 3T liên tục phần khoảng t = đến t = T Nếu tắt đoạn suy giảm ghép chung lại với nhau, chúng tạo nên dạng sóng liên tục suy giảm theo hàm mũ từ +5 V đến V Tại t = 3T vo = 3e −1 = 1.8 Q trình tính tốn lại lặp lại kết trình bày hình Các chu kỳ tiếp sau, dạng sóng xấp xỉ trạng thái xác lập đỉnh dương bị kẹp giá trị xấp xỉ V 11-3 Mạch giao hoán với tải cảm Trong hình 11-6 vẽ transistor tải cuộn cảm L mắc song song với điện trở R Dạng sóng với mức dc tùy ý hình 11-7(a) đặt vào mạch Khi transistor chuyển từ trạng thái bão hòa sang trạng thái tắt Điện trở RC mạch collector dùng để hạn dịng trường hợp transistor bão hịa Hình 11-6 Transistor lái tải cảm 5/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-7 (a) Ngõ vào hình 11-6; (b) Điện áp ngõ Sau transistor nằm vùng bão hòa thời gian đủ dài để tất trình độ bị suy giảm, cuộn cảm có dịng I o = ⎡⎣VCC − VCE ( sat ) ⎤⎦ RC Tức thời thời điểm transistor chuyển sang trạng thái tắt, mạch tương đương để tính ngõ vẽ hình 11-6(c) Ta bỏ qua dòng rò transistor trạng thái tắt Dòng cuộn cảm, phải chảy qua R , giảm dần từ I o không với thời L R Điện áp ngõ vẽ hình 8-24(b) cho vo = VYY + I o Re− Rt L (11-1) Do đó, transistor bị lái vào trạng thái tắt, collector xuất gai dương với biên độ I o R xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp Gai dương trở nên lớn R lớn Trong thực tế, điện áp đỉnh bị giới hạn điện dung ngang qua cuộn cảm, trường hợp này, điện áp đỉnh lớn vài lần so với áp nguồn Khi cơng tắc trở lại trạng thái bão hồ thời điểm t = T2 , cuộn cảm lúc tức thời hở mạch Dòng transistor chảy qua R ⎡⎣VCC − VCE ( sat ) ⎤⎦ ( R + RC ) Đặt I o' dòng transistor tức thời chảy qua transistor thời điểm On Dòng chảy qua R giảm dần từ I o' không với số thời gian L R ' , R ' R song song với RC Ngõ t > T2 vo = VYY − I o' Re − R '( t −T2 ) L (11-2) có dạng gai âm hình 11-7(b) xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp Gai âm ln ln nhỏ điện áp nguồn điện áp collector khơng thể đảo ngược cực tính Thời gai âm lớn thời gai dương gai âm suy giảm chậm 11-4 Mạch giao hoán với tải dung Mạch giao hoán với tải dung vẽ hình 11-8(a) Tại thời điểm t = − , transistor bão hoà, điện áp ngõ dòng collector 6/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn V −V vo = VCE ( sat ) iC = CC CE ( sat ) ≡ I o RC Các đại lượng hình 11-8(d) Tại thời điểm t ≥ + , mạch vào trạng thái tắt, mạch tương đương vẽ hình 11-8(b) Điện áp collector tăng dần đến VCC với thời RC CS Tại thời điểm t = T2 + , ngõ vào đột ngột nâng lên, chuyển tiếp base – emitter phân cực thuận dòng base I B = (VCC − Vγ ) RB Điện áp collector thời điểm điện áp VCC CS Vì điện áp phân cực ngược chuyển tiếp collector, transistor làm việc vùng tích cực với dịng collector I C ≈ β I B ≡ I o' Mạch tương đương dùng để tính q trình xả tụ vẽ hình 11-8(c), với I o' số Điện áp ngõ VCC giảm xuống theo hàm mũ với thời RC CS hướng đến giá trị xác lập VCC − I o' RC Khi t ≥ T2 transistor trở lại trạng thái bão hoà, ngõ vo = VCC − I o' RC + I o' RC e −(t −T2 ) RC CS (11-3) Các điều kiện vẽ hình 11-8(d), ta I o' > I o I o dịng collector bão hồ nên I o < β I B I o' = β I B Do I o' > I o Khi collector giảm xuống đến VCE ( sat ) , transistor rơi vào trạng thái bão hoà, dịng collector giảm đến giá trị bão hồ I o vo giữ VCE ( sat ) hình 11-8(d) Nếu I o'  I o vo giảm gần tuyến tính theo thời gian thời gian xuống nhỏ nhiều so với thời gian lên 7/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11-8 (a) Transistor với tải dung; (b) Mạch tương đương để tính ngõ transistor tắt; (c) Mạch tương đương mạch base bị kẹp collector vùng tích cực; (d) Ngõ vào vi , dịng collector iC , điện áp ngõ vo Trong hình 11-8(d) ta ngầm giả sử thời nhỏ so với T2 T1 Nếu thay ta giả sử RC CS lớn T2 đường lên dạng hàm mũ xấp xỉ với hàm tuyến tính Mạch hoạt động giống mạch tích phân điện áp bước ngõ vào chuyển thành hàm dốc ngõ 8/8 ... cần tính vo hình 11- 4(a) Mạch hình 11- 4(a) dùng diode dẫn hình 11- 4(b) dùng diode không dẫn Nếu R  R f khơng từ hình 11- 4(a), R f phải thay hai điện trở R R f mắc song song.Trong hình 11- 4(b),... dùng mạch tương đương hình 11- 4 xử lý ví dụ sau Hình 11- 4 Mạch tương đương hình 11- 2 để tính vo (a) diode dẫn, (b) diode không dẫn Giả sử Rr  R  R f Giả sử mạch hình 11- 3, RS = R f = 100 Ω, R... transistor bão hòa Hình 11- 6 Transistor lái tải cảm 5/8 Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 11- 7 (a) Ngõ vào hình 11- 6; (b) Điện áp ngõ