Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 4 pps

CHƯƠNG 4 MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng. Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không. Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện áp không phụ thuộc được cộng vào. Mạch kẹp vận hành dịch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập. Lượng dịch phụ thuộc vào dạng sóng hiện thời. Có hai loại mạch kẹp chính: Mạch kẹp Diode và Transistor. Dạng này ghim mức biên độ dương hoặc mức biên độ âm, và cho phép ngõ ra mở rộng chỉ theo một hướng từ mức chuẩn. Mạch kẹp khóa (đồng bộ), mạch này duy trì ngõ ra tại một số mức cố định cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và lú c đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào . Trước khi hiểu sự hoạt động của mạch kẹp, đầu tiên cần phải hiểu kỹ những dạng mạch về sự hoạt động của một mạng đôi gồm điện trở và tụ điện (mạch RC). Nguyên lý làm việc của các mạch ghim điện áp dựa trên việc ứng dụng hiện tượng thiên áp, bằng cách làm cho các hằng số thời gian phóng và nạp của tụ trong mạch khác hẳn nhau. II. MẠCH KẸP DÙNG DIODE LÝ TƯỞNG Loại mạch kẹp đơn giản sử dụng một Diode kết hợp với mạch RC. Tụ C đóng vai trò là phần tử tích - phóng năng lượng điện trường, Diode D đóng vai trò là khóa điện tử , còn nguồn DC tạo mức chuẩn. Các giá trị R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian  = RC đủ lớn nhằm làm sụt áp qua tụ C không quá lớn hoặc tụ C không được xả điện nhanh. Tụ nạp đầy và phóng điện hết trong thời gian 3 đến 5, ở đây ta xét thời gian này là 5, các Diode được xem là lý tưởng. 1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là V m Dạng mạch A r v v v D + C R Hình 4-1a Hình 4-1b: Dạng sóng vào ra Mạch này có chức năng cố định đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0 v . Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm thì mất khả năng ghim đỉnh trên của tín hiệu vào ở mức không. Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t 1 , thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, v v = V m , Diode D dẫn, tụ C được nạp điện qua Diode (không qua R, vì điện trở thuận của D rất nhỏ), cực âm của tụ tại điểm A, tụ nạp với hằng số thời gian là:  n = C. R d = 0  biên độ điện áp của tụ là v C = + V m (tụ nạp đầy tức thời), lúc này v r = v v - v c = V m - V m = 0 -Thời điểm từ t 1 đến t 2 , thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, v v = - V m , Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ. D V + Vc + R Hình 4-1c Thời hằng phóng điện là  f = C.R , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là v c = V m . Do vậy, v r = v v - v c = -V m -V m = - 2V m . 2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch r v v v D + C + Vdc R Hình 4-2a Hình 4-2b: Dạng sóng vào -r a Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ max là V m .Giả sử cho C = 0,1  F, V DC = 5 v , R = 1000 k  , V m = 10(v) Ta có f = 1KHz  T = Bán kỳ có thời gian là )(1 1 ms f  )(5.0 2 ms T  Giải thích nguyên lý hoạt động: -Thời điểm từ 0 đến t 1 , ngõ vào tồn tại xung dương v v = V m = 10 v >V DC , Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian  = r d .C  0, giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là: Tacó V DC + V  + v c = v v  v c = v v - V  - V DC = 10 – 5 = 5(v) Do đó v r = V DC - V  = 5(v) -Thời điểm từ t 1 đến t 2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, v v = - V m = -10 v , Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện là  f = C.R = 0,1.10 -6 .10 6 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy sau 5 thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này lớn gấp 20 lần thời gian từ t 1 đến t 2 (0,5ms), do vậy v c vẫn giữ mức điện áp là 5 v Ta có v r = v R = v v - v c = -10 - 5 = -15v . Nếu đảo cực tính của nguồn V DC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5(v). 3. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Không Dạng mạch r v v v A D + C R Hình 4-3a Hình 4-3b: Dạng sóng vào ra Mạch này có chức năng cố định đỉnh dưới của tín hiệu ở mức 0(v). Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t 1 , tồn tại xung dương, v v = + V m , Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là  n = RC, vì R rất lớn nên  n rất lớn, do đó n >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t 1 . Do vậy tụ C gần như không được nạp v c = 0, do đó v r = v v = + V m . -Thời điểm t 1 đến t 2, ngõ vào tồn tại xung âm, v v = - V m , Diode dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là  n = r d . C  0, v c = V m (tụ nạp đầy ngay tức thời), lúc này v r = v v + v c = -V m +V m = 0. -Thời điểm từ t 2 đến t 3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo v v = + V m , Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là  f = C.R.  f rất lớn so với bán kỳ từ t 2 đến t 3 , do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là V m . Mạch tương đương của trường hợp này như sau: [...]... có xung dương không ổn định so với chuỗi xung ra Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn định từ thời điểm t1 trở đi 4 Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch 1 C A + v v D v + r R Vdc Hình 4- 4 a Hình 4- 4 b: Dạng sóng vào - ra Nguồn VDC tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,VDC = 1/2 Vm Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung. .. như xung gai nhọn dương, do đó ngõ ra ở cực C có dạng gai nhọn âm -Thời điểm có xung âm đưa vào cực B thì mối nối BE bị phân cực nghịch, ta có mạch tương đương trong trường hợp này là C + A v c Rng + Vng v B - R B + Vcc B Tụ C xả điện qua RB và Rng với hằng số thời gian là f = C(RB + Rng) Điện áp của tụ ở quá trình này được tính như sau: Với vc = Vm.e-t/ f vAB = - vc + vng = - Vm.e-t/ f - Vm = - Vm... Nguồn 5.1 Phân Tích Mạch Xét dạng mạch như hình 4- 6 , Bỏ qua ảnh hưởng của V ( V = 0) C Rng A + v + r D Vng R - Hình 4- 6 a Hình 4- 6 b: Dạng sóng vào ra Trước khi đạt trạng thái xác lập, mạch có một giai đoạn quá độ Biên độ của nguồn vào, vng , phải đủ lớn để làm tắt hay mở Diode (Diode khi được phân cực thuận xem như một điện trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó cần nguồn vào đủ lớn để sau khi... v R E Hình 4- 1 1a r C Hình 4- 1 1b: Dạng sóng vào ra Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, vv = Vm, mối nối BE được phân cực thuận, Transistor hoạt động bão hòa, ta có Vcc = VCEsat + VRE  VRE Lúc này tụ C được nạp, có dòng nạp là in , với hằng số thời gian là n = C rCEsat, giá trị điện áp của tụ được nạp là vc = VCC( 1- et/ n), ta có v = v r c -Thời điểm... - B BE + Vcc vng có biên độ max là  Vm Dạng sóng vào ra của mạch này hoàn toàn giống với hình 4- 6 b Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm có xung dương đưa vào cực B, thì mối nối BE phân cực thuận, tụ C nạp điện thông qua Rngvà rdBE với thời hằng Khi diode dẫn tụ, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là n = C (Rng + rdBE) Giá trị điện áp tụ được nạp theo quy luật hàm mũ là: vc = Vm (1 - e-t/... vc = VDC + Vm trong khoảng thời gian này - Mạch tương đương của trường hợp này là: = Vm + Vdc Vc + + Vm R Ta có vr = vv + vc = Vm + VDC + Vm = 2 Vm + VDC Thời điểm từ 0 đến t1 ta không xét (cách giải thích như phần II 3) Dạng mạch 2 C A + v v D1 v r R D2 B Hình 4- 5 a Hình 4- 5 b: Dạng sóng vào – ra Vz2 = 1/2Vm V1= 1/10 Vm Vz2 + V 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ... được nạp, vc = 0, như vậy vr = vv = + Vm -Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , D dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là n = rd C  0, tụ C nạp đầy tức thời, tụ nạp đầy đến giá trị là: Ta có vc + vv = VDC - V  vc = VDC - vv = VDC + Vm Do đó vr = VDC + V = VDC -Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, vv = + Vm , Diode ngưng... phân cực phù hợp để hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt Vcc R B I R C IC v r NPN C v v i1 Hình 4- 9 a Hình 4- 9 b: Dạng sóng vào ra Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t1, vv = Vm , Transistor đang bão hòa vr = VCEbh = 0,1(v) VCC  VCEsat I = Ic =  I 0 , lúc này tụ C không có dòng qua RC -Thời điểm từ t1 đến t2, mối nối BE không được phân cực, Trasistor tắt, tụ C nạp điện qua Rc với hằng... xả nhanh từ t2 đến t3, thời điểm từ t3 đến t4 là tụ đã xả hết vr = VCEsat = 0,1(v) Nhận xét: Xung ra có sườn lên bị méo dạng nhiều hơn sườn xuống do n >> f (Rc thường >> rCEsat) Để cải thiện nhược điểm này, người ta dùng mạch xén ở hai mức độc lập nối song song với tụ C Dạng mạch Vcc R R Hình 4- 1 0a C B D1 NPN + + v Với V1 < V2 v D2 C v vc1 V1 V2 r Hình 4- 1 0b: Dạng sóng vào ra Khi vr1 < V2, D2 dẫn... Vm.e-t/ f vAB = - vc + vng = - Vm.e-t/ f - Vm = - Vm ( 1- e-t/ f) vng = - Vm Ta có v AB  VCC i Rng  RB v AB  VCC R + V = vB = iRB + VCC = B CC Rng  RB   2RB  Rng  RB t /  f  (1  e )  VCC  =- Vm  R  R  Rng  RB  ng   B  Ta thấy vB có giá trị âm, Transistor ngưng dẫn, do đó ic = 0, vCE  Vcc vr = vCE = Vcc Hình 4- 8 b: Dạng sóng vào ra 2 Mạch Kẹp Dùng Khóa CE Tải Là Tụ C Khi . v v - v c = -V m -V m = - 2V m . 2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch r v v v D + C + Vdc R Hình 4- 2 a Hình 4- 2 b: Dạng sóng vào -r a Tín hiệu vào là dạng xung. 1 r v v v A + Vdc D + C R Hình 4- 4 a Hình 4- 4 b: Dạng sóng vào - ra Nguồn V DC tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,V DC = 1/2 V m Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0 đến t 1 , ngõ vào tồn tại xung dương,. v v - v c = -1 0 - 5 = -1 5v . Nếu đảo cực tính của nguồn V DC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5 (v). 3. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Không Dạng mạch r v v v A D + C R Hình 4- 3 a