CHƯƠNG 4 MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT)
CHƯƠNG 4 MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được đònh nghóa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện áp AC đạt đến một mức xác đònh, mà không bò biến dạng sóng. Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó dùng để ổn đònh nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác đònh nào đó bằng hoặc khác không. Dạng sóng điện áp có thể bò dòch một mức, do nguồn điện áp không phụ thuộc được cộng vào. Mạch kẹp vận hành dòch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập. Lượng dòch 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 đònh 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 trò R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian τ = 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 3τ đến 5τ, ở đây ta xét thời gian này là 5τ, 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 đònh đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0 v . Điện trở R có giá trò 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: τ 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 bò phân cực nghòch, 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 τ f = C.R , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t 1 đến t 2 , do vậy tụ C chưa kòp 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 p 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 µ F, V DC = 5 v , R = 1000 k Ω , 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 τ = r d .C ≈ 0, giá trò điện áp mà tụ nạp đầy là: Tacó V DC + V γ + v c = v v ⇒ v c = v v - V γ - V DC = 10 – 5 = 5(v) Do đó v r = V DC - V γ = 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 τ f = C.R = 0,1.10 -6 .10 6 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy sau 5τ 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 đònh 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 τ n = RC, vì R rất lớn nên τ n rất lớn, do đóτ 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 τ 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 τ f = C.R. τ 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: [...]... t2 S1, S2 là phần điện tích được vẽ trên hình 4- 7 Khi đạt đến trạng thái xác lập, ta có điều kiện cân bằng điện s1 s 2 tích là: ∆Qn = ∆Q f ⇔ rd = R s1 Hình 4- 7 II MẠCH KẸP DÙNG TRANSISTOR 1 Mạch Kẹp Ở Cực Nền Của Transistor Dạng mạch này, Transistor được phân cực thích hợp để rơi vào vùng làm việc ở chế độ bão hòa Vcc R R Rng C B C + NPN v + Vng r - Hình 4- 8a Tín hiệu ngõ ra được sửa dạng, biên độ ngõ... đònh mức điện áp là vc = 8/5 Vm Ta có vr = vv + vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm 5 Mạch Ghim Dùng Diode Khi Kể Cả Điện Trở Thuận Của Diode Và Điện Trở Nguồn 5.1 Phân Tích Mạch Xét dạng mạch như hình 4- 6, Bỏ qua ảnh hưởng của Vγ ( Vγ = 0) C Rng + A v + Vng r D R - Hình 4- 6a Hình 4- 6b: 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... dạng sóng ra có xung dương không ổn đònh so với chuỗi xung ra Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn đònh từ thời điểm t 1 trở đi 4 Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện p Bất Kỳ Dạng mạch 1 C A + v v r D v + R Vdc Hình 4- 4a Hình 4- 4b: 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... > V1, D1 dẫn và D2 tắt, vr = v1 3 Mạch Kẹp Dùng Khóa CC, Tải Là Tụ C Dạng mạch này mắc theo dạng C chung, tải là tụ C được mắc vào cực E của Transistor, tín hiệu ngõ ra ở cực E cùng pha với tín hiệu ngõ vào Cũng tương tự như mạch dùng khóa CE, phải phân cực cho Transistor hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt Dạng mạch Vcc R v B NPN v v R E Hình 4- 11a r C Hình 4- 11b: Dạng sóng vào ra Giải thích... 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 bò méo dạng nhiều hơn sườn xuống do τ n >> τ 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- 10a Với V1 < V2 C B D2 D1 NPN v C v vc1 + + V2 V1 v r Hình 4- 10b: Dạng sóng vào ra Khi vr1 < V2, D2 dẫn... Vcc Hình4-8b: Dạng sóng vào ra 2 Mạch Kẹp Dùng Khóa CE Tải Là Tụ C Khi ghép các tầng với nhau, thì ngõ vào của tầng sau tồn tại điện dung song song với tải của tầng trước, điện dung này xem như là tải của tầng trước Khảo sát dạng mạch CE như sau: Tụ C là điện dung của tầng sau Transistor phải được phân cực phù hợp để hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt Vcc R B I R C IC v NPN C v i1 v Hình 4- 9a r... nguồn vào vng đủ lớn để làm tắt mởû mối nối BE của Diode, lúc này thì sẽ hình thành mạch ghim ở cực nền Khi cực B có điện áp nguồn vng cấp vào, thì mạch tương đương ở ngõ vào của Transistor như sau: Rng C + v + D Vng - R B 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... từ t2 đến t3 do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp vc = VDC + Vm trong khoảng thời gian - Mạch tương đương của trường hợp này là: Vc = Vm + Vdc + + 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 D2 B r Hình 4- 5a Hình 4- 5b: Dạng sóng vào – ra Vz2 = 1/2Vm Vγ1= 1/10 Vm Vz2 + Vγ 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm... giảm dần ở những bán kỳ dương tiếp sau Giải thích: khi ở bán kỳ rd dương, ngõ ra có biên độ max là , mà ta biết vm Rng + rd rd là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó biên 5.2 Đònh Lý Mạch Kẹp Khi truyền một tín hiệu điện áp có chu kỳ qua tụ phân cách, tụ sẽ giữ lại thành phần một chiều của tín hiệu, nghóa là trong chế độ xác lập tụ điện được nạp điện đến mức mà làm cho điện áp trên tụ... hằng số thời gian là τ f = C (R+Rng) Giá trò điện áp của tụ khi xả theo quy luật hàm mũ Khi đó, điện áp trên tụ giảm dần còn điện áp ở ngõ ra tăng dần Mạch tương đương ở trường hợp này là: C + A Rng Vng + v R r B vc(t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau: vc(t) = Vm e-t/τ f vAB = Vm (1 - e-t/ τ f) R −R −t / τ Do đó v ra = v AB = Vm (1 − e f ) , tại . CHƯƠNG 4 MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được đònh nghóa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu. xung ổn đònh từ thời điểm t 1 trở đi. 4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện p Bất Kỳ Dạng mạch 1 r v v v A + Vdc D + C R Hình 4- 4a Hình 4- 4b: Dạng sóng vào - ra Nguồn V DC tạo. 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