THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER

THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ BỘ LỌC ÂM SẮC GRAPHIC EQUALIZER

GVHD : Đỗ Anh Dũng

Mục lụcMục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1- Đặt vấn đề

2- Mục tiêu của đề tài

3- Nhiệm vụ của đề tài

Chương I– Cơ sở lý thuyết

1. Lý thuyết mạch khuếch đại

1.1. Khuếch đại Transistor

1.2. Khuếch đại thuật toán

1.2.1. Khuếch đại vi sai

1.2.2. Tầng khuếch đại đẩy kéo

1.2.3. Mạch khuếch đại thuật toán

2. Lý thuyết mạng bốn cực và ứng dụng

2.1. Khái niệm mạng bốn cực

2.2. Mạch lọc tần số

2.2.1. Khái niệm chung

2.2.2. Điều kiện dải thông mạch lọc

3.1. Mạch chỉnh lưu nửa song

3.2. Mạch chỉnh lưu toàn song

3.3. Mạch bội áp

3.4. Mạch nguồn cung cấp sử dụng IC chuyên dụng

4. Phân tích cấu tạo một số IC KĐTT thông dụng

4.1

4.2

Chương II-Tính toán thiết kế mạch

1. Các linh kiện dùng trong mạch lọc

2. Các thông số đặc tính của mạch lọc và thiết kế mạch lọc

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

tế

2- Mục tiêu của đề tài

Mục đích của đề tài là xây dựng một bộ lọc âm sắc Equalizer (EQ) bao gồm :một bộ lọc âm sắc Graphic Equalizer , một bộ khuếch đại Khi cho thiết bị Audio(CD player) kết nối với mạch lọc qua jack hoặc cổng kết nối sẽ được mạch lọc điềuchỉnh thành 5 băng tần khác nhau nằm trong ngưỡng nghe của tai người (Giải tần âmthanh mà con người có thể cảm nhận từ 20Hz đền 20 KHz ) Khi đi qua mạch lọc tínhiệu sẽ được điều chỉnh thành tín hiệu mới mang chất lượng âm thanh tốt nhất chongười nghe Một trong các băng tần sau khi được chuyển đổi sẽ được đưa vào mạchkhuếch đại làm tăng biên độ của tín hiệu để đạt tới một điểm đủ để người nghe cảmnhận được âm thanh qua loa speaker bình thường

Sơ đồ khối hệ thống Graphic Equalizer

Và cuối cùng kết quả đạt được của đề tài là có thể làm thành công một mạch lọc

âm sắc Graphic Equalizer 5 bands với công suất phát khoảng 20W

3- Nhiệm vụ của đề tài

Để thực hiện được đề tài “ Thiết kế bộ lọc âm sắc Equalizer “ này trước hết tacần nắm rõ các lý thuyết về mạng bốn cực, mạch khuếch đại , mạch lọc và IC khuếchđại thuật toán Từ đó lấy lý thuyết làm nền tảng xây dựng lên sơ đồ mạch thực tế , tínhtoán trị số linh kiện theo đúng công thức để tìm giá trị tần số của mạch lọc trong thực

tế và thi công làm mạch , hoàn thiện sản phẩm

Chương I– Cơ sở lý thuyết

1. Lý thuyết mạch khuếch đại

Khuếch đại là quá trình khống chế năng lượng có điều khiển, trong đó năng lượngnhỏ chứa đựng thông tin điều khiển năng lượng lớn không chứa thông tin, và nănglượng lớn biến thiên theo năng lượng nhỏ, kết quả ta được một đại lượng điện chứathông tin, mà dòng điện hoặc điện áp có trị số lớn hơn nhiều lần so với trước Trênthực tế có ba kiểu mạch khuếch đại thông dụng :

Thiết bị Audio

Mạch lọcEqualizer

MạchnguồnMạch khuếch đại

Loa

Về phương diện dạng của đại lượng : có khuếch đại dòng và khuếch đại áp

Về phương diện tần số của nguồn tín hiệu : có khuếch đại hạ tần, trung tần, cao tần

Về thành phần cấu trúc của một bộ khuếch đại : có tiền khuếch đại, tiền công suất,khuếch đại tầng trung gian , tầng khuếch đại công suất

Ngoài ra, do yêu cầu, các tầng khuếch đại còn được ghép với để thực hiện chứcnăng : khuếch đại vi sai, khuếch đại đẩy kéo, khuếch đại Darlington…Trong thực tếmạch khuyếch đại được sử dụng trong hầu hết các thiết bị điện tử, như mạch khuyếchđại âm tần trong Cassete, Amply, khuyếch đại tín hiệu video , khuếch đại công suất v.vTrong phần báo cáo này chúng ta sẽ tiến hành tìm hiểu lý thuyết của một số mạchkhuếch đại trong mạng bốn cực như mạch khuếch đạitransistor ,mạch khuếch đại thuậttoán để có thể hiểu một cách cụ thể chức năng nhiệm vụ của từng loại mạch và ứngdụng của chúng trong thực tế

1.1. Khuếch đại Transistor

Transistor có hai loại là : npn và pnp Nguyên lý tác dụng của transistor đãđược nghiện cứu rất nhiều để áp dụng vào thực tế , trong các dụng cụ bán dẫn và đượcminh họa bởi đặc tuyến vào , đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt và được minh họabằng hình sau :

Hình 1.1 Đặc tuyến của npn mắc emitor chung

Các transistor có thể mắc theo các kiểu bazo chung , emitor chung hoặccollector chung Trong ba các mắc thì cách mắc theo kiểu emitor chung được ứngdụng nhiều nhất trong thực tế

Ta có thể đưa ra một bảng để tóm tắt tính chất của từng cách mắc transistor cơ bản theo bảng :

Bảng 1.1 Tính chất từng cách mắc transistorTrong đó : L : lớn ; B : bé ; TB : trung bình ; RL : rất lớn

: góc lệch pha giữa điện áp ra và điện áp vào

Các tính chất có thể tóm tắt như sau :

- Mạch emitor chung cho hệ số khuếch đại công suất lớn nhất (vì Ki , Ku đều lớn)

vì vậy cách mắc emitor chung hay được dùng hơn cả Trở kháng vào , trởkháng ra của mạch có giá trị trung bình , vì vậy mạch emito tiện lợi đối với việcghép tải và nguồn tín hiệu Điện trở tải yêu cầu của nó khoảng vài

- Mạch bazo chung và emitor chung có hồi tiếp âm dòng điện qua điện trở RE

thường được dùng làm nguồn dòng, còn mạch lặp emitor được dùng làm nguồn

áp

Trong báo cáo này chúng ta nghiên cứu về các sơ đồ mắc cơ bản của transistor để

có thể hiểu được một cách cụ thể tác dụng cũng như chức năng của từng loại mạch khiứng dụng trong IC khuếch đại, góp phần giúp chúng ta tìm hiểu rõ hơn về mạchkhuếch đại trong thực tế Khi phân tích các sơ đồ của một tầng khuếch đại thì vấn đề

cơ bản là chọn được cách biểu diễn thích hợp cho các phần tử tích cực Có nhiềuphương pháp biểu diễn và mắc transistor khác nhau

1.2. Khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương

tự (analog) Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúngtrong các máy điện toán Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợpanalog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện tử Trước đây chưa

có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau Ngày nay,nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể

vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạchhồi tiếp ngoài thích hợp Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạohàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời )

Hình 1.2 Ký hiệu của khuếch đại thuật toán

Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ sốkhuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vàocực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra Thực tếngười ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng Hình 1.2 là ký hiệu của KĐTT :

Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P(positive), đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative), (VS+) điện áp nguồn dương, (VS-) điện áp nguồn âm và một đầu ra (VOut).KĐTT ngày nay có thể được chế tạo như một IC hoặc nằm trong một phần của IC đa chức năng

Hình 1.3.Sơ đồ khối bên trong khuếch đại thuật toán

1.2.1. Khuếch đại vi sai

Khuếch đại vi sai là khuếch đại mà tín hiệu ra không tỷ lệ với trị tuyệt đối củatín hiệu vào mà tỷ lệ với hiệu của tín hiệu vào Khuếch đại vi sai được sử dụng đểkhuếch đại tín hiệu có tần số giới hạn dưới nhỏ (tới vài Hz) , gọi là tín hiệu biến thiênchậm hay tín hiệu một chiều Ta có thể coi dải thông của nó là 0 ÷ fC.Nếu sử dụngkhuếch đại RC để khuếch đại loại tín hiệu này thì các tụ nối tầng phải có trị số rất lớnnên bất tiện Khuếch đại vi sai thích hợp cho loại tín hiệu này, ngoài ra nó còn có nhiềutính chất quí báu mà ta sẽ nói tới sau này Khuếch đại vi sai là cơ sở để xây dựngkhuếch đại thuật toán nên ta xét lý thuyết loại khuếch đại này

Bộ khuếch đại vi sai là một bộ khuếch đại tín hiệu một chiều đối xứng, có haiđầu vào và hai đầu ra Trong bộ khuếch đại vi sai điều đáng chú ý là nếu các điện ápvào và hai đầu ra Trong bộ khếch đại vi sai điều đáng chú ý là nếu các điện áp vào Uđ

= Uv1 – Uv2 được khuếch đại lên Kuđ lần thì các điện áp vào có trị số bằng nhau chỉđược khuếch đại lên Kcm lần, với Kcm<< Kud Điện áp vào được chia làm hai thànhphần: thành phần điện áp đồng pha, ký hiệu là chính là trị trung bình đại số của haiđiện áp vào:

hoặc colecto chung có điện áp vào trên mỗi tranzistor là Để tính hệ số khuếch đại Ku,

Ki và trở kháng vào Zv, trở kháng ra Zr có thể áo dụng các biểu thức của sơ đồ emitochung đã biết

+ Hệ số khuếch đại hiệu

Kud = = với giả thiết Ucm = 0 ở tần số thấp cũng như ở tần số cao Kud đều có trị số giống nhưcủa mạch emito chung Trường hợp cần lấy tín hiệu trên một đầu ra so với đất, ta có

hệ số khuếch đại đối với một đầu ra:

Kud1 = Kud2 = = =

bằng một nửa hệ số khuếch đại hiệu khi lấy điện áp ra đối xứng

Khi ở đầu vào chỉ có điện áp không đồng pha tức = 0 thì Ucm = = , thì mạchlàm việc ở chế độ khuếch đại tín hiệu đồng pha Lức này cả hai tranzistor đều đượcđiều khiển bởi một điện áp có biên độ và pha như nhau Do mạch đối xứng, nên dòngđiện trên các cực tương ứng của hai tranzistor bằng nhau Do đó ta có sơ đồ tươngđương hình 1.4a Vì điện thế emito cuartranzistor bằng nhau nên không có dòng chạytrong dây dẫn nối hai emito với nhau, do đó trong sơ đồ tương đương không vẽ dây nối

đó Tách sơ đồ tương đương thành hai nửa đối xứng, mỗi nửa tương ứng với một mạchemito chung có điện trở emito là 2RE hoặc một mạch source chung có điện trở nguồn

là 2Rs và có hồi tiếp âm dòng điện

Hình 1.4 Sơ đồ tương đương của bộ khuếch đại vi sai

a) Đối với điện áp đồng pha

b) Đối với điện áp vào hiệu

Hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha Kcm có thể suy ra từ biểu thức đã có đối với sơ

đồ emito chung và source chung có hồi tiếp âm dòng điện Điện trở hồi tiếp 2RE hoặc2RS càng lớn thì Kcm càng nhỏ Nếu các điện trở này không đổi trong quá trình làmviệc, nghĩa là trên đầu ra điện áp hầu như không đổi, do đó Kcm tiến tới bằng không.Tóm lại sự khác nhau cơ bản giữa chế độ khuếch đại tín hiệu và chế độ khuếch đạitín hiệu đồng pha là ở chỗ: ở chế độ khuếch đại tín hiệu, RE và RS không có tác dụnghồi tiếp âm; ngược lại ở chế độ khuếch đại tín hiệu đồng pha chúng có tác dụng hồitiếp âm lớn làm cho hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha giảm

Bảng 1.2 Các tham số mạch khuếch đại vi saiNếu thì

;

Bỏ qua Cde hoặc Cgs

Trong các bộ khuếch đại tín hiệu xoay chiêu, người ta không quan tâm đến hiệntượng trôi, vì qua phần tử gép điện dung, trôi không được đưa đến đầu ra Trôi chỉ làm

thay đổi hệ số khuếch đại của mạch Ảnh hường này có thể khắc phục được bằng hồitiếp âm.

Ngược lại,trong các bộ khuếch đại tín hiệu một chiều, trôi cũng được khuêchđại và đưa đến đầu ra như tín hiệu Vì vậy trong trường hợp này phải tìm cách giảmtrôi Trong thực tế không thể tác động trực tiếp vào tranzistor để giảm trôi được, nênngười ta dùng bộ khuếch đại vi sai Bộ khuếch đại vi sai khuếch đại hai điện áp đặt ởđầu vào, do đó điện áp ra của nó chỉ chịu ảnh hưởng của hiệu các điện áp trôi củatranzistor Do đó bộ khuếch đại vi sai có mức trôi rất thấp Trường hợp mạch hoàntoàn đối xứng thì trôi được khử hoàn toàn Để phát huy ưu điểm đó của mạch, người takhông những dùng bộ khuếch đại vi sai để khuếch đại hiệu hai điện áp mà còn đểkhuếch đại một điện áp Điện áp đó được đưa đến một đầu vào, đầu vào thứ 2 được nốiđất

1.2.2. Tầng khuếch đại đẩy kéo

Để tăng công suất, hiệu suất và giảm méo phi tuyến, người ta dùng tầngkhuếch đại đẩy kéo Tầng khuếch đại đẩy kéo là tầng gồm có hai phần tử tích cực mắcchung tải Để biểu diễn và phân loại các sơ đồ đẩy kéo, có thể dùng sơ đồ như trênhình 1.5

Hình 1.5 Tầng khuếch đại đẩy kéo

a) đẩy kéo song song ; b) đẩy kéo nối tiếpTrong sơ đồ đẩy kéo song song, các phần tử tích cực được mắc trong cácnhanh bên trái của cầu Trong các nhánh phải của cầu là điện trở tải, có điểm giữa nốivới nguồn cung cấp mắc trong nhánh chéo của cầu Ngược lại, trong sơ đồ đẩy kéonối tiếp, nguồn cung cấp có điểm giữa nối với tải, tải nằm trong nhánh chéo của cầu

Tóm lại sơ đồ đẩy kéo song song có các phần tử tích cực đấu song song về mặt mộtchiều và sơ đồ đẩy kéo nối tiếp có các phần tử tích cực đấu nối tiếp về mặt một chiều.Ngoài ra, trong các sơ đồ trên còn có thể dùng hai phần tử tích cực cùng loại hoặckhác loại, do đó có bốn loại sơ đồ đẩy kéo như được chỉ ra trong bảng 1.3 và hình 1.6

Bảng 1.3

Hình 1.6 Sơ đồ đẩy kéo song song và nối tiếpĐiện trở Rt trong các sơ đồ song song chỉ có ý nghĩa, nếu hai nửa cầu của nóđược liên hệ với nhau nhờ cảm ứng hoặc nhờ sự biến đổi năng lượng sao cho toàn bộcông suất được đưa hết ra một tải chung để tiêu thụ Vì vậy trong các sơ đồ song songthường dùng mạch ghép biến áp với tải tiêu thụ Trong đó , cuộn sơ cấp biến áp cóđiểm giữa nối với nguồn cungcaaps, còn cuộn thứ cấp ghép với tải

Các tầng đẩy kéo có thể làm việc ở chế độ A, AB hoặc B, nhưng thông thườngngười ta hay dùng chế độ AB hoặc B Ở chế độ B, điểm làm việc được chọn sao chodòng điện ra ở chế độ tĩnh Uro bằng điện áp nguồn cung cấp Mỗi tranzistor chỉ khuếchđại một nửa dương hoặc một nửa âm tín hiệu vào Hai nửa tín hiệu ra sẽ được tổng hợplại thành tín hiệu hoàn chỉnh trên điện trở tải.

Tuy nhiên, ở chế độ B phải lưu ý đến méo tín hiệu sinh ra khi điểm làm việcchuyển tiếp từ tranzistor này sang tranzistor khác, vì trong tranzistor chỉ có dòng emitokhi điện áp bazo –emito lớn hơn 0,5V (tranzistor silic) Do đó khi điện áp bazo – emito

có giá trị nhỏ thì nó được khuếch đại rất ít hoặc hoàn toàn không được khuếch đại.Méo sinh ra trong quá trình đó càng lớn khi điện áp vào càng nhỏ Méo này khắc phụcđược bằng cách tăng trị số dòng ra tại điểm tĩnh Iro và cho tầng ra làm việc ở chế độAB

1.2.3. Mạch khuếch đại thuật toán

Mạch khuếch đại thuật toán là một trong những phần tử điển hình của bốn cựckhông tương hỗ, tích cực, nó đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tế Có thểnói mạch khuếch đại thuật toán ngày nay đã trở thành phần tử cơ bản thay thế chotransistor trước đây Mạch khuếch đại thuật toán là tên gọi cho các mạch khuyếch đạiđược nối trực tiếp với nhau có hệ số khuếch đại cao, trở kháng vào lớn, trở kháng ranhỏ và với các mạch phản hồi khác nhau Ta sẽ xét các bộ khuếch đại sau để tìm hiểuchức năng của từng loại mạch KĐTT Ta xét các bộ KĐTT cơ bản bên trong cá ICkhuếch đại thuật toán

- Các sơ đồ khuếch đại thuật toán dạng đơn giản.

Hình 1.7 Sơ đồ khuếch đại vi sai đơn giảnQuan sát hình 1.7 đưa ra hai dạng sơ đồ đơn giản của bộ khuếch đại thuật toán.Trên hình 6a, T1, T2 là tầng vào khuếch đại vi sai đối với nguồn dòng T3 Để trở khángvào rd lớn và dòng tĩnh nhỏ, tầng này phải làm việc với dòng colecto nhỏ Tuy nhiêncũng không dùng dòng colecto quá nhỏ làm cho hệ số khuếch đại dòng điện giảm vàlàm tăng ảnh hương của tạp âm đối cới bộ khuếch đại, thường chọn Ic trong phạm vi10µA đến 1mA Vì chỉ cần một đầu ra, nên có thể bỏ bớt một điện trở Rc trên colecto

T1, điều này không ảnh hưởng đến công tác các mạch, vì dòng colecto hầu như khôngphụ thuộc vào UCE Tuy nhiên, tổn hao trên 2 tranzistor sẽ khác nhau làm cho nhiệt độcủa chúng khác nhau gây ra trôi lớn T4 là mạch biến đổi trở kháng để có trở kháng ranhỏ Để T2 không bão hapf, phải chọn điện thế coleto đủ lớn (Ucc) Trong sơ đồ nàydùng điot Zener để dịch mức Điện áp Zener của điot là Ucc -0,6V Vì điện áp colecto

T2 nằm trong phạm vi (0÷Ucc), nên điện áp ra thay đổi trong phạm vi (- Ucc ÷ Ucc)

- Bộ khuếch đại thuật toán có hai tầng khuếch đại điện áp

Hình 1.8 Bộ khuếch đại vi sai có hai tầng khuếch đại điện ápTầng vào khuếch đại vi sai giống tầng vào trên hình 1.7a Tầng thứ 2 là tầngkhuếch đại emito chung (T4) Chịn điện thế tĩnh trên colecto T4 sao cho điện áp ra tĩnhbằng không Dòng colecto tĩnh của T4 được xác định bởi R4 Điện trở RC được chọnsao cho UBET4 ≈ 0,6V Nhược điểm của sơ đồ là hạ áp trên RC quá bé, làm cho hệ sốkhuếch đại điện áp của T2 bé (khoảng 5 lần) Vì tầng vào có hệ số khuếch đại điện ápnhỏ, nên trôi do nó sinh ra ít ảnh hưởng đến trôi của toàn mạch, trôi của toàn mạch chủyếu do T4 quyết định RKCK là khâu bù tần số.

- Bộ khuếch đại thuật toán dùng mạch điện có dòng đối xứng (gương dòng điện)

Hình 1.9 Bộ khuếch đại thuật toán dùng mạch có gương dòng điện

Để giảm trôi do T4 (hình 1.8) gây ra, mắc thêm một khâu mạch để bù trôi điện

áp bazo – emito của T4 Điot D trên hình 1.9 làm nhiệm vụ đó, nhờ đó hạ áp trên haiđiện trở RC như nhau, do đó dòng colecto của T4 bằng dòng colecto của T2 Mạch này

vì vậy còn được gọi là gương dòng điện Nó cũng có tác dụng dịch mức như T4 tronghình 1.8, nhưng nhờ có bù trôi, nên mức dịch đạt được khá chính xác.

- Bộ khuếch đại thuật toán dùng khuếch đại vi sai bù

Hình 1.10 Bộ khuếch đại dùng mạch khuếch đại vi sai bù

Sơ đồ này giống sơ đồ trên hình 1.8, T4 được thay đổi bởi bộ khuếch đại vi saigồm T4, T5 Nhờ đó mạch có thêm một số ưu điểm: có thể tăng hạ áp trên RC để có hệ

số khuếch đại điện áp của tầng vào lớn hơn Do có nguồn dòng T3, nên ở đầu ra bộkhuếch đại vào không có điện áp đồng pha, vì thế không cần mắc thêm nguồn dòng ở

vị trí của R4 Do kết cấu của bộ khuếch đại vào nên điện thế emito UE của T4, T5 có giátrị xác định Điện thế này càng lớn khi RC càng nhỏ và do đó hệ số khuếch đại điện ápcàng nhỏ

Một số điểm cần chú ý khi chọn dùng bộ khuếch đại thuật toán

Khi chọn bộ khuếch đại thuật toán để dùng cho một số trường hợp ta cần chú ý tới cácđiểm sau đây :

- Mức tín hiệu vào , dải tần công tác , trở kháng ra , trở kháng vào , mức chínhxác của quá trình gia công tín hiệu, tốc độ đáp ứng và các điều kiện môi trường

- Phải đặc biệt cần chú ý tới các tính chất nguồn tín hiệu Các bộ khuếch đại thuậttoán có tầng vào dùng transistor lưỡng cực được dùng với nguồn tín hiệu có trở khángtrong bé () , vì trôi điện áp lệch không ở các tầng vào loại này nhỏ Ngược lại , các bộkhuếch đại thuật toán có dùng transistor trường thường được dùng với nguồn tín hiệu

có trở kháng trong lớn, vì tầng loại này có dòng tĩnh nhỏ và trôi dòng lệch không cũngnhỏ.

U1 , I1 : điện áp và dòng điện tại cửa 1

U2, I2 : điện áp và dòng điện tại cửa 2

2.2. Mạch lọc tần số

2.2.1. Khái niệm chung

Mọi mạch có chứa các phần tử điện kháng sao cho trở kháng của nó phụ thuộcvào tần số đều có thể coi như có tính chất chọn lọc đối với tần số Một cách định tính

có thể định nghĩa mạch lọc tần số là những mạch cho những dao động có tần số nằmtrong một hay một số khoảng nhất định (gọi là dải thông) đi qua và chặn các dao động

có tần số nằm trong những khoảng còn lại (gọi là dải chắn) Về mặt kết cấu, mạch lọctần số lý tưởng là một bốn cực có suy giảm đặc tính thoả mãn:

Hay nói một cách khác, hệ số truyền đạt điện áp của mạch lọc tần số thoả mãn:

==

Đặc tính tần số |K()| của mạch lọc lý tưởng biểu thị trong hình sau :

Với mạch lọc thụ động, tính chất chọn lọc lý tưởng chỉ được thực hiện khi cácphần tử xây dựng nên mạch là thuần kháng, đồng thời tải phối hợp trong dải thông làthuần trở Chúng ta sẽ xét các mạch lọc mà sơ đồ của nó có dạng hình cái thang nhưhình 2.2, kết cấu này giúp cho mạch lọc làm việc ổn định do đó nó được sử dụng rấtrộng rãi trong thực tế.

Hình 2.2

Để phân tích một mạch lọc phức tạp, thường dùng phương pháp cắt thànhnhững đoạn nhỏ đơn giản theo các sơ đồ hình T hoặc hình π, hình Γ thuận hoặc hình Γngược (hình 2.3) kết nối với nhau theo kiểu dây chuyền

Hình 2.3Các sơ đồ hình T và hình π thường được sử dụng để nghiên cứu về mặt lýthuyết mạch lọc Các thông số đặc tính của hai loại sơ đồ này được tính theo các côngthức:

th

2.2.2. Điều kiện dải thông của mạch lọc tần số

Với kết cấu các phần tử tạo thành Za , Zb đã cho, cần xác định điều kiện về dảithông (hay dải chắn) của mạch lọc Trong dải thông ta phải có:

(1)

Để thỏa mãn ZaZb=k2 thì đơn giản nhất là chọn Za và Za là Za các điện khángthuần khác tính nhau sao cho tỉ số là 1 số Zb thực Lúc đó công thức sẽ thỏa mãn vớiđiều kiện :

(2)

Để tìm hiểu rõ hơn về mạch lọc ta xét 1 số dạng mạch lọc thực tế sau ;

- Mạch lọc thông thấp

Áp dụng điều kiện (2) ta có :

(3)Công thức (3) chỉ rõ chỉ có tần số dương , thấp hơn mới thỏa mãn điều kiện dảithông , nghĩa là mọi dao động của tần số nhỏ hơn thì đi qua được mạch lọc Mạch lọc

có tính chất như vậy thì được gọi là mạch lọc thông thấp Tần số các định trong (3) làgiới hạn giữa dải thông và dải chắn gọi là tần số cắt của mạch lọc Do tính chất đặcbiệt của tần số 0 , người ta còn coi lọc thông thấp là loại mạch lọc có tần số cắt xácđịnh bởi (3) và dải thông có chứa tần số gốc

Về mặt vật lý , nếu chú ý đến tính chất của phần tử điện cảm là chống lại sự biếnthiên nhanh của dòng điện qua nó , và phần tử điện dung là dễ dàng dẫn các dòng điệnbiến thiên nhanh , sẽ thấy các dao động có tần số thấp dễ đàng đi từ cửa ra vào đến cửa

ra của mạch lọc, còn các dao động tần số cao sẽ bị chặn lại Do đó đây là mạch lọcthông thấp

- Mạch lọc thông cao

Áp dụng điều kiện (2) ta có :

(4)Công thức (4) chỉ rõ , các dao động có tần số hữu hạn và lớn hơn thỏa mãn điềukiện dải thông , nghĩa là đi qua mạch lọc Mạch lọc có tính chất như vậy gọi là mạchlọc thông cao Tần số là giới hạn dải thông và dải chắn gọi là tần số cắt của mạch lọc

Về mặt vật lý , cũng như những nhận xét về tính chất của phần tử điện cảm vàđiện dung như trên sẽ thấy rằng các dao động có tần số cao có thể đi từ cửa vào đến

cửa ra của mạch lọc còn các dao động tần số thấp sẽ bị chặn lại Do đó đây gọi làmạch lọc thông cao

- Mạch lọc thông dải

(5)

Sơ đồ mạch lọc như dưới :

Để thỏa mãn điều kiện thì ta cần có :

Nghĩa là các nhánh của Za, Zb có tần số cộng hưởng Áp dụng điều kiện (2) ta sẽ có :

- Mạch lọc chắn dải

(6)

bỏ đi các nghiệm âm sẽ có :

(7b)Kết hợp (7a) và (7b) và đặt sẽ có :

hưởng của các nhánh của mạch lọc cũng có quan hệ sau đây :

2.2.3. Tính chất của mạch lọc loại K

Ta sẽ xét trở kháng đặc tính và truyền đạt đặc tính của từng loại mạch lọc.

- Đối với mạch lọc thông thấp

Xét trở kháng đặc tính của mắt lọc hình T

-Trong dải chắn mang tính điện cảm

-Trong dải thông mang tính điện trở và được tính theo công thức:

Sự phụ thuộc của Zd(T) theo tần số được biểu thị trong hình dưới :

Xét trở kháng đặc tính của mắt lọc hình π

Trong dải chắn mang tính điện dung

Trong dải thông mang tính điện trở và được tính theo công thức:

Sự phụ thuộc của theo tần số được biểu thị trong hình dưới :

Bây giờ ta xét sang truyền đạt đặc tính:

-Trong dải thông suy giảm đặc tính a =0, khi đó:

-Trong dải chắn điện áp trên cửa ra giảm nhỏ một cách đáng kể sao cho lúc đókhông cần để ý tới sự dịch pha giữa nó với điện áp vào Người ta quy ước là b giữnguyên giá trị của nó tại sao cho sang dải chắn tgb =0 và thg = tha Khi đó:

- ố i vĐ ớ i m ạ ch l ọ c thông cao

Xét trở kháng đặc tính của mắt lọc hình T

-Trong dải chắn mang tính điện dung

-Trong dải thông mang tính điện trở và được tính theo công thức:

Sự phụ thuộc của Zd(T) theo tần số được biểu thị trong dưới :

Xét trở kháng đặc tính của mắt lọc hình π

-Trong dải chắn mang tính điện cảm

-Trong dải thông mang tính điện trở và được tính theo công thức:

Sự phụ thuộc của theo tần số được biểu thị trong hình dưới :

Bây giờ ta xét sang truyền đạt đặc tính:

-Trong dải thông suy giảm đặc tính a =0, khi đó:

-Trong dải chắn người ta cũng quy ước b giữ nguyên giá trị của nó tại c sao chosang dải chắn tgb =0 và thg = tha Khi đó:

Hình dưới biểu diễn sự phụ thuộc của a và b theo tần số trong các dảikhác nhau

- ố i vĐ ớ i m ạ ch l ọ c thông d ả i

Xét mắt lọc hình T và hình π của mạch lọc thông dải

Do việc tính toán khá phức tạp, nên ở đây không thực hiện tính toántrực tiếp mà chỉ dựa vào tính chất tương đương của nó đối với các mạchlọc thông thấp và thông cao trên các đoạn tần số khác nhau Cụ thể là:

-Trên đoạn : nhánh Za mang tính điện cảm, còn Zb mang tính chấtđiện dung, do đó mạch lọc thông dải sẽ tương đương như một mạch lọcthông thấp

-Trên đoạn: nhánh Za mang tính điện dung, còn Zb mang tính chấtđiện cảm, do đó mạch lọc thông dải sẽ tương đương như một mạch lọcthông cao Hình trên biểu diễn sự phụ thuộc của các thông số đặc tínhcủa mạch lọc thông dải theo các dải tần số khác nhau.

- Đối với mạch lọc chắn dải

Xét mắt lọc hình T và hình π của mạch lọc chắn dải

Tương tự như mạch lọc thông dải, dựa vào tính chất tương đương củamạch lọc chắn dải đối với các mạch lọc thông thấp và thông cao trêncác đoạn tần số khác nhau

Cụ thể là:

-Trên đoạn : nhánh Za mang tính điện dung còn nhánh Zb mang tính điệncảm do đó mạch lọc chắn dải sẽ tương đương như một mạch lọc thông cao

-Trên đoạn : nhánh Za mang tính điện cảm còn nhánh Zb mang tính điện dung

do đó mạch lọc chắn dải sẽ tương đương như một mạch lọc thông thấp Hình vẽ trênbiểu diễn sự phụ thuộc của các thông số đặc tính của mạch lọc chắn dải theo các dảitần số khác nhau

Trên đây ta đã xét các tính chất của bộ lọc loại k, trong đó các thông số đặc tínhđược định nghĩa dựa vào điều kiện phối hợp trở kháng ở cả hai cửa Nhưng điều kiệnnày lại rất khó thực hiện, bởi vì thông thường trở kháng tải và nội kháng của nguồn cógiá trị là thuần trở cố định, hay nếu có phụ thuộc tần số thì cũng theo quy luật riêngcủa nó Trong khi đó trở kháng đặc tính của mạch lọc loại K cho dù có tính chất thuầntrở trong dải thông nhưng vẫn bị phụ thuộc khá nhiều vào tần số Vì vậy nhược điểmcủa loại bộ lọc này là trở kháng đặc tính và sự truyền đạt tín hiệu bị ảnh hưởng nhiềubởi tần số

dùng bộ khuếch đại thuật toán và mạng RC – gọi là mạch lọc tích cực Khác với lọc

thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản: tần số giới hạn fg ,

bậc của bộ lọc và loại bộ lọc Tần số giới hạn fg là tần số mà tại đó đặc tuyến biên độ tần số của hàm truyền đạt giảm 3dB so với hệ số truyền đạt ở tần số trung tâm Bậc bộ

-lọc xác định độ dốc của tuyến biên độ - tần số ở tần số f>>fg

Loại bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giớihạn và trong khu vực thông của mạch lọc Cần chú ý rằng: mạch điện của các loại bộlọc thì giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở giá trị các linh kiện RC mà thôi Người taquan tâm nhiều đến ba loại bộ lọc: Bessel, lọc Butter worth và lọc Tschebys-cheff.Đặc tính của các loại bộ lọc đó được minh họa trên hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tính biên độ-tần số của mạch lọc thông thấp bậc 4

ở đây : 1- lọc thụ động ; 2- lọc Bessel ; 3- lọc Butterworth ; 4- lọc Tschebyscheff

Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tính phẳng kéo dài và gấp khúc trước khi đạt

được tần số giới hạn fg Mạch lọc thông thấp Tschebuscheff (4) có độc dốc lớn nhất ở

tần số f >> fg, trong dải tần đặc tuyến không phẳng hoàn toàn mà có độ gợn sóng nhất

định Ở tần số f > fg đặc tuyến càng dốc nếu độ gợn sóng trong dải thông càng lớn.Mạch lọc Bessel có đặc tính giảm đều từ khu vực thông sang khu vực chắn và có đápứng xung gần như lý tưởng Tùy yêu cầu cụ thể, có thể chọn loại mạch lọc thích hợp

Để tiện xét các loại mạch lọc, dựa vào hàm truyền đạt tổng quát của một mạchlọc thông thấp :

Kd(P) = (1)