Nghiên cứu mạch lọc tích cực

Nghiên cứu mạch lọc tích cực

KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TIỂU LUẬN

BỘ MÔN

Sinh viên Lớp: 44R1 Ngành: Điện tử viễn thông Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Hải Ninh Ngày giao đề Ngày hoàn thành

Tên đề tài : Nghiên cứu mạch lọc tích cực Yêu cầu

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

MỤC LỤC

I Khái niệm về mạch lọc tần số 5

II Mạch lọc thụ động 6

III Mạch lọc tích cực 9

3.1 Tham số đặc trưng của bộ lọc tích cực 9

3.2 Mạch lọc thông thấp 12

3.2.1 Mạch lọc thông thấp bậc 1 12

3.2.2 Mạch lọc thông thấp bậc 2 14

3.3 Mạch lọc thông cao 15

3.3.1 Mạch lọc thông cao bậc 1 15

3.3.2 Mạch lọc thông cao bậc 2 17

3.4 Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải……… ………….18

3.4.1 Mạch lọc chọn lọc 18

3.4.2 Mạch lọc thông dải băng tần rộng 21

3.5 Mạch nén chọn lọc 22

IV Thiết kế mạch lọc tích cực bậc cao 23

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kĩ thuật mạch tương tự,các mạch tính toán và điều khiển được xây dựng chủ yếu dựa tren bộ khuếch đại thuật toán.Thay đổi các linh kiện mắc trong mạch hồi tiếp của bộ khuếch đại thuật toán sẽ có được các mạch tính toán và điều khiển khác nhau.Các mạch tính toán và điều khiển tuyến tính có trong mạch hồi tiếp các linh kiện thụ độngkhông phụ thuộc và tần số R,hoặc phụ thuộc vào tần số của L,C Sau đây ta nghiên cứu về một loại mạch tính toán và điều khiển,đó là mạch lọc tích cực.Hiện nay các mạch lọc được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Tùy vào ứng dụng cụ thể mà chúng ta chọn sử dụng mạch lọc thụ động hay mạch lọc tích cực.Ở tần số thấp nhỏ hơn vài trăm KHZ thì mạch lọc tích cực được ứng dụng rộng rãi hơn so với mạch lọc thụ động.Là vì mạch lọc tích cực có các ưu điểm hơn hẳn so với mạch lọc thụ động.

NỘI DUNG CHÍNH

I Khái niệm về mạch lọc tần số

Mạch lọc tần số là mạch chọn lọc lấy tín hiệu trong một hay một số khoảng tần số nào

đó còn các tín hiệu ở tần số khác thì bị loại trừ Các bộ lọc điện hiện nay được ứng dụngrất rộng rãi trong các hệ thống viễn thông và truyền dẫn dữ liệu Bộ lọc được dùng để lọcnhiễu, chia tách kênh trong các hệ thống ghép kênh, lựa chọn dải thông, lọc bỏ các hàikhông cần thiết

Nếu phân chia theo dải tần số thì có các loại mạch lọc sau:

Với các bộ lọc lý tưởng ta có các dạng đặc tuyến như sau:

• Mạch lọc thông thấp

Mạch lọc thông thấp cho qua các tần số từ 0 tới f c và chặn tất cả các tần số từ f c trở

lên và f c gọi là tần số cắt của mạch

lớn hơn f 2 , và chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng (f 1 - f 2) Độ rộng của dải chặn được

Hình 1: Mạch lọc thông cao (a) và thông thấp (b)

Tần số cắt được xác định tại đó biên độ tín hiệu giảm 3dB hay 1/ 2 lần Tại tần số

- Tín hiệu vào và ra ra của lọc thông thấp và thông cao sẽ lệch pha nhau

Mạch lọc thụ động có hệ số truyền đạt K(w)<1 Các mạch này hầu hết làm việc ở tần

số cao ( >1MHz) vì ở khu vực tần số thấp các mạch này có kết cấu nặng nề và hệ số phẩmchất giảm

Một số mạch lọc thụ động thường gặp và đặc tuyến truyền đạt của chúng:

III Mạch lọc tích cực

Mạch lọc thụ động RLC có độ suy giảm lớn , công kềnh và khó chế tạo dưới dạng IC

ở dải tần thấp Với tần số nhỏ hơn vài trăm KHz thường dùng mạch lọc RC kết hợp vớicác phần tử tích cực (BJT, Op-Amp ) gọi là mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực có các

ưu điểm so với mạch lọc thụ động như:

- Linh hoạt trong xây dựng và thiết kế

- Sử dụng tốt ở dải tần thấp do không có cuộn cảm nên kinh tế và gọn nhẹ

- Các ứng dụng tần thấp tới 1Hz

- Trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ nên có chức năng làm bộ đệm

- Có khả năng khuếch đại nên tín hiệu vào không bị suy giảm như lọc thụ động

- Dễ điều chỉnh hơn lọc thụ động

3.1 Tham số đặc trưng của bộ lọc tích cực

Mỗi bộ lọc được đặc trưng bằng một đặc tuyến tần số, là đồ thị của độ khuếch đại hoặc suy hao theo tần số Tại một tần số xác định là tần số cắt, biên độ của đặc tuyến bắt

đầu giảm Độ dốc của đặc tuyến thể hiện tốc độ suy giảm của biên độ quanh tần số cắt.Bốn dạng đáp ứng tần số lý tưởng của bộ lọc (hình ), độ dốc của đáp ứng thẳng đứng.Trong thực tế không thể đạt được dạng lý tưởng này, tuy nhiên bộ lọc càng phức tạp thì

độ dốc đặc tuyến sẽ càng lớn

Một mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi 3 tham số (hình)

- Tần số cắt c là tần số tại đó hệ số khuếch đại suy giảm 2lần (hay -3dB) Tại tần

số này biên độ của đáp ứng tần số bắt đầu giảm

Mạch điện của các loại bộ lọc này giống nhau, chỉ khác nhau về giá trị RC Có 3loại bộ lọc: Bessel, Butterworth và Tschbyscheff Đặc tuyến biên độ tần số của 3loại bộ lọc này như hình 2

Hình 2 Đặc tuyến biên độ – tần số của mạch lọc thông thấp bậc 4:1-Lọc thụ

động; 2-Lọc Bessel; 3-Lọc Butterworth; 4-Lọc Tschebyscheff

+ Mạch lọc Butterworth (3) có đặc tuyến trong dải thông phẳng nhất Không có gợn sóngtrong dải thông và tần số cắt được lấy ở mức 3dB Chú ý trong hình 3, dải chặn nằm

trong khoảng 0Hz đến f c Trong thực tế không có trường hợp này và hệ số khuếch đại nhỏ

nhất đạt được trong khoảng giữa điểm A và f c Đặc tuyến biên độ phẳng của lọc

Butterworth tốt cho tần số gần 0Hz nhưng không tốt ở vùng cạnh dải thông vì độ dốc củađặc tuyến không lớn Lọc Chebysev sẽ khắc phục nhược điểm này

Hình 3 Đặc tuyến tần số mạch lọc Butterworth

+ Mạch lọc Chebyshev (4) có độ gợn sóng trong dải thông Tuy nhiên phía ngoài dảithông biên độ sẽ suy giảm nhanh hơn so với lọc Butterworth Độ gợn sóng càng cao thì

tính chọn lọc của bộ lọc càng tốt Để xác định dải thông không dễ nhưng thường lấy tạiđỉnh gợn sóng có tần số lớn nhất.Ví dụ trong hình 4 là đặc tuyến của mạch lọc thông cao

Chebyshev có độ gợn sóng là 0.5dB và tần số f r =1kHz, do đó đặc tuyến của nó sẽ thay đổi

0.5dB từ tần số 1kHz trở đi và độ khuếch đại sẽ giảm nhanh chóng ở tần số nhỏ hơn1kHz

Hình 4

+ Mạch lọc Bessel có đặc tuyến giảm đều từ khu vực thông sang khu vực chắn và có đápứng xung gần như lý tưởng (hình 5) Tuỳ yêu cầu cụ thể, có thể chọn loại mạch lọc thíchhợp

Hình 5 Đáp ứng xung của mạch lọc thông thấp.1-Lọc thụ động; 2-Lọc Bessel;

- Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến tần số ngoài dải tần Bậc bộ lọc càng

cao thì độ dốc của đặc tuyến tần số càng lớn và tiến gần đến dạng đặc tuyến lýtưởng Bậc của bộ lọc bằng số khâu RC trong bộ lọc Thông thường không cầnthiết dùng các bộ lọc có bậc lớn hơn 4 Thông thường sẽ tạo bộ lọc bậc cao bằngcách ghép liên tiếp các bộ lọc bậc 1 và bậc 2 Với bộ lọc Chebyshev, số đỉnh gợnsóng trong dải thông sẽ xác định bậc của bộ lọc

- Hàm truyền đạt của bộ lọc tổng quát

n n

n n

p a p

a p a a

p b p

b p b b

2 2 1 0

a p a a

b p

1 1

|

|

0

1 2

2 1 2





R R R

C j

+ Khi tần số lên cao thì |Ku| giảm dần  mạch lọc thông thấp

+ Tần số cắt là tần số tại đó |Ku| giảm 2 lần Nhìn vào công thức trên ta có tần số cắt

C R

B3: Tính giá trị R từ công thức tần số cắt ở trên.

- Ngoài ra còn dùng mạch sau đây để làm mạch lọc thông thấp bậc 1 Đây là mạchkhuếch đại không đảo nhưng do không có điện trở nối đất ở đầu vào (cửa đảo) nên

hệ số khuếch đại bằng +1 Thường chọn Rf =R để giảm dòng lệch không

Đặc tuyến biên độ tần số

3.2.2 Mạch lọc thông thấp bậc 2

- Trong thực tế muốn tăng độ dốc của đặc tuyến biên độ- tần số để đạt gần tới đặctuyến của bộ lọc lý tưởng  sử dụng các bộ lọc bậc cao Trong thực tế thường sửdụng bộ lọc bậc 2 vì:

+ Cấu trúc đơn giản

a p a p

a

b K

Vậy tần số cắt :

1 2

Nhận xét:

- Hệ số khuếch đại áp của mạch sẽ tăng khi tần số tăng

- Tần số cắt C là tần số tại đó Ku giảm 2 lần Dựa vào công thức trên ta tìm được:

- Có thể dùng mạch sau:

3.3.2 Mạch lọc thông cao bậc 2

Người ta chọn Rf = R để giảm dòng lệch không đầu vào

Thực tế để thiết kế mạch ta theo 4 bước sau:

3.4 Mạch lọc chọn lọc và mạch lọc thông dải

- Mạch lọc thông dải là mạch mà tín hiệu đầu ra chỉ có một dải tần giới hạn nào đótrong toàn bộ dải tần của tín hiệu đầu vào

+ r : Tần số cộng hưởng tại đó điện thế đầu ra max

+ L : tần số cắt thấp tại đó điện áp đầu ra giảm 2 lần

+ H : tần số cắt cao tại đó điện áp đầu ra giảm 2 lần

- Băng thông được định nghĩa: B = H - L

+ Khi B < 0.1r mạch được gọi là mạch lọc dải thông băng tần hẹp hay mạch lọc chọnlọc (mạch lọc cộng hưởng)

+ Khi B > 0.1r  mạch lọc thông dải băng tần rộng

Tại tần số cộng hưởng có:

- Để đơn giản trong ứng dụng thường chọn:

C1 = C2 = C; R2 = 2R1

- Tìm băng tần B

Trong thiết kế thường chọn:

+ C1 = C2 = C

+ Chọn băng tần B và tần số cộng hưởng r Từ đó suy ra Q= r/B

+ Các điện trở R1, R2 , R3 được tính từ các phương trình:

3.4.2 Mạch lọc thông dải băng tần rộng

- Để tạo một mạch thông dải băng thông rộng thường dùng hai mạch lọc thông cao vàthông thấp mắc nối tiếp với nhau nhưng phải thoả mãn điều kiện tần số cắt 2 của mạchlọc thông thấp phải lớn hơn tần số cắt 1 của mạch lọc thông cao

Có rất nhiều cách để mắc mạch nén chọn lọc Cách thông dùng nhất là dùng 2mạch thông cao và thông thấp song song với nhau như hình sau:

Phân giải mạch này tương đối phức tạp Ta chấp nhận kết quả thiết kế như sau:

IV Thiết kế mạch lọc tích cực bậc cao

Ưu điểm của mạch là đặc tuyến biên độ tần số vuông góc gần với mạch lọc lý tưởng

Để thực hiện mạch lọc tích cực bậc cao ta ghép nối tiếp các bộ lọc bậc 1 và bậc 2.Hàm truyền đạt lúc này sẽ là: Kd = Kd1.Kd2

Ví dụ : Mạch lọc thông thấp bậc 3 sẽ là ghép nối tiếp của mạch lọc thông thấp bậc 1

và thông thấp bậc 2 Sơ đồ như sau:

Sơ đồ mạch lọc thông cao bậc 3 như sau:

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Kĩ thuật mạch điện tử (Phạm Minh Hà)

2 Bài giảng kĩ thuật mạch điện tử (Trường DH KTCN Thái Nguyên)

3 Website : http://tusach.thuvienkhoahoc.com