Nghiên cứu mạch lọc tích cực

Nghiên cứu mạch lọc tích cực

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TIỂU LUẬN MÔN HỌC : KĨ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ 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 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 2 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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 3 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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. 4 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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 dụng rất rộng rãi trong các hệ thống viễn thông và truyền dẫn dữ liệu. Bộ lọc được dùng để lọc nhiễu, chia tách kênh trong các hệ thống ghép kênh, lựa chọn dải thông, lọc bỏ các hài không cần thiết Nếu phân chia theo dải tần số thì có các loại mạch lọc sau: - Mạch lọc thông thấp - Mạch lọc thông cao - Mạch lọc thông dải - Mạch lọc chặn dải - Mạch lọc pha Khi biểu diễn mạch lọc tần số thông qua hệ số truyền đạt điện áp thì có thể nói mạch lọc lý tưởng là một mạng 4 cực có hệ số truyền đạt K = 1 trong dải thông và K = 0 ngoài dải thông. Nghĩa là mạch lọc lý tưởng sẽ không gây suy giảm tín hiệu trong dải thông và triệt tiêu hoàn toàn tín hiệu ngoài dải thông, mạch này có vùng chuyển tiếp thẳng đứng và không gây di pha tín hiệu. 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. • Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông cao chặn tất cả các tần số từ 0 tới f c và cho qua tất cả các tần số từ tần số cắt f c trở đi • Mạch lọc thông dải Mạch lọc thông dải cho qua các tần số nằm trong khoảng từ f 1 tới f 2 và chặn tất cả các tần số nằm ngoài dải này. Độ rộng của d thông được tính bằng B = f 1 - f 2 tần số trung tâm fo = 21 . ff • Mạch lọc chặn dải 5 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử Mạch lọc chặn dải cho qua các tần số nằm trong khoảng nhỏ hơn f 1 và lớn hơn f 2 , và chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng (f 1 - f 2 ). Độ rộng của dải chặn được tính bằng B = f 1 - f 2 • Mạch lọc pha Mạch lọc pha không có dải chặn, nó cho qua tất cả các tần số nhưng giữa đầu vào và đầu ra có sự dịch pha. II. Mạch lọc thụ động Mạch lọc thụ động là mạch chứa các phần tử thụ động R, L, C mà không có các phần tử tích cực như BJT hay KĐTT. Mạch lọc thụ động đơn giản nhất được xây dựng từ các khâu RC. Hình 1 là mạch lọc thụ động thông thấp và thông cao.Các mạch lọc này là phần tử cơ bản để tạo các mạch lọc phức tạp hơn. Để tính tần số cắt của các mạch lọc này dùng công thức chia áp, với mạch lọc thông cao hình (a) ta có: 6 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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 cắt có R=X c nên có: Do đó có tần số cắt của mạch: Làm tương tự ta có được tần số cắt của mạch lọc thông thấp. Với 2 mạch lọc bậc 1 này ta cần chú ý nhưng điểm sau: - Khi kết nối liên tiếp các khâu lọc này thành chuỗi dẫn đến đáp ứng tần số, độ dốc của đặc tuyến tần số sẽ tăng thêm 20dB/D mỗi khâu lọc. - 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 phẩm chất giảm. Một số mạch lọc thụ động thường gặp và đặc tuyến truyền đạt của chúng: 7 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 8 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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 với các 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 ω c là tần số tại đó hệ số khuếch đại suy giảm 2 lần (hay -3dB). Tại tần số này biên độ của đáp ứng tần số bắt đầu giảm. - Loại bộ lọc: xác định dạng đặc tuyến tần số quanh tần số ω c và trong dải thông. Mạch điện của các loại bộ lọc này giống nhau, chỉ khác nhau về giá trị RC. Có 3 loại bộ lọc: Bessel, Butterworth và Tschbyscheff. Đặc tuyến biên độ tần số của 3 loại bộ lọc này như hình 2. 9 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 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 sóng trong 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 của đặc 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 dải thông biên độ sẽ suy giảm nhanh hơn so với lọc Butterworth. Độ gợn sóng càng cao thì 10 [...]... 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: 24 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử Sơ đồ mạch lọc. .. lần - Băng thông được định nghĩa: B = ωH - ωL + Khi B < 0.1ωr mạch được gọi là mạch lọc dải thông băng tần hẹp hay mạch lọc chọn lọc (mạch lọc cộng hưởng) + Khi B > 0.1ωr  mạch lọc thông dải băng tần rộng - Tỷ số : Q = ωr được gọi là hệ số phẩm chất của mạch (quality factor) B 3.4.1 Mạch lọc chọn lọc - Dạng mạch 19 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử Tại tần số cộng hưởng có: - Để đơn giản trong ứng... thể chọn loại mạch lọc thích hợp Hình 5 Đáp ứng xung của mạch lọc thông thấp.1 -Lọc thụ động; 2 -Lọc Bessel; 3 -Lọc Butterworth; 4 -Lọc Tschebyscheff 11 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử - 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 lý tưởng Bậc của bộ lọc bằng số khâu RC trong bộ lọc Thông thường... hoá + a, b là các số thực dương - Hàm truyền đạt tổng quát của mạch lọc thông thấp K ( p) = 3.2 b0 a 0 + a1 p + a 2 p 2 + + a n p n Mạch lọc thông thấp 3.2.1 Mạch lọc thông thấp bậc 1 - Dạng mạch căn bản mạch lọc thông thấp bậc 1 (lọc bậc 1 chỉ dành cho thông thấp hoặc thông cao) Vậy hệ số khuếch đại áp của mạch 12 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử R2 R1 | K u |= = 1 + jω.C.R2 - R2 R1 với jω 1+ ω0... Rf =2R 3.3 Mạch lọc thông cao 3.3.1 Mạch lọc thông cao bậc 1 Dạng mạch căn bản như sau: 15 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử Nhận xét: - Hệ số khuếch đại áp của mạch sẽ tăng khi tần số tăng - Tần số cắt ωC là tần số tại đó Ku giảm √2 lần Dựa vào công thức trên ta tìm được: - Có thể dùng mạch sau: 16 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử 3.3.2 Mạch lọc thông cao bậc 2 17 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử... thuật mạch điện tử 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 đó trong toàn bộ dải tần của tín hiệu đầu vào 18 Tiểu luận : Kĩ thuật mạch điện tử + ωr : Tần số cộng hưởng tại đó điện thế đầu ra max + ωL : tần số cắt thấp tại... tần số cắt ω2 của mạch lọc thông thấp phải lớn hơn tần số cắt ω1 của mạch lọc thông cao - Có thể sử dụng dạng mạch sau Tần số cộng hưởng, Q . 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. 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. 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