Kỹ thuật xung - Chương 5

Mục đích của bài giảng này nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức cơ bản về kỹ thuật xung, các phương pháp tính toán thiết kế và các công cụ toán học hỗ trợ trong việc biến đổi, hình thành cá

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 73 CHƯƠNG 5. MẠCH KẸP I. KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, mạch dòch mức DC của tín hiệu 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. Như vậy mạch sẽ kẹp tín hiệu ở những mức DC khác nhau 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. Mạch kẹp cần có: Tụ C đóng vai trò phần tử tích năng lượng Diode D đóng vai trò khóa Điện trở R Nguồn DC tạo mức DC 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) duy trì ngõ ra tại một số mức cố đònh cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và lúc đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào. Điều kiện mạch kẹp: Giá trò R và C phải được chọn để hằng số thời gian τ = RC đủ lớn để sụt áp qua tụ không quá lớn Trong phần lý thuyết này ta xem tụ nạp đầy sau 3τn và tụ xả hết sau 3τx 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. Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 74 II. MẠCH KẸP DÙNG DIODE LÝ TƯƠÛNG 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 các Diode được xem là lý tưởng. 1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu ƠÛ Mức Không Dạng mạch Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là ±Vm Hình 5.1 Đây là mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0v. 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 Vv C RD Vra Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 75 Thời điểm từ 0 đến t1, thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, vv = Vm , 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 = CRd = 0 ⇒ VC = +Vm (tụ nạp đầy tức thời) lúc này Vr = Vv - Vc = 0 Thời điểm từ t1 đến t2, thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, VV = -Vm, Diode bò phân cực nghòch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ. Thời hằng phóng điện là τf = CR , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t1 đến t2 , do vậy tụ C chưa kòp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là Vc = Vm. Do vậy, vr = vv - vc = -Vm -Vm = - 2Vm . 2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu ƠÛ Mức Điện p Bất Kỳ Dạng mạch Hình 5.3 Vc = V VraR R V VV VraVdc D Vv VraRC Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 76 Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ max là ±Vm. Giả sử cho C = 0,1 μ F, VDC = 5v, R = 1000 k Ω , Vm = 10(v) Ta có f = 1KHz ⇒ T = )(11msf= Bán kỳ có thời gian là )(5.02msT= Giải thích nguyên lý hoạt động: Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương Vv = Vm =10v >VDC, Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian τ = rd.C ≈ 0 Tacó VDC + Vγ + VC = VV giá trò điện áp mà tụ nạp đầy là: Vc = Vv - Vγ - VDC = 10 – 5 = 5(v) Do đó Vra = VDC - Vγ = 5(v) Thời điểm từ t1 đến t2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, Vv = -Vm = -10v, Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện τf = CR = 0,1.10-6 .106 = 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 t1 đến t2 (0,5ms), do vậy vc vẫn giữ mức điện áp là 5v Vr = Vv - Vc = -10 - 5 = -15v . Nếu đảo cực tính của nguồn VDC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5(v). 3. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu ƠÛ Mức Không Dạng mạch Hình 5.4a DVraCRVv Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 77 Hình 5.4b 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 t1, tồn tại xung dương, Vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là τn = RC, vì R rất lớn nên τn rất lớn, do đóτn >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1. Do vậy tụ C gần như không được nạp vc = 0, do đó Vra = Vv = + Vm. Thời điểm t1 đến t2, ngõ vào tồn tại xung âm, Vv = -Vm , Diode dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, thời hằng nạp là τn = rd. C ≈ 0, vc = Vm (tụ nạp đầy tức thời), lúc này Vra = Vv + Vc = -Vm +Vm = 0. Thời điểm từ t2 đến t3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo Vv = +Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là τf = C.R. τf rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3, do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là Vm . Mạch tương đương của trường hợp này như sau: Hình 5.5 Ta có Vra = VV + VC = Vm + Vm = 2Vm V VraRVc=Vm Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 78 Nhận xét Thời điểm từ 0 đến t1 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 t1 trở đi. 4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu ƠÛ Mức Điện áp Bất Kỳ Dạng mạch 1 Hình 5.6 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 dương, Vv = +Vm , VDC < Vm, Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τn = RC, do τn rất lớn so với khoảng thời gian từ 0 đến t1 , nên tụ C gần như không được nạp, vc = 0, như vậy Vra = 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 τn = rd. C ≈ 0, tụ C nạp đầy tức thời Ta có Vc + Vv = VDC - Vγ tụ nạp đầy đến giá trò là vc = VDC - vv = VDC + Vm Do đó Vra = VDC + Vγ = VDC CVdcD1 2R VraVv Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 79 Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, Vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian τf = CR. τf rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3 do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp vc = VDC + Vm trong khoảng thời gian này. Mạch tương đương của trường hợp này là: Hình 5.7 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 Hình 5.8 Vz2 = 1/2Vm Vγ1= 1/10 Vm Vz2 + Vγ 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm Vc=Vm + VdcV RVraD1D2VraVv RC Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 80 Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương Vv = +Vm , Cả D1 và D2 ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τ n = RC , do τn rất lớn so với khoảng thời gian từ 0 đến t1, nên tụ C gần như không được nạp Vc = 0, Vra = Vv = + Vm Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, Vv = - Vm , lúc này D1 hoạt động như Diode thường, D2 hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp qua D1 và D2 , thời hằng nạp là τn = rd. C ≈ 0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trò lớn nhất mà tụ có thể nạp được là: Vc = -Vv + VZ2 + Vγ 1 = Vm + 3/5Vm = 8/5 Vm Do đó Vra = -(VZ2 + Vγ 1 ) = - 3/5Vm Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, Vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian τ f = CR. Do τf rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3, do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp là Vc = 8/5 Vm Ta có Vra = Vv + Vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm III. MẠCH KẸP DIODE KHI KỂ ĐẾN ĐIỆN TRƠÛ THUẬN VÀ ĐIỆN TRƠÛ NGUỒN 1. Phân tích mạch Xét dạng mạch như hình sau, bỏ qua ảnh hưởng của Vγ ( Vγ = 0) Hình 5.9 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 CRD Rng Vng Vra Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 81 cần nguồn vào đủ lớn để sau khi bỏ qua sụt áp trên các điện trở này vẫn còn tắt mở được Diode). Tín hiệu của nguồn vào có dạng xung, biên độ max là ±Vm . Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương Vv = + Vm , Diode dẫn, tụ C được nạp qua Rng và rd với thời hằng nạp của tụ là τn = C.(Rng + rd) Giả sử Rng và R >> rd Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trò điện áp được nạp là Vc = Vm (1-e-t /τ n) giá trò này tăng dần, do đó điện áp ra được lấy trên điện trở rd giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ. Mạch tương đương ở trường hợp này như sau: Hình 5.10 Ta có VAB = Vm e-t/τ n ntmngddngddABraeVRrrRrrvvτ/ −+=+= Biên độ max là mmngddVVRrr<+. Tại t = 0 ⇒ vr = Vm ngddRrr+ Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào không tồn tại xung, Vng = 0, Diode ngưng dẫn (do điện áp trên tụ C phân cực ngược). Tụ C phóng điện qua Rng và R với hằng số thời gian là τf = 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. BVraACVngRdRng Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 82 Mạch tương đương ở trường hợp này là Hình 5.11 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) Do đó )1.(/ftmngABngraeVRRRvRRRvτ−−+−=+=, tại t = 0, vr = 0 Biên độ max là mngmVRRRV <+. Nhận xét Thời hằng phóng τf > τn, thời gian phóng điện hết của tụ rất chậm. Do đó trong những bán kỳ âm điện áp của tụ giảm rất chậm, còn điện áp ngõ ra trên điện trở R tăng rất chậm ( gần như giữ cố đònh ở mức điện áp max là mngVRRR+). ƠÛ bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ điện áp max giảm dần ở những bán kỳ dương tiếp sau. Giải thích: khi ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ max là dngdmrRrv+., mà ta biết rd là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó biên độ max ở mỗi bán kỳ dương sau là giảm dần. 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 đúng bằng thành phần một chiều của tín hiệu vào. Do đó nếu điện áp đầu vào là đối xứng, tức là có thành phần một chiều bằng 0, thì sau một chu kỳ tín hiệu vào điện áp trên tụ cũng bằng 0. Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là τn = C(rd + Rng) BVraACVngRRng [...]...Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 82 Mạch tương đương ở trường hợp này là Hình 5. 11 v c (t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch. Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau:v c (t) = V m e -t/τ f V AB = V m (1 – e -t/ τ f ) Do đó )1.( / f t m ng AB ng ra eV RR R v RR R v τ − − + − = + = ,... Bão hòa C(R B + R ng ) C(r d + R ng ) Rng C Rb Rc Vc Vng Vcc Rng Rb Vb C Vng Dbe Hình 5. 14 Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 77 Hình 5. 4b 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 τ n ... đương của trường hợp này như sau: Hình 5. 5 Ta có V ra = V V + V C = V m + V m = 2V m V VraR Vc=Vm Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 86 4. Nếu nối ngõ ra của bài 3 với mạch xén như sau, giải thích hoạt động của mạch và vẽ dạng sóng ngõ ra Khi a. r D = 0 b. r D 0≠ 5. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng... dạng sóng v B (t) và V RA (t), giả sử BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch Rb C Vcc Vra = Vce Rc Vv V m -V m t Vin(t) 0 Vra V2 V1 C Vcc V m -V m t Vin(t) 0 Vra Re Rb C Vcc Vv Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 79 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 phóng điện qua R với hằng số thời gian τ f =... Vra Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 84 Ở đây không đi sâu quá vào phần phân tích định lượng mà chỉ giới thiệu ảnh hưởng của r d và R ng trong việc làm méo dạng sóng ra Việc tính toán chi tiết nên tham khảo sách: Pulse, digital and switching waveform, tác giả: Jacob Millman và Herbert Taub IV. MẠCH KẸP CỰC NỀN CỦA BJT Xét mạch Hình 5. 13 Nếu biên độ... Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là τ n = C(r d + R ng ) B Vra A C Vng R Rng Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 74 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... nạp v c = 0, do đó V ra = 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, thời hằng nạp là τ n = r d . C ≈ 0, v c = V m (tụ nạp đầy tức thời), lúc này V ra = 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... 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 5 , ở đây các Diode được xem là lý tưởng. 1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không Dạng mạch Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là ±V m Hình 5. 1 Đây là mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0 v . Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm... khoảng thời gian này. Mạch tương đương của trường hợp này là: Hình 5. 7 Ta có v r = v v + v c = V m + V DC + V m = 2 V m + V DC Thời điểm từ 0 đến t 1 ta không xét (cách giải thích như phần II .3) Dạng mạch 2 Hình 5. 8 V z2 = 1/2V m V γ1 = 1/10 V m V z2 + V γ 1 = (1/2 + 1/10)V m = 3/5V m Vc=Vm + Vdc V RVra D1 D2 VraVv R C . là: Vc = Vv - Vγ - VDC = 10 – 5 = 5( v) Do đó Vra = VDC - Vγ = 5( v) Thời điểm từ t1 đến t2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, Vv = -Vm = -1 0v, Diode. vẫn giữ mức điện áp là 5v Vr = Vv - Vc = -1 0 - 5 = -1 5v . Nếu đảo cực tính của nguồn VDC thì đỉnh trên ghim ở mức điện áp là -5 (v). 3. Mạch Ghim Đỉnh