ĐỒ án MẠCH điện tử bk

Trong khoảng dải thông có một tần số trung tâm mà hệ số điện áp tại đó là lớn nhất cho nên mạch có tính chọn lọc tần số rất cao, được ứng dụng trong việc chống nhiễu khi thu các thu các

ĐỒ ÁN MẠCH ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 1.1 GIỚI THIỆU :

Nội dung đồ án của nhóm em là: “Thiết kế mạch lọc tích cực: thông thấp, thông cao và dải thông” Chính vì vậy, chúng ta cần tìm hiểu qua về mạch lọc là như thế nào?

Mạch lọc tích cực (active filter ): được xây dựng từ các phần tử R,C với các bộ khuếch

đại thuật toán, các mạch lọc tích cực làm việc tốt ở tần số thấp (<100KHz) và có rất nhiều ưuđiểm so với mạch lọc thụ động mà ta đã xét ở trên như độ phẩm chất cao, hoạt động ổn định,

và rất dễ thực hiện, do đó giá thành cũng hạ Tuy nhiên, khi tần số tăng lên thì bộ khuếch đại gây ra nhiều phiền toái làm giảm hệ số khuếch đại và gây lệch pha giữa tín hiệu vào và ra, làm thay đổi đặc trưng của mạch lọc Ngoài ra, nếu biên độ của tín hiệu vào lớn thì khuếch đại thuật toán gây ra hiện tượng bão hòa, trong khi biên độ quá nhỏ thì lại gây ồn

Tóm lại mỗi mạch lọc tích cực chỉ ưu việt trong một dải tần, trong một phạm vi nào đó

mà thôi Do đó tùy theo mục tiêu sử dụng mà lựa chọn phù hợp

Theo chức năng: dựa vào việc mạch lọc chọn lựa những dải tần số nào hoạt động, ta chialàm 4 mạch lọc chính sau:

Trong thực tế, mạch lọc tín hiệu có những ứng dụng như sau:

- Mạch lọc có thể ứng dụng trong nguồn ATX để loại bỏ các nhiễu cao tần bám theo đường điện AC 220V

- Trong các mạch chọn lọc tần số như: đài FM, AM

- Trong lĩnh vực điện tử y sinh, các mạch lọc là một phần không thể thiếu trong các thiết

bị thu nhận tín hiệu điện sinh học

1.3 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MACH LỌC TÍN HIỆU

Ngược lại với mạch lọc thông thấp, mạch lọc này chỉ cho phếp các dao động có tần

số lớn hơn cắt đi qua (f > ), những tín hiệu có tần số nhỏ hơn đều bị mạch hấp thụ

năng lượng và đầu ra tín hiệu sẽ nhỏ hơn, khi tần số f càng nhỏ, tín hiệu sẽ càng bé

và tiến tới 0

c) Mạch lọc thông dải:

Mạch chọn lọc tần số trong một khoảng (dải thông) để tín hiệu trong dải tần số đó

đi qua, với những tín hiệu ngoài khoảng dải thông đó, tín hiệu đi ra sẽ bị giảm biên

độ và tiến dần về không khi tần số tín hiệu càng đi xa dải thông Có 2 loại mạch lọcthông dải chú yếu là:

 Mạch lọc băng thông rộng: vùng dải thông của mạch tương đối rộng, tại các giá trị tần

số trong đó hệ số điện áp đỉnh, đỉnh của tín hiệu vào-ra gần như không đổi, tạo thành 1đoạn thẳng từ tần số cắt dưới đến tần số cắt trên

 Mạch lọc băng thông hẹp: vùng dải thông cua mạch rất bé cỡ chỉ từ 3-10 Hz, do vậy hai tần số cắt rất gần nhau Trong khoảng dải thông có một tần số trung tâm () mà hệ

số điện áp tại đó là lớn nhất cho nên mạch có tính chọn lọc tần số rất cao, được ứng dụng trong việc chống nhiễu khi thu các thu các tín hiệu có nhiều tạp nhiễu hay trong

dò tinh tỉnh tín hiệu

1.4 CÁC LOẠI MẠCH LỌC

1.4.1 Mạch lọc thông thấp (LOW PASS FILTER)

Trong thực tế khi thiết kế mạch lọc thông thấp, ta thường lựa chọn tham số của mạch lọc theo các bộ lọc quen biết đó là:

- Bộ lọc Butterworth tối ưu hóa về độ bằng phẳng của hệ số khuếch đại trong dải thông

- Bộ lọc Tschebyscheff tối ưu hóa về sự chuyển tiếp tức thì từ dải thông sang dải chắn

- Bộ lọc Bessel có đặc tính pha - tần số tuyến tính trong một dải rộng

Đáp ứng tần số của các loại bộ lọc này được minh họa như Hình 1.2

Hình 1.2 Đáp ứng tần số của mạch lọc RC thông thấp

Hàm truyền đạt chuẩn hóa của một tầng lọc thông thấp bậc hai được mô tả như sau:

Trong đó , là hệ số khuếch đại được của dải thông, , là các hệ số của bộ lọc Tùy theo yêucầu của từng ứng dụng cụ thể, mà các hệ số , có thể chọn theo các bộ lọc Butterworth,

Tschebyscheff hay bộ lọc Bessel Với bộ lọc bậc 1, thì hệ số b1 = 0, do đó hàm truyền đạt sẽ

có dạng như sau:

Hình 1.3 Đáp ứng tần số của các bộ lọc

1.4.2 Mạch lọc thông thấp tích cực bậc 1

Sơ đồ của mạch lọc thông thấp tích cực bậc 1 dạng không đảo và dạng đảo được cho như hình 1.4 và 1.5

Hình 1.4 Mạch lọc thông thấp tích cực bậc 1 dạng không đảo

1.4.3 Mạch lọc thông thấp tích cực bậc 2

Có hai cấu hình của mạch lọc thông thấp tích cực bậc 2 đó là: cấu hình Sallen - Key vàcấu hình đa hồi tiếp (MFB - Multiple Feedback)

a) Cấu hình Sallen - Key

Sơ đồ mạch của bộ lọc Sallen - Key được cho như hình 1.6

Hình 1.6 Bộ lọc thông thấp Sallen-Key dạng sơ đồ tổng quát

Hình 1.7 Bộ lọc thông thấp Sallen-Key dạng sơ đồ với hệ số khuếch đại đơn vị

Hàm truyền đạt của bộ lọc trong trường hợp tổng quát có dạng sau:

Với sơ đồ mạch lọc có hệ số khuếch đại đơn vị =1 (Hình 3), hàm truyền đạt sẽ có dạng đơngiản như sau:

Trong đó:=1

;

b) Cấu hình đa hồi tiếp

Mạch lọc đa hồi tiếp có hệ số phẩm chất cao và thường được dùng trong những ứng dụngyêu cầu hệ số khuếch đại lớn Sơ đồ mạch lọc đa hồi tiếp được mô tả như trong hình 1.7

Hình 1.8 Cấu hình mạch lọc đa hồi tiếp

Hàm truyền đạt của mạch lọc này có dạng:

Trong đó: ; =;

1.4.4 Mạch lọc thông cao (HIGH PASS FILTER)

Sơ đồ của mạch lọc thông cao được tạo ra đơn giản bằng cách thay các điện trở và tụ

điện trong sơ đồ mạch lọc thông thấp tương ứng bằng các tụ điện và điện trở:

Hình 1.10 Sự tương ứng của mạch lọc thông thấp và mạch lọc thông cao

Do sự tương ứng với mạch lọc thông thấp nên:

- Đặc tính biên độ - tần số của mạch lọc thông cao thu được bằng cách lấy đối xứng đườngđặc tuyến biên độ - tần số của mạch lọc thông thấp qua tần số góc

- Hàm truyền đạt của mạch lọc thông cao cũng có thể suy ra từ hàm truyền đạt của mạch lọcthông thấp bằng cách thay s = 1/s Do đó, hàm truyền đạt của một tầng lọc thông cao bậc haichuẩn hóa sẽ có dạng:

- Nếu , ta thu được hàm truyền đạy của mạch lọc thông cao bậc 1 như sau:

Hình 1.12 Mạch lọc thông cao dạng đảo

Hàm truyền đạt và các thông số của mạch lọc được xác định như sau:

a) Cấu hình Sallen - Key

Cấu hình Sallen - Key của mạch lọc thông cao bậc 2 được cho như hình dưới đây Với cấuhình này thì giá trị của hệ số khuếch đại có thể được thiết kế như yêu cầu

Hình 1.13 Cấu hình tổng quát Sallen-Key của mạch lọc thông thấp bậc 2

Hàm truyền đạt của mạch lọc này được xác định như sau:

Trong đó,

Với những ứng dụng không yêu cầu cao về hệ số phẩm chất nhưng yêu cầu hệ số khuếchđại đơn vị (, thì ta sử dụng cấu hình 1.4 sau:

Hình 1.14 Cấu hình Sallen-Key của mạch lọc thông thấp bậc 2 với hệ số khuếch đại đơn vị

Khi đó, hàm truyền đạt của mạch lọc này sẽ có dạng đơn giản như sau:

Trong đó: ; ;

b) Cấu hình đa hồi tiếp

Cấu hình đa hồi tiếp thường được dùng trong những ứng dụng yêu cầu có hệ số khuếch

đại cao Cấu đa hồi tiếp của mạch lọc thông cao bậc 2 được cho như hình 1.15

Hình 1.15 Cấu hình đa hồi tiếp cảu mạch lọc thông thấp bậc 2

Hàm truyền đạt của mạch lọc này có dạng như sau:

Trong đó: ; ;

1.4.7 Mạch lọc một dải thông (BANDWITH FILTER)

Đặc tính truyền đạt của bộ lọc một dải thông có thể thu được từ đặc tính truyền đạt của bộlọc thông thấp bằng cách thay Khi đó, dải thông của bộ lọc thông thấp sẽ tương ứng với nữabên phải dải thông của bộ lọc một dải thông Nữa bên phải dải thông sau đó được lấy đốixứng qua tần số cắt , ta sẽ thu được đặc tính truyền đạt của bộ lọc một dải thông như hình1.16 sau

Hình 1.16 Sự biến đổi đặc tính tần số từ bộ lọc thông thấp sang bộ lọc dải thông

Hệ số phẩm chất của bộ lọc được định nghĩa như sau:

Phương pháp đơn giản nhất để thiết kế bộ lọc một dải thông là mắc nối tiếp một bộ lọcthông thấp và một bộ lọc thông cao lại với nhau Ví dụ, nếu ta mắc nối tiếp một mạch lọcthông thấp bậc 1 với một mach lọc thông thấp bậc 1 ta sẽ thu được một mạch lọc một dảithông bậc 2

Đáp ứng biên độ - tần số của bộ lọc một dải thông với các giá trị khác nhau của Q được

mô tả như hình 1.17

Hình 1.17 Đặc tính biên độ - tần số của bộ lọc một dải thông

a) Mạch lọc một dải thông Sallen - Key

Sơ đồ mạch lọc một dải thông Sallen - Key được mô tả như hình 1.18

Hình 1.18 Cấu hình mạch lọc dải thông Sallen-Key

Hàm truyền đạt:

Trong đó:

G =1 + : Hệ số khuếch đại riêng của mạch Op - amp

: Tần số giữa dải thông

: Hệ số khuếch đại của mạch lọc

: Hệ số phẩm chất

Bộ lọc một dải thông Sallen - Key có ưu điểm là có thể thay đổi hệ số phẩm chất Q màkhông ảnh hưởng tới tần số giữa Tuy nhiên, nhược điểm của nó là khi thay đổi Q thì cũng

sẽ làm thay đổi hệ số khuếch đại

b) Mạch lọc một dải thông đa hồi tiếp

Sơ đồ mạch lọc một dải thông đa hồi tiếp được mô tả như hình 1.19

Hình 1.19 Cấu hình mạch lọc một dải thông đa hồi tiếp

Hàm truyền đạt của mạch lọc này có dạng :

Trong đó: ,

: Độ rộng dải thông

Mạch lọc một dải thông đa hồi tiếp cho phép điều chỉnh Q, và một cách độc lập Ngoài

ra và không phụ thuộc vào điện trở có thể được sử dụng để đổi tần số

c) Mạch lọc dải thông bậc 4

Trong các ứng dụng , khi yêu cầu thiết kế bộ lọc một dải thông có độ bằng phẳng về hệ

số khuếch đại xung quanh tần số giữa cũng như sự chuyển tiếp tức thì từ dải thông sang dảichắn, thì ta thường sử dùng mạch lọc một dải thông bậc cao

Bằng cách thay vào hàm truyền đạt của bộ lọc thông thấp bậc 2, ta thu được hàm truyềnđạt của bộ lọc dải thông bậc 4 như sau:

Hàm truyền đạt này có thể phân tích về dạng sau:

Biểu thức này chỉ rõ bộ lọc một dải thông bậc 4 có thể được tạo ra bằng cách mắc nối tiếphai mạch lọc một dải thông bậc 2 lại với nhau Trong đó:

: Hệ số khuếch đại tại tần số giữa của mỗi mạch lọc thành phần

: Hệ số phẩm chất của các mạch lọc thành phần

và 1/ là các hệ số liên quan đến tần số và

Hệ số được tính xấp xỉ bằng biểu thức sau:

Các hệ số , là các hệ số của mạch lọc thông thấp bậc 2 loại Butterworth, Tschebyscheffhay Bessl Để đơn giản trong thiêt kế , , Q, và được liệt kê như bảng sau

Sau khi xác định được hệ số , các thông số của các mạch lọc thành phần được tính theo các

Các bảng sau bao gồm các hệ số của 3 loại bộ lọc Butterwoth, Tschebyscheff và Bessel Ý

nghĩa của các ký hiệu trong bảng như sau:

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH.

2.1 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH NGUYÊN LÍ

2.1.1 Phân tích mạch nguyên lí

Mạch lọc RLC có độ suy giảm lớn, cồng kềnh và khó chế tạo 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-Am ) chính là mạch lọc tích cực Mạch lọc tích cực có các ưu điểm sovới mạch lọc thụ động như là:

 Linh hoạt trong xây dựng và thiết kế

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

 Các ứng dụng tần số 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 nên tín hiệu vào không bị suy giảm như mạchlọc thụ động

 Dễ điều chỉnh hơn mạch mạch lọc thụ động

Mỗi bộ lọc được đặc trưng bằng một đặc tuyến tần số, là đồ thị của bộ khuếch đại hoặcsuy hao theo tần số Tại một tần số xác định là tần số cắt, biên độ của đặc tuyến bắt đầugiảm 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 các bộ lọc (hình 1.1), độ dốc của đáp đáp ứng thẳngđứng Trong thực tế không thể đạt được lí tưởng này, tuy nhiên bộ lọc càng phức tạp thì độdốc đặc tuyến sẽ càng lớn Một mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi 3 tham số là:

 Tần số cắt là tần số tại đó hệ số khuếch đại suy giảm 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 và trong dải thông Mạch

điện của các loại bộ lọc này giống nhau chỉ khác về giá trị RC Có 3 loại bộ lọc:Butterworth, Bessel và Tschebyscheff

 Bộ lọc Butterworth có đặc tuyến trong dải thông phẳng nhất Không có gợnsóng trong dải thông và tần số cắt lấy ở mức -3dB Đặc tuyến biên độ phẳng của

bộ lọc Butterworth tốt cho tần số gần 0Hz nhưng không tốt ở vùng cạnh dảithông vì độ dốc của đặc tuyến không lớn

 Bộ lọc Tschebyscheff có độ gợn sóng trong dải thông, tuy nhiên phía ngoài dảithông biên độ sẽ suy giảm nhanh hơn bộ lọc Butterworth Độ gợn sóng càng caothì tính chọn lọc của bộ lọc càng tốt Để xác định dải thông không dễ nhưngthương lấy tại đỉnh gợn sóng có tần số lớn nhất

 Bộ lọc Bessel có đặc tuyến giảm đều từ khu vực thông sang khu vực chắn và cóđáp ứng xung gần như lí tưởng Tùy yêu cầu cụ thể có thể chọn loại mạch lọcthích hợp

 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 với lí tưởng Bậc của bộlọc bằng số khâu RC trong bộ lọc Thông thường không cần thiết dùng các bộ lọc có

bậc lớn hơn 4 mà sẽ tạo bộ lọc bậc cao bằng cách ghép liên kết các bộ lọc bậc 1 và 2.Với bộ lọc Tschebyscheff, số đỉnh gợn sóng trong dải thông sẽ xác định bộ lọc.

2.1.2 Lựa chọn phướng án mạch nguyên lý

Với nội dung đồ án: " Thiết kế mạch lọc tích cực: thông thấp, thông cao và dải thông "

 Nguồn điện áp dụng 220V/50Hz

 Tần số cắt: lọc thông thấp ( 20kHz ), lọc thông cao ( 100kHz ),

dải thông (20 - 100kHz)

 Nâng cao: có thể điều chỉnh theo được tần số cắt theo yêu cầu

Nhóm em quyết định lựa chọn thiết kế :

 Mạch lọc thông thấp bậc 2 cấu hình Sallen - Key với hệ số khuếch đại đơn vị

 Mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen - Key với hệ số khuếch đại đơn vị

 Mạch lọc dải thông bậc 2 cấu hình Sallen - Key

 Trong mạch lọc thông thấp và thông cao có sử dụng biến trở để có thể điều chỉnhđược tần số cắt

Các mạch lọc trên được thiết kế theo loại bộ lọc Butterworth bậc 2 với các tham số , và

 Khi tính toán thông số cho mạch lọc thông thấp bậc 2 cấu hình Sallen - Key , ta thựchiện theo các bước sau:

Bước 1: Xác định tham số và theo từng loại bộ lọc Butterworth, Tschebyscheff hay bộ lọc

2.2.2 Thiết kế mạch lọc thông cao

Ta có sơ đồ của mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen - Key với hệ số khuếch đạiđơn vị trong đó có sử dụng biến trở để có thể điều chỉnh tần số cắt như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế mạch lọc thông cao

 Khi tính toán thông số cho mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen - Key , ta thựchiện theo các bước sau:

Bước 1: Xác định tham số và theo từng loại bộ lọc Butterworth, Tschebyscheff hay bộ

lọc Bessel

Bước 2: Lựa chọn tần số cắt và chọn giá trị tụ điện C.

Bước 3: Tính các giá trị của điện trở và theo các biểu thức sau:

 Với mạch lọc thông cao bậc 2 cấu hình Sallen - Key có tấn số cắt 100kHz thì ta tínhtoán như sau:

 Ta có các tham số , ( bộ lọc Butterworth bậc 2)

 Chọn tụ có giá trị 47 ( nF ) và tần số cắt





2.2.3 Thiết kế mạch lọc dải thông

Ta có sơ đồ của mạch lọc dải thông bậc 2 cấu hình Sallen - key với hệ số khuếch đại đơn vị như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ thiết kế mạch lọc dải thông

 Khi tính toán thông số cho mạch lọc dải thông Sallen - key, ta thực hiện theo các bướcsau :

Bước 1: Chọn tần số giữa của dải thông và giá trị tụ điện C.

Bước 2: Tính giá trị của điện trở R theo công thức sau:

Bước 3: Tính giá trị điện trở và từ các công thức sau:

 Chú ý : Ta có thể mắc nối tiếp mạch lọc thông thấp với mạch lọc thông cao ( Hình 2.1

và 2.2 ) có sử dụng biến trở để trở thành mạch lọc dải thông có thể điều chỉnh tần số cắtmong muốn