Giáo trình kỹ thuật xung - Chương 2 pps

MẠCH XÉN Chức năng: Giới hạn biên độ tín hiệu.. Phân loại theo chức năng có 3 loại: - Mạch xén trên xén dương.. - Mạch xén hai mứcxén dương và xén âm Phân loại theo cấu trúc có 2 loại:

CHƯƠNG 2 MẠCH BIẾN ĐỔI DẠNG XUNG 2.1 MẠCH XÉN

Chức năng: Giới hạn biên độ tín hiệu

Phân loại theo chức năng có 3 loại:

- Mạch xén trên (xén dương)

- Mạch xén dưới (xén âm)

- Mạch xén hai mức(xén dương và xén âm)

Phân loại theo cấu trúc có 2 loại:

- Mạch xén nối tiếp: phần tử xén mắc nối tiếp với tải

- Mạch xén song song: phần tử xén mắc song song với tải

2.1.1 Mạch xén dùng Diode

Đn: là một dạng mạch sửa dạng sóng rất phổ biến trong thực tế

Giả sử các diode lý tưởng:

Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn

Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch

rf = 0 : điện trở thuận

rs = ∞ : điện trở nghịch

a Mạch xén trên :

Xén phần tín hiệu lớn hơn giá trị VN

D

Vi

-R

Vo

-R

Vi

D

-Vn Vo

Vn

Vi > VN : D dẫn

⇒ V0 = VN

Vi ≤ VN : D tắt

⇒ V0 = Vi

Vi ≥ VN : D tắt

⇒ V0 = VN

Vi < VN : D dẫn

⇒ V0 = Vi

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào

và tín hiệu ngõ ra

Hình 2.1a Mạch xén song

song

Hình 2.1b Mạch xén nối tiếp

VN

vi vo

VN

™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin:

b Mạch xén dưới :

Xén phần tín hiệu nhỏ hơn giá trị VN

+

-+

Vn

-Vn

+

D

D

Vi

R

Vo

R

-+

-Hình 2.2a Xén dưới song song Hình 2.2 b.Xén dưới nối tiếp

• Vi ≥ VN : D tắt

⇒ V0 = Vi

• Vi < VN : D dẫn

⇒ V0 = VN

• Vi > VN : D dẫn

⇒ V0 = Vi

• Vi ≤VN : D tắt ⇒ V0 = VN

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt: Biểu diễn sự phụ thuộc giữa tín hiệu ngõ vào

và tín hiệu ngõ ra

VN

t v

vo vi

VN

vi vo

VN

™ Dạng tín hiệu ra khi tín hiệu vào là tín hiệu sin:

c Mạch xén 2 mức:

Kết hợp mạch xén trên và xén dưới

ƒ Xén 2 mức nối tiếp

ƒ Xén 2 mức song song

ƒ Xén 2 mức nối tiếp và song song

• Vi < VN1 < VN2 : D1 dẫn, D2 tắt ⇒ V0 = VN1

• VN1 < Vi < VN2 : D1 tắt, D2 tắt ⇒ V0 = Vi

• Vi >VN2 >VN1 : D1 tắt, D2 dẫn ⇒ V0 = VN2

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt:

t

v VN

vi

vo

vo vi

VN 1

D1 R

D2

VN 2

VN 1 < VN 2

Hình 2.3 Mạch song song

VN 1

vi

vo

VN 1

VN 2

VN 2

™ Dạng tín hiệu ngõ ra khi tín hiệu ngõ vào có dạng hình sin:

Ví dụ: Cho mạch xén như hình vẽ

R1 = 100KΩ V1 = 25V

R2 = 200KΩ V2 = 100V

Các diode D1 và D2 là diode lý tưởng

Điện áp ngõ vào vi biến thiên từ 0V đến 150V

Hãy xác định và vẽ hàm truyền đạt

Giải:

• vi = 0 : D1 off, D2 on

Suy ra: vo = VA

1 2

1 2

R R

V V i

+

−

=

VA = V1 + VR1

= V1 + i.R1

1 2

1

R R

V V +

−

= 25 + 100

200 100

25 100 +

−

= 50 (V)

• V2 > vi > VA: D1 on , D2 on

vo = VA = vi

• vi ≥ V2 : D1 on

Suy ra VA = vi , do đó D2 off

v

VN 2

t

VN 1

Vi

Vo

V 1 V 2 A

Dòng iR2 = 0 ⇒ vo = V2 =100 (V)

• Đặc tuyến hàm truyền đạt:

2.1.2 Mạch xén 2 mức dùng diode zenner:

Để giới hạn biên độ xung người ta còn dùng diode zener thay cho diode D và nguồn chuẩn VR Điện áp VZ do hiệu ứng zener sẽ là điện áp giới hạn biên độ xung

Giả sử các diode zenner lý tưởng:

Vγ = 0 : điện áp bắt đầu dẫn

Is = 0 : dòng rỉ khi phân cực nghịch

rf = 0 : điện trở thuận

Vz : điện áp ổn định củ Z khi phân cực nghịch

a Giới hạn xung dương

• Vi < 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0

• Vi ≥ 0 : Z phân cực nghịch

+ Vi < VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi > VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = VZ

b Giới hạn xung âm

50

vi

vo

50

100

100

D 1 off

D 2 on

D 1 on

D 2 on

D 1 on

D 2 off

Z

R

Vo Vi

Hình 2.4 Mạch giới hạn xung dương

+

VZ

-

Hình 2.5 Mạch giới hạn xung âm

Z

R

Vo Vi

-

VZ +

• Vi < 0 : Z phân cực nghịch

+ Vi > - VZ : Z tắt ⇒ V0 = Vi + Vi <- VZ : Z dẫn ổn áp ⇒ V0 = - VZ

• Vi > 0 : Z phân cực thuận, Z dẫn giống Diode ⇒ V0 = 0

c Giới hạn xung âm dương

• Vi <-VZ1 < 0 : Z1 phân cực nghịch, Z1 dẫn ổn áp

Z2 phân cực thuận, Z2 dẫn bình thường

⇒ V0 = - VZ1

• -VZ1 < Vi < 0 : Z1 phân cực nghịch, Z1 tắt

• VZ2 > Vi >0 : Z1 phân cực thuận, Z1 dẫn bình thường

Z2 phân cực nghịch, Z2 tắt

⇒ V0 = Vi

• Vi >VZ2 >0 : Z1 phân cực thuận, Z1 dẫn bình thường

Z2 phân cực nghịch, Z2 dẫn ổn áp

⇒ V0 = VZ2

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt:

Hình 2.5 Mạch giới hạn xung âm dương

Z1 R

Z2

Vo Vi

VZ 1 – +

VZ 2 +

-

VZ 2

VZ 2 -VZ 1

-VZ 1 vo

vi

2.2 MẠCH GHIM (MẠCH KẸP)

ĐN: Mạch ghim là mạch cố định đỉnh trên hay đỉnh dưới của tín hiệu ở một giá trị điện áp nhất định

Mach ghim không làm thay đổi biên độ đỉnh đỉnh của tín hiệu

Có hai loại mạch ghim đỉnh trên và mạch ghim đỉnh dưới

2.2.1.Mạch ghim đỉnh trên ở 0 V

VD:

• t = (0÷1): Vi

=Vm , D dẫn ⇒ Vo = 0

Đồng thời tụ C nạp nhanh Vc = Vm

• t = (1÷2): Vi=-Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = Vm = const ⇒ điện

áp ra: Vo = Vi- VC= -Vm –Vm =- 2Vm

• t = (2÷3): Vi tăng biên độ, Vi=1,5Vm , D dẫn ⇒ Vo = 0 (Mạch vẫn còn

khả năng ghim áp khi Vi tăng)

Đồng thời tụ C nạp tiếp Vc = 1,5Vm

Vi

t

Vm

1,5Vm

Vm

-Vm

-1,5Vm

Vo

t Vm

-2,5Vm

-0,5Vm

-2Vm

-3Vm

C

-+

D

Vo +

-Hình 2.6 Mạch ghim đỉnh trên ở 0V

• t = (3÷4): Vi=-1,5 Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const

⇒ điện áp ra: Vo = Vi- VC= -1,5Vm –1,5Vm =- 3Vm

• t = (4÷5): Vi giảm biên độ, Vi=Vm , D tắt ⇒ tụ C không xả được ⇒ Vc = 1,5Vm = const

⇒ điện áp ra: Vo = Vi- VC= Vm –1,5Vm =-0,5Vm

(Mạch mất khả năng ghim áp khi Vi giảm)

* Như vậy mạch sẽ mất khả năng ghim đỉnh trên ở mức 0V khi biên độ điện áp giảm Để khắc phục tình trạng này ta mắc điện trở R rất lớn song song với Diode,

tụ C sẽ xả bớt điện tích qua R sau một vài chu kỳ mạch sẽ hồi phục lại khả năng ghim

* Chú ý : Khi phân tích mạch ghim ta bắt đầu tại bán kỳ mà tụ C nạp điện

2.2.2 Mạch ghim đỉnh trên ở VN

Vn

-C

Vo

R >>

+

D

-Vi

+

Hình 2.5 Mạch ghim đỉnh trên ở Vn

2.2.3 Mạch ghim đỉnh dưới ở VN

+

R >>

Vi

-D

Vo +

-C

Vn

Hình 2.5 Mạch ghim đỉnh dưới ở Vn

2.3 MẠCH SO SÁNH:

• Nguyên lý:

vi < VN : vo = -Vcc

vi > VN : vo = Vcc

Mạch so sánh dùng khuyếch đại thuật toán (op_amp):

Khuyếch đại thuật toán ở chế độ xung tồn tại chủ yếu ở trạng thái bão hòa

V+ > V- : Vo = +Vc c : bão hòa dương

V+ < V- : Vo = -Vc c : bão hòa âm

2.3.1 Mạch so sánh không đảo

Điện áp Vi vào ngõ không đảo V+

VR vào ngõ đảo V-

sánh

vo

Vcc

VO

V

-V + +

+Vcc

-Vcc V o

V i

VN

+

+Vcc

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt:

• Vi < VN (hayV+< V- ) thì V0 = -VCC

• Vi > VN(hayV+ > V- ) thì V0 = +VCC

2.3.2 Mạch so sánh không đảo

Điện áp Vi vào ngõ đảo V-

VR vào ngõ không đảo V+

™ Đặc tuyến hàm truyền đạt:

• VI< VN (hayV+ > V- ) thì V0 = +VCC

• Vi > VN (hayV+< V- ) thì V0 = -VCC

* Chú ý: Nếu op-amp được cung cấp nguồn đơn thì khi bão hoà âm Vo = 0

-Vcc V o

V i

VN

+

+Vcc

+VC C

-VCC

Vi VN

V 0

+V CC

-V CC

V i

V N

V 0

Ví dụ:

v + = vi

v - = 0 Khi vi > 0 ⇒ V+ > V- ⇒ vo = +Vcc

Khi vi < 0 ⇒ V+< V- ⇒ vo = -Vcc

t

-Vcc

+Vcc

vo

vi v

-Vcc V o

V i

+

+Vcc