Mạch kẹp và mạch tuần hoàn

KHÁI NIỆM Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, mạch dịch mức DC của tín hiệu AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng.. Như vậy mạch sẽ kẹp tín hiệu ở những mức DC k

CHƯƠNG 5

MẠCH KẸP

I KHÁI NIỆM

Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, mạch dịch mức DC của tín

hiệu AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng Mạch kẹp

được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC Nó

dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác định 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 bị dịch một mức, do nguồn điện áp không phụ thuộc được cộng vào Mạch kẹp vận hành dịch mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập Lượng dịch 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 định 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 trị 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

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 trị 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 Ở 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 trị 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

R D

Vra

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:

τn = 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 bị phân cực nghịch, 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 kịp 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 Ở Mức Điện Aùp Bất Kỳ

Dạng mạch

Hình 5.3

Vc = V

Vra

V

V

Vdc

D

C

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 = 1 1(ms)

f = Bán kỳ có thời gian là 0.5( )

T =

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 trị 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 thìngõ 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 Ở Mức Không

Dạng mạch

Hình 5.4a

C

R Vv

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 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

V c = V m

Ta có Vra = VV + VC = Vm + Vm = 2Vm

Nhận xét

Thời điểm từ 0 đến t1 dạng sóng ra có xung dương không ổn định so với chuỗi xung ra Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn định từ thời điểm t1 trở đi

4 Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở 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 trị là

vc = VDC - vv = VDC + Vm

C

V d c

D

R V r a

V v

Do đó Vra = VDC + Vγ = VDC

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 định 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

Vγ 1= 1/10 Vm

Vz2 + Vγ 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm

Vc=Vm + Vdc

D1

D2

Vra

C

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 trị 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 định 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 TRỞ THUẬN VÀ ĐIỆN TRỞ 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

C

R D

Rng

Vng

Vra

cực thuận xem như một điện trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó 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 trị điện áp được nạp là

Vc = Vm (1-e-t / τ n)

giá trị 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

n

t m ng d

d ng

d

d AB

R r

r R

r

r v

+

= +

=

ng d

d V V R

r

r <

Tại t = 0 ⇒ vr = Vm

ng d

d

R r

r

+ 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 trị 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

B Vra

A C

Vng

Rd Rng

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)

m ng

AB ng

R R

R v

R R

R

+

−

= +

ng

R R

R

V <

+

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 định ở mức điện áp max là

m ng

V

R

R

R

+ )

Ở 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

d ng

d

m

r R

r

v

+

, 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 Định 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, nghĩa 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

B Vra

A C

Vng

R Rng

Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là τn = C(rd + Rng) Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là τf = C(R + Rng)

vì R >> rd , do đó τf >> τn, quá trình nạp của tụ C nhanh hơn quá trình xả

Do vậy, điện áp trên tụ C dần dần được tăng lên Khi đến trạng thái xác lập, điện áp trên tụ C không tăng nữa Lúc này lượng điện tích nạp sẽ bằng lượng điện tích phóng

Trong thời gian nạp điện, qua tụ C sẽ có dòng nạp

d

r n

r

v

i = , do đó điện tích trên tụ tăng lên một lượng ∆Qn là

d

t t

r d

t t n n

r

s dt v r dt i

2

1 2

1

=

=

Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng

R

v

i r

f = , do đó điện tích trên tụ sẽ giảm một lượng ∆Qf là:

R

s dt v R

dt R

v dt i Q

t t r t

t r t

t f

3

2 3

2 3

2

=

=

=

S1, S2 là phần điện tích được vẽ trên hình sau

Hình 5.12

Khi đạt đến trạng thái xác lập, ta có điều kiện cân bằng điện tích là:

S1

s r

s Q Q

d f

n =∆ ⇔ 1 = 2

∆

Ở đây không đi sâu quá vào phần phân tích định lượng mà chỉ giới thiệu ảnh hưởng của rd và Rng 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 tín hiệu đủ lớn để làm tắt mở diode BE, ta có mạch kẹp ở cực nền Khi có tín hiệu vào ta có mạch tương đương

Ở chế độ xác lập ta có

Vng

VB

VC

VCEbh

Bão hòa

C(RB + Rng) C(rd + Rng)

R n g C

R b R c

V c

V n g

V c c

Rng

Rb

Vb C

Hình 5.14

Bài tập chương 4

1 Cho mạch như Hình 1A và Hình 1B Biết Vγ =0,7V, V Z =3,6V , các giá trị RC

thỏa mãn điều kiện mạch kẹp

Vẽ dạng sóng ngõ ra khi

a rD = 0

b rD = 20Ω, tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%

2 Cho mạch như Hình 03A và Hình 3B Biết Vγ =0,6V, V Z =5V , các giá trị RC

thỏa mãn điều kiện mạch kẹp

Vẽ dạng sóng ngõ ra khi

a rD = 0

b rD = 20Ω, tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%

3 Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song Rt

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch

+10V

Vin(t)

0

Hình 3A

C

R

1,5V

Hình 3B

R

C

+10V

Vin(t)

0

Hình 3A

C

R

3V

Hình 3B

R

C

2V

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 rD = 0

b rD ≠ 0

5 Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song Rt

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch

6 Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song Rt

R b

C

V c c

V r a = V c e

R c

V v

Vm

Vin(t) 0

Vra

C Vcc

Vm

Vin(t)

R e

R b

C

V c c

V v

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch

7 Xét mạch sau, với L là điện cảm ngõ vào của tầng kế (relay), nối song song Rt

Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở chế độ chuyển mạch

Vm

Vin(t)

0

V r a

V c c

V v

Vm

Vin(t) 0

Vra

Vcc

Rb

Rc Vv