CHƯƠNG 3 MẠCH XÉN (CLIPPING CIRCUIT)

Như vậy , một mạch xén cũng được xem tương đương như một mạch giới hạn, mạch chọn điện áp, hay mạch chọn biên độ.Tín hiệu đầu ra lặp lại tín hiệu đầu vào, khi điện áp đầu vào chưa vượt q

Một dạng mạch mà dạng sóng ra không tuyến tính gọi là mạch xén(cắt) mà chúng ta tìm hiểu ở chương này Như vậy , một mạch xén cũng được xem tương đương như một mạch giới hạn, mạch chọn điện áp, hay mạch chọn biên độ.

Tín hiệu đầu ra lặp lại tín hiệu đầu vào, khi điện áp đầu vào chưa vượt qua một giá trị nào đó gọi là ngưỡng của mạch hạn chế, còn ngược lại điện áp đầu ra sẽ giữ nguyên một giá trị không đổi khi điện áp đầu vào vượt ra ngoài ngưỡng hạn chế của mạch Giá trị không đổi đó gọi là mức hạn chế.

Một mạch xén được định nghĩa như một mạch hạn chế biên độ điện áp bởi sự cắt bỏ những thành phần không cần thiết của dạng sóng ngõ vào Sự cắt bỏ này có thể thực hiện bên trên hoặc bên dưới của tín hiệu ngõ vào một mức nào đó

Mạïch xén là một mạng hai cửa (gồm bốn đầu cực), có đường đặc tính là những đường gãy lý tưởng, có một nhánh nghiêng đi qua hoặc không đi qua gốc tọa độ, một hay hai nhánh nằm ngang có nhiệm vụ loại bỏ những thành phần không cần thiết của tín hiệu ngõ vào Ngõ ra quan hệ với ngõ vào theo phương trình: v r = f(v v ).

Các dạng đặc tuyến vào -ra có thể có như sau:

Về thực chất mạch xén đóng vai trò như một chuyển mạch điện tử (khóa điện tử) Nếu như khóa mắc nối tiếp với tải thì tín hiệu sẽ đi qua khi khóa đóng và bị chặn lại khi khóa mở, tức là đóng vai trò của một phần tử phi tuyến Để thực hiện yêu cầu đó, người ta dùng các phần tử không tuyến tính như : Diode, Transistor, Op-amp… Riêng mạch hạn chế dùng Transistor và Op-amp, ngoài nhiệm vụ cắt bỏ những thành phần không cần thiết còn thực hiện nhiệm vụ khuếch đại biên độ sóng, nên còn gọi là mạch hạn chế khuếch đại.

Những yêu cầu của mạch xén là độ sắc khi cắt, độ ổn định của nguỡng Điều này phụ thuộc vào những phần tử phi tuyến được sử dụng.

II MẠCH XÉN DÙNG DIODE BÁN DẪN (LOẠI DIODE LÝ TƯỞNG)

Nếu một nguồn điện áp DC được nối nối tiếp với Diode, thì mạch sẽ cắt bỏ những phần bên trên hoặc bên dưới nguồn áp này, phụ thuộc vào chiều của Diode.

Tùy theo cách mắc của Diode, người ta chia mạch hạn chế dùng Diode thành hai loại song song và nối tiếp Ở mạch hạn chế nối tiếp thì Diode được mắc nối tiếp với tải, và ở mạch hạn chế song song thì Diode được nối song song với tải.

Theo chức năng, mạch hạn chế nối tiếp và song song được chia thành hai loại xén âm, xén dương và mạch xén cả hai phía Trong đó, xén âm là cắt bỏ thành phần âm của dạng sóng tín hiệu vào và chỉ giữ lại thành phần dương, xén dương là cắt bỏ thành phần dương của dạng sóng tín hiệu vào và chỉ giữ lại phần âm, xén cả hai phía là cắt bỏ cả thành phần âm và thành phần dương của tín hiệu vào một mức nào đó

Các dạng mạch hạn chế có thể dùng ngưỡng xén hoặc không dùng (dạng đơn giản).

1 Mạch Xén Song Song

1.1 Mạch Xén Dương

Mạch gồm các phần tử như điện trở R, nguồn V DC , Diode Giả sử tín hiệu vào là dạng sóng sin, có biên độ max là ± V Khảo sát một số dạng mạch xén cơ bản như sau :

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t 1) của tín hiệu ngõ vào,

v v > 0, anode của D dương hơn cathode, D dẫn, dòng điện chạy xuyên qua Rvà D , do đó v r = vγ = 0.

-Bán kỳ âm (thời điểm từ t 1 đến t 2 ) của tín hiệu ngõ vào,

v v < 0, anode của D âm hơn cathode , D ngưng dẫn , không có dòng chạy qua Rvà D, v r = v v.

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 lặp lại chu kỳ mới.

Đặc tuyến vào -ra

Khi v v > 0 thì v r = 0

Khi v v < 0 thì v r = v v (độ dốc 1)

vr0

Dạng mạch 2

+ Vdc R

Hình 3-2a Hình 3-2b: Dạng sóng vào – ra Ngưỡng xén V DC = V

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , 0 < v v < V DC , cathode của D

dương hơn anode, làm D ngưng dẫn, do đó v r = v v.

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , v v dương và lúc này v v > V DC ,

anode của D dương hơn cathode, làm D phân cực thuận,

D dẫn, do đó v r = V DC + Vγ ≈ V DC

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 ,

v r = v v.

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 , v BA > 0 , v BA cùng với nguồn

V DC tạo điện áp v CA = v BA +V DC > 0, làm D phân cực ngược , D ngưng dẫn , do đó v r = v v.

-Thời điểm từ t 4 đến t 7 , lặp lại chu kỳ mới, tương tự

thời điểm từ 0 đến t 3.

Đặc tuyến vào- ra Khi v v > V DC thì v r = V DC

Khi v v < V DC thì v r = v v

Hình 3-3a Hình 3-3b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên lý hoạt động

-Khi tín hiệu ngõ vào có điện áp bằng 0, anode của D

dương hơn cathode (do nguồn điện áp DC phân cực thuận), D dẫn, do đó v r = -V DC + Vγ ≈ -V DC

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , điện áp ngõ vào dương, tức V A > 0, V A

cùng với nguồn V DC đặt cực dương vào anode, làm phân cực thuận cho D mạnh hơn, do đó D dẫn mạnh, lúc này v r = -V DC.

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , điện áp ngõ vào âm, tức v BA > 0 , và điện thế tại điểm B nhỏ hơn điện áp nguồn DC, do đó D phân cực thuận, Diode dẫn, v r = -V DC.

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 , điện áp vào vẫn còn âm, tức v BA > 0 và điện áp tại điểmB lớn hơn điện áp nguồn DC, do đó Diode phân cực nghịch, D ngưng dẫn , do đó điện áp ra bằng điện áp vào, v r = v v

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 tương tự thời điểm từ t 1 đến t 2 , v r = -V DC.

-Thời điểm từ t 4 đến t 5 tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 , v r = -V DC. Vẽ đặc tuyến vào –ra Khi v v < -V DC thì v r = v v

Khi v v > -V DC thì v r = -V DC

1.2 Mạch Xén Âm

Xét tín hiệu ngõ vào là dạng sóng sin có biên độ max là

±V

Dạng mạch 1

R

Hình 3-4a Hình 3-4b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên lý hoạt động

-Bán kỳ dương ( thời điểm từ 0 đến t 1 ) của tín hiệu ngõ vào, v v > 0, cathode của D dương hơn anode, D ngưng dẫn, không có dòng chạy qua R và D, do đó điện áp ngõ

ra bằng điện áp ngõ vào, v r = v v

-Bán kỳ âm( thời điểm từ t 1 đến t 2 ) của tín hiệu ngõ vào, v v < 0, anode của D dương hơn cathode, Diode dẫn, có dòng chạy qua D và R, v r = -Vγ ≈ 0.

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 lặp lại chu kỳ mới.

Đặc tuyến vào –ra Khi v v > 0 thì v r = v v (độ dốc1)

Khi v v < 0 thì v r = 0

Dạng mạch 2

r

v v

v

D + Vdc R

Hình 3-5a Hình 3-5b: Dạng sóng vào - ra

CA

B

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , điện áp ngõ vào dương, tức v AB > 0 và

lúc này điện áp giữa hai điểm A và B nhỏ hơn điện áp nguồn

DC, anode của D có điện áp là V DC , còn cathode có điện áp là V A , V A < V DC , Diode được phân cực thuận, D dẫn, do đó v r

= -Vγ +V DC ≈ V DC

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , điện áp ngõ vào vẫn còn dương, tức

v AB > 0, lúc này điện áp giữa hai điểm A và B lớn hơn điện áp nguồn DC, ta có v CA = V DC - v AB < 0, D bị phân cực nghịch, Diode ngưng dẫn , do đó điện áp ngõ ra bằng điện áp ngõ vào,

v r = v v

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 , v r =

V DC.

-Thời điểmtừ t 3 đến t 4 , điện áp ngõ vào mang giá trị âm, tức

V B > 0 và cùng với nguồn áp DC đặt cực dương vào anode của

D, Diode phân cực thuận càng mạnh, D dẫn mạnh , do đó v r =

V DC –Vγ = V DC.

-Thời điểm từ t 4 đến t 7 tương tự thời điểm từ 0 đến t 3 (lặp lại

chu kỳ đầu).

Vẽ đặc tuyến vào – ra

Khi v v > V DC thì v r = v v (độ dốc 1)

Khi v v < V DC thì v r = V DC

Dạng mạch 3

r

v v

B

Thời điểm từ 0 đến t 1 , v v > 0, tức v AB > 0 ⇒ cực dương của

nguồn V DC cùng với cực dương của nguồn v AB đặt vào cathode của D, làm D bị phân cực ngược, D ngưng dẫn, do đó v r = v V

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , v v < 0, tức v BA > 0 và trong khoảng thời gian này thì v BA < V DC , ta có v CA = v BA -V DC < 0 ⇒ D phân cực nghịch ⇒ D ngưng dẫn, do đó

v r = v V

- Thời điểm từ t 2 đến t 3 , v v < 0, tức v BA > 0 và trong khoảng thời gian này v BA > V DC , ta có v CA = v BA -V DC > 0 ⇒ D phân cực thuận ⇒ D dẫn, do đó v r = -V DC - Vγ = -V DC.

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 tương tự thời điểm từ t 1 đến t 2 , v r = v v.

-Thời điểm từ t 4 đến t 5 tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 , v r = v v.

Giải thích nguyên lý hoạt động

Vẽ đặc tuyến vào - ra Khi v v > - V DC ⇒ v r = v v

Khi v v < - V DC ⇒ v r = - V DC

2 Mạch Xén Nối Tiếp

Diode được nối nối tiếp với tải Ta khảo sát tín hiệu ngõ vào ở đây là dạng hình sin có biên độ max là ± V Các dạng mạch cơ bản được trình bày như sau:

2.1 Mạch Xén Âm

Dạng mạch 1

vv

v D

R

Hình 3-7a Hình 3-7b: Dạng sóng vào – ra

Giải thích nguyên lý hoạt động

- Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t 1 ) của tín hiệu vào v v , v v

> 0, anode của D dương hơn cathode ⇒ D dẫn ⇒ tín hiệu vào được truyền đến đầu ra, v r = v v - Vγ ≈ v v.

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 lặp lại chu kỳ mới.

Vẽ đặc tuyến vào ra Khi v v > 0 ⇒ v r = v v (độ dốc 1)

Khi v v < 0 ⇒ v r = 0

Dạng mạch 2

r

vv

v

BA

Ngưỡng V DC = V

Giải thích nguyên lý hoạt động

- Thời điểm từ 0 đến t1 , v v > 0 và trong khoảng thời gian này v v

< V DC ⇒ tại anode D có điện áp là V A = v v - V DC < 0 ⇒ D phân cực nghịch ⇒ D ngưng dẫn, v r = i R = 0 (không có dòng qua D và R, i = 0).

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , v v > 0 và trong khoảng thời gian này v v

> V DC ⇒ tại anode D có điện áp là V A = v v - V DC > 0 ⇒ D phân cực thuận ⇒ D dẫn, do đó ta có v r = v v - V DC - Vγ ≈ v v - V DC (tín hiệu vào được truyền đến đầu ra).

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 tương tự thời điểm từ 0 đến t 1

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 , v v < 0 tức V B > 0 cùng với nguồn V DC đặt cực dương vào cathode của D ⇒ D phân cực nghịch ⇒ D ngưng dẫn, v r = 0

-Thời điểm từ t 4 đến t 7 , tương tự thời điểm từ 0 đến t 3 (lặp lại

chu kỳ mới ).

Vẽ đặc tuyến vào ra Khi v v > V DC ⇒ v r = v v - V DC

V DC = -1/2V Giải thích nguyên lý hoạt động

-Khi v v = 0, Diode D được phân cực thuận bởi nguồn V DC , D

dẫn, do đó v r = v v +V DC - Vγ ≈ V DC.

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , điện áp ngõ vào dương , tức v AB > 0 cùng với nguồn V DC đặt cực dương vào anode của D, D được phân cực thuận, D dẫn, do đó v r = v v +V DC

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , điện áp ngõ vào mang giá trị âm, tức

v BA > 0 và trong khoảng thời gian này về độ lớn thì v BA < V DC ,

do đó D được phân cực thuận mạnh hơn, D dẫn mạnh, v r = v v +V DC - Vγ ≈ v v +V DC

-Thời điểm từ t 2 đến t 3, điện áp ngõ vào vẫn còn mang giá trị âm, tức v BA > 0 và trong khoảng thời gian này về độ lớn thì

v BA > V DC , do đó D bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, do đó v r

= i.R = 0 (không có dòng qua R và D, i = 0).

-Thời điểm từ t 3 đến t 4, tương tự thời điểm từ t 1 đến t 2 , v r = v v +V DC

-Thời điểm từ t 4 đến t 5 , tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 , v r = v v +V DC

Vẽ đặc tuyến vào – ra Khi v v > -V DC ⇒ v r = v v +V DC

Hình 3-10b: Dạng sóng vào – ra

Giải thích nguyên lý hoạt động -Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t 1 ) của tín hiệu vào, v v > 0, lúc này cathode của D dương hơn anode, D bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, không có dòng qua D và R, do đó v r = i.R

= 0

-Bán kỳ âm( thời điểm từ t 1 đến t 2 ) của tín hiệu vào, v v < 0, lúc

này anode của D dương hơn cathode, do đó D được phân cực thuận, D dẫn, ngõ ra có điện áp là v r = v v +Vγ ≈ v v

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 tương tư thời điểmtừ 0 đến t 1 , v r = 0.

Vẽ đặc tuyến vào ra Khi v v > 0 ⇒ v r = 0

Khi v v < 0 ⇒ v r = v v (độ dốc 1)

Hình 3-11b: Dạng sóng vào – ra

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , v v > 0, tức V A > 0, V A cùng với

nguồnV DC đặt cực dương vào cathode của D ⇒ D bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, v r = i.R = 0 (không có dòng qua D và R, i=0).

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , v v < 0, tức V B > 0 và trong khoảng thời

gian này thì V B < V DC = V C , do đó cathode của D dương hơn anode, D phân cực nghịch, D tắt ,

v r = 0.

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 , v v < 0, tức v B > 0 và trong khoảng thời gian này V B > V DC = V C , anode của D dương hơn cathode, D phân cực thuận , D dẫn , tín hiệu ngõ vào được truyền đến ngõ ra, ta có điện áp ra là v r = -v v + V DC + Vγ ≈ -v v + V DC. = -V +

V DC = -(V - V DC ).

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 tương tự thời điểm từ t 1 đến t 2 , v r = 0

-Thời điểm từ t 4 đến t 5 lặp lại bán kỳ dương từ 0 đến t 1 , v r = 0 Vẽ đặc tuyến vào ra

Giải thích nguyên lý hoạt động

-Khi v v = 0, D được phân cực thuận bởi nguồn V DC , do đó D

dẫn, tín hiệu vào được truyền đến ngõ, v r = v v - V DC = - V DC

-Thời điểm từ 0 đến t 1 , v v > 0, tức V A > 0 và trong khoảng thời gian này thì V A < V DC , tại cathode của D có điện áp là V C = V A -

V DC < 0, do đó D được phân cực thuận, D dẫn, nên ta có v r =

v v - V DC + Vγ ≈ v v -V DC.

-Thời điểm từ t 1 đến t 2 , v v < 0, tức V A > 0 và trong khoảng thời gian này V A > V DC , cathode có điện áp là V C = V A - V DC > 0, do dó D bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, nên ta có v r = i.R = 0 (không có dòng i qua D và R).

-Thời điểm từ t 2 đến t 3 , tương tự thời điểm từ 0 đến t 1 , v r = v v.

-Thời điểm từ t 3 đến t 4 , v v < 0, tức v BA > 0 , v BA cùng với nguồn

V DC đặt cực dương vào anode của D, làm D phân cực thuận mạnh hơn, D dẫn mạnh.Tín hiệu vào được truyền đến ngõ ra v r

= v v - V DC + Vγ ≈ v v - V DC.

-Thời điểm từ t 4 đến t 7 tương tự thời điểm từ 0 đến t 3 (lặp lại chu kỳ mới).

Vẽ đặc tuyến vào ra Khi v v > V DC ⇒ v r = 0

Khi v v < V DC ⇒ v r = v v - V DC

3 Mạch Xén Với Diode Thực Tế

Đối với Diode thực tế, khi phân cực thuận thì có dạng tương đương như sau:

Khi Vγ so sánh được với v v , nhất là với V DC , thì ta phải kể Vγ vào mạch Trường hợp này thường là mạch sử dụng Diode loại Si, có vγ = 0,6 v , và nguồn V DC bé.

Khi V DC >> Vγ , thì ta có thể bỏ qua Vγ

Ta xét dạng mạch mà trong đó Vγ so sánh được với V DC

v v

v

+

+ Vdc D R

Vγ = 0,6

= 2

Hình 3-13a Hình 3-13b: Dạng sóng vào – ra Đây là dạng mạch xén song song, có v v = 8 sinωt

Nếu v v > Vγ + V DC = 2,6 v , thì Diode dẫn, tín hiệu vào được truyền đến ngõ ra , lúc này ta có v r = V DC + Vγ = 2,6 (v).

Nếu v v < Vγ + V DC = 2,6( v), thì Diode ngưng dẫn, do đó

v r = v v = 8 sinωt.

Khi D dẫn thì tồn tại điện trở thuận r d (điện trở động), r d so sánh được với R (điện trở tải), lúc đó tín hiệu ra sẽ bị méo không còn sắc sảo nữa.

Các dạng méo có thể gặp như sau:

Trường hợp a:

+ Vdc D R

Trường hợp b

+ VdcD R

Chứng minh: Xét trường hợp (a), mạch này tương đương với mạch sau, khi D là Diode thực tế.

+

+ Vdc

D R R

Hình 3-14 Giải thích tín hiệu ra bị méo

i

-Khi v V < V DC + Vγ , Diode phân cực nghịch, lúc này thì D có

dạng tương đương như sau:

V R

Do đó D tắt ⇒ v r = v v hay = 1

Ta có , V r d = i r d mà i =

d

DC d

v d

DC v

r R

V

V r

R

v r

R

V V

v

+

+

− +

= +

)

(

γ γ

d

d DC

d

d v

r R

r V

V r

R

r v

+

+

− +

+ +

=

d

d DC

d

d v

ra

r R

r V

V r

R

r v

d v

ra

r R

R V

V r

R

r v

v

+

+

+ +

Nếu r d << R thì , thì quan hệ giữa điện áp ra

và điện áp vào là:

, nếu R lớn thì , do đó v r = V DC + Vγ

Nếu r d có thể so sánh với R thì quan hệ vào - ra là :

R

r DC

d v

r

r R

R V

V r

R

r v

v

+

+

+ +

r

+