Kĩ thuật điện tử - Mạch kẹp và mạch giao hoán

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 1/8 11 Mạch kẹp và mạch giao hoán 11-1 Mạch kẹp Một công việc thường được thực hiện đối với các tín hiệu tuần hoàn là đặt lại vị trí của đỉnh dương hoặc đỉnh âm của tín hiệu đến một mức tham khảo RV nào đó. Các mạch thực hiện việc này được gọi là mạch kẹp (clampping circuit). Nói chung, bất cứ khi nào một điểm trong mạch được kết nối qua một trở kháng thấp đến một nguồn tham khảo RV , ta nói là điểm đó được kẹp tại điện áp RV , vì điện áp của điểm này sẽ không thể quá sai lệch so với RV . Mạch diode trong hình 10-2 là một ví dụ của mạch kẹp như vậy vì ngõ ra bị kẹp tại RV bất cứ khi nào ngõ vào vượt quá RV . Trong các mạch này, chỉ một chiều thay đổi của điện áp là bị kẹp nên ta gọi chúng là các mạch kẹp một chiều. Hai diode có thể được dùng để tạo nên mạch kẹp hai chiều. Như ta đã biết, khi một tín hiệu được đưa qua một mạch bằng cách ghép tụ, thành phần dc của tín hiệu sẽ bị mất. Trong những trường hợp này, mạch kẹp thường được dùng để phục hồi thành phần dc, do đó nó còn có tên là mạch tái tạo dc. 11-1-1 Dạng sóng Xét hình 11-1, bao gồm một nguồn iv với nội trở có thể bỏ qua, một tụ và một diode D . Giả sử là diode lý tưởng, tức là điểm gián đoạn của nó xảy ra tại 0 V và điện trở phân cực thuận là không. Tín hiệu vào là một sóng sin bắt đầu tại 0t = . Tụ C không mang điện tích tại 0t = . Ta sẽ tìm dạng sóng ngõ ra ov trên diode. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 2/8 Trong một phần tư chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào tăng từ không đến giá trị tối đa mV . Diode là lý tưởng nên áp rơi trên nó là không. Kết quả là trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên, A iv v= . Điện áp trên tụ C tăng theo hình sin, tụ nạp điện thông qua nguồn và diode. Như vậy, lúc này ov là không. Tại cuối của khoảng thời gian này áp rơi trên tụ là A mv V= . Sau một phần tư chu kỳ này, tín hiệu bắt đầu giảm xuống, điện áp trên tụ không thể bám theo tín hiệu vào vì tụ không thể xả thông qua diode lúc này đang bị phân cực ngược. Điện áp trên tụ tiếp tục duy trì là A mv V= , điện áp ngõ ra là o i mv v V= − . Trong suốt các chu kỳ tiếp theo, đỉnh dương của tín hiệu ra chỉ có thể đạt đến không. Diode không bao giờ dẫn trở lại và đỉnh dương của tín hiệu ra bị kẹp tại không. Giả sử là sau khi đạt đến trạng thái xác lập, biên độ tín hiệu vào tăng lên. Khi đó, trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên, diode sẽ lại dẫn. Điện áp dc trên tụ C sẽ lại tăng và một lần nữa đỉnh dương của tín hiệu ra sẽ bị kẹp lại tại mức không. Nhưng nếu biên độ của tín hiệu vào giảm xuống thì điều gì sẽ xảy ra? Trong trường hợp này, rõ ràng là điện áp dc trên tụ cần phải giảm theo nhưng trong mạch hình 11-1 không có cách nào để làm được điều này. Để điện áp trên tụ có thể giảm, cần có một điện trở mắc shunt với tụ hoặc qua diode. Trong trường hợp thứ hai, tụ sẽ xả thông qua một mạch nối tiếp gồm điện trở shunt của diode và nội trở nguồn. Mạch hình 11-2(a) trình bày trường hợp có điện trở R . Hình 11-2(b) vẽ dạng sóng ngõ ra cho trường hợp biên độ tín hiệu vào hình sin đột ngột giảm xuống. hai chu kỳ đầu tiên tương ứng với giai đoạn xác lập trước đó. Tại thời điểm 1t t= , biên độ tín hiệu đột ngột giảm xuống. Vì tụ không thể xả một cách nhanh chóng, đỉnh dương của ngõ ra giảm xuống dưới không một chút trước khi bị kẹp lại tại 0 V . Điện áp trên tụ C giảm dần theo hàm mũ khi tụ xả và sau một vài chu kỳ, đỉnh dương sẽ bằng không trở lại. Trong trường hợp này, không giống với trường hợp không có R , có dòng chảy qua tại mỗi đỉnh dương. Ngay cả khi điện áp trên tụ giảm đến giá trị làm cho đỉnh dương đạt đến không tụ vẫn tiếp tục xả thông qua R và nội trở nguồn. Lúc này diode sẽ hỗ trợ cho tụ Hình 11-1 (a) Mạch kẹp cơ bản; (b) Tín hiệu vào hình sin được đặt vào tại thời điểm 0t = ; (c) Dạng sóng ngõ ra. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 3/8 điện. Vì tụ xả chậm nên diode không phải luôn dẫn mà chỉ cần dẫn trong một phần nhỏ của chu kỳ để nạp lại cho tụ các điện tích bị mất. Ta thử xem dạng sóng xung quanh đỉnh dương khi diode dẫn. Phần dạng sóng này được trình bày trên hình 11-2(c). Nếu không có diode, tín hiệu sẽ đi theo đường đứt nét với đỉnh tại 2t t= . Nhưng nhờ diode, phần tín hiệu giữa 2t và ' 2t bị kẹp tại 0 V . ' 2t là thời điểm tại đó tín hiệu sin vừa đạt đến không. Để ít méo dạng, tụ phải bị mất ít điện tích trong quá trình xả, điều này đòi hỏi thời hằng RC phải rất lớn khi so sánh với chu kỳ của tín hiệu. 11-2 Mạch kẹp khi xét đến điện trở diode và nội trở nguồn Hình 11-3 là mạch đã được bổ sung nội trở nguồn SR và một điện trở phân cực thuận cho diode fR . Điện trở fR có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm ohms tùy theo loại diode được sử dung. Nội trở nguồn có thể bỏ qua hoặc có thể lên đến vài ngàn ohms tùy theo nguồn. Giả sử là điểm gián đoạn của diode Vγ xảy ra tại 0 V . Hình 11-2 (a) Mạch kẹp với điện trở xả. (b) Tại 1t t= , biên độ ngõ vào đột ngột giảm xuống. Ngõ ra tiến dần đến trạng thái xác lập. (c) Chi tiết của ov tại đỉnh dương đầu tiên. Hình 11-3 Mạch kẹp khi tính cả nội trở SR của nguồn. Trong thời gian dẫn, diode là một điện trở fR . Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 4/8 Như ta sẽ thấy, độ chính xác của mạch tùy thuộc vào điều kiện fR R . Để phân tích mạch ta có thể vẽ mạch tương đương của mạch này khi cần tính ov như hình 11-4(a). Mạch hình 11-4(a) được dùng khi diode dẫn và hình 11-4(b) được dùng khi diode không dẫn. Nếu fR R là không đúng thì từ hình 11-4(a), fR phải được thay bằng hai điện trở R và fR mắc song song.Trong hình 11-4(b), nếu điện trở trong vùng tắt của diode không rất lớn hơn R thì điện trở R cũng phải được thay bằng tổ hợp song song của hai điện trở. Trong một số trường hợp, trong mạch thật ra không có R , điện trở này có thể là điện trở phân cực ngược rR của diode. 11-2-1 Dạng sóng quá độ Bây giờ ta sẽ xem xét dạng sóng ngõ ra khi một tín hiệu đột ngột được đặt vào mạch và xem mạch đạt đến trạng thái xác lập như thế nào. Sau một số chu kỳ, mạch sẽ đạt đến trạng thái xác lập trong đó đỉnh dương sẽ bị kẹp tại không. Trong trường hợp đó ta sẽ dùng mạch tương đương như hình 11-4 và xử lý như trong ví dụ sau. Giả sử trong mạch hình 11-3, 100 , 10 k,S fR R R= = Ω = và 1 FC µ= . Tại 0t = , một tín hiệu sóng vuông đối xứng với biên độ 10 V , tần số 5 kHz được đặt vào mạch. Như được trình bày trong hình 11-5, tín hiệu sv đi từ 0 V đến 10 V+ . Hãy vẽ vài chu kỳ đầu tiên của dạng sóng ngõ ra. Để phân tích được mạch này, ta giả sử tụ C không tích điện ở thời điểm đầu. Dùng mạch tương đương trong hình 11-4(a) ta có, tại lần nhảy lên 10 V đầu tiên của tín hiệu vào, ngõ ra nhảy đến 5 V+ . Ngõ ra sau đó suy giảm dần về không theo hàm mũ với thời hằng ( ) 200 sS fR R Cτ µ= + = Vì chu kỳ 200 sT µ= nên tại cuối nửa chu kỳ sóng vuông, tại thời điểm 2t T= , ngõ ra rơi xuống đến ( ) 22 5 3 VTov t T e τ−= = = . Tại thời điểm này, vì điện áp trên fR là 3 V nên điện áp trên tụ là 4 V . Tại thời điểm 2t T= + , ngõ vào hạ xuống không, diode tắt và ta dùng hình 11-4(b). Trong mạch này, 4 VAv = và 0Sv = , nếu bỏ qua SR khi so sánh với R thì 4 Vov = − như trong hình 11-5. Ngõ ra sau đó lại bắt đầu suy giảm về không. Tuy nhiên, thời hằng bây giờ là 10 k 1 F=10000 sRC µ µ= × , tức là lớn hơn 100 lần so với 2T . Do đó độ suy giảm là có thể bỏ qua và không được chỉ ra trong hình. Hình 11-4 Mạch tương đương của hình 11-2 để tính ov (a) khi diode dẫn, (b) khi diode không dẫn. Giả sử là r fR R R  . Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 5/8 Vì trong khoảng 2t T= đến t T= điện áp trên tụ không thay đổi, nên tại thời điểm t T= + , ngõ ra sẽ trở lại 3 V+ . Sau đó ngõ ra lại tiếp tục suy giảm về không. Phần suy giảm trong khoảng t T= đến 3 2t T= là một sự liên tục của phần trong khoảng 0t = đến 2t T= . Nếu tắt cả các đoạn suy giảm được ghép chung lại với nhau, chúng sẽ tạo nên một dạng sóng liên tục suy giảm theo hàm mũ từ 5 V+ đến 0 V . Tại 3 2t T= thì 1 23 1.8ov e−= = . Quá trình tính toán lại lặp lại như trên và kết quả được trình bày trong hình. Các chu kỳ tiếp sau, dạng sóng đã xấp xỉ trạng thái xác lập khi đỉnh dương bị kẹp tại giá trị xấp xỉ 0 V . 11-3 Mạch giao hoán với tải cảm Trong hình 11-6 vẽ một transistor trong đó tải là một cuộn cảm L mắc song song với điện trở R . Dạng sóng với mức dc tùy ý trong hình 11-7(a) được đặt vào mạch. Khi đó transistor sẽ chuyển từ trạng thái bão hòa sang trạng thái tắt. Điện trở CR trong mạch collector được dùng để hạn dòng trong trường hợp transistor bão hòa. Hình 11-5 Ví dụ của quá trình từ quá độ đến xác lập trong mạch kẹp. Hình 11-6 Transistor lái tải cảm. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 6/8 Sau khi transistor nằm trong vùng bão hòa trong một thời gian đủ dài để tất cả quá trình quá độ bị suy giảm, cuộn cảm sẽ có dòng ( )o CC CE sat CI V V R⎡ ⎤= −⎣ ⎦ . Tức thời ngay tại thời điểm transistor chuyển sang trạng thái tắt, mạch tương đương để tính ngõ ra được vẽ trong hình 11-6(c). Ta bỏ qua dòng rò của transistor khi ở trạng thái tắt. Dòng cuộn cảm, phải chảy qua R , sẽ giảm dần từ oI về không với thời hằng L R . Điện áp ngõ ra được vẽ trong hình 8-24(b) và được cho bởi Rt Lo YY ov V I Re −= + (11-1) Do đó, khi transistor bị lái vào trạng thái tắt, tại collector sẽ xuất hiện một gai dương với biên độ oI R xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp. Gai dương này có thể trở nên rất lớn khi R lớn. Trong thực tế, điện áp đỉnh có thể bị giới hạn bởi điện dung ngang qua cuộn cảm, nhưng ngay cả trong trường hợp này, điện áp đỉnh cũng có thể lớn hơn vài lần so với áp nguồn. Khi công tắc trở lại trạng thái bão hoà tại thời điểm 2t T= , cuộn cảm lúc này tức thời hở mạch. Dòng transistor chảy qua R là ( )( )CC CE sat CV V R R⎡ ⎤− +⎣ ⎦ . Đặt 'oI là dòng transistor tức thời chảy qua transistor tại thời điểm On. Dòng chảy qua R sẽ giảm dần từ 'oI về không với hằng số thời gian 'L R , trong đó 'R bằng R song song với CR . Ngõ ra khi 2t T> là ( )2'' R t T Lo YY ov V I Re − −= − (11-2) và có dạng gai âm như trong hình 11-7(b) xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp. Gai âm luôn luôn nhỏ hơn điện áp nguồn vì điện áp collector không thể đảo ngược cực tính. Thời hằng của gai âm lớn hơn thời hằng gai dương do đó gai âm suy giảm chậm hơn. 11-4 Mạch giao hoán với tải dung Mạch giao hoán với tải dung được vẽ trong hình 11-8(a). Tại thời điểm 0t = − , khi transistor bão hoà, điện áp ngõ ra và dòng collector là Hình 11-7 (a) Ngõ vào của hình 11-6; (b) Điện áp ngõ ra. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 7/8 ( )o CE satv V= và ( )CC CE satC o C V V i I R −= ≡ Các đại lượng này được chỉ ra trong hình 11-8(d). Tại thời điểm 0t ≥ + , khi mạch đi vào trạng thái tắt, mạch tương đương được vẽ trong hình 11-8(b). Điện áp collector tăng dần đến CCV với thời hằng C SR C . Tại thời điểm 2t T= + , ngõ vào đột ngột nâng lên, chuyển tiếp base – emitter được phân cực thuận và dòng base là ( )B CC BI V V Rγ= − . Điện áp collector tại thời điểm này là điện áp CCV trên SC . Vì điện áp này phân cực ngược chuyển tiếp collector, transistor làm việc trong vùng tích cực với dòng collector là 'C B oI I Iβ≈ ≡ . Mạch tương đương dùng để tính quá trình xả của tụ được vẽ trong hình 11-8(c), với 'oI là hằng số. Điện áp ngõ ra bắt đầu từ CCV và giảm xuống theo hàm mũ với thời hằng C SR C hướng đến giá trị xác lập ' CC o CV I R− . Khi 2t T≥ và cho đến khi transistor trở lại trạng thái bão hoà, ngõ ra là ( )2' ' C St T R Co CC o C o Cv V I R I R e− −= − + (11-3) Các điều kiện này được vẽ trong hình 11-8(d), ở đây ta đã chỉ ra là 'o oI I> vì oI là dòng collector bão hoà nên o BI Iβ . Khi collector giảm xuống đến ( )CE satV , transistor rơi vào trạng thái bão hoà, dòng collector giảm đến giá trị bão hoà oI và ov giữ tại ( )CE satV như trong hình 11-8(d). Nếu ' o oI I thì ov giảm gần như tuyến tính theo thời gian và thời gian xuống nhỏ hơn nhiều so với thời gian lên. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn 8/8 Trong hình 11-8(d) ta đã ngầm giả sử là thời hằng rất nhỏ khi so với 2T hoặc 1T . Nếu thay vì vậy ta giả sử C SR C rất lớn hơn 2T thì đường lên dạng hàm mũ có thể xấp xỉ với một hàm tuyến tính. Mạch hoạt động giống như một mạch tích phân và một điện áp bước ngõ vào sẽ chuyển thành hàm dốc ngõ ra. Hình 11-8 (a) Transistor với tải dung; (b) Mạch tương đương để tính ngõ ra khi transistor tắt; (c) Mạch tương đương khi mạch base bị kẹp nhưng collector vẫn ở trong vùng tích cực; (d) Ngõ vào iv , dòng collector Ci , và điện áp ngõ ra ov .