Mạch xén (clipping circuit)

MAÏCH XEÙN (CLIPPING CIRCUIT) I. KHAÙI NIEÄM Trong nhöõng heä thoáng daïng soùng cho ra tuyeán tính, thì khi moät tín hieäu daïng sin taùc ñoäng ôû ngoõ vaøo thì ngoõ ra khoâng bò bieán daïng. ÔÛ nhöõng heä thoáng naøy, caùc linh kieän ñöôïc duøng laø nhöõng phaàn töû tuyeán tính. Ñoái vôùi nhöõng phaàn töû khoâng tuyeán tính (phi tuyeán ) laø do ñaëc tuyeán Volt-Ampere cuûa noù khoâng tuyeán tính (khoâng thuoäc loaïi ñöôøng thaúng ). Nhöõng ñaëc tính khoâng tuyeán tính ñöôïc aùp duïng trong vieäc bieán ñoåi hình daïng soùng ngoõ vaøo. Daïng soùng naøy thì höõu duïng trong nhöõng öùng duïng vaøo lónh vöïc kyõ thuaät xung. Moät daïng maïch maø daïng soùng ra khoâng tuyeán tính goïi laø maïch xeùn(caét) maø chuùng ta tìm hieåu ôû chöông naøy. Nhö vaäy , moät maïch xeùn cuõng ñöôïc xem töông ñöông nhö moät maïch giôùi haïn, maïch choïn ñieän aùp, hay maïch choïn bieân ñoä. Tín hieäu ñaàu ra laëp laïi tín hieäu ñaàu vaøo, khi ñieän aùp ñaàu vaøo chöa vöôït qua moät giaù trò naøo ñoù goïi laø ngöôõng cuûa maïch haïn cheá, coøn ngöôïc laïi ñieän aùp ñaàu ra seõ giöõ nguyeân moät giaù trò khoâng ñoåi khi ñieän aùp ñaàu vaøo vöôït ra ngoaøi ngöôõng haïn cheá cuûa maïch. Giaù trò khoâng ñoåi ñoù goïi laø möùc haïn cheá. Moät maïch xeùn ñöôïc ñònh nghóa nhö moät maïch haïn cheá bieân ñoä ñieän aùp bôûi söï caét boû nhöõng thaønh phaàn khoâng caàn thieát cuûa daïng soùng ngoõ vaøo. Söï caét boû naøy coù theå thöïc hieän beân treân hoaëc beân döôùi cuûa tín hieäu ngoõ vaøo moät möùc naøo ñoù. Maïïch xeùn laø moät maïng hai cöûa (goàm boán ñaàu cöïc), coù ñöôøng ñaëc tính laø nhöõng ñöôøng gaõy lyù töôûng, coù moät nhaùnh nghieâng ñi qua hoaëc khoâng ñi qua goác toïa ñoä, moät hay hai nhaùnh naèm ngang coù nhieäm vuï loaïi boû nhöõng thaønh phaàn khoâng caàn thieát cuûa tín hieäu ngoõ vaøo . Ngoõ ra quan heä vôùi ngoõ vaøo theo phöông trình: vr = f(vv). Caùc daïng ñaëc tuyeán vaøo -ra coù theå coù nhö sau: Veà thöïc chaát maïch xeùn ñoùng vai troø nhö moät chuyeån maïch ñieän töû (khoùa ñieän töû). Neáu nhö khoùa maéc noái tieáp vôùi taûi thì tín hieäu seõ ñi qua khi khoùa ñoùng vaø bò chaën laïi khi khoùa môû, töùc laø ñoùng vai troø cuûa moät phaàn töû phi tuyeán. Ñeå thöïc hieän yeâu caàu ñoù, ngöôøi ta duøng caùc phaàn töû khoâng tuyeán tính nhö : Diode, Transistor, Op-amp…. Rieâng maïch haïn cheá duøng Transistor vaø Op-amp, ngoaøi nhieäm vuï caét boû nhöõng thaønh phaàn khoâng caàn thieát coøn thöïc hieän nhieäm vuï khueách ñaïi bieân ñoä soùng, neân coøn goïi laø maïch haïn cheá khueách ñaïi. Nhöõng yeâu caàu cuûa maïch xeùn laø ñoä saéc khi caét, ñoä oån ñònh cuûa nguôõng. Ñieàu naøy phuï thuoäc vaøo nhöõng phaàn töû phi tuyeán ñöôïc söû duïng. II. MAÏCH XEÙN DUØNG DIODE BAÙN DAÃN (LOAÏI DIODE LYÙ TÖÔÛNG) Neáu moät nguoàn ñieän aùp DC ñöôïc noái noái tieáp vôùi Diode, thì maïch seõ caét boû nhöõng phaàn beân treân hoaëc beân döôùi nguoàn aùp naøy, phuï thuoäc vaøo chieàu cuûa Diode. Tuøy theo caùch maéc cuûa Diode, ngöôøi ta chia maïch haïn cheá duøng Diode thaønh hai loaïi song song vaø noái tieáp. ÔÛ maïch haïn cheá noái tieáp thì Diode ñöôïc maéc noái tieáp vôùi taûi, vaø ôû maïch haïn cheá song song thì Diode ñöôïc noái song song vôùi taûi. Theo chöùc naêng, maïch haïn cheá noái tieáp vaø song song ñöôïc chia thaønh hai loaïi xeùn aâm, xeùn döông vaø maïch xeùn caû hai phía. Trong ñoù, xeùn aâm laø caét boû thaønh phaàn aâm cuûa daïng soùng tín hieäu vaøo vaø chæ giöõ laïi thaønh phaàn döông, xeùn döông laø caét boû thaønh phaàn döông cuûa daïng soùng tín hieäu vaøo vaø chæ giöõ laïi phaàn aâm, xeùn caû hai phía laø caét boû caû thaønh phaàn aâm vaø thaønh phaàn döông cuûa tín hieäu vaøo moät möùc naøo ñoù. Caùc daïng maïch haïn cheá coù theå duøng ngöôõng xeùn hoaëc khoâng duøng (daïng ñôn giaûn). 1. Maïch Xeùn Song Song 1.1. Maïch Xeùn Döông Maïch goàm caùc phaàn töû nhö ñieän trôû R, nguoàn VDC, Diode. Giaû söû tín hieäu vaøo laø daïng soùng sin, coù bieân ñoä max laø ± V. Khaûo saùt moät soá daïng maïch xeùn cô baûn nhö sau : Daïng maïch 1 Hình 3-1a Hình 3-1b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Baùn kyø döông (thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1) cuûa tín hieäu ngoõ vaøo, vv > 0, anode cuûa D döông hôn cathode, D daãn, doøng ñieän chaïy xuyeân qua Rvaø D , do ñoù vr = vg = 0. Baùn kyø aâm (thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 ) cuûa tín hieäu ngoõ vaøo, vv < 0, anode cuûa D aâm hôn cathode , D ngöng daãn , khoâng coù doøng chaïy qua Rvaø D, vr = vv. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 laëp laïi chu kyø môùi. Ñaëc tuyeán vaøo -ra Khi vv > 0 thì vr = 0 Khi vv < 0 thì vr = vv (ñoä doác 1) vr 0 vv 1 Daïng maïch 2 C B A Hình 3-2a Hình 3-2b: Daïng soùng vaøo – ra Ngöôõng xeùn VDC = V Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , 0 < vv < VDC , cathode cuûa D döông hôn anode, laøm D ngöng daãn, do ñoù vr = vv. Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vv döông vaø luùc naøy vv > VDC , anode cuûa D döông hôn cathode, laøm D phaân cöïc thuaän, D daãn, do ñoù vr = V DC + Vg » VDC . Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , vr = vv. Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4 , vBA > 0 , vBA cuøng vôùi nguoàn VDC taïo ñieän aùp vCA = vBA +VDC > 0, laøm D phaân cöïc ngöôïc , D ngöng daãn , do ñoù vr = vv. Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t7, laëp laïi chu kyø môùi, töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t3. Ñaëc tuyeán vaøo- ra Khi vv > VDC thì vr = VDC Khi vv < VDC thì vr = vv Daïng maïch 3 Hình 3-3a Hình 3-3b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Khi tín hieäu ngoõ vaøo coù ñieän aùp baèng 0, anode cuûa D döông hôn cathode (do nguoàn ñieän aùp DC phaân cöïc thuaän), D daãn, do ñoù vr = -VDC + Vg » -VDC . Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, ñieän aùp ngoõ vaøo döông, töùc VA > 0, VA cuøng vôùi nguoàn VDC ñaët cöïc döông vaøo anode, laøm phaân cöïc thuaän cho D maïnh hôn, do ñoù D daãn maïnh, luùc naøy vr = -VDC. Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, ñieän aùp ngoõ vaøo aâm, töùc vBA > 0 , vaø ñieän theá taïi ñieåm B nhoû hôn ñieän aùp nguoàn DC, do ñoù D phaân cöïc thuaän, Diode daãn, vr = -VDC. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, ñieän aùp vaøo vaãn coøn aâm, töùc vBA > 0 vaø ñieän aùp taïi ñieåmB lôùn hôn ñieän aùp nguoàn DC, do ñoù Diode phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn , do ñoù ñieän aùp ra baèng ñieän aùp vaøo, vr = vv. Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4 töông töï thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vr = -VDC. Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t5 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vr = -VDC. Veõ ñaëc tuyeán vaøo –ra Khi vv < -VDC thì vr = vv Khi vv > -VDC thì vr = -VDC 1.2. Maïch Xeùn AÂm Xeùt tín hieäu ngoõ vaøo laø daïng soùng sin coù bieân ñoä max laø ±V Daïng maïch 1 Hình 3-4a Hình 3-4b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Baùn kyø döông ( thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1) cuûa tín hieäu ngoõ vaøo, vv > 0, cathode cuûa D döông hôn anode, D ngöng daãn, khoâng coù doøng chaïy qua R vaø D, do ñoù ñieän aùp ngoõ ra baèng ñieän aùp ngoõ vaøo, vr = vv. Baùn kyø aâm( thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2) cuûa tín hieäu ngoõ vaøo, vv < 0, anode cuûa D döông hôn cathode, Diode daãn, coù doøng chaïy qua D vaø R, vr = -Vg » 0. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 laëp laïi chu kyø môùi. Ñaëc tuyeán vaøo –ra Khi vv > 0 thì vr = vv (ñoä doác1) Khi vv < 0 thì vr = 0 Daïng maïch 2 C B A Hình 3-5a Hình 3-5b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , ñieän aùp ngoõ vaøo döông, töùc vAB > 0 vaø luùc naøy ñieän aùp giöõa hai ñieåm A vaø B nhoû hôn ñieän aùp nguoàn DC, anode cuûa D coù ñieän aùp laø VDC , coøn cathode coù ñieän aùp laø VA , VA < VDC, Diode ñöôïc phaân cöïc thuaän, D daãn, do ñoù vr = -Vg +VDC » VDC Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, ñieän aùp ngoõ vaøo vaãn coøn döông, töùc vAB > 0, luùc naøy ñieän aùp giöõa hai ñieåm A vaø B lôùn hôn ñieän aùp nguoàn DC, ta coù vCA = VDC - vAB < 0, D bò phaân cöïc nghòch, Diode ngöng daãn , do ñoù ñieän aùp ngoõ ra baèng ñieän aùp ngoõ vaøo, vr = vv. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vr = VDC. Thôøi ñieåmtöø t3 ñeán t4, ñieän aùp ngoõ vaøo mang giaù trò aâm, töùc VB > 0 vaø cuøng vôùi nguoàn aùp DC ñaët cöïc döông vaøo anode cuûa D, Diode phaân cöïc thuaän caøng maïnh, D daãn maïnh , do ñoù vr = VDC –Vg = VDC. Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t7 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t3 (laëp laïi chu kyø ñaàu). Veõ ñaëc tuyeán vaøo – ra Khi vv > VDC thì vr = vv (ñoä doác 1) Khi vv < VDC thì vr = VDC Daïng maïch 3 C B A Hình 3-6a Hình 3-6b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vv > 0, töùc vAB > 0 Þ cöïc döông cuûa nguoàn VDC cuøng vôùi cöïc döông cuûa nguoàn vAB ñaët vaøo cathode cuûa D, laøm D bò phaân cöïc ngöôïc, D ngöng daãn, do ñoù vr = vV Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vv 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy thì vBA < VDC , ta coù vCA = vBA -VDC < 0 Þ D phaân cöïc nghòch Þ D ngöng daãn, do ñoù vr = vV . Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, vv 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy vBA > VDC , ta coù vCA = vBA -VDC > 0 Þ D phaân cöïc thuaän Þ D daãn, do ñoù vr = -VDC - Vg = -VDC. Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4 töông töï thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 , vr = vv. Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t5 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , vr = vv. Veõ ñaëc tuyeán vaøo - ra Khi vv > - VDC Þ vr = vv Khi vv < - VDC Þ vr = - VDC 2. Maïch Xeùn Noái Tieáp Diode ñöôïc noái noái tieáp vôùi taûi. Ta khaûo saùt tín hieäu ngoõ vaøo ôû ñaây laø daïng hình sin coù bieân ñoä max laø ± V. Caùc daïng maïch cô baûn ñöôïc trình baøy nhö sau: 2.1 Maïch Xeùn AÂm Daïng maïch 1 Hình 3-7a Hình 3-7b: Daïng soùng vaøo – ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng - Baùn kyø döông (thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1) cuûa tín hieäu vaøo vv, vv > 0, anode cuûa D döông hôn cathode Þ D daãn Þ tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ñaàu ra, vr = vv - Vg » vv. Baùn kyø aâm (thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2) cuûa tín hieäu vaøo, vv < 0, cathode cuûa D döông hôn anode Þ D ngöng daãn Þ vr = i R = 0 (khoâng coù doøng qua D vaø R, neân i = 0). Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 laëp laïi chu kyø môùi. Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vv > 0 Þ vr = vv (ñoä doác 1) Khi vv < 0 Þ vr = 0 Daïng maïch 2 Hình 3-8a Hình 3-8b: Daïng soùng vaøo - ra Ngöôõng VDC = V Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng - Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vv > 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy vv < VDC Þ taïi anode D coù ñieän aùp laø VA = vv - VDC < 0 Þ D phaân cöïc nghòch Þ D ngöng daãn, vr = i R = 0 (khoâng coù doøng qua D vaø R, i = 0). Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vv > 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy vv > VDC Þ taïi anode D coù ñieän aùp laø VA = vv - VDC > 0 Þ D phaân cöïc thuaän Þ D daãn, do ñoù ta coù vr = vv - VDC - Vg » vv - VDC (tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ñaàu ra). Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4, vv 0 cuøng vôùi nguoàn VDC ñaët cöïc döông vaøo cathode cuûa D Þ D phaân cöïc nghòch Þ D ngöng daãn, vr = 0 . Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t7, töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t3 (laëp laïi chu kyø môùi ). Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vv > VDC Þ vr = vv - VDC Khi vv < VDC Þ vr = 0 Daïng maïch 3 Hình 3-9a Hình 3-9b: Daïng soùng vaøo – ra VDC = -1/2V Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Khi vv = 0, Diode D ñöôïc phaân cöïc thuaän bôûi nguoàn VDC, D daãn, do ñoù vr = vv +VDC - Vg » VDC. Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , ñieän aùp ngoõ vaøo döông , töùc vAB > 0 cuøng vôùi nguoàn VDC ñaët cöïc döông vaøo anode cuûa D, D ñöôïc phaân cöïc thuaän, D daãn, do ñoù vr = vv +VDC . Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 , ñieän aùp ngoõ vaøo mang giaù trò aâm, töùc vBA > 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy veà ñoä lôùn thì vBA < VDC , do ñoù D ñöôïc phaân cöïc thuaän maïnh hôn, D daãn maïnh, vr = vv +VDC - Vg » vv +VDC . Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, ñieän aùp ngoõ vaøo vaãn coøn mang giaù trò aâm, töùc vBA > 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy veà ñoä lôùn thì vBA > VDC , do ñoù D bò phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn, do ñoù vr = i.R = 0 (khoâng coù doøng qua R vaø D, i = 0). Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4, töông töï thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2 , vr = vv +VDC . Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t5 , töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1 , vr = vv +VDC . Veõ ñaëc tuyeán vaøo – ra Khi vv > -VDC Þ vr = vv +VDC , Khi vv < -VDC Þ vr = 0 2.2. Maïch Xeùn Döông Daïng maïch 1 Hình 2-10a Hình 3-10b: Daïng soùng vaøo – ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Baùn kyø döông (thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1) cuûa tín hieäu vaøo, vv > 0, luùc naøy cathode cuûa D döông hôn anode, D bò phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn, khoâng coù doøng qua D vaø R, do ñoù vr = i.R = 0 . Baùn kyø aâm( thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2) cuûa tín hieäu vaøo, vv < 0, luùc naøy anode cuûa D döông hôn cathode, do ñoù D ñöôïc phaân cöïc thuaän, D daãn, ngoõ ra coù ñieän aùp laø vr = vv +Vg » vv Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3 töông tö thôøi ñieåmtöø 0 ñeán t1, vr = 0. Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vv > 0 Þ vr = 0 Khi vv < 0 Þ vr = vv (ñoä doác 1) Daïng maïch 2 Hình 3-11a Hình 3-11b: Daïng soùng vaøo – ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vv > 0, töùc VA > 0, VA cuøng vôùi nguoànVDC ñaët cöïc döông vaøo cathode cuûa D Þ D bò phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn, vr = i.R = 0 (khoâng coù doøng qua D vaø R, i=0). Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vv 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy thì VB < VDC = VC , do ñoù cathode cuûa D döông hôn anode, D phaân cöïc nghòch, D taét , vr = 0. Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, vv 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy VB > VDC = VC , anode cuûa D döông hôn cathode, D phaân cöïc thuaän , D daãn , tín hieäu ngoõ vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra, ta coù ñieän aùp ra laø vr = -vv + VDC + Vg » -vv + VDC. = -V + VDC = -(V - VDC). Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4 töông töï thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vr = 0 . Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t5 laëp laïi baùn kyø döông töø 0 ñeán t1, vr = 0. Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vv > - VDC Þ vr = 0 vr Khi vv < - VDC Þ vr = -vv + VDC VDC vv -VDC Daïng maïch 3 -VDC Hình 3-12a Hình 3-12b: Daïng soùng vaøo – ra Ngöôõng VDC = 1/2V Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Khi vv = 0, D ñöôïc phaân cöïc thuaän bôûi nguoàn VDC, do ñoù D daãn, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ, vr = vv - VDC = - VDC. Thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vv > 0, töùc VA > 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy thì VA < VDC, taïi cathode cuûa D coù ñieän aùp laø VC = VA - VDC < 0, do ñoù D ñöôïc phaân cöïc thuaän, D daãn, neân ta coù vr = vv - VDC + Vg » vv -VDC. Thôøi ñieåm töø t1 ñeán t2, vv 0 vaø trong khoaûng thôøi gian naøy VA > VDC , cathode coù ñieän aùp laø VC = VA - VDC > 0, do doù D bò phaân cöïc nghòch, D ngöng daãn, neân ta coù vr = i.R = 0 (khoâng coù doøng i qua D vaø R). Thôøi ñieåm töø t2 ñeán t3, töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t1, vr = vv. Thôøi ñieåm töø t3 ñeán t4, vv 0 , vBA cuøng vôùi nguoàn VDC ñaët cöïc döông vaøo anode cuûa D, laøm D phaân cöïc thuaän maïnh hôn, D daãn maïnh.Tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra vr = vv - VDC + Vg » vv - VDC. Thôøi ñieåm töø t4 ñeán t7 töông töï thôøi ñieåm töø 0 ñeán t3 (laëp laïi chu kyø môùi). Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vv > VDC Þ vr = 0, Khi vv < VDC Þ vr = vv - VDC 3. Maïch Xeùn Vôùi Diode Thöïc Teá Ñoái vôùi Diode thöïc teá, khi phaân cöïc thuaän thì coù daïng töông ñöông nhö sau: g Khi Vg so saùnh ñöôïc vôùi vv, nhaát laø vôùi VDC , thì ta phaûi keå Vg vaøo maïch. Tröôøng hôïp naøy thöôøng laø maïch söû duïng Diode loaïi Si, coù vg = 0,6 v , vaø nguoàn VDC beù. Khi VDC >> Vg , thì ta coù theå boû qua Vg Ta xeùt daïng maïch maø trong ñoù Vg so saùnh ñöôïc vôùi VDC Vg = 0,6 = 2 Hình 3-13a Hình 3-13b: Daïng soùng vaøo – ra Ñaây laø daïng maïch xeùn song song, coù vv = 8 sinwt Neáu vv > Vg + VDC = 2,6 v , thì Diode daãn, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra , luùc naøy ta coù vr = VDC + Vg = 2,6 (v). Neáu vv < Vg + VDC = 2,6( v), thì Diode ngöng daãn, do ñoù vr = vv = 8 sinwt. Khi D daãn thì toàn taïi ñieän trôû thuaän rd (ñieän trôû ñoäng), rd so saùnh ñöôïc vôùi R (ñieän trôû taûi), luùc ñoù tín hieäu ra seõ bò meùo khoâng coøn saéc saûo nöõa. Caùc daïng meùo coù theå gaëp nhö sau: Tröôøng hôïp a: Tröôøng hôïp b Chöùng minh: Xeùt tröôøng hôïp(a), maïch naøy töông ñöông vôùi maïch sau, khi D laø Diode thöïc teá. i Vg Hình 3-14 Giaûi thích tín hieäu ra bò meùo I Khi vV < VDC + Vg , diode phaân cöïc nghòch, luùc naøy thì D coù daïng töông ñöông nhö sau: Io V º Do ñoù D taét Þ vr = vv hay Khi vV ³ VDC + Vg , D phaân cöïc thuaän Þ D daãn, luùc naøy vr = VDC + Vg + Vr d (3.1) Ta coù , Vr d = i. rd maø i = Phöông trình (3.1) Þ Þ Þ Neáu rd << R thì thì quan heä giöõa ñieän aùp ra vaø ñieän aùp vaøo laø: , neáu R lôùn thì , do ñoù vr = VDC + Vg Neáu rd coù theå so saùnh vôùi R thì quan heä vaøo - ra laø : = V'r Ñoä doác laø V'r 4. AÛnh Höôûng Cuûa Ñieän Dung Lieân Cöïc Cd Giöõa hai cöïc cuûa Diode toàn taïi moät ñieän dung lieân cöïc. Ñieän dung naøy cuõng laøm daïng soùng ra bò meùo. Chuùng ta khaûo saùt söï aûnh höôûng cuûa tuï Cd ñeán daïng soùng ngoõ ra. Xeùt daïng maïch sau Tröôøng hôïp khoâng keå quaù trình quaù ñoä vaø aûnh höôûng cuûa C2 , Cd. Tröôøng hôïp aûnh höôûng cuûa C2 , Cd Hình 3-15a Hình 3-15b: Daïng soùng vaøo ra Giaûi thích hoaït ñoäng Khi vv = 5(v) thì D phaân cöïc thuaän , D daãn, do ñoù tuï Cd vaø C2 ñöôïc naïp vôùi thôøi haèng naïp laø t1 = rd (Cd + C2). Khi vv = - 5(v) thì D ngöng daãn Þ tuï C2 xaû qua R vôùi thôøi haèng laø t2 = RC2, maø t1 > rd), thôøi gian xaû heát laâu hôn so vôùi thôøi gian naïp ñaày. 5. Maïch Xeùn ÔÛ Hai Möùc Ñoäc Laäp Maïch naøy laø daïng maïch gheùp hai maïch xeùn song song vôùi nhau. Ñeå thöïc hieän maïch naøy, ta coù theå duøng hai ngöôõng xeùn VB1, VB2 vaø keát hôïp vôùi hai Diode, hoaëc coù theå duøng hai Diode Zener. Nhieäm vuï cuûa maïch naøy laø loaïi boû bôùt caû hai thaønh phaàn treân vaø döôùi cuûa tín hieäu ngoõ vaøo. Khaûo saùt moät soá daïng maïch xeùn ôû hai möùc ñoäc laäp cô baûn nhö sau: Daïng maïch duøng diode A R1 i2 i1 VB2 VB1 B Hình 3-16 VB1 = 3V, VB2 = 4V Tín hieäu vaøo laø daïng sin coù vi = 9 sin wt, vaø giaû thuyeát laø Vg = 0, rd = 0 (Diode lyù töôûng) Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng. Khi vi > 0 (töùc VA > 0) vaø ñoàng thôøi VA < 3v, caû hai Diode D1, D2 ñeàu bò phaân cöïc nghòch, D1vaø D2 ngöng daãn, do ñoù v0 = vi. Khi vi vaãn coøn döông vaø ñoàng thôøi 3v 3v), laøm D1 phaân cöïc thuaän vaø D2 phaân cöïc nghòch, D1 daãn vaø D2 taét. Tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra, luùc naøy doøng i1 ñöôïc tính theo coâng thöùc : Do ñoù vo = VR1 + Vg1 + VB1 = i1.R1 + 3 = ( Vg1 = 0) Cho Vimax = 9(v) Þ V0max = 6(v) Khi vi 0 vaø VB > 4(v), D2 phaân cöïc thuaän vaø D1 phaân cöïc nghòch, neân D1 taét vaø D2 daãn, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra. Ta coù vo = -VB2 + Vg2 = 4(v) ( vôùi Vg2 = 0) Khi vi -4(v), töùc VB > 0, VB < 4(v), caû D1 vaø D2 ñeàu phaân cöïc nghòch, neân D1 vaø D2 taét, do ñoù v0 = vi. Ñaëc tuyeán vaøo ra coù daïng nhö sau nhö sau: Khi -4v < vi < 3v Þ v0 = vi (ñoä doác 1) Khi vi > 3v Þ v0 = 2/3 vi + 1 (ñoä doác 2/3) Khi vi < -4v Þ v0 = -4(v) Daïng maïch 2: Duøng Diode Zener Vg 1 Vg2 Hình 3-17 Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Chuù yù khi D1vaø D2 phaân cöïc nghòch, thì noù laøm vieäc gioáng nhö Diode thöôøng, luùc ñoù tính ñeán Vg vaøo maïch. Khi vi > 0 vaø vi ³ VZ 1 + Vg 2 , luùc naøy thì D1 hoaït ñoäng nhö Zener, D2 hoaït ñoäng nhö Diode thöôøng, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra vr = Vz 1 + Vg 2. Khi - (VZ 2 + Vg 1 ) < vi < VZ 1 + Vg 2, luùc naøy thì D1 vaø D2 ñeàu taét , do ñoù ta coù v0 = vi. Khi vi £ - (VZ 2 + Vg 1), D1 hoaït ñoäng nhö Diode thöôøng coøn D2 hoaït ñoäng nhö Diode Zener, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra Þ vo = - (VZ 2 + Vg1). Maïch töông ñöông cho hai tröôøng hôïp Vg 1 Vg2 Vz2 Tröôøng hôïp vi ³ VZ 1 + Vg 2 Tröôøng hôïp vi £ - (VZ 2 + Vg 1) Ñaëc tuyeán vaøo - ra II. MAÏCH XEÙN CHÍNH XAÙC DUØNG OP-AMP Trong maïch xeùn duøng Diode, luoân toàn taïi Vg , do ñoù khi vi £ Vg , thì khoâng thöïc hieän maïch xeùn ñöôïc. Töø ñoù ngöôøi ta ñöa ra khaùi nieäm xeùn chính xaùc duøng 0p-amp lyù töôûng. Chuùng ta cuõng phaân tích nhieàu hình daïng maïch xeùn khaùc nhau, maïch naøy ñöôïc söû duïng cuõng nhaèm vôùi muïc ñích laø caét boû moät phaàn cuûa tín hieäu bieán ñoåi theo thôøi gian hoaëc thay ñoåi möùc DC cuûa noù. Coù theå keát hôïp Diode vôùi Op-amp trong nhöõng hình daïng maïch khaùc nhau. Öu ñieåm cuûa giaûi phaùp naøy laø Diode coù theå hoaït ñoäng gaàn vôùi ñaëc tính lyù töôûng cuûa noù. Maïch xeùn duøng Op-amp ngoaøi nhieäm vuï caét boû nhöõng phaàn khoâng caàn thieát cuûa tín hieäu vaøo maø coøn coù nhieäm vuï khueách ñaïi bieân ñoä tín hieäu vaøo. 1. Daïng Haïn cheá Chính Xaùc: Xeùt daïng tín hieäu vaøo laø daïng soùng sin coù bieân ñoä max laø ±V -V +V Hình 3-18a Hình 3-18b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Ta coù vin = v+ v0 = v- Baùn kyø döông, vin > 0, vin > v0 = 0, ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v’0 = + V, laøm D daãn, ta coù v0 = v’0 - Vg Maø v’0 = G (v+ - v-) = G (vin - v0) v0 = Gvin - G v0 - Vg Þ v0(1+G) = Gvin - Vg Þ v0 = Vì G ® ¥ (thöïc teá coù giaù trò laø 105), do ñoù Þ v0 = vin (Xem nhö ñaàu ñaûo ngaén maïch vôùi ñaàu khoâng ñaûo) Baùn kyø aâm vin < 0, vin < v0 = 0, do vaäy ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v'0 = -V, D ngöng daãn, v0 rôøi khoûi vin, v0 = 0. Ñaëc tuyeán vaøo ra Khi vi > 0 Þ v0 = vin (ñoä doác 1) Khi vi < 0 Þ v0 = 0 Daïng maïch 2 -V +V iA iF Hình 3-19a Hình 3-19b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Baùn kyø döông vi > 0, v+ = 0, do vaäy v- = vi , v+ < v-, taïi ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v1= -V, luùc naøy D1 daãn vaø D2 ngöng daãn, tín hieäu vaøo khoâng ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra, v0 = 0 . Baùn kyø aâm, vi v- , taïi ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v1 = + V, luùc naøy D1 ngöng daãnvaø D2 daãn, do vaäy tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra. Luùc naøy maïch ñöôïc xem nhö daïng maïch khueách ñaïi ñaûo. Vieát phöông trình doøng ñieän nuùt taïi chaân ñaûo, ta coù iA + iF = 0 Û Theo tính chaát cuûa Op-amp thì v+ = v- = 0 Þ (Ñoä doác laø ) Ñaëc tính truyeàn coù daïng nhö sau Khi vi > 0 Þ v0 = 0 Khi vi < 0 Þ v0 = vo RF 0 vi -RA 2. Maïch Xeùn Chính Xaùc Coù Ngöôõng Ñoái vôùi daïng maïch bieán ñoåi daïng soùng naøy, ngöôøi ta duøng nguoàn ñieän aùp DC laøm möùc chuaån ñeå so saùnh vôùi tín hieäu ngoõ vaøo. Tuøy theo caùch noái Diode vaø Op-amp maø cho caùc daïng tín hieäu ra khaùc nhau. Daïng maïch 1 -V +V Hình 3-20a Hình 3-20b: Daïng soùng vaøo - ra Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Ta coù v+ = VDC v_ = vi Khi vi < VDC, töùc laø v- < v+ , ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v’0 = +V, Diode D daãn, tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra, ngoõ ra lieân heä vôùi ngoõ vaøo khoâng ñaûo, Töø ñoù ta coù v0 = vi , theo tính chaát cuûa Op-amp thì v- = v+Þ v0 = vi = VDC Khi vi > VDC , töùc v+ < v- , ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø v’o = - V, D ngöng daãn, ngoõ ra khoâng coøn lieân heä vôùi ngoõ vaøo khoâng ñaûo , do ñoù v0 = vi. Ñaëc tuyeán truyeàn Khi vi > VDC Þ v0 = vi (ñoä doác 1) Khi vi < VDC Þ v0 = VDC vo VDC VDC vi 0 Vg 1 Vz2 Daïng maïch 2 Hình 3-21a Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Maïch naøy laøm vieäc ôû cheá ñoä khueách ñaïi ñaûo. Ta coù , vaø theo tính chaát cuûa Op-amp thì v- = v+ = 0 Khi v0 > Vg 1 + VZ 2, töùc > Vg 1 + Vz 2 Û vin < (Vg 1 + Vz 2), luùc naøy thì D1 hoaït ñoäng nhö Diode thöôøng vaø D2 hoaït ñoäng nhö Diode Zener, do vaäy v0 = Vg 1 + VZ 2 ( laø ñieän aùp so giöõa ñaàu A vôùi ñaàu ñaûo (chính laø ñieåm( mass)). Khi v0 £ Vg 1 + VZ 2, töùc £ Vg1 + Vz 2 Û vin ³ (Vg 1 + Vz 2), luùc naøy D1 ngöng daãn, do ñoù D2 cuõng ngöng daãn. Do vaäy v0 = . Veõ ñaëc tuyeán truyeàn Khi Khi (Ñoää doác ) vo 0 vi Daïng maïch 3 Hình 3-22 Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Daïng naøy cuõng töông töï nhö daïng maïch 2 Ta coù v- = v+ = 0 Khi v0 ³ -(Vg1 + VZ2) , töùc ³ -(Vg1 + VZ 2 ) Û vin £ (Vg1 + VZ 2), luùc naøy D1 vaø D2 ñeàu ngöng daãn, maïch töông ñöông vôùi maïch khueách Do ñoù v0 = Khi v0 (Vg1 + VZ 2), luùc naøy D1 hoaït ñoäng nhö Diode thöôøng, D2 hoaït ñoäng nhö Diode Zener, do ñoù v0 = -(Vg1 + Vz2) laø ñieän aùp so giöõa ñieåm A vôùi ñaàu cöïc aâm ( ñieåm mass) Veõ ñaëc tuyeán vaøo ra Khi Khi (Ñoä doác RF/RA) vo 0 vi -(Vg1 + VZ 2) 3. Maïch Chænh Löu Chính Xaùc Ñaây cuõng laø daïng maïch xeùn chính xaùc duøng Op-amp. Phaàn naøy chæ trình baøy moät soá daïng maïch chænh löu cô baûn. 3.1. Maïch Chænh Löu Baùn Kyø, Ngoõ Ra Ñaûo +V -V Hình 3-23 Xeùt tín hieäu vaøo laø daïng hình sin ÔÛ baùn kyø döông, vv > 0 , töùc v- > 0, ta coù v+ = 0 < v- , do ñoù ngoõ ra cuûa boä khueách ñaïi thuaät toaùn coù möùc ñieän aùp laø –V, laøm D1 phaân cöïc nghòch vaø D2 phaân cöïc thuaän, D1 taét vaø D2 daãn. Trong tröôøng hôïp naøy, maïch töông ñöông vôùi maïch khueách ñaïi ñaûo, ta coù vr = -vv. RF / RA (Ñoä doác - RF / RA). ÔÛ baùn kyø aâm, v- < 0 , vaø luùc naøy v+ < v- , ngoõ ra cuûa Op-amp coù möùc ñieän aùp laø +V , do ñoù D1 daãn vaø D2 ngöng daãn (D1 coù nhieäm vuï ngaén maïch ñieän aùp phaân cöïc ngöôïc cho D2 xuoáng ñaàu ñaûo, xem ñaàu naøy laø mass, vì v+ = v- = 0). Nhö vaäy ñieän aùp ngoõ ra cuûa maïch rôøi khoûi ñieän aùp ngoõ vaøo, vr = 0. Ñaëc tuyeán truyeàn Khi vv > 0 thì vr = -vv. RF / RA Khi vv < 0 thì vr = 0 vr RA 0 vv -RF 3.2 Maïch Chænh Löu Baùn Kyø Coù Nguoàn Ñieän AÙp DC Laøm Möùc Chuaån Sô ñoà maïch ñieän Hình 3-24 Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng Neáu Vref = 0 thì maïch trôû veà tröôøng hôïp (a) Neáu Vref ¹ 0 thì maïch töông ñöông vôùi maïch coäng ñaûo Daïng soùng tín hieäu ngoõ ra bò dòch chuyeån theo truïc vv bôûi nguoàn Vref. Möùc dòch naøy coù moät giôùi haïn nhaát ñònh vaø noù coù theå coäng vaøo hoaëc tröø ñi nguoàn ñieän aùp Vref. Duøng nguyeân lyù xeáp choàng ta tính ñöôïc ñieän aùp taïi ngoõ vaøo ñaûo laø: - Xeùt Vref > 0 Ta coù v+ = 0 , v- = ( RaVref + Rb .vv) * 1/(Ra+Rb) khi v- > 0 Þ vv > -Vref * Ra / Rb, töùc v- > v+ , luùc naøy ngoõ ra cuûa Op-amp coù ñieän aùp laø –V, laøm D2 phaân cöïc thuaän vaø D1 phaân cöïc nghòch, neân D2 daãn vaø D1 ngöng daãn. Maïch töông ñöông vôùi maïch coäng ñaûo daáu, ñieän aùp ôû ngoõ ra laø: vr = -(vv* RF /Ra + Vref * RF/Rb). Ñieän aùp naøy mang giaù trò aâm Khi v- < 0 Þ vv < -Vref* Ra/Rb, töùc v- < v+ , D2 phaân cöïc thuaän vaø D1 phaân cöïc nghòch, neân D2 taét vaø D1 daãn. Ñieän aùp ngoõ ra cuûa maïch khoâng coøn lieân heä vôùi ñieän aùp ngoõ vaøo, vr = 0. Ñaëc tuyeán truyeàn Khi vv > -Vref * Ra/Rb Þ vr = -(vv * RF /Ra + Vref * RF/Rb). Ñoä doác -RF /Ra. Khi vv < -Vref* Ra/Rb Þ vr = 0. vr -RF/RbVref 0 vv 3.3. Maïch Chænh Löu Chính Xaùc Toaøn Kyø Ñaây laø daïng maïch gheùp song song hai maïch chænh löu baùn kyø vaø moät maïch khueách ñaïi so saùnh. Sô ñoà maïch Opamp 3 Opamp 1 Opamp 2 Hình 3-25 Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng a. Tröôøng hôïp vv > 0 ÔÛ Op- amp 1 coù ngoõ vaøo v+ = 0, v- > 0, do ñoù v+ < v- . Nhö vaäy ngoõ ra cuûa Op-amp 1 coù ñieän aùp laø – V, laøm D2 daãn vaø D1 ngöng daãn, do ñoù tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra v1, ta coù v1 = - vv* RF 1 /RA 1 = - vv. (RF 1 = RA 1). ÔÛ Op- amp 2 coù ngoõ vaøo v+ = 0, v- > 0, do ñoù v+ < v- . Nhö vaäy ngoõ ra cuûa Op-amp 2 coù ñieän aùp laø – V, laøm D2 ngöng daãn vaø D1 daãn, do ñoù ngoõ ra v2 khoâng coøn lieân heä vôùi ñieän aùp ngoõ vaøo, v2 = 0. ÔÛ Op- amp 3 thì coù v- = v1 = - vv ,vaø v+ = v2 = 0. Ta thaáy v+ > v- , luùc naøy maïch hoaït ñoäng töông ñöông vôùi maïch khueách ñaïi ñaûo Ta coù vr = - v1 * RF 3 /RA 3 = vv ( do RF 3 = RA 3). b. Tröôøng hôïp vv < 0 ÔÛ Op- amp 1 coù ngoõ vaøo v+ = 0, v- v- . Nhö vaäy ngoõ ra cuûa Op-amp 1 coù ñieän aùp laø + V, laøm D2 ngöng daãn vaø D1 daãn, do ñoù ngoõ ra v1 khoâng coøn lieân heä vôùi ñieän aùp ngoõ vaøo, v1 = 0. ÔÛ Op- amp 2 coù ngoõ vaøo v+ = 0, v- v- . Nhö vaäy ngoõ ra cuûa Op-amp 2 coù ñieän aùp laø +V, laøm D2 daãn vaø D1 ngöng daãn, do ñoù tín hieäu vaøo ñöôïc truyeàn ñeán ngoõ ra v2, ta coù v2 = - vv * RF 2 /RA 2 = - vv. (RF 2 = RA 2) ÔÛÛ Op- amp 3 thì coù v+ = v2 * RB1/ (RB2 + RB1) = v2.100/(100+100) = = v2 /2 = - vv/2, vaø ta coù ( do RA3 = RF3 vaø v1 = 0) Þ vr – 2 v- = 0 Þ vr = 2 v- Theo tính chaát cuûa Op-amp thì v- = v+Þ vr = 2 v+ = - vv. Ñaëc tuyeán truyeàn Khi vv > 0 thì vr = vv Khi vv < 0 thì vr = - vv vr 0 vv III. MAÏCH HAÏN CHEÁ KHUEÁCH ÑAÏI DUØNG TRANSISTOR Cuõng töông töï Op-amp, ngoaøi nhieäm vuï caét boû nhöõng phaàn khoâng caàn thieát cuûa tín hieäu vaøo, coøn coù nhieäm vuï khueách ñaïi bieân ñoä tín hieäu vaøo. Boä haïn cheá khueách ñaïi duøng Transistor thöôøng maéc kieåu Emitter chung. Khi bieân ñoä tín hieäu ñieàu khieån ñuû lôùn, maïch seõ thöïc hieän vieäc haïn cheá. Maïch naøy haïn cheá caû hai phía: Moät phía coù ñieän aùp ôû möùc cao khi Transistor chuyeån sang cheá ñoä ngaét doøng, moät phía coù ñieän aùp ôû möùc thaáp khi Transistor chuyeån sang cheá ñoä baõo hoøa. Khi Transistor daãn thì moái noái BE coù ñieän aùp laø Vg , khi Transistor daãn baõo hoøa thì moái noái BE coù ñieän aùp laø VBEsat. Khaûo saùt maïch haïn cheá duøng Transistor cô baûn nhö sau: iC iB Hình 3-26 Xeùt tín hieäu vaøo laø daïng hình sin coù bieân ñoä max laø ±V Giaûi thích nguyeân lyù hoaït ñoäng - Khi vv < Vg thì moái noái BE bò phaân cöïc nghòch, Transistor hoaït ñoäng ôû vuøng taét, do ñoù vr = VCC, IC = 0. Khi vv > Vg vaø vv < VBESat (chöa ñaït traïng thaùi baõo hoøa), Transistor laøm nhieäm vuï khueách ñaïi, tín hieäu ngoõ ra coù bieân ñoä lôùn hôn vaø ñaûo pha so vôùi tín hieäu vaøo. Khi vv ³ VBEsat , Transistor chuyeån sang traïng thaùi baõo hoøa, ta coù vr = VCEbh = 0,2(v) Vaø ICsat = Daïng soùng vaøo ra (Khoâng xeùt quaù trình quaù ñoä aûnh höôûng ñeán daïng soùng )