CHƯƠNG 3 MẠCH XÉN (CLIPPING CIRCUIT) I. KHÁI NIỆM Trong những hệ thống dạng sóng cho ra tuyến tính, thì khi một tín hiệu dạng sin tác động ở ngõ vào thì ngõ ra không bị biến dạng. Ở những hệ thống này, các linh kiện được dùng là những phần tử tuyến tính. Đối với những phần tử không tuyến tính (phi tuyến ) là do đặc tuyến Volt-Ampere của nó không tuyến tính (không thuộc loại đường thẳng ). Những đặc tính không tuyến tính được áp dụng trong việc biến đổi hình dạng sóng ngõ vào. Dạng sóng này thì hữu dụng trong những ứng dụng vào lĩnh vực kỹ thuật xung. 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 : Dạng mạch 1 v v v r D R Hình 3-1a Hình 3-1b: 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, anode của D dương hơn cathode, D dẫn, dòng điện chạy xuyên qua Rvà D , do đó v r = v  = 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) 1 v v v r 0 Dạng mạch 2 v v v r D + 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, làmD phân cực thuận, D dẫn, do đó v r = V DC + V  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 Dạng mạch 3 B C A v v v r + Vdc D R 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 + V  -V DC . [...]... V  -vv + VDC = -V + VDC = -( V - VDC) -Thời điểm từ t3 đến t4 tương tự thời điểm từ t1 đến t2, vr = 0 -Thời điểm từ t4 đến t5 lặp lại bán kỳ dương từ 0 đến t1, vr = 0 vr Vẽ đặc tuyến vào ra VDC -VDC Khi vv > - VDC  vr = 0 vv 0 Khi vv < - VDC  vr = -vv + VDC A vv + Dạng mạch 3 C D Vdc R vr B Hình 3- 1 2a Hình 3- 1 2b: Dạng sóng vào – ra Ngưỡng VDC = 1/2V Giải thích nguyên lý hoạt động -Khi vv = 0, D được... ngưng dẫn, do đó vr = vV -Thời điểm từ t1 đến t2, vv < 0, tức vBA > 0 và trong khoảng thời gian này thì vBA < VDC , ta có vCA = vBA -VDC < 0  D phân cực nghịch  D ngưng dẫn, do đó vr = vV - Thời điểm từ t2 đến t3, vv < 0, tức vBA > 0 và trong khoảng thời gian này vBA > VDC , ta có vCA = vBA -VDC > 0  D phân cực thuận  D dẫn, do đó vr = -VDC - V = -VDC -Thời điểm từ t3 đến t4 tương tự thời điểm... vào, vr = vv -Thời điểm từ t3 đến t4 tương tự thời điểm từ t1 đến t2, vr = VDC -Thời điểm từ t4 đến t5 tương tự thời điểm từ 0 đến t1, vr = VDC Vẽ đặc tuyến vào –ra Khi vv < -VDC thì vr = vv Khi vv > -VDC thì vr = -VDC 1.2 Mạch Xén Âm Xét tín hiệu ngõ vào là dạng sóng sin có biên độ max là V Dạng mạch 1 R v v D v r Hình 3- 4 a Hình 3- 4 b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên lý hoạt động -Bán kỳ dương... điểm từ t2 đến t3 tương tự thời điểm từ 0 đến t1 -Thời điểm từ t3 đến t4, vv < 0 tức VB > 0 cùng với nguồn VDC đặt cực dương vào cathode của D  D phân cực nghịch  D ngưng dẫn, vr = 0 -Thời điểm từ t4 đến t7, tương tự thời điểm từ 0 đến t3 (lặp lại chu kỳ mới ) Vẽ đặc tuyến vào ra Khi vv > VDC  vr = vv - VDC Khi vv < VDC  vr = 0 Dạng mạch 3 A Vdc C D + vv R v r B Hình 3- 9 a Hình 3- 9 b: Dạng sóng... ngõ vào, vr = vv -Bán kỳ âm( thời điểm từ t1 đến t2) của tín hiệu ngõ vào, vv < 0, anode của D dương hơn cathode, Diode dẫn, có dòng chạy qua D và R, vr = -V  0 -Thời điểm từ t2 đến t3 lặp lại chu kỳ mới Đặc tuyến vào –ra Khi vv > 0 thì vr = vv (độ dốc1) Khi vv < 0 thì vr = 0 Dạng mạch 2 A R v v v r D C + B Vdc Hình 3- 5 a Hình 3- 5 b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên lý hoạt động -Thời điểm từ 0... động - Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t1) của tín hiệu vào vv , vv > 0, anode của D dương hơn cathode  D dẫn  tín hiệu vào được truyền đến đầu ra, vr = vv - V  vv -Thời điểm từ t2 đến t3 lặp lại chu kỳ mới Vẽ đặc tuyến vào ra Khi vv > 0  vr = vv (độ dốc 1) Khi vv < 0  vr = 0 + Dạng mạch 2 vv A Vdc B D R Hình 3- 8 a vr Hình 3- 8 b: Dạng sóng vào - ra Ngưỡng VDC = V Giải thích nguyên lý hoạt động -. .. đến t2 , vr = vv -Thời điểm từ t4 đến t5 tương tự thời điểm từ 0 đến t1 , vr = vv Vẽ đặc tuyến vào - ra Khi vv > - VDC  vr = vv Khi vv < - VDC  vr = - VDC 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 D Hình 3- 7 a R v r Hình 3- 7 b: Dạng sóng vào... > 0 và trong khoảng thời gian này vv < VDC  tại anode D có điện áp là VA = vv - VDC < 0  D phân cực nghịch  D ngưng dẫn, vr = i R = 0 (không có dòng qua D và R, i = 0) -Thời điểm từ t1 đến t2, vv > 0 và trong khoảng thời gian này vv > VDC  tại anode D có điện áp là VA = vv - VDC > 0  D phân cực thuận  D dẫn, do đó ta có vr = vv - VDC - V  vv - VDC (tín hiệu vào được truyền đến đầu ra) -Thời... vào được truyền đến ngõ, vr = vv - VDC = - VDC -Thời điểm từ 0 đến t1, vv > 0, tức VA > 0 và trong khoảng thời gian này thì VA < VDC, tại cathode của D có điện áp là VC = VA VDC < 0, do đó D được phân cực thuận, D dẫn, nên ta có vr = vv - VDC + V  vv -VDC -Thời điểm từ t1 đến t2, vv < 0, tức VA > 0 và trong khoảng thời gian này VA > VDC , cathode có điện áp là VC = VA - VDC > 0, do dó D bị phân cực... vào anode của D, Diode phân cực thuận càng mạnh, D dẫn mạnh , do đó vr = VDC –V = VDC -Thời điểm từ t4 đến t7 tương tự thời điểm từ 0 đến t3 (lặp lại chu kỳ đầu) Vẽ đặc tuyến vào – ra Khi vv > VDC thì vr = vv (độ dốc 1) Khi vv < VDC thì vr = VDC Dạng mạch 3 A R vv v r D Vdc + B Hình 3- 6 a C Hình 3- 6 b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, vv > 0, tức vAB > 0  cực dương . < V DC thì v r = v v Dạng mạch 3 B C A v v v r + Vdc D R Hình 3- 3 a Hình 3- 3 b: 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. 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 v v v r D R Hình 3- 4 a Hình 3- 4 b: Dạng sóng vào - ra Giải thích nguyên. sóng này thì hữu dụng trong những ứng dụng vào lĩnh vực kỹ thuật xung. 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