Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 11: 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

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 V_Rnào 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 V_R, ta nói là điểm đó được kẹp tại điện áp

V_R, vì điện áp của điểm này sẽ không thể quá sai lệch so với V_R. Mạch diode trong hình 10-2 là

một ví dụ của mạch kẹp như vậy vì ngõ ra bị kẹp tại V_Rbất cứ khi nào ngõ vào vượt quá V_R. 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 v_ivới 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 t = 0. Tụ

tìm dạng sóng ngõ ra v_otrên diode.

C

không mang điện tích tại t = 0. Ta sẽ

1/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

Hình 11-1

(a) Mạch kẹp cơ bản; (b) Tín hiệu vào hình sin được đặt vào tại thời điểm

t = 0; (c) Dạng sóng ngõ ra.

Trong một phần tư chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào tăng từ không đến giá trị tối đa V_m. Diode là lý

tưởng nên áp rơi trên nó là không. Kết quả là trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên, v_A

áp trên tụ tăng theo hình sin, tụ nạp điện thông qua nguồn và diode. Như vậy, lúc này v_olà

không. Tại cuối của khoảng thời gian này áp rơi trên tụ là v_AV_m.

= v_i. Điện

C

=

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 v_A

=V_m, điện áp ngõ ra là v_o= v_i−V_m. 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

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 t t₁, biên độ tín hiệu đột ngột giảm xuống. Vì tụ không

R . Hình 11-2(b) vẽ dạng sóng ngõ ra cho

=

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

2/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

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 t

= t₂.

Nhưng nhờ diode, phần tín hiệu giữa t₂và t₂^'bị kẹp tại 0 V t₂^'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.

Hình 11-2

(a) Mạch kẹp với điện trở xả. (b) Tại t

= t₁, biên độ ngõ vào đột ngột giảm xuống.

Ngõ ra tiến dần đến trạng thái xác lập. (c) Chi tiết của v_otại đỉnh dương đầu tiên.

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 R_Svà một điện trở phân cực thuận cho

diode R_f. Điện trở R_fcó 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 V_γxảy ra tại 0 V

.

Hình 11-3

Mạch kẹp khi tính cả nội trở R_Scủa nguồn.

Trong thời gian dẫn, diode là một điện trở R_f

.

3/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

Như ta sẽ thấy, độ chính xác của mạch tùy thuộc vào điều kiện

R

ꢀ

R_f. Để phân tích mạch ta

có thể vẽ mạch tương đương của mạch này khi cần tính v_onhư 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 R ꢀ R_flà không

đúng thì từ hình 11-4(a), R_fphải được thay bằng hai điện trở

11-4(b), nếu điện trở trong vùng tắt của diode không rất lớn hơn

thay bằng tổ hợp song song của hai điện trở. Trong một số trường hợp, trong mạch thật ra không có

, điện trở này có thể là điện trở phân cực ngược R_rcủa diode.

R

và R_fmắc song song.Trong hình

R

thì điện trở cũng phải được

R

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.

Hình 11-4

Mạch tương đương của hình 11-2 để tính v_o(a) khi diode dẫn, (b) khi

diode không dẫn. Giả sử là R_r

ꢀ

R

ꢀ

R_f.

Giả sử trong mạch hình 11-3, R_S

= R_f=100 Ω, R =10 k, và C =1 µF . Tại t = 0, 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 v_sđi 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

τ = R + R C = 200 µs

(

)

S

f

Vì chu kỳ T = 200 µs nên tại cuối nửa chu kỳ sóng vuông, tại thời điểm t = T 2 , ngõ ra rơi

xuống đến v t = T 2 = 5e^{−T 2τ}= 3 V .

(

)

o

Tại thời điểm này, vì điện áp trên R_flà 3 V nên điện áp trên tụ là 4 V . Tại thời điểm

t = T 2 + , ngõ vào hạ xuống không, diode tắt và ta dùng hình 11-4(b). Trong mạch này, v_A= 4 V

và v_S= 0 , nếu bỏ qua R_Skhi so sánh với

R thì v_o= −4 V như trong hình 11-5. Ngõ ra sau đó lại

bắt đầu suy giảm về không. Tuy nhiên, thời hằng bây giờ là RC =10 k×1 µF=10000 µs , tức là lớn

hơn 100 lần so với T 2 . Do đó độ suy giảm là có thể bỏ qua và không được chỉ ra trong hình.

4/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

Hình 11-5

Ví dụ của quá trình

từ quá độ đến xác

lập trong mạch kẹp.

Vì trong khoảng t = T 2 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 t = 3T 2 là một sự liên tục của phần trong khoảng t = 0 đến t = T 2 . 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 t = 3T 2 thì v_o= 3e^{−1 2}=1.8. 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 R_Ctrong mạch collector được dùng để hạn dòng

trong trường hợp transistor bão hòa.

Hình 11-6

Transistor lái tải cảm.

5/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

Hình 11-7

(a) Ngõ vào của hình 11-6;

(b) Điện áp ngõ ra.

Sau khi transistor nằm trong vùng bão hòa trong một thời gian đủ dài để tất cả quá trình quá độ

⎡

⎤

R_C. Tức thời ngay tại thời điểm transistor

bị suy giảm, cuộn cảm sẽ có dòng I_o

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 , sẽ giảm dần từ I_ovề

=

V_CC

−

V_CE

(

sat)

⎣

⎦

R

không với thời hằng L R . Điện áp ngõ ra được vẽ trong hình 8-24(b) và được cho bởi

Rt L

v_o

=

V_YY

+

I_oRe⁻

(11-1)

Do đó, khi transistor bị lái vào trạng thái tắt, tại collector sẽ xuất hiện một gai dương với biên

độ I_oR xếp chồng lên điện áp nguồn cung cấp. Gai dương này có thể trở nên rất lớn khi lớn.

R

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 t = T₂, cuộn cảm lúc này tức thời hở mạch.

⎡

⎤

Dòng transistor chảy qua

R

là V_CC−V_CE(sat)

R + R

.

(

)

C

⎣

⎦

Đặt I_o^'là dòng transistor tức thời chảy qua transistor tại thời điểm On. Dòng chảy qua

R

sẽ

giảm dần từ I_o^'về không với hằng số thời gian L R', trong đó

R

'

bằng

R

song song với R_C. Ngõ

ra khi t > T₂là

L

v_o=V_YY− I_o^'Re^{−R' t−T}

(11-2)

(

)

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 t = 0 − , khi transistor

bão hoà, điện áp ngõ ra và dòng collector là

6/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

V_CC−V_CE(sat)

v_o=V_CE(sat)và i_C=

≡ I_o

R_C

Các đại lượng này được chỉ ra trong hình 11-8(d). Tại thời điểm t ≥ 0 + , khi mạch đi vào trạng

thái tắt, mạch tương đương được vẽ trong hình 11-8(b). Điện áp collector tăng dần đến V_CCvới thời

hằng R_CC_S

.

Tại thời điểm t = T₂+ , ngõ vào đột ngột nâng lên, chuyển tiếp base – emitter được phân cực

thuận và dòng base là I = V −V R_B. Điện áp collector tại thời điểm này là điện áp V_CCtrên

(

)

B

CC

γ

C

_S. Vì điện áp này phân cực ngược chuyển tiếp collector, transistor làm việc trong vùng tích cực

với dòng collector là I_C≈ β

I_B≡ I_o^'. Mạch tương đương dùng để tính quá trình xả của tụ được vẽ

trong hình 11-8(c), với I_o^'là hằng số. Điện áp ngõ ra bắt đầu từ V_CCvà giảm xuống theo hàm mũ

với thời hằng R_CC_Shướng đến giá trị xác lập V_CC− I_o^'R_C. Khi t ≥ T₂và cho đến khi transistor trở

lại trạng thái bão hoà, ngõ ra là

v_o=V_CC− I_o^'R_C+ I_o^'R_Ce^{− t−T R}^C^C^S

(11-3)

Các điều kiện này được vẽ trong hình 11-8(d), ở đây ta đã chỉ ra là I_o^'> I_ovì I_olà dòng

collector bão hoà nên I_o<

I_Btrong khi đó I_o^'= _B. Do đó I_o^'> I_o. Khi collector giảm xuống

đến _CE(sat), transistor rơi vào trạng thái bão hoà, dòng collector giảm đến giá trị bão hoà I_ovà v_o

giữ tại V_CE(sat)như trong hình 11-8(d). Nếu I_o^'

I_othì v_ogiảm gần như tuyến tính theo thời gian

và thời gian xuống nhỏ hơn nhiều so với thời gian lên.

(

)

2

β

β I

V

ꢀ

7/8

Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ

Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn

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 v_i,

dòng collector i_C, và điện áp ngõ ra v_o.

Trong hình 11-8(d) ta đã ngầm giả sử là thời hằng rất nhỏ khi so với T₂hoặc T₁. Nếu thay vì

vậy ta giả sử R_CC_Srất lớn hơn T₂thì 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.

8/8