Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 4 pps

CHƯƠNG 4
MẠCH KẸP (CLAMPING CIRCUIT)
I. KHÁI NIỆM
Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, có thể được
định nghĩa như một mạch giữ cả hai mức của một tín hiệu điện
áp AC đạt đến một mức xác định, mà không bị biến dạng sóng.
Mạch kẹp được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành
phần điện áp DC. Nó dùng để ổn định nền hoặc đỉnh của tín
hiệu xung ở một mức xác định nào đó bằng hoặc khác không.
Dạng sóng điện áp có thể bị dịch một mức, do nguồn điện
áp không phụ thuộc được cộng vào. Mạch kẹp vận hành dịch
mức, nhưng nguồn cộng vào không lớn hơn dạng sóng độc lập.
Lượng dịch phụ thuộc vào dạng sóng hiện thời.
Có hai loại mạch kẹp chính: Mạch kẹp Diode và
Transistor. Dạng này ghim mức biên độ dương hoặc mức biên
độ âm, và cho phép ngõ ra mở rộng chỉ theo một hướng từ mức
chuẩn. Mạch kẹp khóa (đồng bộ), mạch này duy trì ngõ ra tại
một số mức cố định cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và
lú c đó ngõ ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào
.
Trước khi hiểu sự hoạt động của mạch kẹp, đầu tiên cần
phải hiểu kỹ những dạng mạch về sự hoạt động của một mạng
đôi gồm điện trở và tụ điện (mạch RC).
Nguyên lý làm việc của các mạch ghim điện áp dựa trên
việc ứng dụng hiện tượng thiên áp, bằng cách làm cho các hằng
số thời gian phóng và nạp của tụ trong mạch khác hẳn nhau.
II. MẠCH KẸP DÙNG DIODE LÝ TƯỞNG
Loại mạch kẹp đơn giản sử dụng một Diode kết hợp với
mạch RC. Tụ C đóng vai trò là phần tử tích - phóng năng lượng
điện trường, Diode D đóng vai trò là khóa điện tử , còn nguồn
DC tạo mức chuẩn.

Các giá trị R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời
gian  = RC đủ lớn nhằm làm sụt áp qua tụ C không quá lớn
hoặc tụ C không được xả điện nhanh.
Tụ nạp đầy và phóng điện hết trong thời gian 3 đến 5,
ở đây ta xét thời gian này là 5, các Diode được xem là lý tưởng.
1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không
Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là V
m
Dạng mạch
A
r
v
v
v
D
+
C
R
Hình 4-1a Hình 4-1b: Dạng sóng vào ra
Mạch này có chức năng cố định đỉnh trên của tín hiệu ở mức
điện áp là 0
v
. Điện trở R có giá trị lớn, với nhiệm vụ là nhằm
khắc phục nhược điểm: Khi biên độ tín hiệu vào giảm thì mất
khả năng ghim đỉnh trên của tín hiệu vào ở mức không.
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, v
v

= V
m
, Diode D dẫn, tụ C được nạp điện qua Diode (không qua
R, vì điện trở thuận của D rất nhỏ), cực âm của tụ tại điểm A, tụ
nạp với hằng số thời gian là:

n
= C. R
d
= 0  biên độ điện áp của tụ là v
C
= + V
m
(tụ nạp đầy tức thời), lúc này v
r
= v
v
- v
c
= V
m
- V
m
= 0
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm,
v

v
= - V
m
, Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C
phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ.
D
V
+
Vc
+
R
Hình 4-1c
Thời hằng phóng điện là 
f
= C.R , thời gian này rất lớn so với
khoảng thời gian từ t
1
đến t
2 ,
do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn
còn tích lại một lượng điện áp là v
c
= V
m
.
Do vậy, v
r
= v
v
- v

c
= -V
m
-V
m
= - 2V
m .
2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp
Bất Kỳ
Dạng mạch
r
v
v
v
D
+
C
+
Vdc
R
Hình 4-2a Hình 4-2b: Dạng sóng vào -r a
Tín hiệu vào là dạng xung có tần số f = 1 Hz và biên độ
max là V
m
.Giả sử cho C = 0,1  F, V
DC
= 5
v
, R = 1000 k  , V
m

= 10(v)
Ta có f = 1KHz  T =
Bán kỳ có thời gian là
)(1
1
ms
f

)(5.0
2
ms
T

Giải thích nguyên lý hoạt động:
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, ngõ vào tồn tại xung dương v
v
= V
m
=
10
v
>V
DC
, Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D
với hằng số thời gian  = r
d
.C  0, giá trị điện áp mà tụ nạp đầy
là:

Tacó V
DC
+ V

+ v
c
= v
v
 v
c
= v
v
- V

- V
DC
= 10 – 5 = 5(v)
Do đó v
r
= V
DC
- V

= 5(v)
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
thì ngõ vào tồn tại xung âm, v
v

= - V
m
=
-10
v
, Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng
phóng điện là 
f
= C.R = 0,1.10
-6
.10
6
= 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy
sau 5 thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này
lớn gấp 20 lần thời gian từ t
1
đến t
2
(0,5ms), do vậy v
c
vẫn giữ
mức điện áp là 5
v
Ta có v
r
= v
R
= v
v
- v

c
= -10 - 5 = -15v .
Nếu đảo cực tính của nguồn V
DC
thì đỉnh trên ghim ở mức điện
áp là -5(v).
3. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Không
Dạng mạch
r
v
v
v
A
D
+
C
R
Hình 4-3a Hình 4-3b: Dạng sóng vào ra
Mạch này có chức năng cố định đỉnh dưới của tín hiệu ở mức
0(v).
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, tồn tại xung dương, v
v
= + V
m
, Diode
ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là 
n

=
RC, vì R rất lớn nên 
n
rất lớn, do đó
n
>> so với khoảng thời
gian từ 0 đến t
1
. Do vậy tụ C gần như không được nạp v
c
= 0, do
đó v
r
= v
v
= + V
m
.
-Thời điểm t
1
đến t
2,
ngõ vào tồn tại xung âm, v
v
= - V
m ,
Diode
dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, cực dương của tụ tại điểm
A, thời hằng nạp là 
n

= r
d
. C  0, v
c
= V
m
(tụ nạp đầy ngay tức
thời), lúc này v
r
= v
v
+ v
c
= -V
m
+V
m
= 0.
-Thời điểm từ t
2
đến t
3,
ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo v
v
=
+ V
m
, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là 
f
= C.R. 

f
rất lớn so với bán kỳ từ t
2
đến t
3
, do vậy tụ C vẫn giữ
nguyên mức điện áp là V
m
. Mạch tương đương của trường hợp
này như sau:
= Vm
Vm
+
Vc
+
R
Ta có v
r
= v
v
+ v
c
= V
m
+ V
m
= 2V
m
Nhận xét: Thời điểm từ 0 đến t
1

dạng sóng ra có xung
dương không ổn định so với chuỗi xung ra. Do vậy, xung này
không xét đến mà chỉ xét các xung ổn định từ thời điểm t
1
trở
đi.
4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp
Bất Kỳ
Dạng mạch 1
r
v
v
v
A
+
Vdc
D
+
C
R
Hình 4-4a Hình 4-4b: Dạng sóng vào - ra
Nguồn V
DC
tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,V
DC
= 1/2 V
m
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1

, ngõ vào tồn tại xung dương, v
v
= + V
m ,
V
DC
< Vm, Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng
số thời gian 
n
= RC, do 
n
>> so với khoảng thời gian từ 0 đến
t
1
, nên tụ C gần như không được nạp, v
c
= 0, như vậy v
r
= v
v
=
+ V
m .
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào tồn tại xung âm, v
v
= - V

m ,
D
dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời
hằng nạp là 
n
= r
d
. C  0, tụ C nạp đầy tức thời, tụ nạp đầy đến
giá trị là:
Ta có v
c
+ v
v
= V
DC
- V

 v
c
= V
DC
- v
v
= V
DC
+ V
m
Do đó v
r
= V

DC
+ V

= V
DC
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, v
v
= + V
m
, Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số
thời gian 
f
= C R. 
f
>> so với bán kỳ từ t
2
đến t
3
do vậy tụ C
vẫn cố định mức điện áp v
c
= V
DC
+ V
m
trong khoảng thời gian

này.
- Mạch tương đương của trường hợp này là:
Vm
= Vm + Vdc
+
Vc
+
R
Ta có v
r
= v
v
+ v
c
= V
m
+ V
DC
+ V
m
= 2 V
m
+ V
DC
Thời điểm từ 0 đến t
1
ta không xét (cách giải thích như phần II .3)
Dạng mạch 2
B
A

v
v
v
r
D1
+
C
D2
R
Hình 4-5a Hình 4-5b: Dạng sóng vào – ra
V
z2
= 1/2V
m
V
1
= 1/10 V
m
V
z2
+ V
 1
= (1/2 + 1/10)V
m
= 3/5V
m
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, ngõ vào tồn tại xung dương v

v
= + V
m ,
cả
D
1
và D
2
ngưng dẫn (do V
A
= + V
m
, V
B
= 0, D
1
và D
2
bị phân
nghịch ), tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian 
n
= RC ,
do đó 
n
>> so với khoảng thời gian từ 0 đến t
1
, nên tụ C gần
như không được nạp, v
c
= 0, v

r
= v
v
= + V
m
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào tồn tại xung âm, v
v
= - V
m
, lúc
này V
B
= + V
m ,
do vậy D
1
hoạt động như Diode thường, D
2
hoạt
động như Diode Zenner. Tụ C được nạp qua D
1
và D
2
, điểm A
là cực dương của tụ, thời hằng nạp là 
n

= r
d
. C  0, tụ C nạp đầy
tức thời, giá trị lớn nhất mà tụ có thể nạp được là:
v
c
= -v
v
+ V
Z2
+ V
 1
= V
m
+ 3/5V
m
= 8/5 V
m
Do đó v
r
= -( V
Z2
+ V
 1
) = -3/5V
m
-Thời điểm từ t
2
đến t
3

ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, v
v
= + V
m
, Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số
thời gian 
f
= CR. 
f
>> so với bán kỳ từ t
2
đến t
3
, do vậy tụ C
vẫn cố định mức điện áp là v
c
= 8/5 V
m
Ta có v
r
= v
v
+ v
c
= V
m
+ 8/5 V
m
= 13/5 V
m

5. Mạch Ghim Dùng Diode Khi Kể Cả Điện Trở Thuận Của
Diode Và Điện Trở Nguồn.
5.1. Phân Tích Mạch
Xét dạng mạch như hình 4-6, Bỏ qua ảnh hưởng của V

( V

= 0)
v
r
A
+
-
Vng
D
+
C
R
Rng
Hình 4-6a Hình 4-6b: Dạng sóng vào ra
Trước khi đạt trạng thái xác lập, mạch có một giai đoạn
quá độ. Biên độ của nguồn vào, v
ng
, phải đủ lớn để làm tắt hay
mở Diode (Diode khi được phân cực thuận xem như một điện
trở và nguồn vào có nội trở bên trong, do đó cần nguồn vào đủ
lớn để sau khi bỏ qua sụt áp trên các điện trở này vẫn còn tắt
mở được Diode).
Tín hiệu của nguồn vào có dạng xung, biên độ max là V
m

.
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, ngõ vào tồn tại xung dương v
v
= + V
m ,
Diode dẫn, tụ C được nạp qua R
ng
và r
d
với thời hằng nạp của tụ
là 
n
= C.(R
ng
+ r
d
)
Giả sử R
ng
và R >> r
d
Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trị điện áp được
nạp là v
c
= V
m
(1-e

-t / n
), giá trị này tăng dần, do đó điện áp ra
được lấy trên điện trở r
d
giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ.
Mạch tương đương ở trường hợp này như sau:
d
v
r
A
B
+
C
+
-
Vng
r
Rng
Ta có v
AB
= V
m
. e
-t/ n
n
t
m
ngd
d
ngd

d
ABra
eV
Rr
r
Rr
r
vv

/






Biên độ max là
mm
ngd
d
VV
Rr
r


.
Tại t = 0  v
r
= V
m

ngd
d
Rr
r

i
n
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào không tồn tại xung, v
ng
= 0,
Diode ngưng dẫn (do điện áp trên tụ C phân cực ngược). Tụ C
phóng điện qua R
ng
và R với hằng số thời gian là 
f
=
C.(R+R
ng
). Giá trị điện áp của tụ khi xả theo quy luật hàm mũ.
Khi đó, điện áp trên tụ giảm dần còn điện áp ở ngõ ra tăng
dần.
Mạch tương đương ở trường hợp này là:
v
r
A
B

+
C
+
-
Vng
R
Rng
v
c
(t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch.
Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau:
v
c
(t) = V
m .
e
-t/ f
v
AB
= V
m
(1 - e
-t/  f
)
)
1.(
/
f
t
m

ng
AB
ng
ra
eV
RR
R
v
RR
R
v








Do đó , tại t = 0, v
r
= 0
Biên độ max là
m
ng
m
V
RR
R
V 


.
Nhận xét:
Thời hằng phóng 
f
> 
n
, thời gian phóng điện hết của tụ
rất chậm. Do đó trong những bán kỳ âm điện áp của tụ giảm rất
chậm, còn điện áp ngõ ra trên điện trở R tăng rất chậm
( gần như giữ cố định ở mức điện áp max là ).
m
ng
V
RR
R

Ở bán kỳ dương, ngõ ra có biên độ điện áp max giảm dần
ở những bán kỳ dương tiếp sau. Giải thích: khi ở bán kỳ dương,
ngõ ra có biên độ max là , mà ta biết
r
d
là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó biên
đ
ộ
max
ở
m
ỗ
i b

á
n k
ỳ
dương sau l
à
gi
ả
m d
ầ
n.
dng
d
m
rR
r
v

.
5.2. Định Lý Mạch Kẹp
Khi truyền một tín hiệu điện áp có chu kỳ qua tụ phân
cách, tụ sẽ giữ lại thành phần một chiều của tín hiệu, nghĩa là
trong chế độ xác lập tụ điện được nạp điện đến mức mà làm cho
điện áp trên tụ đúng bằng thành phần một chiều của tín hiệu
vào. Do đó nếu điện áp đầu vào là đối xứng, tức là có thành phần
một chiều bằng 0, thì sau một chu kỳ tín hiệu vào điện áp trên tụ
cũng bằng 0.
Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là

n
= C (r

d
+ R
ng
)
Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là

f
= C (R + R
ng
), vì R >> r
d
, do đó 
f
>> 
n
, quá trình nạp của tụ
C nhanh hơn quá trình xả. Do vậy, điện áp trên tụ C dần dần
được tăng lên. Khi đến trạng thái xác lập, điện áp trên tụ C
không tăng nữa. Lúc này lượng điện tích nạp sẽ bằng lượng điện
tích phóng.
Trong thời gian nạp điện, qua tụ C sẽ có dòng nạp , do
đó điện tích trên tụ tăng lên một lượng Q
n
là.
d
t
t
r
d
t

t
nn
r
s
dtv
r
dtiQ
1
2
1
2
1
1


Ta có
Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng , do đó
điện tích trên tụ sẽ giảm một lượng Q
f
là:
Ta có
R
s
dtv
R
dt
R
v
dtiQ
t

t
r
t
t
r
t
t
ff
2
3
2
3
2
3
2
1


S
1
, S
2
là phần điện tích được vẽ trên hình 4-7
Khi đạt đến trạng thái xác lập, ta có điều kiện cân bằng điện
tích là:
R
s
r
s
QQ

d
fn
21

s
1
Hình 4-7
II. MẠCH KẸP DÙNG TRANSISTOR
1. Mạch Kẹp Ở Cực Nền Của Transistor
Dạng mạch này, Transistor được phân cực thích hợp để
rơi vào vùng làm việc ở chế độ bão hòa
v
r
B
C
Vcc
NPN
R
R
Rng
+
C
+
-
Vng
Hình 4-8a
Tín hiệu ngõ ra được sửa dạng, biên độ ngõ ra đảo pha
và lớn hơn biên độ ngõ vào.
Nếu biên độ của nguồn vào v
ng

đủ lớn để làm tắt mởû mối
nối BE của Diode, lúc này thì sẽ hình thành mạch ghim ở cực
nền.
Khi cực B có điện áp nguồn v
ng
cấp vào, thì mạch tương đương ở
ngõ vào của Transistor như sau: