Ứng dụng Multimedia trong gảng dạy môn kỹ thuật xung - Chương 3 ppsx

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
.
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, điện áp ngõ vào dương, tức V
A
> 0, V
A
cùng với nguồn V
DC
đặt cực dương vào anode, làm phân cực
thuận cho D mạnh hơn, do đó D dẫn mạnh, lúc này v
r
= -V
DC.
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, điện áp ngõ vào âm, tức v
BA
> 0 , và điện

thế tại điểm B nhỏ hơn điện áp nguồn DC, do đó D phân cực
thuận, Diode dẫn, v
r
= -V
DC.
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
, điện áp vào vẫn còn âm, tức v
BA
> 0 và
điện áp tại điểmB lớn hơn điện áp nguồn DC, do đó Diode phân
cực nghịch, D ngưng dẫn , do đó điện áp ra bằng điện áp vào, v
r
= v
v
.
-Thời điểm từ t
3
đến t
4
tương tự thời điểm từ t
1
đến t
2
, v
r
= -
V

DC.
-Thời điểm từ t
4
đến t
5
tương tự thời điểm từ 0 đến t
1
, v
r
= -
V
DC.
Vẽ đặc tuyến vào –ra
Khi v
v
< -V
DC
thì v
r
= 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 3-4a Hình 3-4b: 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, cathode của D dương hơn anode, D ngưng
dẫn, không có dòng chạy qua R và D, do đó điện áp ngõ
ra bằng điện áp ngõ vào, v
r
= v
v
.
-Bán kỳ âm( thời điểm từ t
1
đến t
2
) của tín hiệu ngõ vào,
v
v

< 0, anode của D dương hơn cathode, Diode dẫn, có
dòng chạy qua D và R, v
r
= -V

 0.
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
lặp lại chu kỳ mới.
Đặc tuyến vào –ra
Khi v
v
> 0 thì v
r
= v
v
(độ dốc1)
Khi v
v
< 0 thì v
r
= 0
Dạng mạch 2
r
v
v
v
D

+
Vdc
R
Hình 3-5a Hình 3-5b: Dạng sóng vào - ra
C
A
B
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, điện áp ngõ vào dương, tức v
AB
> 0 và
lúc này điện áp giữa hai điểm A và B nhỏ hơn điện áp nguồn
DC, anode của D có điện áp là V
DC
, còn cathode có điện áp là
V
A
, V
A
< V
DC
, Diode được phân cực thuận, D dẫn, do đó v
r
=
-V

+V
DC

 V
DC
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, điện áp ngõ vào vẫn còn dương, tức v
AB
> 0, lúc này điện áp giữa hai điểm A và B lớn hơn điện áp
nguồn DC, ta có v
CA
= V
DC
- v
AB
< 0, D bị phân cực nghịch,
Diode ngưng dẫn , do đó điện áp ngõ ra bằng điện áp ngõ vào,
v
r
= v
v
.
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
tương tự thời điểm từ 0 đến t
1
, v
r

=
V
DC.
-Thời điểmtừ t
3
đến t
4
, điện áp ngõ vào mang giá trị âm, tức V
B
> 0 và cùng với nguồn áp DC đặt cực dương vào anode của D,
Diode phân cực thuận càng mạnh, D dẫn mạnh , do đó v
r
=
V
DC
–V = V
DC.
-Thời điểm từ t
4
đến t
7
tương tự thời điểm từ 0 đến t
3
(lặp lại
chu kỳ đầu).
Vẽ đặc tuyến vào – ra
Khi v
v
> V
DC

thì v
r
= v
v
(độ dốc 1)
Khi v
v
< V
DC
thì v
r
= V
DC
Dạng mạch 3
r
v
v
v
D
+
Vdc
R
Hình 3-6a Hình 3-6b: Dạng sóng vào - ra
C
A
B
Thời điểm từ 0 đến t
1
, v
v

> 0, tức v
AB
> 0  cực dương của
nguồn V
DC
cùng với cực dương của nguồn v
AB
đặt vào cathode
của D, làm D bị phân cực ngược, D ngưng dẫn, do đó v
r
= v
V
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, v
v
< 0, tức v
BA
> 0 và trong khoảng thời
gian này thì v
BA
< V
DC
, ta có v
CA
= v
BA
-V

DC
< 0  D phân cực
nghịch  D ngưng dẫn, do đó
v
r
= v
V
.
- Thời điểm từ t
2
đến t
3
, v
v
< 0, tức v
BA
> 0 và trong khoảng thời
gian này v
BA
> V
DC
, ta có v
CA
= v
BA
-V
DC
> 0  D phân cực
thuận  D dẫn, do đó v
r

= -V
DC
- V

= -V
DC.
-Thời điểm từ t
3
đến t
4
tương tự thời điểm từ t
1
đến t
2
, v
r
= v
v.
-Thời điểm từ t
4
đến t
5
tương tự thời điểm từ 0 đến t
1
, v
r
= v
v.
Giải thích nguyên lý hoạt động
Vẽ đặc tuyến vào - ra

Khi v
v
> - V
DC
 v
r
= v
v
Khi v
v
< - V
DC
 v
r
= - V
DC
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
r
v
v
v
D
R
Hình 3-7a Hình 3-7b: Dạng sóng vào – ra
Giải thích nguyên lý hoạt động

- Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t
1
) của tín hiệu vào v
v
, v
v
> 0, anode của D dương hơn cathode  D dẫn  tín hiệu vào
được truyền đến đầu ra, v
r
= v
v
- V

 v
v.
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
lặp lại chu kỳ mới.
Vẽ đặc tuyến vào ra
Khi v
v
> 0  v
r
= v
v
(độ dốc 1)
Khi v
v

< 0  v
r
= 0
Dạng mạch 2
r
v
v
v
BA
D
+
Vdc
R
Hình 3-8a Hình 3-8b: Dạng sóng vào - ra
Ngưỡng V
DC
= V
Giải thích nguyên lý hoạt động
- Thời điểm từ 0 đến t
1
, v
v
> 0 và trong khoảng thời gian này v
v
< V
DC
 tại anode D có điện áp là V
A
= v
v

- V
DC
< 0  D phân
cực nghịch  D ngưng dẫn, v
r
= i R = 0 (không có dòng qua D
và R, i = 0).
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, v
v
> 0 và trong khoảng thời gian này v
v
> V
DC
 tại anode D có điện áp là V
A
= v
v
- V
DC
> 0  D phân
cực thuận  D dẫn, do đó ta có v
r
= v
v
- V
DC

- V
 
v
v
- V
DC
(tín
hiệu vào được truyền đến đầu ra).
-Thời điểm từ t
2
đến t
3
tương tự thời điểm từ 0 đến t
1
-Thời điểm từ t
3
đến t
4
, v
v
< 0 tức V
B
> 0 cùng với nguồn V
DC

đặt cực dương vào cathode của D  D phân cực nghịch  D
ngưng dẫn, v
r
= 0 .
-Thời điểm từ t

4
đến t
7
, tương tự thời điểm từ 0 đến t
3
(lặp lại
chu kỳ mới ).
Vẽ đặc tuyến vào ra
Khi v
v
> V
DC
 v
r
= v
v
- V
DC
Khi v
v
< V
DC
 v
r
= 0
Dạng mạch 3
C
B
A
r

v
v
v
D
+
Vdc
R
Hình 3-9a Hình 3-9b: Dạng sóng vào – ra
V
DC
= -1/2V
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Khi v
v
= 0, Diode D được phân cực thuận bởi nguồn V
DC
, D
dẫn, do đó v
r
= v
v
+V
DC
- V

 V
DC.
-Thời điểm từ 0 đến t
1
, điện áp ngõ vào dương , tức v

AB
> 0
cùng với nguồn V
DC
đặt cực dương vào anode của D, D được
phân cực thuận, D dẫn, do đó v
r
= v
v
+V
DC
.
-Thời điểm từ t
1
đến t
2
, điện áp ngõ vào mang giá trị âm, tức
v
BA
> 0 và trong khoảng thời gian này về độ lớn thì v
BA
< V
DC
,
do đó D được phân cực thuận mạnh hơn, D dẫn mạnh, v
r
= v
v
+V
DC

- V

 v
v
+V
DC .
-Thời điểm từ t
2
đến t
3,
điện áp ngõ vào vẫn còn mang giá trị
âm, tức v
BA
> 0 và trong khoảng thời gian này về độ lớn thì v
BA
> V
DC
, do đó D bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, do đó v
r
=
i.R = 0 (không có dòng qua R và D, i = 0).
-Thời điểm từ t
3
đến t
4,
tương tự thời điểm từ t
1
đến t
2
, v

r
= v
v
+V
DC
.
-Thời điểm từ t
4
đến t
5
, tương tự thời điểm từ 0 đến t
1
, v
r
= v
v
+V
DC
.
Vẽ đặc tuyến vào – ra
Khi v
v
> -V
DC
 v
r
= v
v
+V
DC

Khi v
v
< -V
DC
 v
r
= 0
2.2. Mạch Xén Dương
Dạng mạch 1
v
v
v
r
D
R
Hình 2-10a
Hình 3-10b: Dạng sóng vào – ra
Giải thích nguyên lý hoạt động
-Bán kỳ dương (thời điểm từ 0 đến t
1
) của tín hiệu vào, v
v
> 0,
lúc này cathode của D dương hơn anode, D bị phân cực nghịch,
D ngưng dẫn, không có dòng qua D và R, do đó v
r
= i.R = 0 .