Mạch kẹp và mạch tuần hoàn

Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
CHƯƠNG 5.
MẠCH KẸP
I. KHÁI NIỆM
Mạch kẹp hay còn gọi là mạch ghim điện áp, mạch dòch mức DC của tín
hiệu AC đạt đến một mức xác đònh, mà không bò biến dạng sóng. Mạch kẹp
được dựa trên cơ sở như một mạch phục hồi thành phần điện áp DC. Nó
dùng để ổn đònh nền hoặc đỉnh của tín hiệu xung ở một mức xác đònh nào đó
bằng hoặc khác không.
Như vậy mạch sẽ kẹp tín hiệu ở những mức DC khác nhau
Dạng sóng điện áp có thể bò dòch một mức, do nguồn điện áp không phụ
thuộc được cộng vào. Mạch kẹp vận hành dòch mức, nhưng nguồn cộng vào
không lớn hơn dạng sóng độc lập. Lượng dòch phụ thuộc vào dạng sóng hiện
thời.
Mạch kẹp cần có:
Tụ C đóng vai trò phần tử tích năng lượng
Diode D đóng vai trò khóa
Điện trở R
Nguồn DC tạo mức DC
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) duy trì ngõ ra tại
một số mức cố đònh cho đến khi được cung cấp xung đồng bộ và lúc đó ngõ
ra mới được cho phép liên hệ với dạng sóng ngõ vào.
Điều kiện mạch kẹp: Giá trò R và C phải được chọn để hằng số thời gian τ
= RC đủ lớn để sụt áp qua tụ không quá lớn
Trong phần lý thuyết này ta xem tụ nạp đầy sau 3τ
n
và tụ xả hết sau 3τ
x
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.
Trang 73
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
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 trò R và C phải chọn thích hợp, để hằng số thời gian τ = 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 3τ đến 5τ, ở đây các Diode
được xem là lý tưởng.
1. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Mức Không
Dạng mạch
Xét tín hiệu vào là chuỗi xung có biên độ max là ±V
m
Hình 5.1
Đây là mạch kẹp đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp là 0
v
. Điện trở R có
giá trò 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
Trang 74
Vv
C
R
D

Vra
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
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:
τ
n
= CR
d
= 0
⇒ V
C
= +V
m
(tụ nạp đầy tức thời)
lúc này V
r
= V
v
- V
c
= 0
Thời điểm từ t
1

đến t
2
, thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, V
V
= -V
m
,
Diode bò phân cực nghòch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có
dạng mạch tương đương như hình vẽ.
Thời hằng phóng điện là τ
f
= CR , thời gian này rất lớn so với khoảng thời
gian từ t
1
đến t
2 ,
do vậy tụ C chưa kòp 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 Mức Điện p Bất Kỳ
Dạng mạch
Hình 5.3
Trang 75
Vc = V
Vra
R R
V
VV
Vra
Vdc
D
Vv VraR
C
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
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 µ F, V
DC
= 5
v
, R = 1000 k Ω , V
m
= 10(v)
Ta có f = 1KHz ⇒ T =

)(1
1
ms
f
=
Bán kỳ có thời gian là
)(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
τ = r
d
.C ≈ 0
Tacó V
DC
+ V

γ
+ V
C
= V
V
giá trò điện áp mà tụ nạp đầy là:
V
c
= V
v
- V
γ

- V
DC
= 10 – 5 = 5(v)
Do đó V
ra
= V
DC
- V
γ

= 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
τ
f
= CR = 0,1.10
-6
.10
6
= 0,1(s ) = 10 (ms).
Vậy sau 5τ 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
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
Hình 5.4a
Trang 76
D
Vra
C
R
Vv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Hình 5.4b
Mạch này có chức năng cố đònh 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 τ
n
= RC, vì R rất lớn nên τ
n
rất lớn,
do đóτ

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
ra
= 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, thời hằng nạp là τ
n
= r
d
. C ≈ 0, v
c
= V
m

(tụ nạp đầy tức
thời), lúc này V
ra
= 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 τ
f
= C.R. τ
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:
Hình 5.5
Trang 77
V V r aR
V c = V m
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Ta có V
ra
= 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 đònh so với
chuỗi xung ra. Do vậy, xung này không xét đến mà chỉ xét các xung ổn đònh
từ thời điểm t
1
trở đi.
4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Điện áp Bất Kỳ

Dạng mạch 1
Hình 5.6
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 τ
n
= RC, do τ
n
rất lớn so với khoảng thời gian từ 0 đến t
1
, nên tụ C gần như không được
nạp, v
c
= 0, như vậy V
ra
= 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 τ
n
= r
d
. C ≈ 0, tụ C
nạp đầy tức thời
Ta có V
c
+ V
v
= V
DC
- V
γ


tụ nạp đầy đến giá trò là
v

c
= V
DC
- v
v
= V
DC
+ V
m
Trang 78
C
V d c
D
1 2
R V r aV v
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Do đó V
ra
= V
DC
+ V
γ

= 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 τ
f
= CR. τ
f
rất lớn so
với bán kỳ từ t
2
đến t
3
do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp v
c
= V
DC
+ V
m
trong khoảng thời gian này. Mạch tương đương của trường hợp này là:
Hình 5.7
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
Hình 5.8
V
z2
= 1/2V
m
V
γ
1
= 1/10 V
m
V
z2
+ V
γ
1
= (1/2 + 1/10)V
m
= 3/5V
m

Trang 79
Vc=Vm + Vdc
V R Vra
D1
D2
VraVv
R
C
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
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, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τ
n
= RC , do τ
n
rất lớn
so với khoảng thời gian từ 0 đến t
1
, nên tụ C gần như không được nạp
V
c

= 0, V
ra
= V
v
= + V
m
Thời điểm từ t
1
đến t
2
ngõ vào tồn tại xung âm, V
v
= - V
m
, lúc này D
1
hoạt
động như Diode thường, D
2
hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp
qua D
1
và D
2
, thời hằng nạp là τ
n
= r
d
. C ≈ 0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trò
lớn nhất mà tụ có thể nạp được là:

V
c
= -V
v
+ V
Z2
+ V
γ
1
= V
m
+ 3/5V
m
= 8/5 V
m
Do đó V
ra
= -(V
Z2
+ V
γ
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 τ
f
= CR. Do τ
f
rất
lớn so với bán kỳ từ t
2
đến t
3
, do vậy tụ C vẫn cố đònh mức điện áp là
V
c
= 8/5 V
m

Ta có V
ra
= V
v
+ V
c
= V
m
+ 8/5 V
m

= 13/5 V
m
III. MẠCH KẸP DIODE KHI KỂ ĐẾN ĐIỆN TRỞ THUẬN VÀ ĐIỆN TRỞ NGUỒN
1. Phân tích mạch
Xét dạng mạch như hình sau, bỏ qua ảnh hưởng của V
γ

( V
γ

= 0)

Hình 5.9
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
Trang 80
C
R
D
Rng
Vng
Vra
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
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
τ
n
= C.(R
ng
+ r
d
)
Giả sử R
ng
và R >> r
d
Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trò điện áp được nạp là
V
c
= V
m

(1-e
-t /
τ
n
)
giá trò 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:
Hình 5.10
Ta có V
AB
= V
m
e
-t/
τ
n
n
t
m
ngd
d
ngd
d
ABra
eV
Rr
r

Rr
r
vv
τ
/

−
+
=
+
=
Biên độ max là
mm
ngd
d
VV
Rr
r
<
+
.
Tại t = 0 ⇒ v
r
= V
m
ngd
d
Rr
r
+

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 τ
f
= C(R+R
ng
). Giá trò 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.
Trang 81
B
Vra
A
C
Vng
Rd
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Mạch tương đương ở trường hợp này là
Hình 5.11
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/
τ
f
V
AB
= V
m
(1 – e
-t/
τ
f
)
Do đó
)1.(
/
f
t
m
ng
AB
ng
ra
eV
RR
R

v
RR
R
v
τ
−
−
+
−
=
+
=
, tại t = 0, v
r
= 0
Biên độ max là
m
ng
m
V
RR
R
V <
+
.
Nhận xét
Thời hằng phóng τ
f
> τ
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 đònh 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
dng
d
m
rR
r
v
+
.
, mà ta biết r
d
là điện trở động, thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ,
do đó biên độ max ở mỗi bán kỳ dương sau là giảm dần.
2. Đònh 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, nghóa 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.
Trang 82
B
Vra
A
C
Vng
R
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Khi Diode dẫn, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là τ
n
= C(r
d
+ R
ng
)
Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là τ
f
= C(R + R
ng
)
vì R >> r
d
, do đó τ
f
>> τ
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
d
r
n
r
v
i =
, 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
===∆
∫∫
Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng
R
v
i
r
f
=
, do đó điện tích trên
tụ sẽ giảm một lượng ∆Q
f
là:
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 sau
Hình 5.12
Khi đạt đến trạng thái xác lập, ta có điều kiện cân bằng điện tích là:
Trang 83
S
1
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
R
s
r
s
QQ
d
fn

21
=⇔∆=∆
Ở đây không đi sâu quá vào phần phân tích đònh lượng mà chỉ giới thiệu ảnh
hưởng của r
d
và R
ng
trong việc làm méo dạng sóng ra
Việc tính toán chi tiết nên tham khảo sách: Pulse, digital and switching
waveform, tác giả: Jacob Millman và Herbert Taub
IV. MẠCH KẸP CỰC NỀN CỦA BJT
Xét mạch
Hình 5.13
Nếu biên độ tín hiệu đủ lớn để làm tắt mở diode BE, ta có mạch kẹp ở cực
nền. Khi có tín hiệu vào ta có mạch tương đương
Ở chế độ xác lập ta có
Trang 84
V
ng
V
B
V
C
V
CEbh
Bão
hòa
C(R
B
+ R

ng
)
C(r
d
+ R
ng
)
R n g C
R b R c
V c
V n g
V c c
Rng
Rb
Vb
C
Vng Dbe
Hình 5.14
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Bài tập chương 4
1 Cho mạch như Hình 1A và Hình 1B. Biết
VVVV
Z
6,3,7,0 ==
γ
, các giá trò RC
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp
Vẽ dạng sóng ngõ ra khi
a. r
D

= 0
b. r
D
= 20
Ω
, tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%
2. Cho mạch như Hình 03A và Hình 3B. Biết
VVVV
Z
5,6,0 ==
γ
, các giá trò RC
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp
Vẽ dạng sóng ngõ ra khi
a. r
D
= 0
b. r
D
= 20
Ω
, tín hiệu ngõ vào có f=5khz, q=50%
3. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch

Trang 85
+10V
-10V
t
Vin(t)
0
Vin(t)
Vout
A
(t)
Hình 3A
C
R
1,5V
Hình 3B
R
C
Vin(t)
Vout
B
(t)
+10V
-10V
t
Vin(t)
0
Vin(t)
Vout
A
(t)

Hình 3A
C
R
3V
Hình 3B
R
C
Vin(t)
Vout
B
(t)
2V
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
4. Nếu nối ngõ ra của bài 3 với mạch xén như sau, giải thích hoạt động của mạch
và vẽ dạng sóng ngõ ra
Khi
a. r
D
= 0
b. r
D

0
≠
5. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA

(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch
6. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song R
t
Trang 86
R b
C
V c c
V r a = V c e
R c
V v
V
m
-V
m
t
Vin(t)
0
Vra
V2 V1
C
Vcc
V
m
-V
m
t
Vin(t)
0
V r a

R e
R b
C
V c c
V v
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch
7. Xét mạch sau, với L là điện cảm ngõ vào của tầng kế (relay), nối song song R
t
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng v
B
(t) và V
RA
(t), giả sử BJT hoạt động ở
chế độ chuyển mạch
Trang 87
V
m
-V
m
t
Vin(t)
0
T 2
CR t

V r a
V c c
V v
R b T 1
V
m
-V
m
t
Vin(t)
0
Vra
Vcc
L R
Rb
Rc
Vv