Vô tuyến điện đại cương - Chương 5: Bộ lọc

VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐẠI CƯƠNG TS. Ngô Văn Thanh Viện Vật Lý Hà Nội - 2016 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 2 Tài liệu tham khảo [1] David B. Rutledge, The Electronics of Radio (Cambridge University Press 1999). [2] Dennis L. Eggleston, Basic Electronics for Scientists and Engineers (Cambridge University Press 2011). [3] Jon B. Hagen, Radio-Frequency Electronics: Circuits and Applications (Cambridge University Press 2009). [4] Nguyễn Thúc Huy (1998), Vô tuyến điện tử, NXB KHKT [5] Đỗ Xuân Thụ, Nguyễn Đức Nhuận (1990), Kỹ thuật điện tử, NXB KHKT [6] Phạm Văn Đương (2004), Cơ sỡ kỹ thuật khuếch đại, NXB KHKT Website : Email : nvthanh@iop.vast.ac.vn Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 3 CHƯƠNG 5. BỘ LỌC 1. Bộ lọc hình thang 2. Bảng lọc 3. Một số ví dụ 4. Bộ lọc băng tần 5. Bộ đảo trở kháng Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 4 1. Bộ lọc hình thang  Bộ lọc hình thang (Ladder Filters)  Mạch hình thang bao gồm các phần tử nối tiếp đan xen với các phần tử mạch rẽ.  Bộ lọc âm tần (low-pass):  Các phần tử nối tiếp là cuộn cảm  Các phần tử rẽ nhánh là tụ điện  Ở tần số thấp: • điện kháng của cuộn cảm là bé • điện nạp của tụ điện cũng bé • tín hiệu qua mạch bị tiêu hao không đáng kể  Ở tần số cao : • cuộn cảm có tác dụng như mạch chia điện áp • tụ điện có tác dụng như mạch chia dòng điện • làm giảm công suất truyền đến thiết bị tải.  Bộ lọc cao tần (high-pass):  Các phần tử nối tiếp là tụ điện và các phần tử rẽ nhánh là cuộn cảm C1 C5C3 L2 L4 C2 C4 L3 L5L1 C1 C3 C5 L2 L4 C2 C4 L3 L5L1 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 5 1. Bộ lọc hình thang  Bộ lọc Butterworth  Độ suy hao L  Pi và P là công suất của tín hiệu vào và tín hiệu ra (P là công suất cung cấp cho tải)  fc là tần số ngưỡng ở 3 dB,  n : số phần tử của mạch, hay bậc của bộ lọc.  Trong vùng thông tần, độ suy hao gần như bằng zero,  Bộ lọc Chebyshev (Чебышёв)  Độ suy hao   : kích thước của gợn sóng  C : đa thức Chebyshev bậc n  Người ta thường chỉ dùng đa thức bậc lẻ: n = 1, 3, 5 Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 6 2. Bảng lọc  Filter Tables  Xét mạch có cùng một nguồn và điện trở tải  Chọn điện trở làm đại lượng chuẩn hóa  Bộ lọc Butterworth  Độ điện nạp chuẩn hóa và điện kháng chuẩn hóa tại tần số ngưỡng  i : là chỉ số của thành phần, n : là bậc của bộ lọc Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 7 2. Bảng lọc  Bộ lọc Chebyshev  Xét độ gợn sóng  trong bằng thông có giá trị cực đại từ 0.01 dB – 1 dB  Độ suy hao liên hệ với  :  Đưa vào đại lượng bổ trợ:  Ta có  Xét  = 0.2-dB ta có : Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 8 3. Một số ví dụ  Ví dụ 1  Xét bộ lọc âm tần  trở kháng dây cáp là  tần số ngưỡng (3.0-dB) : 10 MHz  độ suy hao ở tần số 20 MHz là 20 dB  Suy ra n = 4, vì L(20MHz) = 6n = 24  Điện kháng chuẩn hóa của cuộn cảm đầu tiên  Điện kháng thực tế  Độ tự cảm  Độ điện nạp chuẩn hóa của tụ điện mạch rẽ  Độ điện nạp thực tế (siemen)  Điện dung Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 9 3. Một số ví dụ  Ví dụ 2  Xét bộ lọc cao tần  tần số ngưỡng (3.0-dB) : 10 MHz  độ suy hao ở tần số 5 MHz là 20 dB  Ta có: Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 10 4. Bộ lọc băng tần  Band-pass filter  Các thành phần là mạch cộng hưởng nối tiếp kết hợp với mạch cộng hưởng song song  Xét bộ lọc Butterworth bậc 2  Bộ lọc băng tần với tần số  Độ tự cảm:  Điện dung của tụ điện để cộng hưởng :  Điện kháng chuẩn hóa  Độ rộng của dải tần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 11 4. Bộ lọc băng tần  Band-stop filter  Xét bộ lọc Butterworth bậc 2  Bộ lọc băng tần với tần số  Độ rộng của dải tần  Các phần tử là mạch cộng hưởng song song Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 12 4. Bộ lọc băng tần Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 13 5. Bộ đảo trở kháng  Tinh thể thạch anh  Là một vật liệu quan trọng được ứng dụng nhiều trong mạch điện tử  Cấu tạo: giống như tụ điện • Ở giữa là tấm thạch anh • Trên và dưới là 2 tấm kim loại mỏng tiếp xúc với thạch anh  Ký hiệu  Mạch tương đương  Bao gồm mạch nối tiếp LRC  L : cuộn cảm biến đổi được  C : điện dung biến đổi được  Trong quá trình dao động cơ học  L : tương ứng với mật độ của tinh thể  C : tương ứng với độ cứng của tinh thể  R : tương ứng với độ suy hao  Cp : tụ điện thuần, hình thành bởi 2 tấm kim loại Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 14 5. Bộ đảo trở kháng  Impedance Inverters  Xét mạch lọc âm tần LCL  Trở kháng vào:  Định nghĩa trở kháng chuẩn hóa theo giá trị nghịch đảo của điện kháng X viết lại :  Trở kháng vào chuẩn hóa bằng nghich đảo trở kháng tải chuẩn hóa  Tương tự, độ điện nạp chuẩn hóa bằng trở kháng tải chuẩn hóa Ngô Văn Thanh – Viện Vật lý @ 2016 15 5. Bộ đảo trở kháng  Xét mạch điện bao gồm bộ đảo trở kháng nối với mạch cộng hưởng nối tiếp  Độ điện nạp đầu vào:  Xét mạch nối với mạch cộng hưởng song song  Hai mạch này tương đương nếu  Sự kết hợp của mạch đảo trở kháng và mạch cộng hưởng nối tiếp sẽ tương đương với mạch cộng hưởng song song