Mạch kẹp (clamping circuit)

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 t = 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 3t đến 5t, ở đây ta xét thời gian này là 5t, 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 ±Vm Dạng mạch 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 0v. 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 t1, thời điểm tồn tại xung dương đầu tiên, vv = Vm , 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: t n = C. Rd = 0 Þ biên độ điện áp của tụ là vC = + Vm (tụ nạp đầy tức thời), lúc này vr = vv - vc = Vm - Vm = 0 Thời điểm từ t1 đến t2, thời điểm mà ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , Diode bị phân cực nghịch, D ngưng dẫn, lúc này tụ C phóng điện qua R, có dạng mạch tương đương như hình vẽ. Hình 4-1c Thời hằng phóng điện là t f = C.R , thời gian này rất lớn so với khoảng thời gian từ t1 đến t2 , do vậy tụ C chưa kịp xả mà vẫn còn tích lại một lượng điện áp là vc = Vm. Do vậy, vr = vv - vc = -Vm -Vm = - 2Vm . 2. Mạch Ghim Đỉnh Trên Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch 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 ±Vm.Giả sử cho C = 0,1 m F, VDC = 5v, R = 1000 k W , Vm = 10(v) Ta có f = 1KHz Þ T = Bán kỳ có thời gian là Giải thích nguyên lý hoạt động: Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = Vm = 10v >VDC, Diode D dẫn điện, tụ C được nạp điện qua Diode D với hằng số thời gian t = rd.C » 0, giá trị điện áp mà tụ nạp đầy là: Tacó VDC + Vg + vc = vv Þ vc = vv - Vg - VDC = 10 – 5 = 5(v) Do đó vr = VDC - Vg = 5(v) Thời điểm từ t1 đến t2 thì ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm = -10v , Diode D ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R, với thời hằng phóng điện là tf = C.R = 0,1.10-6 .106 = 0,1(s ) = 10 (ms). Vậy sau 5t thì tụ phóng hết, tức sau 5.10 = 50 (ms), thời gian này lớn gấp 20 lần thời gian từ t1 đến t2 (0,5ms), do vậy vc vẫn giữ mức điện áp là 5v Ta có vr = vR = vv- vc = -10 - 5 = -15v . Nếu đảo cực tính của nguồn VDC 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 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 t1, tồn tại xung dương, vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian là tn = RC, vì R rất lớn nên tn rất lớn, do đótn >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1. Do vậy tụ C gần như không được nạp vc = 0, do đó vr = vv = + Vm. Thời điểm t1 đến t2, ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , Diode dẫn điện, tụ C được nạp qua Diode, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là tn = rd. C » 0, vc = Vm (tụ nạp đầy ngay tức thời), lúc này vr = vv + vc = -Vm +Vm = 0. Thời điểm từ t2 đến t3, ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo vv = + Vm, Diode ngưng dẫn, tụ C xả qua R với hằng số thời gian là tf = C.R. tf rất lớn so với bán kỳ từ t2 đến t3, do vậy tụ C vẫn giữ nguyên mức điện áp là Vm . Mạch tương đương của trường hợp này như sau: Ta có vr = vv + vc = Vm + Vm = 2Vm Nhận xét: Thời điểm từ 0 đến t1 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 t1 trở đi. 4. Mạch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Một Mức Điện Aùp Bất Kỳ Dạng mạch 1 Hình 4-4a Hình 4-4b: Dạng sóng vào - ra Nguồn VDC tạo mức ghim dưới của tín hiệu vào,VDC = 1/2 Vm Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, vv = + Vm , VDC > so với khoảng thời gian từ 0 đến t1 , nên tụ C gần như không được nạp, vc = 0, như vậy vr = vv = + Vm . Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , D dẫn, tụ C được nạp qua D, cực dương của tụ tại điểm A, thời hằng nạp là tn = rd. C » 0, tụ C nạp đầy tức thời, tụ nạp đầy đến giá trị là: Ta có vc + vv = VDC - Vg Þ vc = VDC - vv = VDC + Vm Do đó vr = VDC + Vg = VDC Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, vv = + Vm , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian tf = C R. tf >> so với bán kỳ từ t2 đến t3 do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp vc = VDC + Vm trong khoảng thời gian này. Mạch tương đương của trường hợp này là: Ta có vr = vv + vc = Vm + VDC + Vm = 2 Vm + VDC Thời điểm từ 0 đến t1 ta không xét (cách giải thích như phần II .3) Dạng mạch 2 Hình 4-5a Hình 4-5b: Dạng sóng vào – ra Vz2 = 1/2Vm Vg1= 1/10 Vm Vz2 + Vg 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = + Vm , cả D1 và D2 ngưng dẫn (do VA = + Vm , VB = 0, D1 và D2 bị phân nghịch ), tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian t n = RC , do đó tn >> so với khoảng thời gian từ 0 đến t1, nên tụ C gần như không được nạp, vc = 0, vr = vv= + Vm Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, vv = - Vm , lúc này VB = + Vm , do vậy D1 hoạt động như Diode thường, D2 hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp qua D1 và D2 , điểm A là cực dương của tụ, thời hằng nạp là tn = rd. C » 0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trị lớn nhất mà tụ có thể nạp được là: vc = -vv + VZ2 + Vg 1 = Vm + 3/5Vm = 8/5 Vm Do đó vr = -( VZ2 + Vg 1 ) = -3/5Vm Thời điểm từ t2 đến t3 ngõ vào tồn tại xung dương tiếp theo, vv = + Vm , Diode ngưng dẫn, tụ C phóng điện qua R với hằng số thời gian t f = CR. t f >> so với bán kỳ từ t2 đến t3 , do vậy tụ C vẫn cố định mức điện áp là vc = 8/5 Vm Ta có vr = vv + vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm 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 Vg ( Vg = 0) 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, vng , 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 ±Vm . Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương vv = + Vm , Diode dẫn, tụ C được nạp qua Rng và rd với thời hằng nạp của tụ là tn = C.(Rng + rd) Giả sử Rng và R >> rd Tụ nạp theo quy luật hàm mũ với giá trị điện áp được nạp là vc = Vm (1-e-t /t n), giá trị này tăng dần, do đó điện áp ra được lấy trên điện trở rd giảm dần cũng theo quy luật hàm mũ. Mạch tương đương ở trường hợp này như sau: in Ta có vAB = Vm . e-t/t n Biên độ max là Tại t = 0 Þ vr = Vm Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào không tồn tại xung, vng = 0, Diode ngưng dẫn (do điện áp trên tụ C phân cực ngược). Tụ C phóng điện qua Rng và R với hằng số thời gian là tf = C.(R+Rng). 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: g g vc(t) đóng vai trò là nguồn cung cấp cho mạch. Điện áp của tụ ở quá trình này có dạng như sau:vc(t) = Vm . e-t/t f vAB = Vm (1 - e-t/ t f) Do đó , tại t = 0, vr = 0 Biên độ max là Nhận xét:s Thời hằng phóng tf > tn, 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 ). 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 rd 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. 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 tn = C (rd + Rng) Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là tf = C (R + Rng), vì R >> rd , do đó tf >> tn, 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 DQn là. Ta có Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng , do đó điện tích trên tụ sẽ giảm một lượng DQf là: Ta có S1, S2 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: S1 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 Khảo sát dạch như sau: 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 vng 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 vng cấp vào, thì mạch tương đương ở ngõ vào của Transistor như sau: vng có biên độ max là ± Vm. Dạng sóng vào ra của mạch này hoàn toàn giống với hình 4- 6 b. Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm có xung dương đưa vào cực B, thì mối nối BE phân cực thuận, tụ C nạp điện thông qua Rngvà rdBE với thời hằng Khi diode dẫn tụ, tụ C sẽ nạp điện với hằng số thời gian là tn = C (Rng + rdBE). Giá trị điện áp tụ được nạp theo quy luật hàm mũ là: vc = Vm (1 - e-t/t n) Khi có vB thì Transistor dẫn ở chế độ bão hòa, dòng ic tăng, vCE = VCEsat = 0,2(v) , vr = VCEsat = 0,2 (V). Do ở bán kỳ dương, dạng sóng ở cực B có dạng như xung gai nhọn dương, do đó ngõ ra ở cực C có dạng gai nhọn âm. Thời điểm có xung âm đưa vào cực B thì mối nối BE bị phân cực nghịch, ta có mạch tương đương trong trường hợp này là g i g Tụ C xả điện qua RB và Rng với hằng số thời gian là tf = C(RB + Rng). Điện áp của tụ ở quá trình này được tính như sau: vc = Vm.e-t/t f vAB = - vc + vng = - Vm.e-t/t f - Vm = - Vm ( 1- e-t/t f). Với vng = - Vm Ta có vB = iRB + VCC = .RB + VCC = - Ta thấy vB có giá trị âm, Transistor ngưng dẫn, do đó ic = 0, vCE » Vcc vr = vCE = Vcc Hình4-8b: Dạng sóng vào ra 2. Mạch Kẹp Dùng Khóa CE Tải Là Tụ C Khi ghép các tầng với nhau, thì ngõ vào của tầng sau tồn tại điện dung song song với tải của tầng trước, điện dung này xem như là tải của tầng trước. Khảo sát dạng mạch CE như sau: Tụ C là điện dung của tầng sau Transistor phải được phân cực phù hợp để hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt. I Ic i1 Hình 4-9a Hình 4-9b: Dạng sóng vào ra Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, vv = Vm , Transistor đang bão hòa vr = VCEbh = 0,1(v) I = Ic = , lúc này tụ C không có dòng qua. Thời điểm từ t1 đến t2, mối nối BE không được phân cực, Trasistor tắt, tụ C nạp điện qua Rc với hằng số thời gian là tn = Rc.C (Thời gian nạp đầy chậm, do Rc lớn). Điện áp ra là vr = vc = Vcc ( 1- e-t/t n) Thời điểm t = t+2 (bên phải t2), vì vv tăng đột ngột nên vB > VBEsar , do vậy IB = Do mạch đang chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái bão hòa ( trải qua vùng khuếch đại) và tụ C phóng điện qua mối nối CE nên Ic = b IB = I’0 Và ta có IC = I + i1Û Mà i1 = VCEsat » 0 Þ vr = VCC – I’0 Rc + I’0 R Tụ phóng điện với hằng số thời gian tf = C. rCEsat , thời gian này nhỏ nên tụ xả nhanh từ t2 đến t3, thời điểm từ t3 đến t4 là tụ đã xả hết vr = VCEsat = 0,1(v). Nhận xét: Xung ra có sườn lên bị méo dạng nhiều hơn sườn xuống do tn >> tf (Rc thường >> rCEsat) Để cải thiện nhược điểm này, người ta dùng mạch xén ở hai mức độc lập nối song song với tụ C. Dạng mạch vc1 Hình 4-10a Hình 4-10b: Dạng sóng vào ra Với V1 < V2 Khi vr1 < V2, D2 dẫn và D1 tắt, vr = v2 Khi v2 < Vr 1 < v1, D1 và D2 ngưng dẫn, vr = vr1 Khi vr1 > V1, D1 dẫn và D2 tắt, vr = v1 3. Mạch Kẹp Dùng Khóa CC, Tải Là Tụ C Dạng mạch này mắc theo dạng C chung, tải là tụ C được mắc vào cực E của Transistor, tín hiệu ngõ ra ở cực E cùng pha với tín hiệu ngõ vào. Cũng tương tự như mạch dùng khóa CE, phải phân cực cho Transistor hoạt động ở chế độ bão hòa và chế độ tắt. Dạng mạch Hình 4-11a Hình 4-11b: Dạng sóng vào ra Giải thích nguyên lý hoạt động Thời điểm từ 0 đến t1, ngõ vào tồn tại xung dương, vv = Vm, mối nối BE được phân cực thuận, Transistor hoạt động bão hòa, ta có Vcc = VCEsat + VRE » VRE Lúc này tụ C được nạp, có dòng nạp là in , với hằng số thời gian là tn = C. rCEsat, giá trị điện áp của tụ được nạp là vc = VCC( 1- et/t n), ta có vr = vc . Thời điểm từ t1 đến t2, mối nối BE không được phân cực, Transistor ngưng dẫn, mạch tương đương lúc này là Tụ C phóng điện qua điện trở RE với thời hằng là tf = RE.C , thời gian này rất lớn nên tụ xả hết rất chậm. Giá trị điện áp của tụ phóng là vc = VCC . e-t/t f, vr = vc Vì tf >> tn nên sườn xuống bị méo dạng nhiều hơn sườn lên. Để cải thiện nhược điểm này, người ta dùng hai Transistor mắc phụ nhau: Dạng mạch Hình 4-12a Hình 4-12b: Dạng sóng vào ra Giải thích Khi vv tăng, ứng với thời gian tồn tại xung dương, mối nối BE của Q1 phân cực thuận và Q2 phân cực nghịch, nên Q1 dẫn và Q2 ngưng dẫn, tụ C được nạp điện từ nguồn Vcc thông qua mối nối CE của Q1, thời hằng nạp là tn = C.rCEsat.. Giá trị điện áp mà tụ C nạp là: vc = Vm ( 1- e-t/t n), điện áp ngõ ra có giá trị là: vr = vc = Vm ( 1- e-t/t n). Khi vv giảm, ứng với thời gian không tồn tại xung dương, mối nối BE của Q1 không được phân cực thuận, Q1 tắt. Khi đó BE của Q2 được phân cực thuận bởi điện áp tích trữ trong tụ, Q2 dẫn bão hòa. Lúc này, tụ C phóng điện qua mối nối CE của Q2 với thời hằng là tf = C.rCesat . Giá trị điện áp do tụ C xả có dạng hàm mũ như sau: vc = Vm.e-t / t f. Nhận xét: Dạng sóng ra ít phụ thuộc vào Rt (nếu Rt >> rCE) Do tn và tf rất nhỏ, nên thời gian nạp và phóng của tụ rất nhanh, gần như là tức thới, do vậy sườn lên và sườn xuống ít bị méo dạng Tóm lại, nhược điểm của mạch ghim điện áp là có thể được sử dụng chỉ khi giá trị điện áp ngõ vào phù hợp với mức chuẩn , là loại mạch cung cấp giá trị biên độ hoặc là tối thiểu hoặc là tối đa.