Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 10: Mạch xén và mạch so sánh - Võ Kỳ Châu

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Chương 10: Mạch xén và mạch so sánh - Võ Kỳ Châu

1. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 10-1 (a) Đặc tuyến VA của diode được xấp xỉ bằng các đường thẳng; (b) Mạch xén trên dùng diode; (c) Hàm truyền đạt và dạng sóng vào – ra của mạch xén. Hình 10-1(c) vẽ một ngõ vào sin với biên độ đủ lớn để vượt quá điểm gián đoạn. Ta thấy đỉnh dương của tín hiệu ra bị nén lại so với tín hiệu vào. Nếu Rf  R thì tỉ số nén là rất lớn và ngõ ra sẽ có đỉnh dương bị xén ngang tại điện áp VVR + γ . Thông thường VVR  γ , khi đó ta có thể xem điện áp tham khảo của mạch xén là VR . Trong hình 10-2(a), mạch xén đã được hiệu chỉnh bằng cách xoay ngược chiều của diode trong hình 10-1(b). Đặc tuyến truyền đạt lúc này được vẽ trong hình 10-2(b). Trong mạch này, phần dạng sóng dương hơn VVR − γ có thể đi qua mạch mà không bị suy giảm, phần còn lại bị xén. 2/12
2. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn ηVVη re==TT−VVη T (10-2) I0 I Lưu ý là r tỉ lệ nghịch với dòng tĩnh và tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Điện trở động sẽ được nhân với 100 lần khi điện áp thay đổi một lượng ∆V nếu e∆VVη T =102 . Ta đã biết η =1 với Ge, η = 2 với Si, VT = 0.026 V tại nhiệt độ phòng và VT = 0.086 V tại T = 1000 K . ∆=VV2ln10η T = 0.12 V (Ge) (10-3) = 0.24 V (Si) Vùng gián đoạn độc lập với dòng tĩnh. Do đó, tại một dòng I bất kỳ thỏa mãn I  Io (tại một giá trị điện trở bất kỳ), điện trở động được nhân với 100 nếu điện áp giảm một lượng ∆V và điện trở động bị chia bởi 100 nếu điện áp tăng một lượng ∆V được cho bởi biểu thức 10-3. 10-2-2 Đặc tuyến ngược Trong phần này ta sẽ xét ảnh hưởng của đoạn phân cực ngược trên đặc tuyến. Trong một diode lý tưởng, khi bị phân cực ngược, dòng ngược là hằng số. Đối với mạch hình 10-1(b), dòng này sẽ tạo ra một điện áp rơi cố định trên R nhưng vẫn không làm ngõ ra bị suy giảm so với ngõ vào nhiều vì biên độ áp rất nhỏ. Tuy nhiên, đối với một số diode, biên độ của dòng ngược tăng khi điện áp phân cực ngược tăng. Một mô hình tuyến tính từng đoạn của đặc tuyến VA cho các diode này được vẽ trong hình 10-3. Bên phải của điểm gián đoạn, trong vùng phân cực thuận, điện trở của diode là Rf . Bên trái điểm gián đoạn, điện trở của diode là Rr . Hình 10-3 Đặc tuyến diode xấp xỉ tuyến tính từng đoạn. Điểm gián đoạn là VV= γ . Bên phải điểm gián đoạn Rf nhỏ, và bên trái điểm gián đoạn Rr lớn. Trong hình 10-1(c) 10-2(b) ta đã giả sử Rr rất lớn so với R . Nếu điều kiện này không đúng, đặc tuyến truyền đạt của mạch xén phải được hiệu chỉnh lại. Phần đặc tuyến có độ dốc là đơn vị thật ra phải có độ dốc là Rrr()RR+ . Đối với mạch xén, ta thường cần có Rr  R , ví dụ Rr = kR với k là một số lớn. Từ hai biểu thức trên ta có R = RRfr và kRR= rf. 10-2-3 Các mạch xén 4/12
3. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 10-5 (a) Mạch xén diode với ngõ vào xung. (b) Ngõ ra khi bỏ qua điện dung; (c) Ngõ ra khi kể đến điện dung. Nếu diode là lý tưởng và các điện dung có thể bỏ qua, dạng sóng ngõ ra được vẽ trong hình 10- 5(b). Giả sử trạng thái xác lập ứng với ngõ vào là −5 V và ngõ ra là 0 V . Khi ngõ vào đột ngột nâng lên một lượng là 10 V , nếu nội trở của nguồn có thể bỏ qua thì trong mạch sẽ xuất hiện một xung dòng, và điện áp ngõ ra được xác định hoàn toàn bởi giá trị của các tụ. Vì CC21= 4 , chỉ một phần năm điện áp ngõ vào xuất hiện trên C2 ; do đó, ngõ ra sẽ đột ngột nhảy lên 2 V . Điện áp trên diode lúc này là 3 V và phân cực làm cho diode dẫn. Ngõ ra vo sẽ đạt đến giá trị cuối cùng là 5 V với thời hằng τ112=+()CCRf . Tương tự, khi ngõ ra đột ngột rơi xuống một lượng là 10 V , điện áp ngõ ra sẽ đột ngột giảm xuống một lượng là 2 V . Diode lúc này bị phân cực ngược nên tắt và ngõ ra sẽ suy giảm dần về không với thời hằng τ 212=+(CCR) . Dạng sóng kết quả được vẽ trong hình 10-5(c). 10-3 Mạch xén dùng transistor Transistor là linh kiện phi tuyến và có thể được dùng cho mạch xén. Điều này xảy ra khi transistor đi từ vùng tắt vào trong vùng tích cực hoặc khi transistor đi từ vùng tích cực đến vùng bão hòa. Như vậy, nếu tín hiệu ngõ vào thay đổi làm cho một trong hai quá trình này xảy ra, ngõ ra sẽ bị xén. Vì ta mong muốn điện áp ngõ ra của phần không bị xén sẽ giữ nguyên dạng của tín hiệu vào nên ta cần có dòng ngõ vào (không phải điện áp ngõ vào) sẽ có hình dạng của tín hiệu. Lý do là vì trong vùng tích cực, dòng điện có độ thay đổi tuyến tính hơn là điện áp. Do đó, trong các mạch xén dùng transistor cũng như trong các mạch transistor tín hiệu lớn khác, ta sẽ sử dụng mạch lái dòng như hình 10-6. Điện trở R , thường biểu diễn nội trở nguồn hoặc một điện trở cần phải có trong mạch, phải lớn khi so sánh với điện trở ngõ vào của transistor trong vùng tích cực. Dưới các điều kiện này, dòng ngõ vào sẽ có hình dạng rất giống với điện áp vào, ivVRBi=−()γ . Hình 10-6 Mạch xén dùng transistor. 10-3-1 Vùng tắt 6/12
4. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 10-7 Dạng sóng của mạch xén transistor trong hình 10-6. (a) Điện áp vBE khi ngõ vào hàm dốc lái transistor từ vùng tắt đến vùng bão hòa. (b) Dòng base và collector. Độ dốc của dòng base là di 1 dv B = i dt R+ hie dt Do đó dòng base sẽ tăng khi transistor đi sâu vào vùng tích cực và ngay cả chuyển sang vùng bão hòa. Trong vùng tích cực, như hình 10-7(b), dòng collector sẽ có cùng hình dạng với dòng base. Tuy nhiên, trong vùng bão hòa dòng collector sẽ là hằng số và có giá trị là VVCC− CE() sat iICCS=≡ RC Giới hạn này xảy ra khi iIBCS> β . Các dạng sóng kết quả khi transistor đi từ vùng tắt sang vùng tích cực và vào vùng bão hòa được vẽ trong hình 10-8. 8/12
5. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Mạch hình 7-12(a) có thể được dùng để chuyển một sóng sin thành sóng vuông nếu biên độ sóng sin rất lớn khi so sánh với độ chênh lệch mức xén. Hình 10-9 (a) Mạch xén hai diode xén tại hai mức độc lập; (b) Hàm truyền tuyến tính từng đoạn của mạch. Ngõ ra của tín hiệu vào hình sin cũng được vẽ trong hình. 10-5 Mạch so sánh Các mạch phi tuyến mà ta đã dùng để thực hiện mạch xén cũng có thể dùng để thực hiện so sánh. Trong trường hợp này, mạch trở thành một phần tử trong một hệ thống so sánh và thường được gọi là bộ so sánh hay comparator. Một bộ so sánh là một mạch điện có thể xác định khi nào thì một dạng sóng ngõ vào tùy ý đạt tới một mức áp tham khảo cụ thể. Sự khác biệt giữa mạch so sánh và mạch xén đó là mạch so sánh không tái tạo bất kỳ phần nào trên tín hiệu ngõ vào. Mạch diode của hình 10-10 có thể được dùng như bộ so sánh. Ta xét tín hiệu vào là hàm dốc. Ngõ vào này đi qua mức điện áp vViR= tại thời điểm tt= 1 . Ngõ ra duy trì tại mức vVoR= cho đến tt= 1 , sau đó nó nâng lên theo tín hiệu vào. Dạng sóng ngõ ra được vẽ với giả sử là diode có điểm gián đoạn tại điện áp không và điện trở diode thay đổi một cách đột ngột tại điểm gián đoạn từ giá trị vô cùng đến một giá trị điện trở phân cực thuận xác định. Một thiết bị nối đến ngõ ra của bộ so sánh sẽ nhận ra sự vượt ngưỡng khi điện áp ngõ ra của bộ so sánh có giá trị V0 lớn hơn VR . Tuy nhiên mức điện áp ngưỡng chính xác có thể dao động một lượng ∆vo quanh ngưỡng tối ưu vì tuổi thọ của linh kiện, ảnh hưởng của nhiệt độ, Kết quả là sẽ có một sự dao động ∆t quanh thời điểm chính xác mà thiết bị đáp ứng với ngõ ra của bộ so sánh và một sự dao động ∆vi trong điện áp vào tương ứng với ∆t . Lúc này, thiết bị có thể không đáp ứng 10/12
6. Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn Hình 10-11 (a) Minh họa một bộ khuếch đại phía sau một mạch so sánh không cải thiện được độ sắc của bộ so sánh mà chỉ di chuyển điểm gián đoạn; (b) Minh họa sự thay đổi R không thay đổi độ sắc của bộ so sánh mà chỉ di chuyển điểm gián đoạn. 12/12