Bài giảng Kỹ thuật xung - Chương 4: Mạch xén, mạch so sánh

yến ) đặc tuyến Volt-Ampere không là đường thẳng. Đặc tính không tuyến 
tính được áp dụng trong việc biến đổi dạng sóng ngõ vào. Dạng sóng này 
rất hữu dụng trong những ứng dụng kỹ thuật xung. 
Một dạng mạch được khảo sát trong chương này mà dạng sóng ra không 
tuyến tính gọi là mạch xén (clipping). Mạch xén cũng được xem tương 
đương như một mạch giới hạn, mạch chọn điện áp, hay mạch chọn biên độ. 
Mạch hạn chế biên độ là mạch mà 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, có đường đặc tính là những đường gãy lý 
tưởng, có một đường nghiêng đi qua hoặc không đi qua gốc tọa độ, một hay 
hai đường 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: vr = 
f(vv). 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 59 
Các dạng đặc tuyến vào –ra có thể có như sau 
Hình 4.1 
Về thực chất mạch xén đóng vai trò như một chuyển mạch điện tử 
(switching). 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 
khuếch đại tín hiệu, 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 VỚI DIODE LÝ TƯỞNG 
Theo cách mắc của Diode, chia mạch xén dùng Diode thành hai loại song 
song và nối tiếp. 
Mạch hạn chế nối tiếp có Diode được mắc nối tiếp với tải 
Mạch hạn chế song song có Diode được nối song song với tải. 
Theo chức năng, mạch xén nối tiếp và song song được chia thành hai loại 
xén âm, xén dương và mạch xén hai phía. 
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 hai phía là cắt bỏ cả thành phần âm và thành phần dương của tín hiệu 
vào một mức nào đó. 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 60 
1. Mạch xén song song 
a. Mạch Xén Dương 
Mạch gồm các phần tử như điện trở R, nguồn VDC, 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 
Hình 4.2 
Dạng mạch 2 
Hình 4.4 
Ngưỡng xén VDC = V 
R 
Vv Vr
Vdc
Vr
Vv
R
B 
A 
C 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 61 
Dạng mạch 3 
Hình 4.6 
b. Mạch Xén Âm 
Xét tín hiệu ngõ vào là dạng sóng sin có biên độ max là ±V 
Dạng mạch 1 
Hình 4.8 
A 
Vv
C 
Vdc
Vr
R 
B 
Vv Vr 
R 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 62 
Dạng mạch 2 
Hình 4.10 
Dạng mạch 3 
Hình 4.12 
R 
Vr 
Vv
Vdc
C 
B 
A 
R 
B 
Vv
VrA 
Vdc
C 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 63 
2. Mạch xén nối tiếp 
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: 
a. Mạch Xén Âm 
Dạng mạch 1 
Hình 4.14 
Dạng mạch 2 
Hình 4.16 
Vv Vr R 
VrR 
Vdc B A 
Vv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 64 
 Dạng mạch 3 
Hình 4.18 
b. Mạch Xén Dương 
Dạng mạch 1 
Hình 4.20 
R Vr
B 
C Vdc
Vv
A 
Vv R Vr
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 65 
Dạng mạch 2 
Hình 4.22 
Dạng mạch 3 
Hình 4.24 
-VDC 
Vv
Vdc
R Vr
B 
C 
A 
C 
B 
R VrVv
A 
Vdc
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 66 
III. MẠCH XÉN VỚI DIODE THỰC TẾ 
Đối với Diode thực tế, khi phân cực thuận thì có dạng tương đương như sau: 
1. Vγ 
Khi Vγ so sánh được với Vv, nhất là với VDC , thì ta phải kể Vγ vào mạch. 
Trường hợp này thường là mạch sử dụng Diode loại Si, có vγ = 0,6V, và 
nguồn VDC bé. 
Khi VDC >> Vγ , thì ta có thể bỏ qua Vγ 
Ta xét dạng mạch mà trong đó Vγ so sánh được với VDC 
Hình 4.26 
Đây là dạng mạch xén song song, có Vv = 8 sinωt 
Nếu VV > Vγ + VDC = 2,6 v , thì Diode dẫn, tín hiệu vào được truyền đến ngõ 
ra , lúc này ta có VR = VDC + Vγ = 2,6 (V). 
Nếu vv < Vγ + VDC = 2,6( v), thì Diode ngưng dẫn, do đó Vr = Vv = 8 sinωt. 
2. rd 
Khi D dẫn thì tồn tại điện trở thuận rd (điện trở động), rd so sánh được với R 
(điện trở tải), lúc đó tín hiệu ra sẽ bị méo không còn sắc sảo nữa. 
Vγ rd A KKA 
Vγ = 0,6 
VDC=2V 
R 
Vv Vr
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 67 
Các dạng méo có thể gặp như sau 
Trường hợp a 
Hình 4.27a 
Trường hợp b 
Hình 4.27b 
Chứng minh 
Xét trường hợp a, mạch tương đương của diode D khi D là Diode thực tế. 
Phân cực thuận 
Phân cực nghịch 
Với giả sử Rng ∞→ hay Rng >> R (điều này phù hợp với thực tế nhất là khi 
diode là loại Si) 
Khi Vv < VDC + Vγ , diode phân cực nghịch, D tắt 
⇒ Vr = Vv hay 1=
v
r
v
v 
Khi Vv ≥ VDC + Vγ , D phân cực thuận ⇒ D dẫn, lúc này 
 I 
 V Io 
ΔI
ΔV
rd = I
V
Δ
Δ 
∞→Δ
Δ=
ng
ng
ng I
V
R
A K
Io
Rng
Vdc
Vr
R 
Vv
Vv
R 
Vdc
Vr
rd Vγ A K
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 68 
Vra = VDC + Vγ + Vr d (*) 
Ta có , Vr d = i. rd 
mà i =
d
DC
d
v
d
DCv
rR
VV
rR
v
rR
VVv
++−+=+
+− 1).(1.)( γγ 
Phương trình (*) ⇒ )().(. rDC
d
d
DC
d
d
vra VVrR
rVV
rR
rvv ++++−+= γ 
⇒ ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+−+++= d
d
DC
d
d
vra rR
r
VV
rR
r
vv 1).(. γ 
⇒ 
d
DC
d
d
vra rR
RVV
rR
r
vv ++++= ).(. γ 
• Nếu rd << R (thì dụ rd = 5Ω , R = 1M) thì 1→⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
+ drR
R thì quan hệ giữa 
điện áp ra và điện áp vào là: 
rDCvra VVR
vv ++= 1. , nếu R lớn thì 01 →
R
, do đó VR = VDC + Vγ 
• Nếu rd có thể so sánh với R (VD rd = 5Ω , R=10Ω ) thì quan hệ vào - ra 
d
DC
d
d
vr rR
RVV
rR
r
vv ++++= ).(. γ = V'r Độ dốc là d
d
rR
r
+ 
Hình 4.28 
 V'r 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 69 
3. Ảnh Hưởng Của Điện Dung Liên Cực Cd 
Giữa hai cực của Diode tồn tại một điện dung liên cực. Điện dung này cũng 
làm dạng sóng ra bị méo. 
Chúng ta khảo sát sự ảnh hưởng của tụ Cd đến dạng sóng ngõ ra. 
Xét dạng mạch sau 
Hình 4.29 
Giải thích hoạt động 
Khi Vv = 5(v) thì D phân cực thuận, D dẫn, do đó tụ Cd và C2 được nạp với 
thời hằng nạp là τ1 = rd (Cd + C2). 
Khi vv = - 5(v) thì D ngưng dẫn ⇒ tụ C2 xả qua R với thời hằng là τ2 = RC2, 
mà τ1 > rd), thời gian xả hết lâu hơn so với thời gian nạp đầy. 
IV. MẠCH XÉN Ở 2 MỨC ĐỘC LẬP 
Mạch này là dạng mạch ghép hai mạch xén song song với nhau. Để thực 
hiện mạch này, ta có thể dùng hai ngưỡng xén VB1, VB2 và kết hợp với hai 
Diode, hoặc có thể dùng hai Diode Zener. Nhiệm vụ của mạch này là loại 
bỏ bớt cả hai thành phần trên và dưới của tín hiệu ngõ vào. 
Khảo sát một số dạng mạch xén ở hai mức độc lập cơ bản như sau: 
Trường hợp không kể 
quá trình quá độ và ảnh 
hưởng của C2 , Cd. 
Trường hợp ảnh 
hưởng của C2 , Cd 
C2
Cd
Rt 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 70 
1. Dạng mạch dùng diode 
Hình 4.30 
Tín hiệu vào là dạng sin có vi = 9 sin ωt, và giả thuyết là Vγ = 0, rd = 0 
(Diode lý tưởng) 
Hình 4.31 
2. Dạng mạch dùng diode zener 
 Hình 4.32 
VB2=4V VB1=3V 
10k R1
VrVv 
D1D25k
Vγ1 
Vγ2 D2
D1
VrVv 
R
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 71 
Hình 4.33 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 4 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 72 
Hình 2 
R1 1K
R2Vin Vout 
Bài tập 
1. Vẽ đặc tuyến vào-ra và dạng sóng ra của mạch sau 
2. Cho mạch sau với 18sininV tω= , 0,7 , 8ZV V V Vγ = = 
Vẽ đặc tuyến vào ra (Vin-Vout) và dạng sóng Vin, Vout 
ứng với 
a). R2 = 0 
b). R2 = 0.5K 
c). R2 = 2.2K 
3. Cho mạch sau với tVin ωsin10= , VVVV Z 3,7,0 ==γ ,rD=0. 
Vẽ đặc tuyến vào-ra và dạng sóng Vin(t) , VOUT(t) ứng với 
a). R2 = 0 
b). R2 = 220 
4. Cho mạch sau với tVin ωsin10= , VVVV Z 3,6,0 ==γ 
Vẽ đặc tuyến vào ra (Vin-Vout) và dạng sóng Vin(t) , 
VOUT(t) ứng với 
a). rD = 0 
b). rD = 0,5K; R=1K 
5. Cho mạch sau. Vẽ các dạng sóng điện áp ngõ ra Vr(t) khi điện áp ngõ vào 
Vin(t) là điện áp khu vực, dạng sin, tần số 50Hz, 220V hiệu dụng, biết các Diode 
bán dẫn và ổn áp đều có Vγ =0,6V ; VZ = 6V 
a). rD = 0 
b). rD = 0,5K 
+16V 
-16V 
1 2 
R
Vr
Vv
Si
4V
C
B
A
1,2K 
Vin Vout
R2
R1 
Hình 2
Vin Vout
R 
Hình 2 
Hình 2A Hình 2B 
VrA(t)
10K 
Vin(t) DZ Vin(t)
10K 
VrB(t)
DZD