Bài giảng Kỹ thuật xung - Chương 5: Mạch kẹp

ïch Ghim Đỉnh Dưới Của Tín Hiệu Ở Mức Điện áp Bất Kỳ 
Dạng mạch 1 
Hình 5.6 
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 < Vm, 
Diode D ngưng dẫn, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τn = RC, do τn 
rất lớn so với khoảng thời gian từ 0 đến t1 , nên tụ C gần như không được 
nạp, vc = 0, như vậy Vra = 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 τn = rd. C ≈ 0, tụ C 
nạp đầy tức thời 
Ta có Vc + Vv = VDC - Vγ 
tụ nạp đầy đến giá trị là 
vc = VDC - vv = VDC + Vm 
Do đó Vra = VDC + Vγ = VDC 
C
Vdc
D
1
2
R VraVv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 79 
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 τf = CR. τf 
rất lớn 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: 
Hình 5.7 
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 5.8 
Vz2 = 1/2Vm 
Vγ1= 1/10 Vm 
Vz2 + Vγ 1 = (1/2 + 1/10)Vm = 3/5Vm 
Vc=Vm + Vdc
V R Vra
D1
D2
VraVv R
C
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 80 
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, tụ C được nạp qua R với hằng số thời gian τ n = RC , do τn rất lớn 
so với khoảng thời gian từ 0 đến t1, nên tụ C gần như không được nạp 
Vc = 0, Vra = Vv = + Vm 
Thời điểm từ t1 đến t2 ngõ vào tồn tại xung âm, Vv = - Vm , lúc này D1 hoạt 
động như Diode thường, D2 hoạt động như Diode Zenner. Tụ C được nạp 
qua D1 và D2 , thời hằng nạp là τn = rd. C ≈ 0, tụ C nạp đầy tức thời, giá trị 
lớn nhất mà tụ có thể nạp được là: 
 Vc = -Vv + VZ2 + Vγ 1 = Vm + 3/5Vm = 8/5 Vm 
Do đó Vra = -(VZ2 + Vγ 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 τ f = CR. Do 
τf rất lớn 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 Vra = Vv + Vc = Vm+ 8/5 Vm = 13/5 Vm 
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 Vγ ( Vγ = 0) 
Hình 5.9 
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 
C
R
D 
Rng 
Vng 
Vra
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 81 
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 
τn = 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 /τ 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: 
Hình 5.10 
Ta có VAB = Vm e-t/τ n 
nt
m
ngd
d
ngd
d
ABra eVRr
r
Rr
r
vv τ/.. −+=+= 
Biên độ max là mm
ngd
d VV
Rr
r <+ . 
 Tại t = 0 ⇒ vr = Vm 
ngd
d
Rr
r
+ 
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 τf = 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. 
B
Vra
AC
Vng
Rd
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 82 
Mạch tương đương ở trường hợp này là 
Hình 5.11 
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/τ f 
VAB = Vm (1 – e-t/ τ f) 
Do đó )1.( / ftm
ng
AB
ng
ra eVRR
Rv
RR
Rv τ−−+
−=+= , tại t = 0, vr = 0 
Biên độ max là m
ng
m VRR
RV <+. 
Nhận xét 
Thời hằng phóng τf > τn, 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 
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
rv +. , 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. 
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 τn = C(rd + Rng) 
B
Vra
AC
Vng
R
Rng
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 83 
Khi Diode tắt, tụ C sẽ phóng điện với hằng số thời gian là τf = C(R + Rng) 
vì R >> rd , do đó τf >> τn, 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
vi = , do đó điện tích 
trên tụ tăng lên một lượng ΔQn là. 
d
t
t
r
d
t
t
nn r
sdtv
r
dtiQ 1
2
1
2
1
1 ===Δ ∫∫ 
Trong thời gian phóng điện, qua tụ C sẽ có dòng 
R
vi rf = , do đó điện tích trên 
tụ sẽ giảm một lượng ΔQf là: 
R
sdtv
R
dt
R
vdtiQ
t
t
r
t
t
r
t
t
ff
2
3
2
3
2
3
2
1 ====Δ ∫∫∫ 
S1, S2 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: 
R
s
r
sQQ
d
fn
21 =⇔Δ=Δ 
S1 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 84 
Ở đây không đi sâu quá vào phần phân tích định lượng mà chỉ giới thiệu ảnh 
hưởng của rd và Rng 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 
Vng 
VB 
VC 
VCEbh 
Bão 
hòa 
C(RB + Rng)
C(rd + Rng) 
Rng C
Rb Rc
VcVng
Vcc
Rng
Rb
Vb
C
Vng Dbe
Hình 5.14 
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 85 
Bài tập chương 4 
1 Cho mạch như Hình 1A và Hình 1B. Biết VVVV Z 6,3,7,0 ==γ , các giá trị RC 
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp 
Vẽ dạng sóng ngõ ra khi 
a. rD = 0 
b. rD = 20Ω , 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 trị RC 
thỏa mãn điều kiện mạch kẹp 
Vẽ dạng sóng ngõ ra khi 
a. rD = 0 
b. rD = 20Ω , 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 Rt 
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở 
chế độ chuyển mạch 
+10V 
-10V 
t 
Vin(t) 
0 
Vin(t) VoutA(t) 
Hình 3A 
C
R
1,5V 
Hình 3B 
R 
C Vin(t) VoutB(t)
+10V 
-10V 
t 
Vin(t) 
0 
Vin(t) VoutA(t) 
Hình 3A
C
R
3V
Hình 3B 
R 
C Vin(t) VoutB(t)
2V
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 86 
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. rD = 0 
b. rD 0≠ 
5. Xét mạch sau, với C là điện dung ngõ vào của tầng kế, nối song song Rt 
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(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 Rt 
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở 
chế độ chuyển mạch 
Rb
C
Vcc
Vra = Vce
Rc
Vv
Vm 
-Vm 
t 
Vin(t) 
0 
Vra
V2 V1
C
Vcc
Vm 
-Vm 
t 
Vin(t) 
0 Vra
Re
Rb
C
Vcc
Vv
Bài giảng Kỹ thuật Xung Chương 5 
GV: Nguyễn Trọng Hải Trang 87 
7. Xét mạch sau, với L là điện cảm ngõ vào của tầng kế (relay), nối song song Rt 
Giải thích hoạt động và vẽ dạng sóng vB(t) và VRA(t), giả sử BJT hoạt động ở 
chế độ chuyển mạch 
Vm 
-Vm 
t
Vin(t) 
0 
T2 CRt
Vra
Vcc
Vv
Rb T1
Vm 
-Vm 
t
Vin(t) 
0 
Vra
Vcc
L R 
Rb
Rc
Vv