Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh

[windy]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh


Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh
http://diendandien.com/dien-dien-tu-...giao-hoan.html
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator)
10-1Mạch xénMạch xén được sử dụng để cho phép chỉ một phần của dạng sóng nằm trên hoặc dưới một mức điện áp tham khảo đi qua. Mạch xén thường được tạo nên từ một trong các dạng sau: (1) một mạch nối tiếp gồm một diode, một điện trở, và một nguồn tham khảo; (2) một mạng gồm vài diode, vài điện trở và vài nguồn tham khảo; (3) một bộ khuếch đại vi sai gồm hai transistor ghép emitter. Một số mạch xén thông dụng sẽ được mô tả trong phần sau.
10-2Mạch xén diode
Trong hình 10-1(a) ta có thể thấy lại đặc tuyến VA xấp xỉ của diode. Đặc tuyến này có một điểm không liên tục trong độ dốc tại điện áp [SUB][/SUB], điểm này được gọi là điểm gián đoạn. Như ta đã biết, điểm gián đoạn xảy ra tại [SUB][/SUB] đối với Ge và [SUB][/SUB] đối với Si. Với đặc tuyến xấp xỉ này ta có thể thấy mạch xén trong hình 10-1(b) sẽ có đặc tuyến truyền đạt như hình 10-1(c). Đặc tuyến truyền đạt vẽ điện áp ngõ ra [SUB][/SUB] như một hàm của áp ngõ vào [SUB][/SUB]. Điểm gián đoạn của đặc tuyến truyền đạt xảy ra tại điện áp [SUB][/SUB]. Phía bên trái điểm gián đoạn (ứng với [SUB][/SUB]) diode bị phân cực ngược (Off). Trong vùng này, tín hiệu [SUB][/SUB] có thể truyền trực tiếp đến ngõ ra vì ngõ ra hở mạch nên áp rơi trên điện trở [SUB][/SUB] là không. Phía bên phải điểm gián đoạn, khi ngõ vào tăng một lượng [SUB][/SUB], ngõ ra sẽ gia tăng một lượng [SUB][/SUB], với [SUB][/SUB] là điện trở phân cực thuận của diode.

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 [SUB][/SUB] thì tỉ số nén là rất lớn và ngõ ra sẽ có đỉnh dương bị xén ngang tại điện áp [SUB][/SUB]. Thông thường [SUB][/SUB], khi đó ta có thể xem điện áp tham khảo của mạch xén là [SUB][/SUB].
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 [SUB][/SUB] có thể đi qua mạch mà không bị suy giảm, phần còn lại bị xén.

10-2-1 Vùng gián đoạn (break region)
Sự xấp xỉ tuyến tính từng đoạn trong hình 10-1(a) cho thấy một sự gián đoạn đột ngột trong độ dốc tại [SUB][/SUB]. Thật ra, diode chuyển từ trạng thái Off sang trạng thái On không đột ngột như vậy. Do đó, một dạng sóng khi được đưa qua một mạch xén sẽ không bị xén một cách đột ngột tại một điểm gián đoạn mà là trong một vùng gián đoạn. Vùng gián đoạn của đặc tuyến là đoạn đặc tuyến đi từ không suy giảm đến suy giảm tín hiệu vào. Bây giờ ta sẽ ước lượng vùng gián đoạn của đặc tuyến.
Biểu thức của diode bán dẫn là [SUB][/SUB].
Trên điểm gián đoạn, dòng [SUB][/SUB] có giá trị lớn khi so sánh với [SUB][/SUB], ta có thể viết
[SUB][/SUB] (10-1)
Vì mạch xén có thực hiện xén hay không là phụ thuộc vào điện trở động của diode là rất lớn hay rất nhỏ so với điện trở [SUB][/SUB], ta định nghĩa một cách tùy ý vùng gián đoạn là vùng trên đó điện trở động của diode bị thay đổi lớn, ví dụ 100 lần. Ta đã biết điện trở động của diode là
[SUB][/SUB] (10-2)
Lưu ý là [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] nếu [SUB][/SUB]. Ta đã biết [SUB][/SUB] với Ge, [SUB][/SUB] với Si, [SUB][/SUB] tại nhiệt độ phòng và [SUB][/SUB] tại [SUB][/SUB].
[SUB][/SUB] (10-3)
Vùng gián đoạn độc lập với dòng tĩnh. Do đó, tại một dòng [SUB][/SUB] bất kỳ thỏa mãn [SUB][/SUB] (tại một giá trị điện trở bất kỳ), điện trở động được nhân với 100 nếu điện áp giảm một lượng [SUB][/SUB] và điện trở động bị chia bởi 100 nếu điện áp tăng một lượng [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB]. Bên trái điểm gián đoạn, điện trở của diode là [SUB][/SUB].

Trong hình 10-1(c) 10-2(b) ta đã giả sử[SUB][/SUB] rất lớn so với [SUB][/SUB]. 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 [SUB][/SUB].
Đối với mạch xén, ta thường cần có [SUB][/SUB], ví dụ [SUB][/SUB] với [SUB][/SUB] là một số lớn. Từ hai biểu thức trên ta có [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB].

[hoanghaicap]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

10-2-3 Các mạch xén













Hình 10-4 trình bày một số dạng mạch xén khác. Nếu trong mỗi trường hợp, một sóng sin được đặt vào mạch thì ngõ ra sẽ có dạng như các đường đậm. Trong các dạng sóng ngõ ra này ta đã bỏ qua [SUB][/SUB] khi so sánh với [SUB][/SUB], và ta giả sử là vùng gián đoạn có thể bỏ qua khi so sánh với biên độ của dạng sóng vào. Ta cũng giả sử là [SUB][/SUB]. Hai trong số các mạch này, phần dạng sóng được truyền qua là phần nằm dưới [SUB][/SUB]; hai mạch còn lại, dạng sóng được truyền qua là phần nằm trên [SUB][/SUB]. Trong hai mạch, diode là phần tử mắc nối tiếp, trong hai mạch kia, diode là phần tử shunt. Việc sử dụng diode là phần tử mắc nối tiếp có bất lợi là khi diode Off, những tín hiệu tần số cao có thể đi qua mạch nhờ điện dung của diode. Việc sử dụng diode như là phần tử shunt có bất lợi là khi diode phân cực thuận nhưng chưa On thì điện dung của diode và các điện dung shunt khác ở ngõ ra sẽ làm cho các cạnh xung ngõ vào không còn sắc đồng thời làm suy giảm tín hiệu tần số cao. Một bất lợi thứ hai của các mạch này là nội trở [SUB][/SUB] của nguồn [SUB][/SUB] phải đủ nhỏ.
Khi diode được sử dụng với các dạng sóng có sự biến đổi nhanh, ví dụ sau sẽ trình bày ảnh hưởng của tụ lên các xung. Giả sử mạch xén trong hình 10-5(a) được dùng với dạng sóng ngõ vào như hình vẽ. Ngõ vào này có thể là một xung hoặc là một nửa chu kỳ của sóng vuông. Điện dung [SUB][/SUB] là điện dung hiệu dụng tổng cộng mắc shunt với diode (giá trị thường khoảng [SUB][/SUB]), [SUB][/SUB] là điện dung shunt tổng cộng ở tải ngõ ra [SUB][/SUB] ([SUB][/SUB]). Giá trị [SUB][/SUB] có thể khoảng [SUB][/SUB], thường xuất hiện do điện dung ngõ vào của đầu đo trên oscilloscope. Công việc của ta là tìm dạng sóng ngõ ra, giả sử điện trở khi phân cực ngược là vô cùng.

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 [SUB][/SUB] và ngõ ra là [SUB][/SUB]. Khi ngõ vào đột ngột nâng lên một lượng là [SUB][/SUB], 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 [SUB][/SUB], chỉ một phần năm điện áp ngõ vào xuất hiện trên [SUB][/SUB]; do đó, ngõ ra sẽ đột ngột nhảy lên [SUB][/SUB]. Điện áp trên diode lúc này là [SUB][/SUB] và phân cực làm cho diode dẫn. Ngõ ra [SUB][/SUB] sẽ đạt đến giá trị cuối cùng là [SUB][/SUB] với thời hằng [SUB][/SUB]. Tương tự, khi ngõ ra đột ngột rơi xuống một lượng là [SUB][/SUB], điện áp ngõ ra sẽ đột ngột giảm xuống một lượng là [SUB][/SUB]. Diode lúc này bị phân cực ngược nên tắt và ngõ ra sẽ suy giảm dần về không với thời hằng [SUB][/SUB]. Dạng sóng kết quả được vẽ trong hình 10-5(c).
10-3Mạch 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 [SUB][/SUB], 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, [SUB][/SUB].

10-3-1 Vùng tắt
Ta đã biết là tại điện áp khoảng [SUB][/SUB], dòng emitter là không và dòng collector sẽ bằng [SUB][/SUB]. Dòng collector bắt đầu tăng lớn hơn [SUB][/SUB] khi ta bắt đầu phân cực thuận transistor. Tuy nhiên, dòng ngược bão hòa là quá nhỏ do đó để có thể có được một dòng đáng kể ta phải tăng điện áp phân cực thuận lên đến [SUB][/SUB]. Giá trị này có thể thay đổi trong khoảng từ [SUB][/SUB] đến [SUB][/SUB] đối với Si.
Trong thực tế, điện áp chính xác làm cho transistor bắt đầu dẫn là phụ thuộc vào loại transistor và mạch ứng dụng. Ta có thể gặp những trường hợp trong đó dòng collector chỉ cần thay đổi [SUB][/SUB] là transistor đã đi vào vùng tích cực, nhưng cũng có những ứng dụng đòi hỏi dòng này phải thay đổi [SUB][/SUB] hoặc nhiều hơn. Nói chung, bằng thực nghiệm ta có thể thấy là transistor Ge có khoảng chuyển tiếp giữa vùng tắt và vùng tích cực là lân cận của [SUB][/SUB] trong khi đó đối với Si là [SUB][/SUB]. Như vậy, ở nhiệt độ phòng, để giữ cho một transistor ở trong vùng tắt ta có thể nối base và emitter bằng một điện trở mà không cần đến nguồn phân cực ngược, tuy nhiên, đối với transistor Ge hoặc khi nhiệt độ cao hơn, ta có thể phải sử dụng thêm nguồn phân cực ngược.
10-3-2 Điện trở ngõ vào
Một thông số khác cần phải quan tâm đối với mạch xén dùng transistor là điện trở ngõ vào của transistor. Khi transistor nằm trong vùng tắt, điện trở này rất lớn, có thể đến vài chục [SUB][/SUB]. Giá trị chính xác của nó là không quan trọng lắm miễn là nó lớn hơn so với [SUB][/SUB] trong hình 10-6. Khi điện trở collector nhỏ (khoảng dưới [SUB][/SUB]) và transistor nằm trong vùng tích cực, điện trở ngõ vào của mạch có thể được xem như là [SUB][/SUB]. Ta có
[SUB][/SUB] (10-4)
với [SUB][/SUB] là điện trở cực base và [SUB][/SUB]. Khi đó
[SUB][/SUB] (10-5)
Điện trở ngõ vào tỉ lệ nghịch với dòng emitter. Do đó, khi transistor di chuyển ra khỏi vùng tắt và di chuyển vào vùng tích cực, điện trở ngõ vào của nó giảm. Ở đây ta đã bỏ qua sự thay đổi của thông số [SUB][/SUB] theo dòng transistor vì sự thay đổi này nhỏ khi so sánh với sự thay đổi của [SUB][/SUB].

[ctycpsmdt]

10-3-3 Các dạng sóngCác dạng sóng cho mạch xén trong hình 10-6 được vẽ trong hình 10-7. Ở đây ta xem ngõ vào [SUB][/SUB] là một hàm dốc bắt đầu tại điện áp dưới điện áp tắt và tăng đến điểm làm cho transistor đi vào vùng bão hòa. Độ dốc [SUB][/SUB] của dạng sóng base được xác định bằng
[SUB][/SUB] (10-6)
Điện trở ngõ vào [SUB][/SUB] sẽ càng giảm khi transistor càng đi vào vùng tích cực, do đó độ dốc [SUB][/SUB] giảm. Trong vùng bão hòa [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB] rơi xuống đến giá trị [SUB][/SUB] thấp. Ví dụ, nếu dòng bão hòa là [SUB][/SUB] thì điện trở ngõ vào tối thiểu trong vùng tích cực ngay trước khi bão hòa là [SUB][/SUB], khi transistor vào vùng bão hòa, trở kháng này giảm xuống còn [SUB][/SUB]. Việc giảm đột ngột của điện trở làm cho điện áp [SUB][/SUB] bị xén và dạng sóng là không đổi tại điện áp làm cho transistor bão hòa.

Độ dốc của dòng base là
[SUB][/SUB]
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
[SUB][/SUB]
Giới hạn này xảy ra khi [SUB][/SUB].
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.

10-4Xén tại hai mức độc lập
Dạng sóng [SUB][/SUB] trong hình 10-8 bị xén tại hai dòng. Tuy nhiên, trong dạng sóng này các mức xén không độc lập mà bị phụ thuộc vào [SUB][/SUB]. Các mạch xén dùng diode có thể thực hiện xén tại hai mức độc lập. Dạng xén với cấu hình song song hoặc nối tiếp đều có thể được sử dụng. Cấu hình song song được trình bày trong hình 10-9(a). Hình 10-9(b) vẽ đặc tuyến truyền đạt tuyến tính từng đoạn của mạch. Đặc tuyến có hai điểm gián đoạn, một tại [SUB][/SUB] và một tại [SUB][/SUB], và có đặc tính như sau
[SUB][/SUB]
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.

[shinota_yuki2000]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

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 [SUB][/SUB] tại thời điểm [SUB][/SUB]. Ngõ ra duy trì tại mức [SUB][/SUB] cho đến [SUB][/SUB], 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 [SUB][/SUB] lớn hơn [SUB][/SUB]. Tuy nhiên mức điện áp ngưỡng chính xác có thể dao động một lượng [SUB][/SUB] quanh ngưỡng tối ưu vì tuổi thọ của linh kiện, ảnh hưởng của nhiệt độ,… Kết quả là sẽ có một sự dao động [SUB][/SUB] quanh thời điểm chính xác mà thiết bị đáp ứng với ngõ ra của bộ so sánh và một sự dao động [SUB][/SUB] trong điện áp vào tương ứng với [SUB][/SUB]. Lúc này, thiết bị có thể không đáp ứng tại [SUB][/SUB] mà có thể tại thời điểm [SUB][/SUB] sau đó. Điều này có thể cải tiến bằng cách tăng độ dốc của đoạn đi lên của dạng sóng ngõ ra [SUB][/SUB]. Nếu diode là lý tưởng, ta có thể đặt phía sau bộ so sánh hình 10-10 một bộ khuếch đại. Khi này, nếu [SUB][/SUB] là độ lợi của bộ khuếch đại, ngõ ra [SUB][/SUB] sẽ đi qua [SUB][/SUB] trong khoảng thời gian [SUB][/SUB] và thời gian trễ trong việc đáp ứng với ngõ ra của bộ so sánh sẽ giảm xuống còn [SUB][/SUB]. Tuy nhiên đối với diode thực thì kết quả không đạt được như vậy.



















[TABLE]
[TR]
[TD][TABLE="width: 100%"]
[TR]
[TD]Hình 10-10
(a) Mạch so sánh dùng diode; (b) Minh họa với ngõ vào là hàm dốc [SUB][/SUB] và ngõ ra tương ứng.

[/TD]
[/TR]
[/TABLE]
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]



Trong các phần trước ta đã biết điểm gián đoạn là điểm mà xung quanh nó dòng của diode xấp xỉ [SUB][/SUB] dòng định mức. Định nghĩa này không định nghĩa cho một tổ hợp nối tiếp gồm có diode và điện trở như hình 10-10. Trong các trường hợp như vậy, ta có thể định nghĩa điểm gián đoạn theo cách sau. Phía bên trái điểm gián đoạn, điện trở động của diode sẽ rất lớn hơn [SUB][/SUB], phía bên phải điểm gián đoạn, điện trở động của diode sẽ rất nhỏ hơn [SUB][/SUB]. Để hợp lý ta có thể xem như điểm gián đoạn là điểm tại đó [SUB][/SUB]. Tại điểm này, độ lợi truyền đạt là [SUB][/SUB]. Bây giờ giả sử ta nối bộ so sánh này đến một thiết bị. Thiết bị này sẽ đáp ứng đến trạng thái của bộ so sánh khi dòng diode là [SUB][/SUB] và áp rơi trên điện trở là [SUB][/SUB]. Giữa bộ so sánh và thiết bị ta đặt một bộ khuếch đại với độ lợi [SUB][/SUB]. Lúc này bộ so sánh sẽ gây ra đáp ứng trên thiết bị khi ngõ ra bộ khuếch đại là [SUB][/SUB], tức là khi áp rơi trên điện trở [SUB][/SUB] là [SUB][/SUB], tương ứng với dòng qua diode là [SUB][/SUB]. Mặt khác, điện trở động của diode là tỉ lệ nghịch với [SUB][/SUB] nên nếu dùng bộ khuếch đại, thiết bị bị tác động bởi bộ so sánh sẽ đáp ứng khi [SUB][/SUB]. Đối với diode thực, ta có
[SUB][/SUB] (10-7)
Do đó, nếu A rất lớn thì tỉ số này sẽ tiến đến 1. Ta có thể thấy là độ lợi truyền đạt khi không có mạch khuếch đại là ½ thì khi dùng một bộ khuếch đại với độ lợi không xác định hệ số này chỉ tăng được 2 lần. Như vậy, ta có ba nhận xét trên điểm gián đoạn của một mạch tổ hợp diode – điện trở: (1) điện áp ngõ vào tại đó bộ so sánh tác động phụ thuộc không chỉ vào diode mà còn vào việc chọn điện trở [SUB][/SUB]; (2) điểm gián đoạn của bộ so sánh cũng phụ thuộc vào độ lợi của bộ khuếch đại; và cuối cùng (3) độ rõ ràng, sắc cạnh của bộ so sánh không phụ thuộc vào bộ khuếch đại. Tất cả những điểm này được trình bày trong hình 10-11.