Giáo trình Mạch điện tử 2

⎛+−=×= =31.4- 2 Hw w1lg20 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ A 31,4 v(dB) 1,2 (MHz)f 2.3 Phân tích mạch khuếch đại FET tần số cao Ở tần số cao các điện dung ở các mối nối trong FET là và . gsC gdC tỷ lệ với ( ) gsC 2/1GSV −− 0VGS ≤ tỷ lệ với ( ) gdC 2/1GDV −− 0VGD ≤ Vì GSGD VV >> do đó << gdC gsC gsC có giá trị khoảng 50pF ở các FET có tần số thấp nhỏ hơn 5pF ở các FET cao tần. Tụ hồi tiếp thường nhỏ hơn 5pF và ở các IG-FET cao tần thì nhỏ hơn 0.5pF. gdC 24 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Mạch khuếch đại FET ở tần số cao dạng C-S: Rg Cd Rd ri RsVi Cs Vdd 0 Cg RL Sơ đồ tương đương: gm Vg rds Cgd RL G S D rds ri Vi Cgs Cgs từ vài chục ÷ vài pF Cgo từ vài pF → nhỏ hơn 1pF Ở tần số cao xem như nối tắt Cg,Cs, Cd Ta xét 2 trường hợp: * Trường hợp 1: 0ri ≠ Sơ đồ tương đương Miller V rds//Rd//RL CMCgs +v gs Vi L gm v gs ri CM=[1 + gM(rds // Rd // RL)]Cgd ( ) ( ) ( )Mgsi Mgs gs Lddsgsm i gs gs L i L v CCjw 1r CCjw 1 V R//R//rVg V V V V V VA ++ +×−=×== 25 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại ( ) ( )MgsiLddsmv CCjwr1 1R//R//rgA ++×−= H vmv w jw1 1AA + ×= Trong đó: ( ) ( )⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ += −= Mgsi H Lddsmvm CCr 1w R//R//rgA ( )MgsiH CCr2 1f +π= Biểu đồ Bode: f dBv A Hf * Trường hợp 2 0ri = Sơ đồ tương đương của mạch RRd VL Cgd + Lds(-g +jwCgd)Vi - m r ( ) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡×+−= gd LddsigdmL jwC 1//)R//R//r(VjwCgV 2H 1H vm i L v w w1 w w1 A V VA + +− == 26 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Trong đó: ( ) ( ) ⎪⎪ ⎪⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎨ ⎧ = = = gd m 2H Lddsgd 1H Lddsmvm C gw R//R//rC 1w R//R//rgA ( ) ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ π= π=⇒ gd m 2H Lddsgd 1H C2 gf R//R//rC2 1f Biểu đồ Bode: 2.4 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng BJT VA 1Hf 2Hf f 27 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Trở kháng Miler được xác định 'AAZ c'bm22mc'b c'b'AA 'AA Cg/CRgsC/1 1sCY Z 1 ++== Mạch tương đương tín hiệu nhỏ của mạch khuếch đại đa tần: Trong đó: e'b1bi1 r//R//rR = e'b2b1c2 r//R//RR = [ ] c'bL2cme'b2 C)R//R(g1CC ++= Độ lợi dòng điện: 28 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ωω+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω+ω+ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω+ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ω+ − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −≈ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛== 1 c'be'b 21 2 21 2 1 2 2m L2c 2cm i 1'b 1'b 2'b 2'b L i L i C CCs11s1 s1R s1 Rg RR Rg i v v v v i i iA Trong đó: CR 1 ; CR 1 22 1 11 1 =ω=ω ( ) c'b2me'b1 CRg1CC ++= Tần số cắt được xác định từ phương trình: 2 h 2 1 c'be'b 21 2 h w C CC ww w1 +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +− 211 2 21 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ω+ω Giải ra ta được: ( ) ( ) ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+ω ω+ω ω+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+ω ω+ω ω−⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ ωω=ω 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 21 h q4q12q12q2 Với 1 c'be'b C CCq += . 2.5 Mạch khuếch đại đa tần RC dùng FET Vdd Vi - + VL ir gR dR ∞→1cC gR ∞→2cCdR LR 29 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại dsgd r//R//Rir gR gsC gsC gdC gdC s1gmVg s2gmVg dsLd r//R//R + L Vi V Làm tương tự như với trường hợp BJT với các giá trị được xác định: 2121 C,C,R,R - ( )[ ] ( )[ ] gdsd2 gi1 Lddsmgdgs2 gddsmgdgs1 R||r||RR R||rR R||R||rg1CCC R||R||rg1CCC = = ++= ++= 2.6 Tích số độ lợi khổ tần GBW( The gain-band width product) GBW là một thông số được dùng để ước lượng đáp ứng của mạch khuếch đại băng rộng trong bước thiết kế. himfAGBW = Trong đó: độ lợi dãy giữa :Aim tần số cắt cao :fh 2.6.1 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại BJT đơn tần: Mạch khuếch đại CE đơn tầng “lý tưởng“ ( ->0), độ lợi dãy giữa xấp xỉ và tần số cắt cao 3dB là , vì vậy: LR feh βf e'b m Tfe C2 gffhGBW π≈== β Î được dùng để ước lượng giới hạn tần số cao của BJT và được cho bởi nhà sản xuất. Tf Giá trị thực tế bị giảm bởi điện dung Miller: ( ) ( )Me'b m Me'be'b e'bmBJT CC2 g CCR2 1RgGBW +π=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +π= 2.6.2 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại FET đơn tần: ( ) ( )⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +π= MgsisdsmFET CCr2 1R||rgGBW FETGBW thường được chuẩn hóa bằng cách giả sử rằng: 30 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại ddsi R||rr = ⇒ ( )MgsmFET CC2 1gGBW +π= 2.6.3 Tích số độ lợi khổ tần của mạch khuếch đại đa tầng Ta xét mạch khuếch đại đa tầng sau: Giả sử: ; 0Cr c'b'bb == RR cL << e'bbie'bbce'b r||R||rr||R||RR ≈= e'be'b 1 CR 1w = n 1 e'bm 1 e'bm 1 e'bm 1 e'bm m i 1b 1b 2b 1bn bn bn L i L i w/s1 Rg w/s1 Rg w/s1 Rg w/s1 Rgg i v v v v v v i i iA ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + −−= ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛== − Κ Κ Độ lợi dãy giữa: . ( )ne'bmim RgA −= Tần số 3dB thỏa phương trình 2/AA imi = . 2/n2 1 h w w1 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ = 2/12 12 f f w w n/1 1 h 1 h −==⇒ Sự suy giảm tần số cắt cao theo số tầng khuếch đại: 31 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại n 1 2 3 4 5 1h f/f 1.0 0.64 0.51 0.44 0.39 32 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Bài tập chương 2 2.1 Cho mạch như hình. Biết độ lợi băng thông giữa iL ii là 32dB, tần số 3dB trên là 800KHz và dòng tĩnh emitter 2mA, giả sử 0Cr c'b'bb == . Tìm . e'b,e'bfe Cr,h V 1K 1K LI BB Ii Vcc 2.2 Cho mạch như hình. Biết . mA10I ;0r ;pF5C ;100h ;s/rad10w EQbb'cb'fe9T ===== 20uF 1K10K 20uF Vcc I 20uF100 L 1K RL=1K10KIi Tìm: a. iLim iiA = b. Tần số 3dB trên hf 2.3 Transistor hai hình dưới có các thông số sau: pF10C;pF1000C;K1r c'be'be'b === và . Xác định độ lợi và GBW của mỗi dạng. 1m 05.0g −Ω= 33 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại Vi 1K Vcc LI Vcc L 1K V 10K 100K 20uF - Ii 20uF 10K 1K + 1K 2.4 Với tham số transistor như bài 2.3. Tìm độ lợi và GBW của mạch sau: 1K 20uF IL 20uF V 1K 20uF 10K Vcc 1K Ii BB 100 20uF 10K VBB 100 2.5 Cho mạch như hình. Biết gm= 5.10-3, Cgs= 50pF, Cgd = 0.5pF, rds=15KΩ. 0 Vcc Ce Cc ReR2 Rc Vi Cbri RL 2 3 1 1k 1K 2K 1001M 100uF - + LV 34 Chương 2: Đáp ứng tần số cao mạch khuếch đại a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ ở miền tần số cao b. Tìm i L v v vA = c. Vẽ biểu đồ Bode cho đáp ứng miền tần số cao 2.6 Cho mạch nối cascade như hình. Giá trị linh kiện K10r ;M1R ;K1r dsgi === ; Tìm độ lợi dãy giữa và băng thông 3dB. .K10R L = Vdd Vi - + VL ir gR dR ∞→1cC gR ∞→2cCdR LR 35 Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 36 Chương 3 MẠCH KHUẾCH ĐẠI CỘNG HƯỞNG 3.1. Mạch cộng hưởng đơn dùng BJT transistor 3.1.1. Phân tích lý thuyết Sơ đồ mạch lý thuyết Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn (bỏ qua thành phần R-C giữa cực C và E) Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 37 Các thông số liên quan Các thông số của Transistor 2SC1815: fT=80MHz, Cob=2pF, hFE = 300 Giá trị cảm kháng của cuộn L được tính theo công thức sau : r4.25l9.22 nr L 22   Trong đó : r : bán kín vòng dây (cm) n : số vòng dây l : chiều dài cuộn dây(cm) L: cảm kháng (uH) Trở kháng vào: e'bpbii r//R//R//rR  Với   2 CcC c 2 p QrwLQ r wL R  rc là nội trở của cuộn dây. C Q là hệ số phẩm chất của cuộn dây (thường C Q = 100) Điện dung tổng tương đương: Me'b CC'CC  Hàm truyền i e'b e'b e'bm e'bm L i L i i V V Vg Vg i i i A  jwL 1 jwC R 1 1 g RR R i m LC C     im Rg   LC C RR R        wL R CwRj1 1 i i    i i LCm i L iV r R R//Rg r R AA        wL R CwRj1 1 i i Băng thông Ta có tại tần số cắt: Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 38 2 1 A A dB3 A A o i dBo i  2 1 wL R wCR1 1 wL R wCRj1 1 A A 2 i i i i o i                   1 wL R wCR 2 i i        Phương trình có hai nghiệm dương:           1 w w 41 2 w w 1 21 H           1 w w 41 2 w w 1 21 L Với CR 1 w i 1  ; L R w i 2  Băng thông 3dB được xác định: BW=   CR2 1 w 2 1 ww 2 1 ff i 1LHLH       Tích số độ lợi khổ tần: GBW= BWA im  im Rg   LC C RR R CR2 1 i  GBW=  CRR2 Rg LC Cm  Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 39 Tần số cộng hưởng Tần số cộng hưởng khi độ lợi đạt giá trị cực đại: LC2 1 f LC 1 w 0 wL R wCR )A( 00 i imaxi    3.1.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết )V(05.2 8.39 8.612 8.633 8.6V V CC BB       )(K 64.5 338.6 338.6 R BB     )mA(22.12 1.0 100 K6.5 6.005.2 R R VV I E BB BEBB CQ            614 22.12 25.300 I 25. rh CQ e'bie pF972 10.80.2 614 300 f2 rg C 6 T e'b T m e'b         49.0 614 300 r g e'b m         pF5902.60049.01 CR//Rg1C c'bCLmM   Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 40 100nF590pF972pFnF100 CC'CC Me'b   C=100nF Hàm truyền      //j1 1 RR R RgA 21LC C imi    //j1 1 r R R//Rg r R AA 21i i LCm i L iv Tần số cộng hưởng KHz 3.706 10.101548.10.5.02 1 LC2 1 f 1260        K2.2wLQR Cp  50r//R//R//rR e'bpBBii Băng thông KHz6.31 10.101548502 1 CR2 1 BW 12 i       Độ lợi    //j1 1 r R//R RgA 21i LC imv  2 21 i LC imdBv //1log20) r R//R Rglog(20A  Biểu đồ Bode lí thuyết Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :  Khi  = 0 : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn tiến về 0 => G = Aim = dB.  Khi  càng xa 0 , lúc này biểu thức trong căn có giá trị rất lớn => Ai có giá trị rất bé. Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng: Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 41 3.2. Mạch cộng hưởng đơn dùng FET 3.2.1. Phân tích lí thuyết Sơ đồ mạch lí thuyết Mạch tương đương tín hiệu nhỏ Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 42 Mạch tương đương tín hiệu nhỏ dạng rút gọn Với : Pii R//rR  , và Me'b CC'CC  Các thông số liên quan: Các thông số của FET: rds, Cgs, Cgd, gm được cho bởi nhà sản xuất Thiết lập hàm truyền: i gs gs gsm gsm L i L i i v v vg vg i i i A  ) Lj 1 Cj( R 1 1 g r//RR r//R i m dsdL dsd      ) Lj R CRj(1 R g r//RR r//R i i i m dsdL dsd      ) L R CR(j1 1 Rg r//RR r//R i i im dsdL dsd      Đặt:         L R CR 1 i 2 i 1 Ta được )(j1 1 Rg r//RR r//R A 2 1 im dsdL dsd i          a vgs + _ CLiR i i i r v i  Rd RL Li gsmvg Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 43 )(j1 1 Rg r//RR r//R r R r R AA 2 1 im dsdL dsd i L i L iv          )(j1 1 r R )R//r//R(gA 2 1 i i Ldsdmv        Làm tương tự như trường hợp BJT ta được: CR2 1 BW i   GBW=   Cr2 R//r//Rg BWA i Ldsdm vm   Tần số cộng hưởng: LC 1 0  , hay LC2 1 f 0   3.2.2. Tính toán các giá trị trên lí thuyết Hàm truyền Ri = Rp//ri = ri = 50 (do Rp >> ri)           P GSQ P DSS DS D m V V 1 V I2 v i g =0,5.10 -3 (1/Ω) (xem thêm datasheet của JFET 2SK30A )   gdLddsmM C.)R//R//r(g1C  =0.9pF C=C’+ 'CCC Mgs  =1003pF        L r//R C)r//R(j1 1 r r//R )r//R//R(gA iP iP i iP dsdLmv Băng thông MHz17.3 10.1003.50.2 1 CR2 1 BW 12 i       Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 44 Tần số cộng hưởng MHz1.7 10.1003.10.5.02 1 LC2 1 f 1260       Biểu đồ Bode lí thuyết ) L R CR(j1log20)3.0log(20A i idBv   Dựa vào biểu thức trên ta nhận thấy rằng :  Khi  = c : tức là lúc giá trị trong biểu thức trong căn tiến về 0 => Av (max)= -10 dB.  Khi  càng xa c , lúc này biểu thức trong căn có giá trị rất lớn => Av có giá trị rất bé. Dựa vào yếu tố ta vẽ được biểu đồ Bode cho mạch cộng hưởng: 3.3. Mạch khếch đại ghép biến áp dùng BJT thông dụng Mạch tương đương AC Mạch tương đương rút gọn RL R1 L' C' n1 Cc CeR2 VCC ri n2 Re Ii Q1 Cb Rc Ii Rcgm.Vbe Cb'e+CMRb//rb'e RLri n2 VL C' n1 L' Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 45 Với: C=C’+a2(Cb’e + CM)), và Ri= ri //RP//( 2 b a e'rb//R ) Trong đó 2 1 n n a  Ztđ = 2 2 i U = 2 1 1 2 1 a Z ia U  a 1 n n U U 1 2 1 2  ; a n n i i 2 1 1 2  Ta có: ) 'L 1 C(j R 1 1 RR R ag i a v a v v.g v.g i i i Ai i LC C m i e'b e'b e'bm e'bm L i L      ) 1 'L R CR(j1 1 RR R RagAi i i LC C im      Tương tự lý luận ta được: LC C imim RR R RgaA   Tần số cộng hưởng: f0= C'L2 1  với C=C’+a2(Cb’e + CM)) Ri= ri //RP// 2 b a e'rb//R 3.4. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET: a v eb ' + _ CLiRi i RC C RL Li ebmvg ' Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 46 Việc ghép các bộ khuếch đại điều hợp đồng bộ đạt được độ lợi cao và dãy thông hẹp hơn. Làm tương tự như trên ta có được các kết quả:              w w w w jQ1 1 r R//rR//rag v v A 0 0 i i piLdsm i L V Trong đó:    ipi0i C'CR//rwQ      Ldsmgdgs 2 i R//rg1CCaC  )C'C(L 1 w i 2 0   Độ lợi tại tần số cộng hưởng   0 ww  là:   pi p Ldsmvm Rr R R//ragA   Băng thông 3dB:    ipi C'CR//r2 1 BW   Tích số độ lợi khổ tần: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao: Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 47                  ii Ldsm C'C 1 r2 R//rg aGBW 3.5. Mạch khuếch đại điều hợp đồng bộ dùng FET ghép 2 tầng: Mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao: Độ lợi áp: i 1g 1g 2g 2g L i L v v v v v v v v v A  =    2 0 0 i Ldsmim w w w w jQ1 R//rag)r/R(Rag               Trong đó: )C'C(L 1 w i 0   pgdspi R//R//rR//rR    i0i C'CRwQ  Độ lợi tại tần số cộng hưởng   0 ww  là:    pi p Ldsmmvm Rr R R//ragRagA   Băng thông 3dB có được từ phương trình: 2 w w w w Q1 2 0 0 2 i                               RC'C2 1 643.0 Q f 643.012 Q2 w BW ii 02/1 i 0 L' T2 S2 C' T1 S1 L' C' + - i r i i r v g R L R L v i i r v Lv L R ds r 2gm vg a v 1g 1gm vg a v 2g pR i C i C p R gR dsr i r L' + - C' - - + C' L' + Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 48 Tích số độ lợi khổ tần:      ii Ldsmm2/1 i 0 vm C'Cr2 RR//ragag643.0 12 Q2 w BW.AGBW     Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 49 Bài tập chương 3 3.1 Cho mạch cộng hưởng như hình: a. Tìm L để mạch cộng hưởng tại 30Mhz b. Tìm băng thông mạch khuếch đại c. Tính độ lợi dòng biết 2pFC 500MHz;f 100;h 0;r ;K1r cb'Tfebb'e'b  3.2 Mạch như hình cộng hưởng tại tần số 10MHZ và có băng thông 3dB là 1MHz. a. Tìm 21 nn để có độ lợi áp cực đại tại 0 w . Độ lợi là bao nhiêu? b. Tìm 1 nn để có băng thông mong muốn c. Tính L cộng hưởng:  ''C;100R;pF1C;pF10C);0r(K1h;50h Lc'be'b'bbiefe 10pF 3.3 Mạch khuếch đại cộng hưởng đồng bộ được thiết kế để cộng hưởng tại tần số 100KHz và băng thông 2KHz. 10K LI 1K 1K L VCC 100 i i  1c C  2c C  e C - . + 9K Vi L,n              2 n ''C L R 1n    L V Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 50 a. Tìm 2211 L,C,L,C và 1 R b. Tính độ lợi iL vv biết ,MHz103f T  ,100h fe  K1r e'b  , ,50r 'bb  pF2C c'b  3.4 Cho mạch cộng hưởng như hình. Biết gm= 1310.5   , Cgs=50pF, Cgd=0.5pF, rds=20K , n1=n2=5. a. Tìm tần số cộng hưởng của mạch b. Tìm độ lợi áp Av của mạch c. Tìm BW và GBW 3.5 Cho mạch cộng hưởng như hình. Biết β = 100, VCC = +5V, Cb'e = 120pF, Cb'c = 10pF, n1 =8, n2 = 4 VCC n1 0 RFC + L1 0,12uH 150 Ce Ren2 ri Rb 100K _ 500 47p VL Cb Cc 330 Vi RL a. Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ tần số cao b. Xác tần số cộng hưởng của mạch khuếch đại trên 100 10K I L Ii 1 R 1 C 2 C 1 L 2 L i 2K Vi 20uF 2K Cd 100 L Rs + r - Cb Rd L Vdd V C' L n1 Csn2 R 0.5uH 50 30pF Chương 3: Mạch khuếch đại cộng hưởng 51 c. Xác định độ lợi trung tần của mạch d. Xác định BW và GBW Chương 4: Mạch lọc 52 Chương 4 MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 4.1. Mục đích ứng dụng  Bộ lọc có vai trò quan trọng trong các mạch điện tử. Những phần tử cơ sở trong mạch lọc chỉ gồm điện trở (R), tụ điện (C), và cuộn cảm (L).  Thông thường gồm 2 mạch lọc RC và RLC. Mạch lọc RC được dùng nhiều vì linh kiện rẻ và chiếm ít diện tích. Còn mạch lọc RLC ít thông dụng vì có điện cảm (L) khó tiêu chuẩn hóa và có giá trị rất lớn ở phạm vi tần số thấp nên trong thực tế khó thực hiện vì giá thành đắt, lại cồng kềnh .  Mạch lọc sẽ làm suy giảm năng lượng qua nó mà không có khả năng khuyếch đại. Khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép.  Để bổ túc các nhược diểm trên người ta thêm vào đó các phần tử khuếch đại như transistor, vi mạch, v.v, để có thể khuyếch đại tín hiệu , phối hợp tổng trở, điều chỉnh độ suy giảm. 4.2. Phân loại mạch lọc Dựa vào đặc điểm cấu tạo, ta phân ra hai loại: mạch lọc thụ động và mạch lọc tích cực. Cả hai loại mạch lọc này đều có các dạng đáp ứng tần số sau:  Mạch lọc thông cao (High pass Filter)  Mạch lọc thông thấp (Low pass Filter)  Mạch lọc thông dãi (Band pass Filter)  Mạch lọc chặn dãi (Reject Band Filter) Đáp ứng tần số Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông cao f fH f fH dBin out v v dBin out v v Chương 4: Mạch lọc 53 Mạch lọc thông dãy (Band pass) Mạch lọc chặn dãy (Band Stop) 4.3. Lý thuyết cơ sở về mạch lọc 4.3.1. Khái niệm về hàm truyền mạch lọc Maïch loïc 0 0 Hàm truyền của mạch lọc được định nghĩa là tỉ số giữa điễn áp tín hiệu ra Vo trên điện áp tín hiệu vào Vi theo biểu thức: 4.3.2. Hàm truyền tổng quát theo tham số S (  js ) 01 1n 1n n n 01 1m 1m m m BSB...SBSB ASA...SASA )s(H        Với K là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch và constB ;constA ki  cũng phụ thuộc vào cấu tạo của mạch Hàm truyền thường gặp có dạng : n n 2 21 SB...SBSB1 1 )s(H   1A 0  , đa thức bậc không với : 0A...AA m21  4.4. Mạch lọc thụ động 4.4.1. Mạch lọc thông thấp a. Mạch lọc RC C1 R1 Hàm truyền của mạch f fH dBin out v v fL f fL dBin out v v fH f Chương 4: Mạch lọc 54 RCj1 1 Cj 1 R Cj 1 )(H       b. Mạch lọc thông thấp RC bậc 1: Sơ đồ mạch thực tế RL Vi C1 Vo Ri CRj1 R R 1 CRj1 R R//ZR R//Z v v )(H L L i L L LCI LC i 0        LiLi L L L RCRjwRR CjwR1 CjwR1 R                 C RR RR jw1RR R iL iL iL L jwRC1 1 RR R iL L    , với iL R//RR  Hàm truyền : )w(H jwRC1 1 RR R iL L    Với: iL R//RR  Tần số cắt: RC2 1 f C   c. Mạch lọc thông thấp bậc 2 Sơ đồ mạch thực tế C RI C I1 VL IL RL Vi R 4.4.2. Mạch lọc thông cao Chương 4: Mạch lọc 55 Hạ thông thượng thông Triệt dải Fc1 Fo Fc2 Vi Vo C1 R1 a. Mạch lọc thông cao bậc 1 Sơ đồ mạch C Vo RiVi RL   jwRC 1 1 1 R//RjwC 1 1 1 R//RZ R//R V V A Li LiC Li i o V       Với Li R//RR  Hàm truyền : H= jwRC 1 1 1   Tần số cắt RC2 1 f C   b. Mạch lọc thông cao bậc 2 Sơ đồ mạch : C Vo ILI RRVi RL CI1RI 0C2 0 R2 C1 Vi R1 Vo Đáp ứng tần số mạch lọc triệt dãi Chương 4: Mạch lọc 56 Trong mạch lọc triệt dãi, R1 – C1 là mạch hạ thông sẽ cho tín hiệu tần số thấp đi qua, R2 – C2 là mạch lọc thượng thông sẽ cho tín hiệu tần số cao đi qua. Tần số cắt của hai mạch lọc là Fc1 và Fc2. Như vậy khoảng tần số giữa Fc1 và Fc2 sẽ không qua được hai mạch lọc nên bị loại bỏ. Đường rời nét chính là đàp ứng tấn số cua mạch lọc triệt dãi. Do hai mạch lọc rắp song song nên ta có 1 1 2 2 2 1,Z R C Z R C  là hai tổng trở của cầu phân áp . Suy ra : 0 2 1 2i V Z V Z Z   Một cách khác để có mạch lọc triệt dãi là mạch lọc cấu T đôi như hình vẽ dưới: C Vi R 2C 0 0 0 0 0.5R R C Vo Nhánh thứ nhất gồm hai mạch lọc hạ thông ghép ngược đầu nên có tụ điện tương là 2C. nhánh thứ 2 là hai mạch lọc thượng thông ghép nối tiếp ngược đầu nên có điện trở tương đương là 0.5R. Hai nhánh mạch lọc thượng thông và hạ thông có dạng hình chữ T lại được ghép song song nên được gọi là mạch lọc cầu T đôi Để phân tích đáp ứng tần số của mạch lọc triệt dãi T đôi. Ta có thề tính điện áp V1, V2 sau dó khử V1 và V2 để có Vo so với Vi Tần số cộng hưởng của mạch là : 0 1 2 f RC  Mạch lọc triệt dãi hình trên có đáp ứng tần số : 0.1 1 10 f/f0 0.9 Chương 4: Mạch lọc 57 PHẦN II THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG P.SPICE: A .THIẾT KẾ 1. Mạch lọc thông thấp RC Sơ đồ mạch RL 1k Vi C1 0.01uf Vo Ri 1k 1 1 1 O C L L V LI I C L L I L V Z R R A RV R Z R j R C R j R C           Hàm truyền : 1 1 L L I R H R R j RC     Với: ;( )L i L i i L R R R R R R R   Tần số cắt: 1 2 cf RC  6 1 1 1 1 500 31,8 2 2 500 0,01.10 R K K f KHz RC            2.Mạch lọc thông cao RC Sơ đồ mạch : Hàm truyền : 1 1 1 H j RC   Tần số cắt 1 2 Cf RC  6 1 1 10 1 15,9 2 2 .1000.0,01.10 CR K K f KHz RC         3 Mạch lọc thông thấp LC: C 0.01uf Vo Ri 10k Vi RL 1k Chương 4: Mạch lọc 58 Sơ đồ mạch L1 0.2uH 1 2 Vo RL; 100 VI C2 220 1 1 1 L L A L L R Rj C Z j R C R j C        2 2 11 1 1 1 A L L L LA L L L L L L Z R R j R C H RZ X j R C j R C j L j R LC R j L j R C                    2 2 2 1 ( 1) 1 L L L L L R j L j L R j R LC LC R R           Với: 1 LR L   với 1 là hệ số tổn hao của mạch 2 1 LC   tần số cắt của mạch Tần số cắt 24f MHz 4.Mạch lọc thông cao LC: Sơ đồ mạch : L 1 2 VI RL C Vo LA L j R L Z j L R     2 2 ( )1 1 L L L LL L L L L j R L j R L j L R j C H j R Lj L R j L R j L R j R LC j C j L R                      2 2 2 2 2 1 1 ( 1) L L L j R LC j R LC j R C LC        , Với: 1 2 1 1 LR C LC     Tần số cắt 6 12 1 1 5,2 2 2 0,2.10 .4700.10 f MHz LC       B . MÔ PHỎNG P.SPICE Chương 4: Mạch lọc 59 1 Mạch lọc thông thấp (RC): Sơ đồ mạch : 0 R11 1k V3 1Vac 0Vdc C4 0.01uf R9 50 R10 1k Tần số cắt : 30KHz Biểu đồ bode Biểu đồ bode thực tế : 1K 10K 20K 50K 70K 100K AvDb -6 -8 -14 -16.5 -20 -9 27K F 2 Mạch lọc thông thấp (RC)bậc 2 Sơ đồ mạch Chương 4: Mạch lọc 60 V5 1Vac 0Vdc R12 50 R13 1k C5 0.01uf R15 1k C6 0.01uf R14 1k Biểu đồ bode mô phỏng: Biểu đồ bode thực tế: 1K 10K 20K 30K 40K AvDb -6 -8 -14 -16.5 -20 -9 -9 -12 -16.5 -20 -22.5 AvdB F Chương 4: Mạch lọc 61 3 Mạch lọc thông cao RC Sơ đồ mạch C7 0.01uf R17 1k R18 50 V8 2Vac 0Vdc R16 10k 0 Tần số cắt 15.9KHz Biểu đồ bode mô phỏng: Biểu đồ bode thực tế: 500 1K 5K 10K 15K 20K 30K 40K 50K AvdB -26 -10.5 -6 -4.4 -3.7 -3 -2.8 -2 Chương 4: Mạch lọc 62 4 Mạch lọc thông cao RC bậc 2 Sơ đồ mạch 0 R20 1k V3 1Vac 0Vdc C8 0.01uf R1 50 R19 10k C9 0.01uf R4 10k Biểu đồ bode mô phỏng: Biểu đồ bode thực tế: 1K 10K 20K 30K 40K 50K AvdB -32 -12 -7 -3.7 -3 -2.5 -2 70k F 500 Chương 4: Mạch lọc 63 5 Mạch lọc thông dãi RC (bandpass): Sơ đồ mạch C3 0.01uF R5 1k R7 1k V2 1Vac 0Vdc R6 10k C2 0.01uf R8 50 0 Biểu đồ bode mô phỏng: Biểu đồ bode thực tế: AvdB F 100 250 500 10k 20k 30k 40k 50k 60k 70k -10.5 -14 -15 -16.5 Chương 4: Mạch lọc 64 6 Mạch lọc chặn dãi (band stop): Sơ đồ mạch R21 1k V10 1Vac 0Vdc R23 470 0 R25 50 0 C11 472 C10 472 0 0 R24 1k R22 1k 942 1n Tần số cắt : Biểu đồ bode mô phỏng: Biểu đồ bode thực tế