Giáo trình Thí nghiệm Mạch điện tử 2

luận tương tự phần trên ta được: LC C imim RR R RgaA   Tần số cộng hưởng: f0= CL'2 1  với C=C’+a2(Cb’e + CM)) Ri= ri //RP// 2 '// a erbRb Sinh viên tự vẽ biểu đồ Bode III.II> Khảo sát thực nghiệm Modul thí nghiệm: 1> Tính toán lý thuyết Vẽ mạch tương đương tín hiệu nhỏ Ii Rcgm.Vbe Cb'e+CMRb//rb'e RLri n2 VL C' n1 L' a v eb ' + _ CLiRi i RC C R L Li ebmvg ' Bài 3: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại cộng hưởng 32 Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cộng hưởng f0= C1 0.1u R2 10k 0 R6 56 L1 0.3uH 1 2 R5 1k V110mVac 0Vdc L2 0.3uH 1 2 R1 2k C2 1u R3 1k C3 0.1u Q1 Q2SC945 V212Vdc C4 10n R4 1.5k 0 Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) (biểu đồ 1): 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch a. Giá trị đo lần 1: Tín hiệu vào vi1 = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= 1 0 iv v Độ lợi Av (dB) Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) (biểu đồ 2): Bài 3: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch khuếch đại cộng hưởng 33 b. Giá trị đo lần 2: Tín hiệu vào vi2 = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= 2 0 iv v Độ lợi Av (dB) Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) (biểu đồ 3): 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) (biểu đồ 4): 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 2 và biểu đồ 3: Kết quả giữa 2 lần đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm c> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 2, 3 và 4: Kết quả giữa đo thực nghiệm và mô phỏng Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 36 Bài 4: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG A. Thiết bị sử dụng: - Modul thí nghiệm - Dao động ký, VOM - Dây nối - Máy phát sóng sin - Máy tính có phần mềm Orcad B. Lý thuyết cơ bản 1. Mục đính 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. 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. Bài này khảo sát mạch lọc thụ động. 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 Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 37 Mạch lọc thông dãy (Band pass) Mạch lọc chặn dãy (Band Stop) 3. Lý thuyết cơ sở về mạch lọc 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: Hàm truyền tổng quát theo tham số S ( js  ) 1 1 1 0 1 2 1 2 1 0 ... . ... m m m s n n n n A A S AS A H K B S B S B S B S B               Với K là hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch và ;i kA const B const  cũng phụ thuộc vào cấu tạo của mạch Hàm truyền thường gặp có dạng :   2 1 2 1 1 ... nn H s B S B S B S      0 1A  , đa thức bậc không với : 1 2 ... 0mA A A    Đáp ứng biên độ chuẩn hóa :   4 1 4 1 1 ... nn H B B B          Điều kiện tối ưu : 2 4 2( 1) 2... ; 0n nB B B B    Khi đó ta có :   2 2 1 1 nn H B     Đây là hàm có đáp tuyến phẳng tối đa hay còn gọi là hàm Butterworth Tần số chuẩn hóa : 22 2 nn n nB  f fH dBin out v v fL f fL dBin out v v fH f Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 38 Khi đó :   2 1 1 nn H     4. Mạch lọc thụ động 4.1 Mạch lọc thông thấp 4.1.1 Mạch lọc RC C1 R1 Hàm truyền (đáp ứng tần số của mạch) 1 1 0 Vo H j RCVi f       Đáp ứng biên độ:   2 1 1j RC RC    Nhận xét : Ơ tần số thấp : 0 0f      1 1 0 1 0 H V Vi     Ở tần số cao : f   0 1 0 0 1 H V     Có tần số : cf , 1 1 2 c cf RC RC      1 0.707 2 H   Tần số này gọi là tần số cắt cf , tần số này có biên độ tín hiệu ngỏ ra bị giảm đi 1 2 so với biên độ tín hiệu vào . RC cf -90 -90 -45 -90 1 2 cf Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 39 Đáp ứng pha Đáp ứng biên độ Pha  có 1 1 H j RC   chính là pha của 1 trừ đi pha của 1 j RC 0 arctg RC arctg RC       Ơ tần số thấp : 00 0 0 0f arctg        Tần số cao: 090f f arctg         Tấn số cắt : 01 45c cf f arctg          Như vậy: Tín hiệu ra bị chậm pha so với tín hiệu vào .Ở tần số thấp mức chậm pha nhỏ ,ở tần số cao mức chậm pha lớn.Ở tần số cắt là 45o   1 20log 20log 1 dBH A RC    2 220lg1 20lg 1 ( ) 20lg 1 ( )dbH CR RC       Khi : 0 0 20lg1 0dBf H      Khi : 20lgdbf H       1 1 20lg 2 3 2 c c dbf f H db RC RC              A dB -3Db 4.1.2 Mạch lọc thông thấp RC bậc 1: Sơ đồ mạch thực tế RL Vi C1 Vo Ri CRj R R CRj R RZR RZ v v H L L i L L LCI LC i           1 1 1// // )( 0 1 1 L L L I L I L R j R C j R C R j R CR R          Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 40 1 L L I L I L I R R R R R j C R R          1 1 L L I R R R j RC     , với iL RRR // Hàm truyền : 1 1 L L I R H R R j RC     Tần số cắt: 1 2 cf RC  4.1.3 Mạch lọc thông thấp bậc 2 Sơ đồ mạch thực tế C RI C I1 VL IL RL Vi R Sinh viên tự chứng minh hàm truyền của mạch lọc thông thấp bậc 2 1 2 0,38 2,6 , RC RC      2 2 1 2 1 H R C        4.2 Mạch lọc thông cao Vi Vo C1 R1 Đáp ứng tần số : 0 . 1 1 1 1 1 1 i i o i V R V V R j j C CR V H V j CR            Đáp ứng biên độ : Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 41 2 0 1 1 1 11 1 1 1 0, 0 0 0 1 1 0 H j CR CR f A V                       Ơ tần số cao : 0 1 , 1 1 1 if H V V        1 2 cf f RC   hay 1 1 1 0.707 1 2 1 1. c A RC RC         Ở tần số cắt biên độ giảm đi 0.707 so với biên độ pha 1 0.707 90 45 f f 4.2.1 Mạch lọc thông cao bậc 1 Sơ đồ mạch C Vo RiVi RL Sinh viên tự chứng minh hàm truyền I L I L R R R R R   Hàm truyền : 1 1 1 H j RC   Tần số cắt 1 2 Cf RC  4.2.2 Mạch lọc thông cao bậc 2 Sơ đồ mạch : C Vo ILI RRVi RL CI1RI Sinh viên tự chứng minh hàm truyền Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 42 L1 1 2 C1 0 4.3. Mạch lọc thông thấp LC : 4.3.1 Sơ đồ – đáp ứng tần số : 1 iV oV fo f Từ cầu phân áp LjX và CjX , ta có điện áp ra tính theo công thức : 0 .L L C jX V A jX jX    Đặc tính tần số: 0 c L Ci V jX A jX jXV     Thay 1 ,c LX X L C     và A và đơn giản ta có : 2 1 1 1 1. . j CA LC j L j C        Trong trường hợp này A chỉ là số thực vì không co j 4.3.1.1 nhận xét : Ơ tần số thấp : 00, 0 1, if A V V     Ơ tần số cao : 0, 0, 0f A V    Ơ tần số cao cho mẫu số bằng 21 LC A   Tần số này được gọi là tần số ccộng hưởng của mạch LC , ký hiệu : o Ta có : 1 o LC   và 1 2 of LC  Đáp ứng tần số mạch hạ thông dùng LC cho thấy ở khoảng f khi f >fo thì biên độ giảm nhanh vì A tỉ lệ nghịch với nghịch đảo bình phương của o . 4.3.2 Mạch lọc thông thấp LC bậc 1 Sơ đồ mạch L1 1 2 Vo RL; VI C2 4.3.2.1 Thiết kế Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 43 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           2 1 L L LC j R     2 2 2 4 4 4 L L jL L b ac LC LC R R                     1 2LC       2 1 2 2 4 2 4 2 L L L L L L j LC R R LC L L j LC R R LC                   Với: 1 LR L   với 1 là hệ số tổn hao của mạch 2 1 LC   tần số cắt của mạch 4.3.3 Mạch lọc thông thấp LC bậc 2: Sơ đồ mạch : L 1 2 Vo RL; L 1 2 VI CC Sinh viên tự chứng minh hàm truyền 4.4. Mạch lọc thông cao LC : Sơ đồ mạch: Fo f 1 C2 0 L2 1 2 iV oV Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 44 Từ cầu phân áp CjX và LjX ta tính được điện áp ra oV : .L i o L o L C L Ci jX V V jX V A jX jX jX jXV       Thay vào 1 ,L CX L X C     và A đơn giản,ta được: 2 1 1 1 1 j L A j L j C LC         Trường hợp này A cũng chỉ là số thực vì không có j. Nhận xét: Ở tần số thấp: 0, 0 0f A    và 0oV  Ở tần số cao : 1f A   và o iV V Ở tần số cao cho mẫu số : 2 1 1 0 A LC     Tần số này gọi là tần số cộng hưởng của mạch LC ,ký hiệu Ta có : 1 o LC   và 1 2 of LC  Đáp ứng tần số dùng mạch thượng thông dùng LC cho thấy khoảng tầ số f>fo thì A=1 ,f=fo thì A-> ,khi f<fo thì biên độ giảm nhanh vì A tỉ lệ với bình phương của  . 4.4.1 Mạch lọc thông cao LC bậc 1: 4.4.1.1 Thiết kế : Sơ đồ mạch L 1 2 RL C Vo Vi Sinh viên tự chứng minh hàm truyền: H 2 1 1 1 1 LLC j R C     Đặt 2 1 1 1 L X X X LC jR C      Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 45 2 2 2 1 1 1 14 4 4 L L b ac jR C LC R C LC                   2 1 1 1 1 4 1 2 L LjR C R C LC X LC         2 2 1 1 1 4 1 2 L LjR C R C LC X LC         Với 1 1 LR C   là hệ số tổn hao của mạch 2 1 LC   tần số cắt của mạch 4.4.2 Mạch lọc thông cao LC bậc 2: 4.2.1 Thiết kế Sơ đồ mạch C L 1 2 1 2 RL C Vo I I1 IL Vi Sinh viên tự chứng minh hàm truyền C. Phần thực hành: I. Mạch lọc thông thấp RC bậc 1: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= Ri 1k 0 C1 0.01u RL 1k V1 1Vac 0Vdc R1 50 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 46 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng II. Mạch lọc thông thấp RC bậc 2: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= C1 0.01u Ri 50 0 V1 1Vac 0Vdc R2 1k RL 1k R1 1k C2 0.01u 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 47 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng III. Mạch lọc thông cao RC bậc 1: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= C 0.01u R 10k V1 1Vac 0Vdc 0 Ri 50 RL 1k 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 48 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng IV. Mạch lọc thông cao RC bậc 2: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= RL 1k C2 0.01u R1 10k C1 0.01u Ri 50 V1 1Vac 0Vdc 0 R2 10k 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 49 V. Mạch lọc thông thấp LC bậc 1: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= L1 0.2uH 1 2 0 V1 1Vac 0Vdc RL 100 C1 220p 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng VI. Mạch lọc thông thấp LC bậc 2: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 50 L2 0.2uH 1 2 C2 220p L1 0.2uH 1 2 V1 1Vac 0Vdc 0 RL 100 C1 220p 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng VII. Mạch lọc thông caoLC bậc 1: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= V1 1Vac 0Vdc C1 4700p RL 100 L1 0.2uH 1 2 0 Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 51 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng VIII. Mạch lọc thông caoLC bậc 2: 1> Tính toán lý thuyết Tính độ lợi Av= iv v0 . Tần số cắt fc= L1 0.2uH 1 2 C2 220p 0 C1 220p RL 100 V1 1Vac 0Vdc L2 0.2uH 1 2 2> Lắp ráp mạch, đo đạc đáp ứng giá trị thực tế của mạch Tín hiệu vào vi = Tần số f Tín hiệu ra V0 Bài 4: Khảo sát đáp ứng của mạch lọc thụ động 52 Độ lợi Av= iv v0 Độ lợi Av (dB) 3> Chạy mô phỏng Pspice để xác định kết quả Vẽ biểu đồ hàm truyền Av (thang dB) theo giá trị tính toán lý thuyết (Av1 biểu đồ 1), đo thực nghiệm (Av2 biểu đồ 2) và mô phỏng (Av3 biểu đồ 3) 4> Đánh giá kết quả: Lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm a> Nhận xét sự khác nhau giữa biểu đồ 1 và biểu đồ 2: Kết quả giữa tính toán lý thuyết và đo thực nghiệm b> Nhận xét sự khác nhau giữa 3 biểu đồ 1, 2 và 3: Kết quả giữa tính toán lý thuyết, đo thực nghiệm và mô phỏng Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 54 Bài 5: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH LỌC TÍCH CỰC A. Thiết bị sử dụng: - Modul thí nghiệm - Dao động ký, VOM - Dây nối - Máy phát sóng sin - Máy tính có phần mềm Orcad B. Lý thuyết cơ bản 1. Giới thiệu mạch lọc: Mạch lọc là lọc lấy khoảng tần số mong muốn khi cho một dãy tần số qua nó. 2. Phân loại mạch lọc: Dựa vào các đáp ứng tần số thường gặp và các đáp ứng biên độ nên mạch lọc được phân loại thành: Mạch lọc thông thấp(LPF - Lowpass Filter). Mạch lọc thông cao(HPF - Highbass Filter). Mạch lọc thông dãi(BBF - Bandpass Filter) Mạch lọc chắn dãi(BRF - Band Reject Filter) 2.1. Mạch lọc thông thấp: là mạch lọc mà nó sẽ lọc lấy những tần số thấp ta mong muốn. 2.1.1. Mạch lọc thông thấp dùng RC: C 0 R Vi 0 0 Vo Đáp ứng tần số: Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 55 Hình trên là đáp ứng mạch lọc thấp qua và đáp ứng tần số minh hoạ của mạch. Tần số cắt của mạch lọc trên là: RC fc   2 1 Ở tần số cắt điện áp ra co biên độ là 2 i o V V  Nguyên lí hoạt động của mạch trên là : do hàm Vi biến thiên theo thời gian nên điện trở trên R và tụ C cũng biến thiên theo thời gian.Lúc đó: Vi(t) =VR (t) + Vc(t) Xét mạch điện ở trường hợp điện áp vào Vi, có tần số fi rất cao so với tần số cắt fc. lúc đó dung kháng Xc sẽ có giá trị rất nhỏ. Như vậy điện áp ra Vo (t) là tích phân của điện áp vào Vi (t). Điều kiện của mạch là : Ci ff  2.1.2. Mạch lọc lowpass dùng RL: Ta có thể dùng điện trở R kết hợp với cuộn cảm L để tạọ thành các mạch lọc thay cho tụ C. Do tính chất của L và C ngược nhau đối với tần số nên mạch lọc thấp qua và cao qua khi dùng RL có cách mắc ngược với RC. 0 Vo 0 L1 0 Vi R1 Mạch lọc dùng RL đáp ứng việc lọc thông thấp tần số cắt được xác định là: L R fC   2 Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 56 2.1.3. Mạch lọc lowpass dùng LC: Cuộn cảm và tụ điện C là hai linh kiện thụ động có nhiều đặc tính ngược nhau, nhưng khi kết hợp lại sẽ tạo thành mạch lọc rất hiệu quả. Vi 0 C1 L1 1 2 0 0 Vo 2.1.4. Mạch lọc thông thấp bậc 1 của butterworth: Hình dưới đây mô tả một mạch lọc lowpass của butterworth. Điện trở R1 và RF xác định độ lợi của mạch lọc. Theo qui luật chia điện áp, điện áp tại v1 được xác định: 00 RL 10k V2 V1 Vin 0 0 Vo 15Vdc R1 10k C 0.01u R 16k RF 10k 2 3 4 11 1 - + V + V - OUT Sơ đồ mạch lọc lowpass bậc 1 của butterworth Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 57 Đáp tuyến tần số in C C v jXR jX v   1 Cfj jX C ..2 1   in in v CRfj v v ...21 1   Điện áp ra 1 1 0 1 v R R v F        CRfj v R R v inF ...21 1 1 0                 H F in f f j A v v 1 0        1 1 R R A FF Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 58 CR fH ..2 1   Độ lớn và pha của độ lợi:         H F in f f j A v v 1 0         Hf f1tan Tại tần số rất thấp, f<fH thì F in A v v 0 Tại tần số f = fH thì 2 0 F in A v v  Tại tần số f>fH thì F in A v v 0 2.1.5. Mạch lọc thông thấp bậc 2 của butterworth: R2 33k RL 10k R3 33k RF 16k 0 Vin 0 Vo 15Vdc 0 0 2 3 4 1 1 1 - + V + V - OUT C3 0.0047u R1 27k C2 0.0047u Sơ đồ mạch lọc lowpass bậc 2 của butterworth Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 59 Bậc 2 của mạch lọc rất quan trọng bởi vì các tầng cao hơn được thiết kế dựa vào nó. Độ lợi của nó được đặt bởi R1 và RF, tần số cắt được quyết định bởi R2, C2, R3, và C3, như sau: 32322 1 CCRR fH   Độ lợi của bậc thứ 2 mạch lọc lowpass butterworth được tính: Với 1 F 1 R R A F = độ lợi của lọc. f = tần số của tín hiệu (Hz), fH là tần số cắt(Hz) 32322 1 CCRR f H   Để thiết kế được tầng thứ 2 của mạch lọc lowpass butterworth phù hợp với tầng thứ nhất ta phải tuân theo các quy tắc sau: Chọn giá trị tần số cắt trên fH. Để đơn giản cho việc thiết kế, ta chọn R2 =R3 = R và C2 = C3 = C. Sau đó chọn 2 giá trị của FC 1 . Tính giá trị của R dựa vào công thức: Cf R H.2 1   Cuối cùng vì giá trị của R2 =R3 và C2 =C3, độ lợi 1F 1 RRA F của bậc 2 mạch lọc gần bằng 1.586. Khi đó RF = 0.586R1. Độ lợi này là cần thiết để đáp ứng cho mạch. Ta chọn  kR 1001 và tính giá trị cho RF. 2.2. Mạch lọc highpass dùng RC: 0 Vo 00 Vi C1 R1 Đáp ứng tần số: 2 1         H F f f A Vin Vo Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 60 Tần số cắt của mạch lọc highbass dùng RC là: RC fc   2 1 2.2.1. Mạch lọc thông cao bậc 1 của butterworth: Một mạch lọc highbass bậc 1 thì đưọc thiết kế từ một mạch lọc lowpass bậc 1. Hình dưới đây mô tả mạch lọc highbass bậc 1 của butterworth với một tần số cắt dưới fL: Để thiết kế bậc một của mạch lọc highpass butterworth ta dựa vào các kết quả sau: Điện áp ngõ ra: in F V CRfj CRfj R R Vo ..21 ..2 1 1                                       L L in f f j f f j A V Vo 1 F Trong đó ! F 1 R R A F = độ lợi của mạch lọc f là tần số của tín hiệu ngõ vào RC f L 2 1  là tần số cắt dưới của tín hiệu Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 61 RF 10k V2 V1 Vin 0 0 Vo 15Vdc 0 RL 10k 2 3 4 11 1 - + V + V - OUTC 0.01u R1 10k R 16k 0 Sơ đồ mạch lọc highbass bậc 1 của butterworth 2)(1 )( L L F f f f f A Vin Vo   2.2.2. Mạch lọc thông cao bậc 2 của butterworth: Như trong trường hợp của lọc bậc 1, lọc highbass bậc 2 co thể được thiết kế từ một mạch lọc lowpass bậc 2 đơn giản bởi việc chỉ thay đổi tần số, xác định rõ điện trở và tụ điện. Hình vẽ dưới đây sẽ minh họa mạch lọc thông cao bậc 2: 0 RL 10k R3 33k Vo 15Vdc RF 16k 0 R2 33k 00 R1 27k C4 0.0047u Vin C5 0.0047u 2 3 4 11 1 - + V + V - OUT Sơ đồ mạch lọc highbass bậc 2 của butterworth Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 62 Đáp tuyến tần số 2.3. Mạch lọc thông dãi: là mạch lọc mà nó sẽ lọc lấy một khoảng tần số ta mong muốn. Một mạch lọc thông dãi sẽ cho qua dãi thông giữa 2 tần số cắt fL và fH. Bất kỳ tần số nào dãi này đều bị suy giảm. Cơ bản, có 2 lọai loại mạch lọc thông dãi gồm mạch lọc thông dãi rộng và thông dãi hẹp. Chúng ta sẽ xác định được thông dãi rông nếu Q10 thì gọi đó là thông dãi hẹp. Mối quan hệ giữa Q(hệ số đặc tính),băng thông(dB) và tần số trung tậm fC là: CH CC ff f BW f Q   CHC fff . fH là tần số cắt trên. Bài 5: Khảo sát đáp ứng tần số của mạch lọc tích cực 63 f L là tần số cắt dưới. Mạch lọc thông dãi rộng: Mạch lọc thông dãi được thiết kế dựa trên mạch lọc thông thấp và thông cao. Ngoài ra, bậc của mạch lọc thông dãi phụ thuộc vào bậc của mạch lọc thông thấp và thông cao.