Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
1/8
11
Mạch kẹp và mạch
giao hoán
11-1 Mạch kẹp
Một công việc thường được thực hiện đối với các tín hiệu tuần hoàn là đặt lại vị trí của đỉnh
dương hoặc đỉnh âm của tín hiệu đến một mức tham khảo
R
V nào đó. Các mạch thực hiện việc này
được gọi là mạch kẹp (clampping circuit). Nói chung, bất cứ khi nào một điểm trong mạch được kết
nối qua một trở kháng thấp đến một nguồn tham khảo
R
V, ta nói là điểm đó được kẹp tại điện áp
R
V, vì điện áp của điểm này sẽ không thể quá sai lệch so với
R
V. Mạch diode trong hình 10-2 là
một ví dụ của mạch kẹp như vậy vì ngõ ra bị kẹp tại
R
V bất cứ khi nào ngõ vào vượt quá
R
V. Trong
các mạch này, chỉ một chiều thay đổi của điện áp là bị kẹp nên ta gọi chúng là các mạch kẹp một
chiều. Hai diode có thể được dùng để tạo nên mạch kẹp hai chiều.
Như ta đã biết, khi một tín hiệu được đưa qua một mạch bằng cách ghép tụ, thành phần dc của
tín hiệu sẽ bị mất. Trong những trường hợp này, mạch kẹp thường được dùng để phục hồi thành
phần dc, do đó nó còn có tên là mạch tái tạo dc.
11-1-1 Dạng sóng
Xét hình 11-1, bao gồm một nguồn
i
v với nội trở có thể bỏ qua, một tụ và một diode D. Giả
sử là diode lý tưởng, tức là điểm gián đoạn của nó xảy ra tại
0 V
và điện trở phân cực thuận là
không. Tín hiệu vào là một sóng sin bắt đầu tại
0t
=
. Tụ
C
không mang điện tích tại
0t=
. Ta sẽ
tìm dạng sóng ngõ ra
o
v
trên diode.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
2/8
Trong một phần tư chu kỳ đầu tiên, tín hiệu vào tăng từ không đến giá trị tối đa
m
V. Diode là lý
tưởng nên áp rơi trên nó là không. Kết quả là trong suốt một phần tư chu kỳ đầu tiên,
Ai
vv
=
. Điện
áp trên tụ C tăng theo hình sin, tụ nạp điện thông qua nguồn và diode. Như vậy, lúc này
o
v là
không. Tại cuối của khoảng thời gian này áp rơi trên tụ là
Am
vV
=
.
Sau một phần tư chu kỳ này, tín hiệu bắt đầu giảm xuống, điện áp trên tụ không thể bám theo
tín hiệu vào vì tụ không thể xả thông qua diode lúc này đang bị phân cực ngược. Điện áp trên tụ
tiếp tục duy trì là
Am
vV
=
, điện áp ngõ ra là
oim
vvV
=
−
. Trong suốt các chu kỳ tiếp theo, đỉnh
dương của tín hiệu ra chỉ có thể đạt đến không. Diode không bao giờ dẫn trở lại và đỉnh dương của
tín hiệu ra bị kẹp tại không.
Giả sử là sau khi đạt đến trạng thái xác lập, biên độ tín hiệu vào tăng lên. Khi đó, trong suốt
một phần tư chu kỳ đầu tiên, diode sẽ lại dẫn. Điện áp dc trên tụ C sẽ lại tăng và một lần nữa đỉnh
dương của tín hiệu ra sẽ bị kẹp lại tại mức không. Nhưng nếu biên độ của tín hiệu vào giảm xuống
thì điều gì sẽ xảy ra? Trong trường hợp này, rõ ràng là điện áp dc trên tụ cần phải giảm theo nhưng
trong mạch hình 11-1 không có cách nào để làm được điều này. Để điện áp trên tụ có thể giảm, cần
có một điện trở mắc shunt với tụ hoặc qua diode. Trong trường hợp thứ hai, tụ sẽ xả thông qua một
mạch nối tiếp gồm điện trở shunt của diode và nội trở nguồn.
Mạch hình 11-2(a) trình bày trường hợp có điện trở
R
. Hình 11-2(b) vẽ dạng sóng ngõ ra cho
trường hợp biên độ tín hiệu vào hình sin đột ngột giảm xuống. hai chu kỳ đầu tiên tương ứng với
giai đoạn xác lập trước đó. Tại thời điểm
1
tt
=
, biên độ tín hiệu đột ngột giảm xuống. Vì tụ không
thể xả một cách nhanh chóng, đỉnh dương của ngõ ra giảm xuống dưới không một chút trước khi bị
kẹp lại tại 0 V . Điện áp trên tụ C giảm dần theo hàm mũ khi tụ xả và sau một vài chu kỳ, đỉnh
dương sẽ bằng không trở lại. Trong trường hợp này, không giống với trường hợp không có
R
, có
dòng chảy qua tại mỗi đỉnh dương. Ngay cả khi điện áp trên tụ giảm đến giá trị làm cho đỉnh dương
đạt đến không tụ vẫn tiếp tục xả thông qua
R
và nội trở nguồn. Lúc này diode sẽ hỗ trợ cho tụ
Hình 11-1
(a) Mạch kẹp cơ bản; (b) Tín hiệu vào hình sin được đặt vào tại thời điểm
0t=; (c) Dạng sóng ngõ ra.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
3/8
điện. Vì tụ xả chậm nên diode không phải luôn dẫn mà chỉ cần dẫn trong một phần nhỏ của chu kỳ
để nạp lại cho tụ các điện tích bị mất.
Ta thử xem dạng sóng xung quanh đỉnh dương khi diode dẫn. Phần dạng sóng này được trình
bày trên hình 11-2(c). Nếu không có diode, tín hiệu sẽ đi theo đường đứt nét với đỉnh tại
2
tt
=
.
Nhưng nhờ diode, phần tín hiệu giữa
2
t và
'
2
t bị kẹp tại 0 V .
'
2
t là thời điểm tại đó tín hiệu sin vừa
đạt đến không. Để ít méo dạng, tụ phải bị mất ít điện tích trong quá trình xả, điều này đòi hỏi thời
hằng
R
C phải rất lớn khi so sánh với chu kỳ của tín hiệu.
11-2 Mạch kẹp khi xét đến điện trở diode và nội trở nguồn
Hình 11-3 là mạch đã được bổ sung nội trở nguồn
S
R
và một điện trở phân cực thuận cho
diode
f
. Điện trở
f
R
có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm ohms tùy theo loại diode được sử
dung. Nội trở nguồn có thể bỏ qua hoặc có thể lên đến vài ngàn ohms tùy theo nguồn. Giả sử là
điểm gián đoạn của diode V
γ
xảy ra tại 0 V .
Hình 11-2
(a) Mạch kẹp với điện trở xả. (b) Tại
1
tt
=
, biên độ ngõ vào đột ngột giảm xuống.
Ngõ ra tiến dần đến trạng thái xác lập. (c) Chi tiết của
o
v tại đỉnh dương đầu tiên.
Hình 11-3
Mạch kẹp khi tính cả nội trở
S
R
của nguồn.
Trong thời gian dẫn, diode là một điện trở
f
.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
4/8
Như ta sẽ thấy, độ chính xác của mạch tùy thuộc vào điều kiện
f
R
R. Để phân tích mạch ta
có thể vẽ mạch tương đương của mạch này khi cần tính
o
v như hình 11-4(a). Mạch hình 11-4(a)
được dùng khi diode dẫn và hình 11-4(b) được dùng khi diode không dẫn. Nếu
f
R
R
là không
đúng thì từ hình 11-4(a),
f
R
phải được thay bằng hai điện trở
R
và
f
R
mắc song song.Trong hình
11-4(b), nếu điện trở trong vùng tắt của diode không rất lớn hơn
R
thì điện trở
R
cũng phải được
thay bằng tổ hợp song song của hai điện trở. Trong một số trường hợp, trong mạch thật ra không có
R
, điện trở này có thể là điện trở phân cực ngược
r
R
của diode.
11-2-1 Dạng sóng quá độ
Bây giờ ta sẽ xem xét dạng sóng ngõ ra khi một tín hiệu đột ngột được đặt vào mạch và xem
mạch đạt đến trạng thái xác lập như thế nào. Sau một số chu kỳ, mạch sẽ đạt đến trạng thái xác lập
trong đó đỉnh dương sẽ bị kẹp tại không. Trong trường hợp đó ta sẽ dùng mạch tương đương như
hình 11-4 và xử lý như trong ví dụ sau.
Giả sử trong mạch hình 11-3, 100 , 10 k,
Sf
RR R== Ω= và
1 FC
µ
=
. Tại 0t
=
, một tín hiệu
sóng vuông đối xứng với biên độ 10 V , tần số 5 kHz được đặt vào mạch. Như được trình bày
trong hình 11-5, tín hiệu
s
v đi từ 0 V đến 10 V
+
. Hãy vẽ vài chu kỳ đầu tiên của dạng sóng ngõ
ra.
Để phân tích được mạch này, ta giả sử tụ C không tích điện ở thời điểm đầu. Dùng mạch
tương đương trong hình 11-4(a) ta có, tại lần nhảy lên 10 V đầu tiên của tín hiệu vào, ngõ ra nhảy
đến 5 V
+
. Ngõ ra sau đó suy giảm dần về không theo hàm mũ với thời hằng
()
200 s
Sf
RRC
τ
µ
=+ =
Vì chu kỳ
200 sT
µ
=
nên tại cuối nửa chu kỳ sóng vuông, tại thời điểm 2tT=, ngõ ra rơi
xuống đến
()
2
25 3 V
T
o
vt T e
τ
−
== =
.
Tại thời điểm này, vì điện áp trên
f
R
là
3 V
nên điện áp trên tụ là
4 V
. Tại thời điểm
2tT=+
, ngõ vào hạ xuống không, diode tắt và ta dùng hình 11-4(b). Trong mạch này, 4 V
A
v
=
và 0
S
v=, nếu bỏ qua
S
R
khi so sánh với
R
thì 4 V
o
v
=
− như trong hình 11-5. Ngõ ra sau đó lại
bắt đầu suy giảm về không. Tuy nhiên, thời hằng bây giờ là
10 k 1 F=10000 sRC
µ
µ
=
×
, tức là lớn
hơn 100 lần so với
2T
. Do đó độ suy giảm là có thể bỏ qua và không được chỉ ra trong hình.
Hình 11-4
Mạch tương đương của hình 11-2 để tính
o
v (a) khi diode dẫn, (b) khi
diode không dẫn. Giả sử là
r
f
R
RR

.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tủ
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
5/8
Vì trong khoảng 2tT= đến
tT=
điện áp trên tụ không thay đổi, nên tại thời điểm
tT
=
+
,
ngõ ra sẽ trở lại
3 V+
. Sau đó ngõ ra lại tiếp tục suy giảm về không. Phần suy giảm trong khoảng
tT= đến
32tT=
là một sự liên tục của phần trong khoảng 0t
=
đến
2tT=
. Nếu tắt cả các
đoạn suy giảm được ghép chung lại với nhau, chúng sẽ tạo nên một dạng sóng liên tục suy giảm
theo hàm mũ từ
5 V+
đến
0 V
.
Tại
32tT=
thì
12
31.8
o
ve
−
==
. Quá trình tính toán lại lặp lại như trên và kết quả được trình
bày trong hình. Các chu kỳ tiếp sau, dạng sóng đã xấp xỉ trạng thái xác lập khi đỉnh dương bị kẹp
tại giá trị xấp xỉ 0 V .
11-3 Mạch giao hoán với tải cảm
Trong hình 11-6 vẽ một transistor trong đó tải là một cuộn cảm
L
mắc song song với điện trở
R
. Dạng sóng với mức dc tùy ý trong hình 11-7(a) được đặt vào mạch. Khi đó transistor sẽ chuyển
từ trạng thái bão hòa sang trạng thái tắt. Điện trở
C
trong mạch collector được dùng để hạn dòng
trong trường hợp transistor bão hòa.
Hình 11-5
Ví dụ của quá trình
từ quá độ đến xác
lập trong mạch kẹp.
Hình 11-6
Transistor lái tải cảm.