Tài liệu Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ----- ---- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Huế - 2016 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ----- ---- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS. NGUYỄN VĂN ÂN Huế - 2016 1 LỜI CẢM ƠN Với sự phân công của Khoa Điện Tử - Viễn Thông và sự đồng ý của thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Ân đã cho phép em thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự “. Để thực hiện đề tài này, em xin chân thành cám ơn các thầy cô đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện tại trường Đại học Khoa học Huế. Xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Ân đã tận tình, chú đáo giúp em hoàn thành đồ án này tốt nghiệp này. Mặc dù có nhiều cố gắng đề thực hiện đồ án hoàn chỉnh nhất. Song do ban đầu làm quen với nghiên cứu khoa học, bên cạnh đó sự hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm không tránh khỏi những thiếu sót mà bản thân chưa nhìn ra được. Kính mong sự góp ý của quý thầy, cô và các bạn để đồ án được hoạn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn. Huế, tháng 5 năm 2016 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................i MỤC LỤC........................................................................................................................ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................iv DANH SÁCH CÁC BẢNG...........................................................................................vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................viii MỞ ĐẦU...........................................................................................................................1 CHƯƠNG1 MẠCH LỌC TÍCH CỰC......................................................................2 1.1. Khái niệm mạch lọc tần số .................................................................................2 1.1.1. Khái niệm............................................................................................................2 1.1.2. Phân loại..............................................................................................................2 1.2. Mạch lọc tích cực ...............................................................................................2 1.2.1. Khái niệm............................................................................................................2 1.2.2. Mạch lọc thông cao.............................................................................................2 1.2.3. Mạch lọc thông thấp (Low Pass Filter)...............................................................6 1.2.4. Mạch lọc thông dải (Bandwith Filter)..............................................................10 1.2.5. Mạch lọc thông cắt............................................................................................14 CHƯƠNG2 MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG..................................................................17 2.1. Khái niệm..........................................................................................................17 2.1.1. Khái niệm..........................................................................................................17 2.1.2. Phân loại mạch lọc thu động.............................................................................17 2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm....................................................................................17 2.2. Mạch lọc RC .....................................................................................................17 2.2.1. Mạch lọc thông cao...........................................................................................17 3 2.2.2. Mạch lọc thông thấp..........................................................................................19 2.2.3. Mạch lọc thông dải............................................................................................20 2.3. Mạch lọc LC......................................................................................................21 2.3.1. Mạch lọc thông cao...........................................................................................21 2.3.2. Mạch lọc thông thấp..........................................................................................22 2.4. Mạch lọc LRC...................................................................................................23 2.4.1. Mạch lọc thông cao...........................................................................................23 2.4.2. Mạch lọc thông thấp..........................................................................................24 2.4.3. Mạch lọc thông dải............................................................................................25 2.4.4. Mạch lọc thông cắt............................................................................................25 CHƯƠNG3 THIẾT KẾ MẠCH LỌC RC THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO.....27 3.1. Thiết kế..............................................................................................................27 3.1.1. Mạch lọc RC thông cao.....................................................................................27 3.1.2. Mạch lọc RC thông thấp...................................................................................29 3.2. Sơ đồ nguyên lý.................................................................................................32 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý.................................................................................................32 3.2.2. Nguyên lý hoạt động.........................................................................................32 3.3. Sơ đồ mạch in:...................................................................................................34 KẾT LUẬN.....................................................................................................................36 TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................37 4 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1. HPF không đảo bậc 1.......................................................................................3 Hình 1-2. HPF đảo bậc 1..................................................................................................3 Hình 1-3. Mạch lọc thông cao bậc 2.................................................................................5 Hình 1-4. Mạch lọc thông cao bậc 2 khi C1=C2=C.........................................................5 Hình 1-5. LPF bậc 1 không đảo........................................................................................7 Hình 1-6. LPF bậc 1 đảo...................................................................................................7 Hình 1-7. Sơ đồ tổng quát mạch lọc thông thấp bậc 2.....................................................8 Hình 1-8. Mạch lọc thông thấp bậc 2 đa hồi tiếp.............................................................9 Hình 1-9. Mạch Sallen-Key BPF....................................................................................11 Hình 1-10. Mạch lọc thông dãi đa hồi tiếp.....................................................................12 Hình 1-11. Mạch lọc Twin-T...........................................................................................14 Hình 1-12. Mạch lọc Wien-Robinson.............................................................................15 Hình 2-2-1. Mạch lọc RC thông cao cơ bản...................................................................18 Hình 2-2-2. Dạng sóng vào ra mạch lọc RC thông cao.................................................18 Hình 2-2-3. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông cao................................18 Hình 2-2-4. Mạch lọc RC thông thấp cơ bản.................................................................19 Hình 2-2-5. Dạng sóng vào ra của mạch lọc RC thông thấp.........................................20 Hình 2-2-6. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông thấp...............................20 Hình 2-2-7. Mạch lọc RC thông dãi...............................................................................20 Hình 2-8. Đặc tuyến truyền đạt của mạch RC lọc thông dãi.........................................21 Hình 2-9. Mạch lọc LC thông cao..................................................................................21 Hình 2-10. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc LC thông cao..................................22 Hình 2-11. Mạch lọc LC thông thấp...............................................................................22 Hình 2-12. Quan hệ điện áp vào ra mạch lọc LC thông thấp. ......................................23 5 Hình 2-13. Mạch lọc thông cao RLC.............................................................................24 Hình 2-14. Mạch lọc thông thấp RLC............................................................................24 Hình 2-15. Mạch lọc thông dãi RLC..............................................................................25 Hình 2-16. Mạch lọc thông cắt RLC..............................................................................25 Hình 3-1: Mạch lọc RC thông cao bậc 1........................................................................27 Hình 3-2: Mạch lọc RC thông cao bậc 2........................................................................27 Hình 3-3: Mạch lọc RC thông cao bậc 3........................................................................28 Hình 3-4. Đồ thị quan hệ giữa điện áp vào và ra mạch lọc thông cao...........................29 Hình 3-5: Mạch lọc RC thông thấp bậc 1.......................................................................29 Hình 3-6: Mạch lọc RC thông thấp bậc 2.......................................................................30 Hình 3-7: Mạch lọc RC thông thấp bậc 3.......................................................................30 Hình 3-8. Đồ thị quan hệ giữa điệp áp vào và điện áp ra mạch lọc RC thông thấp......31 Hình 3-9. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp và thông cao sử dụng RC..................32 Hình 3-10: Sơ đồ mạch in...............................................................................................35 . 6 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1-1. Hàm truyền của mạch LPF đảo và không đảo bậc 1.......................................7 Bảng 3-1. Kết quả đo điện áp các mạch lọc thông cao..................................................28 Bảng 3-2. Kết quả đo điện áp ra các mạch lọc thông thấp.............................................31 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải Dịch nghĩa BPF Bandwith Pass Fitter Mạch lọc thông dải HPF Hight Pass Fitter Mạch lọc thông cao LPF Low Pass Fitter Mạch lọc thông thấp MFB Multiple FeedBack Đa hồi tiếp 1 MỞ ĐẦU Với sự phát triển của nền kinh tế thế giới với nhiều ngành kinh tế, và không thể thiếu sự phát triên của nền kinh tế nước ta. Trong ngành công nghiệp điện tử là ngành phát triển nhanh với nhiều loại hình. Do đó nhu cầu đời sống của con người sẽ tăng lên, đây cũng là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện tử. Yêu cầu đặt ra càng khắc khe và đòi hỏi tính thẩm mỹ, gọn nhẹ và phù hợp với nhu cầu của con người hiện nay. Thật vậy, hiện nay đồ dùng điện tử đã trở thành một thứ không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Ví dụ như cái điện thoại di động, ti vi… Các đồ dùng điện tử thông minh ngày càng nhanh chóng phát triển thay thế các đồ dùng đã quá lạc hậu. Sau thời gian học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong Khoa Điện Tử - Viễn Thông trường Đại học Khoa học Huế, em đã có được vốn kiến thức nhất định. Được sự đống ý của Khoa em được giao để tài “Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự”. Đồ án tốt nghiệp của em gồm 3 chương: Chương 1: Mạch lọc tích cực Chương 2: Mạch lọc thụ động Chương 3: Thiết kế mạch lọc RC thông thấp và thông cao Bằng sự nổ lực của bản thân và sự tận tình hướng dẫn của thầy hướng dẫn Th.S Nguyễn Văn Ân em đã hoàn thành đồ án đúng thời gian. Do sự hạn chế với thời gian và kiến thức nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Rất mọng sự góp ý của quý thầy, cô trong Khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn Th.S Nguyễn Văn Ân, quý thầy, cô trong Khoa và các bạn đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Huế, tháng 5 năm 2016 2 CHƯƠNG 1 MẠCH LỌC TÍCH CỰC 1.1. Khái niệm mạch lọc tần số 1.1.1. Khái niệm Là mạch chọn lọc lấy tín hiệu trong một hay một số khoảng tần số nào đó (dãi thông), còn các tín hiệu ở tần số khác sẽ bị loại trừ.(1) 1.1.2. Phân loại(1) a)      Phân loại theo tác dụng: Mạch lọc thông cao Mạch lọc thông thấp Mạch lọc thông dải Mạch lọc thông cắt Mạch lọc pha b) Phân loại theo linh kiện:  Mạch lọc tích cực  Mạch lọc thụ động 1.2. Mạch lọc tích cực[ CITATION Bobda2005dad \l 1033 ] 1.2.1. Khái niệm Là mạch lọc được xây dựng từ các phần tử R, C với các bộ khuếch đại thuật toán. Các mạch lọc tích cực làm việc ở tần số thấp (<100Khz) nhưng nó hoạt động rất ổn định. Tuy nhiên khi tần số tăng lên thì các bộ khuếch đại sẽ gây ra sự lệch pha giữa tín hiệu vào và ra làm mất tính chất của bộ lọc. 1.2.2. Mạch lọc thông cao a) Hàm truyền của mạch lọc thông cao - Hàm truyền tổng quát 3 A( s )   i -  i A a b (1  i  2i ) s s Hàm truyền của 1 bộ lọc đơn bậc 1 A(s )  A0 a 1 i s b) Bộ lọc thông cao bậc 1 - A là độ lợi Hàm truyền của 1 bộ lọc đơn trong chế độ nội tầng Ai (s )  - A a b (1  i  2i ) s s Sơ đồ mạch Hình 1- 1. HPF không đảo bậc 1. 4 Hình 1- 2. HPF đảo bậc 1. - Hàm truyền 1 A( s )  1 HPF không đảo: R2 R3 1 . 1 c R1C1 s R2 R1 A( s )  1 1 1 . c R1C1 s HPF đảo: - Các hệ số A  1  HPF không đảo: A   HPF đảo: a1  - R2 R3 R2 R1 1 c R1 R2 Tính toán: xác định tần số gãy fc, độ lợi A , tụ C1, từ đó tính ra R , R 1 2 5 R1  1 2 f c a1C1 R2 có giá trị bằng R3 ( A  1) với HPF không đảo và bằng  R1 A với HPF đảo. c) Bộ lọc thông cao bậc 2 - Sơ đồ mạch Hình 1- 3. Mạch lọc thông cao bậc 2. - Hàm truyền A( s)  A R (C  C )  R1C2 (1   ) 1 1 1 1 2 1 1 .  2 . 2 c R1 R2C1C2 s c R1R2C1C2 s Nếu chọn C1 = C2 =C thì mạch trở thành Hình 1- 4. Mạch lọc thông cao bậc 2 khi C1=C2=C. A  1  R4 R3 6 A( s )  Và hàm truyền - 1 1 2 1 1 1 .  2 . 2 2 c R1C s c R1 R2C s Các thông số A =1 - a1  2 c R1C b1  1 c2 R1R2C 2 Tính toán: cho C thì ta có thế tính được R1 và R2 R1  1  f cCa1 R2  a1  f cCb1 d) Mạch lọc HPF bậc cao Để đạt được đặt tính lọc có độ dốc lớn mong muốn, chúng ta thiết kế bộ lọc có bậc cao bằng cách nối tầng bộ lọc bậc 1 với bộ lọc bậc 2 (nối tiếp). 1.2.3. Mạch lọc thông thấp (Low Pass Filter) a) A( s)  Hàm truyền của mạch lọc thông thấp  A0 (1  ai s  bi s 2 ) Q i Trong đó ai b và i là các hệ số của mạch lọc. bi ai 7 Q là hệ số phẩm chất. Độ dốc đặc tuyến tần số -n*20dB/decade (n là bậc của bộ lọc). - Hàm truyền cho 1 giai đoạn đơn: Ai ( s)   A0 (1  ai s  bi s 2 ) i - Hàm truyền cho mạch lọc bậc 1: A( s)  b) - A0 1  a1s Mạch lọc thông thấp bậc 1 Sơ đồ mạch Hình 1- 5. LPF bậc 1 không đảo. Hình 1- 6. LPF bậc 1 đảo. - Hàm truyền Bảng 1-1. Hàm truyền của mạch LPF đảo và không đảo bậc 1 LPF bậc 1 không đảo LPF bậc 1 đảo 8 R2 R3 A( s )  1  c R1Cs R2 R1 A( s )  1  c R2Cs 1 A0  1   R2 R3 A0   a1  c R2C a1  c R1C - Tính toán: xác định tần số gãy (fc), độ lợi R1  + LPF không đảo: R2  + LPF đảo: R2 R1 a1 2 f cC a1 2 f cC và R1   và A0 , tụ C từ đó tính ra R1, R2. R2  R3 ( A0  1) R2 A0 c) Mạch lọc thông thấp bậc 2 - Sơ đồ tổng quát Hình 1- 7. Sơ đồ tổng quát mạch lọc thông thấp bậc 2. Hàm truyền: A( s)  A0 1  c [C1 ( R1  R2 )  (1  A0 ) R1C2 ]s   2 R1 R2C1C2 s 2 9 Với - 2 b   R1R2C1C2 1 và A0 =1, a1  c C1 ( R1  R2 ) Tính toán: chọn giá trị C1, C2 thỏa mãn C2  C1 4b1 a12 Khi đó: a1C2 m a12C22  4b1C1C2 R1,2  4 f c C1C2 Nếu chọn R1  R2  R và C1  C2  C thì: + Hàm truyền tổng quát: A( s)  A0 1  c RC (3  A0 ) s  (c RC ) 2 s 2 + Các hệ số mạch lọc: a1  c RC (3  A0 ) b1  (c RC )2 + Tính toán: cho C, tìm R và R b1 2 f c C A0 : A0  3  a1 1  3 Q b1 d) LPF Multiple Feedback topology (MFB) - Sơ đồ mạch A0  1  R4 R3 10 Hình 1- 8. Mạch lọc thông thấp bậc 2 đa hồi tiếp. - Hàm truyền: R2 R1 A( s )   RR 1  cC ( R2  R3  2 3 ) s  c2C1C2 R1R2 R3s 2 R1 - Các hệ số: A0  R2 R1 a1  cC ( R2  R3  R2 R3 ) R1 b1  c2C1C2 R1R2 R3 - Tính toán: cho C1 và C2 thỏa mãn C2  C1 4b1 (1  A0 ) a12 Khi đó: R2  a1C2  a12C12  4b1C1C2 (1  A0 ) 4 f cC1C2 11 R1  R2  A0 R3  b1 4 2 f c2C1C2 R2 e) Mạch lọc thông thấp bậc cao Để thiết kế những mạch lọc cao hợn bậc 2, ta có thể thiết kế bằng cách nối tiếp mạch lọc bâc 1 với mạch lọc bậc 2 một cách thích hợp. Ví dụ như muốn tạo ra mạch lọc bậc 5 ta có thể dùng 2 mạch lọc bậc 2 và 2 mạch lọc bậc 1 nối tiếp nhau. 1.2.4. Mạch lọc thông dải (Bandwith Filter) a) Mạch lọc thông dải bậc 2 Hàm truyền tổng quát: A( s)  A0 ..s 1  .s  s 2 Trong đó  danh định m  1. 2  1 . là băng thông danh định được xác định: Sơ đồ mạch Hình 1- 9. Mạch Sallen-Key BPF. - với tần số giữa Mạch lọc thông dải một hồi tiếp  -    2  1 Hàm truyền