Luận văn: Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự, HOT

EBOOKBKMT.COM
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------
LÊ VĂN LONG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC MẠCH LỌC TƯƠNG TỰ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Huế - 2016

EBOOKBKMT.COM
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
---------
LÊ VĂN LONG
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

i
EBOOKBKMT.COM
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
Sinh viên
LÊ VĂN LONG

ii
EBOOKBKMT.COM
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................................i
MỤC LỤC ................................................................................................................................ii
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ............................................................................................. iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 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
CHƯƠNG 2 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

iii
EBOOKBKMT.COM
2.2.2. Mạch lọc thông thấp ...............................................................................................19
2.2.3. Mạch lọc thông dải..................................................................................................20
2.3. Mạch lọc LC ............................................................................................................21
2.4. Mạch lọc LRC .........................................................................................................23
2.4.3. Mạch lọc thông dải..................................................................................................25
2.4.4. Mạch lọc thông cắt..................................................................................................25
CHƯƠNG 3 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 ........................................................................................30
3.2. Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................................34
3.2.1. Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................................34
3.2.2. Nguyên lý hoạt động...............................................................................................34
3.3. Sơ đồ mạch in:.........................................................................................................36
KẾT LUẬN ............................................................................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................39

iv
EBOOKBKMT.COM
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

v
EBOOKBKMT.COM
Hình 2-12. Quan hệ điện áp vào ra mạch lọc LC thông thấp. .........................................23
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 3-4. 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...........................................................................30
Hình 3-8. Đồ thị quan hệ giữa điệp áp vào và điện áp ra mạch lọc RC thông thấp. .....32
Hình 3-9. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp và thông cao sử dụng RC. .................34
Hình 3-10: Sơ đồ mạch in.....................................................................................................37
.

vi
EBOOKBKMT.COM
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

vii
EBOOKBKMT.COM
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
Sinh viên thực hiện
Lê Văn Long

2
CHƯƠNG 1 M
ẠCH 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 (2)
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
2
( )
(1 )i i
i
A
A s
a b
s s


 
A là độ lợi
- Hàm truyền của 1 bộ lọc đơn trong chế độ nội tầng

3
2
( )
(1 )
i
i i
i
A
A s
a b
s s


 
- Hàm truyền của 1 bộ lọc đơn bậc 1
0
( )
1 i
A
A s
a
s


b) Bộ lọc thông cao bậc 1
- Sơ đồ mạch
Hình 1-1. HPF không đảo bậc 1.
Hình 1-2. HPF đảo bậc 1.
- Hàm truyền

4
HPF không đảo:
2
3
1 1
1
( )
1 1
1 .
c
R
R
A s
R C s



HPF đảo:
2
1
1 1
( )
1 1
1 .
c
R
R
A s
R C s


- Các hệ số
HPF không đảo:
2
3
1
R
A
R
  
HPF đảo:
2
1
R
A
R
  
1
1 2
1
c
a
R R

- Tính toán: xác định tần số gãy fc, độ lợi A , tụ C1, từ đó tính ra R1, R2
1
1 1
1
2 c
R
f a C

2R có giá trị bằng 3 ( 1)R A  với HPF không đảo và bằng 1R A với HPF
đảo.
c) Bộ lọc thông cao bậc 2
- Sơ đồ mạch

5
Hình 1-3.Mạch lọc thông cao bậc 2.
- Hàm truyền
2 1 1 1 2
2 2
1 2 1 2 1 2 1 2
( )
( ) (1 ) 1 1 1
1 . .
c c
A
A s
R C C R C
R R C C s R R C C s

 


  
 
4
3
1
R
A
R
  
Nếu chọn 1C = 2C =C thì mạch trở thành
Hình 1-4.Mạch lọc thông cao bậc 2 khi C1=C2=C.
Và hàm truyền
2 2 2
1 1 2
1
( )
2 1 1 1
1 . .
c c
A s
R C s R R C s 

 
- Các thông số
A =1
1
1
2
c
a
R C

1 2 2
1 2
1
c
b
R R C

- Tính toán: cho C thì ta có thế tính được R1 và R2

6
1
1
1
c
R
f Ca

1
2
1c
a
R
f Cb

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) Hàm truyền của mạch lọc thông thấp
0
2
( )
(1 )i i
i
A
A s
a s b s

 
i
i
b
Q
a

Trong đó ia và ib là các hệ số của mạch lọc.
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:
0
2
( )
(1 )
i
i i
i
A
A s
a s b s

 
- Hàm truyền cho mạch lọc bậc 1:
0
1
( )
1
A
A s
a s


b) Mạch lọc thông thấp bậc 1
- Sơ đồ mạch

7
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
2
3
1
1
( )
1 c
R
R
A s
RCs



2
1
2
( )
1 c
R
R
A s
R Cs



2
0
3
1
R
A
R
  2
0
1
R
A
R
 
1 1ca R C 1 2ca R C
- Tính toán: xác định tần số gãy (fc), độ lợi 0A , tụ C từ đó tính ra R1, R2.
+ LPF không đảo:
1
1
2 c
a
R
f C
 và 2 3 0( 1)R R A 

8
+ LPF đảo:
1
2
2 c
a
R
f C
 và 2
1
0
R
R
A
 
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:
0
2 2
1 1 2 0 1 2 1 2 1 2
( )
1 [ ( ) (1 ) ]c
A
A s
C R R A R C s R R C C s 

    
Với 0A =1, 1 1 1 2( )ca C R R  và
2
1 1 2 1 2b R R C C
- Tính toán: chọn giá trị C1, C2 thỏa mãn
1
2 1 2
1
4b
C C
a

Khi đó:
2 2
1 2 1 2 1 1 2
1,2
1 2
4
4 c
a C a C bC C
R
f C C


Nếu chọn 1 2R R R  và 1 2C C C  thì:
+ Hàm truyền tổng quát:
0
2 2
0
( )
1 (3 ) ( )c c
A
A s
RC A s RC s 

  
4
0
3
1
R
A
R
 
+ Các hệ số mạch lọc:

9
1 0(3 )ca RC A 
2
1 ( )cb RC
+ Tính toán: cho C, tìm R và 0A :
1
2 c
b
R
f C
 1
0
1
1
3 3
a
A
Qb
   
d) LPF Multiple Feedback topology(MFB)
- Sơ đồ mạch
Hình 1-8. Mạch lọc thông thấp bậc 2 đa hồi tiếp.
- Hàm truyền:
2
1
2 22 3
2 3 1 2 1 2 3
1
( )
1 ( )c c
R
R
A s
R R
C R R s C C R R R s
R
 
 
   
- Các hệ số:
2
0
1
R
A
R

2 3
1 2 3
1
( )c
R R
a C R R
R
  
2
1 1 2 1 2 3cb C C R R R
- Tính toán: cho C1 và C2 thỏa mãn

10
1 0
2 1 2
1
4 (1 )b A
C C
a


Khi đó:
2 2
1 2 1 1 1 1 2 0
2
1 2
4 (1 )
4 c
a C a C bC C A
R
f C C
  

2
1
0
R
R
A


1
3 2 2
1 2 24 c
b
R
f C C R

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:
0
2
. .
( )
1 .
A s
A s
s s


  
Trong đó  là băng thông danh định được xác định: 2 1     với tần số giữa
danh định 1 2. 1m     .
 Mạch lọc thông dải một hồi tiếp
- Sơ đồ mạch

11
Hình 1-9. Mạch Sallen-Key BPF.
- Hàm truyền
2 2
.
( )
1 (3 ) ( )
m
m m
G RC s
A s
RC G s RC s

 

  
- Thông số:
+ Tần số giữa (mid-prequency):
1
2
mf
RC

+ Độ lợi (inner gain):
2
1
1
R
G
R
 
+ Độ lợi tại mf :
3
m
G
A
G


+ Hệ số phẩm chất (filter quality):
1
3
Q
G


Hệ số phẩm Q có thể thay đổi thông qua độ lợi G mà không cần hiệu chỉnh tần số
giữa fm. Nhưng Q và Am không thể hiệu chỉnh độc lập. Chú ý cẩn thận khi giá trị của G
= 3, sẽ làm cho Am có giá trị vô hạn, mạch sẽ dao động.
- Tính toán
1
1
2 m
R
f C

2
2 1 2 1
1
m
m
A Q
R
A Q
 
 


12
 Mạch lọc thông dải đa hồi tiếp
- Sơ đồ mạch:
Hình 1-10. Mạch lọc thông dải đa hồi tiếp.
- Hàm truyền:
2 3
1 3
21 3 1 2 3
1 3 1 3
.
( )
2
1 . ( . )
m
m m
R R
C s
R R
A s
R R R R R
C s C s
R R R R

 



 
 
- Thông số:
+ Tấn số giữa (mid-frequency):
1 3
1 2 3
1
2
m
R R
f
C R R R


+ Độ lợi tại mf :
2
12
m
R
A
R
 
+ Hệ số phẩm chất: 2mQ f R C
+ Băng thông:
2
1
B
R C

Mạch cho phép hiệu chỉnh Am, Q, fm độc lập. Hệ số băng thông và độ lợi không phụ
thuộc vào R3, nên R3 có thể dùng để hiệu chỉnh tần số giữa mà không ảnh hưởng gì
đến băng thông hay độ lợi. Nếu Q có giá trị nhỏ thì bộ lọc có thể làm việc mà không
có R3, tuy nhiên khi đó Q sẽ phụ thuộc vào Am thông qua biểu thức:
2
2mA Q 

13
b) Mạch loc thông dải bậc 4
2 2
1
( ) .
1
1 ( ) 1 . ( )
m mi
i i
i
A A s
s
Q Q
A s
s s s
s
Q Q




 

   
Trong đó : Ami là độ lợi ở tần số giữa fmi của mỗi 1 phần bộ lọc. Qi là hệ số phẩm cực
của mỗi 1 phần bộ lọc. f, 1/f là hệ số. Được dùng trong biểu thức xác định tần số giữa
của mỗi bộ lọc riêng lẻ. fm1, fm2 lấy từ tần số giữa fm của bộ lọc tổng.
- Hàm truyền cụ thể
2 2
0
1
2
2 3 41 1
1 1 1
.
( )
1 . [2 ].s .
s A
b
A s
a a
s s s
b b b



      
Trong đó hệ số  được tính:
2
2 21
2 2
1 1
. . 1
[ ] 2 0
(1 )
a
b b


 
 
    

Với a1, b1 là các hệ số của bộ lọc thông thấp bậc 2 của loại bộ lọc mong muốn. Để
đơn giản trong thiết kế bộ lọc, bảng 2 cung cấp hệ số f cho 3 hệ số phẩm khác nhau:
Q=1,
Q=10, Q=100.
- Tính toán: mạch lọc thông dãi bậc 4 thật ra là 2 mạch lọc bậc 2 nối tiếp
nhau.
+ Tần số của các mạch lọc bậc 2
1
m
m
f
f

 (mạch lọc 1)
2 .m mf f  (mạch lọc 2)
+ Hệ số phẩm chất Qi

14
2
1
1
(1 )
.
.
i
b
Q Q
a




+ Độ lợi:
1
i m
mi
Q A
A
Q B

1.2.5. Mạch lọc thông cắt
2
0
2
(1 )
( )
1 .
A s
A s
s s


  
Với  là bang thông danh định max min
1
m
B
f Q
      
- Hệ số phẩm chất:
1
Q 

a) Mạch lọc Twin-T (Mạch lọc tích cực)
- Sơ đồ mạch
Hình 1-11. Mạch lọc Twin-T.
- Hàm truyền
2
2
(1 )
( )
1 2(2 ).
k s
A s
k s s


  
- Các thông số

15
+ Tần số giữa:
1
2
mf
RC

+ Độ lợi:
2
1
1
R
G
R
 
+ Độ lợi dãi thông: 0A G
+ Hệ số phẩm chất:
1
2(2 )
Q
G


- Khi thiết kế xác định được fm và C ta có thể tìm được R
1
2 m
R
f C

2 0 1 1
1
( 1) (1 )
2
R A R R
Q
   
b) Mạch lọc Wien-Robinson
- Sơ đồ mạch
Hình 1-12. Mạch lọc Wien-Robinson.
- Hàm truyền
2
2
(1 )
1( )
3
1 .
1
s
A s
s s




 
 


16
Với 2
3
R
R
  và 2
4
R
R
  .
- Các thông số
+ Tần số giữa:
1
2
mf
RC

+ Độ lợi dãi thông: 0
1
A


 

+ Hệ số phẩm chất:
1
3
Q



17
CHƯƠNG 2 M
ẠCH LỌC THỤ ĐỘNG
2.1. Khái niệm
2.1.1. Khái niệm
Mạch lọc thụ động là mạch là được xây dựng từ các linh kiện thụ động như điện trở R,
tụ điện C và cuộn cảm L.
2.1.2. Phân loại mạch lọc thụ động
Mạch lọc thụ động thường có ba loại:
- Mạch lọc RC: được sử dụng nhiều vì linh kiện giá rẻ và tiết kiệm không
gian.
- Mạch lọc LC
- Mạch lọc RLC: ít được sử dụng với cuộn cảm L khó chuẩn hóa, có giá trị
lớn ở tần số thấp và gây nên hiện tượng hỗ cảm.
2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm
- Ưu điểm:
 Làm việc ở tần số cao (>100KHz).
 Đơn giản và dễ lắp đặt.
- Nhược điểm:
 Phẩm chất thấp.
 Khó phối hợp tổng trở khi lắp đặt vào các chức năng khác.
2.2. Mạch lọc RC (4)
- Sơ đồ mạch

18
Hình 2-2-1. Mạch lọc RC thông cao cơ bản.
- Phân tích mạch:
Ta có: 𝑉𝑖𝑛
⃗⃗⃗⃗ = 𝐼(𝑅 +
1
𝑗  𝐶
)
Và𝑉𝑜𝑢𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝐼. 𝑅
Suy ra hàm truyền điệp áp: 𝑘 𝑉
⃗⃗⃗⃗ =
𝑅
𝑅+
1
𝑗  𝐶
=
1
1+
1
𝑗  𝑅𝐶
Vể độ lớn: 2
1
1
1
Vk
RC

 
 
 
max
1V Vk k  khi  → ∞
Hình 2-2-2. Dạng sóng vào ra mạch lọc RC thông cao.
Hình 2-2-3. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông cao.

19
Tần số cắt  𝑐
:
max
1 1
( )
2 2
V c Vk k  
Vậy
1 1
1 c
c RC RC


  
- Khi ghép các điện trở và tụ điện theo các cách khác nhau ta sẽ có các mạch lọc
khác nhau.
2.2.2. Mạch lọc thông thấp
- Sơ đồ mạch:
Hình 2-2-4. Mạch lọc RC thông thấp cơ bản.
- Phân tích mạch
Ta có: 𝑉𝑖𝑛
⃗⃗⃗⃗ = 𝐼(𝑅 +
1
𝑗  𝐶
)
Và 𝑉𝑜𝑢𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = 𝐼.
1
𝑗  𝐶
Ta lại có hàm truyền điệp áp: 𝑘 𝑉
⃗⃗⃗⃗ =
𝑉𝑜𝑢𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑉𝑖𝑛
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
=
1
𝑗  𝐶
𝑅+
1
𝑗  𝐶
=
1
1+𝑗 𝑅𝐶
Về độ lớn: 𝑘 𝑉 = | 𝑘 𝑉
⃗⃗⃗⃗ | =
1
√1+( 𝑅𝐶)
2
 Khi tần số tăng thì hàm truyền giảm, và khi tần số giảm thì hàm truyền
tăng.
 Tần số cắt ωc:
kV = kVmax = 1 khi ω = 0.
kV(ωc) =
1
√2
kVmax→
1
√1+( 𝑅𝐶)
2
=
1
√2
→ ωc =
1
𝑅𝐶

20
- Dạng sóng vào ra
Hình 2-2-5. Dạng sóng vào ra của mạch lọc RC thông thấp.(5)
Hình 2-2-6. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc RC thông thấp.(5)
2.2.3. Mạch lọc thông dải
- Sơ đồ mạch
Hình 2-2-7. Mạch lọc RC thông dải.
- Hàm truyền của mạch
𝐾 𝑉(𝑠) =
𝑠.
1
𝑅2 𝐶2
𝑠2 + 𝑠 (
1
𝑅1 𝐶1
+
1
𝑅2 𝐶1
+
1
𝑅2 𝐶2
) +
1
𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2

21
- Tần số giữa:
1 2 1 2
1
R R C C
 
- Tần số cắt:
1
1 1
1
c
R C
 
2
2 2
1
c
R C
 
- Đặc tuyến truyền đạt:
Hình 2-8. Đặc tuyến truyền đạt của mạch RC lọc thông dải.
2.3. Mạch lọc LC(6)
- Sơ đồ mạch
Hình 2-9. Mạch lọc LC thông cao.
- Phân tích mạch
Ta có 𝑉⃗ 𝑖𝑛 = 𝐼(𝑗𝜔𝐿 +
1
𝑗𝜔𝐶
)
Và 𝑉⃗ 𝑜𝑢𝑡 =
𝐼
𝑗𝜔𝐶

22
Vậy ta có hàm truyền điện áp:
𝑘⃗ 𝑉 =
𝑉⃗ 𝑜𝑢𝑡
𝑉⃗ 𝑖𝑛
=
1
𝑗𝜔𝐶
𝑗𝜔𝐿 +
1
𝑗𝜔𝐶
=
1
1 − 𝜔2 𝐿𝐶
Vể độ lớn:
𝑘 𝑉 = | 𝑘 𝑉
⃗⃗⃗⃗ | =
1
√1 + ( 𝜔2 𝐿𝐶)2
Ta có 𝑘 𝑉 = 𝑘 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1 khi ω → ∞
Hình 2-10. Quan hệ giữa điện áp vào ra mạch lọc LC thông cao.(5)
- Tần số cắt ωc
Ta có kV(ωc) =
1
√2
kVmax→
1
√1+( 𝜔2 𝐿𝐶)2 =
1
√2
Vậy suy ra ωc =
1
√𝐿𝐶
- Sơ đồ mạch
Hình 2-11. Mạch lọc LC thông thấp.
- Phân tích mạch:
Ta có 𝑉⃗ 𝑖𝑛 = 𝐼(𝑗𝜔𝐿 +
1
𝑗𝜔𝐶
)

23
Và 𝑉⃗ 𝑜𝑢𝑡 = 𝐼. 𝑗𝜔𝐿
Vậy ta có hàm truyền điện áp:
𝑘⃗ 𝑉 =
𝑉⃗ 𝑜𝑢𝑡
𝑉⃗ 𝑖𝑛
=
𝑗𝜔𝐿
𝑗𝜔𝐿 +
1
𝑗𝜔𝐶
=
1
1 −
1
𝜔2 𝐿𝐶
Vể độ lớn:
𝑘 𝑉 = | 𝑘 𝑉
⃗⃗⃗⃗ | =
1
√1 +
1
( 𝜔2 𝐿𝐶)2
Ta có 𝑘 𝑉 = 𝑘 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 1 khi ω → 0
Hình 2-12. Quan hệ điện áp vào ra mạch lọc LC thông thấp.(5)
- Tần số cắt ωc
Ta có kV(ωc) =
1
√2
kVmax→
1
√1+
1
( 𝜔2 𝐿𝐶)
2
=
1
√2
Vậy suy ra ωc =
1
√𝐿𝐶
2.4. Mạch lọc LRC (6)
- Sơ đồ mạch

24
Hình 2-13. Mạch lọc thông cao RLC.
- Hàm truyền của mạch:
2
2
( )
1
s
K s
R
s s
L LC

 
- Tần số cắt: ω =
1
LC
- Độ lệch cộng hưởng ξ =
𝑅
2
√
𝐶
𝐿
a) Sơ đồ mạch:
Hình 2-14. Mạch lọc thông thấp RLC.
- Hàm truyền của mạch
2
1
( )
1
LCK s
R
s s
L LC

 
- Tần số cắt ω =
1
LC
- Độ lệch cộng hưởng ξ =
𝑅
2
√
𝐶
𝐿

25
2.4.3. Mạch lọc thông dải
a) Sơ đồ mạch
Hình 2-15. Mạch lọc thông dãi RLC.
b) Hàm truyền của mạch
2
( )
1
R
s
LK s
R
s s
L LC

 
c) Tần số trung tâm ω =
1
LC
d) Tần số cắt dưới
2
1
1
2 2
R R
L L LC

 
    
 
e) Tần số cắt trên
2
2
1
2 2
R R
L L LC

 
   
 
f) Độ lệch cộng hưởng ξ =
𝑅
2
√
𝐶
𝐿
2.4.4. Mạch lọc thông cắt
a) Sơ đồ mạch
Hình 2-16. Mạch lọc thông cắt RLC.

26
b) Hàm truyền của mạch
2
2
1
( )
1
s
LCK s
R
s s
L LC


 
c) Tần số trung tâm ω =
1
LC
d) Tần số cắt dưới
2
1
1
2 2
R R
L L LC

 
    
 
e) Tần số cắt trên
2
2
1
2 2
R R
L L LC

 
   
 
f) Độ lệch cộng hưởng ξ =
𝑅
2
√
𝐶
𝐿

27
CHƯƠNG 3 T
HIẾT KẾ MẠCH LỌC RC THÔNG THẤP VÀ THÔNG CAO
3.1. Thiết kế
3.1.1. Mạch lọc RC thông cao
a) Mạch lọc RC thông cao bậc 1
Sơ đồ mạch:
Hình 3-1: Mạch lọc RC thông cao bậc 1.
Trong đó: C = 0.015 (µF) và R = 10 (kΩ).
Ta có tần số cắt fc =
1
2𝜋𝑅𝐶
=
1
2𝜋.10.103.0,015.10−6
=1.061 (kHz)
b) Mạch lọc RC thông cao bậc 2
Sơ đồ mạch
Trong đó: C1 = C2 = C = 15 (nF) và R1 = R2 = R = 10 (kΩ).
Tần số cắt 𝑓𝑐 =
1
2𝜋𝐶2 𝑅2 = 7.07 (MHz)
c) Mạch lọc RC thông thấp bậc 3
Sơ đồ mạch

28
Trong đó C1 = C2 = C3 = C = 15 (nF) và R1 = R2 = R3 = R = 10 (kΩ).
Tần số cắt
𝑓𝑐 =
1
2𝜋( 𝑅𝐶)3 = 47.157 (GHz)
d) Kết quả thực nghiệm
Bảng 3-1. Kết quả đo điện áp các mạch lọc thông cao
f(Hz) Ur1(V) Ur2(V) Ur3(V) Uv(V)
100 0.44 0.46 0.5 5
200 0.88 0.68 0.7 5
300 1.32 0.8 0.83 5
400 1.67 1.0 1.07 5
500 2.0 1.2 1.3 5
700 2.65 1.5 1.5 5
900 3.0 1.73 1.67 5
1100 3.32 1.97 2.06 5
1300 3.74 2.24 2.14 5
1500 4.0 2.45 2.23 5
2000 4.12 2.76 2.45 5
3000 4.3 3.04 2.64 5
4000 4.56 3.36 2.85 5
5000 4.6 3.57 3 5
7000 4.67 3.84 3.35 5
12000 4.73 4.21 3.65 5

29
Hình 3-4. Đồ thị quan hệ giữa điện áp vào và ra mạch lọc thông cao.
Trong đó:
Uv: Điện áp vào
Ur1: Điện áp ra mạch lọc thông cao bậc 1.
Ur2: Điệp áp ra mạch lọc thông cao bậc 2.
Ur3: Điệp áp ra mạch lọc thông cao bậc 3.
Hình 3-5. Đồ thị biễu diễn hàm truyền của các mạch lọc thông cao.
0
1
2
3
4
5
6
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
Ur1 Ur2 Ur3 Uv
U(V)
f(Hz)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
K1 K2 K3
K=Ur/Uv
f(Hz)

30
Trong đó:
K1: Hàm truyền của mạch lọc thông cao bậc 1.
3.1.2. Mạch lọc RC thông thấp
a) Mạch lọc RC thông thấp bậc 1
Sơ đồ mạch:
Hình 3-6: Mạch lọc RC thông thấp bậc 1.
Trong đó R = 10 (kΩ) và C = 22 (nF).
Tần số cắt: fc =
1
2𝜋𝑅𝐶
=
1
2𝜋.10.103.0,022.10−6
=0.7234 (kHz)
b) Mạch lọc RC thông thấp bậc 2
Sơ đồ mạch:
Trong đó: C1 = C2 = C = 22 (nF) và R1 = R2 = R = 10 (kΩ).
Tần số cắt: 𝑓𝑐 =
1
2𝜋𝐶2
𝑅2 = 3.288 (MHz)

31
c) Mạch lọc RC thông thấp bâc 3.
Sơ đồ mạch:
Trong đó C1 = C2 = C3 = C = 22 (nF) và R1 = R2 = R3 = R = 10 (kΩ).
Tần số cắt
𝑓𝑐 =
1
2𝜋( 𝑅𝐶)3 = 14.946 (GHz)
d) Kết quả thực nghiệm
Bảng 3-2. Kết quả đo điện áp ra các mạch lọc thông thấp
f(Hz) Ur1(V) Ur2(V) Ur3(V) Uv(V)
100 4.2 4 3.88 5
200 3.4 2.8 2.72 5
300 3 2.2 2 5
400 2.8 1.76 1.52 5
500 2.7 1.48 1.24 5
600 2.5 1.32 1 5
700 2.42 1.16 0.84 5
800 2.3 0.96 0.64 5
900 2.2 0.82 0.6 5
1100 1.95 0.76 0.44 5
1300 1.8 0.68 0.35 5
1500 1.6 0.6 0.3 5
2000 1.3 0.44 0.25 5
2500 1 0.4 0.2 5
3000 0.84 0.32 0.18 5
5000 0.68 0.28 0.13 5
7000 0.5 0.2 0.08 5

32
Hình 3-9. Đồ thị quan hệ giữa điệp áp vào và điện áp ra mạch lọc RC thông thấp.
Trong đó:
Uv: Điện áp vào
Ur1: Điện áp ra mạch lọc thông thấp bậc 1
Ur2: Điệp áp ra mạch lọc thông thấp bậc 2
Ur3: Điệp áp ra mạch lọc thông thấp bậc 3
0
1
2
3
4
5
6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Ur1 Ur2 Ur3 Uv
U(V)
f(Hz)

33
Hình 3-10. Đồ thị biễu diễn hàm truyền của các mạch lọc thông thấp.
Trong đó:
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
K1 K2 K3
K=Ur/Uv
f(Hz)

34
3.2. Sơ đồ nguyên lý
3.2.1. Sơ đồ nguyên lý
Hình 3-11. Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp và thông cao sử dụng RC.
3.2.2. Nguyên lý hoạt động
a) Nguyên lý hoạt động của mạch lọc thông cao
- Xét 1 mắc xích RC
Ta có trở kháng tụ là
1 1
2
cX
C fC 
 
Nếu ở tần số cao thì XC giảm, nên thành phần tần số cao sẽ đi đến ngõ ra. Còn nếu ở
tần số thấp XC tang nên sẽ ngăn cản thành phần tần số thấp đi qua.
- Mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra:

35
1
( ) . ( ) . ( )
1
1
out in in
C
R
V t V t V t
R X
j CR
 
 
Với 2 f 
Đặt 1
2
cf
RC
 là tần số cắt dưới.
Vậy ta có:
1 1
( ) . ( ) . ( )
2
1 1
2
out in in
c c
V t V t V t
f f
j
j f f


 
 
 Ta có tại tần số cắt fc thì
1
( ) . ( )
1
out inV t V t
j


Về độ lớn
1
.
2
out inV V tức là điện áp đầu ra sẽ giảm đi 2 so với điện áp đầu vào.
 Tại tần số f bất kỳ ta có:
2
1
.
1 ( )
out in
c
V V
f
f


. Vậy nên nếu f < fc thì điện áp đầu
ra sẽ nhỏ hơn nhiều (lớn hơn 2 lần) so với điện áp đầu vào.
b) Nguyên lý hoạt động của mạch lọc thông thấp
- Xét 1 mắc xích RC:
Ta có ( )
1
( ) ( )
1
C
out in t in
C
X
V t V V t
X R j RC
 
 
Ở tần số cao (f lớn) ta có XC giảm nên tín hiệu có tần số cao đi qua tụ sẽ bị chặn lại và
ngược lại khi tần số thấp (f nhỏ) thì XC tăng do vậy tín hiệu có tần sô thấp đi qua tụ sẽ
không bị ảnh hưởng nên sẽ được đi qua.
- Mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra:
Ta có ( )
1
( ) ( )
1
C
out in t in
C
X
V t V V t
X R j RC
 
 
Với 2 f 

36
Đặt
1
1
CZ
j C


và 1
2
cf
RC

Vậy ta có:
1 1
( ) ( ) ( )
2
1 1
2
out in in
c c
V t V t V t
f f
j
f f


 
 
 Ta có tại tần số fc thì
1 1
( ) ( ) ( )
21
out in in
c
c
V t V t V t
f
f
 

Về độ lớn thì
1
2
out inV V vậy điện áp đầu ra giảm đi 2 lần so với điện áp đầu vào.
 Tại tần số f bất kỳ ta có:
2
1
.
1 ( )
out in
c
V V
f
f


. Vậy nên nếu f > fc thì điện áp đầu
ra sẽ nhỏ hơn nhiều (lớn hơn 2 lần) so với điện áp đầu vào.
3.3. Sơ đồ mạch in:

37
Hình 3-12: Sơ đồ mạch in.

38
KẾT LUẬN
Sau thời gian nghiên cứu, đồ án đã được hoàn thành. Đồ án đã hoàn thành hai vấn đề
đặt ra là nghiên cứu và thiết kế các mạch lọc tương tự. Ngoài ra mạch thiết kế còn có
thể lọc âm thanh phát ra loa theo hai mức là: bass và treble thông qua mạch bộ khuếch
đại.
Các thông số đo được từ mạch gần đúng với lý thuyết: mối quan hệ giữa điệp áp ra và
điện áp vào. Đồ thị điện áp ra thực tế cho có dạng giống với đồ thị điện áp ra trên lý
thuyết. Mạch thiết kế hoạt động ổn định, đảm bao chức năng lọc tần số, và có tính áp
dụng cho thực tiễn cao trong công nghệ điện tử và đời sống.
Ngoài sử dụng R và C để thiết kế mạch chúng ta có thể sử dụng L, và các mạch
khuếch đại thuật toán để thiết kế các mạch lọc.

39
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Phạm Minh Hà.Kỷ thuật mạch điện tử. Hà Nội : Nhà xuất bản Khoa học - Kỷ
thuật, 1997.
2. KS Bùi Văn Thơm.Bài giảng lọc thông tích cực. 2008.
3. ThS. Phan Trọng Hanh, ThS. Nguyễn Hoài Anh and ThS. Đoàn Minh Định.Lý
thuyết mạch. 2006.
4. ThS. Nguyễn Viết Nguyên and ThS. Phạm Thị Thu Hương.Kỷ thuật mạch điện
tử I. 2009.
Các trang web
5. http://doan.edu.vn/do-an/tin-hieu-xung-qua-cac-mach-rc-rl-rlc-22548/
6. https://vi.scribd.com/doc/175532070/M%E1%BA%A1ch-l%E1%BB%8Dc

Luận văn: Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự, HOT

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Luận văn: Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự, HOT

Similar to Luận văn: Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự, HOT (20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận văn: Nghiên cứu thiết kế các mạch lọc tương tự, HOT