Cơ sở lý thuyết cũng như chức năng của từng khối trong hệ thống thông tin trên được trình bày trong giáo trình Cơ sở truyền tin, giáo trình Lý thuyết mạch [phần: Mạch không tuyến tính] và trong giáo trình Kỹ thuật mạch điện tử của Đại học Bách khoa Hà Nội.
Ngày nay, xử lý số tín hiệu được ứng dụng mạnh mẽ, không những vì tính chính xác cao và linh hoạt của nó mà còn do các khả năng được tạo ra bởi sự phát triển vũ bão của công nghệ vi điện tử hiện đại. Trong bộ sách “LÝ THUYẾT MẠCH” này, chúng tôi chỉ nói đến lý thuyết mạch tương tự dùng xử lý tín hiệu tương tự. Lý thuyết mạch được giảng cho sinh viên năm thứ 3 khoa Điện tử - Viễn thông, khoa Công nghệ Thông Tin ban ngày và Tại chức của các trường đại học. Trong từng phần có một số chương sinh viên có thể dùng tham khảo để hiểu sâu và mở rộng kiến thức. Cuối mỗi chương có bổ sung bài tập giải mẫu và bài tập.
Bộ sách được chia làm 2 tập. Tập II: Lý thuyết bốn cực và ứng dụng, gồm 6 chương. Quyển 1: chương 11, 12.
- 1. Lý thuyết mạng bốn cực lý thuyết chung Các hệ phương trình và hệ tham số của mạng bốn cực: Mạng bốn cực [MBC] hình 4.1 được quy định 1-1’ là . . I2 I1 đầu vào, 2-2’ là đầu ra. Cơ sở của lý thuyết MBC nghiên cứu . . . . . quan hệ giữa 4 đại lượng U 1 , I 1 , U 2 , I 2 thông qua các thông số . U1 MBC U2 bên trong MBC ở chế độ hình sin xác lập. Để xây dựng lý thuyết cần thiết lập 6 hệ phương trình đặc trưng. Sáu hệ H× 5.1 nh phương trình đó là: Hệ phương trình tham số Y hay hệ phương trình tổng dẫn. . . . I 1 = Y11 U 1 + Y12 U 2 . . . [5.1] I = Y U + Y U 2 21 1 22 2 Hệ phương trình tham số Z hay hệ phương trình tổng tổng trở. . . . U 1 = Z 11 I 1 + Z 12 I 2 . . . [5.2] U = Z I + Z I 2 21 1 22 2 Hệ phương trình tham số H. . . . U 1 = H 11 I 1 + H 12 U 2 . . . [5.3] I 2 = H I 1 + H U 2 21 22 Hệ phương trình tham số F. . . . I 1 = F11 U 1 + F12 I 2 . . . [5.4] U = F U + F I 2 21 1 22 2 Hệ phương trình tham số A. . . . U 1 = A11 U 2 + A12 I 2 . . . [5.5] I = A U + A I 1 21 2 22 2 Hệ phương trình tham số B. . . . U 2 = B 11 U 1 + B 12 I 1 . . . [5.6] I = B U + B I 2 21 1 22 2 Mỗi hệ số Xik trong các hệ phương trình trên đều có ý nghiã vật lý nhất 156
- 2. thể xác định theo phương pháp “ngắn mạch-hở mạch” hay có thể đo bẳng thực nghiệm. Trong các hệ phương trình trên thì sử dụng nhiều nhất là các hệ phương trình [5.5], [5.1], [5.2] và [5.3]. Liên hệ giữa các hệ tham số của MBC: Chú ý: ∆-định thức lập từ hệ phương trình tham số Y; ∆ik -phần bù đại số của ∆. - Nếu MBC thuận nghịch, tức mạch tương hỗ [RLC thụ động] thì : Y12=Y21; Z12=Z21 ; [5.6] - Nếu MBC thuận nghịch đối xứng thì: Y12=Y21; Z12=Z21; Y11=Y22; Z11=Z22; A11=A22 [5.7] - Nếu MBC thuận nghịch [RLC thụ động] thì : IAI=A11A22-A12A21=1 [5.8] Z 22 1 F A 22 ∆ Y11 = = = = = 11 Z H 11 F 22 A12 ∆ Y = − Z 21 = − H 12 = F12 = − A ∆ 12 = 21 Z H 11 F 22 A12 ∆ [5.9] Y = − Z 21 = H 21 = − F 21 = − 1 = ∆ 12 21 Z H 11 F 22 A12 ∆ Z 11 H 1 A ∆ 22 Y 22 = = = = 11 = Z H 11 F 22 A12 ∆ 1 H 22 F11 A 21 ∆ 11∆ 22 − ∆ 12 ∆ 21 Y = = = = = [5.10] Z H 11 F 22 A12 ∆2 Y 22 H 1 A ∆ 22 ∆ Z 11 = =− = = 11 = Y H 22 F11 A 21 ∆11 ∆ 22 − ∆12 ∆ 21 Z = − Y12 = H 12 = − F12 = A ∆ 21 ∆ 12 = Y H 22 F11 A 21 ∆11∆ 22 − ∆12 ∆ 21 [5.11] Z = − Y 21 = − H 21 = F 21 = 1 = ∆12 ∆ 21 Y H 22 F11 A 21 ∆11 ∆ 22 − ∆12 ∆ 21 Y11 1 F A ∆11∆ Z 22 = = =− = 22 = Y H 22 F11 A 21 ∆11 ∆ 22 − ∆12 ∆ 21 1 H 11 F 22 A12 ∆2 Z = = = = = [5.12] Y H 22 F11 A 21 ∆ 11∆ 22 − ∆ 12 ∆ 21 Y 22 Z H 1 ∆ A11 = − = 11 = − = = 22 Y 21 Z 21 H 21 F 21 ∆12 [5.13] 1 Z H F ∆ A12 = − Y = Z = − 11 = 22 = 21 21 H 21 F 21 ∆12 157
- 3. Y 1 H F ∆ ∆ − ∆12 ∆ 21 A 21 = − = = − 22 = 11 = 11 22 Y 21 Z 21 H 21 F 21 ∆12 ∆ [Tiếp 5.13] Y11 Z 21 1 F ∆11 A 22 = − Y = Z = − H = F = ∆ 21 21 21 12 12 1 Z F A ∆ H 11 = = = 22 = 12 = Y 21 Z 22 F A 22 ∆11 H = Y12 = Z 12 = − F12 = A ∆ 12 = 21 Y11 Z 22 F A 22 ∆11 [5.14] H = Y 21 = − Z 21 = − F 21 = − 1 = ∆12 21 Y 21 Z 22 F A 22 ∆11 Y Z F A ∆ H 22 = = = 11 = 21 = 12 Y 21 Z 22 F A 22 ∆11 Y 22 Z 11 1 A11 ∆ 22 H = = = = = [5.15] Y11 Z 22 F A 22 ∆11 Y 1 H A ∆ ∆ − ∆12 ∆ 21 F11 = = = 22 = 21 = 11 22 Y 22 Z 11 H A11 ∆ 22 ∆ F = Y12 = Z 12 = H 12 = − A ∆ 12 = − 21 Y 22 Z 11 H A11 ∆ 22 [5.16] F = − Y 21 = Z 21 = H 21 = 1 = ∆12 21 Y 22 Z 11 H A11 ∆ 22 1 Z H A ∆ F 22 = = = 11 = 12 = Y 22 Z 11 H A11 ∆ 22 Y11 Z 22 1 A 22 ∆11 F = = = = = [5.17] Y 22 Z 11 H A11 ∆ 22 Các MBC ghép: MBC thứ nhất có tham số [X’], MBC thứ hai có tham số [X’’] MBC ghép từ 2 MBC này có tham số [X] Hai MBC ghép liên thông: [A] = [ A' ].[ A' ' ] Hai MBC ghép song song: [ Y ] = [ Y ' ] + [ Y ' ' ] Hai MBC ghép nối tiếp: [Z]= [Z’]+ [Z’’] Hai MBC ghép nối tiếp đầu vào-song song đầu ra: [H]= [H’]+ [H’’] Hai MBC ghép song song đầu vào nối tiếp đầu ra: [F]= [F’]+ [F’’] Tổng trở đầu vào của MBC: Khi mắc tải Z2 ở 2-2’[hình 4.2a] thì : A11 Z 2 + A12 Z V1 = [5.18] A 21 Z 2 + A 22 158
- 4. Z1 ở 1-1’[hình 5.2b] thì : A 22 Z 1 + A 12 Z V1 = [5.18] A 21 Z 1 + A 11 Tổng trở đặc tính của MBC: A 11 A 12 Z 1C = A 22 A 21 [5.19] A 22 A 12 Z 2C = A 11 A 21 A12 Nếu MBC đối xứng thì Z1C =Z2C = a] 2 A 21 1 Hàm truyền của MBC[Hình 5.3] . MBC I2 1 ZV2 Z2 T I [ jω] = . = 2' A11 Z 2 + A 12 + A 21 Z 1 Z 2 + A 22 Z 1 1' b] E Z 1 =0 1 . I2 1 = . = [5.20] Z1 MBC A 11 Z 2 + A 12 ZV2 U1 . U2 Z2 1' T U [ jω] = . = = A 11 Z 2 + A 12 + A 21 Z 1 Z 2 + A 22 Z 1 1 H× 5.2 nh . E Z1 I2 1 . I1 A 11 + A12 Y 2 + A 21 Z 1 + A 22 Z 1 Y 2 . . MBC . U2 Z 1 =0 E1 U1 Z2 . U2 1 1' = . = [5.21] H× 5.3 nh A 11 + A 12 Y 2 U1 . U2 1 TU [ jω ] = . = [5.22] E A11 + A 21Z1 Z2 =∞ . I2 1 T I [ jω] = . = [5.23] A 22 + A 21 Z 2 I1 Với hình 5.3 khi Z1=R1, Z2=R2 thì ∧ U2 2 R 1R 2 T [ jω] = = [5.24] U max A11 R 2 + A 12 + A 21 R 1 R 2 + A 22 R 1 Hằng số truyền đặc tính Hình [5.3] 159
- 5. 1 gc = l n =l n − jθ[ω] = ac [ Nepe ] + jb c [ dB ] T C [ jω] T C [ jω] Z 1 = Z 1C ,Z 2 = Z 2 C [5.25] chg c = A 11 A 22 ; shg c = A 12 A 21 Z V1ng Z V 2 ng 1+ 1+ 1 Z V1hë 1 Z V 2 hë ac = l n = l n [5.26] 2 Z V1ng 2 Z V 2 ng 1− 1− Z V1hë Z V 2 hë Z V1ng Z V 2 ng 1 + 1 + Z V1hë Z V 2 hë b c = Ag r = Ag r [5.27] 1 − Z V1ng 1 − Z V 2 ng Z V1hë Z V 2 hë Bài tập 5.1. Cho MBC hình Γ trên hình 5.4. a] Hãy xác định hệ tham số A của MBC này bằng phương pháp 1 2 ngắn và hở mạch 1-1’, 2-2’ theo hệ phương trình [5.5]. Z1 b] Dùng công thức [5.9], [5.11] biến đổi về hệ tham số Y và Z. Z2 c] Kiểm chứng lại kết quả hệ tham số Y bằng phương pháp 1' 2' ngắn hở mạch 1-1’, 2-2’ theo hệ phương trình [5.1] c] Tính các trị số của tham số A tại tần số f=228kHz khi Z1 là H× 5.4 nh L≈27,95mH; Z2 là C≈24nF a] b] 5.2. Cho các MBC hình “T” 1 2 1 Z2 2 Z1 Z3 và hình “π” trên hình 5.5. Z2 Z1 Z3 a] Hãy xác định ma trận A của chúng. 1' 2' 1' 2' b] Nhận xét tính chất “ đối H× 5.5 nh ngẫu ” của các ma trận trên và ghi nhớ các ma trận này. 5.3. Tìm ma trận Y và Z của các MBC hình T và hình π ở BT 4.2 và nhận xét tính chất “đối ngẫu” của các ma trận đó. 5.4. Cho MBC hình 5.4. Hãy xác định hệ tham số H của MBC này bằng phương pháp ngắn và hở mạch 1-1’, 2-2’ theo hệ phương trình [5.3]. 160
- 6. định hệ tham số A của MBC cầu đối xứng trên hình 5.6. R R Z4 2 1 1 2 1 Za Z3 2 C C Z1 Zb Z2 R 2C Zb 2 1' 2' 1' 2' 1' 2' Za H× 5.6 nh H× 5.7 nh H× 5.8 nh 5.6. Hãy xác định hệ tham số A của MBC trên hình 5.7, biết Z1=1Ω, Z2=-jΩ, Z3=2Ω, Z4=jΩ. 5.7. Dùng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức theo điện áp của MBC hình 5.8 và vẽ định tính dạng đặc tính biên độ tần số của MBC. 5.8. Cho MBC hình 5.9. a] Dùng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức theo điện áp của MBC này. b]Tìm điều kiện để argument của hàm truyền θ[ω] = ± π và tính trị số . . I1 C C C . . I1 R R R I2 I2 của hàm truyền khi thoả mãn điều . . kiện đó. U1 . U . R R R U2 2 C C C U1 5.9. Cho MBC hình 5.10. H× 5.9 nh H× 5.10 nh a] Dùng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức theo điện áp của nó. b] Tìm điều kiện để argument của hàm truyền θ[ω] = ± π và tính trị số của hàm truyền khi thoả mãn điều kiện đó. c] Nhận xét tính chất “đối ngẫu”biểu thức hàm truyền này so với BT 5.8. . . d] Lập hệ 3 phương trình dòng mạch vòng để tính U 2 theo U 1 để kiểm tra lại kết quả mục a] 5.10. Cho MBC hình 5.11. L L L R R R a] Dùng lý thuyết MBC tìm hàm . truyền đạt phức theo điện áp của . U2 . L L L . U1 U2 nó. R R R U1 b] Tìm điều kiện để argument của hàm truyền θ[ω] = ± π và tính trị H× 5.11 nh H× 5.12 nh số của hàm truyền khi thoả mãn điều kiện đó. π b]Tìm điều kiện để argument của hàm truyền θ[ω] = − 2 5.11. Cho MBC hình 5.12. a] Dùng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức theo điện áp của nó. 161
- 7. để argument của hàm truyền θ[ω] = ± π và tính trị số của hàm truyền khi thoả mãn điều kiện đó. π C]Tìm điều kiện để argument của hàm truyền θ[ω] = 2 1 + jω 1 − ω 2 + jω 5.12. Cho MBC với ma trận [ A] = jω 1 − ω2 a] Tìm ma trận [Z] của MBC này. b] Xây dựng sơ đồ MBC hình T ứng với ma trận [Z] vừa tìm và xác định trị số các thông số mạch. 1 1 1 + jω − jω 5.13. Cho MBC với ma trận [ Y ] = . 1 1 − jω j[ω − ] ω a] Xây dựng sơ đồ MBC hình π ứng với ma trận trên và xác định trị số các thông số mạch. b] Tìm ma trận [Z] của MBC. 5.14. Cho MBC với ma trận [Y] trong BT 5.13. 1. Xác định ma trận A của MBC. 2. Dùng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức của mạch và vẽ đặc tính biên độ tần số khi: a] Không mắc tải. b] Mắc tải là Zt=jω. 3. Tìm tổng trở đầu vào của khi mắc tải Zt=jω 5.15. Hãy xây dựng công thức a] b] tổng trở đầu vào của MBC trong n n hai trường hợp ở hình 5.13a] và [A] Zt [A] Zt 5.13b] biết biến áp lý tưởng có ZV hệ số biến áp n là tỷ số của số ZV vòng cuộn thứ cấp trên số vòng H×nh 5.13 cuộn sơ cấp. 5.16. Cho MBC hình 5.14 với R=R1=1Ω, L=1H, C=1F. Dùng lý thuyết mạng bốn cực xác định đặc tính biên độ tần số và đặc tính pha tần số của các hàm truyền đạt phức theo điện áp và theo dòng điện của MBC. 5.17. Cho mạng bốn cực hình 5.15 với L=10mH, R=20Ω. Tần số của tín hiệu tác động là 2000 rad/s. Tại tần số này : 162
- 8. tham số A của mạng . . bốn cực. I1 I2 b] Khi mắc tải Zt là điện trở R1 L Rt=10Ω nối tiếp với điện dung . C . u1[t] R Zt U u2[t] Ct=50µF, hãy tính tổng trở đầu U1 2 L vào của mạng bốn cực [tách riêng phần điện trở thuần và phần H× 5.15 nh H× 5.14 nh phản kháng: ZV=RV+jXV]. . U 2m c] Tính hàm truyền đạt phức T [ jω] = . khi mắc tải như trên [viết dưới dạng U1m jθ[ω] T [ jω] = T [ jω] e ]. d] Theo biểu thức hàm truyền đạt phức vừa tìm trên hãy xác định công suất tác dụng ra tải khi điện áp tác động ở đầu vào là: π a] b] u1[t]=10 sin [2000t+ ] [V] L 4 5.18. Sử dụng lý thuyết MBC tìm hàm truyền đạt phức theo điện áp và vẽ đặc R C R L tính biên độ tần số của các mạch hình 5.16. H× nh.16 . 5.19. Cho MBC hình 5.17 với U 1 =10 V, Z1=Z3=1Ω, Z2=-jΩ, Z4= j Ω, Zt= 1 Ω. Hãy xác định công suất tác dụng trên tải. 5.20. MBC hình 5.18 có Z1=Z3= Z5=Zt=5Ω, Z2= Z4=Z6 = - j5 Ω. Xác định I1,I2 và U2 biết Z4 I1 Z1 I2 U1=20V. Z3 1 Z2 2 1 Z3 2 T Z1 Z3 Z5 Z1 U1 Zt U2 U1 Z2 Zt 1' Z5Z 2 2' 4 Z 1' 2' Z4 Z6 π H× 5.17 nh H× 5.18. nh H× 5.19. nh 5.21. MBC hình 5.19 được mắc hoà hợp phụ tải, có Z1=Z5=1 Ω, Z2=Z4 =-j Ω, Z3=j Ω, nguồn tác động là điện áp : u1[t]= 10 2 sin ωt[V]. Hãy xác định: a] Tổng trở đặc tính của MBC. b] Hằng số truyền đặc tính gC. c] Các giá trị hiệu dụng I1,U2,I2. 163
- 9. 5.20 mắc hoà hợp phụ L L L L tải gồm. Biết L=10mH, C=12,5µF. u1[t]=30sin[2000t+π/2][V]. Hãy xác U1 C C U2 định: Zt a] Hệ tham số A và tổng trở đặc tính của MBC b] Tính điện áp và dòng điện tức thời ở H× 5.20. nh đầu ra. . . . I1 I2 I3 5.23. MBC hình 5.21 mắc hoà hợp phụ tải có Z1 Z1 Z1 Z1 . . . Z1=1 Ω, Z2=-j Ω, U1 U2 U3 Z2 Z2 ZC U1=4V. Hãy xác định U2,U3,I1,I2 và I3. H× 5.21. nh 5.24. Một MBC mắc hoà hợp phụ tải, có Z1C=10-j5 [Ω], Z2C=6 +j8 Ω, hằng số truyền đặc tính gc=0,8 [Nepe]-0,84 [rad].Tìm dòng điện và điện áp đầu vào phức u1[t] và i1[t] biết dòng ra i2[t]=1,697 sin[ωt+200] [A] 5.25.MBC hình 5.22 có C1=C2=1 F, C3 = 0,5F, R1=0,5 C1 C2 C3 Ω, R2=Rt=1 Ω. . Xác định : I2 . a] Ma trận A của MBC. . R2 Rt U1 R1 U2 b] Hàm truyền theo điện áp. c] Tổng dẫn truyền đạt Y21. 5.26. MBC hình 5.23 khi mắc tải là Z2=Rt=2 Ω thì có: H× 5.22 nh - Hàm truyền đạt phức theo điện áp : . U2 4 T [ jω] = . = 3 + j2ω U1 -Tổng trở truyền đạt . . . I1 I2 U2 2 Z 21 [ jω] = . = . . U1 MBC Z2 1 + j4ω U2 I1 Tìm tổng trở đầu vào ZV[jω] và hàm truyền đạt H× 5.23. nh . I2 phức theo dòng điện T I [ jω] = . . I1 164
- 10. 5.24 có R=1Ω, C=1F, R1= 1Ω, L=1 H. Xác định R a] Ma trận Y của MBC. b] Hàm truyền đạt phức theo điện áp khi mắc tải Rt C R1 Rt =1 Ω. L 5.28. Chứng minh rằng hàm truyền đạt phức theo điện áp của MBC đối xứng mắc hoà hợp phụ tải có thể biểu H× nh.5.24 diễn bằng biểu thức: . U2 1 T [ jω] = . = 2 U 1 A11 + A 11 − 1 5.29.Chứng minh rằng hàm truyền đạt phức theo điện áp của MBC khi được mắc tải Z2 [Hình Z ra ngÊ n 5.23] bằng hàm truyền đạt phức khi hở tải chia cho biểu thức [1+ ]. Z2 5.30. Người ta dùng MBC thuần kháng để phối hợp trở kháng khi nội trở nguồn và tải khác nhau.ở hình 5.25 máy phát hình sóng hình sin có nội trở 50 Ω, phát ra tần số 107 rad/s, tải là Ct =400 pF mắc song song với Rt=100Ω. MBC phối hợp trở kháng chọn hình ”ó” có C=600 pF. a] Xác định trị số L để đảm bảo phối hợp trở kháng. b] Khi đã chọn được L, kiểm tra tính phối hợp của mạch. R ng L Rt . Ct E C H× nh.5.25 165