Điện tử căn bản: Chọn tụ lọc cao tần

Trong lúc tự hệ thống hoá lại kiến thức điện tử, mình nhận ra có nhiều vấn đề tưởng chừng như đơn giản nhưng mình lại bỏ qua. Hi vọng loạt bài viết này có thể giúp các bạn học điện tử hệ thống hoá lại từ những kiến thức căn bản nhất.

Có bao giờ các bạn thử một số mạch trên breadboard và nhận ra nó không hề hoạt động như mong muốn không?

Trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau trả lời 4 câu hỏi

  • Giá trị của tụ lọc là bao nhiêu?
  • Vị trí đặt của tụ để có thể có kết quả tốt nhất.
  • Loại tụ nào nên được sử dụng?
  • Package.

Đối với câu hỏi thứ hai chúng ta có thể dễ dàng trả lời đặt tụ lọc (từ bây giờ mình sẽ gọi là bypass) tại vị trí càng gần chân nguồn của IC càng tốt. Càng xa chân nguồn chúng ta càng làm tăng điện cảm dẫn đến làm tần số lọc của tụ giảm đi. Đặc biệt cần lưu ý bên chân nối với đất của tụ cần đặt via nối thông đất giữa các lớp nếu các bạn làm mạch nhiều lớp, điều này sẽ giữ cho giá trị trở kháng không mong muốn thấp đi.

Một số kiến thức về tụ điện

Trước khi đi sâu vào nội dung, chúng ta cùng lướt qua lại một số kiến thức căn bản về tụ điện mà mọi người có thể đã quên. Lưu ý những kiến thức căn bản như tụ điện là gì, dòng áp qua tụ điện như thế nào mình xin phép không nhắc lại.

Sơ đồ tương đương của một tụ điện

Ở đây Rleak đại diện cho sự rò rỉ dòng điện qua tụ.

ESR và ESL chính là trở tráng nối tiếp vào tụ điện đặc trưng cho suất tiêu tán trên tụ, phụ thuộc vào tần số của nguồn tín hiệu.

ESR

Điện trở tương đương mắc nối tiếp tụ điện.

Do dây dẫn, đầu mối hàn gây nên.

Tạo ra nhiệt.

ESL

Cuộn cảm tương đương mắc nối tiếp tụ điện.

Phụ thuộc vào package, loại tụ điện.

Với tụ dán, kích thước càng nhỏ ESL càng nhỏ.

Rleak

Đặc trưng cho dòng điện rò qua tụ.

Phụ thuộc vào tính chất, loại điện môi.

Mỗi loại tụ điện đều có tính chất ưu nhược điểm riêng, các thuộc tính liên quan đến độ ký sinh, độ ổn định nhiệt, điện áp cực đại… Tụ ceramic, tụ nhôm, tụ tantalum thường được sử dụng làm các tụ lọc. Tụ tantalum thường được sử dụng trong các mạch có điện áp thấp, tụ nhôm dùng để lọc các tần số thấp đến trung bình. Vì tụ ceramic được sử dụng rộng rãi nhất và dễ dàng mua nhất nên trong phạm vi bài viết mình sẽ tập trung vào loại tụ này.

Lựa chọn kích cỡ tụ.

Việc lựa chọn kích cỡ tụ hoá ra lại có ảnh hưởng rất nhiều trong mạch lọc chúng ta, với mỗi kích cỡ tụ khác nhau, sơ đồ tương đương của tụ lại thay đổi, đặc biệt là giá trị điện cảm tương đương mắc nối tiếp (ESL). Có thể giải thích hiện tượng này do mối hàn giữa tụ và mạch gây nên. Tụ điện có kích cỡ càng nhỏ thì các giá trị ký sinh càng nhỏ. Các bạn có thể biết thêm chi tiết qua bảng dưới đây:

Thông thường đối với các mạch hàn tay ta thường dùng tụ 0603 hoặc 0805 để đảm bảo có thể hàn được (tất nhiên) và giá trị ESL không quá lớn.

Độ lớn

Trong các ứng dụng thông thường, giá trị tụ lọc khoảng 1uF và 0.1uF, giá trị tụ càng cao tần số lọc càng thấp và ngược lại. Để khử các giá trị ký sinh ta phải dùng nhiều tụ.

Giá trị tụ càng lớn, đồ thị càng dịch chuyển về phía bên trái và ngược lại.

Sau khi đạt tần số cộng hưởng, nếu ta tăng tần số lên thì trở kháng của tụ lại tăng do ảnh hưởng của điện cảm ký sinh. Như đã trình bày ở trên, các giá trị điện cảm ký sinh này lại phụ thuộc vào kích thước của tụ. Chính vì lý do đó, nếu bạn thiết kế mạch có độ chính xác và tần số cao các bạn cần đọc kỹ datasheet để có thể lựa chọn loại tụ phù hợp. Trong các mạch điện thông thường chúng ta có thể bỏ qua những ảnh hưởng này. Đối với mình khi thiết kế mạch điện, mình thường sử đặt tụ 104 giữa mỗi chân nguồn và đất cùng với đấy là một tụ có giá trị lớn (khoảng 10uF) cho toàn mạch.

Đối với các mạch điện yêu cầu lọc dải rộng

Đối với các mạch yêu cầu lọc dải, việc sử dụng 1 tụ lọc không thể nào đáp ứng, chính vì lý do đấy ta sử dụng nhiều tụ với kích thước và giá trị khác nhau.

Bởi vì với các tụ có kích cỡ giống nhau, ESL của chúng căn bản bằng nhau nên chúng ta cần lưu ý khi sử dụng tụ trong việc lọc dải rộng. Nếu chọn các tụ giống nhau về kích thước nhưng khác nhau về giá trị mắc song song ta sẽ có đặc tuyến như hình bên dưới.

Chúng ta có thể thấy, khi mắc song song đặc tuyến trở kháng tần số tổng hợp của 3 tụ tương đương với tụ có giá trị lớn nhất, lúc này việc lọc dải rộng không thật sự hiệu quả.

Tốt hơn hết, chúng ta cần kết hợp nhiều giá trị tụ khác nhau cùng với các kích cỡ khác nhau, điều này giúp đảm bảo dải lọc chúng ta sẽ lớn.

Một số ứng dụng

Lý thuyết thì như thế, nhưng việc áp dụng từng loại tụ khác nhau vào từng ứng dụng cụ thể quả thật không hề đơn giản. Ở đây mình đưa ra một số ứng dụng để mọi người dễ hình dung

Các mạch tạo điện áp tham chiếu

Sử dụng IC ISL60002 để tạo điện áp tham chiếu

Mặc dù các mạch tạo điện áp tham chiếu thông thường chỉ cần lọc tần số thấp, tuy nhiên để đảm bảo hiệu quả sử dụng tốt hơn hết chúng ta nên lọc toàn dải. Như trên hình ta có thể thấy điện áp đầu vào được đảm bảo lọc bằng hai tụ như mình đã đề cập ở trên. Tín hiệu đầu ra cũng được hiệu chỉnh bằng các mắc thêm tụ lọc cao tần. Tuy nhiên với các ứng dụng tải có điện cảm lớn, ta cần sử dụng các mạch R-C như hình bên dưới.

Bộ biến đổi DC/DC

Một ví dụ đơn giản về bộ biến đổi DC/DC như hình bên dưới:

Độ rộng xung được điều chỉnh tạo điện áp mong muốn.

Tính đến điện cảm ký sinh của tụ, mạch điện có thể vẽ lại như sau:

Dòng điện càng lớn, ảnh hưởng của điện cảm ký sinh càng rõ rệt, điện áp tiêu hao trên các giá trị ký sinh được thể hiện bằng công thức sau:
Khi này, chúng ta cần phải lựa chọn kỹ lưỡng các loại tụ dựa trên các đặc tính của chúng (mà mình sẽ viết chi tiết trong các bài sau). Ngoài việc cần phải lọc ở cả đầu vào và đầu ra của bộ biến đổi, ta còn cần phải lưu ý đến layout khi thiết kế mạch. Trong các mạch điện phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, layout là một trong những yếu tố chúng ta cần phải đặc biệt quan tâm.

Ngoài ra còn có các ứng dụng phức tạp hơn như trong mạch khuếch đại RF, mạch DAC, các mạch thời gian thực… từng ứng dụng có những đặc điểm riêng khi thực hiện chúng ta cần lưu ý để thiết kế mạch phù hợp.

Related Post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai.