111Equation Chapter 1 Section 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ
NỘI
VIỆN ĐIỆN
-----    -----

BÁO CÁO GIỮA KÌ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
(EMC)
ĐỀ TÀI: BALANCING AND FILTERING
Nhóm sinh viên thực hiện:


Hà Nội, năm 2022

2


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG....................................................................................1
1.1.

Hệ số nén đồng pha ( CMRR – Common Mode Rejection Ratio).........3

1.2.

Cân bằng cáp (Balance Cable)...............................................................5

1.3.

Cân bằng hệ thống (System Balance).....................................................6

1.4.

Cân bằng tải (Load Balance)..................................................................7

1.5.

Phương pháp cải hiện hệ số CMRR trong mạch khuếch đại vi sai........8

CHƯƠNG 2: BỘ LỌC.........................................................................................10
2.1.

Khái niệm bộ lọc..................................................................................10

2.2.

Phân loại...............................................................................................10

2.3.

Nguyên lý.............................................................................................12

2.4.

Thông số đặc trưng của bộ lọc.............................................................12

2.5.

Sự ảnh hưởng của hiệu ứng ký sinh trong bộ lọc.................................14

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ............................................................................................15
Tài liệu tham khảo................................................................................................22



Danh mục hình ảnh
Hình 1 Điều kiện cân bằng RS1 = RS2, RL1 = RL2, VS1 = VS2, IN1 = IN2
Hình 2 Một mạch cân bằng hiển thị điện áp nhiễu cảm ứng và điện dung và sự khác
biệt về điện thế đất giữa nguồn và tải
Hình 3 Điện dung trong dây dẫn cân bằng
Hình 4 Mạch dùng để xác định CMRR
Hình 5 Tác dụng của nguồn khơng cân bằng đến CMRR của đoạn mạch cân bằng.
Hình 6 Ảnh hưởng của điện trở tải không cân bằng lên CMRR trên mạch cân bằng
Hình 7 Cáp có dây drain (bên trái), cáp có lớp che chắn bện (bên phải)
Hình 8 Cáp đồng trục - Coaxial cables
Hình 9 Mạch khuếch đại vi sai cơ bản....................................................................
Hình 10 differentical ampifier khi nguồn khơng cân bằng
Hình 11 Intrumentation amplifier
Hình 12 Giép nối vào máy biến áp
Hình 13 Bộ lọc thơng thấp
Hình 14 Bộ lọc thơng cao
Hình 15 Bộ lọc thơng dải
Hình 16 Bộ lọc chặn dải
Hình 17a điện áp tải khi khơng có bộ lọc
Hình 17b điện áp tải khi có bộ lọc
Hình 18 Sự suy tiếp xúc(IL)của 1 số bộ lọc giả thiết RL=RC=50Ω
Hình 19 Bộ lọc thơng thấp có ký sinh
Hình 20 Cáp khơng cân bằng
Hình 21 Cáp cân bằng
Hình 22 Dây balance và dây unbalance
Hình 23 Mơ hình truyền qua dây Unbalance
Hình 24 Mơ hình truyền qua dây Unbalance.
Hình 25 Mạch cấu hình mạch lọc thơng dải

Hình 26 Đường cong đáp ứng tần số
Hình 27 Bộ lọc thơng dải được xây dựng


Lời mở đầu
Nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference) hay EMI, là những tín hiệu điện
khơng mong muốn được sinh ra từ năng lượng điện trường. Những tín hiệu này có thể
làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện trong
mạch dẫn đến làm mất hoặc làm sai lệch tín hiệu trong các hệ thống.
Với sự ra đời ngày một nhiều của các thiết bị điện tử không dây, các nhà sản
xuất công nghiệp đang gặp khó khăn với hiện tượng nhiễu điện từ EMI. Để giải quyết
vấn đề này chúng em xin 2 phương pháp làm giảm nhiễu EMI đó là Balancing và
Filtering


CHƯƠNG 1: CÂN BẰNG
Một mạch cân bằng là một mạch hai dây dẫn, trong đó cả hai dây dẫn tín hiệu,
và tất cả các mạch kết nối với chúng có cùng một trở kháng đối với một mức tham
chiếu (thường là đất). Nếu như trở kháng của hai dây dẫn tín hiệu với đất là khơng
bằng nhau, khi đó hệ thống khơng cân bằng. Do đó, một mạch có một dân dẫn tín hiệu
và một dây đất là khơng cân bằng. Mục đích của việc cân bằng là làm cho việc nhận
nhiễu bằng nhau trong cả hai dây dẫn, trong trường hợp đó nhiễu có thể triệt tiêu trong
tải. Để một mạch cân bằng có hiệu quả nhất trong việc giảm nhiễu chế độ chung
(common-mode), không chỉ cần cân bằng phía nguồn, tải mà cịn phải cân bằng kết nối
(cáp). Sử dụng máy biến áp hoặc bộ khuếch đại vi sai là hai cách tiếp cận có thể để
cung cấp một sự cân bằng.
Một mạch được xem xét trong hình 1 dưới đây. Nếu R S1 = RS2 thì nguồn được
cân bằng, nếu RL1 bằng RL2 thì tải được cân bằng. Trong những điều kiện này, mạch sẽ
được cân bằng vì cả hai dây dẫn tín hiệu đều có cùng trở kháng so với đất.


Hình 1: Điều kiện cân bằng RS1 = RS2, RL1 = RL2, VS1 = VS2, IN1 = IN2
Hai điện áp nhiễu VN1 và VN2 xuất hiện trong 2 dây dẫn sinh ra dòng IN1 và IN2.
Các nguồn VS1 và VS2 cùng nhau sinh ra dòng IS. Tổng điện áp trên tải được tính như
sau:
(1)
Hai số hạng đầu tiên đại diện cho nhiễu và số thứ ba là tín hiệu mong muốn.
Nếu IN1 = IN2 và RL1 = RL2 thì:
(2)
Như vậy nhiễu đã bị loại bỏ. Trong thực tế, cả sự cân bằng điện trở và điện
kháng đều quan trọng. Hình 1 chỉ hiển thị các đầu nối điện trở để đơn giản hóa. Hình 2
là tổng quát hơn ở chỗ nó hiển thị cả điện trở và điện dung. V1 và V2 đại diện cho điện
1


áp nhiễu cảm kháng, nguồn I1 và I2 đại diện cho nguồn nhiễu điện dung vào mạch. Vcm
là chênh lệch thế giữa đất của nguồn và tải. Nếu hai dây dẫn tín hiệu 1 và 2 nằm gần
nhau, hoặc tốt hơn là xoắn vào nhau, thì hai điện áp nhiễu cảm kháng V 1 và V2 phải
bằng nhau và triệt tiêu ở tải. Điện áp nhiễu được tạo ra giữa các đầu nối tải 1 và 2 tạo
ra từ điện dung có thể được xác định bằng cách tham khảo mơ hình ở Hình 3. Các tụ
điện C31 và C32 đại diện cho điện dung từ nguồn nhiễu, trong trường hợp này là dây dẫn
3. Trở kháng Rc1 và R2 đại diện cho tổng điện trở tương ứng từ dây dẫn 1 và 2 (đều
bằng R1R2)

Hình 2: Một mạch cân bằng hiển thị điện áp nhiễu cảm ứng và điện dung và sự
khác biệt về điện thế đất giữa nguồn và tải
Điện áp nhiễu điện dung VN1 do điện áp trên dây dẫn 3 gây ra ở dây dẫn 1 là:
(3)
Điện áp nhiễu do dây dẫn 3 gây ra ở dây dẫn 2 là:
(4)


Hình 3: Điện dung trong dây dẫn cân bằng

2


Nếu mạch cân bằng thì điện trở Rc1 và Rc2 bằng nhau. Nếu như dây dẫn 1 và 2
nằm liền kề nhau, hoặc tốt hơn là bị xoắn với nhau, điện dung C 31 nên C32 gần bằng
nhau. Khi đó VN1 xấp xỉ bằng VN2, và điện áp nhiễu điện dung triệt tiêu trong tải. Nếu
các đầu cuối được cân bằng, thì cáp xoắn đơi có thể bảo vệ chống lại ghép điện dung.
Cần lưu ý trong Hình 2 rằng sự khác biệt về điện thế đất V cm giữa nguồn và tải
tạo ra điện áp bằng nhau tại các đầu nối 1 và 2 ở tải. Các điện áp này triệt tiêu và không
tạo ra điện áp nhiễu mới trên tải.
1.1.

Hệ số nén đồng pha ( CMRR – Common Mode Rejection Ratio)

Hệ số nén đồng pha (CMRR) được sử dụng để định lượng mức độ cân
bằng hoặc hiệu quả của mạch cân bằng trong việc loại bỏ điện áp nhiễu ở chế
độ chung.

Hình 4: Mạch dùng để xác định CMRR
Hình 4 cho thấy một mạch cân bằng với chế độ chung điện áp Vcm. Nếu
sự cân bằng là hoàn hảo thì khơng có điện áp vi sai V dm xuất hiện ở đầu vào bộ
khuếch đại. Tuy nhiên do sự mất cân bằng nhẹ của hệ thống một điện áp nhiễu
chế độ chênh lệch nhỏ Vdm xuất hiện trên đầu vào của bộ khuếch đại. CMRR
được định nghĩa là:
(5)
CMRR càng lớn thì sự cân bằng càng tốt và giảm nhiễu càng lớn. Thơng thường
CMRR 40 đến 80dB có thể thấy ở các mạch được thiết kế tốt. Nếu điện tở nguồn Rs
nhỏ hơn điện trở tải RL thì điện áp của dây dẫn so với đất Vc tại đầu vào bộ khuếch đại

gần bằng Vcm. Do đó cơng thức trên có thể viết gần đúng như sau:
(6)
3


Nếu nguồn và tải được cách nhau về mặt vật lý bởi một khoảng cách đáng kể (ví
dụ: hệ thống điện thoại), thì định nghĩa trong phương trình 6 thường được ưa thích vì
phép đo của cả Vc và Vdm đều được thực hiện ở cùng một đầu mạch. Trong thực tế, sự
mất cân bằng nhỏ hạn chế sự ức chế nhiễu có thể xảy ra chúng bao gồm mất cân bằng
nguồn, mất cân bằng tải và mất cân bằng cáp, cũng như sự mất cân bằng do trở kháng
ký sinh nào đó. Cả hai cân bằng điện trở và điện dung phải được xem xét. Cân bằng
điện dung trở nên quan trọng hơn khi tần số tăng lên.
Trong nhiều ứng dụng thực tế, tải được cân bằng nhưng nguồn thì khơng. Hình
5 cho thấy điều này

Hình 5: Tác dụng của nguồn không cân bằng đến CMRR của đoạn mạch cân bằng.
Trong trường hợp này CMRR bằng:

(7)
Nếu RL lớn hơn rất nhiều so với RS + cơng thức (7) có thể dược viết như sau:
(8)
Ví dụ Rl bằng 10kΩ và bằng 10Ω thì CMRR bằng 60dB
Tác động bất lợi của mất cân bằng nguồn đối với hiệu suất của mạch trong hình
5 có thể được giảm bằng cách sau:
+ Giảm điện áp chế độ chung
+ Giảm mất cân bằng nguồn
+ Tăng trở kháng tải RL
CMRR cũng có thể được gây ra bởi sự mất cân bằng tải

4



Hình 6: Ảnh hưởng của điện trở tải khơng cân bằng lên CMRR trên mạch cân bằng
Trong trường hợp này, CMRR bằng:
(9)
Nếu RL rất lớn so với RS công thức trên được viết gần đúng như sau:
(10)
Ví dụ RS bằng 100 Ω, RL bằng 10kΩ và bằng 100Ω thì CMRR bằng 80dB. Từ
phương trình 10, nhận thấy rằng CMRR là hàm của tỷ lệ R L / RS tỉ số này càng lớn thì
khả năng loại bỏ nhiễu càng lớn, bất kể giá trị của Do đó, trở kháng nguồn thấp và trở
kháng tải cao sẽ cung cấp CMRR lớn nhất. Từ phương trình 8 và 10, chúng ta có thể
kết luận rằng điện trở tải lớn sẽ tối đa hóa CMRR cho trường hợp mất cân bằng nguồn
và mất cân bằng tải.
1.2.

Cân bằng cáp (Balance Cable)

Đối với cáp kết nối, cả cân bằng điện trở và điện kháng phải được duy trì giữa
hai dây. Do đó, điện trở và điện dung của mỗi dây dẫn phải bằng nhau. Trong nhiều
trường hợp, độ mất cân bằng của mạch lớn hơn độ mất cân bằng của cáp. Tuy nhiên,
khi yêu cầu CMRR lớn hơn 100 dB hoặc sử dụng cáp rất dài, thì các nhược điểm của
cáp phải được xem xét. Sự mất cân bằng điện trở của hầu hết các loại cáp là khơng
đáng kể và thường có thể được bỏ qua. Mất cân bằng điện dung thường nằm trong
khoảng 3% đến 5%. Ở tần số thấp, sự mất cân bằng này thường có thể được bỏ qua vì
các dung kháng sẽ lớn hơn rất nhiều so với các trở kháng khác trong mạch. Tuy nhiên,
ở tần số cao, sự mất cân bằng điện dung có thể phải được xem xét.

5



Hình 7: Cáp có dây drain (bên trái), cáp có lớp che chắn bện (bên phải)
Sự mất cân bằng điện dung hầu như khơng tồn tại đối với cáp có vỏ bọc bện nếu
được kết nối đúng cách. Tuy nhiên ở các đầu nối nếu không thực hiện đúng cách thì sẽ
sinh ra vấn đề về (khơng tiếp xúc 3600 với tấm chắn). Cáp lá chắn có chứa dây drain có
độ mất cân bằng cảm ứng cao hơn đáng kể so với cáp có lá chắn bện vì sự hiện diện
của dịng điện trong dây drain. Bởi vì điện trở của dây drain nhỏ hơn so với điện trở
của tấm chắn lá nhôm nên ở tần số thấp, gần như tất cả dòng điện của tấm chắn đều
chạy trên dây drain thay vì trên tấm chắn. Điều này có thể gây ra sự mất cân bằng đáng
kể trong khớp nối cảm ứng với các dây dẫn tín hiệu. Trên khoảng 10MHz, hiệu ứng da
dẫn đến lá chắn dòng chảy trên giấy bạc, và sự mất cân bằng quy nạp bị giảm đáng kể.
Tuy nhiên, nếu cáp có lá chắn được kết thúc qua dây drain, điều này thường xảy ra, sự
mất cân bằng cảm ứng sẽ xuất hiện trở lại ở vùng lân cận của các đầu cáp - vì dịng
điện của lá chắn sẽ khơng cịn được phân bố đồng đều quanh mặt cắt của lá chắn lá. Do
hai vấn đề nêu trên, sự mất cân bằng cảm ứng sinh ra từ dòng điện trong dây drain hoặc
đầu cuối của lá chắn không đúng cách, không nên sử dụng cáp được bọc lá với dây
drain trong các mạch nhạy cảm. Việc che chắn có thể được sử dụng để giảm lượng tín
hiệu nhiễu chế độ chung trong các dây dẫn tín hiệu và cân bằng làm triệt tiêu điện áp
chế độ chung khi được chuyển đổi thành điện áp chế độ vi sai và được ghép vào tải.
1.3.

Cân bằng hệ thống (System Balance)

Hệ số CMRR của từng phần riêng lẻ trong hệ thống không thể đánh giá được hệ
số CMRR của tồn bộ hệ thống. Ví dụ như việc hệ số CMRR của tải về nguồn đều lớn,
nhưng hệ số CMRR của hệ thống lại nhỏ và ngược lại. Một cách để đảm bảo cân bằng
hệ thống tốt là chỉ định CMRR cho từng thành phần cao hơn CMRR hệ thống mong
muốn. Tuy nhiên, phương pháp này không tạo ra lợi thế về mặt kinh tế. Khi nhiều khối
riêng lẻ được sử dụng để xây dựng một hệ thống, một cách để ước tính CMRR tổng thể
của hệ thống là giả sử nó bằng CMRR của thành phần kém nhất. Phương pháp này đặc
biệt hữu ích nếu CMRR của thành phần kém nhất thấp hơn 6 dB hoặc hơn của các

thành phần khác.
6


Cáp xoắn đơi hoặc cáp xoắn đơi có vỏ bọc bảo vệ thường được sử dụng làm cáp
kết nối trong một hệ thống cân bằng vì cáp xoắn đơi vốn có cấu hình cân bằng. Một
cách khác là việc sử dụng cáp đồng trục trong một hệ thống, tuy nhiên, vì là cáp ở dạng
đơn và chi phí khá cao, nên cách làm này sẽ ít phổ biến hơn, cịn nếu bắt buộc sử dụng
cáp đồng trục trong một hệ thống cân bằng, thì có thể sử dụng hai cáp, như thể hiện
trong hình 8.

Hình 8: Cáp đồng trục - Coaxial cables
1.4.

Cân bằng tải (Load Balance)

Một mạch khuếch đại vi sai thường được sử dụng để phối hợp cùng tải trong
một hệ thống cân bằng. Hình 9 mơ tả hệ thống sử dụng tải là bộ khuếch đại vi sai.

Hình 9:Mạch khuếch đại vi sai cơ bản
Các đặc điểm của một op-amp lý tưởng như sau:
 Hệ số khuếch đại điện áp rất lớn A mà lý tưởng là đạt đến vô cũng
 Điện trở đầu vào vô cùng lớn
 Điện trở đầu ra bằng 0
 CMRR bằng vô cùng lớn

7


Khi ở trạng thái đơn thì hệ số CMRR của OP-AMP sẽ bằng khoảng 70-80dB. Khi

được mắc thêm trở phản hồi và các điện trở thêm thì ta có thể tùy chỉnh chế độ đầu ra
cho mạch khuếch đại như đầu ra đảo, khơng đảo …
Trong hình 9, đây là bộ khuếch đại một đầu vào vi sai, khuếch đại đảo.
Trong trường hợp nguồn là cân bằng, nhưng tải không cân bằng, cơng thức tính hệ
số CMRR là:
Trong đó: là độ lệch điện trở trong tải.
p là độ dung sai của điện trở .
Khi sử dụng điện trở phù hợp và được điều khiển từ nguồn cân bằng, bộ khuếch đại
vi sai có thể cung cấp CMRR cao. Trong trường hợp tải là cân bằng, nhưng nguồn
không cân bằng như hình 4.9, cơng thức tính hệ số CMRR là:
Trong đó: là độ lệch điện trở trong nguồn.

Hình 10: differentical ampifier khi nguồn không cân bằng
1.5.

Phương pháp cải hiện hệ số CMRR trong mạch khuếch đại vi sai:

A. Sử dụng bộ đệm đầu vào là mạch khuếch đại vi sai:

Hình 11:Instrumentation ampifier

8


Khi đó hệ số CMRR được tính theo cơng thức:

Trong đó:

p là độ dung sai của điện trở .
k là hằng số giá trị nhỏ hơn 1.


Ví dụ: Trong trường hợp dung sai của điện trở là 1% và hệ số k tùy chọn là 0,5. Lúc
này hệ số CMRR ở trường hợp khơng có đệm sẽ là = 34dB, cịn ở trường hợp có đệm
sẽ là 50dB. So sánh trong 2 trường hợp ta thấy hệ số CMRR ở trường hợp có đệm cao
hơn rõ rệt.
B. Đầu vào ghép nối máy biến áp
Một cách tiếp cận khác để đạt được trở kháng cao ở chế độ chung là sử dụng một
máy biến áp. Máy biến áp có thể được sử dụng với bộ khuếch đại vi sai hoặc thậm chí
với bộ khuếch đại một đầu như được hiển thị trong Hình 12. Với một máy biến áp, chế
độ chung tần số thấp trở kháng đầu vào sẽ được xác định bởi điện trở cách điện (là cực
lớn) giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp. Ở trên cao tần số, điện dung
đan xen của máy biến áp cũng có thể ảnh hưởng đến trở kháng đầu vào chế độ chung.
Máy biến áp cũng cung cấp khả năng cách ly điện giữa nguồn và tải. Tuy nhiên cách
làm này khơng phổ biến vì chi phí cao nhưng hiệu quả khơng cao.

Hình 12: Giép nối vào máy biến áp

9


CHƯƠNG 2: BỘ LỌC
2.1.

Khái niệm bộ lọc

-

Nhiễu điện từ (EMI-Electromagnetic Interference), là những tín hiệu điện khơng
mong muốn được sinh ra từ năng lượng điện trường. Những tín hiệu này có thể
làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện

trong mạch dẫn đến làm mất hoặc làm sai lệch tín hiệu trong các hệ thống. Do
đó, để bảo vệ các mạch điện tử khỏi bị nhiễu, các nhà thiết kế thiết bị thường sử
dụng các bộ lọc triệt tiêu EMI.

-

Lọc(FILTERING) là kĩ thuật sử dụng 1 thiết bị/mạch điện loại bỏ tín hiệu không
mong muốn để đảm bảo thiết bị điện,điện tử không tạo ra hoặc bị ảnh hưởng
bởi nhiễu điện từ.

-

Bộ lọc được sử dụng để khử nhiễu có trên tín hiệu hoặc đường dây điện. Chúng
cũng có thể được sử dụng để ngăn chặn nhiễu tạo ra bởi thiết bị mà chúng được
kết nối hoặc bởi các thiết bị khác ở gần để làm cho thiết bị đó chống nhiễu tốt
hơn với các tín hiệu nhiễu điện từ trong mơi trường.

-

Các bộ lọc này thường được sử dụng tại điểm vào giữa thiết bị và mơi trường
của nó, được liên kết chặt chẽ với khung máy. Vị trí này đảm bảo rằng khơng có
tín hiệu nào đi vào thiết bị và bức xạ nó trước khi bị bộ lọc loại bỏ. Chúng cũng
có thể được đặt giữa các khu vực tách biệt của PCB.

2.2.

Phân loại

 Tùy theo cách ghép nối các phần tử mà ta có thể chia được các loại bộ lọc khác
nhau: Có 4 loại phổ biến

-

Low pass ( Bộ lọc thông thấp ): chỉ cho phép các tín hiệu tần số thấp từ 0 Hz
đến tần số cắt của nó (fc), trong khi chặn các tín hiệu cao hơn fc.

Hình 13: Bộ lọc thơng thấp
-

High pass ( Bộ lọc thơng cao ): chỉ cho phép tín hiệu cao từ tần số cắt (fc) và
cao hơn đến vô cực của nó đi qua trong khi chặn những tín hiệu thấp hơn.

10


Hình 14: Bộ lọc thơng cao
-

Band-pass ( Bộ lọc thơng dải ): chỉ cho phép các tín hiệu nằm trong một thiết
lập dải tần nhất định giữa hai điểm, đồng thời chặn cả tần số thấp hơn và tần số
cao hơn ở hai bên dải tần này.

Hình 15: Bộ lọc thông dải
-

Band-stop (Bộ lọc cấm dải ): là bộ lọc cắt bỏ các tần số trong một phạm vi nhất
định và cho qua các tần số bên ngoài phạm vi đó.

Hình 16: Bộ lọc chặn dải
 Ngồi ra, có thể chia theo số lượng phần tử:
-


Đơn phẩn tử:
 Một phần tử chuỗi đơn: là 1 điện trở, 1 cuộn dây, hoặc 1 ferit.
 Một phần tử shunt duy nhất: thường là tụ shunt

-

Đa phần tử:
 Một bộ lọc L (một chuỗi và một phần tử shunt)
 Một bộ lọc T (hai phần tử nối tiếp và một phần tử shunt)
11


 Một bộ lọc (hai phần tử shunt và một phần tử nối tiếp)
2.3.
-

Nguyên lý
Một bộ lọc cơ bản là kết hợp 3 thành phần: Điện trở R,Cuộn cảm L và tụ điện C.
Bộ lọc kết hợp 3 thành phần này để loại bỏ thành phần khơng mong muốn trong
đó:
 Cuộn cảm chặn thành phần tần số cao và dẫn tín hiệu tần số thấp.
 Tụ điện thì cho phép tín hiệu tần số cao đi qua và chặn tín hiệu tần số thấp.
 Bản thân điện trở thì khơng có đặc tính về tần số, nhưng được thêm vào cuộn
cảm và tụ điện để xác định hằng số thời gian của mạch.

2.4.
-

Thông số đặc trưng của bộ lọc

IL (insertion loss ): Các giá trị suy hao chèn, liên quan đến tỷ số giữa cường độ
của tín hiệu đến với cường độ của tín hiệu truyền và thường được biểu thị bằng
decibel, là một đặc tính cơ bản của hiệu quả bộ lọc.

Hình 17.(a) điện áp tải khi khơng có bộ lọc;(b) khi có bộ lọc
Cơng thức xác định IL:
Điện áp tải khi không đi qua bộ lọc
Điện áp tải khi đi qua bộ lọc

12


=

Hình 18: Sự suy tiếp xúc (IL)của 1 số bộ lọc giả thiết RL=RC=50Ω
 Các đặc điểm khác ảnh hưởng đến hiệu suất bộ lọc:
-

ESR (equivalent series resistance): điện trở nối tiếp tương đương còn được gọi
là nội trở, là một giá trị biểu thị sự mất mát năng lượng. Trong một tụ điện tốt,
ESR là rất nhỏ, và trong một tụ kém, ESR là lớn. Do đó, ESR thấp là một dấu
hiệu của một bộ lọc được khử tốt sẽ khơng tiêu hao nhiều năng lượng trong q
trình hoạt động của nó.
 Giá trị được xác định tùy thuộc vào các thành phần điện trở phù hợp với các
loại chất điện môi và thành phần điện trở của điện cực và thiết bị đầu cuối.
 ESR lớn (hoặc tanδ) có thể gây ra hỏng hóc do dịng điện tỏa ra nhiệt.
 Dịng điện có thể đi qua bị hạn chế (Giá trị hiện tại cho phép)
 ESR lớn (hoặc tanδ) cũng làm giảm hiệu ứng hấp thụ nhiễu.

Trong đó:


là hệ số tiêu tán;
là tần số tự nhiên ;
C là giá trị điện dung của tụ.

VD: Tụ hố nhơm polymer RVT

13


Điện áp

-

2.5.

6.3V

10V

16V

25V

35V

50V

63V


0.3

0.24

0.20

0.18

0.16

0.15

0.14

100V
0.14

tại 20℃, 120Hz

Hệ số Q: được biểu thị bằng tỷ số giữa năng lượng tích trữ và năng lượng mất đi
trên mỗi chu kỳ dao động
Sự ảnh hưởng của hiệu ứng ký sinh trong bộ lọc

Hình 19: Bộ lọc thơng thấp có ký sinh
Hãy xem xét bộ lọc thơng thấp được hiển thị trong Hình.19 Bộ lọc bao gồm một
trở kháng nối tiếp và hai tụ điện shunt. Điện dung ký sinh Cp mắc nối tiếp với trở
kháng Z1 mắc nối tiếp và cuộn cảm Lp1 và Lp2 mắc nối tiếp với hai tụ điện C1 và C2
tương ứng. Khi tần số tăng lên, một điểm đạt được tại đó phần tử nối tiếp trở thành
điện dung và hai phần tử shunt trở thành cảm ứng. Tại thời điểm này, bộ lọc thông thấp
trở thành bộ lọc thông cao. Người thiết kế phải đảm bảo rằng sự chuyển đổi này từ bộ

lọc thông thấp sang bộ lọc thông cao không xảy ra trong dải tần số quan tâm.

14


CHƯƠNG 3: VÍ DỤ
Một số ví dụ về cân bằng và lọc
VD1: Một ví dụ về ứng dụng sự cân bằng trong việc giảm nhiễu là hệ thống truyền
thông điện thoại. Cáp điện thoại, bao gồm các cặp xoắn đôi không được che chắn,
thường chạy song song với đường dây điện xoay chiều điện áp cao với khoảng cách
lớn và hiếm khi có bất kỳ nhiễu nào làm ảnh hưởng tới hệ thống điện thoại. Đây là kết
quả của việc thiết lập hệ thống điện thoại là một hệ thống cân bằng; cả nguồn và tải đều
cân bằng. Trong trường hợp hiếm hoi mà nhiễu được nghe thấy, đó là bởi vì hệ thống
đã mất cân bằng (ví dụ nước đi vào cáp) xảy ra với các đường dây, và vấn đề sẽ biến
mất một khi sự cân bằng khôi phục.

Hình 20: Cáp khơng cân bằng

Hình 21: Cáp cân bằng

15


VD2: Dây dẫn unbalanced thường có lớp vỏ chắn từ và dây tiếp đất hàn chung với
nhau do đó tín hiệu âm thanh xuất hiện trong cả chân cắm của giắc RCA và và vỏ dây
(hoặc dây tiếp đất). Nhiều loại dây unbalanced khác còn sử dụng lớp chắn từ với hai lõi
xoắn kép trong cùng một vỏ bọc để truyền tín hiệu, tuy nhiên vỏ bọc lại có thiết kế
ngăn cách riêng biệt khơng truyền tín hiệu. Điều này sẽ gây nhiễu nếu dây dẫn có vị trí
ở gần các lớp từ trường dao động (ví dụ như dây AC) và ảnh hưởng đến âm thanh phát
ra loa.


Hình 22:Dây balance và dây unbalance
Điểm yếu của dây Unbalance là sẽ có nhiều nguy cơ bị nhiễu, vì vậy thơng
thường dây Un-balance không thể quá dài, nhiễu trên đường dây sẽ được truyền tới
thiết bị nhận. Nhưng ưu điểm của nó là đơn giản, rẻ tiền, do đó nó rất phổ biến, đặc
biệt trong các thiết bị DIY.

Hình 23:Mơ hình truyền qua dây Unbalance.
Ngược lại với dây unbalanced, dây balanced có khả năng chống nhiễu đã hoàn
toàn tránh được vấn đề khó chịu như trên. Dây balanced có cấu tạo 3 ruột: hai sợi dẫn
tín hiệu và một sợi tiếp đất, một số dây còn được thêm một tấm chắn từ. Với nguyên
tắc hoạt động tín hiệu đồng nhất nhưng ngược pha 180 độ trong 2 sợi lõi, đầu ra bộ
khuếch đại vi sai sẽ triệt tiêu các tín hiệu nhiễu hồn tồn. Đây là hiện tượng “common
mode rejection” khi tín hiệu nhiễu xuất hiện ở cả 2 sợi lõi cân bằng bị triệt tiêu khi di
qua bộ khuếch đại vi sai, được tính bằng đơn vị CMRR (Common mode rejection
16


ratio). Cũng cần lưu ý rằng chỉ có tín hiệu nhiễu phát sinh thêm mới được triệt tiêu, chứ
không phải các tín hiệu nhiễu có sẵn.
Trong dây dẫn balance với đầu cắm XLR, chân số 1 luôn là dây tiếp đất. Chân
số 2 là sợi mang tín hiệu khơng bị nghịch chuyển (sợi nóng) và chân số 3 là sợi mang
tín hiệu bị nghịch chuyển (sợi nguội) - (Tiêu chuẩn Hiệp hội khoa học kỹ thuật âm
thanh - Audio Engineering Society).
Lưu ý khi thay đổi các thiết bị trong hệ thống như ampli công suất, DAC, ampli
vi sai ta cần kết nối chính xác các đầu cắm XLR trên các thiết bị mới giống như trên
các thiết bị cũ để giữ thiết lập phân cực hay nghịch phân cực. Có một số loại dây tín
hiệu cho phép cắm cả chân số 2 hay số 3 vào vị trí dây nóng mà khơng gây ra hiện
tượng phân cực nào.
Tín hiệu Signal + trên dây Balance sẽ giống như tín hiệu trên dây Un-balance,

nhưng Signal – sẽ là tín hiệu đảo ngược 180 độ so với Signal + (việc này được thực
hiện qua mạch khuyếch đại đảo OP-AMP). Tín hiệu khi truyền trên dây Balance cũng
bị nhiễu như Un-balance (như hình), nhưng khi tới đầu nhận tín hiệu Signal + và
Signal – sẽ được đưa vào 1 mạch khuyếch đại Vi sai (khuyếch đại trừ, Av=1).
Gỉa sử độ lớn của tín hiệu Signal là A thì khi đó ngõ ra Out sau balance sẽ là :
Output = (A+ noise ) – (- A + noise) = 2A , vậy tín hiệu được x2 lần ngõ vào. Điều
quan trọng nhất là nhiễu trên đường dây bị đã bị loại bỏ (vì tín hiệu nhiễu cùng pha
nhau, qua mạch trừ sẽ bị triệt tiêu). Do đặc tính loại bỏ nhiễu như vậy nên dây Balance
có thể truyền tín hiệu đi xa (30m) mà chất lượng ít bị ảnh hưởng.
Đây là hiện tượng “common mode rejection” khi tín hiệu nhiễu xuất hiện ở cả 2
sợi lõi cân bằng bị triệt tiêu khi di qua bộ khuếch đại vi sai, được tính bằng đơn vị
CMRR (Common mode rejection ratio). Tuy nhiên chỉ có tín hiệu nhiễu phát sinh thêm
mới được triệt tiêu, chứ không phải các tín hiệu nhiễu có sẵn.

Hình 24:Mơ hình truyền qua dây Balance

17


Ví dụ 3: Bộ lọc thơng dải
Khơng giống như bộ lọc thơng thấp chỉ truyền tín hiệu của dải tần số thấp hoặc
bộ lọc thơng cao chuyển tín hiệu của dải tần cao hơn, Bộ lọc thơng dải truyền tín hiệu
trong một “dải” hoặc “dải” tần số nhất định mà khơng làm biến dạng đầu vào tín hiệu
hoặc giới thiệu thêm tiếng ồn. Dải tần số này có thể có chiều rộng bất kỳ và thường
được gọi là dải thông của bộ lọc .
Dải thông thường được định nghĩa là phạm vi tần số tồn tại giữa hai điểm cắt
tần số xác định ( ƒc ), thấp hơn tâm tối đa hoặc đỉnh cộng hưởng 3dB trong khi làm
suy giảm hoặc làm suy yếu các điểm khác bên ngoài hai điểm này.
Sau đó, đối với tần số trải rộng, chúng ta có thể đơn giản định nghĩa thuật ngữ
“dải thơng”, BW là sự khác biệt giữa tần số cắt thấp hơn ( ƒc LOWER ) và điểm tần

số cắt cao hơn ( ƒc HIGHER ). Nói cách khác, BW = ƒ H – ƒ L . Rõ ràng để bộ lọc
thơng dải hoạt động chính xác, tần số cắt của bộ lọc thông thấp phải cao hơn tần số cắt
của bộ lọc thông cao.
Bộ lọc thông dải “lý tưởng” cũng có thể được sử dụng để cơ lập hoặc lọc ra các
tần số nhất định nằm trong một dải tần cụ thể, ví dụ như loại bỏ nhiễu. Bộ lọc thông dải
thường được gọi là bộ lọc bậc hai, (hai cực) vì chúng có thành phần phản kháng như tụ
điện, trong thiết kế mạch của chúng. Một tụ điện trong mạch thơng thấp và một tụ điện
khác ở mạch cao.

Hình 25:Mạch cấu hình lọc thơng dải

18


Hình 26: Đường cong đáp ứng tần số
Biểu đồ Bode hoặc đường cong đáp ứng tần số ở trên cho thấy các đặc tính của
bộ lọc thơng dải. Đây là tín hiệu bị suy giảm ở tần số thấp với sản lượng gia tăng với
độ dốc của + 20dB / decabe (6dB / Octave) cho đến khi tần số đạt đến “thấp cắt”
điểm ƒ L . Ở tần số này, điện áp đầu ra lại là 1 / √2 = 70,7% giá trị tín hiệu đầu vào
hoặc -3dB (20 * log (V OUT / V IN )) của đầu vào.
Đầu ra tiếp tục ở độ lợi tối đa cho đến khi nó đạt đến điểm “giới hạn
trên” ƒ H tại đó đầu ra giảm ở tốc độ -20dB / decabe (6dB / Octave) làm suy giảm bất
kỳ tín hiệu tần số cao nào. Điểm tăng cơng suất tối đa nói chung là giá trị trung bình
hình học của hai giá trị -3dB giữa điểm cắt dưới và điểm cắt trên và được gọi là giá trị
“Tần số trung tâm” hoặc “Đỉnh cộng hưởng” ƒr . Giá trị trung bình hình học này được
tính là ƒr 2 = ƒ (UPPER) x ƒ (LOWER) .
Bộ lọc thông dải được coi là bộ lọc loại hai (hai cực) vì nó có “hai” thành phần
phản kháng trong cấu trúc mạch của nó, khi đó góc pha sẽ gấp đơi so với các bộ lọc
bậc một đã thấy trước đây, tức là 180 o . Góc pha của tín hiệu đầu ra Tìm nhu cầu đó
của các đầu vào bằng cách +90 o lên đến trung tâm hoặc tần số cộng hưởng, ƒr điểm

được nó trở thành “zero” độ (0 o ) hoặc “đồng pha” và sau đó thay đổi để tụt hậu đầu
vào bằng -90 o khi tần số đầu ra tăng lên.
Các điểm tần số cắt trên và dưới cho bộ lọc thông dải có thể được tìm thấy bằng
cách sử dụng cơng thức tương tự như cho cả bộ lọc thông thấp và cao, chẳng hạn.

Rõ ràng, độ rộng của dải tần của bộ lọc có thể được điều khiển bằng cách định
vị hai điểm tần số cắt của hai bộ lọc.
19


Ví dụ về một bộ lọc thơng dải:xây dựng một bộ lọc thông dải chỉ cho phép một dải tần
số vượt qua trên 1kHz (1.000Hz) và dưới 30kHz (30.000Hz). Giả sử cả hai điện trở đều
có giá trị là 10kΩ
Giai đoạn lọc thông cao
Giá trị của tụ C1 cần cung cấp cho tần số cắt ƒ L là 1kHz với giá trị điện
trở 10kΩ được tính như sau:

Sau đó, các giá trị của R1 và C1 cần thiết để tầng cao có tần số cắt 1,0kHz là: R1 =
10kΩ và với giá trị ưu tiên gần nhất, C1 = 15nF .
Giai đoạn lọc thông thấp
Giá trị của tụ điện C2 cần cung cấp cho tần số cắt ƒ H là 30kHz với giá trị điện
trở 10kΩ được tính như sau:

Sau đó, các giá trị của R2 và C2 cần thiết cho giai đoạn thông thấp để cung cấp
tần số cắt 30kHz là, R = 10kΩ và C = 530pF . Tuy nhiên, giá trị ưu tiên gần nhất của
giá trị tụ điện được tính tốn là 530pF là 560pF , vì vậy giá trị này được sử dụng thay
thế.
Với các giá trị của cả điện trở R1 và R2 được cho là 10kΩ và hai giá trị của tụ
điện C1 và C2 được tìm thấy cho cả bộ lọc thơng cao và thông thấp tương
ứng là 15nF và 560pF , thì mạch cho Bộ lọc thơng dải thụ động đơn giản của chúng

tôi được đưa ra dưới dạng.

20