Xác định bộ biến đổi (buck, boost hay buck-boost) và chu kỳ làm việc D từ tỷ số điện áp.
Dùng cân bằng volt-giây trên cuộn cảm: điện áp cuộn cảm trung bình trong một chu kỳ bằng không.
Tìm điện áp cuộn cảm khi khóa đóng, rồi ΔIL = VL·D/(L·f).
Với độ gợn đầu ra, tìm điện tích chảy vào và ra khỏi tụ điện; với ranh giới CCM, đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.
Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Điện áp bộ chia
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Lượng ra
Vab = Va − Vb
Cân bằng
R1/R2 = R3/R4
Cầu dây trượt
R/Rx = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Hệ số cảm biến
ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu
một phần tư Vs·GF·ε/4, một nửa Vs·GF·ε/2, đầy đủ Vs·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Ứng suất
σ = E·ε
Phương pháp
Coi cầu như hai bộ chia áp mắc song song trên cùng một nguồn.
Để cầu cân bằng, đặt R₁/R₂ = R₃/R₄ rồi giải tìm điện trở chưa biết.
Với cầu không cân bằng, tìm Va và Vb từ các bộ chia áp rồi lấy hiệu; dùng mạch tương đương Thévenin khi đồng hồ đo làm tải đầu ra.
Với cảm biến biến dạng (strain gauge), đổi biến dạng sang ΔR/R = GF·ε rồi dùng Vs·GF·ε/4, /2 hoặc ×1 cho cầu một phần tư, nửa cầu hoặc cầu đầy đủ.
Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Các cổng cơ bản
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Các quy tắc Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Thứ tự của bìa Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Nhóm 2ᵏ ô
mất k biến
Bộ ghép kênh 4-sang-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Bộ đếm
n bit: 2ⁿ trạng thái; mod-N: n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Bộ đếm gợn sóng
fmax = 1/(n·tpd)
Bộ đếm vòng và Johnson
n và 2n trạng thái
Phương pháp
Với một mạch, hãy làm từ các đầu vào đến đầu ra từng cổng một và ghi giá trị trên mọi dây, hoặc viết biểu thức của nó rồi điền bảng chân trị.
Để rút gọn, hãy đặt các số 1 (và các điều kiện tùy định là X) vào một bìa Karnaugh với hàng và cột theo mã Gray: 00, 01, 11, 10.
Hãy phủ các số 1 bằng càng ít nhóm và càng lớn càng tốt gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, cuộn qua mép; mỗi nhóm là một số hạng tích gồm các biến không đổi. Hãy nhóm các số 0 cho dạng POS.
Với flip-flop và bộ đếm, hãy đọc các đầu vào tại mỗi sườn xung nhịp tích cực, ghi trạng thái sau mỗi sườn, và nhớ rằng bộ đếm n bit quay vòng sau 2ⁿ trạng thái.
2Bài tập
1.Diode và transistorTrung bình
Một bộ ổn áp Zener 12 V được cấp từ 18 V qua 220 Ω và cấp điện cho tải 2200 Ω. Tìm dòng điện Zener IZ.
Vin = 18 VVZ = 12 VR = 220 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diode và transistorKhó
Một bộ ổn áp Zener 5,6 V có điện trở nối tiếp 330 Ω. Đầu vào có thể tăng đến 18 V, và tải có thể bị ngắt. Tìm công suất lớn nhất PZ,max mà Zener phải tiêu tán.
Vin,max = 18 VVZ = 5,6 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
3.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
Mạch khuếch đại vi sai dùng op-amp lý tưởng với nguồn ±15 V, với R3 = R1 và R4 = R2. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
Nguồn Vₛ nạp tụ điện qua R₁, và R₂ được mắc song song với C. Tụ điện chưa tích điện khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 5 ms.
Vs = 15 VR1 = 3,3 kΩR2 = 4,7 kΩC = 10 µFt = 5 ms
vC = V
6.Quá độ RC và RLKhó
Một mạch định thời bắt đầu nạp một tụ điện chưa tích điện qua một điện trở từ nguồn 12 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 6 V, đúng 500 ms sau khi bắt đầu. Với C = 2,2 µF, tìm điện trở R cần thiết.
Một bộ boost lý tưởng biến 36 V thành 120 V cho tải 12 Ω. Tìm dòng cuộn cảm trung bình IL.
Vin = 36 VVo = 120 VR = 12 Ω
IL = A
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ biến đổi boost lý tưởng biến 48 V thành 64 V cho tải 8 Ω ở 200 kHz. Tụ đầu ra là 22 µF. Tìm độ gợn điện áp ra đỉnh–đỉnh ΔVo theo mV.
Vin = 48 VVo = 64 Vf = 200 kHzC = 22 µFR = 8 Ω
ΔVo = mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 300 Ω và Vs = 9 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 3 Ω. Dùng xấp xỉ thay đổi nhỏ, tìm đầu ra Vab theo mV.
Vs = 9 VR = 300 ΩΔR = 3 Ω
Vab = mV
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một load cell (một cầu đầy đủ gồm các cảm biến biến dạng) có đầu ra định mức 1,5 mV/V tại tải định mức 200 kg. Nó được kích thích bằng 5 V. Tìm đầu ra Vo của nó dưới tải 80 kg.
1,5 mV/VFrated = 200 kgVs = 5 VF = 80 kg
Vo = mV
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Hãy dùng bìa Karnaugh để tìm dạng tổng các tích (SOP) tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 6, 7, 10, 12, 14). Nó có bao nhiêu số hạng tích N?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 6, 7, 10, 12, 14)
N =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Với F(A, B, C, D) = Σm(4, 7, 8, 11, 12, 14) + d(3, 5), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định, hãy tìm số N các implicant nguyên tố cốt yếu.
F(A, B, C, D) = Σm(4, 7, 8, 11, 12, 14) + d(3, 5)
N =
3Dung dịch
1.Diode và transistor
Đáp số: IZ = 21,82 mA
Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.
Dòng điện qua điện trở
IR = 6/220 = 27,27 mA
Dòng điện qua tải
IL = 12/2200 = 5,455 mA
Dòng điện Zener
IZ = 27,27 − 5,455 = 21,82 mA
Đáp số
IZ = 21,82 mA
2.Diode và transistor
Đáp số: PZ,max = 210,4 mW
Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.
Dòng điện Zener trường hợp xấu nhất
IZ = 12,4/330 = 37,58 mA
Công suất Zener
PZ = 5,6·37,58 = 210,4 mW
Đáp số
PZ,max = 210,4 mW
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −0,6085 V
Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.
Điện áp tại các đầu vào
R₃ và R₄ mang cùng một dòng điện, nên chúng tạo thành bộ chia áp; hồi tiếp làm V₋ = V₊.
Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.
Dòng điện ngõ vào
V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.
I1 = V1/R1 = −0,7/2 = −0,35 mA
I2 = V2/R2 = 0,1/4,7 = 0,02128 mA
If = I1 + I2 = −0,3287 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −2·(−0,3287) = 0,6574 V
Đáp số
Vout = 0,6574 V
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 2,003 V
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Mạch tương đương Thévenin nhìn từ tụ điện
Ngắn mạch nguồn để tìm Rth; hở mạch tụ điện để tìm điện áp mà nó sẽ ổn định ở đó.
Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·4,7/(3,3 + 4,7) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 15·4,7/(3,3 + 4,7) = 8,813 V
Hằng số thời gian
τ = Rth·C = 1,939·10 = 19,39 ms
Đường cong nạp
vC(t) = 8,813·(1 − e−5/19,39) = 2,003 V
Đáp số
vC = 2,003 V
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: R = 327,9 kΩ
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Hằng số thời gian cần thiết
6 = 12·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(12/(12 − 6))
τ = 500/0,6931 = 721,3 ms
Điện trở
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
R = τ/C = 721,3/2,2 = 327,9 kΩ
Đáp số
R = 327,9 kΩ
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,9519 A
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R3 + R4 = 3 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 4·11/(4+11) = 2,933 Ω
Req = R1 + 2,933 = 4 + 2,933 = 6,933 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 9/6,933 = 1,298 A
Dòng điện qua R₂
Trừ độ sụt áp trên R₁ để có điện áp tại nút A, cũng là điện áp trên R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 1,298·4 = 3,808 V
IR2 = VA/R2 = 3,808/4 = 0,9519 A
Đáp số
IR2 = 0,9519 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 1,008 A
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R5 + R6 = 30 + 15 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 8,182 Ω
R3 + 8,182 = 23,18 Ω
R2 ∥ 23,18 = 4,766 Ω
Req = R1 + 4,766 = 25 + 4,766 = 29,77 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 30/29,77 = 1,008 A
Đáp số
IR1 = 1,008 A
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: IL = 33,33 A
Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.
Chu kỳ làm việc
D = 1 − 36/120 = 0,7
Dòng điện qua tải
Io = 120/12 = 10 A
Dòng cuộn cảm
IL = Io/(1 − D) = 10/0,3 = 33,33 A
Đáp số
IL = 33,33 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔVo = 454,5 mV
Bộ biến đổi DC-DC: một khóa S đóng trong phần D của mỗi chu kỳ T = 1/f. Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm bằng không (cân bằng volt-giây), cho các tỷ số biến đổi lý tưởng ở chế độ dẫn liên tục: buck Vo = D·Vin, boost Vo = Vin/(1 − D), buck-boost đảo |Vo| = Vin·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: Vin·Iin = Vo·Io. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔIL = VL·D·T/L, với VL = Vin − Vo cho buck và Vin cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔVo = ΔIL/(8fC) cho buck và Io·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔIL/2.
Chu kỳ làm việc
D = 1 − 48/64 = 0,25
Dòng điện qua tải
Io = 64/8 = 8 A
Độ gợn đầu ra
ΔVo = 8·0,25/(200·10³·22·10⁻⁶) = 454,5 mV
Đáp số
ΔVo = 454,5 mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 22,5 mV
Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn Vs. Bộ chia bên trái R1–R2 cho Va = Vs·R2/(R1 + R2) và bộ chia bên phải R3–R4 cho Vb = Vs·R4/(R3 + R4); đầu ra là Vab = Va − Vb. Cầu cân bằng (Vab = 0, không có dòng qua đồng hồ) khi R1/R2 = R3/R4, tức R1·R4 = R2·R3. Nhìn từ đầu ra, cầu là một nguồn Thévenin với Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Thay đổi tương đối
ΔR/R = 3/300 = 0,01
Đầu ra tuyến tính hóa
Vab ≈ 9·0,01/4 = 22,5 mV
Đáp số
Vab = 22,5 mV
Giá trị chính xác là 22,39 mV; xấp xỉ tốt khi ΔR/R còn nhỏ.
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vo = 3 mV
Cảm biến biến dạng (strain gauge): một cảm biến thay đổi điện trở theo biến dạng: ΔR/R = GF·ε, trong đó hệ số cảm biến GF khoảng 2 với lá kim loại. Trong cầu có mọi nhánh bằng R, một cảm biến hoạt động (cầu một phần tư) cho Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho Vs·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho Vs·GF·ε. Ứng suất suy ra từ định luật Hooke, σ = E·ε. Các cảm biến lực (load cell) nêu độ nhạy theo mV/V: đầu ra ở đầy tải trên mỗi vôn kích thích.
Đầu ra toàn thang đo
1,5·5 = 7,5 mV
Đầu ra ở tải này
Vo = 7,5·80/200 = 3 mV
Đáp số
Vo = 3 mV
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 3
Bìa Karnaugh: các ô được sắp xếp theo mã Gray (00, 01, 11, 10), nên các ô kề nhau, kể cả những ô qua mép, khác nhau đúng một biến. Hãy nhóm các số 1 thành hình chữ nhật gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, lớn nhất có thể và ít nhóm nhất có thể, cho đến khi mọi số 1 đều được phủ. Mỗi nhóm là một số hạng tích: các biến không đổi bên trong nó. Một nhóm 2ᵏ ô mất k biến. Các điều kiện tùy định (X) có thể dùng để làm nhóm lớn hơn nhưng không bắt buộc phải được phủ. Nhóm các số 0 thay vào đó sẽ cho dạng POS tối thiểu.
Nhóm các số 1
Mỗi nhóm là một hình chữ nhật gồm 2ᵏ ô; các ô ở mép kề với các ô ở mép đối diện.
CD′
BD′
A′C
Dạng SOP tối thiểu
F = CD′ + BD′ + A′C
N = 3
Đáp số
N = 3
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 3
Bìa Karnaugh: các ô được sắp xếp theo mã Gray (00, 01, 11, 10), nên các ô kề nhau, kể cả những ô qua mép, khác nhau đúng một biến. Hãy nhóm các số 1 thành hình chữ nhật gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, lớn nhất có thể và ít nhóm nhất có thể, cho đến khi mọi số 1 đều được phủ. Mỗi nhóm là một số hạng tích: các biến không đổi bên trong nó. Một nhóm 2ᵏ ô mất k biến. Các điều kiện tùy định (X) có thể dùng để làm nhóm lớn hơn nhưng không bắt buộc phải được phủ. Nhóm các số 0 thay vào đó sẽ cho dạng POS tối thiểu.
Các implicant nguyên tố
Các nhóm lớn nhất có thể tạo từ các số 1 và các X.