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 transistor NPN có β = 100 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 12 V: R₁ = 56 kΩ từ VCC đến cực nền và R₂ = 15 kΩ từ cực nền xuống đất. Điện trở cực thu là RC = 5,6 kΩ và điện trở cực phát là RE = 1,2 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và dùng mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp (không bỏ qua dòng điện cực nền). Tìm điện áp cực thu–cực phát VCE.
Một bộ ổn áp Zener 6,2 V phải cấp tới 25 mA cho tải. Đầu vào có thể giảm xuống 24 V, và Zener cần ít nhất 1 mA để ổn áp. Tìm điện trở nối tiếp lớn nhất Rmax để nó còn ổn áp.
Một bộ biến đổi boost lý tưởng biến 9 V thành 18 V ở 250 kHz với L = 47 µH. Tìm dòng gợn đỉnh–đỉnh của cuộn cảm ΔIL.
Vin = 9 VVo = 18 Vf = 250 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ buck biến 36 V thành 9 V cho tải 5 Ω ở 250 kHz, với L = 47 µH và C = 10 µF. Tìm độ gợn điện áp ra đỉnh–đỉnh ΔVo theo mV.
Vin = 36 VVo = 9 Vf = 250 kHzL = 47 µHC = 10 µF
ΔVo = mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 120 Ω và Vs = 9 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 0,24 Ω. Dùng xấp xỉ thay đổi nhỏ, tìm đầu ra Vab theo mV.
Vs = 9 VR = 120 ΩΔR = 0,24 Ω
Vab = mV
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cảm biến biến dạng (GF = 2) trên một chi tiết có E = 200 GPa tạo thành cầu một phần tư được kích thích bằng 2,5 V. Đầu ra chỉ 0,625 mV. Tìm ứng suất dọc trục σ theo MPa.
Vs = 2,5 VGF = 2Vo = 0,625 mVE = 200 GPa
σ = MPa
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Một bộ ghép kênh 4-sang-1 có các đầu vào chọn S₁ = A và S₀ = B, và các đầu vào dữ liệu nối với I₀ = C, I₁ = 1, I₂ = 0, I₃ = C. Với bao nhiêu trong 8 tổ hợp của A, B và C thì đầu ra F = 1? Hãy tìm N.
I₀ = CI₁ = 1I₂ = 0I₃ = C
N =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Với F(A, B, C, D) = Σm(3, 8, 10, 12, 13, 14) + d(1, 2, 7), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định, hãy tìm số N các implicant nguyên tố cốt yếu.
Điểm phân cực của BJT: trong vùng tích cực VBE = 0,7 V, IC = β·IB và IE = (β + 1)·IB. Tìm IB từ vòng cực nền bằng KVL, rồi IC, rồi VCE từ vòng cực thu–cực phát. Cầu chia áp ở cực nền được thay bằng mạch tương đương Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; điện trở cực phát xuất hiện lớn gấp (β + 1) lần trong vòng cực nền.
Mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp
VTH = 12·15/(56 + 15) = 2,535 V
RTH = 56·15/(56 + 15) = 11,83 kΩ
Dòng điện cực nền
KVL quanh vòng cực nền; dòng điện cực phát là (β + 1)·IB.
IB = (2,535 − 0,7)/(11,83 + 101·1,2) = 13,8 µA
Dòng điện cực thu
IC = 100·13,8 µA = 1,38 mA
IE = 101·13,8 µA = 1,393 mA
Điện áp cực thu–cực phát
VCE = 12 − 1,38·5,6 − 1,393·1,2 = 2,603 V
Đáp số
VCE = 2,603 V
2.Diode và transistor
Đáp số: Rmax = 684,6 Ω
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 trường hợp xấu nhất
IR = 25 + 1 = 26 mA
Điện trở lớn nhất
Rmax = 17,8/0,026 = 684,6 Ω
Đáp số
Rmax = 684,6 Ω
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −1,877 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.
Ngõ vào đảo bám theo ngõ vào
V₋ = V₊ = −0,6 V
I = V₋/R1 = −0,6/4,7 = −0,1277 mA
Điện áp ngõ ra
Dòng điện qua R₁ cũng chạy qua Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,6 + (−0,1277)·10 = −1,877 V
Đáp số
Vout = −1,877 V
4.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −4,956 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 = −1,2/22 = −0,05455 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/10 = 0,16 mA
If = I1 + I2 = 0,1055 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −47·0,1055 = −4,956 V
Đáp số
Vout = −4,956 V
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 13,62 ms
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 và dòng điện cuối
Rất lâu sau khi khóa đóng, cuộn cảm hoạt động như ngắn mạch, nên dòng điện cuối chỉ do R quyết định.
τ = L/R = 100 mH / 22 Ω = 4,545 ms
i(∞) = Vs/R = 5/22 = 0,2273 A
Giải tìm thời gian
0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −4,545·ln(0,05) = 13,62 ms
Đáp số
t = 13,62 ms
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: i2 = 0,519 mA
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.
Điện áp ban đầu của tụ điện
Ở trạng thái xác lập, tụ điện là mạch hở, nên R₁ và R₂ tạo thành bộ chia áp. Điện áp tụ điện không thể nhảy khi công tắc mở.
vC(0) = 6·6,8/(2,2 + 6,8) = 4,533 V
Hằng số thời gian sau khi công tắc mở
τ = R2·C = 6,8·47 = 319,6 ms
Sự phóng điện
vC(t) = 4,533·e−80/319,6 = 3,529 V
i2 = vC/R2 = 3,529/6,8 = 0,519 mA
Đáp số
i2 = 0,519 mA
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 29,08 Ω
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 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 15·23/(15+23) = 9,079 Ω
Req = R1 + 9,079 = 20 + 9,079 = 29,08 Ω
Đáp số
Req = 29,08 Ω
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 10,7 Ω
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 = 5 + 6 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 5,238 Ω
R3 + 5,238 = 13,24 Ω
R2 ∥ 13,24 = 5,697 Ω
Req = R1 + 5,697 = 5 + 5,697 = 10,7 Ω
Đáp số
Req = 10,7 Ω
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔIL = 0,383 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 − 9/18 = 0,5
Điện áp cuộn cảm trong thời gian đóng
Khi S đóng, cuộn cảm nằm trực tiếp trên Vin.
VL = 9 V
Dòng gợn
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,5/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0,383 A
Đáp số
ΔIL = 0,383 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔVo = 28,72 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 = 9/36 = 0,25
Dòng gợn cuộn cảm
ΔIL = (36 − 9)·0,25/(47·10⁻⁶·250·10³) = 0,5745 A
Độ gợn đầu ra
ΔVo = 0,5745/(8·250·10³·10·10⁻⁶) = 28,72 mV
Đáp số
ΔVo = 28,72 mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 4,5 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 = 0,24/120 = 0,002
Đầu ra tuyến tính hóa
Vab ≈ 9·0,002/4 = 4,5 mV
Đáp số
Vab = 4,5 mV
Giá trị chính xác là 4,496 mV; xấp xỉ tốt khi ΔR/R còn nhỏ.
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: σ = 100 MPa
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.
Biến dạng
ε = 4·0,000625/(2,5·2) = 0,0005
Ứng suất
σ = 200·10³ MPa·0,0005 = 100 MPa
Đáp số
σ = 100 MPa
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 4
Bộ ghép kênh: một bộ ghép kênh 2ⁿ-sang-1 chuyển một trong các đầu vào dữ liệu của nó ra đầu ra; các đường chọn, đọc như một số nhị phân, quyết định đầu vào nào. Với MUX 4-sang-1 có các đường chọn S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Nối các đầu vào dữ liệu với 0, 1, C hoặc C′ làm MUX tạo ra bất kỳ hàm nào của A, B và C, đó là cách phổ biến để xây dựng logic bằng một chip.
Biểu thức đầu ra
F = A′B′C + A′B + ABC
Các hàng có F = 1
ABC = 001, 010, 011, 111
N = 4
Đáp số
N = 4
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 2
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.