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
3 vàng LED (điện áp thuận 2,1 V mỗi cái) được mắc nối tiếp với một điện trở vào nguồn 12 V. Tìm điện trở R để đặt dòng điện là 10 mA.
Vs = 12 VVF = 2,1 Vn = 3I = 10 mA
R = Ω
2.Diode và transistorKhó
Một transistor NPN có β = 200 đóng cắt một điện trở tải 1 kΩ nối giữa VCC = 5 V và cực thu của nó. Cực phát được nối đất. Cực nền được điều khiển từ ngõ ra logic 3,3 V qua điện trở nền RB. Lấy VBE = 0,7 V và VCE(sat) = 0,2 V. Tìm điện trở nền lớn nhất RB, theo kΩ, vẫn vừa đủ đưa transistor vào bão hòa.
Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
V1 = −0,9 VV2 = 1,6 VR1 = 2 kΩR2 = 22 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
5.Quá độ RC và RLTrung bình
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 = 15 ms.
Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 4,7 kΩC = 22 µFt = 15 ms
vC = V
6.Quá độ RC và RLKhó
Công tắc mắc song song với R2 đã mở trong một thời gian dài, nên dòng điện cuộn cảm ổn định. Tại t = 0 công tắc đóng và nối tắt R2. Sau t = 0 bao lâu thì dòng điện cuộn cảm đạt 0,263 A? Tìm t.
Vs = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mH
t = ms
7.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm dòng điện IR1 do nguồn cung cấp, chạy qua R1.
V1 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
8.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
Một bộ buck lý tưởng biến 36 V thành 25,2 V ở tần số chuyển mạch 500 kHz. Tìm điện cảm L giữ dòng gợn đỉnh–đỉnh của cuộn cảm ở 0,3 A.
Vin = 36 VVo = 25,2 Vf = 500 kHzΔIL = 0,3 A
L = µH
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ buck biến 36 V thành 18 V ở 20 kHz với L = 68 µH. Tìm dòng tải nhỏ nhất Io,min để nó còn ở chế độ dẫn liên tục.
Vin = 36 VVo = 18 Vf = 20 kHzL = 68 µH
Io,min = A
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 400 Ω và Vs = 12 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 2 Ω. Dùng xấp xỉ thay đổi nhỏ, tìm đầu ra Vab theo mV.
Vs = 12 VR = 400 ΩΔR = 2 Ω
Vab = mV
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu một phần tư (một cảm biến hoạt động, GF = 2,1) được kích thích bằng 2,5 V. Biến dạng lớn nhất cần đo là 500 µε, và nó phải cho 3,3 V ở đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự–số. Tìm độ lợi bộ khuếch đại G.
Vs = 2,5 VGF = 2,1εmax = 500 µεVFS = 3,3 V
G =
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 = 0, I₁ = 0, I₂ = 0, I₃ = 1. Với bao nhiêu trong 8 tổ hợp của A, B và C thì đầu ra F = 1? Hãy tìm N.
I₀ = 0I₁ = 0I₂ = 0I₃ = 1
N =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Hãy tìm dạng SOP tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 12, 13, 14) + d(6, 8, 9), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định. Nó có bao nhiêu số hạng tích N?
Mạch LED và diode: một LED phân cực thuận sụt xấp xỉ điện áp thuận VF của nó (khoảng 2 V với đỏ, 3 V với xanh dương hoặc trắng), bất kể dòng điện. Một điện trở nối tiếp đặt dòng điện: R = (Vs − n·VF)/I cho n LED nối tiếp. Với mô hình diode chính xác hơn V = V₀ + I·rd, điểm làm việc là nơi đường diode gặp đường tải I = (Vs − V)/R, nên I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Điện áp trên điện trở
VR = 12 − 3·2,1 = 5,7 V
Điện trở
R = 5,7/0,01 = 570 Ω
Đáp số
R = 570 Ω
Điện trở tiêu tán 57 mW.
2.Diode và transistor
Đáp số: RB = 108,3 kΩ
BJT làm khóa: để bật hoàn toàn một tải, transistor được đưa vào bão hòa, nơi VCE = VCE(sat) và dòng điện cực thu do tải quyết định: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Bão hòa cần dòng cực nền ít nhất IB = IC(sat)/β. Nếu dòng điện cực nền nhỏ hơn, transistor ở lại vùng tích cực và IC = β·IB.
Dòng điện cực thu khi bão hòa
IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA
Dòng điện cực nền tối thiểu
IB(min) = IC(sat)/β = 4,8/200 = 24 µA
Điện trở nền
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/0,024 mA = 108,3 kΩ
Đáp số
RB = 108,3 kΩ
Mọi điện trở nền nhỏ hơn cũng làm transistor bão hòa; trong thực tế bạn chọn điện trở nhỏ hơn vài lần.
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −6,361 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.
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 = −0,9/2 = −0,45 mA
I2 = V2/R2 = 1,6/22 = 0,07273 mA
If = I1 + I2 = −0,3773 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −2·(−0,3773) = 0,7545 V
Đáp số
Vout = 0,7545 V
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 3,735 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 = 2,2·4,7/(2,2 + 4,7) = 1,499 kΩ
vC(∞) = 15·4,7/(2,2 + 4,7) = 10,22 V
Hằng số thời gian
τ = Rth·C = 1,499·22 = 32,97 ms
Đường cong nạp
vC(t) = 10,22·(1 − e−15/32,97) = 3,735 V
Đáp số
vC = 3,735 V
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 3,159 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.
Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian
Trước t = 0, cả hai điện trở đều ở trong vòng; sau đó công tắc đóng nối tắt R₂.
i(0) = 6/(15 + 33) = 0,125 A
i(∞) = 6/15 = 0,4 A
τ = L/R = 68/15 = 4,533 ms
i(t) = 0,4 + (0,125 − 0,4)·e−t/τ
Giải tìm thời gian
e−t/τ = (0,263 − 0,4)/(0,125 − 0,4) = 0,4982
t = 4,533·ln(2,007) = 3,159 ms
Đáp số
t = 3,159 ms
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 3,452 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 = 6 + 20 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 3·26/(3+26) = 2,69 Ω
Req = R1 + 2,69 = 6 + 2,69 = 8,69 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 = 30/8,69 = 3,452 A
Đáp số
IR1 = 3,452 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 21,65 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 2,727 Ω
R3 + 2,727 = 32,73 Ω
R2 ∥ 32,73 = 15,65 Ω
Req = R1 + 15,65 = 6 + 15,65 = 21,65 Ω
Đáp số
Req = 21,65 Ω
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: L = 50,4 µH
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 = 25,2/36 = 0,7
Độ tự cảm
L = 10,8·0,7/(0,3·500·10³) = 50,4 µH
Đáp số
L = 50,4 µH
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Io,min = 3,309 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 = 18/36 = 0,5
Dòng gợn
ΔIL = 18·0,5/(68·10⁻⁶·20·10³) = 6,618 A
Dòng tải ở ranh giới
Io,min = ΔIL/2 = 3,309 A
Đáp số
Io,min = 3,309 A
Dưới dòng điện này, bộ biến đổi chuyển sang chế độ dẫn gián đoạn và Vo tăng lên trên D·Vin.
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 15 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 = 2/400 = 0,005
Đầu ra tuyến tính hóa
Vab ≈ 12·0,005/4 = 15 mV
Đáp số
Vab = 15 mV
Giá trị chính xác là 14,96 mV; xấp xỉ tốt khi ΔR/R còn nhỏ.
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: G = 5029
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 của cầu ở toàn thang đo
Vo = 0,6563 mV
Độ khuếch đại
G = 3,3/0,0006563 = 5029
Đáp số
G = 5029
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 2
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 = AB
Các hàng có F = 1
ABC = 110, 111
N = 2
Đáp số
N = 2
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 4
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.