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 9,1 V được cấp từ 24 V qua 680 Ω và cấp điện cho tải 470 Ω. Tìm dòng điện Zener IZ.
Vin = 24 VVZ = 9,1 VR = 680 ΩRL = 470 Ω
IZ = mA
2.Diode và transistorKhó
Một bộ ổn áp Zener 6,2 V có điện trở nối tiếp 470 Ω. Đầu vào có thể tăng đến 20 V, và tải có thể bị ngắt. Tìm công suất lớn nhất PZ,max mà Zener phải tiêu tán.
Vin,max = 20 VVZ = 6,2 VR = 470 Ω
PZ,max = mW
3.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
Chọn điện trở hồi tiếp Rf để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 21.
R1 = 22 kΩAv = 21
Rf = kΩ
4.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm dòng điện If qua điện trở hồi tiếp, chạy về phía ngõ ra.
Một bộ biến đổi buck lý tưởng biến 9 V thành 6,3 V ở 200 kHz với L = 100 µH. Tìm dòng gợn đỉnh–đỉnh của cuộn cảm ΔIL.
Vin = 9 VVo = 6,3 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ biến đổi buck lý tưởng biến 24 V thành 14,4 V cho tải 10 Ω ở 20 kHz. Tìm điện cảm nhỏ nhất Lcrit để dẫn liên tục.
Vin = 24 VVo = 14,4 Vf = 20 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 100 Ω và Vs = 6 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 0,4 Ω. Dùng xấp xỉ thay đổi nhỏ, tìm đầu ra Vab theo mV.
Vs = 6 VR = 100 ΩΔR = 0,4 Ω
Vab = mV
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu có các nhánh 120 Ω được kích thích bằng 3 V và có bốn cảm biến hoạt động, hai chịu kéo và hai chịu nén (cầu đầy đủ). Hệ số cảm biến là 2 và biến dạng là 250 µε. Tìm đầu ra của cầu Vo theo mV.
Vs = 3 VGF = 2ε = 250 µε
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) = Σm(1, 3, 5, 6). Tổng cộng nó chứa bao nhiêu literal L (một biến có dấu phẩy được tính là một literal)?
F(A, B, C) = Σm(1, 3, 5, 6)
L =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Hãy tìm dạng SOP tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(1, 5, 9, 10, 12, 13, 15) + d(0, 6, 14), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định. Nó chứa bao nhiêu literal L?
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 = 14,9/680 = 21,91 mA
Dòng điện qua tải
IL = 9,1/470 = 19,36 mA
Dòng điện Zener
IZ = 21,91 − 19,36 = 2,55 mA
Đáp số
IZ = 2,55 mA
2.Diode và transistor
Đáp số: PZ,max = 182 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 = 13,8/470 = 29,36 mA
Công suất Zener
PZ = 6,2·29,36 = 182 mW
Đáp số
PZ,max = 182 mW
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Rf = 440 kΩ
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.
Độ lợi của bộ khuếch đại không đảo
V₋ = V₊ = Vin, và dòng điện qua R₁ cũng chạy qua Rf, nên Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (21 − 1)·22 = 440 kΩ
Đáp số
Rf = 440 kΩ
4.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: If = −1,291 mA
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 = −0,9/4,7 = −0,1915 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/1 = −1,1 mA
If = I1 + I2 = −1,291 mA
Đáp số
If = −1,291 mA
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: i = 0,5837 A
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.
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
Điện áp tụ điện không thể nhảy vọt, nên nó bắt đầu từ giá trị đã tích và hướng tới điện áp nguồn.
vC(0) = 15 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 100 µF = 470 ms
vC(t) = 10 + (15 − 10)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(120) = 10 + (5)·e−120/470 = 13,87 V
Đáp số
vC = 13,87 V
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,7925 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 3·14/(3+14) = 2,471 Ω
Req = R1 + 2,471 = 10 + 2,471 = 12,47 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 = 12/12,47 = 0,9623 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 = 12 − 0,9623·10 = 2,377 V
IR2 = VA/R2 = 2,377/3 = 0,7925 A
Đáp số
IR2 = 0,7925 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,8014 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 = 10 + 20 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 5 Ω
R3 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 4,952 Ω
Req = R1 + 4,952 = 2 + 4,952 = 6,952 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 = 9/6,952 = 1,295 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 − 1,295·2 = 6,411 V
IR2 = VA/R2 = 6,411/8 = 0,8014 A
Đáp số
IR2 = 0,8014 A
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔIL = 0,0945 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 = 6,3/9 = 0,7
Điện áp cuộn cảm trong thời gian đóng
Khi S đóng, cuộn cảm nằm giữa Vin và Vo.
VL = 9 − 6,3 = 2,7 V
Dòng gợn
ΔIL = VL·D/(L·f) = 2,7·0,7/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,0945 A
Đáp số
ΔIL = 0,0945 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Lcrit = 100 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 = 14,4/24 = 0,6
Điều kiện ranh giới
Đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng một nửa dòng gợn và giải theo L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Điện cảm tới hạn
Lcrit = (1 − 0,6)·10/(220·10³) = 100 µH
Đáp số
Lcrit = 100 µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 6 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 = 0,4/100 = 0,004
Đầu ra tuyến tính hóa
Vab ≈ 6·0,004/4 = 6 mV
Đáp số
Vab = 6 mV
Giá trị chính xác là 5,988 mV; xấp xỉ tốt khi ΔR/R còn nhỏ.
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vo = 1,5 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.
Thay đổi điện trở tương đối
ΔR/R = 2·250·10⁻⁶ = 0,0005
Đầu ra của cầu
Vo = Vs·GF·ε = 3·0,0005 = 1,5 mV
Đáp số
Vo = 1,5 mV
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 7
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.
B′C
A′C
ABC′
Dạng SOP tối thiểu
F = B′C + A′C + ABC′
L = 7
Đáp số
L = 7
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 7
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.