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
2 xanh lá LED (điện áp thuận 2,2 V mỗi cái) được mắc nối tiếp với một điện trở vào nguồn 12 V. Tìm điện trở R để đặt dòng điện là 25 mA.
Vs = 12 VVF = 2,2 Vn = 2I = 25 mA
R = Ω
2.Diode và transistorKhó
Một transistor NPN có β = 200 đóng cắt một điện trở tải 220 Ω nối giữa VCC = 12 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 = 3,3 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và VCE(sat) = 0,2 V. Tìm dòng điện cực thu IC theo mA khi ngõ vào ở mức cao. Trước hết hãy xác định xem transistor có bão hòa không.
Chọn điện trở hồi tiếp Rf để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 6.
R1 = 4,7 kΩAv = 6
Rf = kΩ
4.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
V1 = 0,5 VV2 = 0,7 VR1 = 47 kΩR2 = 1 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
5.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp vL trên cuộn cảm tại t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
vL = 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 5 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 2,5 V, đúng 100 ms sau khi bắt đầu. Với C = 100 µF, tìm điện trở R cần thiết.
Vs = 5 VVth = 2,5 VT = 100 msC = 100 µF
R = kΩ
7.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
Một bộ buck biến 48 V thành 14,4 V ở 100 kHz với L = 47 µH. Tìm dòng tải nhỏ nhất Io,min để nó còn ở chế độ dẫn liên tục.
Vin = 48 VVo = 14,4 Vf = 100 kHzL = 47 µH
Io,min = A
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 400 Ω được cấp 5 V. Khi cảm biến R₂ thay đổi, đầu ra chỉ Vab = 49,02 mV. Tìm độ thay đổi chính xác ΔR của R₂.
Vs = 5 VR = 400 ΩVab = 49,02 mV
ΔR = Ω
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu một phần tư (một cảm biến hoạt động, GF = 2) 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 = 2εmax = 500 µεVFS = 3,3 V
G =
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Trong bìa Karnaugh này, đúng một số 1 không có số 1 kề, nên nó vẫn là một nhóm một ô (một minterm đầy đủ bốn literal) trong dạng SOP tối thiểu. Các ô kề qua mép bìa cũng được tính. Hãy nhấp vào ô đó.
F = Σm(2, 3, 4, 10)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
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, 6, 7, 9, 10, 14) + d(11, 15), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định. Nó chứa bao nhiêu literal L?
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 − 2·2,2 = 7,6 V
Điện trở
R = 7,6/0,025 = 304 Ω
Đáp số
R = 304 Ω
Điện trở tiêu tán 190 mW.
2.Diode và transistor
Đáp số: IC = 53,64 mA
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 nền
IB = (3,3 − 0,7)/3,3 kΩ = 787,9 µA
Bão hòa hay tích cực?
β·IB lớn hơn IC(sat), nên transistor bão hòa.
β·IB = 157,6 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/220 = 53,64 mA
Dòng điện cực thu
IC = IC(sat) = 53,64 mA
Đáp số
IC = 53,64 mA
Transistor ở trạng thái bão hòa.
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Rf = 23,5 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 = (6 − 1)·4,7 = 23,5 kΩ
Đáp số
Rf = 23,5 kΩ
4.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −1,421 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 = 0,5/47 = 0,01064 mA
I2 = V2/R2 = 0,7/1 = 0,7 mA
If = I1 + I2 = 0,7106 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −2·0,7106 = −1,421 V
Đáp số
Vout = −1,421 V
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: vL = 3,04 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.
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 / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0,08824 A
Điện áp cuộn cảm
Tại t = 0, toàn bộ điện áp nguồn xuất hiện trên cuộn cảm; sau đó nó giảm dần về không.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/1,471 = 3,04 V
Đáp số
vL = 3,04 V
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: R = 1,443 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
2,5 = 5·(1 − e−100/τ) → τ = 100/ln(5/(5 − 2,5))
τ = 100/0,6931 = 144,3 ms
Điện trở
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
R = τ/C = 144,3/100 = 1,443 kΩ
Đáp số
R = 1,443 kΩ
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 6,714 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 5 + 1,714 = 6,714 Ω
Đáp số
Req = 6,714 Ω
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,3486 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 = 15 + 15 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 7,5 Ω
R3 + 7,5 = 9,5 Ω
R2 ∥ 9,5 = 4,343 Ω
Req = R1 + 4,343 = 10 + 4,343 = 14,34 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 = 5/14,34 = 0,3486 A
Đáp số
IR1 = 0,3486 A
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Imax = 5,58 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 = 10,8/36 = 0,3
Dòng trung bình và dòng gợn
Io = 10,8/2,5 = 4,32 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 25,2·0,3/(150·10⁻⁶·20·10³) = 2,52 A
Dòng đỉnh
Imax = 4,32 + 2,52/2 = 5,58 A
Đáp số
Imax = 5,58 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Io,min = 1,072 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 = 14,4/48 = 0,3
Dòng gợn
ΔIL = 14,4·0,7/(47·10⁻⁶·100·10³) = 2,145 A
Dòng tải ở ranh giới
Io,min = ΔIL/2 = 1,072 A
Đáp số
Io,min = 1,072 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: ΔR = 16 Ω
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.
Điện áp nút
Va = 2,5 + 0,04902 = 2,549 V
Giải bộ chia áp
R₂ = 400·2,549/(5 − 2,549) = 416 Ω
ΔR = 416 − 400 = 16 Ω
Đáp số
ΔR = 16 Ω
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: G = 5280
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 = 0,625 mV
Độ khuếch đại
G = 3,3/0,000625 = 5280
Đáp số
G = 5280
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: AB = 01, CD = 00
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 ô kề của mỗi số 1
Một số 1 có số 1 kề có thể thuộc một nhóm hai ô hoặc lớn hơn.
m4: m5, m6, m0, m12 → 0
Số 1 cô lập
m4 = A′BC′D′ → AB = 01, CD = 00
Đáp số
AB = 01, CD = 00
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 10
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.
CD′, BC, B′C′D, AC, A′B′D′, AB′D, A′B′C′
Phủ tối thiểu
F = CD′ + BC + B′C′D + A′B′D′
L = 10
Đáp số
L = 10
Có một cách nhóm khác cùng kích thước; nó có cùng số số hạng và literal.