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
4 xanh lá LED (điện áp thuận 2,2 V mỗi cái) được mắc nối tiếp với một điện trở vào nguồn 24 V. Tìm điện trở R để đặt dòng điện là 15 mA.
Vs = 24 VVF = 2,2 Vn = 4I = 15 mA
R = Ω
2.Diode và transistorKhó
Một diode được mô hình hóa bằng 0,6 V nối tiếp với 50 Ω (nó dẫn khi trên 0,6 V). Nó mắc nối tiếp với một điện trở 1000 Ω qua nguồn 6 V. Tìm dòng điện làm việc ID tại nơi đường diode gặp đường tải.
Vs = 6 VR = 1000 ΩV0 = 0,6 Vrd = 50 Ω
ID = mA
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 V− tại đầu vào đảo.
Hai tầng op-amp lý tưởng được mắc nối tiếp: một mạch khuếch đại đảo (R1, Rf1) theo sau là một mạch khuếch đại không đảo (R2 nối đất, Rf2 trong hồi tiếp). Cả hai chạy từ nguồn ±15 V. Tìm độ khuếch đại điện áp tổng Av = Vout/Vin.
R1 = 10 kΩRf1 = 100 kΩR2 = 4,7 kΩRf2 = 1 kΩ
Av =
5.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Sau khi khóa đóng bao lâu thì dòng điện đạt 50% giá trị cuối? Tìm t.
Vs = 6 VR = 22 ΩL = 33 mH
t = ms
6.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 6 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 60 ms.
Một bộ buck-boost đảo lý tưởng biến 48 V thành −72 V cho tải 2 Ω ở 25 kHz. Tìm điện cảm nhỏ nhất Lcrit để dẫn liên tục.
Vin = 48 VVo = −72 Vf = 25 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 250 Ω được cấp 3 V. Khi cảm biến R₂ thay đổi, đầu ra chỉ Vab = 36,59 mV. Tìm độ thay đổi chính xác ΔR của R₂.
Vs = 3 VR = 250 ΩVab = 36,59 mV
ΔR = Ω
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu một phần tư (một cảm biến hoạt động, GF = 2,12) được kích thích bằng 3 V. Biến dạng lớn nhất cần đo là 400 µε, và nó phải cho 2,5 V ở đầu vào của bộ chuyển đổi tương tự–số. Tìm độ lợi bộ khuếch đại G.
Vs = 3 VGF = 2,12εmax = 400 µεVFS = 2,5 V
G =
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Hãy dùng bìa Karnaugh để tìm dạng tích các tổng (POS) tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 10, 11). Nó có bao nhiêu số hạng tổng (thừa số) N?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 10, 11)
N =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Hãy tìm dạng SOP tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(4, 5, 11, 14, 15) + d(1, 2, 3, 8, 9, 12), 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 = 24 − 4·2,2 = 15,2 V
Điện trở
R = 15,2/0,015 = 1013 Ω
Đáp số
R = 1013 Ω
Điện trở tiêu tán 228 mW.
2.Diode và transistor
Đáp số: ID = 5,143 mA
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).
Kết hợp hai phương trình
6 = 0,6 + I·(1000 + 50)
Dòng điện làm việc
ID = 5,4/1050 = 5,143 mA
VD = 0,6 + 0,005143·50 = 0,8571 V
Đáp số
ID = 5,143 mA
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: V− = 0,4796 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.
Độ khuếch đại của mỗi tầng
A1 = −Rf1/R1 = −100/10 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 1/4,7 = 1,213
Độ khuếch đại tổng
Av = A1·A2 = −10·1,213 = −12,13
Đáp số
Av = −12,13
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 1,04 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 = 33 mH / 22 Ω = 1,5 ms
i(∞) = Vs/R = 6/22 = 0,2727 A
Giải tìm thời gian
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −1,5·ln(0,5) = 1,04 ms
Đáp số
t = 1,04 ms
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 7,322 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.
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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(60) = 10 + (−4)·e−60/149,6 = 7,322 V
Đáp số
vC = 7,322 V
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 1,55 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 + 12 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2,609 Ω
Req = R1 + 2,609 = 3 + 2,609 = 5,609 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 = 10/5,609 = 1,783 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 = 10 − 1,783·3 = 4,651 V
IR2 = VA/R2 = 4,651/3 = 1,55 A
Đáp số
IR2 = 1,55 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,8366 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 1,846 Ω
R3 + 1,846 = 6,846 Ω
R2 ∥ 6,846 = 3,689 Ω
Req = R1 + 3,689 = 25 + 3,689 = 28,69 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 = 24/28,69 = 0,8366 A
Đáp số
IR1 = 0,8366 A
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Imax = 1,255 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 = 12/48 = 0,25
Dòng trung bình và dòng gợn
Io = 12/10 = 1,2 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,25/(330·10⁻⁶·250·10³) = 0,1091 A
Dòng đỉnh
Imax = 1,2 + 0,1091/2 = 1,255 A
Đáp số
Imax = 1,255 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Lcrit = 6,4 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 = 72/(48 + 72) = 0,6
Điều kiện ranh giới
Đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng một nửa dòng gợn và giải theo L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Điện cảm tới hạn
Lcrit = (1 − 0,6)²·2/(225·10³) = 6,4 µH
Đáp số
Lcrit = 6,4 µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: ΔR = 12,5 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 = 1,5 + 0,03659 = 1,537 V
Giải bộ chia áp
R₂ = 250·1,537/(3 − 1,537) = 262,5 Ω
ΔR = 262,5 − 250 = 12,5 Ω
Đáp số
ΔR = 12,5 Ω
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: G = 3931
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 = 0,636 mV
Độ khuếch đại
G = 2,5/0,000636 = 3931
Đáp số
G = 3931
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 5
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 0
Mỗi nhóm là một hình chữ nhật gồm 2ᵏ ô; các ô ở mép kề với các ô ở mép đối diện.
(B′ + D′)
(B′ + C′)
(B + C + D)
(A + C′)
(A′ + C)
Dạng POS tối thiểu
F = (B′ + D′)(B′ + C′)(B + C + D)(A + C′)(A′ + C)
N = 5
Đáp số
N = 5
Có một cách nhóm khác cùng kích thước; nó có cùng số số hạng và literal.
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.