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 12 V được cấp từ 18 V qua 270 Ω và cấp điện cho tải 1500 Ω. Tìm dòng điện Zener IZ.
Vin = 18 VVZ = 12 VR = 270 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.Diode và transistorKhó
Một transistor NPN có β = 200 đóng cắt một điện trở tải 150 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 = 2,2 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.
Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 2 A. Tại t = 0 công tắc đóng vòng qua R và nguồn bị gỡ bỏ, nên dòng điện cuộn cảm giảm dần qua R. Mất bao lâu để dòng điện giảm xuống 0,5 A? Tìm t.
i(0) = 2 AR = 68 ΩL = 47 mH
t = ms
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. Tìm dòng điện cuộn cảm i tại t = 1 ms.
Một bộ buck biến 12 V thành 8,4 V cho tải 5 Ω. Nó chuyển mạch ở 500 kHz với L = 10 µH. Tìm dòng đỉnh của cuộn cảm Imax.
Vin = 12 VVo = 8,4 Vf = 500 kHzL = 10 µHR = 5 Ω
Imax = A
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ biến đổi boost lý tưởng biến 36 V thành 120 V cho tải 50 Ω ở 500 kHz. Tìm điện cảm nhỏ nhất Lcrit để dẫn liên tục.
Vin = 36 VVo = 120 Vf = 500 kHzR = 50 Ω
Lcrit = µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cảm biến biến dạng 400 Ω là một nhánh (R₂) của cầu có bốn nhánh bằng nhau 400 Ω và điện áp kích thích 2 V. Tìm công suất Pg tiêu tán trong cảm biến, theo mW. Sự tự nóng giới hạn điện áp kích thích.
Vs = 2 VR = 400 Ω
Pg = mW
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cầu một phần tư với một cảm biến hoạt động (GF = 2,1) được kích thích bằng 2,5 V. Dưới tải, đầu ra chỉ 0,328 mV. Tìm biến dạng ε theo µε.
Vs = 2,5 VGF = 2,1Vo = 0,328 mV
ε = µε
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(2, 5, 6, 7). Tổng cộng nó chứa bao nhiêu literal L (một biến có dấu phẩy được tính là một literal)?
F(A, B, C) = Σm(2, 5, 6, 7)
L =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Với F(A, B, C, D) = Σm(2, 5, 6, 9, 10, 11, 15) + d(1, 14), trong đó d đánh dấu các điều kiện tùy định, hãy tìm số N các implicant nguyên tố cốt yếu.
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 = 6/270 = 22,22 mA
Dòng điện qua tải
IL = 12/1500 = 8 mA
Dòng điện Zener
IZ = 22,22 − 8 = 14,22 mA
Đáp số
IZ = 14,22 mA
2.Diode và transistor
Đáp số: IC = 78,67 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)/2,2 kΩ = 1182 µA
Bão hòa hay tích cực?
β·IB lớn hơn IC(sat), nên transistor bão hòa.
β·IB = 236,4 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/150 = 78,67 mA
Dòng điện cực thu
IC = IC(sat) = 78,67 mA
Đáp số
IC = 78,67 mA
Transistor ở trạng thái bão hòa.
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = 0,9952 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 = 1,7/100 = 0,017 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/47 = 0,03617 mA
If = I1 + I2 = 0,05317 mA
Đáp số
If = 0,05317 mA
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 0,9582 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
τ = L/R = 47 mH / 68 Ω = 0,6912 ms
Giải tìm thời gian
0,5 = 2·e−t/τ → t = τ·ln(2/0,5)
t = 0,6912·ln(4) = 0,9582 ms
Đáp số
t = 0,9582 ms
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: i = 0,5362 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.
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) = 20/(33 + 10) = 0,4651 A
i(∞) = 20/33 = 0,6061 A
τ = L/R = 47/33 = 1,424 ms
i(t) = 0,6061 + (0,4651 − 0,6061)·e−t/τ
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(1) = 0,6061 + (−0,1409)·e−1/1,424 = 0,5362 A
Đáp số
i = 0,5362 A
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 1,967 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 3·7/(3+7) = 2,1 Ω
Req = R1 + 2,1 = 4 + 2,1 = 6,1 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 = 12/6,1 = 1,967 A
Đáp số
IR1 = 1,967 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,2102 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 + 30 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 2,791 Ω
R3 + 2,791 = 32,79 Ω
R2 ∥ 32,79 = 8,785 Ω
Req = R1 + 8,785 = 15 + 8,785 = 23,79 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 = 5/23,79 = 0,2102 A
Đáp số
IR1 = 0,2102 A
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Imax = 1,932 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 = 8,4/12 = 0,7
Dòng trung bình và dòng gợn
Io = 8,4/5 = 1,68 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 3,6·0,7/(10·10⁻⁶·500·10³) = 0,504 A
Dòng đỉnh
Imax = 1,68 + 0,504/2 = 1,932 A
Đáp số
Imax = 1,932 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: Lcrit = 3,15 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 = 1 − 36/120 = 0,7
Điều kiện ranh giới
Đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng một nửa dòng gợn và giải theo L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Điện cảm tới hạn
Lcrit = 0,7(1 − 0,7)²·50/(2500·10³) = 3,15 µH
Đáp số
Lcrit = 3,15 µH
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Pg = 2,5 mW
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 trên cảm biến
V = 2/2 = 1 V
Công suất
Pg = 1²/400 = 2,5 mW
Đáp số
Pg = 2,5 mW
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: ε = 249,9 µε
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.
Giải phương trình cầu một phần tư
ε = 4·0,000328/(2,5·2,1) = 0,0002499
Theo microstrain
ε = 249,9 µε
Đáp số
ε = 249,9 µε
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 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.
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.
BC′
AC
Dạng SOP tối thiểu
F = BC′ + AC
L = 4
Đáp số
L = 4
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.