Điện tử 1: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 14 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Diode và transistor

Diode (sụt áp không đổi): V_D = 0,7 V when conducting
Vùng tích cực: V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
Phân cực cố định: I_B = (V_CC − 0,7)/R_B
Phân cực bằng cầu chia áp: I_B = (V_TH − 0,7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
Thévenin của cầu chia áp: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
Vòng cực thu: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
Bão hòa: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

Mạch khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại đảo: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Bộ khuếch đại không đảo: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Bộ khuếch đại cộng: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Op-amp lý tưởng: V₊ = V₋, I_in = 0

Quá độ RC và RL

Hằng số thời gian: τ = RC | τ = L/R
Đáp ứng: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Tụ điện ở chế độ một chiều: hở mạch; v_C không thể nhảy vọt
Cuộn cảm ở chế độ một chiều: ngắn mạch; i_L không thể nhảy vọt
Đã ổn định: t ≈ 5τ

Phương pháp

Tìm giá trị ban đầu ngay sau khi đóng cắt: điện áp tụ điện và dòng điện cuộn cảm không thể nhảy vọt.
Tìm giá trị cuối rất lâu sau khi đóng cắt: tụ điện hoạt động như hở mạch, cuộn cảm như ngắn mạch.
Tìm hằng số thời gian: τ = RC hoặc τ = L/R, dùng điện trở mà tụ điện hoặc cuộn cảm nhìn thấy.
Dùng x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Điện trở nối tiếp và song song

Điện trở nối tiếp: R_eq = R₁ + R₂ + …
Điện trở song song: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Hai điện trở song song: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Định luật Ohm: V = I·R
Công suất: P = V·I = I²R = V²/R

Phương pháp

Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
Lặp lại cho đến khi chỉ còn một điện trở giữa hai cực.

Bộ biến đổi DC-DC

Buck: V_o = D·V_in
Boost: V_o = V_in/(1 − D)
Buck-boost đảo: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Cân bằng công suất lý tưởng: V_inI_in = V_oI_o
Độ gợn cuộn cảm: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Dòng cuộn cảm trung bình: buck I_o; boost và buck-boost I_o/(1 − D)
Độ gợn đầu ra: buck ΔI_L/(8fC); boost và buck-boost I_o·D/(fC)
Ranh giới CCM: buck (1 − D)R/(2f); boost D(1 − D)²R/(2f); buck-boost (1 − D)²R/(2f)

Phương pháp

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 ΔI_L = V_L·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 ΔI_L/2.

Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Điện áp bộ chia: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Lượng ra: V_ab = V_a − V_b
Cân bằng: R₁/R₂ = R₃/R₄
Cầu dây trượt: R/R_x = l/(100 − l)
Điện trở Thévenin: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Hệ số cảm biến: ΔR/R = GF·ε
Đầu ra của cầu: một phần tư V_s·GF·ε/4, một nửa V_s·GF·ε/2, đầy đủ V_s·GF·ε
Thay đổi nhỏ, một nhánh: V_ab ≈ V_s·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 V_a và V_b 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 V_s·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; f_out = f_clk/N
Bộ đếm gợn sóng: f_max = 1/(n·t_pd)
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 đỏ LED (điện áp thuận 2 V mỗi cái) được mắc nối tiếp với một điện trở vào nguồn 9 V. Tìm điện trở R để đặt dòng điện là 5 mA.

V_s = 9 VV_F = 2 Vn = 3I = 5 mA

R = Ω

2.Diode và transistorKhó

Một diode được mô hình hóa bằng 0,7 V nối tiếp với 50 Ω (nó dẫn khi trên 0,7 V). Nó mắc nối tiếp với một điện trở 1000 Ω qua nguồn 6 V. Tìm dòng điện làm việc I_D tại nơi đường diode gặp đường tải.

V_s = 6 VR = 1000 ΩV₀ = 0,7 Vr_d = 50 Ω

I_D = mA

3.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình

Chọn điện trở hồi tiếp R_f để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 10.

R₁ = 4,7 kΩA_v = 10

R_f = kΩ

4.Mạch khuếch đại thuật toánKhó

Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm dòng điện I_f qua điện trở hồi tiếp, chạy về phía ngõ ra.

V₁ = 1,5 VV₂ = 0,7 VR₁ = 1 kΩR₂ = 10 kΩR_f = 1 kΩ

I_f = mA

5.Quá độ RC và RLTrung bình

Cuộn cảm mang dòng điện ổn định 2,5 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 0,625 A? Tìm t.

i(0) = 2,5 AR = 10 ΩL = 22 mH

t = ms

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 15 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 9,48 V, đúng 10 ms sau khi bắt đầu. Với C = 1 µF, tìm điện trở R cần thiết.

V_s = 15 VV_th = 9,48 VT = 10 msC = 1 µF

R = kΩ

7.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình

Tìm dòng điện I_R1 do nguồn cung cấp, chạy qua R₁.

V₁ = 24 VR₁ = 12 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 10 Ω

I_R1 = A

8.Điện trở nối tiếp và song songKhó

Tìm điện trở tương đương R_eq mà nguồn V₁ nhìn thấy.

V₁ = 36 VR₁ = 8 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 4 Ω

R_eq = Ω

9.Bộ biến đổi DC-DCTrung bình

Một bộ biến đổi boost lý tưởng biến 24 V thành 96 V ở 25 kHz với L = 330 µH. Tìm dòng gợn đỉnh–đỉnh của cuộn cảm ΔI_L.

Vin = 24 VVo = 96 Vf = 25 kHzL = 330 µH

ΔI_L = A

10.Bộ biến đổi DC-DCKhó

Một bộ biến đổi buck lý tưởng biến 12 V thành 3,6 V cho tải 25 Ω ở 20 kHz. Tìm điện cảm nhỏ nhất L_crit để dẫn liên tục.

Vin = 12 VVo = 3,6 Vf = 20 kHzR = 25 Ω

L_crit = µH

11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình

Một cảm biến biến dạng 1000 Ω là một nhánh (R₂) của cầu có bốn nhánh bằng nhau 1000 Ω và điện áp kích thích 3 V. Tìm công suất P_g tiêu tán trong cảm biến, theo mW. Sự tự nóng giới hạn điện áp kích thích.

V_s = 3 VR = 1000 Ω

P_g = mW

12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó

Một cảm biến biến dạng 120 Ω với hệ số cảm biến 2 được dán vào một thanh thép. Dưới tải, điện trở của nó tăng thêm 0,24 Ω. Tìm biến dạng ε theo microstrain (µε).

R = 120 ΩGF = 2ΔR = 0,24 Ω

ε = µε

13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình

Hãy rút gọn F = BC + AB′C′ + BC′ về dạng tổng các tích tối thiểu. Biểu thức rút gọn chứa bao nhiêu literal L?

F = BC + AB′C′ + BC′

L =

14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó

Một thanh ghi dịch 4 bit Q₃Q₂Q₁Q₀ đang giữ 1101. Ở mỗi sườn xung nhịp các bit dịch sang phải một vị trí (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ bị mất) và đầu vào nối tiếp đi vào Q₃. Đầu vào nối tiếp là 0, 1, 1, 1, 1 ở các sườn 5. Hãy cho trạng thái cuối Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ dưới dạng số thập phân.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 11010, 1, 1, 1, 1

Q =

3Dung dịch

1.Diode và transistor

Đáp số: R = 600 Ω

Mạch LED và diode: một LED phân cực thuận sụt xấp xỉ điện áp thuận V_F 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 = (V_s − n·V_F)/I cho n LED nối tiếp. Với mô hình diode chính xác hơn V = V₀ + I·r_d, điểm làm việc là nơi đường diode gặp đường tải I = (V_s − V)/R, nên I = (V_s − V₀)/(R + r_d).

Điện áp trên điện trở

V_R = 9 − 3·2 = 3 V

Điện trở

R = 3/0,005 = 600 Ω

Đáp số

R = 600 Ω

Điện trở tiêu tán 15 mW.

2.Diode và transistor

Đáp số: I_D = 5,048 mA

Kết hợp hai phương trình

6 = 0,7 + I·(1000 + 50)

Dòng điện làm việc

I_D = 5,3/1050 = 5,048 mA

V_D = 0,7 + 0,005048·50 = 0,9524 V

Đáp số

I_D = 5,048 mA

3.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: R_f = 42,3 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₊ = V_in, và dòng điện qua R₁ cũng chạy qua R_f, nên V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (10 − 1)·4,7 = 42,3 kΩ

Đáp số

R_f = 42,3 kΩ

4.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: I_f = 1,57 mA

Dòng điện ngõ vào

V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.

I₁ = V₁/R₁ = 1,5/1 = 1,5 mA

I₂ = V₂/R₂ = 0,7/10 = 0,07 mA

I_f = I₁ + I₂ = 1,57 mA

Đáp số

I_f = 1,57 mA

5.Quá độ RC và RL

Đáp số: t = 3,05 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 = 22 mH / 10 Ω = 2,2 ms

Giải tìm thời gian

0,625 = 2,5·e^−t/τ → t = τ·ln(2,5/0,625)

t = 2,2·ln(4) = 3,05 ms

Đáp số

t = 3,05 ms

6.Quá độ RC và RL

Đáp số: R = 10 kΩ

Hằng số thời gian cần thiết

9,48 = 15·(1 − e^−10/τ) → τ = 10/ln(15/(15 − 9,48))

τ = 10/0,9997 = 10 ms

Điện trở

kΩ nhân µF cho ra mili giây.

R = τ/C = 10/1 = 10 kΩ

Đáp số

R = 10 kΩ

7.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: I_R1 = 1,635 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 = 15 + 10 = 25 Ω

R₂ ∥ 25 = 3·25/(3+25) = 2,679 Ω

R_eq = R₁ + 2,679 = 12 + 2,679 = 14,68 Ω

Dòng điện từ nguồn

Nguồn chỉ thấy R_eq, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 24/14,68 = 1,635 A

Đáp số

I_R1 = 1,635 A

8.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: R_eq = 13,54 Ω

Gộp các điện trở từ đầu xa

R₅ + R₆ = 20 + 4 = 24 Ω

R₄ ∥ 24 = 8 Ω

R₃ + 8 = 18 Ω

R₂ ∥ 18 = 5,538 Ω

R_eq = R₁ + 5,538 = 8 + 5,538 = 13,54 Ω

Đáp số

R_eq = 13,54 Ω

9.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: ΔI_L = 2,182 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 V_o = D·V_in, boost V_o = V_in/(1 − D), buck-boost đảo |V_o| = V_in·D/(1 − D). Một bộ biến đổi lý tưởng giữ nguyên công suất: V_in·I_in = V_o·I_o. Khi S đóng, dòng cuộn cảm tăng thêm ΔI_L = V_L·D·T/L, với V_L = V_in − V_o cho buck và V_in cho boost và buck-boost. Độ gợn đầu ra là ΔV_o = ΔI_L/(8fC) cho buck và I_o·D/(fC) cho boost và buck-boost. Dòng cuộn cảm vừa chạm không (ranh giới CCM) khi dòng cuộn cảm trung bình bằng ΔI_L/2.

Chu kỳ làm việc

D = 1 − 24/96 = 0,75

Điện áp cuộn cảm trong thời gian đóng

Khi S đóng, cuộn cảm nằm trực tiếp trên V_in.

V_L = 24 V

Dòng gợn

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 24·0,75/(330·10⁻⁶·25·10³) = 2,182 A

Đáp số

ΔI_L = 2,182 A

10.Bộ biến đổi DC-DC

Đáp số: L_crit = 437,5 µH

Chu kỳ làm việc

D = 3,6/12 = 0,3

Điều kiện ranh giới

Đặt dòng cuộn cảm trung bình bằng một nửa dòng gợn và giải theo L.

L_crit = (1 − D)·R/(2f)

Điện cảm tới hạn

L_crit = (1 − 0,3)·25/(220·10³) = 437,5 µH

Đáp số

L_crit = 437,5 µH

11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: P_g = 2,25 mW

Cầu Wheatstone: hai bộ chia áp dùng chung một nguồn V_s. Bộ chia bên trái R₁–R₂ cho V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂) và bộ chia bên phải R₃–R₄ cho V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); đầu ra là V_ab = V_a − V_b. Cầu cân bằng (V_ab = 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 R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Điện áp trên cảm biến

V = 3/2 = 1,5 V

Công suất

P_g = 1,5²/1000 = 2,25 mW

Đáp số

P_g = 2,25 mW

12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng

Đáp số: ε = 1000 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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Hai cảm biến hoạt động có biến dạng ngược chiều ở các nhánh kề nhau (nửa cầu) cho V_s·GF·ε/2, và bốn cảm biến (cầu đầy đủ) cho V_s·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 = 0,24/120 = 0,002

Biến dạng

ε = 0,002/2 = 0,001 = 1000 µε

Đáp số

ε = 1000 µε

13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: L = 3

Đại số Boole: các quy tắc rút gọn biểu thức là X + X′ = 1 và X·X′ = 0, X + X = X, hấp thụ X + X·Y = X, quy tắc kết hợp X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y và định lý đồng thuận XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Các luật De Morgan biến (X·Y)′ thành X′ + Y′ và (X + Y)′ thành X′·Y′. Một bìa Karnaugh áp dụng các quy tắc này bằng hình ảnh: mỗi nhóm hai ô kề nhau là một lần dùng XY + XY′ = X.

Các minterm của biểu thức

BC → m(3, 7)

AB′C′ → m(4)

BC′ → m(2, 6)

Nhóm và đọc kết quả

F = B + AC′

Đếm các literal

L = 3

Đáp số

L = 3

14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: Q = 15

Flip-flop và bộ đếm: một flip-flop chỉ thay đổi ở sườn tích cực của xung nhịp. D sao chép đầu vào của nó (Q⁺ = D); T đảo khi T = 1; JK giữ nguyên với 00, đặt về 0 với 01, đặt lên 1 với 10 và đảo với 11. Một bộ đếm nhị phân n bit có 2ⁿ trạng thái và đếm theo modulo 2ⁿ; một bộ đếm mod-N đếm 0, 1, …, N − 1 rồi về lại 0, và cần số flip-flop n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N. Mỗi tầng của bộ đếm gợn sóng chia đôi tần số, nên đầu ra cuối của bộ đếm mod-N chạy ở f_clk/N. Một bộ đếm Johnson gồm n flip-flop có 2n trạng thái, bộ đếm vòng có n.

Trạng thái sau mỗi sườn

1101 → 0110 → 1011 → 1101 → 1110 → 1111

Giá trị thập phân

1111₂ = 15

Đáp số

Q = 15

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1