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 470 Ω và cấp điện cho tải 2200 Ω. Tìm dòng điện Zener IZ.
Vin = 24 VVZ = 9,1 VR = 470 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diode và transistorKhó
Một bộ ổn áp Zener 9,1 V phải cấp tới 50 mA cho tải. Đầu vào có thể giảm xuống 24 V, và Zener cần ít nhất 1 mA để ổn áp. Tìm điện trở nối tiếp lớn nhất Rmax để nó còn ổn áp.
Một bộ buck-boost đảo lý tưởng biến 9 V thành −13,5 V ở 40 kHz với L = 47 µH. Tìm dòng gợn đỉnh–đỉnh của cuộn cảm ΔIL.
Vin = 9 VVo = −13,5 Vf = 40 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
10.Bộ biến đổi DC-DCKhó
Một bộ biến đổi buck-boost lý tưởng biến 24 V thành −8 V cho tải 4 Ω ở 20 kHz. Tụ đầu ra là 470 µF. Tìm độ gợn điện áp ra đỉnh–đỉnh ΔVo theo mV.
Vin = 24 VVo = −8 Vf = 20 kHzC = 470 µFR = 4 Ω
ΔVo = mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngTrung bình
Một cầu có bốn nhánh 220 Ω và Vs = 2 V. Cảm biến R₂ tăng thêm ΔR = 11 Ω. Tìm đầu ra chính xác Vab theo mV.
Vs = 2 VR = 220 ΩΔR = 11 Ω
Vab = mV
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạngKhó
Một cảm biến biến dạng (GF = 2) trên một chi tiết có E = 70 GPa tạo thành cầu một phần tư được kích thích bằng 5 V. Đầu ra chỉ 1,875 mV. Tìm ứng suất dọc trục σ theo MPa.
Vs = 5 VGF = 2Vo = 1,875 mVE = 70 GPa
σ = MPa
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Hãy rút gọn F = A′C + AB + AB′C + AB′C′ về dạng tổng các tích tối thiểu. Biểu thức rút gọn chứa bao nhiêu literal L?
F = A′C + AB + AB′C + AB′C′
L =
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Một bộ đếm lên nhị phân 4 bit bắt đầu ở 4 (thập phân, Q = 0100). Sau 45 xung nhịp nó hiển thị giá trị đếm Q (theo hệ thập phân) nào?
Q0 = 445n = 4
Q =
3Dung dịch
1.Diode và transistor
Đáp số: IZ = 27,57 mA
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 = 14,9/470 = 31,7 mA
Dòng điện qua tải
IL = 9,1/2200 = 4,136 mA
Dòng điện Zener
IZ = 31,7 − 4,136 = 27,57 mA
Đáp số
IZ = 27,57 mA
2.Diode và transistor
Đáp số: Rmax = 292,2 Ω
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 trường hợp xấu nhất
IR = 50 + 1 = 51 mA
Điện trở lớn nhất
Rmax = 14,9/0,051 = 292,2 Ω
Đáp số
Rmax = 292,2 Ω
3.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −9,165 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.
Dòng điện ngõ vào
V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.
I1 = V1/R1 = −1,6/22 = −0,07273 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/47 = 0,01915 mA
If = I1 + I2 = −0,05358 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −4,7·(−0,05358) = 0,2518 V
Đáp số
Vout = 0,2518 V
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: vL = 0,5183 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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 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 = 5·e−5/2,206 = 0,5183 V
Đáp số
vL = 0,5183 V
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 22,87 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 10 + (30 − 10)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(300) = 10 + (20)·e−300/680 = 22,87 V
Đáp số
vC = 22,87 V
7.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 1,837 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 6·24/(6+24) = 4,8 Ω
Req = R1 + 4,8 = 5 + 4,8 = 9,8 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 = 18/9,8 = 1,837 A
Đáp số
IR1 = 1,837 A
8.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 23,29 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.
R5 + R6 = 10 + 6 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,154 Ω
R3 + 6,154 = 14,15 Ω
R2 ∥ 14,15 = 8,288 Ω
Req = R1 + 8,288 = 15 + 8,288 = 23,29 Ω
Đáp số
Req = 23,29 Ω
9.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔIL = 2,872 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 = 13,5/(9 + 13,5) = 0,6
Điện áp cuộn cảm trong thời gian đóng
Khi S đóng, cuộn cảm nằm trực tiếp trên Vin.
VL = 9 V
Dòng gợn
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,6/(47·10⁻⁶·40·10³) = 2,872 A
Đáp số
ΔIL = 2,872 A
10.Bộ biến đổi DC-DC
Đáp số: ΔVo = 53,19 mV
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/(24 + 8) = 0,25
Dòng điện qua tải
Io = 8/4 = 2 A
Độ gợn đầu ra
ΔVo = 2·0,25/(20·10³·470·10⁻⁶) = 53,19 mV
Đáp số
ΔVo = 53,19 mV
11.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: Vab = 24,39 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.
Điện áp các nút
Va = 2·231/451 = 1,024 V
Vb = 1 V
Lượng ra
Vab = 24,39 mV
Đáp số
Vab = 24,39 mV
Ước lượng tuyến tính Vs·ΔR/(4R) = 25 mV cao hơn 2,5 %: cầu một phần tư không hoàn toàn tuyến tính.
12.Cầu Wheatstone và cảm biến biến dạng
Đáp số: σ = 52,5 MPa
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.
Biến dạng
ε = 4·0,001875/(5·2) = 0,00075
Ứng suất
σ = 70·10³ MPa·0,00075 = 52,5 MPa
Đáp số
σ = 52,5 MPa
13.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 2
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
A′C → m(1, 3)
AB → m(6, 7)
AB′C → m(5)
AB′C′ → m(4)
Nhóm và đọc kết quả
F = C + A
Đếm các literal
L = 2
Đáp số
L = 2
14.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: Q = 1
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 fclk/N. Một bộ đếm Johnson gồm n flip-flop có 2n trạng thái, bộ đếm vòng có n.