Два каскада на идеальных ОУ соединены последовательно: инвертирующий усилитель (R1, Rf1), за ним неинвертирующий (R2 на землю, Rf2 в обратной связи). Оба питаются от ±15 V. Найдите общий коэффициент усиления по напряжению Av = Vout/Vin.
R1 = 2 kΩRf1 = 10 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩ
Av =
13.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.
Vs = 12 VR = 5 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
14.Переходные процессы RC и RLСложная
Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 300 ms.
Vs = 10 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 220 µFt = 300 ms
vC = V
3Растворы
1.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 14,12 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R3 + R4 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 10·7/(10+7) = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 10 + 4,118 = 14,12 Ω
Ответ
Req = 14,12 Ω
2.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,3378 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Объединяйте резисторы с дальнего конца
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
R5 + R6 = 10 + 10 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 4,615 Ω
R3 + 4,615 = 34,62 Ω
R2 ∥ 34,62 = 2,761 Ω
Req = R1 + 2,761 = 15 + 2,761 = 17,76 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/17,76 = 0,3378 A
Ответ
IR1 = 0,3378 A
3.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 1,61 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 12 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 12)/5 + (VA − VB)/6 = 0
0,5667·VA − 0,1667·VB = 2,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/6 = (−2,5)
−0,1667·VA + 0,25·VB = −2,5
Решите
Δ = (0,5667)(0,25) − (−0,1667)(−0,1667) = 0,1139
VA = Δ1/Δ = 0,1833/0,1139 = 1,61 V
VB = Δ2/Δ = −1,017/0,1139 = −8,927 V
Ответ
VA = 1,61 V
4.Метод узловых потенциалов
Ответ: VA = 5,696 V
Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.
Определите узлы
Земля — нижний провод. Известные узловые напряжения берутся прямо из источников (V1 = 36 V, V2 = 24 V). Неизвестные: VA, VB.
ЗТК в узле A
Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.
VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/2 + (VA − 36)/15 + (VA − VB)/20 = 0
0,6167·VA − 0,05·VB = 2,4
ЗТК в узле B
Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.
VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/25 + (VB − VA)/20 + (VB − 24)/8 = 1,5
−0,05·VA + 0,215·VB = 4,5
Решите
Δ = (0,6167)(0,215) − (−0,05)(−0,05) = 0,1301
VA = Δ1/Δ = 0,741/0,1301 = 5,696 V
VB = Δ2/Δ = 2,895/0,1301 = 22,25 V
Ответ
VA = 5,696 V
5.Метод контурных токов
Ответ: IR3 = 1,12 A
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 10(I1 − I2) = 24
25·I1 − 10·I2 = 24
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 10(I2 − I1) = (−12)
−10·I1 + 13·I2 = −12
Решите
Δ = (25)(13) − (−10)(−10) = 225
I1 = Δ1/Δ = 192/225 = 0,8533 A
I2 = Δ2/Δ = −60/225 = −0,2667 A
Ответ
IR3 = I1 − I2 = 1,12 A
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
6.Метод контурных токов
Ответ: VR1 = 3,727 V
Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.
Задайте контурные токи
В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.
ЗНК для контура 1
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
8·I1 + 2(I1 − I2) = 6
10·I1 − 2·I2 = 6
ЗНК для контура 2
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
12·I2 + 2(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 19·I2 − 5·I3 = 0
ЗНК для контура 3
При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
5·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 10·I3 = −24
Решите
Δ = определитель матрицы коэффициентов = 1610
I1 = Δ1/Δ = 750/1610 = 0,4658 A
I2 = Δ2/Δ = −1080/1610 = −0,6708 A
I3 = Δ3/Δ = −4404/1610 = −2,735 A
Ответ
IR1 = I1 = 0,4658 A
VR1 = IR1·R1 = 0,4658·8 = 3,727 V
Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.
7.Метод наложения
Ответ: PR4 = 52,73 W
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.
R3+R4 = 6+4 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 20·10/(20+10) = 6,667 Ω
VA = 30·6,667/(2+6,667) = 23,08 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 23,08·4/10 = 9,231 V
IR4′ = (VB − 0)/R4 = (9,231 − 0)/4 = 2,308 A
Случай 2 · действует только Is
V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.
R1 ∥ R2 = 2·20/(2+20) = 1,818 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7,818 = 2,646 Ω
VB = Is·Req = 2·2,646 = 5,292 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 5,292·1,818/7,818 = 1,231 V
IR4″ = (VB − 0)/R4 = (5,292 − 0)/4 = 1,323 A
Складываем вклады токов
IR4 = IR4′ + IR4″ = 2,308 + 1,323 = 3,631 A
Мощность в резисторе
Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.
PR4 = IR4²·R4 = 3,631²·4 = 52,73 W
Ответ
PR4 = 52,73 W
Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 28,3 W, что неверно.
8.Метод наложения
Ответ: IR3 = 1,222 A
Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.
Случай 1 · действует только V1
V₂ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. Со стороны A резистор R₃ параллелен последовательной паре R₂+R₄.
R3 ∥ (R2+R4) = 15 ∥ 18 = 8,182 Ω
VA = 12·8,182/(20+8,182) = 3,484 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,484·8/18 = 1,548 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (3,484 − 0)/15 = 0,2323 A
Случай 2 · действует только Is
Оба источника напряжения становятся короткими замыканиями. Iₛ в точке B делится между R₄ (теперь к земле) и R₂, последовательным с R₁ ∥ R₃.
R1 ∥ R3 = 8,571 Ω, поэтому левый путь — R2+8,571 = 18,57 Ω
Req = R4 ∥ 18,57 = 5,591 Ω
VB = Is·Req = 5·5,591 = 27,96 V
VA = VB·8,571/18,57 = 12,9 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (12,9 − 0)/15 = 0,8602 A
Случай 3 · действует только V2
V₁ становится коротким замыканием, а Iₛ — разрывом. R₁ ∥ R₃ отходит от A, последовательно с R₂ обратно к B.
R1 ∥ R3 = 20·15/(20+15) = 8,571 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·18,57/26,57 = 4,194 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4,194·8,571/18,57 = 1,935 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (1,935 − 0)/15 = 0,129 A
Сложите составляющие
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,2323 + 0,8602 + 0,129 = 1,222 A
Отрицательный результат означает, что на самом деле ток течёт против стрелки.
9.Тевенин и Нортон
Ответ: Rth = 8,529 Ω
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,529 + 5 = 8,529 Ω
10.Тевенин и Нортон
Ответ: IL = 1,422 A
Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.
Найдите Rth со всеми отключёнными источниками
Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.
R1 ∥ R2 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4,444 + 4 = 8,444 Ω
Найдите Vth — напряжение холостого хода
Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4 + 6·4,444 = 30,67 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30,67 + 6·4 = 54,67 V
Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина
Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.
IL = Vth/(Rth + RL) = 54,67/(8,444 + 30) = 1,422 A
11.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 7,125 V
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −10/2 = −5
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1,47
Общий коэффициент усиления
Av = A1·A2 = −5·1,47 = −7,35
Ответ
Av = −7,35
13.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W(∞) = 633,6 mJ
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
τ = L/R = 220 mH / 5 Ω = 44 ms
i(∞) = Vs/R = 12/5 = 2,4 A
Запасённая энергия
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·2,4² = 633,6 mJ
Ответ
W(∞) = 633,6 mJ
14.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 3,969 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Начальное напряжение конденсатора
В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.