Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔIL = VL·D/(L·f).
Для пульсаций выхода найдите заряд, входящий в конденсатор и выходящий из него; для границы режима непрерывного тока приравняйте средний ток катушки к ΔIL/2.
Мост Уитстона и тензорезисторы
Напряжения делителей
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Выделение
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордный мост
R/Rx = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коэффициент тензочувствительности
ΔR/R = GF·ε
Выход моста
четвертьмост Vs·GF·ε/4, полумост Vs·GF·ε/2, полный мост Vs·GF·ε
Малое изменение, одно плечо
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напряжение
σ = E·ε
Метод
Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
Для неуравновешенного моста найдите Va и Vb по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте Vs·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.
Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний
Метод
Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.
2Тренировочные задачи
1.Диоды и транзисторыСредняя
NPN-транзистор с β = 200 смещён делителем напряжения от VCC = 12 V: R₁ = 68 kΩ от VCC к базе и R₂ = 10 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 2,2 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.
Стабилизатор на стабилитроне 6,2 V должен питать нагрузку током до 40 mA. Входное напряжение может падать до 18 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 1 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.
Идеальный повышающий преобразователь преобразует 48 V в 64 V при нагрузке 2 Ω. Найдите средний ток катушки IL.
Vin = 48 VVo = 64 VR = 2 Ω
IL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Идеальный повышающий преобразователь преобразует 48 V в 80 V при нагрузке 2 Ω и частоте 50 kHz. Выходной конденсатор имеет ёмкость 22 µF. Найдите размах пульсаций выходного напряжения ΔVo в mV.
Vin = 48 VVo = 80 Vf = 50 kHzC = 22 µFR = 2 Ω
ΔVo = mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Мост имеет четыре плеча по 150 Ω и Vs = 6 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 0,75 Ω. Используя приближение малых изменений, найдите выход Vab в mV.
Vs = 6 VR = 150 ΩΔR = 0,75 Ω
Vab = mV
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Четвертьмост с одним активным тензорезистором (GF = 2,05) питается напряжением 2,5 V. Под нагрузкой выход показывает 1,281 mV. Найдите деформацию ε в µε.
Vs = 2,5 VGF = 2,05Vo = 1,281 mV
ε = µε
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 13, 15). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
4-разрядный сдвиговый регистр Q₃Q₂Q₁Q₀ содержит 1011. По каждому фронту тактового сигнала биты сдвигаются на одну позицию вправо (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀, Q₀ теряется), а последовательный вход поступает в Q₃. Последовательный вход равен 1, 0, 0, 1, 1 на 5 фронтах. Укажите итоговое состояние Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ в виде десятичного числа.
Q₃Q₂Q₁Q₀ = 10111, 0, 0, 1, 1
Q =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: VCE = 10,17 V
Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = 12·10/(68 + 10) = 1,538 V
RTH = 68·10/(68 + 10) = 8,718 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (1,538 − 0,7)/(8,718 + 201·2,2) = 1,859 µA
Ток коллектора
IC = 200·1,859 µA = 0,3719 mA
IE = 201·1,859 µA = 0,3738 mA
Напряжение коллектор–эмиттер
VCE = 12 − 0,3719·2,7 − 0,3738·2,2 = 10,17 V
Ответ
VCE = 10,17 V
2.Диоды и транзисторы
Ответ: Rmax = 287,8 Ω
Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.
Ток в худшем случае
IR = 40 + 1 = 41 mA
Наибольшее сопротивление
Rmax = 11,8/0,041 = 287,8 Ω
Ответ
Rmax = 287,8 Ω
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 13 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.
Напряжение на входах
Через R₃ и R₄ течёт один и тот же ток, поэтому они образуют делитель напряжения; обратная связь обеспечивает V₋ = 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.
Входные токи
V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.
I1 = V1/R1 = 1,6/47 = 0,03404 mA
I2 = V2/R2 = 1,7/22 = 0,07727 mA
If = I1 + I2 = 0,1113 mA
Выходное напряжение
Vout = −Rf·If = −22·0,1113 = −2,449 V
Ответ
Vout = −2,449 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 1,14 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 = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,25·(1 − e−5/2,35) = 0,2202 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·47·0,2202² = 1,14 mJ
Ответ
W = 1,14 mJ
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,346 A
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 значение, конечное значение, постоянная времени
До t = 0 замкнутый ключ шунтирует R₂; после этого в контур входят и R₁, и R₂.
i(0) = 9/22 = 0,4091 A
i(∞) = 9/(22 + 10) = 0,2813 A
τ = L/R = 47/32 = 1,469 ms
i(t) = 0,2813 + (0,4091 − 0,2813)·e−t/τ
Ток в заданный момент
i(1) = 0,2813 + (0,1278)·e−1/1,469 = 0,346 A
Ответ
i = 0,346 A
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,6818 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.
R3 + R4 = 4 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 8·10/(8+10) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 20 + 4,444 = 24,44 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/24,44 = 1,227 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1,227·20 = 5,455 V
IR2 = VA/R2 = 5,455/8 = 0,6818 A
Ответ
IR2 = 0,6818 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 10,97 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.
R5 + R6 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 6,618 Ω
R3 + 6,618 = 16,62 Ω
R2 ∥ 16,62 = 6,968 Ω
Req = R1 + 6,968 = 4 + 6,968 = 10,97 Ω
Ответ
Req = 10,97 Ω
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: IL = 42,67 A
Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.
Коэффициент заполнения
D = 1 − 48/64 = 0,25
Ток нагрузки
Io = 64/2 = 32 A
Ток катушки
IL = Io/(1 − D) = 32/0,75 = 42,67 A
Ответ
IL = 42,67 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔVo = 14545 mV
Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий Vo = D·Vin, повышающий Vo = Vin/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |Vo| = Vin·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: Vin·Iin = Vo·Io. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔIL = VL·D·T/L, где VL = Vin − Vo для понижающего и Vin для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔVo = ΔIL/(8fC) для понижающего и Io·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔIL/2.
Коэффициент заполнения
D = 1 − 48/80 = 0,4
Ток нагрузки
Io = 80/2 = 40 A
Пульсации выходного напряжения
ΔVo = 40·0,4/(50·10³·22·10⁻⁶) = 14545 mV
Ответ
ΔVo = 14545 mV
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vab = 7,5 mV
Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника Vs. Левый делитель R1–R2 даёт Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правый делитель R3–R4 даёт Vb = Vs·R4/(R3 + R4); выход равен Vab = Va − Vb. Мост уравновешен (Vab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R1/R2 = R3/R4, то есть R1·R4 = R2·R3. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Относительное изменение
ΔR/R = 0,75/150 = 0,005
Линеаризованный выход
Vab ≈ 6·0,005/4 = 7,5 mV
Ответ
Vab = 7,5 mV
Точное значение равно 7,481 mV; приближение хорошо, пока ΔR/R мало.
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: ε = 999,8 µε
Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают Vs·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — Vs·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.
Решите уравнение четвертьмоста
ε = 4·0,001281/(2,5·2,05) = 0,0009998
В микродеформациях
ε = 999,8 µε
Ответ
ε = 999,8 µε
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 11
Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.
Сгруппируйте единицы
Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.
C′D
BD
B′CD′
A′D
A′C′
Минимальная форма SOP
F = C′D + BD + B′CD′ + A′D + A′C′
L = 11
Ответ
L = 11
Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: Q = 12
Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.