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 = 100 смещён делителем напряжения от VCC = 18 V: R₁ = 56 kΩ от VCC к базе и R₂ = 22 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 1 kΩ, резистор эмиттера RE = 2,2 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите ток коллектора IC в mA.
Стабилизатор на стабилитроне 3,3 V должен питать нагрузку током до 20 mA. Входное напряжение может падать до 12 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 1 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±14 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1,3 V. Найдите выходное напряжение Vout при t = 0,5 ms.
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите ток i в момент t = 1 ms.
Vs = 24 VR = 100 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 15 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 17 V? Найдите t.
Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 15 V
t = ms
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 15 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Идеальный понижающий преобразователь преобразует 24 V в 6 V при 100 kHz и L = 150 µH. Найдите размах пульсаций тока катушки ΔIL.
Vin = 24 VVo = 6 Vf = 100 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Понижающий преобразователь преобразует 12 V в 7,2 V при 500 kHz и L = 150 µH. Найдите наименьший ток нагрузки Io,min, при котором он остаётся в режиме непрерывного тока.
Vin = 12 VVo = 7,2 Vf = 500 kHzL = 150 µH
Io,min = A
11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя
Мост имеет четыре плеча по 250 Ω и Vs = 15 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 25 Ω. Найдите точный выход Vab в mV.
Vs = 15 VR = 250 ΩΔR = 25 Ω
Vab = mV
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Тензорезистор 350 Ω с коэффициентом тензочувствительности 2,12 приклеен к стальному стержню. Под нагрузкой его сопротивление возрастает на 1,113 Ω. Найдите деформацию ε в микродеформациях (µε).
R = 350 ΩGF = 2,12ΔR = 1,113 Ω
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, 3, 9, 10, 11, 13). Сколько членов-произведений, N, в ней?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 9, 10, 11, 13)
N =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер JK, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы на 7 передних фронтах тактового сигнала. Сколько раз, N, Q меняет состояние?
Q₀ = 0JK
N =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 1,839 mA
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 = 18·22/(56 + 22) = 5,077 V
RTH = 56·22/(56 + 22) = 15,79 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (5,077 − 0,7)/(15,79 + 101·2,2) = 18,39 µA
Ток коллектора
IC = 100·18,39 µA = 1,839 mA
IE = 101·18,39 µA = 1,857 mA
Ответ
IC = 1,839 mA
2.Диоды и транзисторы
Ответ: Rmax = 414,3 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 = 20 + 1 = 21 mA
Наибольшее сопротивление
Rmax = 8,7/0,021 = 414,3 Ω
Ответ
Rmax = 414,3 Ω
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: V− = 1,581 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₊.
V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 2,3·22/(10 + 22) = 1,581 V
V₋ = V₊
Ответ
V− = 1,581 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −6,5 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.
Входной ток и скорость нарастания
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
RC = 1 kΩ · 0,1 µF = 0,1 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1,3/0,1 = −13 V/ms
Выходное напряжение в заданный момент
Идеальное значение лежит в пределах ±Vsat, поэтому интегратор ещё не вошёл в ограничение.
Vout = −Vin·t/(RC) = −1,3·0,5/0,1 = −6,5 V
Ответ
Vout = −6,5 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: i = 0,24 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.
Постоянная времени и конечный ток
Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.
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
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
t = τ·ln((15 − 20)/(17 − 20)) = 319,6·ln(1,667) = 163,3 ms
Ответ
t = 163,3 ms
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 21,64 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 15·27/(15+27) = 9,643 Ω
Req = R1 + 9,643 = 12 + 9,643 = 21,64 Ω
Ответ
Req = 21,64 Ω
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 0,606 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 5,652 Ω
R3 + 5,652 = 7,652 Ω
R2 ∥ 7,652 = 5,067 Ω
Req = R1 + 5,067 = 15 + 5,067 = 20,07 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/20,07 = 1,794 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 1,794·15 = 9,09 V
IR2 = VA/R2 = 9,09/15 = 0,606 A
Ответ
IR2 = 0,606 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔIL = 0,3 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 = 6/24 = 0,25
Напряжение на катушке во время включения
Пока S включён, катушка индуктивности находится между Vin и Vo.
VL = 24 − 6 = 18 V
Пульсации тока
ΔIL = VL·D/(L·f) = 18·0,25/(150·10⁻⁶·100·10³) = 0,3 A
Ответ
ΔIL = 0,3 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Io,min = 0,0192 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 = 7,2/12 = 0,6
Пульсации тока
ΔIL = 7,2·0,4/(150·10⁻⁶·500·10³) = 0,0384 A
Граничный ток нагрузки
Io,min = ΔIL/2 = 0,0192 A
Ответ
Io,min = 0,0192 A
Ниже этого тока преобразователь переходит в режим прерывистого тока, и Vo поднимается выше D·Vin.
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vab = 357,1 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.
Напряжения узлов
Va = 15·275/525 = 7,857 V
Vb = 7,5 V
Выделение
Vab = 357,1 mV
Ответ
Vab = 357,1 mV
Линейная оценка Vs·ΔR/(4R) = 375 mV завышена на 5 %: четвертьмост не совсем линеен.
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: ε = 1500 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.
Относительное изменение сопротивления
ΔR/R = 1,113/350 = 0,00318
Деформация
ε = 0,00318/2,12 = 0,0015 = 1500 µε
Ответ
ε = 1500 µε
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 4
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.
B′D
AC′D
A′B′C′
AB′C
Минимальная форма SOP
F = B′D + AC′D + A′B′C′ + AB′C
N = 4
Ответ
N = 4
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: N = 3
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.