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 = 150 смещён делителем напряжения от VCC = 12 V: R₁ = 100 kΩ от VCC к базе и R₂ = 22 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 1,5 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 5,6 V должен питать нагрузку током до 30 mA. Входное напряжение может падать до 12 V, а стабилитрону для стабилизации нужно не менее 5 mA. Найдите наибольшее последовательное сопротивление Rmax, при котором стабилизация сохраняется.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,7 VR1 = 22 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
Интегратор выполнен на идеальном ОУ с питанием ±15 V; его выход насыщается на уровне ±12 V. Конденсатор не заряжен, когда при t = 0 подаётся постоянное входное напряжение Vin = 1 V. Через какое время после t = 0 выход достигнет насыщения? Найдите t.
Vin = 1 VR = 100 kΩC = 1 µFVsat = ±12 V
t = ms
5.Переходные процессы RC и RLСредняя
До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 20 ms, в mJ.
Vs = 20 VR = 5 ΩL = 150 mHt = 20 ms
W = mJ
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 12 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 6 V, ровно через 50 ms после старта. При C = 100 µF найдите необходимое сопротивление R.
Vs = 12 VVth = 6 VT = 50 msC = 100 µF
R = kΩ
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 4 Ω
IR1 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Понижающий преобразователь преобразует 9 V в 5,4 V при нагрузке 15 Ω. Он переключается с частотой 200 kHz при L = 47 µH. Найдите пиковый ток катушки Imax.
Vin = 9 VVo = 5,4 Vf = 200 kHzL = 47 µHR = 15 Ω
Imax = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Понижающий преобразователь преобразует 15 V в 7,5 V при 250 kHz и L = 150 µH. Найдите выходную ёмкость C, при которой размах пульсаций выходного напряжения ограничен 10 mV.
Мост имеет четыре плеча по 150 Ω и Vs = 12 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 1,2 Ω. Используя приближение малых изменений, найдите выход Vab в mV.
Vs = 12 VR = 150 ΩΔR = 1,2 Ω
Vab = mV
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 10 V; конфигурация: один активный тензорезистор (четвертьмост). Коэффициент тензочувствительности равен 2,12, деформация — 1200 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 10 VGF = 2,12ε = 1200 µε
Vo = mV
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, 7, 8, 11, 12, 15). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 7, 8, 11, 12, 15)
L =
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер T, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы на 6 передних фронтах тактового сигнала. Сколько раз, N, Q меняет состояние?
Q₀ = 0T
N =
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 0,898 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 = 12·22/(100 + 22) = 2,164 V
RTH = 100·22/(100 + 22) = 18,03 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (2,164 − 0,7)/(18,03 + 151·1,5) = 5,987 µA
Ток коллектора
IC = 150·5,987 µA = 0,898 mA
IE = 151·5,987 µA = 0,904 mA
Ответ
IC = 0,898 mA
2.Диоды и транзисторы
Ответ: Rmax = 182,9 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 = 30 + 5 = 35 mA
Наибольшее сопротивление
Rmax = 6,4/0,035 = 182,9 Ω
Ответ
Rmax = 182,9 Ω
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 3,882 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.
Инвертирующий вход повторяет вход
V₋ = V₊ = 0,7 V
I = V₋/R1 = 0,7/22 = 0,03182 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,7 + 0,03182·100 = 3,882 V
Ответ
Vout = 3,882 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: t = 1200 ms
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 = 100 kΩ · 1 µF = 100 ms
скорость нарастания = −Vin/(RC) = −1/100 = −0,01 V/ms
Время до насыщения
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·100/1 = 1200 ms
Ответ
t = 1200 ms
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 284,1 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 = 150 mH / 5 Ω = 30 ms
i(∞) = Vs/R = 20/5 = 4 A
Ток в заданный момент
i(t) = 4·(1 − e−20/30) = 1,946 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·150·1,946² = 284,1 mJ
Ответ
W = 284,1 mJ
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: R = 0,7213 kΩ
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.
Требуемая постоянная времени
6 = 12·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(12/(12 − 6))
τ = 50/0,6931 = 72,13 ms
Сопротивление
kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.
R = τ/C = 72,13/100 = 0,7213 kΩ
Ответ
R = 0,7213 kΩ
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,9153 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 = 10 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 10·14/(10+14) = 5,833 Ω
Req = R1 + 5,833 = 4 + 5,833 = 9,833 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/9,833 = 0,9153 A
Ответ
IR1 = 0,9153 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR2 = 1,16 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 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 6,429 Ω
R3 + 6,429 = 21,43 Ω
R2 ∥ 21,43 = 6,818 Ω
Req = R1 + 6,818 = 2 + 6,818 = 8,818 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/8,818 = 1,701 A
Ток через R₂
Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,701·2 = 11,6 V
IR2 = VA/R2 = 11,6/10 = 1,16 A
Ответ
IR2 = 1,16 A
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: Imax = 0,4749 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 = 5,4/9 = 0,6
Средний ток и пульсации тока
Io = 5,4/15 = 0,36 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 3,6·0,6/(47·10⁻⁶·200·10³) = 0,2298 A
Пиковый ток
Imax = 0,36 + 0,2298/2 = 0,4749 A
Ответ
Imax = 0,4749 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: C = 5 µF
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 = 7,5/15 = 0,5
Пульсации тока катушки
ΔIL = (15 − 7,5)·0,5/(150·10⁻⁶·250·10³) = 0,1 A
Ёмкость
C = 0,1/(8·250·10³·10·10⁻³) = 5 µF
Ответ
C = 5 µF
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vab = 24 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 = 1,2/150 = 0,008
Линеаризованный выход
Vab ≈ 12·0,008/4 = 24 mV
Ответ
Vab = 24 mV
Точное значение равно 23,9 mV; приближение хорошо, пока ΔR/R мало.
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 6,36 mV
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 = 2,12·1200·10⁻⁶ = 0,002544
Выход моста
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 10·0,002544/4 = 6,36 mV
Ответ
Vo = 6,36 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: L = 7
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.
CD
AC′D′
A′B′
Минимальная форма SOP
F = CD + AC′D′ + A′B′
L = 7
Ответ
L = 7
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.
Q после каждого фронта
T-триггер переключается по каждому переднему фронту при T = 1 и сохраняет состояние при T = 0.