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 = 18 V: R₁ = 22 kΩ от VCC к базе и R₂ = 4,7 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 1 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите ток коллектора IC в mA.
NPN-транзистор с β = 100 коммутирует нагрузочный резистор 680 Ω, включённый между VCC = 12 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Для надёжного переключения рассчитайте ток базы в 10 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.
ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.
Vin = 0,1 VR1 = 22 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
4.Схемы на операционных усилителяхСложная
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. Входное напряжение Vin = 0,1 V. Найдите выходное напряжение Vout.
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 = 22 ΩL = 150 mHt = 20 ms
W = mJ
6.Переходные процессы RC и RLСложная
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 4 V с указанной полярностью. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 10 ms.
Vs = 12 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 4 Vt = 10 ms
vC = V
7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.Последовательные и параллельные резисторыСложная
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
Идеальный инвертирующий понижающе-повышающий преобразователь преобразует 24 V в −56 V при 25 kHz и L = 330 µH. Найдите размах пульсаций тока катушки ΔIL.
Vin = 24 VVo = −56 Vf = 25 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.Преобразователи постоянного напряженияСложная
Понижающий преобразователь преобразует 48 V в 24 V при 50 kHz и L = 330 µH. Найдите выходную ёмкость C, при которой размах пульсаций выходного напряжения ограничен 100 mV.
Найдите сопротивление Тевенина Rth показанного моста со стороны выходных зажимов a и b.
Vs = 15 VR1 = 80 ΩR2 = 200 ΩR3 = 500 ΩR4 = 50 Ω
Rth = Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная
Мост с плечами 350 Ω питается напряжением 10 V; конфигурация: четыре активных тензорезистора, два на растяжение и два на сжатие (полный мост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 1500 µε. Найдите выход моста Vo в mV.
Vs = 10 VGF = 2ε = 1500 µε
Vo = mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
На этой карте Карно ровно у одной единицы нет соседней единицы, поэтому в минимальной форме SOP она остаётся группой из одной клетки (полным минтермом из четырёх литералов). Соседи через края карты учитываются. Нажмите на эту клетку.
F = Σm(0, 1, 2, 7, 8, 9, 10, 13)
1AB = 00, CD = 00
2AB = 00, CD = 01
3AB = 00, CD = 11
4AB = 00, CD = 10
5AB = 01, CD = 00
6AB = 01, CD = 01
7AB = 01, CD = 11
8AB = 01, CD = 10
9AB = 11, CD = 00
10AB = 11, CD = 01
11AB = 11, CD = 11
12AB = 11, CD = 10
13AB = 10, CD = 00
14AB = 10, CD = 01
15AB = 10, CD = 11
16AB = 10, CD = 10
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
Триггер T, срабатывающий по переднему фронту, начинает с Q = 0 и получает показанные входы. Нажмите на первый фронт тактового сигнала, на котором Q возвращается из 1 в 0.
Q₀ = 0T
1фронт тактового сигнала 1
2фронт тактового сигнала 2
3фронт тактового сигнала 3
4фронт тактового сигнала 4
5фронт тактового сигнала 5
6фронт тактового сигнала 6
3Растворы
1.Диоды и транзисторы
Ответ: IC = 2,391 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 = 18·4,7/(22 + 4,7) = 3,169 V
RTH = 22·4,7/(22 + 4,7) = 3,873 kΩ
Ток базы
Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.
IB = (3,169 − 0,7)/(3,873 + 151·1) = 15,94 µA
Ток коллектора
IC = 150·15,94 µA = 2,391 mA
IE = 151·15,94 µA = 2,407 mA
Ответ
IC = 2,391 mA
2.Диоды и транзисторы
Ответ: RB = 2,478 kΩ
Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.
Ток коллектора в насыщении
IC(sat) = (12 − 0,2)/680 = 17,35 mA
Минимальный ток базы
IB(min) = IC(sat)/β = 17,35/100 = 173,5 µA
Расчётный ток базы
IB = 10·173,5 µA = 1735 µA
Резистор базы
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/1,735 mA = 2,478 kΩ
Ответ
RB = 2,478 kΩ
3.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = 0,2 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₊ = 0,1 V
I = V₋/R1 = 0,1/22 = 0,004545 mA
Выходное напряжение
Ток через R₁ течёт и через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 0,1 + 0,004545·22 = 0,2 V
Ответ
Vout = 0,2 V
4.Схемы на операционных усилителях
Ответ: Vout = −0,57 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.
Коэффициент усиления каждого каскада
A1 = −Rf1/R1 = −47/10 = −4,7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/47 = 1,213
Каскад за каскадом
V1 = −4,7·0,1 = −0,47 V
Vout = 1,213·(−0,47) = −0,57 V
Ответ
Vout = −0,57 V
5.Переходные процессы RC и RL
Ответ: W = 55,56 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 / 22 Ω = 6,818 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0,9091 A
Ток в заданный момент
i(t) = 0,9091·(1 − e−20/6,818) = 0,8607 A
Запасённая энергия
W = ½·L·i² = ½·150·0,8607² = 55,56 mJ
Ответ
W = 55,56 mJ
6.Переходные процессы RC и RL
Ответ: vC = 6,922 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 значение, конечное значение, постоянная времени
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 12 + (4 − 12)·e−t/τ
Напряжение в заданный момент
vC(10) = 12 + (−8)·e−10/22 = 6,922 V
Ответ
vC = 6,922 V
7.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: IR1 = 0,5 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 = 5 + 15 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Req = R1 + 10 = 8 + 10 = 18 Ω
Ток источника
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/18 = 0,5 A
Ответ
IR1 = 0,5 A
8.Последовательные и параллельные резисторы
Ответ: Req = 40,38 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 33,75 Ω
R2 ∥ 33,75 = 10,38 Ω
Req = R1 + 10,38 = 30 + 10,38 = 40,38 Ω
Ответ
Req = 40,38 Ω
9.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: ΔIL = 2,036 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 = 56/(24 + 56) = 0,7
Напряжение на катушке во время включения
Пока S включён, катушка индуктивности находится непосредственно под напряжением Vin.
VL = 24 V
Пульсации тока
ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,7/(330·10⁻⁶·25·10³) = 2,036 A
Ответ
ΔIL = 2,036 A
10.Преобразователи постоянного напряжения
Ответ: C = 18,18 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 = 24/48 = 0,5
Пульсации тока катушки
ΔIL = (48 − 24)·0,5/(330·10⁻⁶·50·10³) = 0,7273 A
Ёмкость
C = 0,7273/(8·50·10³·100·10⁻³) = 18,18 µF
Ответ
C = 18,18 µF
11.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Rth = 102,6 Ω
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.
Источник замкнут накоротко
R₁∥R₂ = 80·200/280 = 57,14 Ω
R₃∥R₄ = 500·50/550 = 45,45 Ω
Сопротивление Тевенина
Rth = 102,6 Ω
Ответ
Rth = 102,6 Ω
12.Мост Уитстона и тензорезисторы
Ответ: Vo = 30 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 = 2·1500·10⁻⁶ = 0,003
Выход моста
Vo = Vs·GF·ε = 10·0,003 = 30 mV
Ответ
Vo = 30 mV
13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: AB = 01, CD = 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.
Соседи каждой единицы
Единица с соседней единицей может войти в группу из двух или более.
m7: m6, m5, m3, m15 → 0
Изолированная единица
m7 = A′BCD → AB = 01, CD = 11
Ответ
AB = 01, CD = 11
14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры
Ответ: фронт тактового сигнала 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.