Визначте перетворювач (знижувальний, підвищувальний чи знижувально-підвищувальний) і коефіцієнт заповнення D за відношенням напруг.
Скористайтеся балансом вольт-секунд на котушці: середня напруга на котушці за період дорівнює нулю.
Знайдіть напругу на котушці, поки ключ увімкнений, а потім ΔIL = VL·D/(L·f).
Для пульсацій виходу знайдіть заряд, що входить у конденсатор і виходить із нього; для межі режиму безперервних струмів прирівняйте середній струм котушки до ΔIL/2.
Міст Вітстона й тензорезистори
Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε
Метод
Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.
Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Базові вентилі
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевої алгебри
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Закони де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карті Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Група з 2ᵏ клітинок
втрачає k змінних
Мультиплексор 4-до-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Тригери
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Лічильники
n-розрядний: 2ⁿ станів; за модулем N: найменше n з 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Послідовний лічильник
fmax = 1/(n·tpd)
Кільцевий лічильник і лічильник Джонсона
n і 2n станів
Метод
Для схеми рухайтеся від входів до виходу вентиль за вентилем і записуйте значення на кожному дроті, або запишіть її вираз і заповніть таблицю істинності.
Для спрощення занесіть одиниці (а байдужі стани як X) на карту Карно з рядками й стовпцями в коді Грея: 00, 01, 11, 10.
Покрийте одиниці якомога меншою кількістю якомога більших груп по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, з переходом через краї; кожна група — це один добуток зі змінних, що лишаються сталими. Для форми POS групуйте нулі.
Для тригерів і лічильників читайте входи на кожному активному фронті такту, записуйте стан після кожного фронту й пам’ятайте, що n-розрядний лічильник переходить через максимум після 2ⁿ станів.
2Задачі для практики
1.Діоди й транзисториСередня
NPN-транзистор з β = 80 має зміщення дільником напруги від VCC = 12 V: R₁ = 22 kΩ від VCC до бази й R₂ = 4,7 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 1 kΩ, емітерний резистор RE = 1,2 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть напругу колектор–емітер VCE.
NPN-транзистор з β = 200 комутує резистор навантаження 680 Ω, увімкнений між VCC = 24 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор RB. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Знайдіть найбільший базовий резистор RB, у kΩ, за якого транзистор ще входить у насичення.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = −0,6 VR1 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 1,8 V. Знайдіть вихідну напругу Vout при t = 1 ms.
Vin = 1,8 VR = 1 kΩC = 1 µFVsat = ±14 Vt = 1 ms
Vout = V
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть напругу vL на котушці в момент t = 1 ms.
Vs = 10 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vL = V
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 500 ms.
Vs = 20 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 220 µFt = 500 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 12 V на 24 V на частоті 500 kHz при L = 10 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 12 VVo = 24 Vf = 500 kHzL = 10 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 12 V на 40 V для навантаження 10 Ω на частоті 40 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 12 VVo = 40 Vf = 40 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Гальванометр з опором 100 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 3 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.
Тензорезистор 350 Ω з коефіцієнтом тензочутливості 2,1 приклеєно до сталевого стрижня. Під навантаженням його опір зростає на 0,882 Ω. Знайдіть деформацію ε у мікродеформаціях (µε).
R = 350 ΩGF = 2,1ΔR = 0,882 Ω
ε = µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Спростіть F = B′C + A′BC′ + AC′ до мінімальної форми суми добутків. Скільки літералів L містить спрощений вираз?
F = B′C + A′BC′ + AC′
L =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
Тактовий сигнал 10 кГц керує лічильником за модулем 4. Знайдіть частоту fout його старшого виходу, який завершує один цикл за один цикл лічби.
fclk = 10 kHzN = 4
fout = kHz
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: VCE = 9,524 V
Робоча точка БТ: в активному режимі VBE = 0,7 V, IC = β·IB і IE = (β + 1)·IB. Знайдіть IB з базового контуру за ЗНК, потім IC, потім VCE з контуру колектор–емітер. Дільник напруги в колі бази замінюють його еквівалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; емітерний резистор у базовому контурі виглядає в (β + 1) разів більшим.
Еквівалент Тевенена дільника
VTH = 12·4,7/(22 + 4,7) = 2,112 V
RTH = 22·4,7/(22 + 4,7) = 3,873 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (2,112 − 0,7)/(3,873 + 81·1,2) = 13,97 µA
Струм колектора
IC = 80·13,97 µA = 1,118 mA
IE = 81·13,97 µA = 1,132 mA
Напруга колектор–емітер
VCE = 12 − 1,118·1 − 1,132·1,2 = 9,524 V
Відповідь
VCE = 9,524 V
2.Діоди й транзистори
Відповідь: RB = 24,57 kΩ
БТ як ключ: щоб повністю ввімкнути навантаження, транзистор переводять у насичення, де VCE = VCE(sat), а струм колектора визначається навантаженням: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насичення потрібен струм бази щонайменше IB = IC(sat)/β. Якщо струм бази менший, транзистор залишається в активному режимі й IC = β·IB.
Струм колектора в насиченні
IC(sat) = (24 − 0,2)/680 = 35 mA
Мінімальний струм бази
IB(min) = IC(sat)/β = 35/200 = 175 µA
Базовий резистор
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,175 mA = 24,57 kΩ
Відповідь
RB = 24,57 kΩ
Будь-який менший базовий резистор також насичує транзистор; на практиці беруть у кілька разів менший.
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,2 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = −0,6 V
I = V₋/R1 = −0,6/2 = −0,3 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,6 + (−0,3)·2 = −1,2 V
Відповідь
Vout = −1,2 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −1,8 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 1 kΩ · 1 µF = 1 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1,8/1 = −1,8 V/ms
Вихідна напруга в заданий момент
Ідеальне значення лежить у межах ±Vsat, тож інтегратор ще не обмежує сигнал.
Vout = −Vin·t/(RC) = −1,8·1/1 = −1,8 V
Відповідь
Vout = −1,8 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vL = 3,451 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0,2 A
Напруга на котушці
У момент t = 0 уся напруга живлення прикладена до котушки; далі вона спадає до нуля.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 10·e−1/0,94 = 3,451 V
Відповідь
vL = 3,451 V
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 10,82 V
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Початкова напруга на конденсаторі
В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.
vC(0) = 20·6,8/(2,2 + 6,8) = 15,11 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 6,8·220 = 1496 ms
Розряджання
vC(t) = 15,11·e−500/1496 = 10,82 V
Відповідь
vC = 10,82 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 13,24 Ω
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 20·21/(20+21) = 10,24 Ω
Req = R1 + 10,24 = 3 + 10,24 = 13,24 Ω
Відповідь
Req = 13,24 Ω
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,876 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 30 + 5 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 5,122 Ω
R3 + 5,122 = 20,12 Ω
R2 ∥ 20,12 = 3,337 Ω
Req = R1 + 3,337 = 10 + 3,337 = 13,34 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/13,34 = 2,249 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2,249·10 = 7,506 V
IR2 = VA/R2 = 7,506/4 = 1,876 A
Відповідь
IR2 = 1,876 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 1,2 A
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 1 − 12/24 = 0,5
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 12 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 12·0,5/(10·10⁻⁶·500·10³) = 1,2 A
Відповідь
ΔIL = 1,2 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 7,875 µH
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 1 − 12/40 = 0,7
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = 0,7(1 − 0,7)²·10/(240·10³) = 7,875 µH
Відповідь
Lcrit = 7,875 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Ig = 711,1 µA
Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Напруга Тевенена
Vth = 3·(800/1100 − 400/650) = 0,3357 V
Опір Тевенена
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 372 Ω
Струм гальванометра
Ig = 0,3357/(372 + 100) = 711,1 µA
Відповідь
Ig = 711,1 µA
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 1200 µε
Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.
Відносна зміна опору
ΔR/R = 0,882/350 = 0,00252
Деформація
ε = 0,00252/2,1 = 0,0012 = 1200 µε
Відповідь
ε = 1200 µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: L = 6
Булева алгебра: правила, що спрощують вирази, — це X + X′ = 1 і X·X′ = 0, X + X = X, поглинання X + X·Y = X, правило склеювання X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y і теорема про консенсус XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Закони де Моргана перетворюють (X·Y)′ на X′ + Y′, а (X + Y)′ на X′·Y′. Карта Карно застосовує ці правила графічно: кожна група з двох сусідніх клітинок — це одне застосування XY + XY′ = X.
Мінтерми виразу
B′C → m(1, 5)
A′BC′ → m(2)
AC′ → m(4, 6)
Згрупуйте й зчитайте
F = B′C + BC′ + AC′
Порахуйте літерали
L = 6
Відповідь
L = 6
Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість літералів.
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: fout = 2,5 kHz
Тригери та лічильники: тригер змінюється лише за активним фронтом такту. D копіює свій вхід (Q⁺ = D); T перемикається, коли T = 1; JK зберігає стан за 00, скидає за 01, встановлює за 10 і перемикає за 11. n-розрядний двійковий лічильник має 2ⁿ станів і рахує за модулем 2ⁿ; лічильник за модулем N рахує 0, 1, …, N − 1 і повертається до 0, і йому потрібне найменше n, для якого 2ⁿ ≥ N тригерів. Кожен ступінь послідовного лічильника ділить частоту навпіл, тож останній вихід лічильника за модулем N має частоту fclk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.