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
Стабілізатор на стабілітроні 3,3 В живиться від 12 В через 270 Ом і живить навантаження 2200 Ом. Знайдіть струм стабілітрона IZ.
Vin = 12 VVZ = 3,3 VR = 270 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Діоди й транзисториСкладна
NPN-транзистор з β = 100 комутує резистор навантаження 470 Ω, увімкнений між VCC = 9 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор RB = 47 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Знайдіть струм колектора IC у mA при високому рівні на вході. Спершу визначте, чи транзистор у насиченні.
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 5.
R1 = 47 kΩAv = 5
Rf = kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 1,4 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = 1,4 VR = 22 kΩC = 4,7 µFVsat = ±12 V
t = ms
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
Через котушку тече сталий струм 3 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть напругу vR на R при t = 5 ms.
i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vR = V
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i2 через R2 при t = 400 ms.
Vs = 6 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 400 ms
i2 = mA
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 24 V на 18 V на частоті комутації 40 kHz. Знайдіть індуктивність L, за якої розмах струму пульсацій котушки становить 0,8 A.
Vin = 24 VVo = 18 Vf = 40 kHzΔIL = 0,8 A
L = µH
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 15 V на 6 V для навантаження 10 Ω на частоті 200 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 15 VVo = 6 Vf = 200 kHzR = 10 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Тензорезистор 120 Ω — це одне плече (R₂) мосту з чотирма однаковими плечима по 120 Ω і живленням 5 V. Знайдіть потужність Pg, що розсіюється в тензорезисторі, у mW. Саморозігрів обмежує живлення.
Vs = 5 VR = 120 Ω
Pg = mW
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Міст із плечима по 1000 Ω живиться від 3 V і має чотири активні тензорезистори, два розтягнуті й два стиснуті (повний міст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,05, деформація — 600 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.
Vs = 3 VGF = 2,05ε = 600 µε
Vo = mV
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Мультиплексор 4-до-1 має адресні входи S₁ = A і S₀ = B, а його інформаційні входи з’єднано з I₀ = C, I₁ = 0, I₂ = 0, I₃ = C. Для скількох із 8 комбінацій A, B і C вихід F = 1? Знайдіть N.
I₀ = CI₁ = 0I₂ = 0I₃ = C
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
Знайдіть мінімальну форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 4, 8, 11, 13, 15) + d(5, 6), де d позначає байдужі стани. Скільки добутків N вона має?
Стабілізатор на стабілітроні: стабілітрон, увімкнений у зворотному напрямку, тримає напругу VZ, поки його струм вищий за мінімальний IZ,min. Послідовний резистор R бере різницю між вхідною та вихідною напругою: IR = (Vin − VZ)/R. Цей струм ділиться між навантаженням, IL = VZ/RL, і стабілітроном: IZ = IR − IL. Проєктуйте за найгіршими випадками: найнижча вхідна напруга при найбільшому навантаженні має все ж лишати IZ,min, а найвища вхідна напруга без навантаження дає найбільшу потужність стабілітрона PZ = VZ·IZ.
Струм резистора
IR = 8,7/270 = 32,22 mA
Струм навантаження
IL = 3,3/2200 = 1,5 mA
Струм стабілітрона
IZ = 32,22 − 1,5 = 30,72 mA
Відповідь
IZ = 30,72 mA
2.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 9,149 mA
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 бази
IB = (5 − 0,7)/47 kΩ = 91,49 µA
Насичення чи активний режим?
β·IB менше за IC(sat), тож транзистор залишається в активному режимі.
β·IB = 9,149 mA
IC(sat) = (9 − 0,2)/470 = 18,72 mA
Струм колектора
IC = β·IB = 9,149 mA
Відповідь
IC = 9,149 mA
Транзистор в активному режимі, тож навантаження ввімкнено не повністю.
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 188 kΩ
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.
V₋ = V₊ = Vin, а струм через R₁ тече й через Rf, тож Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·47 = 188 kΩ
Відповідь
Rf = 188 kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: t = 886,3 ms
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 = 22 kΩ · 4,7 µF = 103,4 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1,4/103,4 = −0,01354 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 12·103,4/1,4 = 886,3 ms
Відповідь
t = 886,3 ms
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vR = 9,124 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
τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms
Спадання струму
i(t) = 3·e−5/3,133 = 0,6083 A
vR = R·i = 15·0,6083 = 9,124 V
Відповідь
vR = 9,124 V
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i2 = 0,2772 mA
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) = 6·4,7/(10 + 4,7) = 1,918 V
Стала часу після розмикання ключа
τ = R2·C = 4,7·220 = 1034 ms
Розряджання
vC(t) = 1,918·e−400/1034 = 1,303 V
i2 = vC/R2 = 1,303/4,7 = 0,2772 mA
Відповідь
i2 = 0,2772 mA
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 21,87 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 = 8 + 20 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 2·28/(2+28) = 1,867 Ω
Req = R1 + 1,867 = 20 + 1,867 = 21,87 Ω
Відповідь
Req = 21,87 Ω
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,3669 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 6,552 Ω
R3 + 6,552 = 31,55 Ω
R2 ∥ 31,55 = 8,694 Ω
Req = R1 + 8,694 = 15 + 8,694 = 23,69 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 12/23,69 = 0,5065 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,5065·15 = 4,403 V
IR2 = VA/R2 = 4,403/12 = 0,3669 A
Відповідь
IR2 = 0,3669 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: L = 140,6 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 = 18/24 = 0,75
Індуктивність
L = 6·0,75/(0,8·40·10³) = 140,6 µH
Відповідь
L = 140,6 µH
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 15 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 = 6/15 = 0,4
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,4)·10/(2200·10³) = 15 µH
Відповідь
Lcrit = 15 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Pg = 52,08 mW
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 на тензорезисторі
V = 5/2 = 2,5 V
Потужність
Pg = 2,5²/120 = 52,08 mW
Відповідь
Pg = 52,08 mW
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vo = 3,69 mV
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 = 2,05·600·10⁻⁶ = 0,00123
Вихід мосту
Vo = Vs·GF·ε = 3·0,00123 = 3,69 mV
Відповідь
Vo = 3,69 mV
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 2
Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ-до-1 передає на вихід один зі своїх інформаційних входів; адресні лінії, прочитані як двійкове число, вибирають який. Для MUX 4-до-1 з адресами S₁S₀ = AB маємо F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Якщо з’єднати інформаційні входи з 0, 1, C або C′, MUX реалізує будь-яку функцію від A, B і C, що є поширеним способом побудувати логіку однією мікросхемою.
Вираз виходу
F = A′B′C + ABC
Рядки з F = 1
ABC = 001, 111
N = 2
Відповідь
N = 2
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 4
Карти Карно: клітинки впорядковано за кодом Грея (00, 01, 11, 10), тож сусідні клітинки, зокрема через краї, відрізняються рівно однією змінною. Групуйте одиниці в прямокутники по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, якомога більші й у якомога меншій кількості, доки кожну 1 не буде покрито. Кожна група — це один добуток: змінні, що лишаються сталими всередині неї. Група з 2ᵏ клітинок втрачає k змінних. Байдужі стани (X) можна використовувати, щоб групи були більшими, але їх не обов’язково покривати. Групування нулів замість одиниць дає мінімальну форму POS.
Прості імпліканти
Найбільші групи, які можна утворити з одиниць і X.
B′C′D′, BC′D, A′D′, ACD, ABD, A′BC′
Мінімальне покриття
F = B′C′D′ + BC′D + A′D′ + ACD
N = 4
Відповідь
N = 4
Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість доданків і літералів.