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 = 100 має зміщення дільником напруги від VCC = 20 V: R₁ = 56 kΩ від VCC до бази й R₂ = 10 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 1,5 kΩ, емітерний резистор RE = 1,5 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть струм колектора IC у mA.
NPN-транзистор з β = 50 комутує резистор навантаження 150 Ω, увімкнений між VCC = 12 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 3,3 V через базовий резистор RB. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Для надійного перемикання розрахуйте струм бази в 4 разів більшим за мінімально потрібний для насичення. Знайдіть RB у kΩ.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
Vin = −0,4 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±13 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 0,9 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = 0,9 VR = 100 kΩC = 0,1 µFVsat = ±13 V
t = ms
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 5 ms, у mJ.
Vs = 9 VR = 5 ΩL = 10 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 6 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 40 ms.
Vs = 10 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 Vt = 40 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 24 V на −72 V на частоті 20 kHz при L = 330 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 24 VVo = −72 Vf = 20 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 24 V на 48 V для навантаження 50 Ω на частоті 200 kHz. Вихідний конденсатор має 470 µF. Знайдіть розмах пульсацій вихідної напруги ΔVo у mV.
Чвертьміст з одним активним тензорезистором (GF = 2,1) живиться від 2,5 V. Під навантаженням вихід показує 0,525 mV. Знайдіть деформацію ε у µε.
Vs = 2,5 VGF = 2,1Vo = 0,525 mV
ε = µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Скористайтеся картою Карно, щоб знайти мінімальну форму суми добутків (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(0, 2, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14). Скільки всього літералів L вона містить (змінна зі штрихом рахується як один літерал)?
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
JK-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи. Клікніть перший фронт такту, на якому Q переходить з 1 назад у 0.
Q₀ = 0JK
1фронт такту 1
2фронт такту 2
3фронт такту 3
4фронт такту 4
5фронт такту 5
6фронт такту 6
7фронт такту 7
8фронт такту 8
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 1,457 mA
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 = 20·10/(56 + 10) = 3,03 V
RTH = 56·10/(56 + 10) = 8,485 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (3,03 − 0,7)/(8,485 + 101·1,5) = 14,57 µA
Струм колектора
IC = 100·14,57 µA = 1,457 mA
IE = 101·14,57 µA = 1,471 mA
Відповідь
IC = 1,457 mA
2.Діоди й транзистори
Відповідь: RB = 0,4131 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) = (12 − 0,2)/150 = 78,67 mA
Мінімальний струм бази
IB(min) = IC(sat)/β = 78,67/50 = 1573 µA
Розрахунковий струм бази
IB = 4·1573 µA = 6293 µA
Базовий резистор
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/6,293 mA = 0,4131 kΩ
Відповідь
RB = 0,4131 kΩ
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,8 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.
Інвертувальний вхід повторює вхід
V₋ = V₊ = −0,4 V
I = V₋/R1 = −0,4/10 = −0,04 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,4 + (−0,04)·10 = −0,8 V
Відповідь
Vout = −0,8 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: t = 144,4 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 = 100 kΩ · 0,1 µF = 10 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −0,9/10 = −0,09 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 13·10/0,9 = 144,4 ms
Відповідь
t = 144,4 ms
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 13,65 mJ
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 = 10 mH / 5 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 9/5 = 1,8 A
Струм у заданий момент
i(t) = 1,8·(1 − e−5/2) = 1,652 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·10·1,652² = 13,65 mJ
Відповідь
W = 13,65 mJ
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 8,81 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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(40) = 10 + (−4)·e−40/33 = 8,81 V
Відповідь
vC = 8,81 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 9,852 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 = 10 + 15 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Req = R1 + 1,852 = 8 + 1,852 = 9,852 Ω
Відповідь
Req = 9,852 Ω
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,391 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 = 8 + 25 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 7,674 Ω
R3 + 7,674 = 22,67 Ω
R2 ∥ 22,67 = 6,94 Ω
Req = R1 + 6,94 = 6 + 6,94 = 12,94 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/12,94 = 1,391 A
Відповідь
IR1 = 1,391 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 2,727 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 = 72/(24 + 72) = 0,75
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 24 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0,75/(330·10⁻⁶·20·10³) = 2,727 A
Відповідь
ΔIL = 2,727 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔVo = 5,106 mV
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 − 24/48 = 0,5
Струм навантаження
Io = 48/50 = 0,96 A
Пульсації виходу
ΔVo = 0,96·0,5/(200·10³·470·10⁻⁶) = 5,106 mV
Відповідь
ΔVo = 5,106 mV
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Ig = −22500 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 = 9·(80/680 − 300/340) = −6,882 V
Опір Тевенена
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 105,9 Ω
Струм гальванометра
Ig = −6,882/(105,9 + 200) = −22500 µA
Відповідь
Ig = −22500 µA
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 400 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.
Розв’яжіть рівняння чвертьмосту
ε = 4·0,000525/(2,5·2,1) = 0,0004
У мікродеформаціях
ε = 400 µε
Відповідь
ε = 400 µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: L = 11
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.
Згрупуйте одиниці
Кожна група — це прямокутник із 2ᵏ клітинок; крайні клітинки є сусідами клітинок на протилежному краї.
B′D′
B′C
AD′
AB′
A′BD
Мінімальна форма SOP
F = B′D′ + B′C + AD′ + AB′ + A′BD
L = 11
Відповідь
L = 11
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 4
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.