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 = 12 V: R₁ = 56 kΩ від VCC до бази й R₂ = 15 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 2,7 kΩ, емітерний резистор RE = 680 Ω. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть напругу колектор–емітер VCE.
NPN-транзистор з β = 50 комутує резистор навантаження 150 Ω, увімкнений між VCC = 9 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. 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 = −1,9 VR1 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = −1 VV2 = 1,1 VR1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 50% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 9 VR = 22 ΩL = 10 mH
t = ms
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 20 V з указаною полярністю. За який час vC досягне 9,5 V? Знайдіть t.
Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 20 V
t = ms
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR2 через R2.
V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 48 V на 160 V на частоті 500 kHz при L = 330 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 48 VVo = 160 Vf = 500 kHzL = 330 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 9 V на −9 V для навантаження 5 Ω на частоті 250 kHz. Вихідний конденсатор має 470 µF. Знайдіть розмах пульсацій вихідної напруги ΔVo у mV.
Vin = 9 VVo = −9 Vf = 250 kHzC = 470 µFR = 5 Ω
ΔVo = mV
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 120 Ω і Vs = 3 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 1,2 Ω. У наближенні малих змін знайдіть вихід Vab у mV.
Vs = 3 VR = 120 ΩΔR = 1,2 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Міст із плечима по 1000 Ω живиться від 5 V і має один активний тензорезистор (чвертьміст). Коефіцієнт тензочутливості — 2,1, деформація — 200 µε. Знайдіть вихід мосту Vo у mV.
Vs = 5 VGF = 2,1ε = 200 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 = C, I₂ = C′, I₃ = 0. Для скількох із 8 комбінацій A, B і C вихід F = 1? Знайдіть N.
I₀ = C′I₁ = CI₂ = C′I₃ = 0
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
D-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 = 0D
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: VCE = 4,28 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 = 12·15/(56 + 15) = 2,535 V
RTH = 56·15/(56 + 15) = 11,83 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (2,535 − 0,7)/(11,83 + 101·0,68) = 22,79 µA
Струм колектора
IC = 100·22,79 µA = 2,279 mA
IE = 101·22,79 µA = 2,302 mA
Напруга колектор–емітер
VCE = 12 − 2,279·2,7 − 2,302·0,68 = 4,28 V
Відповідь
VCE = 4,28 V
2.Діоди й транзистори
Відповідь: RB = 2,216 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) = (9 − 0,2)/150 = 58,67 mA
Мінімальний струм бази
IB(min) = IC(sat)/β = 58,67/50 = 1173 µA
Базовий резистор
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/1,173 mA = 2,216 kΩ
Відповідь
RB = 2,216 kΩ
Будь-який менший базовий резистор також насичує транзистор; на практиці беруть у кілька разів менший.
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −3,8 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₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/1 = −1,9 mA
Вихідна напруга
Струм через R₁ тече й через Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−1,9)·1 = −3,8 V
Відповідь
Vout = −3,8 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −4,5 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.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = −1/10 = −0,1 mA
I2 = V2/R2 = 1,1/2 = 0,55 mA
If = I1 + I2 = 0,45 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −10·0,45 = −4,5 V
Відповідь
Vout = −4,5 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,3151 ms
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 / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A
Виразіть час
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,4545·ln(0,5) = 0,3151 ms
Відповідь
t = 0,3151 ms
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 186,7 ms
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.
t = τ·ln((20 − 5)/(9,5 − 5)) = 155,1·ln(3,333) = 186,7 ms
Відповідь
t = 186,7 ms
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,5116 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.
R3 + R4 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 5·11/(5+11) = 3,438 Ω
Req = R1 + 3,438 = 10 + 3,438 = 13,44 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/13,44 = 0,7442 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 0,7442·10 = 2,558 V
IR2 = VA/R2 = 2,558/5 = 0,5116 A
Відповідь
IR2 = 0,5116 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 2,782 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 6,118 Ω
R3 + 6,118 = 21,12 Ω
R2 ∥ 21,12 = 2,627 Ω
Req = R1 + 2,627 = 6 + 2,627 = 8,627 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 24/8,627 = 2,782 A
Відповідь
IR1 = 2,782 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 0,2036 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 − 48/160 = 0,7
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 48 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0,7/(330·10⁻⁶·500·10³) = 0,2036 A
Відповідь
ΔIL = 0,2036 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔVo = 7,66 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 = 9/(9 + 9) = 0,5
Струм навантаження
Io = 9/5 = 1,8 A
Пульсації виходу
ΔVo = 1,8·0,5/(250·10³·470·10⁻⁶) = 7,66 mV
Відповідь
ΔVo = 7,66 mV
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 7,5 mV
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.
Відносна зміна
ΔR/R = 1,2/120 = 0,01
Лінеаризований вихід
Vab ≈ 3·0,01/4 = 7,5 mV
Відповідь
Vab = 7,5 mV
Точне значення становить 7,463 mV; наближення добре, поки ΔR/R мале.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vo = 0,525 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 = 2,1·200·10⁻⁶ = 0,00042
Вихід мосту
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0,00042/4 = 0,525 mV
Відповідь
Vo = 0,525 mV
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 3
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′ + A′BC + AB′C′
Рядки з F = 1
ABC = 000, 011, 100
N = 3
Відповідь
N = 3
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 5
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.
Q після кожного фронту
D-тригер копіює D за кожним переднім фронтом: Q⁺ = D.