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 = 120 зміщено базовим резистором RB = 390 kΩ від джерела живлення VCC = 9 V. Колекторний резистор RC = 2,7 kΩ, емітер заземлено. Візьміть VBE = 0,7 V і вважайте, що транзистор в активному режимі. Знайдіть струм колектора IC у mA.
VCC = 9 VRB = 390 kΩRC = 2,7 kΩβ = 120VBE = 0,7 V
IC = mA
2.Діоди й транзисториСкладна
Діод змодельовано як 0,7 В послідовно з 10 Ом (він проводить вище 0,7 В). Він увімкнений послідовно з резистором 330 Ом до джерела 3 В. Знайдіть робочий струм ID у точці, де лінія діода перетинає лінію навантаження.
Vs = 3 VR = 330 ΩV0 = 0,7 Vrd = 10 Ω
ID = mA
3.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Підберіть резистор зворотного зв’язку Rf, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 11.
R1 = 4,7 kΩAv = 11
Rf = kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Вхідна напруга Vin = 0,3 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
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 = 33 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Ключ паралельно R2 був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R2. Знайдіть струм котушки i при t = 1 ms.
Vs = 15 VR1 = 22 ΩR2 = 5 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
IR1 = 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 200 kHz при L = 150 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 48 VVo = 160 Vf = 200 kHzL = 150 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 36 V на −54 V для навантаження 2 Ω на частоті 100 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 36 VVo = −54 Vf = 100 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Міст має чотири плеча по 470 Ω і Vs = 9 V. Датчик R₂ збільшується на ΔR = 70,5 Ω. Знайдіть точний вихід Vab у mV.
Vs = 9 VR = 470 ΩΔR = 70,5 Ω
Vab = mV
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Тензорезистор 350 Ω з коефіцієнтом тензочутливості 2 приклеєно до сталевого стрижня. Під навантаженням його опір зростає на 0,175 Ω. Знайдіть деформацію ε у мікродеформаціях (µε).
R = 350 ΩGF = 2ΔR = 0,175 Ω
ε = µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
На цій карті Карно рівно одна 1 не має сусідньої 1, тож у мінімальній формі SOP вона лишається групою з однієї клітинки (повний мінтерм із чотирьох літералів). Сусіди через краї карти враховуються. Клікніть цю клітинку.
F = Σm(0, 1, 2, 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.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
T-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи на 8 передніх фронтах такту. Скільки разів N змінюється стан Q?
Q₀ = 0T
N =
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 2,554 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.
Струм бази
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0,7)/390 kΩ = 21,28 µA
Струм колектора
IC = β·IB = 120·21,28 µA = 2,554 mA
Відповідь
IC = 2,554 mA
Перевірка: VCE = 2,105 V значно більше за 0,2 V, тож транзистор справді в активному режимі.
2.Діоди й транзистори
Відповідь: ID = 6,765 mA
Кола зі світлодіодами та діодами: світлодіод, увімкнений у прямому напрямку, має падіння напруги приблизно VF (близько 2 В для червоного, 3 В для синього чи білого) незалежно від струму. Послідовний резистор задає струм: R = (Vs − n·VF)/I для n світлодіодів послідовно. За точнішою моделлю діода V = V₀ + I·rd робоча точка лежить там, де пряма діода перетинає лінію навантаження I = (Vs − V)/R, тож I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Об’єднайте два рівняння
3 = 0,7 + I·(330 + 10)
Робочий струм
ID = 2,3/340 = 6,765 mA
VD = 0,7 + 0,006765·10 = 0,7676 V
Відповідь
ID = 6,765 mA
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Rf = 47 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 = (11 − 1)·4,7 = 47 kΩ
Відповідь
Rf = 47 kΩ
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −0,441 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.
Коефіцієнт підсилення кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −100/100 = −1
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4,7/10 = 1,47
Каскад за каскадом
V1 = −1·0,3 = −0,3 V
Vout = 1,47·(−0,3) = −0,441 V
Відповідь
Vout = −0,441 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 2,102 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 = 68 mH / 33 Ω = 2,061 ms
i(∞) = Vs/R = 9/33 = 0,2727 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,2727·(1 − e−5/2,061) = 0,2486 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·68·0,2486² = 2,102 mJ
Відповідь
W = 2,102 mJ
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: i = 0,6354 A
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
До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.
i(0) = 15/(22 + 5) = 0,5556 A
i(∞) = 15/22 = 0,6818 A
τ = L/R = 22/22 = 1 ms
i(t) = 0,6818 + (0,5556 − 0,6818)·e−t/τ
Струм у заданий момент
i(1) = 0,6818 + (−0,1263)·e−1/1 = 0,6354 A
Відповідь
i = 0,6354 A
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 6,563 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 3·18/(3+18) = 2,571 Ω
Req = R1 + 2,571 = 2 + 2,571 = 4,571 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 30/4,571 = 6,563 A
Відповідь
IR1 = 6,563 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,003 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 + 6 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 1,667 Ω
R3 + 1,667 = 9,667 Ω
R2 ∥ 9,667 = 6,971 Ω
Req = R1 + 6,971 = 3 + 6,971 = 9,971 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 10/9,971 = 1,003 A
Відповідь
IR1 = 1,003 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 1,12 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/(150·10⁻⁶·200·10³) = 1,12 A
Відповідь
ΔIL = 1,12 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 1,6 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 = 54/(36 + 54) = 0,6
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,6)²·2/(2100·10³) = 1,6 µH
Відповідь
Lcrit = 1,6 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Vab = 314 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.
Напруги вузлів
Va = 9·540,5/1011 = 4,814 V
Vb = 4,5 V
Виведення
Vab = 314 mV
Відповідь
Vab = 314 mV
Лінійна оцінка Vs·ΔR/(4R) = 337,5 mV завищена на 7,5 %: чвертьміст не зовсім лінійний.
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: ε = 250 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 = 0,175/350 = 0,0005
Деформація
ε = 0,0005/2 = 0,00025 = 250 µε
Відповідь
ε = 250 µε
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: AB = 11, CD = 01
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.
Сусіди кожної 1
1 із сусідньою 1 може приєднатися до групи з двох або більше.
m13: m12, m15, m9, m5 → 0
Ізольована 1
m13 = ABC′D → AB = 11, CD = 01
Відповідь
AB = 11, CD = 01
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 2
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
T-тригер перемикається за кожним переднім фронтом при T = 1 і зберігає стан при T = 0.