Задачі і вправи.

1. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою рис. 3.15.

а) U_ВХ =(0 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 1)кГц, R_ВХ =10кОм;

б) T₁ =T₂ =10^-4 c, U_ВХ =(0 - 1)В, R_ВХ =20кОм;

в) f_ВИХ =(500– 5000)Гц, С =1нФ, U₀ =+5B;

г) U_ВХ =(0 - 1)В, С =5нФ, R_ВХ =5кОм, U₀ =+5B.

2. Удосконалити схему ПНЧ з імпульсним зворотнім зв’язком та розрахувати його елементи і параметри.

а) забезпечити ручну підстройку частоти вихідного сигналу в межах 5%:

U_ВХ =(0 - 10)В, R_ВХ =10кОм, R₂ =5кОм, U₀ =+5B, T₀ =10^-4 c;

б) забезпечити зміну щілинності імпульсів Q₁=4, Q₂=2: U_ВХ=(0 - 10)В,

f_ВИХ=(0 – 10)кГц, R_ВХ=10кОм;

в) удосконалити схему з можливістю зміни частотних діапазонів вихідного сигналу: U_ВХ=(1 - 10)В, f_ВИХ1=(0, 1 – 1)кГц, f_ВИХ2=(1 – 10)кГц, f_ВИХ3=(10 – 100)кГц, R_ВХ=10кОм,

T₀=10^-4 c;

г) забезпечити можливість перетворення низької напруги: U_ВХ =(0, 01 – 0, 1)В,

f_ВИХ =(1 – 10)кГц, R_ВХ =10кОм.

3. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою рис. 3.15.

а) U₀ =5B, U_ВХ =1В, С=2нФ, R_ВХ =15кОм, U_др=0, 5В. Знайти f_ВИХ та щілинність вихідних імпульсів;

б) T₁ =2•10^-4 с, T2 =6•10^-4 c, U_ВХ =1В, С =2нФ, R_ВХ =15кОм, U₀ =5B;

в) R_ВХ =25кОм, U_ВХ =(0 - 1)В, С =2нФ, U₀ =5B;

г) U_ВХ =(0 - 1)В,) f_ВИХ =(0, 1– 1)кГц, R_ВХ =25кОм.

4. Як зміняться параметри вихідного сигналу ПНЧ (рис. 3.15), якщо:

а) подати на ОП напругу зміщення U_зм=0, 1В:

при U_ВХ =(0 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 5)КГц, R_ВХ=10кОм, С =1нФ, U₀ =5B;

б) підвищити U₀ з 2 до 3 В: U_ВХ =(0 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 2, 5)кГц, R_ВХ=5кОм, С =4нФ;

в) паралельно R=2кОм увімкнути резистор R₁=1кОм, С =2нФ,

U_ВХ =(0 - 1)В, U₀ =5B;

г) подати на ОП напругу зміщення U_зм=-0, 2В: при U_ВХ =(0, 5- 1)В, R_ВХ=5кОм, С =4нФ, U₀ =5B.

5. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою на рис. 3.13:

а) U_ВХ =(0, 1 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 10)КГц, R_ВХ =10кОм;

б) U_ВХ =(0, 1 - 1)В, R_ВХ =10кОм, U₀ =5B, С =5нФ;

в) f_ВИХ =(0 – 10)кГц, R_ВХ =10кОм, U₀ =5B, С =1нФ;

г) R_ВХ =1200Ом, С =3нФ, U₀ =15B.

6. Розрахувати схему мультивібратора на транзисторах

а) E_ж=10В, R_к=20кОм, f_МВ=500Гц;

б) E_ж=15В, R_б=20кОм, f_МВ=1кГц;

в) E_ж=6, 3В, I_к=2мА, f_МВ=100Гц;

г) R_б=20кОм, I_к=4мА E_ж=10В.

7. Як змінятся параметри вихідного сигналу ПНЧ з розрядом конденсатора, якщо:

а) паралельно R=10кОм увімкнути резистор R₁ =10кОм: U_ВХ =(0, 1 - 1)В, С =1нФ,

U₀ =5B;

б) послідовно R=10кОм увімкнути резистор R₁ =2кОм: U_ВХ =(0, 1 – 0, 7)В, С =4нФ,

U₀ =12B

в) збільшити U₀ на 10% і одночасно зменшити R у два рази:

U_ВХ =(0, 1 – 1)В, С =4нФ, U₀ =15B, R=10кОм;

г) послідовно з R=15кОм увімкнути резистор R₁ =1кОм, а паралельно – R₂=5кОм:

U_ВХ =(0, 1 – 1)В, С =6нФ, U₀ =5B.

8. Удосконалити схему ПНЧ рис. 3.15. та розрахувати його елементи і параметри:

а) забезпечити можливість перетворення низької напруги:

U_ВХ =(0, 01 – 0, 1)В, R_ВХ =1кОм, С =2нФ, U₀ =5B;

б) з можливістю ручної підстройки вихідної частоти в межах 3%:

U_ВХ =(1 – 10)В, R_ВХ =1кОм, С =2нФ, U₀ =5B;

в) з можливістю підстройки U₀ у межах (5-7)В:

U_ВХ =(0 – 1)В, R_ВХ =1кОм, f_ВИХ =(0 – 25)кГц;

г) з можливістю подачі на вхід удосконаленої схеми напруги однієї полярності:

U_ВХ =(0 – 1)В, R_ВХ =10кОм, f_ВИХ =(0 – 5)кГц.

9. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою рис. 3.17:

а) U_ВХ =(0 - 10)В, f_ВИХ =(0 – 10)кГц, R_ВХ =10кОм;

б) U_ВХ =(0 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 1)кГц, R_ВХ =40кОм;

в) f_ВИХ =(0 – 1)кГц, R₁=10кОм, R₂=5кОм, T₀ =10^-4 c, U₀ =8B;

г) U_ВХ =(0 - 1)В, R₁=10кОм, R₂=5кОм, T₀ =10^-4 c, U₀ =10B.

10. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ з розрядом конденсатора:

а) T=2•10^-4 с, U_ВХ =(0, 1 - 1)В;

б) U_ВХ =(0, 1 - 1)В, С =1нФ, U₀ =5B, R_ВХ =12кОм;

в) U_ВХ=(0, 3 – 0, 6)В, С=5нФ, U₀=13B, R_ВХ=22, 3кОм;

г) f_ВИХ=(0 – 1)кГц, С=3нФ, U₀=3B, R_ВХ=3кОм.

11. Як змінятся параметри вихідного сигналу ПНЧ, зображеного на

рис. 3.17, якщо:

а) послідовно з R₁=15кОм і послідовно з R₂=5кОм увімкнути резистори R=0, 3кОм: U_ВХ=(0 – 1)В, f_ВИХ=(0 – 1)кГц;

б) збільшити U₀ на 1В:

U_ВХ=(0 - 1)В, R₁=15кОм, R₂=5кОм, T₀=10^-3 c;

в) T₀=10^-3 c збільшити в 2 рази:

U_ВХ=(0, 3 – 1, 3)В, R₁=25кОм, R₂=15кОм

г)) подати на ОП напругу зміщення U_зм=0, 1В:

U_ВХ=(0 - 10)В,) f_ВИХ=(0 – 10)кГц, R_ВХ=22, 3кОм.

12. Удосконалити схему ПНЧ зі зміною напрямку інтегрування та розрахувати його елементи і параметри:

а) з можливістю ручної підстройки щілинності імпульсів:

U_ВХ=(0, 1 – 1)В, R_ВХ=1кОм, С=2нФ, U₀=5B;

б) з послабленням вхідної напруги і подальшим її перетворенням в частоту:

U_ВХ=(10 – 100)В, R_ВХ=50кОм, С=1нФ, U₀=15B;

в) з можливістю регулювання R_ВХ в межах (1-30) кОм:

U_ВХ=(0, 1 – 1)В, С=7нФ, U₀=5B;

г) удосконалити схему з можливістю зміни частотних діапазонів вихідного сигналу: U_ВХ=(0, 1 - 1)В, f_ВИХ1=(0, 1 – 1)кГц, f_ВИХ2=(1 – 10)кГц, f_ВИХ3=(10 – 100)кГц, R_ВХ=10кОм, U₀=15B.

13. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ з від’ємним зворотним зв’язком:

а) f_ВИХ=(0 – 1, 5)кГц, R₁=10кОм, R₂=15кОм, T₀=10^-4 c, U₀=17B;

б) U_ВХ=(0 - 1)В, R₁=1кОм, R₂=5кОм, T₀=10^-4 c, U₀=11B;

в) U_ВХ=(0 - 5)В, f_ВИХ=(0 – 5)кГц, R_ВХ=1кОм;

г) U_ВХ=(4 - 10)В, f_ВИХ=(0, 4 – 1)кГц, R_ВХ=40кОм.

14. Удосконалити схему ПНЧ рис. 3.13. та розрахувати його елементи і параметри:

а) удосконалити схему з можливістю зміни частотних діапазонів вихідного сигналу: U_ВХ=(1 - 10)В, f_ВИХ1=(0, 1 – 1)кГц, f_ВИХ2=(1 – 10)кГц, f_ВИХ3=(10 – 100)кГц, R_ВХ=10кОм;

б) з можливістю ручної підстройки вихідної частоти в межах 10%:

U_ВХ=(0, 1 – 1)В, R_ВХ=10кОм, С=2нФ, U₀=5B;

в) забезпечити можливість перетворення низької напруги: U_ВХ=(0, 01 – 0, 1)В,

f_ВИХ=(1 – 10)кГц, R_ВХ=10кОм;

г) з послабленням вхідної напруги і подальшим її перетворенням в частоту:

U_ВХ=(10 – 100)В, R_ВХ=50кОм, С=1нФ, U₀=15B;

15. Розрахувати схему мультивібратора (рис. 3.1):

а) E_ж=10В, R_к=21кОм, f_МВ=1200Гц;

б) E_ж=15В, R_б=20кОм, f_МВ=1400Гц;

в) E_ж=11В, R_к=20кОм, f_МВ=5кГц;

г) R_б=23кОм, I_к=4мА E_ж=15В.

16. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою рис. 3.15.

а) U_ВХ=(0 – 0, 8)В, f_ВИХ=(0 – 0, 8)кГц, R_ВХ=13кОм;

б) T₁=T₂=10^-4 c, U_ВХ=(0, 1 - 1)В, R_ВХ=21кОм;

в) f_ВИХ=(50– 500)Гц, С=33нФ, U₀=+25B;

г) U_ВХ=(0, 3 – 1, 3)В, С=15нФ, R_ВХ=35кОм, U₀=+15B.

17. Удосконалити схему ПНЧ рис. 3.17. та розрахувати його елементи і параметри:

а) f_ВИХ=(0 – 1, 5)кГц, R₁=10кОм, R₂=15кОм, T₀=10^-4 c, U₀=17B. Розробити схему з двома виходами: інвертуючим та неінвертуючим.

б)U_ВХ= - (0 - 5)В, f_ВИХ=(0 – 5)кГц, R_ВХ=1кОм. Удосконалити схему, яка б перетворювала в частоту як позитивну, так і негативну вхідну напругу.

в) U_ВХ=(0 - 5)В, f_ВИХ=(0 – 5)кГц, R_ВХ=1кОм. Розробити схему з коефіцієнтами підсилення вихідного сигналу 2, 4, 8.

г) U_ВХ=(4 - 10)В, f_ВИХ=(0, 4 – 1)кГц, R_ВХ=40кОм. Схема повинна вимикатися при подачі на вхід негативної напруги.

18. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ, зображеного на рис 3.17:

а) f_ВИХ=(0 – 10)кГц, R₁=10кОм, R₂=15кОм, T₀=10^-4 c, U₀=10B;

б) U_ВХ=(0 - 14)В, R₁=1кОм, R₂=5кОм, T₀=10^-4 c, U₀=11B;

в) U_ВХ=(0 - 25)В, f_ВИХ=(0 – 25)кГц, R_ВХ=11, 4кОм;

г) U_ВХ=(1, 4 - 10)В, f_ВИХ=(1, 4 – 10)кГц, R_ВХ=40кОм.

19. Розрахувати схему мультивібратора (рис. 3.1).

а) E_ж=1, 9В, R_к=2кОм, f_МВ=50Гц;

б) E_ж=1, 5В, R_б=2кОм, f_МВ=100Гц;

в) E_ж=6, 3В, I_к=5мА, f_МВ=1кГц;

г) R_б=12кОм, I_к=1мА E_ж=10, 5В.

20. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ з від’ємним зворотним зв’язком:

а) f_ВИХ=(1 – 1, 5)кГц, R₁=10кОм, R₂=15кОм, T₀=10^-4 c, U₀=17B;

б) U_ВХ=(5 - 10)В, R₁=1кОм, R₂=5кОм, T₀=10^-4 c, U₀=11B;

в) U_ВХ=(0 - 5)В, f_ВИХ=(0 – 5)кГц, R_ВХ=1кОм;

г) U_ВХ=(2, 4 - 10)В, f_ВИХ=(2, 4 – 10)кГц, R_ВХ=40кОм.

21. Удосконалити та розрахувати схему мультивібратора (рис. 3.4).

а) з можливістю ручної підстройки частоти вихідного сигналу в

межах 10%: f_МВ=1кГц, U_A=5В, щілинність Q=2;

б) з можливістю нормального режиму роботи та інверсії вихідного сигналу:

f_МВ=100Гц, U_A=15В, щілинність Q=3, τ _ф=0, 2∙ 10^-4;

в) з підсиленням вихідного сигналу у 3 рази:

t_i=2∙ 10^-4 с, U_A=2В, щілинність Q=1, τ _ф=0, 5∙ 10^-4;

г) з можливістю ручної підстройки щілинності імпульсів вихідного сигналу. f_МВ=12кГц, U_A=15В, щілинність Q=2.

22. Удосконалити схему ПНЧ рис. 3.13. та розрахувати його елементи і параметри:

а) удосконалити схему з можливістю зміни частотних діапазонів вихідного сигналу: U_ВХ=(1 - 10)В, f_ВИХ1=(10 – 100)Гц, f_ВИХ2=(1 – 10)кГц, f_ВИХ3=(10 – 100)кГц, R_ВХ=10кОм;

б) з можливістю ручної підстройки вихідної частоти в межах 1%:

U_ВХ=(0, 1 – 1)В, R_ВХ=10кОм, С=2нФ, U₀=5B;

в) забезпечити можливість перемикання з допомогою ключа підсилення вихідноі напруги в 1, 2, 3 рази: U_ВХ=(0, 1 – 1)В, f_ВИХ=(1 – 10)кГц, R_ВХ=10кОм;

г) з ручним перемиканням послабленням вхідної напруги і подальшим її перетворенням в частоту (діапазон частот при різних режимах послаблення змінюватись не повинен): U_ВХ1=(10 – 100)В, U_ВХ2=(50 – 500)В, R_ВХ=50кОм, С=1нФ, U₀=15B.

23. Розрахувати схему мультивібратора (рис. 3.4).

а) f_МВ=10кГц, U_A=5В, щілинність Q=2;

б) f_МВ=100Гц, U_A=15В, щілинність Q=3;

в) t_i=2∙ 10^-4 с, U_A=12В, щілинність Q=1;

г). f_МВ=12кГц, U_A=15В, щілинність Q=2.

24. Розрахувати елементи і параметри ПНЧ за схемою рис. 3.15.

а) U_ВХ =(0 - 1)В, f_ВИХ =(0 – 1)кГц, R_ВХ =1кОм;

б) T₁ =T₂ =10^-4 c, U_ВХ =(0 - 1)В, R_ВХ =20кОм;

в) f_ВИХ =(500– 5000)Гц, С =3нФ, U₀ =+15B;

г) U_ВХ =(0 - 1)В, С =2нФ, R_ВХ =15кОм, U₀ =+15B.

25. Як змінятся параметри вихідного сигналу ПНЧ з розрядом конденсатора, якщо:

а) паралельно R=10кОм увімкнути резистор R₁ =1кОм: U_ВХ =(0, 1 - 1)В,

С =5нФ, U₀ =15B;

б) послідовно R=10кОм увімкнути резистор R₁ =12кОм:

U_ВХ =(0, 1 – 0, 7)В, С =1нФ, U₀ =14B

в) збільшити U₀ на 1% і одночасно зменшити R у два рази:

U_ВХ =(0, 1 – 1)В, С =4нФ, U₀ =15B, R=10кОм;

г) послідовно з R=10кОм увімкнути резистор R₁ =10кОм, а паралельно – R₂=15кОм: U_ВХ =(1 – 10)В, С =1нФ, U₀ =15B.

4. ЕЛЕКТРОННІ СХЕМИ НА КОМУТАЦІЙНИХ КОНДЕНСАТОРАХ

4.1. ВСТУП

Схемотехніка на комутаційних конденсаторах (КК) почала розвиватися у 70х роках ХХ століття і пізніше знайшла широке застосування у надвеликих інтегральних схемах (НВІС), виконаних за МОН-технологією. Вона дозволяє реалізувати у мікросхемах аналогові функції за допомогою таких стандартних елементів як МОН-транзистори та конденсатори невеликої ємності (пікофаради), відмовитись від застосування високоточних резисторів, індуктивностей, конденсаторів великої ємності.

Найпростіший елемент на КК представлено на рис. 4.1. Коли ключ S₁ замкнутий (S₂ розімкнутий) конденсатор С заряджається до напруги U₁. Коли конденсатор С підключається до точки 2 (S₁ розімкнутий, S₂ замкнутий) з сторони 1 на сторону 2 передається заряд DQ, причому DQ = С ·DU = C(U₁– U₂).

Рисунок 4.1. Найпростіший елемент на комутаційних конденсаторах.

Якщо заряд передається з сторони 1 в сторону 2 з частотою f_k, то середній струм, який протікає між точками 1 і 2 буде I = f_k · C(U₁–U₂). Якщо частота комутації f_k значно вища найвищих частот спектра сигналів U₁ та U₂, то елемент з КК (рис. 4.1) можна представити еквівалентним резистором R_екв = (U₁–U₂)/I = 1/f_k·C. Таким чином отримуємо резистор з цифровим керуванням і ним можна замінити традиційні резистори в різних електронних схемах.

Переваги такого методу:

1. Ряд аналогових та аналогово-цифрових мікросхем можна виконати лише на МОН-транзисторах і конденсаторах, тобто досягти їх більшої одноманітності і, відповідно, підвищити надійність і мати більш дешеву технологію їх виготовлення.

2. Резистори, виготовлені на КК, мають більше переваг порівняно з резисторами, виготовленими за звичайною технологією, а саме: у 2-4 рази підвищується точність виготовлення, температурний коефіцієнт опору в 16-80 разів менше, вплив напруги на опір зменшується у 20-80 разів.

3. Легкість перебудови параметрів схем на КК. Наприклад, для зміни частоти зрізу фільтру достатньо змінити частоту комутації f_k.

4. Параметри низки схем можна виконати залежними від відношення ємностей, тоді застосування КК ще більше підвищить точність та стабільність таких схем.

5. Легко отримати на малій площі мікросхеми великі еквівалентні значення опорів. Наприклад при С = 5 пФ і f_k = 1 кГц R_екв = 200 МОм.

До недоліків схеми можна віднести наявність комутаційних завад з частотою f_k і паразитні струми витоку між входом і виходом МОН-ключів.

4.2. ФІЛЬТРИ НИЖНІХ ЧАСТОТ НА КОМУТАЦІЙНИХ КОНДЕНСАТОРАХ.

Великі можливості при побудові пасивних фільтрів дає схемотехніка конденсаторів, що перемикаються. На рис. 4.2 представлений фільтр нижніх частот (ФНЧ) на комутаційних конденсаторах. Цей фільтр побудовано простою заміною резистора R в звичайній схемі ФНЧ на конденсатор C_a з ключами е, о.

Рисунок 4.2. Простий фільтр першого порядку на комутаційних конденсаторах та його RC - аналог

Стала часу такого ФНЧ: τ = C_b/C_a·f_k = a/f_k,

тобто визначається співвідношенням конденсаторів C_а і C_b і частотою комутації f_k.