СПЕЦИАЛИЗИРАНА КОМПЮТЪРНА ЕЛЕКТРОНИКА
(ТЕМИ на СЕМИНАРНИТЕ УПРАЖНЕНИЯ)
/I. Пасивни аналогови преобразуватели с резистивни елементи.
Семинарно упражнение 1 (1-6
март 2004)
1. Елементарни преобразуватели с токов изход
1.1.
Основната електрическа верига, захранвана от идеален
източник на напрежение. Функционална представа за феномена напрежението поражда ток (права причинно-следствена връзка в закона на Ом). Градивни елементи и техните атрибути. Визуализиране на невидимите електрически величини чрез потенциални стълбчета, потенциални диаграми и токови контури.
1.2. Извличане
на елементарни аналогови преобразуватели от основната електрическа верига, захранвана
от идеален източник на напрежение.
1.2.1. Преобразувател напрежение-ток. Приложения:
генериране на ток управляван чрез напрежение (съставен източник на ток по Тевенин);
косвено измерване на напрежение чрез преобразуване в ток (съставен волтметер);
транзисторен ключ (входна верига); токов интерфейс (предавател). Недостатъци
при работа с реален източник на напрежение и реален токов товар. Дискусия: Можем ли да кажем, че източникът на ток представлява "лош" източник на напрежение? Търсене на:
компромисно решение за намаляване на грешките в пасивната схема (метод 1); идеално решение за пълно елиминиране на грешката (идеи за превръщане на пасивната схема в активна); универсален принцип за превръщане на несъвършенните пасивни схеми в почти идеални активни схеми (продължава във всички занятия, посветени на пасивните схеми).
1.2.2. Преобразувател съпротивление-ток. Приложения:
генериране на ток управляван чрез съпротивление (съставен източник на ток);
косвено измерване на съпротивление чрез преобразуване в ток (съставен омметър);
косвено измерване на неелектрични величини чрез резистивни сензори. Недостатъци и идеи за отстраняването
им.
1.2.3. Аналогов делител напрежение/съпротивление.
Приложения: умножаващ цифрово-аналогов преобразувател (матрица R-2R) с опорно
(входно) напрежение и токов изход (на идейно ниво). Недостатъци и идеи за отстраняването
им.
1.3. Извличане на елементарни аналогови преобразуватели от основната
електрическа верига, захранвана от няколко източника на напрежение.
1.3.1. Последователен суматор на напрежения (съгласно II закон
на Кирхоф). Приложения: изваждащо устройство в електронните схеми с последователна
отрицателна обратна връзка (на идейно ниво). Недостатъци и идеи за отстраняването им. Дискусия:
Какъв е проблемът на общата "маса" в схемотехниката?
1.3.2. Схеми с "некоректно" свързани източници на напрежение. Дискусия: Можем ли да свържем един към друг два източника на напрежение? Какво ще стане, ако започнем да изменяме напрежението на единия, другия или на двата едновременно (еднопосочно и противопосочно)? Идеи за бъдещо построяване на "абсурдни" електронни схеми.
Семинарно упражнение 2 (8-13
март 2004)
2. Елементарни преобразуватели с напреженов изход
2.1.
Основната електрическа верига, захранвана от идеален
източник на ток. Функционална представа за феномена токът поражда напрежение (обратна причинно-следствена връзка в закона на Ом). Градивни елементи и техните атрибути.
2.2. Извличане
на елементарни аналогови преобразуватели от основната електрическа верига, захранвана
от идеален източник на ток.
2.2.1. Преобразувател ток-напрежение. Приложения:
генериране на напрежение управлявано чрез ток (съставен източник на напрежение
по Нортън); косвено измерване на ток чрез преобразуване в напрежение (съставен
амперметър, АЦП с токов вход); токов интерфейс (приемник); обратна връзка по ток. Недостатъци при работа
с реален източник на ток и реален напреженов товар. Недостатъци и идеи за отстраняването
им.
2.2.2. Преобразувател съпротивление-напрежение.
Приложения: генериране на напрежение управлявано чрез съпротивление (съставен източник
на напрежение по Нортън); косвено измерване на съпротивление чрез преобразуване
в напрежение (съставен омметър); косвено измерване на неелектрични величини
чрез резистивни сензори. Недостатъци и идеи за отстраняването
им.
2.2.3. Аналогов умножител ток х съпротивление. Приложения:
умножаващ цифрово-аналогов преобразувател (матрица R-2R) с опорен ток и напреженов
изход (на идейно ниво). Недостатъци и идеи за отстраняването им.
2.3. Извличане на елементарни аналогови преобразуватели от основната
електрическа верига, захранвана от няколко източника на ток.
2.3.1. Паралелен суматор на токове (съгласно I закон на Кирхоф).
Приложение в активните схеми с паралелна отрицателна обратна връзка (на идейно
ниво). Недостатъци
и идеи за отстраняването им.
2.3.2. Схеми с "некоректно" свързани източници на ток. Дискусия: Можем ли да свържем един към друг или последователно на товара два източника на ток? Какво ще стане, ако започнем да изменяме тока на единия, другия или на двата едновременно (еднопосочно и противопосочно)? Идеи за бъдещо построяване на "парадоксални" електронни схеми.
Семинарно упражнение 3
(15-20 март 2004)
3. Съставни пасивни преобразуватели с напреженов изход
3.1. Делител на напрежение - сглобяване от по-елементарните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение (съпротивление-напрежение). Приложения: преобразувател напрежение-напрежение; преобразувател съпротивление-напрежение, захранван с входно напрежение (идеи за бъдещо представяне на транзисторните стъпала); преобразувател преместване-напрежение (сензор); умножител отношение на съпротивления х напрежение. Влияние на товара. Недостатъци и идеи за отстраняването им.
3.2. Паралелен суматор на напрежения - сглобяване от по-елементарни градивни блокчета: преобразувател напрежение-ток, преобразувател ток-напрежение и паралелен суматор на токове. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Бъдещи приложения (на идейно ниво): изваждащо устройство в електронните схеми с паралелна отрицателна обратна връзка; превръщане на двуполярен вход/изход в еднополярен и обратно; резистивен цифрово-аналогов преобразувател. Дискусия 1: Какви са предимствата и недостатъците на паралелния суматор на напрежения в сравнение с последователния? Дискусия 2: Какво е това виртуална маса? Само при бъдещите схеми с операционни усилватели ли съществува този феномен?
3.3. Мостови схеми - сглобяване от по-елементарни делители на напрежение. Разглеждане на действието при диференциални и синфазни входни сигнали. Дискусия: Какво е това диференциален и синфазен сигнал? Идеи за бъдещо приложение в мостовите транзисторни стъпала.
3.4. Извличане на елементарни аналогови преобразуватели от основната електрическа верига, захранвана от разнородни източници.
3.4.1. Последователен суматор на ток с напрежение. Приложения: активни схеми с паралелна отрицателна обратна връзка (на идейно ниво). Недостатъци и идеи за отстраняването им. Дискусия: Можем ли да натоварим източник на напрежение с източник на ток или източник на ток с източник на напрежение? Идеи за бъдещо построяване на "парадоксални" електронни схеми.
II. Пасивни аналогови преобразуватели с реактивни елементи.
Семинарно упражнение 4 (22-27
март 2004)
4. Пасивни интегратори и диференциатори
4.1.
Елементарни капацитивни схеми. Функционална представа за съхраняващ потенциална енергия елемент, извлечена от множество житейски ситуации (аналогии).
4.1.1. Капацитивен интегратор с токов вход и напрежителен изход (C интегратор ток-напрежение). Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни капацитивни интегратори. Дискусия: Идеален интегратор ли е тази схема? Недостатъци
при работа с реален източник на ток. Търсене на идеи за отстраняването
им.
4.1.2. Капацитивен диференциатор с напрежителен вход и токов изход (C диференциатор напрежение-ток). Дискусия: Коректна ли е тази схема? Идеален диференциатор ли е тази схема? Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни диференциатори.
4.2. Построяване
на съставни резисторно-капацитивни преобразуватели с напрежителни входове и изходи.
4.2.1. RC интегратор напрежение-напрежение - построяване от по-елементарните преобразувател напрежение-ток и C интегратор ток-напрежение. Приложения: несъвършен генератор на линейно изменящо се напрежение (ГЛИН) - построяване на схемата от външен източник на правоъгълни импулси и RC интегратор; паралелна филтрираща схема. Недостатъци и идеи за отстраняването
им.
4.2.2. CR диференциатор напрежение-напрежение - сглобяване от по-елементарните C диференциатор напрежение-ток и преобразувател ток-напрежение. Приложения: "скъсяваща" импулси схема; "преместваща" потенциални промени схема (идеи за бъдещи приложения в схемите за преднапрежение на транзисторните
стъпала). Недостатъци и идеи за отстраняването им.
4.3. Елементарни индуктивни схеми. Функционална представа за съхраняващ кинетична енергия елемент, извлечена от множество житейски ситуации (аналогии).
4.3.1. Индуктивен интегратор с напрежителен вход и токов изход (L интегратор напрежение-ток). Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни индуктивни интегратори. Дискусия: Идеален интегратор ли е тази схема? Недостатъци при работа с реален източник на напрежение и идеи за отстраняването им.
4.3.2. Индуктивен диференциатор с токов вход и напрежителен изход (L диференциатор ток-напрежение). Дискусия: Коректна ли е тази схема? Идеален диференциатор ли е тази схема? Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни диференциатори.
4.4. Построяване на съставни резисторно-индуктивни преобразуватели с напрежителни входове и изходи.
4.4.1. LR интегратор напрежение-напрежение - построяване от по-елементарните L интегратор напрежение-ток и преобразувател ток-напрежение. Недостатъци и идеи за отстраняването им.
4.4.2. RL диференциатор напрежение-напрежение - сглобяване от по-елементарните преобразувател напрежение-ток и L диференциатор. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета.
Недостатъци и идеи за отстраняването им
B. ЕЛЕКТРОННИ АНАЛОГОВИ СХЕМИ БЕЗ ОБРАТНА ВРЪЗКА
Семинарно упражнение 5 (29 март - 10 април 2004)
5. Диодни схеми
5.1. Диодът в ролята на еднопосочен вентил. Функционална представа за елемент от типа "вентил". Характеристики на идеален вентил. Полупроводниковият диод като вентил. Опростена волт-амперна характеристика 1.
5.1.1. Последователен диоден ограничител. Приложения: изправител; формировател; "развързващ" елемент; защита срещу неправилно включване. Влияние на праговото напрежение VF на диода и идеи за отстраняването му.
5.1.2. Паралелен диоден ограничител. Приложения: формировател; защита срещу неправилно включване; защита от свръхнапрежение. Влияние на VF и идеи за отстраняването му.
5.2. Диодът в ролята на стабилизиращ напрежението нелинеен елемент. Функционална представа за нелинеен елемент от типа RV. Характеристики на идеален RV елемент. Опростена волт-амперна характеристика II.
5.2.1. Схеми с паралелно свързани RV елементи. Приложения: стабилизатор на (опорно) напрежение; защита от свръхнапрежение на входовете на операционните усилватели; схеми с автоматично превключване на тока (светодиодни индикатори; емитерно свързани схеми; диференциален усилвател, TTL схеми и др.). Влияние на температурата (вреден или полезен е този ефект?). Дискусия 1: Как се правеше добър източник на напрежение в електротехниката)? Какви са неговите недостатъци? Как можем да ги преодолеем като използваме електронни елементи? Дискусия 2: Схема с отрицателна обратна връзка ли е това? Можем ли да си представяме, че е и каква е ползата от това?
5.2.2. Схеми с последователно свързани RV елементи. Приложения: "преместване" на потенциални промени в транзисторните схеми (схема за преднапрежение на push-pull мощно усилвателно стъпало).
5.3. Диодът като нелинеен елемент с логаритмична характеристика. Реална волт-амперна характеристика III. Дискусия: Как най-добре се снема тази характеристика?
5.3.1. Логаритмични преобразуватели.
5.3.1.1 Диоден логаритматор с токов вход и напрежителен изход (D логаритматор). Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни логаритматори. Недостатъци при работа с реален източник на ток и идеи за отстраняването им (виж т. 1.2.1 - търсене на ...).
5.3.1.2. RD логаритматор с напрежителни входове и изходи - построяване от по-елементарните преобразувател напрежение-ток и D логаритматор. Приложения: схеми за компресиране на сигнали. Недостатъци и идеи за отстраняването им.
5.3.2. Антилогаритмични преобразуватели.
5.3.2.1 Диоден антилогаритматор с напреженов вход и токов изход (D антилогаритматор). Приложения: градивно блокче за построяване на по-сложни антилогаритматори. Недостатъци при работа с реален източник на напрежение и идеи за отстраняването им.
5.3.2.2. DR антилогаритматор с напрежителни входове и изходи - сглобяване от по-елементарните D антилогаритматор и преобразувател ток-напрежение. Приложения: схеми за "разширяване" на сигнали. Недостатъци и идеи за отстраняването им.
Великден (12 - 17 април 2004)
Семинарно упражнение 6 (19 - 24 април 2004)
6. Транзисторни схеми без обратна връзка
6.1. Функционална представа за операцията "усилване". Дискусия: Възможно ли е да усилваме енергия? Какво всъщност прави един усилвател? Блокови схеми на усилватели: последователна; паралелна (предимства и недостатъци). Функция на съставните елементи. Характеристика на идеален "усилвателен" елемент.
6.2. Биполярният транзистор в ролята на "усилвателен" елемент (усилвателно стъпало със "замасен" емитер). Функционална представа по отношение на: входната верига ( RV нелинеен елемент); изходната верига (електрически управляван RI нелинеен елемент); правата връзка вход-изход (преобразувател ток-ток); обратната връзка изход-вход (еднопосочен елемент ).
6.2.1. Схеми с последователно свързване на транзистора по отношение на товара. Варианти: усилвател със "замасен" транзистор и "плаващ" товар; усилвател с "плаващ" транзистор" и "замасен" товар. Дискусия: Какъв е основният проблем на последователната схема по отношение на общата "маса"? Инвертираща ли е тази схема? Влияе ли товара и как върху действието на схемата?
6.2.2. Схеми с паралелно свързване на транзистора към товара. Решаване на основния проблем с общата маса. Схемни варианти. Сглобяване на схемата чрез по-елементарни градивни блокчета: преобразувател ток-ток и ток-напрежение. Дискусия: Инвертираща ли е тази схема? Как влияе товара върху действието на схемата?
6.2.3 Приложения: транзисторен ключ (построяване от по-елементарните преобразуватели напрежение-ток, ток-ток и ток-напрежение). Дискусия: Цифрово или аналогово устройство е транзисторният ключ? Съществуват ли "цифрови" елементи?
6.3. Полевият транзистор в ролята на "усилвателен" елемент (усилвателно стъпало схема общ сорс). Функционална представа по отношение на: входната верига (-); изходната верига (управляван с напрежение RI нелинеен елемент); правата връзка вход-изход (преобразувател напрежение-ток); обратната връзка изход-вход (еднопосочен елемент).
6.3.1. Схеми с последователно свързване на транзистора по отношение на товара - като т. 6.2.1.
6.3.2. Схеми с паралелно свързване на транзистора към товара - като т. 6.2.2.
6.3.3 Приложения: транзисторен ключ с полеви транзистор (построяване от по-елементарните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение).
6.4. Схеми за осигуряване на преднапрежение. Функционална представа за идеята "пред-величина" (необходимост). Представяне чрез операциите сумиране и мащабиране.
6.4.1. Динамично преднапрежение - "преместване" на потенциални промени чрез разделителни кондензатори. Приложение: променливотоков усилвател (входна и изходна верига). Визуализиране на действието с потенциални стълбчета.
6.4.2. Статично преднапрежение. Приложения: диодни "отместващи" вериги в мощните транзисторни усилватели; резистивни "отместващи" вериги в схемите с операционни усилватели, АЦП и ЦАП. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета.
6.5. Транзисторът като стабилизиращ тока нелинеен елемент.
6.5.1. Функционална представа за нелинеен елемент от типа RI. Характеристики на идеален RI елемент. Изходната част на транзистора, представена като стабилизиращ тока двуполюсник. Опростена волт-амперна характеристика.
6.5.2. Източник на неизменен ток. Дискусия 1: Как се прави източник на ток (възможни начини)? Как се правеше много добър и дори идеален източник на ток в електротехниката (метод 1)? Какви са неговите недостатъци? Как можем да ги преодолеем като използваме електронни елементи? Поддържане на постоянен ток чрез регулиране на текущото вътрешно съпротивление на източника (метод 2) с цел поддържане на неизменно общо съпротивление на веригата. Дискусия 2: Схема с отрицателна обратна връзка ли е това? Можем ли да си представяме, че е и каква е ползата от това?
6.5.3. Транзисторен източник/приемник на ток. Приложения в аналоговата схемотехника: построяване на транзисторен усилвател чрез управляван източник на ток и преобразувател ток-напрежение; динамичен товар в диференциалните усилватели; генератор на линейно изменящо се напрежение - построяване на схемата от транзисторен източник на ток и C интегратор. Дискусия: Схема обща база или общ колектор е транзисторният източник на ток - разбулване на тайната около едно формално обяснение?
C. ЕЛЕКТРОННИ АНАЛОГОВИ СХЕМИ С НЕСЪВЪРШЕННА ОТРИЦАТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА
Семинарно упражнение 7 (26 април - 1 май 2004)
7. Транзисторни схеми с обратна връзка
7.1. Система повторител с отрицателна обратна връзка (активен повторител). Принцип на отрицателната обратна връзка (ООВ): извличане на идеята от множество житейски ситуации; обобщаване в блокова схема. Поведение (алгоритъм на действие), представен чрез операциите сравнение и регулиране. Съставни елементи: сравняващо устройство и регулиращ елемент.
7.1.1. Емитерен (сорсов) повторител без товар. Построяване на схемата върху основата на блоковата схема. Дискусия: Кое играе ролята на сравняващо устройство в схемата на емитерния повторител?
7.2. Система повторител с отрицателна обратна връзка в условията на смущения. Дискусия: Как реагират в живота активните повторители на вредни въздействия? Какви са предимствата на активните повторители спрямо пасивните? Какво трябва да притежават те за да компенсирт достатъчно големи смущения?
7.2.1. Емитерен повторител под товар. Приложение: транзисторен стабилизатор на напрежение - сглобяване от RD стабилизатор и емитерен повторител. Дискусия: Как транзисторът се е превърнал от източник на ток в източник на напрежение? Изследване при промяна на товара и захранващото напрежение, сравнено с усилвателното стъпало схема общ емитер.
7.3. Система усилвател с отрицателна обратна връзка. Дискусия: Има ли полезни смущения? Можем ли да използваме реакцията на един активен повторител на смущения като изходен сигнал? Превръщане на активен повторител в усилвател чрез умишлено въвеждане на смущение.
7.3.1. Усилвателно стъпало схема общ емитер. Превръщане на емитерния повторител в усилвател чрез въвеждане на "смущаващ" резистор. Дискусия: Може ли схемата да работи и при какви условия като повторител и дори затихвател ?
7.3.1.1. Транзисторен източник на ток. Превръщане на емитерния повторител в източник/приемник на ток. Изследване при промяна на товара и захранващото напрежение.
7.3.2. Усилвателно стъпало схема обща база. Дискусия: Как реагират в живота активните повторители когато се опитаме да променим изходната им величина? "Изобретяване" на схемата чрез смущаване на емитерен повторител в изхода. Дискусия: Каква функция изпълнява колекторният резистор RC? В какви граници може да се изменя изходното напрежение на схемата? Защо схемата е неинвертираща?
7.4. Диференциална система усилвател. Дискусия: Как си взаимодействат (подпомагат или пречат) в живота активните повторители? Примери (популярни игри): "теглене на въже" и "американска борба". Как можем да използваме феномена на конфликта в електронните схеми? Как можем да предизвикаме конфликт на потенциали?
7.4.1. Транзисторен диференциален усилвател.
7.4.1.1.Построяване на схемата.
СЦЕНАРИЙ 1: Сглобяваме схемата от компаратор на напрежения с токов изход (транзистор, управляван едновременно откъм базата и емитера) + преобразувател ток-напрежение + буфериращ емитерен повторител.
СЦЕНАРИЙ 2: Сглобяваме схемата от два емитерни повторителя с общ изход.
Дискусия: За какво е необходим емитерния резистор RE? Можем ли да направим схема без RE (например като използваме транзистори с различна проводимост)?
7.4.1.2. Изследване на схемата (визуализиране на действието с потенциални стълбчета) при:
• единичен входен сигнал. Представяне като последователно свързани емитерен повторител и схема обща база. Връзка с дисциплината цифрова схемотехника: Какво е това емитерно-свързана схема?
• диференциални входни сигнали. Представяне като "противопосочно" свързани емитерни повторители. Дискусия: Можем ли да наречем общата точка на емитерите виртуална маса? Играе ли някаква роля общия емитерен резистор RE в този случай? Можем ли да го махнем?
• синфазни входни сигнали. Представяне като "еднопосочно" свързани емитерни повторители. Дискусия: Каква е ролята на общия емитерен резистор RE в този случай? Можем ли да вземем изходен сигнал само от единия колектор?
7.4.1.3. Усъвършенстване на схемата чрез включване на източник на ток в емитерите. Разкриване на най-общата идея на феномена "подпомагане" в електронните схеми. Дискусия: Как се държи един емитерен повторител (източник на напрежение), натоварен с източник на ток? Източник на ток ли е в действителност елементът, включен в емитерите? Кога влиза в действие той - при синфазен или при диференциален сигнал?
7.4.1.4. Усъвършенстване на схемата чрез включване на източник на ток в колектора. Разкриване на най-общата идея на феномена конфликт на токове в електронните схеми. Построяване на усилвателно стъпало с: динамичен товар; управляван динамичен товар. Дискусия: Как се държи един транзисторен източник на ток натоварен с друг източник на ток?
7.4.2. Операционен усилвател. Построяване на схемата чрез усъвършенстване на диференциалния усилвател с допълнителни градивни блокчета. Функционална представа за операционния усилвател като управляван с напрежение източник на напрежение.
Дискусия: Каква е ролята на двуполярното захранване в схемите с операционни усилватели? Приложения: операционният усилвател в ролята на компаратор.
D. ПРЕЦИЗНИ АНАЛОГОВИ СХЕМИ С ОТРИЦАТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА
Семинарно упражнение 8 (10 - 15 май 2004)
8. Усилватели с отрицателна обратна връзка, реализирани с операционни усилватели
8.1. Повторители, реализирани с операционен усилвател. Дискусия: Какъв смисъл има да превръщаме един много добър усилвател (К > 100000) в ... повторител (К = 1)?
8.1.1. Повторител с последователна ООВ. Построяване на схемата върху основата на общата блокова схема. Дискусия: Кое играе ролята на изваждащо (сравняващо) устройство в тази схема? Защо схемата е инвертираща? Какъв трябва да е операционният усилвател в тази схема (по отношение на входовете)? В какви граници можем да изменяме входното напрежение?
8.1.2. Повторител (инвертор) с паралелна ООВ. Построяване на схемата върху основата на общата блокова схема: сглобяване от паралелен суматор на напрежения и операционен усилвател. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Дискусия: Кое играе ролята на изваждащо (сравняващо) устройство в тази схема? Защо схемата е инвертираща? Какъв може да бъде операционният усилвател в тази схема (по отношение на входовете)? В какви граници можем да изменяме входното напрежение? Можем ли да свържем към "маса" виртуалната маса, щом като все пак тя е "маса"?
8.2. Компенсиране на смущения от повторителите с отрицателна обратна връзка. Дискусия: Къде трябва да бъде свързан "смущаващия" елемент за да се компенсира вредното му влияние? Кога виртуалната маса престава да бъде маса?
8.2.1. Мултипликативни (пропорционални смущения) предизвикани от изходното съпротивление на операционния усилвател, съпротивлението на проводника и съпротивлението на товара. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Приложения: елиминиране на изходното съпротивление на ОУ; "скриване" съпротивлението на токоограничаващи резистори; предаване на напрежение без загуби по дълга съединителна линия.
8.2.2. Адитивни смущения предизвикани от включването на "отместващи" напрежението диодни и транзисторни елементи. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Приложения: елиминиране на праговото напрежение VF на диод в схемата на последователния диоден ограничител (идеален диод); елиминиране на праговото напрежение VBE0 на биполярен транзистор в схемата на емитерен повторител, включен във веригата на ООВ на ОУ.
8.3. Усилватели, реализирани с операционен усилвател. Принцип предизвикване на усилване чрез ... затихване. Дискусия: Къде трябва да бъде свързан "умишлено смущаващия" елемент за да предизвика усилване?
8.3.1. Неинвертиращ усилвател. Превръщане на повторителя в усилвател чрез умишлено въвеждане на "смущаващ" делител на напрежение. Визуализиране на действието с потенциални стълбчета. Изграждане на схема с Т-образен мост във веригата на ООВ чрез двукратно "смущаване" на повторител.
8.3.2. Инвертиращ усилвател. Превръщане на инвертора в усилвател чрез умишлено "затрудняване" на операционния усилвател. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Дискусия: Има ли връзка между инвертиращия усилвател и транзисторната схема обща база?
8.3.3. Диференциален усилвател. Сглобяване на схемата от инвертиращ и неинвертиращ усилвател. Изследване на схемата при единичен, диференциален и синфазен сигнал. Дискусия: Какъв смисъл има да превръщаме един доста добър транзисторен диференциален усилвател в почти идеален операционен усилвател и след това ... отново в "лош" диференциален усилвател с коефициент на усилване 1?
8.3.4. Инструментален диференциален усилвател. Сглобяване на схемата от два взаимодействащи си неинвертиращи усилвателя (съпало 1) и диференциален усилвател (стъпало 2). Изследване на схемата при единичен, диференциален и синфазен сигнал. Дискусия: Можем ли да вземем несиметричен изходен сигнал от първото стъпало? Защо е необходимо второто стъпало? По какво си приличат и по какво се различават инструменталният и транзисторният диференциален усилвател?
8.4. Смущението като входен сигнал в схемите с отрицателна обратна връзка. Дискусия: Как реагират активните повторители на променливи смущения? Можем ли да използваме този феномен за намиране на допълнителни входове към електронните схеми? Приложение: "странни схеми без вход" с резистивни сензори (фото, термо, за налягане, преместване и др.), включени във веригата на ООВ. Формулиране на общо правило за затваряне на веригата на ООВ спрямо смущаващите въздействия.
8.5. Модифициране на параметрите на електрическите вериги с помощта на ООВ.
8.5.1. Изкуствено увеличаване на съпротивление и намаляване на капацитет чрез последователна ООВ. Извличане на идеята "bootstrapping" от множество примери. Приложения: генератор на линейно изменящо се напрежение - построяване на схемата от външен източник на правоъгълни импулси, пасивен RC интегратор, емитерен повторител и "отместващ" напрежението елемент. Дискусия: Схема с отрицателна обратна връзка ли е това?
8.5.2. Изкуствено намаляване на съпротивление и увеличаване на капацитет чрез паралелна ООВ.
Семинарно упражнение 9 (17 - 22 май 2004)
9. Активни преобразуватели с паралелна отрицателна обратна връзка
9.1. Универсален принцип за преобразуване на пасивните схеми в активни. Извличане на идеята "компенсиране на смущение чрез антисмущение" от множество житейски ситуации. Конкретизиране в принцип "компенсиране на напрежение чрез антинапрежение" (паралелна отрицателна обратна връзка).
9.1.1. Преобразуване на пасивните схеми с резистивни елементи в активни схеми с операционни усилватели.
9.1.1.1. Преобразуватели с токов изход: напрежение-ток; съпротивление-ток и делител напрежение/съпротивление); източник на ток. "Изобретяване" на метод 3 за поддържане на постоянен ток чрез допълване на входното напрежение (компенсиране на загубите върху товара). Бъдещо приложение в генераторите на линейно изменящо се напрежение (ГЛИН).
9.1.1.2. Преобразуватели с напреженов изход: ток-напрежение; съпротивление-напрежение; умножител ток х съпротивление.
9.1.1.3. Съставни преобразуватели с напреженови входове и изход: инвертиращ делител на напрежение (инвертиращ усилвател); инвертиращ суматор на напрежения.
9.1.2. Преобразуване на пасивните схеми с реактивни елементи в активни схеми с операционни усилватели.
9.1.2.1. Капацитивни схеми: интегратори; диференциатори. Приложение 1: Генериране на линейно изменящо се трионообразно напрежение (ГЛИН). Построяване на схемата от външен източник на правоъгълни импулси и активен RC интегратор.
9.1.2.2. Индуктивни схеми: интегратори; диференциатори.
9.1.3. Преобразуване на несъвършенните диодни схеми в активни схеми с операционни усилватели: паралелен диоден ограничител (идеален диод), логаритмичен и антилогаритмичен преобразувател.
E. АНАЛОГОВИ СХЕМИ С ПОЛОЖИТЕЛНА ОБРАТНА ВРЪЗКА
Семинарно упражнение 10 (24 - 29 май 2004)
10. Схеми с положителна обратна връзка, реализирани с операционни усилватели
10.1. Системи с положителна обратна връзка (ПОВ). Извличане на идеята положителна обратна връзка от множество житейски ситуации; обобщаване в блокова схема. Дискусия: По какво си приличат и по какво се различават системите с отрицателна и положителна обратна връзка? Как можем да превърнем една система с отрицателна обратна връзка в система с положителна обратна връзка и обратно?
10.2. Компаратори с хистерезис. Разглеждане на множество примери на феномена хистерезис (механически, топлинен, електрически и др.). Обобщаване. Дискусия: Полезен или вреден е хистерезисът в електронните схеми и въобще? Как се прави хистерезис? Можем ли да накараме компараторът с хистерезис да помни, т.е. да го превърнем в RS тригер?
10.2.1. Инвертиращ компаратор с хистерезис. Предизвикване на хистерезис в инвертиращ компаратор без хистерезис. Превръщане на неинвертиращ усилвател в инвертиращ компаратор. Визуализиране на действието с потенциална диаграма.
10.2.2. Неинвертиращ компаратор с хистерезис. Предизвикване на хистерезис в неинвертиращ компаратор без хистерезис. Превръщане на инвертиращ усилвател в неинвертиращ компаратор. Визуализиране на действието с потенциална диаграма. Дискусия: Защо схемата не винаги работи?
10.3. Генератори на импулси.
10.3.1. Автогенериращи схеми на триъгълни и правоъгълни импулси. Извличане на идеята от множество примери. Обобщаване в блокова схема с основни елементи интегратор и компаратор.
10.3.1.1. Генератор на правоъгълни импулси. Сглобяване на схемата от RC интегратор и компаратор с хистерезис. Връзка с дисциплината цифрова схемотехника - компаратор с хистерезис ли е таймерът 555? Дискусия: Проблем ли е нелинейната форма на напрежението в тази схема?
10.3.2.1. Генератор на триъгълни и правоъгълни импулси. Сглобяване на схемата от активен RC интегратор и компаратор с хистерезис. Връзка с дисциплината цифрова схемотехника - сглобяване на схемата с RC интегратор и таймер 555.
F. АНАЛОГОВО-ЦИФРОВИ СХЕМИ
Семинарно упражнение 11 (в интернет)
11. Аналогово-цифрови устройства и системи за събиране и обработване на информация
11.1. Цифрово-аналогови преобразуватели (ЦАП). Извличане на операцията цифрово-аналогово преобразуване от множество примери. Обобщаване като сумиране на еталонни величини (материализиране на абстрактен цифров код). Блокова схема на ЦАП.
11.1.1. Построяване на ЦАП: от еталонни източници на напрежение и паралелен суматор на напрежения с двоично кодирани тегловни коефициенти; от еталонни източници на ток, токов суматор и активен преобразувател ток-напрежение (ЦАП с матрица R-2R). Изследване на схемата при неизменно опорно напрежение VREF и променлив цифров код. Предавателни характеристика на схемата при различни стойности на VREF. Дискусия: Каква е функцията на опорното напрежение? Върху какво влияе неговата стойност?
11.1.2. ЦАП в ролята на цифрово-управляван резистор и делител на напрежение (програмируем усилвател). Изследване на схемата при променливо входно напрежение VIN и постоянен цифров код. Предавателна характеристика на схемата. Дискусия: Каква е функцията на цифровия код? Върху какво влияе неговата стойност?
11.1.3. ЦАП в ролята на цифрово-аналогов умножител (2- и 4-квадрантен). Изследване на схемата при променливи входно напрежение VIN и цифров код. Предавателна характеристика на схемата.
11.2. Аналогово-цифрови преобразуватели. Операцията аналогово-цифрово преобразуване, представена чрез принципа на отрицателната обратна връзка. Обобщаване като намиране на дискретен еквивалент на аналогова величина. Блокова схема на АЦП.
11.2.1. Построяване на АЦП от ЦАП и компаратор. Изследване на схемата при неизменно опорно напрежение VREF и променливо входно напрежение VIN. Предавателни характеристика на схемата при различни стойности на VREF. Дискусия: Каква е функцията на опорното напрежение? Върху какво влияе неговата стойност?
11.2.2. АЦП в ролята на аналогово-цифров измервател на отношение между две напрежения (делител).
11.3. Други градивни елементи на аналогово-цифровите подсистеми.
11.3.1. Схеми следене-запомняне. Кондензаторът като аналогова памет. Дискусия: Какво е основното противоречие на схемата?
11.3.2.
Аналогови мултиплексори.
11.4. Подсистеми за събиране, обработване и извеждане на аналогова информация към специализираните компютърни системи.
11.4.1. Структура на системите.
11.4.2. Особености в действието. Двойно буфериране на многобайтовите кодове в ЦАП и АЦП.