Семинарно упражнение 3 (15-20 март 2004)

Съставни пасивни преобразуватели с напреженов изход

- новости - история - експериментът - варираме - комбинираме - хроника -

НОВОСТИ. Колеги, как мислите, защо да не натрупваме схемните градивни блокчета, които "изобретяваме" на семинарните занятия в класната стая в една колекция от базови схеми? Например, да разположим в горната част на черната дъска необходимите ни за текущото занятие блокчета (това всъщност са по-елементарни базови схеми, "изобретени" вече на предишните занятия). И понеже "лошите" пасивни схеми, с които се занимаваме в момента, имат "добри" активни двойници (както например отровните и ядливи гъби:) нека да разделим останалата част от черната дъска на две половини - в лявата да построяваме несъвършенните пасивни схеми, а в дясната част да се опитваме да отгатваме кои са съответните им перфектни активни схеми с операционни усилватели. И тъй като последните също имат двойници (с последователна и с паралелна обратна връзка) нека разделим дясната част отново на две половинки.

Ето как ще изглежда черната дъска на днешното ни занятие ...

И понеже дублираме семинарните занятия от класната стая в интернет, нека и тук да разкрием колекция от базови схеми в която да натрупваме схемните градивни блокчета, които сме "изобретили" на семинарните занятия. Ето например, до края на днешното занятие ще извлечем още 8 елементарни блокчета, с което колекцията ни ще набъбне общо на 28 блокчета:

ИСТОРИЯ. Преди повече от век и половина, Ом осъществил знаменития си експеримент - опънал парче меден проводник с дължина L и съпротивление R и приложил потенциална разлика в двата му края. Но се появил проблем - малкото съпротивление на проводника, който "яко" товарел източника. Ето защо, елементът на Лекланше (обичайният за тогава, а може би и днес, източник на напрежение) не му вършел работа. Така Ом се принудил да направи много добър източник на напрежение като използва току-що открития термоелектрически ефект: заварил в краищата на медния проводник бисмутов прът и потопил единия край в съд с топящ се лед, а другия - в съд с вряща вода.

След това, с помощта на електроскоп (?), магнитна стрелка (?) и може би с много въображение, знаменитият Ом изследвал разпределението на потенциалите по дължината на електрическия проводник. Ако повторим този прочут експеримент с по-съвременни уреди и с не по-малко въображение, ще “изобретим” нови ценни аналогови устройства, с които ще обогатим колекцията си от базови схеми.

ЕКСПЕРИМЕНТЪТ. Вместо меден нискоомен проводник, ние ще се изхитрим да използваме някакъв елемент (например проводима пореста гума, отворен потенциометър и т.н.) с голямо и равномерно разпределено по дължината му съпротивление. Тогава няма да имаме нужда от огромен, "як" захранващ източник (каквито има например в лабораториите по токозахранващи устройства и силова електроника), а от един най-обикновен маломощен източник на напрежение. Ако нямаме и такъв, тогава можем да използваме един ... компютър като захранващ източник (?!?). Накрая остава да намерим някакъв волтметър (стрелкови, цифров) или ... да вземем пак същия компютър (е, като му добавим един аналогово-цифров преобразувател).

ВАРИРАНЕ. Естествено, най-добре е да осъществим експеримента на Ом точно в такъв един реален вид, така както го правихме всяка година (от 1987 до 2000) в лабораторията по аналогова схемотехника с вашите бивши колеги. Но тъй като в момента изпитваме затруднение с лабораторията можем да го направим виртуално (по ваше желание, в хидравлически или електрически вид :). Добре, да започваме.

КОМБИНИРАМЕ. Същите устройства можем да получим и по друг, също така добре познат ни начин - като ги построим от по-прости, елементарни градивни блокчета, които ще вземем от колекцията. Да опитаме ...

Преобразувател напрежение-напрежение. Като включим последователно елементарните преобразуватели напрежение-ток и ток-напрежение ще получим един съставен преобразувател напрежение-напрежение. Или казано по-просто, това е един делител на напрежение (нека начертаем това построяване в лявата част на черната дъска). Какви приложения на тази схема можете да намерите? Срещале ли сте я някъде вече и къде? Аз например твърдя, че делителят на напрежение присъства във всяка една електрическа и електронна схема!?! А вие как мислите? Помощ: Спомнете си какво е това изходно (вътрешно) съпротивление на източник и входно съпротивление на товар.Колко е коефициентът на предаване на тази схема - R2/R1 или R2/(R1+R2) и защо? Можем ли да направим така, че да бъде приблизително или точно R2/R1?

Доста по-късно, в упражнение 8 ще модернизираме този пасивен преобразувател с помощта на един операционен усилвател и една идея (?) за да получим активния му "двойник" - неинвертиращия усилвател. Нека да скицираме това в горната дясна част на дъската, отредена за схемите с последователна отрицателна обратна връзка. Разгледайте двете схеме (пасивна и активна) като сравните коефициентите им на предаване. Сега можете ли да ми отговорите на следните въпроси:
Можем ли да представим неинвертиращия усилвател като обърнат делител на напрежение? Как мислите, защо тази активна схема е неинвертираща? Кое го принуждава да инвертира, а не да повтаря? Е, достатъчно неудобни въпроси, да продължим по-нататък ...

Преобразувател съпротивлениеR2-напрежение. Продължаваме да експериментираме: включваме последователно елементарните преобразуватели напрежение-ток и съпротивлениеR2-напрежение (т.е. започваме да варираме със съпротивлението R2 като входна величина) и получаваме един съставен преобразувател съпротивлениеR2-напрежение. Ето как можем да изградим например един регулируем източник на напрежение ... Само че добър източник на напрежение ли е той (сравнен със захранващия източник на напрежение)? И още "неудобни" въпросчета:
Каква е зависимостта между изходната и входна величина на преобразувателя R2-напрежение - права или обратна? Срещали ли сте някъде подобна схема? Нека ви подсетя малко: спомнете си (може би с малко носталгия :)) за лабораторните упражнения по цифрова схемотехника, които правихте тази есен в лаб. 1413. Ако се затруднявате много, можете да посетите страницата на колегите ви 2-ри курс от ФКТТ, с които миналата седмица правихме това същото упражнение, посветено на MOS логическите схеми, в лаб. 1413. Е, ако и сега не се сещате, вижте фиг.1 на листа със схемите от заданието или един доста "сух" протокол от страницата на бившата група 56 (все пак, препоръчвам на автора му да го поосвежи:)) .
И така, има ли връзка между един преобразувател съпротивлениеR2-напрежение и един NMOS инвертор? Съвет: Можем ли да приемем (и с каква уговорка), че един N-канален транзистор представлява променлив резистор с електрически управлявано съпротивление? Как се държи един NMOS инвертор, ако включим в изхода му (когато се намира в състояние логическа единица) товар, свързан към маса? Добър източник на напрежение ли е той (сравнен със захранващия източник на напрежение)? Не сме ли направили от един добър източник - лош източник на напрежение (и ако е така, кое му е "лошото")? Ще бъда доволен, ако ми отговорите (това най-малкото означава, че сте присъствали на това упражнение).

Преобразувател съпротивлениеR1-напрежение. Сега да включим последователно преобразуватели съпротивлениеR1-ток и ток-напрежение (т.е. да варираме със съпротивлението R1 като входна величина) - получаваме отново съставен преобразувател съпротивлениеR1-напрежение. И отново въпросчета:
Каква е зависимостта между изходната и входна величина - обратна или права? Срещали ли сте някъде подобна схема? Може би пак ще си спомните цифровата схемотехника в лаб. 1413? Жалко, че в листа със схемите от заданието няма схема на инвертор с P-канален транзистор, но ние правим и тази схема с колегите ви от ФКТТ (така, че питайте ги как се държи тя). Хубаво, има ли все пък някаква връзка между един преобразувател съпротивлениеR1-напрежение и един PMOS инвертор? Можем ли пак да приемем (със същата уговорка), че един P-канален транзистор представлява електрически управляван променлив резистор? Как се държи последната схема, ако включим в изхода й (намиращ се в състояние логическа нула) товар, този път свързан обаче към "плюса"? Ще се радвам пак, ако ми отговорите.

Преобразувател отношениеR1/R2-напрежение. И накрая, както вероятно вече се досещате, ще включим последователно преобразуватели съпротивлениеR1-ток и съпротивлениеR2-напрежение и ще получим един "комплементарен" преобразувател R1/R2-напрежение. Това означава, че ще меним едновременно и двете съпротивления R1 и R2 най-добре противопосочно (диференциално). Или още по-просто казано - захранваме един потенциометър и въртим дръжката на плъзгача му :). Е сега са най-интересните въпросчета, на които ако ми отговорите, ще ме направите безкрайно щастлив:
Има ли връзка между тази схема и един CMOS инвертор (вижте фиг. 2 на листа със схемите от заданието)? Как се държи комплементарната схема, ако включим в изхода й (намиращ се в произволно състояние) товар, свързан към каквото и да било? Защо е толкова стръмна предавателната характеристика на CMOS инвертора? Е, ако някой ми отговори на този въпрос, получава много зелени интернет точки :). Изкушавам се да подскажа малко - може би някъде тук се крие отговора ....

Последователен суматор на напрежения (блед спомен от упражнение 1). II закон на Кирхоф ни помогна да извлечем възможно най-простия последователен суматор на напрежения (един контур или просто ... парче проводник). Например, с това полезно устройство в бъдеще ще сглобяваме електронни схеми с последователна отрицателна обратна връзка: първо несъвършенни, а след това - почти идеални. Нека да илюстрираме това като начертаем в горната дясна част на дъската един повторител на напрежение, реализиран с операционен усилвател и се опитаме да открием последователния суматор в него. Защо обаче операционният усилвател е с диференциален вход? Не можем ли да използваме усилвател с единичен, несиметричен вход? Както си спомняте, проблемът се криеше в диференциалния изход на последователния суматор. Така, че следващото стъпало не може да бъде с обикновен вход. Тогава?

Паралелен суматор на напрежения. Щом като II закон на Кирхоф не ни върши работа да се обърнем отново към първия му закон, който вече ни позволи да извлечем паралелния суматор на токове. Ако включим към входовете му преобразуватели напрежение-ток, а в изхода му - обратния преобразувател ток-напрежение, ще получим доста по-сложния паралелен суматор на напрежения (да начертаем това в лявата част на черната дъска). Сега сравнете последователния и параления суматор на напрежения и отговорете на тези въпроси: По какво си приличат и по какво се различават двете сумиращи схеми? Ako V1 = 10V и V2 = 10V, то вярно ли е равенството VOUT = V1 + V2 = 10 + 10 = 20V и за двете схеми? Как трябва да са ориентирани входните източници на напрежения за да получим изваждащо устройство? Какво е условието в изхода на паралелния суматор да се получи виртуална маса?

В упражнение 9 пак ще добавим към това пасивно устройство един операционен усилвател (също и една идея:)) и така ще получим активния му "двойник" - инвертиращия усилвател (да го скицираме в долната дясна част на дъската, отредена за схемите с паралелна отрицателна обратна връзка). Как мислите, защо инвертиращият усилвател инвертира? Кое всъщност го принуждава да инвертира, а не да повтаря?

Мостови схеми на преобразуватели. Можете ли да сглобите популярната мостова схема на Уитстон от два делителя на напрежение? Направете го и задайте въпроси към колегите си.

Ето и "формулите" за построяване на горните схеми:

voltage-to-voltage converter  =  voltage-to-current converter  +  current-to-voltage converter,
resistance-to-voltage converter (R1var) =  resistance-to-current converter  +  current-to-voltage converter,
resistance-to-voltage converter (R2var) =  voltage-to-current converter  +  resistance-to-voltage converter,
resistance-to-voltage converter (R1var, R2var) =  resistance-to-current converter  +  resistance-to-current converter,
parallel voltage converter  =  voltage-to-current converters  +  current summer + current-to-voltage converter,
bridge circuit = voltage divider (left) + voltage divider (right) etc.  Give more examples ...

А ето и две малки проектчета (някога ще ги преведа :)).

A small project 1: DC VOLTAGE SHIFTING (LIFTING): Making input/output unipolar. Imagine you have a bipolar analog device (e.g. e.g. a split supplied op-amp amplifier) working with input voltages from -10V to +10V. Can you transform it to a unipolar device with input voltage range of 0V...+10V? Do the same with the bipolar circuit output.

A small project 2: DC VOLTAGE SHIFTING (DROPPING): Making input/output bipolar. Imagine you have a unipolar analog device (e.g. a single supplied op-amp amplifier, an analog-to-digital converter etc.) working with input voltages from 0V to +5V. Can you transform it to a bipolar device with input voltage range of -5V...+5V? Do the same with a device with a unipolar output (e.g. a digital-to-analog converter).

Хроника

21.03.2004. За да облекча зареждането на такава дълга страница, послушах съвета на колегата ви ~Pe60 и я разделих на части. Така, че хрониката се намира в такава отделна страница.

- новости - история - експериментът - варираме - комбинираме - хроника -