28. juli 15
Transcription
28. juli 15
Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag Ny/utsatt eksamen i: Elektronikk Målform: Bokmål __________________________________________ Dato: 28. juli 2015 Tid: 0900-1200 Antall sider (inkl. forside og 1 side Vedlegg): 5 Antall oppgaver: 4 Tillatte hjelpemidler: Håndholdt kalkulator som ikke kommuniserer trådløst. Forhåndsgodkjent ordbok. Merknad: Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Ved eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Oppgavene teller ulikt, angitt ved %. Besvarelsen skal merkes med kandidatnummer, ikke navn. Bruk blå eller sort kulepenn på innføringsarket. Faglig veileder: Knut Harald Nygaard Utarbeidet av (faglærer): Kontrollert av (en av disse): Instituttleders/ Programkoordinators Annen lærer Sensor Instituttleder/ Programkoordinator underskrift: Knut Harald Nygaard Emnekode: ELTS2100 Oppgave 1 (30 %) En operasjonsforsterker, som antas ideell, er benyttet i figuren nedenfor. vinn R R vut C C R R a) Vis at transferfunksjonen er gitt som: H1 (s)= V ut 1 (s )=2 2 Vinn ( 1+ RC s ) b) La T = RC = 1 ms og skissér asymptotisk forløp for |H1(jω)|(dB). Husk skalering av aksene. Hva er |H1(jω)|(dB) for ω = 1 krad/s og 10 krad/s? En operasjonsforsterker, som antas ideell, er benyttet i figuren nedenfor. C1 R1 R2 vinn vut C2 R R Transferfunksjonen er gitt som: H 2 (s ) = Vut 2 = 2 V inn R 1 R 2 C1 C2 s +[(R 1 +R 2 )C2 −R1 C1 ]s+1 c) Velg R1 og R2 lik 10 kΩ og finn den størrelsen til C1 og C2 som gir et Butterworth-filter med en grensefrekvens lik 1 krad/s. d) Skissér asymptotisk forløp for |H2(jω)| (dB). Hva er |H2(jω)| for ω = 1 krad/s og 10 krad/s? Hva er forskjellen mellom |H1(jω)| og |H2(jω)|? Oppgave 2 (30 %) IL D C VL En brulikeretter D får sin spenning fra en nett-transformator som leverer 15 V (effektivverdi), se figuren til venstre. Brulikeretteren mater en kondensator C. Anta et konstant spenningsfall på 1 V over hver likeretterdiode i lederetning. Vi antar at lasten drar en konstant strøm på IL = 1 A. a) Hvor stor må kondensatoren være for at rippelspenningen (spiss-spiss) skal være maksimalt 1,5 V? b) Hva er (tilnærmet) midlere spenning over kondensatoren? Iut R1 VG Vinn Vut R2 Vref En regulator med en MOSFET og en operasjonsforsterker (som regnes som ideell) kan realiseres som vist i figuren til venstre. Vi antar at transistoren har en konstant gatesource-spenning på 4 V når regulatorens last er en konstant strøm på Iut = 1 A. Referansespenningen Vref = 6,8 V. Spenningen inn på regulatoren er Vinn = 18 V, og vi ønsker en utgangsspenning Vut = 10 V når laststrømmen er konstant lik Iut = 1 A. c) Velg R2 lik 10 kΩ og finn den størrelsen på R1 som gir den ønskede utgangsspenningen Vut. Hva er da operasjonsforsterkerens utgangsspenning VG? Transistoren er festet på en kjølefinne via en isolerende skive med en termisk motstand på 0,4 K/W. Transistoren har en sjikt-kapsel termisk motstand på 1,0 K/W. Maksimal sjikt-temperatur skal ikke overstige 150 °C ved maksimal omgivelsestemperatur lik 50 °C. d) Beregn transistorens effektforbruk. Hvilken minimum termisk motstand må kjølefinnen ha? Oppgave 3 (20%) C RF I0 R0 vut Figuren til venstre viser ekvivalentskjema for en D/Aomformer med strømutgang, bestående av en strømgenerator I0 med indre motstand R0, sammen med en strømspenningsomformer bestående av en operasjonsforsterker, motstand RF og kondensator C. Operasjonsforsterkeren kan regnes som ideell i det følgende. D/A-omformeren leverer strømmen −1 mA £ I0 £ +1 mA. Amplituden til operasjonsforsterkerens utgangsspenning vut ønskes lik 1 V ved maksimal strøm fra D/A-omformeren. a) Se bort fra kondensatoren C og beregn den størrelsen på RF som gir den ønskede utgangsspenningen. Hvorfor har ikke størrelsen på R0 noen betydning for størrelsen på denne utgangsspenningen? b) Finn den størrelsen på C som gir en grensefrekvens på 20 kHz. Hvor stor er dempningen ved 50 kHz? Det ønskes et såkalt ”anti-imaging” Butterworth lavpassfilter med grensefrekvens 20 kHz tilkoplet utgangen av operasjonsforsterkeren. Det er et krav at den totale demningen av frekvenser over 50 kHz skal være større enn 20 dB. c) Vis at et filter av andre grad er tilstrekkelig for å oppfylle dempningskravet. Oppgave 4 (20 %) I figuren til venstre er vist en krets med blant annet en operasjonsforsterker som kan regnes som ideell. R2 v1 a) Vis at utgangsspenningen vut kan skrives som: R1 vut R3 v2 R4 v ut = ( ) R4 R R 1+ 2 v 2 − 2 v1 R 3+ R 4 R1 R1 (Tips: Bruk superposisjon) b) Anta R1 og R3 lik 10 kΩ og finn de andre motstandsverdiene når vi ønsker å realisere funksjonen: v ut =v 2 − v 1 En operasjonsforsterker, som kan regnes som ideell, er koplet som vist i figuren til venstre. R2 R1 v1 v2 vut R5 c) La motstandene R1, R3, R4 og R5 alle være lik 10 kΩ og finn den størrelsen på R2 som realiserer funksjonen: v ut =v 1+ v 2 R3 R4 VEDLEGG ω H LP ( s )= 0 s+ ω0 H LP ( s )= s 2 + 2 ζω0 s+ ω 20 s2 H HP ( s )= 2 s + 2 ζω0 s+ ω 20 Filtre : H HP ( s )= s s+ ω 0 H BP ( s )= 2 ζω0 s 2 s + 2 ζω0 s+ Butterworth : N =1 : s n+ 1 N =2 : s2n + √ 2 s n+ 1 N =3 : (s2n+ s n+ 1)(sn + 1) s Normalisering : s n = Ω0 V spiss Likeretting : V eff =√ 2 2ζ= ω20 BJT : LΩ Ln = 0 R0 I ⋅t V rippel = last 1 C R Rn = R0 2V V midl = spiss π Diode /halvleder : I D=I S⋅e V BE n⋅V T 1 Q |H ( jω)|dB =−10 lg [1+(ω /ω0 ) 2 N ] VD I C = I S⋅e ω20 n⋅V T h FE = β= rD= IC IB n⋅V T ID VT = kT e I E =I B + I C C n =R0 Ω0 C (Spiss-spiss-verdi ) -23 ( k=1 . 38⋅10 −19 J / K , e=1 . 6⋅10 C) P C =I C V CE n⋅V T v R v be =r e i c=r be i b ( r be =β⋅r e ) A ve = ut =− Last IE v inn r e+ R E v R g ⋅R 1 FET : Avs= ut =− Last =− m Last ( g m= ) v inn r s + RS 1+ g m⋅RS rs OPAMP : A R R 1 v ut =A0 v diff = A0 ( v+ −v− ) Av = 0 A v0= A v0=− Feedback A v0=1+ Feedback 1+ βA0 β R R P Støy : P n=4 kTB V n =√ 4 kTBR S/N=10⋅lg signal v 2N =v 2NA+ i 2NA R2S P støy Kjøling : T J −T A=P ( R JC + RCS + RSA) re = 6 dB regel : S /N [dB]=6,02⋅N + 1,76 (effektivverdi) S / N [dB]=6,02⋅N + 4,77 ( spissverdi)