Forslag til løsning på eksamen i FY Forslag til løsning på eksamen i F -IN 204 og FY108 våren 2003.

Transkript

1 Forslag til løsning på eksamen i FY-IN 20 og FY108 våren 200. Oppgave 1 a) 20 db forsterkning er det samme som en forsterkning på 10ganger (A=Vut/Vinn = 10). Kretsen skal ha en inngangsmotstand på 20kΩ dvs. 1 = 20kΩ (husk virtuelt nullpunkt) Med forsterkning på 10 - må 2 = 200kΩ. er satt inn for å kompensere for ev. lekkasjestrøm på inngangene. Denne motstanden settes til =2 1 18,2kΩ. Hvis vi fjerner vil dette kunne gi en DC offset på utgangen til operasjonsforsterkeren. Forsterkningen vil ikke påvirkes. (Normalt vil nye operasjonsforsterkere ikke behøve motstanden. Dette fordi lekkasjestrømmene er meget små.) 6 s 2 10 b) V p = =, 2v på utgangen. 2 π f 6, Med en forsterkning på 10 ganger blir inngangssignalet V Pinn = 0,2volt c) Faseskift ved 100kHz = -225 o. Se Bodeplot Høyeste frekvens uten fasefeil : 10kHz (Forsterkeren skulle være inverterende dvs. vi skal ha -180 o faseskift) v d) i /ηv v T o = I S e Dette er en eksponentialforsterker - som kan brukes for eksempel i en analog datamaskin. e) eversstrømmen i dioden I S =(0,5/,7)10-6 = 0,106 µa= 106nA (10-9 A). Dette er mye mer enn forventet av en Si-diode. Den høye strømmen skyldes krypstrømmer/lekkasje på diodens overflate.(teoretisk skulle I S A for Si noe som tydelig viser at det kan være stor avstand mellom teori og praksis!) f) Spenningsfallet over diodene: De nye halvledermaterialene med større band gap vil tåle enda høyere temperatur. Dvs vi kan pakke komponenter tettere sammen mindre krav til aktiv kjøling osv. g) Tunneldiode har et område med negativ motstand (Området 0, 0,7 A-B). Effekten skyldes meget sterk doping. Sperresjiktet blir meget tynt og feltstyrken blir så stor at de kovalente bindingene brytes.(zenereffekt) Frie ladningsbærere vil opptre i sperresjiktet. Først når dioden forspennes i lederetning reduseres feltet så mye at normalt sperresjikt oppstår. (område A-B) Etter punkt B opptrer dioden som en normal signaldiode. Slike tunneldioder kan bl.a. brukes til oscillatorer.. Iz A I D Ge Si V D B Vz

2 h) 1 og 2 danner en spenningsdeler. Zenerdioden ligger over 2. Dvs. hvis spenningen over 2 overstiger 5,6volt vil zenerdioden begynne å lede. Søker den verdien på 2 som gir en spenning på 5,6volt. (Husk 1=1kΩ) 2 2 0,56 V2 = VINN 5,6volt = 10volt 2 = = 1, 27kΩ kΩ + 2 0, Hvis 1 = 2 og V INN varierer fra 0 til 10volt vil spenningen over 2 aldri bli større enn 5 volt (Spenningen fordeles likt over de to motstandene) I dette tilfelle når vi ikke opp til zenerspenningen og dioden vil ikke påvirke spenningen V UT.. V UT V UT 5,6 v 5 v = 1,27kΩ 2 10v V INN Oppgave 2 a) Småsignalekvivalenten har kun relevans når transistorene arbeider i sitt aktive område (base-emitterdioden leder base-kollektordioden i sperreretning). I denne kretsen arbeider transistorene i cut-off og saturation (metning) altså ikke i sitt aktive arbeidsområde. b) I den stabile tilstanden er kollektor T 1 høy V CC og basen til T 2 0,7volt.. Uten signal inn vil T 2 lede og T 1 være cut off. legger bais T 2 til +Vcc. Dette medfører at transistoren T2 leder og kollektor har en spenning på ca 0.2volt. Denne lave spenningen føres inn på basis til T1 slik at T1 holdes cut off. Kollektor på T1 ligger derfor høy (+5v). Kondensatoren C vil ha +5v på venstre side og +0.7volt på høyre side. En positiv puls legges inn på 1. Den må være så stor at den løfter basis over 0.7volt. (husk at vi har en spenningsdeler mellom 1 og 5) Hvis pulsen er tilstrekkelig positiv vil T1 lede. T1s kollektor endrer spenning fra +5v til ca +0.2v. Dette spenningsfallet (.8v) koples via C inn på basis til T2. Basis på T2 hadde +0.7volt før pulsen kom. Spenningsfallet som oppstår på basis til T2 vil være (0,7v.8v = -.1volt) Denne lave spenningen vil straks få T2 til å gå cut off. Kollektor på T2 (Vut) vil derfor straks gå høy til +5v. Kondensatoren C vil nå lade seg opp mot Vcc gjennom. Når spenningen blir 0.7v på basis til T2 vil denne lede. Kollektor på T2 (Vut) vil falle til lav (0.2v) Tidskonstanten vil være gitt av T = C 0,7.

3 c) Tegn opp tidsforløpet til spenningene V i, V b2, og V ut. Legg tidsaksene under hverandre slik at tidsforløpene lett kan sammenliknes. V i 0.2v 0.7v V ut 5 v 0.2 v 0.7 v V B2 T = C v d) Beregn komponentverdiene, og C slik at vi får ut positive pulser med (5 0.2) V varighet 0.1ms og med amplitude tilnærmet lik V CC. = = 2, kω 2mA Vcc VBE IC (5 0.7) V I B = = B = 200 B = 0 kω B β 2mA T1 = C = 0 10 C 0.7 C 0, nf e) Signalspenningen må være stor nok til å heve basen på T 1 over 0,7volt. Da basespenningen på T 1 bestemmes av spenningsdeleren ( 1 2 ) og hver av disse motstandene er 5kΩ må signalspenningen være større enn 1, volt. (Det forutsettes at V ut = 0 volt) Oppgave.1) Millereffekt (Se kompendiet om frekv.respons, kap.11) Pga. forsterkningen av signalet fra basis til kollektor vil kapasiteten Cµ opptre C = C g forsterket på inngangen, - i parallell med Cπ. Som gir : m π ( m p ) Cµ Dette medfører at forsterkeren får dårligere frekvensrespons. Klarer ikke høye frekvenser..2) Båndpassfilter. (Først et høypassfilter så følger et lavpassfilter.) Vi starter med +90 o faseskift for lave frekvenser(def.). Ved f L =20Hz (-db) har vi +5 o faseskift. For midlere frekvenser har vi ikke faseskift. Ved f H =20kHz har vi -5 o faseskift. Se Bodediagram.

4 .) Dette filteret er ikke egnet til Hi Fi. Faseskift inntrer både ved 20Hz og ved 20kHz. Skal vi unngå faseskift må vi la f L ligge en dekade under laveste frekvens (20Hz) Dvs. f L = 2 Hz Videre må f H ligge en dekade over øvre frekvens (20kHz). Dvs. f H = 200kHz. (En båndbredde på Hz vil gi et faserent signal for signaler i frekvensområde 20Hz - 20kHz) Oppgave.1) Blokkskjema Master-slave flip-flop Se blokkskjema i boka side 2 figur 8-1 I løpet av en klokkepuls vil utgangen ikke skifte verdi men vil innstille seg til riktig verdi i henhold til J-K-logikk ved klokkepulsens avslutning (negativ flanke). Vi bruker en slik løsning bl.a. for å unngå race around conditions se boka kap. 8..2) Se boka figur stk D-flip flop i serie danner en 1: (:1) rippelteller. Utgangen fra den siste flip flop skifter for hver. negative flanke på klokkepulsen. Klokke D Ck D Ck 1 Signalene på utgangen: Klokke 1.) LS-teknologi bruker mindre strøm og er raskere enn normale TTL-kretser. Scottky-dioden har en cut in -spenning på ca 0,volt. Den er koplet mellom basen og kollektor til transistorene. Dioden begynner å lede hvis basen får en spenning på 0,volt over kollektorspenningen. Derved hindres transistorens egen basiskollektordiode i å bli forspent i lederetning. Transistoren forblir i sitt aktive område og den lar seg raskt skru av. Hvis base-kollektordioden til transistoren hadde begynt å lede ville denne gått i metning (saturation) og det ville ta lang tid å gjenopprette sperresjiktet. Oppgave 5 5.1) Dette er en emitterfølger. Her er kollektor felles elektrode for inngang- og utgangssignal. Egenskaper : Høy inngangsmotstand, lav utgangsmotstand, spenningsforsterkning 1, fasedreining 0 grader.

5 V ) 5 = = = 8,2kΩ I 1, V = = = 10kΩ I 0, 10 1 V 2 ( V5 + 0,7) 2 (1 + 0,7) = = 0, 10 0, 10 = I 1 21kΩ Beregner 2. Begynner med å finne spenningen over motstanden: V2 = V + 0,7 = + 0,7 =, 7volt Strømmen gjennom 2 er oppgitt til å være 1 ganger basestrømmen til 1. Kollektorstrømmen til 1 er oppgitt til 0,mA. β=00 - som tilsier at basestrømmen til 1 må være 0,/00 = 1, µa. Dette gir meg I 2 = 1, µa 1 = 17, µa.,7 2 = = 272kΩ 6 17, 10 Tilslutt beregner jeg 1. Finner først spenningen over motstanden: V 1 = 2-V 2 V 1 = (2-,7) volt = 18,volt. Strømmen gjennom 1 = I 2 + I B1 = (17, + 1,) µa 18, 1 = 1MΩ 6 18, ) Se figur.. 5.) Forsterkningen finner sted i første trinn. Andre trinn er en emitterfølger med forsterkning 1. Spenningsforsterkningen kan tilnærmet settes Av 2 ganger. Dette kan vi gjøre fordi inngangsmotstanden til emitterfølgeren er mange ganger g mp P større enn.. ( AV hvor P er parallellkoplingen av og 1 + g me E inngangsmotstanden til emitterfølgeren som er meget stor)