HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: Emnekode: Emnenavn: EDT0T Anvendt elektronikk Klasse(r): EE EI Studiepoeng: 10 Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Stein Øvstedal, tel Kontaktperson(adm.) (fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) Vedlegg består av: (antall sider) Kalkulator HP30S eller Citizen: SR70, SR70X, skriveog tegnesaker. 5 oppgaver, 10 sider (med framsida) 3 sider Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. NB! Les gjennom hele oppgavesettet før du begynner arbeidet, og disponer tiden. Dersom noe virker uklart i oppgavsettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Lykke til!

2 Oppgave 1 (ca. 50 %) Velg for hvert delspørsmål det alternativ som synes mest riktig. Dersom du velger feil vil det bli trukket en tredjedel av det et rett svar gir. «Vet ikke» gir 0 poeng. Sammenlagt poengsum i oppgave 1 kan ikke bli negativ. Skriv svaret ditt på gjennomslagsarket. a) Hvilken spenning vil vi få over kondensatoren lengst til høyre når generatoren har en amplitude på V p (unipolar)? 1) 1 V p ) V p 3) 3 V p 4) 4 V p b) Mikrofonsensitiviteten er 60 dbv. Hvor mye spenning generer 1 Pa? 1) 1 µv ) 60 µv 3) 1 mv 4) 60 mv c) En høyttaler med driftseffekt 1 W, maks. tillatt tilført effekt over lang tid P max = 100 W. Nominell høyttalerimpedans R H = 8 Ω. Høyttaleren plasseres slik at avstanden til lytterne i gjennomsnitt er 16 m. Lydtrykket for lytterne blir da ved 100 W: 1) 9 db ) 95 db 3) 99 db 4) 10 db d) En forsterker har følgende data: R inn = 600 kω og R ut = 1 Ω. Spenningsforsterking uten belastning A 0 = 375. Forsterkeren tilkoples lasta R L = 4 Ω. Høyttalerledningen har 1 Ω impedans. Dempningsfaktoren blir da 1) 1,6 ) 3) 4 4) 5 e) Ved å innføre negativ tilbakekobling i en forsterker oppnår en alltid 1) bedre fasemargin ) reduksjon av ulineær forvrengning 3) reduksjon av inngangsimpedansen 4) større forsterkning 5) vet ikke

3 f) I 1 I U 1 kω U 1 00 ms 50 kω U h 11 for den viste toporten har verdien 1) kω ) 50 kω 3) 5 4) 00 ms g) R=100 kω R in A u = 00 R i = 1 MΩ Inngangsresistansen R inn til forsterkerkoplingen blir ca. 1) 50 Ω ) 500 Ω 3) 100 kω 4) 1 MΩ 5) vet ikke h) I en klasse C bipolar transistorforsterker flyter det kollektorstrøm i 1) mindre enn en halv periode ) en halvperiode 3) mindre enn en hel periode 4) hele signalperioden 5) vet ikke i) Varmetapet i transistorene for en klasse A forsterker er størst ved ca 1) 64 % utstyring ) 80 % utstyring 3) 100 % utstyring 4) Uavhengig av utstyring 3

4 j) R = 14,4 kω. Dimensjonér R 3 slik at I o blir ca 100 µa. R 3 blir da 1) 140 kω ) 14,4 kω 3) 7 kω 4) 0,6 kω k) U O1 U O,0V En student måler på sin nykonstruerte forsterker med differensiell inngang. Han kopler en balansert signalkilde med amplitude 0, V til inngangen og måler da en utgangsspenning U = 5 V. o1 Så koples inngangene sammen og spenningen,0 V tilføres mellom inngangene og jord. Da måler han utgangsspenningen U o = mv. Da er forsterkerens CMRR ca. 1) 8 db ) 6 db 3) 14 db 4) 88 db l) Figur 1 Figur Ui Forsterker Uo1 Ui Forsterker Uo RL En student har bygd en høykvalitets 50 W lydforsterker og ønsker å finne forsterkerens utgangsimpedans (utgangsresistans). Med måleoppstillingen i figur 1 måler han med innsignal U i = 50 mv utspenningen U o1 =,00 V. Med samme innspenning måler han i oppstillingen i figur U o = 1,9 V når lastresistansen R L = 1 Ω Forsterkerens utgangsresistans er da ca. 1) 0,05 Ω ) 0,1 Ω 3) 1,6 Ω 4) 3,6 Ω 5) vet ikke 4

5 m) Kollektorstrømmen i arbeidspunktet for Q 1 blir 1) 50 µa ) 500 µa 3) 1 ma 4) ma 5) vet ikke n) Termisk støyspenning fra motstanden på 500 MΩ, innenfor båndbredden 100 khz, er ved T = 300 K ca. 1) 0,8 µv ) 91 µv 3) 910 µv 4) 9,1 mv 5) vet ikke o) Du skal lage en transformator for lave frekvenser (50 Hz) med kjerne. Du velger da 1) en jernkjerne med tynne blikk ) en kjerne av ferritt 3) en jernpulverkjerne 4) en «µ-metallkjerne» p) Du har et kretskort med jord- og spenningsplan (00 mm 160 mm). Avstand mellom planene er 0, mm. Anta ε r = 4. Kapasitansen mellom planene er da ca 1) 5,7 pf ) 566 pf 3) 5,7 nf 4) 5,7 µf q) Denne koblingen kalles 1) «Buck Converter» ) «Boost Converter 3) «Buck-Boost Converter» 4) «Multivibrator» 5

6 r) Hvilken motstand er hentet fra E1-rekka? 1) 38 kω ) 48 kω 3) 58 kω 4) 68 kω s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E1-verdi): 1) 100 Ω ) 00 Ω 3) 1000 Ω 4) 000 Ω. Brun Svart Svart Svart Svart Rød t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 5. fargeringen angir: 1) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi). u) En motstand for overflatemontering har påstemplet sifra 151. Verdien er da: 1) 151 Ω ) 1,5 kω 3) 150 Ω 4) 15 Ω, +/ 1 % toleranse. v) Du skal lage en drossel. Du lager da en spole med: 1) høy Q-verdi ) lav Q-verdi 3) forsølvet kobbertråd 4) uten kjerne w) I en ledning (for eksempel en ledningsbane på et mønsterkort) er induktansen ca. 1) 1 nh/m ) 10 nh/m 3) 100 nh/m 4) 1000 nh/m 6

7 x) Vi har viklet en spole på en ringkjerne. Den har 100 tørn. Vi måler induktansen til 100 µh. Ca. hvor mange tørn skal spolen ha for at induktansen skal bli 10 µh? 1) 80 ) 105 3) 110 4) 10 y) Vi trenger en kondensator for støydemping på en motor (30 V). Vi velger da en: 1) elektrolyttkondensator ) tantalkondensator 3) plastkondensator 4) papirkondensator. 7

8 Oppgave (ca. 6%) Koplingen i oppgave er tenkt brukt som oscillator. a) Hvilken betingelse skal den tilbakekoplede kretsens sløyfeforsterkning (β A) oppfylle for å få oscillasjon med konstant amplitude? b) Ved hvilken frekvens vil koplingen oscillere, dersom A V er slik at den kan oscillere? Utled uttrykket (bokstavuttrykk). c) Hvor stor forsterkning A V må operasjonsforsterkeren ha for at kretsen skal kunne oscillere? Vis dette ved regning (tallsvar). 8

9 Oppgave 3 (ca. 5%) VCC 0V Rb1 68kΩ R 680Ω C R1 1kΩ C1 10µF Q1 10µF BJT_NPN_VIRTUAL RL.kΩ U o Ug U i Rb kω Re 330Ω Ce 470µF Bruk disse transistordataene: β = 00, r o = 40 kω, C µ = C cb = 9 pf r x kan neglisjeres. Transistoren har transisjonsfrekvens f T = 150 MHz. f T gm = π ( C + C ) π µ a) Vis at kollektorstrømmen I C = 10,1 ma og finn transistorens g m, r π og C π b) Bruk hybrid π-ekvivalent og tegn småsignalekvivalentskjema for forsterkeren ved midlere frekvenser, for lave frekvenser og for høye frekvenser. Dersom du ikke greidde å finne tallverdier for g m, r π og C π under pkt. a, kan du videre i oppgaven bruke disse verdiene: g m = 300 ms, r π = 500 Ω og C π = 500 pf. c) Finn spenningsforsterkingen A um = U o /U i og A km = U o /U g ved midlere frekvenser. d) Omform ekvivalentskjemaet for høye frekvenser ved å «flytte» C µ, og finn de nye kapasitansverdiene. Bruk Millers teorem. e) Finn en tilnærmet verdi for øvre grensefrekvens f Hk for A k = U o /U g ved å finne separate øvre knekkfrekvenser for inngangssida og utgangssida. Skisser ev. et Bodediagram. 9

10 Oppgave 4 (ca. 1%) 11,5 V (DC) overlagret 1 V rippel 30 V(AC) Spenningstransformerinregulering (5 Likeretting Glatting Spennings- Last 0,3 A V) 9, V(AC) 5 V (DC). 0 mv rippel a) Tegn koblingskjema for en mulig realisering av blokksjema. b) Dimensjoner koblingen i henhold til blokkskjema. Spenningsreguleringen ned til 5 V er ikke nødvendig å dimensjonere. c) Anta at det er en lineær regulering som brukes. Hva blir virkningsgraden? d) Hvilke parametre/komponenter bestemmer størrelsen på startstrømmen på sekundærsiden? Oppgave 5 (ca. 7%) a) Fortell kort om kondensatorers høyfrekvensegenskaper og hva som skjer ved økende frekvens. Tegn en modell av en virkelig kondensator. Hvilke faktorer er viktig og hvilke typer er å foretrekke. Hvilke typer er ikke egnet. b) Vi har en utladning (ESD) i nærheten av ei sløyfe på et kretskort. Tegn en skisse som viser hvordan utladning vil gi maksimal induksjon i sløyfa (sted/orientering). Tegn ev. feltlinjer. c) Motstander har støy. En type støy er uunngåelig. Hva er formelen for den? En del motstander har tilleggsstøy. Hvordan oppgis denne støyen (benevning)? Hvilken type motstander støyer mest? Gi korte svar. 10

11 Anvendt elektronikk Eksamensvedlegg OPPGITTE FORMLER: Dioder vd n VT Shockleys diodeformel i = I ( e 1) D S Bipolare transistormodeller: Hybrid-π: g m = I C /U T der U T = 5 mv r π = β/g m r o V A /I C, V A : Early voltage T-ekvivalent: r e = U T /I E i C = α I E α = β/(β+1) C gm + C = π f π µ T Støy: Termisk støy i motstander un = 4 k T R Bn Boltzmanns konstant k=1, J/K Uttrykk for støyfaktoren ved enkel støymodell for S ( ) forsterker F = N S ( ) N Gen Last un,ekv +( RG in,ekv ) = 1+ 4 k T G RG Bn i Shotnoise/haglstøy fra diodestøygenerator q = 5,56 10 elektronladningen q = 1, C n -10 I DC B n I DC F 1 F 1 F Friis formel F Tot = F G A1 G A1 G A G A1 G A G A3 11

12 Effektforsterkere: Klasse B pushpull P Û 1 Û R R o D = U CC π L o L π η = Û 4 U o CC Ulineær forsterker U o = f(u i ) = k 0 +k 1 U i +k U i +k 3 U i 3 Påtrykk U i = A cos ωt gir U o =k 0 +k A /+(k 1 A+3k 3 A 3 /4) cos ωt + (k A /) cos ωt + (k 3 A 3 /4) cos 3ωt Påtrykk U i = A 1 cos ω 1 t + A cos ω t gir utsignal av formen U o = c 0 + c 1 cos ω 1 t + c cos ω t + c 3 cos ω 1 t + c 4 cos ω t + c 5 cos 3ω 1 t + c 6 cos 3ω t + c 7 cos(ω 1 +ω )t + c 8 cos(ω 1 -ω )t + c 9 cos(ω 1 +ω )t + c 10 cos(ω 1 -ω )t + c 11 cos(ω +ω 1 )t + c 1 cos(ω -ω 1 )t der koeffisientene c i avhenger av k i og A i Klirrfaktor K = U + U 3 + U 4 U U U 3 U Akustiske omformere: Mikrofonfølsomhet: Mikrofonspenning for 1 Pa lydtrykk Høyttaler driftseffekt: Elektrisk effekt tilført for 96 db SPL 1m foran høyttaleren Høyttaler følsomhet: Lydtrykket (SPL db) målt 1m foran høyttaleren ved 1W påtrykk. Strømspeil Widlarstrømspeil : Parallellresonanskrets Resonansfrekvens : I I o RE =U T ln ( I f o 1 = π LC ref o ) Resonansimpedans : R p = QX L Oscillatorer Trepunktskopling X 1 og X samme fortegn, X 3 motsatt fortegn av X 1 og X Toportparametere I 1 = y 11 U 1 + y 1 U U 1 = z 11 I 1 + z 1 I U 1 = h 11 I 1 +h 1 U I = y 1 U 1 + y U U = z 1 I 1 + z I I = h 1 I 1 + h U EMC Frittromsimpedansen / free space impedance E Z0 = = 10 π Ω = 377 Ω, H Φ = B A, B = µ H, d Ui ( t) = Φ dt, µ 0 = 4π10-7 H/m, ε 0 = 8, F/m I = H ds 1

13 Strømforsyning Beregning av transformatortverrsnitt (EI-blik basis; maks strømtetthet S=3 A/mm, maks B=1 T A cm [ ] P[ W ] = U p = 4,44N p fab max Rippelspenning ved kondensatorglatting; I L U r = der f r er rippelspenningens f r C Ledningsevne kobber: σ= 5, S/m. frekvens l R[ Ω ] =, der A er ledertverrsnitt, l er lengde, σ er ledningsevne, alt i SI enheter A σ Field Effect Transistors : Triode region : i K v V v v D = [( GS P ) DS DS ] for small v DS i K( v V ) v D GS P DS : Pinch Off region : i = K( v V ) D GS P Small signal parameters g = K( V V ) f m GSQ P T gm = π ( C + C ) gs gd For JFET and depletion MOSFET : Use K For enhancement transistors; replace V P I DSS = VP with V TH Miller ' s theorem Z inmiller Z Z = Zout = Miller 1 A 1 V 1 A V 13