AVDELING FOR TEKNOLOGI

Transkript

1 AVDELING FOR TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ELEKTROTEKNIKK Eksamensdato: 5. mai 005 Varighet: Fagnummer: SO417E Fagnavn: Elektronikk Studiepoeng: 15 Klasse(r): EE ET Faglærer: Petter Brækken - tlf , Stein Øvstedal - tlf Hjelpemidler: Kalkulator gruppe 1, skrive- og tegnesaker, egen prosjektrapport Oppgavesettet består: 10 sider Vedlegget består av: 3 sider Merknad: Lykke til OPPGAVE 1 (ca 47%). 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) I figuren til venstre er 1) (a) en n-kanal anrikingstype og (b) en p-kanal anrikningstype MOSFET ) (a) en p-kanal anrikingstype og (b) en p-kanal utarmingstype MOSFET 3) (a) en n-kanal utarmingstype og (b) en n-kanal anrikingstype MOSFET 4) (a) en unipolar n-kanal JFET og (b) en bipolar p-kanal JFET b) Hvis en forsterkers uteffekt er 10W og total tilført effekt er 40 W er virkningsgraden 1) 10% ) 15% 3) 0% 4) 5%

2 c) Figuren viser (fra venstre mot høyre) en mikrofon, balansert mikrofonkabel og det balanserte inngangstrinnet i mikrofonforsterkeren. Hensikten med å lage mikrofontilkoplingen slik er å 1) bedre frekvensgangen ) hindre akustisk tilbakekopling (hyling) 3) minske faren for nettbrum 4) øke forsterkerens inngangsimpedans d) Figuren til venstre viser ekvivalentskjema for en enkel transistorkrets. Utgangsresistansen R o finner vi fra ekvivalentskjemaet til å være: 1) 1 g m 1 ) r π g m 3) g m I DSS 3) 0 4) 5) Vet ikke e) Inngangsresistansen (resistansen sett fra spenningskilden V in ) er: 1) R 3 + g m R S ) R 3 + g m R S (R 1 +R ) 3) (R 1 + R ) R 3 4) (R 1 R ) + R 3 5) Vet ikke

3 3 f) En effektforsterker har utgangsresistans R o = 0,Ω ved en laststrøm på 3A effektivverdi. Dempningsfaktoren med 4Ω høyttaler er da: 1) 10 ) 0 3) 36 4) 50 g) En effekttransistor IRF530 har termisk resistans mellom krystall (junction) og kapsling (case) θ j-c = 1,60 K/W. Den er montert på ei kjøleplate med isolasjonsskive med θ c-s = 1 K/W. Med et effekttap i transistoren på 10W observerer vi at temperaturen i transistorens kollektor/basis-overgang stabiliserer seg på T j =15 C når lufttemperaturen rundt kjøleplata er 5 C. Vi kan da slutte at kjøleplatas termiske resistans θ s-a er 1) 1, K/W ) 3,3 K/W 3) 7,4 K/W 4) 14,5 K/W 5) Vet ikke h) U 1 U Toporten til venstre har y 11 lik 1) R+jωC ) 1/R + jωc 3) jωl/(r+1/jωc) 4) 0 i) En forsterker har ved midlere frekvenser spenningsforsterkningen A m. Ved forsterkerens nedre 3dB grensefrekvens er spenningsforsterkningen ca. 1) 0,35 A m ) 0,5 A m 3) 0,707 A m 4) 1,41 A m

4 j) 4 Hvis forsterkeren ovenfor har R 1 = 1k, R = 1k, R C1 = 4,7k, R f = 15k og I = 1 ma så er spenningsforsterkningen V o /V i1 tilnærmet lik 1) 1 ) -7 3) 16 4) -38 k) 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 o1 =5V. Så koples inngangene sammen og samme signal 0,V tilføres mellom inngangene og jord. Da måler han utgangsspenningen U o = 3µV. Da er forsterkerens CMRR ca. 1) 8 db ) 6 db 3) 88 db 4) 14 db 5) Vet ikke l) For å dimensjonere kretsen til venstre til et arbeidspunkt med I D = 4 ma kan R 1 og R velges som 1) R 1 = 1 MΩ R = 1 MΩ ) R 1 = 1,1 MΩ R = 100 kω 3) R 1 = 1,8 MΩ R = 680 kω 4) R 1 = 1,8 MΩ R =, MΩ 5) Vet ikke

5 5 m) Figuren viser 1) en strøm til spenningsomformer ) en Hartley-oscillator 3) en Colpitts-oscillator 4) en induktansutbalanserer n) Rippelen ut av en spenningsregulator er sammenlignet med rippelen inn til regulatoren 1) like stor ) mye større 3) mye mindre 4) umulig å fastlegge o) Kollektorstrømmen i arbeidspunktet for Q 1 blir 1) 50µA ) 500µA 3) ma 4) 4 ma

6 p) Kretskortet for ei strømforsyning med likeretter, glatting og en enkel 3-terminalregulator med kjølefinne (IC1). Utgangsspenningen skal være +4V DC i punkt 6, det er den imidlertid ikke. Du har ikke skjema for likeretteren. 6 30V 50 I punkt 4 ser vi med oscilloskop ei rippelspenning med amplitude 500mV (nederste trace) Øverste trace: spenninga i punkt (vertikalskala 5 V/div.) Hva er den mest sannsynlige feilen? 1) Sikringa er røket ) Brudd i C 1 eller i ledningsføringen til C 1 3) Brudd i en diode eller i ledningsføringen til dioden 4) Brudd i transformatorvikling eller i transformatorens forbindelse til kretskortet q) 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

7 r) Hvilken motstand er hentet fra E1 rekka? 1) 34kΩ ) 45kΩ 3) 56kΩ 4) 67kΩ 5) Vet ikke 7 s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E1 verdi): 1) 110Ω ±% ) 1,1kΩ ±% 3),kΩ ±1% 4) 0Ω ±1% 5) Vet ikke. t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 5. fargeringen angir: 1) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi) 5) Vet ikke. Rød Rød Svart Svart Brun Brun Rød Brun Orange Svart Orange Orange u) En kondensator for overflatemontering har påstemplet 13. Verdien er da: 1) 13pF ) 1pF±3% 3) 1nF 4) 0,1µF 5) Vet ikke. v) Du skal lade et Li-ion (Lithium-ion) batteri. Du bruker da: 1) En konstant strømkilde ) En konstant strømkilde med temperaturkontroll 3) En konstant spenningskilde med spenningsdroppkontroll ( V) 4) En konstant spenningskilde med strømbegrenser 5) Vet ikke w) Vi trenger en glattekondensator til en strømforsyning. Vi velger da en: 1) elektrolyttkondensator ) tantalkondensator 3) plastkondensator 4) papirkondensator 5) Vet ikke.

8 x) Vi har viklet en spole. Den har 0 tørn. Vi måler den til 0 µh. Hvor mange ekstra tørn må vi legge på for at den skal bli 80 µh? 1) 80 ) 60 3) 40 4) 0 5) Vet ikke. y) En motstand på 510Ω (5 o C) har negativ temperaturkoeffisient -00ppm/K. Verdien ved 100 o C blir da ca: 1) 586 Ω ) 518 Ω 3) 50 Ω 4) 433 Ω 5) Vet ikke. 8 OPPGAVE (ca 1%) Signalgenerator med liten forvrengning Forsterker R L Spektrumanalysator En student har laget en effektforsterker og forsøker å måle forsterkerens klirrfaktor ved å benytte en signalgenerator med lav klirr, en lastresistans R L =8 ohm og en spektrumanalysator. Signalgeneratoren stilles inn til å gi 1kHz sinus inn til forsterkeren. På spektrumanalysatorens skjerm avleser han da følgende signaler: Frekvens 1 khz med amplitude 0V Frekvens khz med amplitude 5 mv Frekvens 3 khz med amplitude 18 mv Frekvens 4 khz med amplitude 1 mv Frekvens 5 khz med amplitude 5 mv a) Hvor stor ca. er uteffekten? b) Hvor stor er forsterkerens klirrfaktor da?

9 OPPGAVE 3 (ca 16%) 9 Figuren viser prinsippskisse for en mottaktkoplet klasse B effektforsterker. Data for transistorene Q 1 = MJ840 Q = MJ940, TO3 hus. Termisk resistans krystall til kapsling θ jc =1.17 C/W Termisk resistans kapsling til kjøleplate (inkludert isolasjonsskive) θ cs = 0,4 C/W Metningsspenning U CE sat 1 V U CC >>10V. a) Skissér med samme tidsskala u 1 (t), i C1 (t), i C (t) og u L (t) når inngangsspenningen u 1 (t) er sinusformet med amplitude û 1 = 10V og b) Bestem U CC slik at signaleffekten tilført lasten maksimalt kan bli 100W ved 8 ohm last. Hva blir maksimal tapt effekt i transistorene? c) Transistorene monteres på ei felles kjølefinne. Bestem nødvendig termisk resistans θ sa for kjølefinna, slik at temperaturen inne i transistorene maksimalt kan bli T j =150 C når omgivelsestemperaturen er T a =50 C. d) Vi vil forsøke å spare utlegget til kjølefinne og montere transistorene (med isolasjonsskive) rett på bakveggen i en metallkasse. Bestem nødvendig kasseareal og vurder om dette er en praktisk brukbar løsning.

10 OPPGAVE 4 (ca. 1%) 10 5 mm Hull ytterdiameter 4 mm innerdiameter mm Metallplate 1 mm tykk lengde 6 mm bredde 15mm Massiv plast 0 mm 15 mm Massive «metallbein» 1 mm 1 mm lengde 0 mm, halve lengden stikker ut Tegn gjenstanden som er vist på figuren. Figuren er noe fortegnet. Gjenstanden består av 5 massive deler. Bakplata har et konisk hull som er symmetrisk plassert på den delen som fri fra plastklossen. Plastklossen er limt fast på metallplata. De tre metallbeina er støpt inn i plasten slik at halve lengden er av beina stikker ut (10 mm). Metallbeina er symmetrisk plassert i plasten. Tegn gjenstanden (etter norsk standard) i målestokk 5:1 i to hensiktmessige projeksjoner som er tilstrekkelig for å lage den. Bruk snitt (eller delsnitt) i minst én av projeksjonene. Målsett figuren. Pass på at du får plass til begge projeksjonene på et A4 ark. OPPGAVE 5 (13%) a) Forklar rekkefølgen i monteringsprosessen for et kort som har både hullmontert og overflatemonterte komponenter på den ene siden. Kortet har også overflatemonterte komponenter på den andre siden. Prosessen kan eventuelt illustreres med figurer. b) Fortell om forskjellige målsettingsmetoder (teknisk tegning). c) Vis med figurer hvordan vi kan balansere ut en kabel (linje) for å unngå støy (to metoder). Hvordan virker koblingene? Det var det!

11 1 Elektronikk Eksamensvedlegg OPPGITTE FORMLER: Dioder vd nvt 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 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=1.38a10-3 J/K Uttrykk for støyfaktoren ved enkel støymodell for S ( ) forsterker F = N S ( ) N Gen Last u +( R i ) = 1+ n, ekv G n,ekv 4 k T G RG Bn i Shotnoise/haglstøy fra diodestøygenerator q = 5,56 10 n -10 I DC B n I DC Friis formel F Tot F -1 F 3-1 = F 1+ + G A1 G G A1 A + G F 4-1 G A G A1 A elektronladningen q = 1,6 10 [C]

12 Effektforsterkere: Klasse B pushpull P D = Û π R o L U CC 1 - Û R 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: Høyttaler driftseffekt: Høyttaler følsomhet: Mikrofonspenning for 1 Pa lydtrykk Elektrisk effekt tilført for 96 db SPL 1m foran høyttaleren Lydtrykket (SPL db) målt 1m foran høyttaleren ved 1W påtrykk. Strømspeil Parallellresonanskrets Widlarstrømspeil : 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 Z 0 = = 10π [ Ω] = 377[ Ω], H Φ = B A, B = µ H, d Ui ()= t dt, µ 0 = 4π10-7 [H/m], ε 0 = 8, [F/m] I = H ds 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 C r frekvens

13 Ledningsevne kobber: σ= 5, [S]. l R[ Ω ] =, der A er ledertverrsnitt, l er lengde, σ er ledningsevne, alt i SI enheter A σ 3 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