Forslag til løsning på eksamen FYS1210 V-2007 ( rev.2 )

Transkript

1 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V-2007 ( rev.2 ) Oppgave Figur a viser et nettverk med et atteri på 24 volt og 4 motstander. R = 3kΩ, R2 =,5 kω, R3 = 9 kω, R4 = 3 kω a) Hva er spenningen i punktene AA og BB målt i forhold til jord (GND)? AA = 8v BB = 6v ) Hvor stor er strømmen ut fra atteriet? Itotal = 7,33 ma Figur viser det samme motstandsnettverket som figur a, - men atteriet er splittet i 2 separate enheter, V og V2, hver på 2 volt. Mellom atteriene står 2 silisiumdioder D og D2. c) Hva lir spenningen i punkt DD og CC målt i forhold til jord (GND)? Hver av silisiumdiodene tar 0,7 volt. Spenningen i DD = 2v,4v = 0,6 volt Spenningen i CC = 24v,4v = 22,6volt. Figur c viser et nettverk med et atteri på 24 volt, 4 motstander R = 3 kω, R2 =,5 kω, R3 = 9 kω, R4 = 3 kω ( så langt er kretsen identisk med oppgave a ) men i tillegg har vi satt inn 2 silisiumdioder D3 og D4. d) Hva er spenningen i punktene AA og BB målt i forhold til jord (GND) AA = 8 v BB = 0,7 v e) Hva er strømmen gjennom R4? I R4 = 0,2 ma f) Hvor stor er strømmen gjennom D4? I D4 = 5,3 ma I R = 2mA I R2 = 5,5mA g) Hvor stor er strømmen ut fra atteriet? I total = 7,5 ma

2 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V-2007 side 2 Oppgave 2 Figur 2 viser et frekvensfilter med tilhørende operasjonsforsterker. Operasjonsforsterkeren LM324 har et GBW-produkt på MHz. (Unity gain) DC - spenningsforsterkning 00dB. Slewrate til forsterkeren er 0,5v/µs 2a) Er dette et høypass -, lavpass - eller åndpass - filter? Lavpass-filter 2) Hvor stor forsterkningen har kretsen for DC-spenninger og hva lir denne R3 30k forsterkningen omregnet i db? Av = + = + = 4 R2 0k Av(dB) = 20 log 4 = 20 0,6 = 2 db 2c) Tegn frekvensresponsen til kretsen i frekvensområdet 0kHz Knekkfrekvensen : 20-3dB 6 Hz 00 f H = = = 6 Hz 4 6 2π R C 6, , Hz 0Hz 00Hz.0KHz 0KHz DB(V(Vut)) Frequency

3 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V-2007 side 3 2d) Vi ytter om på R og C3 Denne nye kretsen vil sammen med operasjonsforsterkeren danne et frekvensfilter. Hva slags filter (høypass -, lavpass eller åndpass)? - Vi får et åndpassfilter. R og C3 danner et høypassfilter. Operasjonsforsterkren kutter de høye frekvensene responsen faller med 20dB pr dekade (GBW = MHz) Tilsammen danner de et åndpasfilter. 2e) Tegn frekvensresponsen til kretsen i frekvensområdet Hz til MHz. Bruk logaritmepapiret som følger oppgaven Marker tydelig knekkpunkt(er) 00 f L = = = 6 Hz Øvre knekkpunkt kan finnes grafisk 4 6 2π R C 6, ,28 trekk en rett linje som faller med 20d pr. dekade eller 6 db pr. oktav - la denne gå igjennom 0dB ved GBW = MHz Der denne linja skjærer responsen for midlere frekvenser ( 2dB) har vi øvre knekkpunkt. Dette skjer ved ca 250 KHz - dvs. 2 oktaver under MHz. ( ) dB 6 Hz -3dB 250 KHz Hz 0Hz 00Hz.0KHz 0KHz 00KHz.0MHz DB(V(Vut)) Frequency 2f) Hvor stor signalamplitude (Vp) kan vi få ut fra kretsen uten at signalet lir forvrengt ved 0 khz? s 0, 5 0 V P = = 8 volt 4 2 π f 6,

4 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V-2007 side 4 Oppgave 3 Oppgave 3 er hentet fra Laoratorieoppgave # 4. 3a) Figur 3 viser en DTL - port.. (Diode Transistor Logikk = DTL) Hva lir spenningen Vut hvis egge inngangene ( input A og input B) ligger uten tilkopling? (som vist på figuren) ( 0, volt) og hva lir spenningen på asis til transistor Q? (0,7 volt) Det er forindelse fra GND (jord) opp gjennom motstand R3 D4 D3 R2 til +5 volt. Spenningen over R3 er tilstrekkelig til å løfte asis på Q til 0,7volt. Q vil lede og spenningen ut vil ligge lavt under 00mV. Transistoren Q er i metning saturation. 3) Hva er spenningen i punktet CC ( mellom diodene D3 og D4 )? Spenningen i punktet CC = asespening (0,7v) + diodespenning D4(0,7v) =,4volt (ca) ( hvis du simulerer kretsen og ruker komponenter som N448 og 2N2222 vil du finne at spenningen lir ca,3volt) 3c) Hva lir spenningen Vut hvis input A koples til +5volt og input B fortsatt er uten tilkopling? Med +5v på A endres ikke situasjonen fra 3a) Dioden D er forspendt i sperreretning. Spenningen ut vil fortsatt ligge lavt under 00mV. Transistoren er i metning saturation. 3d) Hva lir spenningen Vut hvis input B koples til jord ( 0 volt ) og input A samtidig holdes på +5volt? SpenningenVut = 5 volt. Spenningen i knutepunktet mellom D2 og D3 lir 0,7 volt. Dette er ikke nok til å løfte asis på Q opp til 0,7volt. Transistoren er cutoff. 3e) Hvilken type logisk port er dette? ( OR, NOR, AND eller NAND ) Dette er en NAND-port

5 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V side 5 Oppgave 4 Figur 2 viser et normalt forspenningsnettverk rundt en ipolar transistor. Transistoren har en strømforsterkningen β = 00 a ) Tegn opp Thevenin ekvivalenten for forspenningen av asis. Figur 2 ) Beregn størrelsen på Thevenin spenningen, V TH og Thevenin motstanden R TH. R2 0 V = V = 20 volt = 2, 56 volt TH CC R + R R R R TH = R R = = kω = 8, 7kΩ 2 R + R c ) Transistoren har en strømforsterkningen β = 00 Hva lir hvilestrømmen ( I CQ ) til transistoren i denne koplingen? Vis eregningen. Beregner først asestrømmen ut fra Kirchhoffs lov ; Summen av spenningene i kretsen rundt asis må være null. V TH ( R ( ) ) = i R + V + V 2,56= i 8,7 + 0,7 + i β + TH BE RE (, 0) = i (8,7 + ) 0, 7 2,56 i 8,7 + 0,7 + i + = 2,57 0,7,9 2,56 = i (8,7 + ) + 0,7 i = ma 6 µ A 8, Basestrømmen i =6 µa med en strømforsterkning på 00 lir hvilestrømmen ( I CQ ) = 6 µa 00 =,6 ma E

6 Forslag til løsning på eksamen FYS20 V-2007 side 6 d ) Hvis hvilestrømmen ( I CQ ) er,5ma Hva lir transkonduktansen g m og inngangsmotstanden r π til transistoren? (småsignalparametere) ( Husk strømforsterkningen β = 00 ) IC,5mA β β VT 00 25mV gm = = = 60mS rπ = = = =,67kΩ V 25mV g I,5mA T m RC 6k e ) Hvis RC = 6 kω. Hvor stor er spenningsforsterkningen? A v = 5, 5 RE. k f ) Hvis RC = 6 kω og vi setter en stor kondensator over motstanden RE. Hva lir nå forsterkningen? Av = gm RC = 60 ms 6kΩ = 360 Spenningsforsterkning A V = 360 C omregnet til db 20 log A v = 20 2, 55 = 5dB g ) Tegn opp småsignal -ekvivalenten til kretsen. (ta med interne kapasiteter) Forklar kort hva forstår du med Miller effekt? ( NB. Kort forklaring! ) h) Motstanden r kan godt fjernes den er liten i forhold til r π. Kapasiteten Cµ kan legges parallell med Cpi men da med en verdi som er (A+) ganger større. Re.: Miller effekt. Millerkapasiteten Cm = Cu ( A + ) Denne egrenser transistorens øvre grensefrekvens.