UNIVERSITETET I OSLO.

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk - naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i : FY-IN 204 Eksamensdag : 18 juni 2002 Tid for eksamen : l Oppgavesettet er på 5 sider. Vedlegg Tillatte hjelpemidler : Logaritmepapir : Lommekalkulator. Lærebok: J.Millman & A.Grable: "Microelectronics". Clark: Physical and Mathematical Tables. Rottmann: Matematisk Formelsamling. Norsk - Engelsk og Engelsk - Norsk ordbok. ontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1. Figur 1 LMxxx Figur 1 er hentet fra en PSpice simulering. Operasjonsforsterkeren er tilkoplet to globale spenningskilder V+ og V- på henholdsvis +12v og 12v. Spenningskilden V3 sveiper frekvensområdet fra 1Hz til 10 MHz. Signalamplituden (v peak ) til V3 er 100 mv. R1 = R3 = 10 kω. R2 = 100 kω. C1 = 100 nf. Operasjonsforsterkeren har et Gain-Band-Width produkt (GBW) på 10 MHz og slewrate S = 0, 1 volt / µ s Vut a) Hvor stor spenningsforsterkning har kretsen for midlere frekvenser A m =? V 3 Hvor mange db er forsterkningen? Hvor mange volt (Root Mean Square) RMS er V UT?

2 Eksamen FY-IN Side 2 b) På inngangen til operasjonsforsterkeren har vi et frekvensfilter. Tegn opp filteret hva slags filter er dette (høy-pass eller lav-pass)? Beregn knekk-frekvensen (-3 db punktet) for filteret. Hvor stort er faseskiftet i dette punktet? Hva er faseskiftet ved 2 Hz? (krever ikke numerisk beregning men en fornuftig argumentasjon for svaret) c) Tegn opp et Bodeplot som viser forsterkning, frekvens og faseforløp for hele kretsen (filter + operasjonsforsterker) for 1 Hz til 10 MHz. Bruk logaritmepapir. Hva er båndbredden (BW) til kretsen? Med utgangspunkt i Bodeplot : Hvor stort faseskift har vi ved 4 khz? d) Hvor stor signalspenning (Peak voltage) kan forsterkeren levere uten forvrengning ved 10 khz? Hva blir høyeste signalfrekvens kretsen kan levere med fasedreining og hva blir største uforvrengte signalspenning for denne frekvensen? e) Du skal bygge en forsterker (ikkeinverterende) ved hjelp av en operasjonsforsterker. ravene til forsterkeren er som følger: Forsterkning 40 db og ingen fasedreining ved 40 khz. Tegn opp forsterkeren og sett på aktuelle motstandsverdier. Tegn opp et diagram som viser forsterkning (db) som funksjon av frekvens. Bruk logaritmepapir. f) Det siste kravet til forsterkeren er at signalet ikke skal være forvrengt ved 40 khz selv med signalspenning (Peak voltage) på 4 volt. Du skal bestille en egnet operasjonsforsterker. Hvilke krav må du stille til Gain-Band-Width produkt (GBW) og slewrate?

3 Eksamen FY-IN Side 3 Oppgave 2. Figur 2 viser forspenningsnettverket til en NPN transistor med β=100. Vcc = 15 volt a) Tegn opp Thevenin - ekvivalenten til forspenningen av basis. Beregn emitter-, basis- og kollektor-strømmene (I E, I B og I C ) b) Hva blir spenningene på emitter (V RE ), kollektor (V C ) og på basen, (V B )? c) Tegn opp småsignal ekvivalentskjema til kretsen. Tegn så opp en ny figur som viser ekvivalentskjema for høye frekvenser. Argumenter for de endringene du gjør. d) Gjør kort greie for Miller-effekten og betydningen denne har for forsterkningen ved høye frekvenser. e) Hvor stor er forsterkningen for midlere frekvenser? Oppgave 3. a) Gi en kort forklaring på virkemåten til en zenerdiode. Tegn opp et diagram som viser sammenhengen mellom spenningen over zenerdioden V D og strømmen gjennom dioden. I diagrammet lar du aksen for diodespenningen V D dekke området 8 volt til +1 volt. Zenerspenningen er 5,6 volt. Hva er spesielt med en slik zenerdiode på 5,6 volt? b) Gi en kort forklaring på hvorfor halvledere av Silisium (Si) foretrekkes framfor halvledere av Germanium (Ge). Tegn opp strøm/spennings - karakteristikken for en Si-diode og en Ge-diode i samme diagram. Oppgave 3 forts. side 4

4 Eksamen FYS-IN Side 4 c) Man arbeider stadig for å finne nye halvledermaterialer. (Siliciumcarbide og Galliumnitride er slike materialer, begge med band gap, E G > 3eV). Hva er det man ønsker å oppnå ved å bruke disse nye materialene? d) Hva er spesielt med en tunneldiode? Gi en kort forklaring med henvisning til en tegning over strøm/spennings - karakteristikken. e) Figur 3A viser en zenerstabiliserende krets. Først lar vi V INN = 10 volt mens vi varierer R 2 fra 0 kω til 10 kω. Tegn opp et diagram som viser V UT som funksjon av R 2. Til slutt lar vi R 2 = 1kΩ mens vi varierer V INN fra 0 volt til 10 volt. Tegn opp et diagram som viser V UT som funksjon av V INN. Marker knekkpunktene på kurven. R 1 =1k V INN = 10v V Z = 4 v R 2 =1k V INN GND Figur 3A R 2 f) Hvor stor er strømmen gjennom zenerdioden i figur 3 når R 1 = R 2 = 1kΩ og V INN = 10 volt? g) Se på figur 3. Tegn opp utgangsspenningen V O som funksjon av inngangsspenningen V i. Beregn knekkpunktene på kurven. (V i øker fra 0 til +6 volt) Bruk ruteark. 1,7 Ω +9 volt V i V o β = Ω V Z = 5,6 volt GND Figur 3 I Z Transistorens strømforsterkning β = 150

5 Eksamen FYS-IN Side 5 Oppgave 4 a) Hva er forskjellen på en asynkron og synkron krets? b) Vi skal lage en 20:1 rippelteller. Hvor mange FLIP-FLOPS trenger vi, og hvorledes kan disse sammenkoples. Du skal bruke J--FLIP-FLOP. Hvorfor bør det være en latch i tilbakekoplingen til CLEAR-inngangene på FLIP-FLOPene? c) Figur 4 viser en teller. Skriv en tabell som viser utgangene 0, 1, 2 og 3 etter hver klokkepuls. Telleren starter med alle =0. Hvis ingen forbindelse er vist til en J eller inngang så betyr dette at inngangen er høy Clock J 0 0 J 1 1 J 2 2 J 3 3 Figur 4