Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag

Transkript

1 Fakultet for teknologi, kunst og design Teknologiske fag Ny/utsatt eksamen i: Elektronikk Målform: Bokmål Dato: 2. august 2017 Tid: 3 timer/ Antall sider (inkl. forside): 5 (inkludert Vedlegg 1 side) Antall oppgaver: 4 Tillatte hjelpemidler: Håndholdt kalkulator som ikke kommuniserer trådløst. Forhåndsgodkjent ordbok. Merknad: Kandidaten må selv kontrollere at oppgavesettet er fullstendig. Ved eventuelle uklarheter i oppgaveteksten skal du redegjøre for de forutsetninger du legger til grunn for løsningen. Besvarelsen skal merkes med kandidatnummer, ikke navn. Bruk blå eller sort kulepenn på innføringsarket. Faglig veileder: Knut Harald Nygaard Utarbeidet av (faglærer): Knut Harald Nygaard Kontrollert av (en av disse): Annen lærer Sensor Instituttleder/ Programkoordinator Instituttleders/ Programkoordinators underskrift: Emnekode: ELTS2100

2 Oppgave 1 Operasjonsforsterkeren i kretsløpet i figuren nedenfor kan regnes som ideell. v ut 2 1 a) Vis at overføringsfunksjonen kan skrives som: H(s)= 1+( 1+ 2 )s 1+ 1 s b) La = 1 μf og finn alle komponentverdiene når det ønskes en inngangsmotstand på 100 kω og en forsterkning ved høyere frekvenser på 10 ganger med en grensefrekvens på 100 rad/s. c) Skisser asymptotisk forløp for H(jω) (db). Husk skalering av aksene. Oppgave 2 En operasjonsforsterker brukes i ikke-inverterende kopling. Det ønskes en spenningsforsterkning lik 10 ganger med en tilbakekoplingsmotstand på 180 kω. Omgivelsestemperaturen antas lik 295 K. a) Tegn skjema for forsterkeren med angivelse av komponentverdier. Midlere støyspenning pr. enhets båndbredde for den benyttede operasjonsforsterkeren er vist i figuren nedenfor. I det følgende antas at ekvivalent støystrøm for operasjonsforsterkeren kan neglisjeres. b) Finn tilnærmet operasjonsforsterkerens ekvivalente støyspenning (referert pluss-inngangen) for frekvensområdet 10 khz til 1 MHz.

3 c) Finn motstandenes støyspenning (referert pluss-inngangen) for samme frekvensområde. d) Finn total støyspenning (referert pluss-inngangen) for forsterkeren (operasjonsforsterker med motstander). e) Finn signal/støy-forholdet når forsterkeren påtrykkes et signal på 10 mv. Oppgave 3 I figuren nedenfor er vist en nett-transformator Tr, en brulikeretter D og en glatte-kondensator. Transformatoren gir ut 18 V (effektivverdi) når laststrømmen er I L = 1 A. Anta et konstant spenningsfall over brulikeretteren på 2 V. Tr D I L a) Finn den verdien på kondensatoren som gir en maksimal størrelse på rippelspenningen (spissspiss) lik 1,6 V. b) Finn midlere spenning over kondensatoren. En regulator med en zenerdiode D og en MOSFET kan realiseres som vist i figuren nedenfor. Vi antar at transistoren har en konstant gate-source-spenning lik 4 V. Spenningen inn på regulatoren er V inn = 24 V, og vi ønsker en utgangsspenning V ut = 19 V når laststrømmen er konstant lik I L = 1 A. I L D V inn V ut 1 c) Finn den zenerspenningen som gir den ønskede utgangsspenningen. Finn størrelsen på 1 når det antas at 5 ma er passe zenerdiodestrøm. d) Anta at transistoren opererer ved en drain-strøm på 0,5 A. Finn størrelsen på når zenerdiodestrømmen antas å kunne neglisjeres. e) Hva er effekttapet i transistoren?

4 Transistoren er festet på en kjølefinne via en isolerende skive med en termisk motstand på 0,5 K/W. For transistoren oppgis en sjikt-kapsel termisk motstand på 1,0 K/W. Maksimal sjikt-temperatur skal ikke overstige 100 ved maksimal omgivelsestemperatur lik 50. f) Finn den termiske motstanden kjølefinnen må ha. Oppgave 4 Operasjonsforsterkeren U i kretsløpet i figuren nedenfor kan regnes som ideell. V I U 1 2 a) Vis at impedansen Z(s) = V(s)/I(s) = + sl, der = og L = 1 2. Tips: Spenningene på pluss- og minus-inngangen på operasjonsforsterkeren er like og det går ingen strøm inn i disse inngangene. Q-verdien for en spole er gitt som Q = ωl/. Vi ønsker en Q-verdi på 1 ved 50 Hz. b) Finn størrelsen på L og for denne Q-verdien når 1 = 2 = 56 kω. c) En kondensator S legges i serie med Z. Tegn skjema for denne kretsen (der Z representeres ved sitt ekvivalentskjema). Finn den størrelsen på S som gir en resonansfrekvens på 50 Hz. d) Hvor stor er motstanden ved resonans (for koplingen i punkt c)?

5 VEDLEGG Filtre: H LP ( s)= ω 0 H s+ω LP (s)= ω s ζω 0 s+ω 0 H HP ( s)= s s+ω 0 H BP ( s)= 2ζω 0 s s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 H HP ( s)= s2 s 2 +2ζω 0 s+ω 0 2 2ζ =1 Q Butterworth: N=1: s n +1 N=2: s n s n +1 N=3:(s n 2 +s n +1)(s n +1) H ( jω) db =10lg[1+(ω/ω 0 ) 2 N ] Normalisering: s n = s Ω 0 n = 0 L n = LΩ 0 0 n = 0 Ω 0 Likeretting: V eff = V spiss 2 V midl = 2V spiss π V rippel = I last t 1 ( Spiss-spiss-verdi) Diode/halvleder: I D =I S e V D n V T r D = n V T I D V T = kt e ( k= J / K,e= ) BJT: I = I S e r e = n V T I E V BE n V T hfe = β= I I B I E =I B + I P =I V E v be =r e i c =r be i b ( r be =β r e ) A ve = v ut = Last r e + E FET: A vs = v ut = Last r s + S = g m Last 1+g m S ( g m = 1 r s ) OPAMP: v ut =A 0 v diff = A 0 (v + v ) A v = A 0 1+ βa 0 = 1 β = Feedback =1+ Feedback Støy: P n =4kTB V n = 4kTB Kjøling: T J T A =P( J + S + SA ) S/N=10 lg P signal P støy v N 2 =v NA i NA S 6dB regel: S / N [db]=6,02 N +1,76(effektivverdi) S/ N [db]=6,02 N+4,77(spissverdi)