HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Kandidatnr: Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: 09:00 14:00 Emnekode: EDT0T Emnenavn: Elektronikk Klasse(r): EE ET Studiepoeng: 10 Faglærer(e): Stein Øvstedal, tel ; Herman Ranes, Kontaktperson(adm.)(fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: Vedlegg består av: Kalkulator HP30S eller Citizen: SR70, SR70X, skriveog tegnesaker. 11 sider (med framsida) 3 sider Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstida ut. BOKMÅL 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) Formålet med R1 og R er 1) å begrense inngangssignalet ) å redusere kollektorstrømmen 3) å sette opp spenning over D1 og D 4) å gjøre kretsen mindre temperaturavhengig b) En effekttransistor har termisk resistans mellom krystallet (junction) og kapslinga (case) θ jc = 0,6 K/W. Den er montert på ei kjøleplate med isolasjonsskive med θ cs = 0,5 K/W. Med et effekttap i transistoren på 0 W observerer vi at temperaturen i transistorens kollektor/basis-overgang stabiliserer seg på T j = 15 C når lufttemperaturen rundt kjøleribba er 5 C. Vi kan da slutte at kjøleribbas termiske resistans θ sa er 1) 1,1 K/W ), K/W 3) 3,9 K/W 4) 7,8 K/W c) En effektforsterker har utgangsresistans R o = 0,5 Ω ved en laststrøm på 4 A effektivverdi. Dempningsfaktoren med 8 Ω høyttaler er da: 1) ) 8 3) 1 4) 16 d) En forsterker har følgende data: R inn = 600 kω og R ut = 1 Ω. Spenningsforsterking uten belastning A 0 = 50. U ut Når forsterkeren tilkoples lasta R L = 4 Ω blir spenningsforsterkinga A u = = U inn 1) 1,5 ) 40 3) 50 4) 00

3 e) En forsterker har Bode-diagram som vist til venstre. Dersom denne forsterkeren utstyres med negativ tilbakekopling, vil den kunne komme til å oscillere på en frekvens ca. 1) 1 MHz ) 3 MHz 3) 10 MHz 4) 700 MHz f) I 1 I U 1 kω U 1 00 ms U h 1 for den viste toporten har verdien 1) kω ) 0 3) 5 Ω 4) 400 g) R= 50 MΩ R inn A u = 500 R i = 300 kω Inngangsresistansen R inn til forsterkerkoplinga blir ca. 1) 75 kω ) 100 kω 3) 300 kω 4) 49,99 MΩ 3

4 h) A β Dersom koplinga til venstre oscillerer, er oscillasjonsfrekvensen bestemt av at 1) Re{β Α} = 0 ) Im{β Α} = 0 3) β Α 3 4) β Α 3 i) En forsterker med negativ tilbakekopling har en båndbredde som sammenlikna med det den samme forsterkeren ville ha hatt uten tilbakekopling er 1) mindre ) større 3) den samme 4) større eller mindre, avhengig av koplinga j) R U i C U o Om dette nettverket kan en si: 1) Stoppbandsdempinga endrer seg 0 db/dekade ) Overf.funksjonen er maks. ved frekv. 1/πRC 3) Resonansfrekvensen er 1/πRC 4) Når f 0 vil U o 0 k) En forsterker har ved midlere frekvenser spenningsforsterkinga A m. Ved forsterkerens nedre 3 db grensefrekvens er spenningsforsterkinga ca. 1) 0,500 A m ) 0,63 A m 3) 0,707 A m 4) 1,41 A m 5) Vet ikke l) Hvis du ønsker å forbedre høyfrekvensresponsen til en forsterker, bør du 1) redusere koplingskondensatorenes kapasitans ) øke emitteravkoplingskondensatorens kapasitans 3) korte inn lengdene på ledningsføringa på kretskortet 4) øke generatormotstanden 4

5 m) 0lg H(jω) ω 1 ω ω 3 ω 0dB/dekade 40dB/dekade 60dB/dekade Skissa viser et Bode-diagram av modulen (abs.verdien) til en overføringsfunksjon H(jω) med 1) 1 dominant nullpunkt og andre poler ) 1 dominant pol og andre poler, alle relle 3) 1 dominant pol og komplekskonjugerte poler 4) 3 sammenfallende poler n) For sensitiviteten til en høyttaler gjelder alltid: 1) Den er omvendt proporsjonal med kvadratet av intensiteten ) Den er proporsjonal med driftseffekten 3) Den kan måles i db 4) Den kan måles db/m² o) Dette er karakteristikken for en V o = Utgangsspenning, V s = Inngangsspenning 1) Buck-boost-konverter ) Buck-konverter 3) Boost-konverter 4) Logaritmisk forsterker p) V o = V s D/(1 D). V o = Utgangsspenning, V s = Inngangsspenning, D = Duty cycle Denne ligningen beskriver karakteristikken til en: 1) Buck-boost-konverter ) Buck-konverter 3) Boost-konverter 4) Logaritmisk forsterker 5

6 q) Boost-konverter gir ut en spenning 1) der absoluttverdien alltid mindre enn inngangspenningen ) der absoluttverdien alltid større enn inngangspenningen 3) der absoluttverdien kan være større eller mindre enn inngangspenningen 4) som har motsatt polaritet inngangspenningen r) Hvilken motstand er hentet fra E1 rekka? 1) 19 kω ) 9 kω 3) 39 kω 4) 49 kω s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E1 verdi): 1) 40 Ω ) 400Ω 3) 470 Ω 4) 4700 Ω. t) En motstand har 5 fargeringer som vist til høyre. Den 5. fargeringen (øverst) angir: 1) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi). Rød Gul Svart Svart Fiolett Gul u) En motstand for overflatemontering har påstemplet tallene 474. Verdien er da: 1) 47 kω ) 470 kω 3) 474 Ω 4) 47 Ω, 4%. u) Vi trenger en kondensator for støydemping på en motor (30V). Vi velger da en.. 1) papirkondensator ) elektrolyttkondensator (aluminium) 3) tantalkondensator 4) keramisk kondensator Rød Orange Svart Orange Orange 6

7 w) I en ledning (for eksempel en ledningsbane på et mønsterkort) er induktansen ca 1) 1 µh/cm ) 0,1 µh/cm 3) 0,01 µh/cm 4) 0,001 µh/cm x) Vi har viklet en spole på en ringkjerne. Den har 15 tørn. Vi måler den til 0 µh. Ca. hvor mange tørn skal spolen ha for at den skal bli 80 µh? 1) 60 ) 30 3) 5 4) 0 y) En kondensator på 560 pf (5 C) har negativ temperaturkoeffisient 50 ppm/k. Verdien ved 70 C blir da ca: 1) 540 pf ) 558 pf 3) 56 pf 4) 580 pf 7

8 Oppgave (ca. 10%) PA-FORSTERKER Effektforsterking A p Spenningsforsterking A u Inngangsimp. R i = 47 kω Figuren viser et forsterkeroppsett for taleforsterking utomhus. a) Mikrofonen har sensitivitet 55 dbv, dvs. at 1 Pa lydtrykk genererer spenninga 55 dbv (RMS). Vis at mikrofonspenninga er 107 µv ved vanlig talestyrke (0,06 Pa) i mikrofonen. b) Høyttaleren har driftseffekt 1,6 W, og maks. tillatt tilført effekt over lang tid P = 600 W. Nominell høyttalerimpedans er R H = 8 Ω. Høyttaleren er plassert slik at avstanden til tilhørerne er 0 meter. Hva er lydtrykket på tilhørerstedet dersom effekten inn på høyttaleren er 600 W? c) Regn ut hvor stor spenningsforsterking forsterkeren må ha for at vanlig talestyrke i mikrofonen skal gi 600 W effekt inn på høyttaleren. Hva er forsterkinga i desibel? 8

9 Oppgave 3 (ca. 10%) Figuren under viser ei effektforsterkerkopling. Forsyningsspenningene er symmetriske U CC og U CC. Inngangssignal er u 1 (t) og utgangssignal er u L (t). Gå ut ifra at de to transistorene Q 1 og Q har høg β-verdi og basis/emitterspenningsfall lik 0,7 V. a) Hvilken klasse er denne forsterkeren: A, AB eller B? Begrunn svaret. b) Skisser spenningene u 1 (t), i C1 (t), i C (t) og u L (t). La inngangsspenninga u 1 (t) være sinusforma med amplitude u 1 = 0 V, mens forsyningsspenninga er mye større: U CC >> 0 V. Se bort fra basis/emitter-spenningsfallet i de neste deloppgavene c) Sett forsyningsspenninga til U CC = 10 V. Vis at den største effekten (sinussignal) som kan leveres til lasta (høyttaleren) er P L = 900 W. d) Regn ut det maksimale tapet (dissipert varmeeffekt) i hver av transistorene ved sinuspåtrykk. (Vink: Signalamplituden U o er mindre enn maks. når tapet oppnår dette maksimumet. Det er lov å bruke formelvedlegget.) 9

10 Oppgave 4 (ca. 15%) Måleobjektet er en forsterker du har laget med tradisjonell strømforsyning. Vg R3 50% 1 Vpk 1kHz -0.0kΩ Key=B C1 1µF R SA970 R1 Q1.kΩ kω R SA970 05Ω Q Q11 R7 SA970 D1 1N4148 D 1N kΩ kω R5 1kΩ R6 C µf C3 R8 100pF C4 100µF.kΩ R9.kΩ BC549BP Q3 Q4 BD139 R17 3.9kΩ R3.0kΩ Key=A 50% R16 4.7kΩ D3 1N4148 optional Q10 BC559AP D4 1N4148 R10 C11 100pF C5 100pF 0Ω Q7 Q5 Q9 BC549BP R19 70Ω BD139 BD140 R18 330Ω R1 R0 R11 70Ω R1 330Ω Q6 BD91 470mΩ 5% 470mΩ 5% Q8 BD911 C9.µF R14 10Ω C6 100nF C7 0µF R15 8Ω V1 40 V R4 560Ω R13 0Ω C10.µF C8 0µF V 40 V a) Forklar hvordan du måler utgangsimpedansen ved hjelp av spenningsmålinger, og tegn en måleoppstilling. Forklar om signalnivå, størrelse på eventuelt eksterne komponenter m.m. Sett opp et uttrykk for utgangsimpedansen ved hjelp av det du måler. b) Du har en brulikeretter i strømforsyningen (+/- 40 V). Glattekondensatorene har kapasitansen µf. Du belaster med 3 A. Hvor stor rippel kan du forvente? Du måler større rippel enn forventet. Forklar mulig årsak. Hvor mye effekt kan du regne med at forsterkeren din maksimalt kan levere til en 8 Ω last når du tar hensyn til rippel og spenningsfall i transistorer? Forklar og gjør enkle beregninger. c) Hvilke komponenter bestemmer forsterkningen ved midlere frekvenser? Beregn tilnærmet hvor stor den blir sett fra basis på Q1. Beregn forsterkningen også sett fra midtuttaket på volumkontrollen. Anta inngangimpedans for Q1 er R innq1 = 5 kω. d) Hvilke komponenter bestemmer forsterkerens nedre grensefrekvens? Beregn omtrentlig nedre grensefrekvens. Se bort fra volumkontrollen. e) Forklar hensikten med R11 og R1 (i kollektor på sluttransistorene). Forklar også om hvilestrøm og hensikten med kjøre en gitt hvilestrøm i sluttrinnet. 10

11 Oppgave 5 (ca. 10%) 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 Ω og en spektrumanalysator. Signalgeneratoren stilles inn til å gi 1 khz sinus inn til forsterkeren. På spektrumanalysatorens skjerm avleser han da følgende signaler: Frekvens 1 khz med amplitude 87,0 dbmv Frekvens khz med amplitude 14,0 dbmv Frekvens 3 khz med amplitude 5,1 dbmv Frekvens 4 khz med amplitude 0 dbmv Frekvens 5 khz med amplitude 14,0 dbmv a) Hvor stor ca. er uteffekten? b) Hvor stor er forsterkerens klirrfaktor da? Oppgave 6 (ca. 5%) a) Forklar begrepet immunitetsnivå og emisjonsgrense i EMC-sammenheng. Relater nivåene på disse til immunitetsgrense og emisjonsnivå. b) Du skal avkoble (filtrere) signalet inn på en inngang. Anta at du har et nyttesignal i audioområdet. Inngangsimpedansen er ca. 50 kω. Anta at inngangen er matet med en kilde som har ca. 50 kω kildeimpedans. Signalene du er redd for mistenker du kommer fra mobiltelefon (900 MHz). Du velger en kondensator for å lage et filter. Tegn filterkomponentene (husk kildeimpedansen og inngangsimpedansen) og beskriv egenskapene til filteret. Beregn ca. verdi på kondensatoren dersom du antar at støysignalet må dempes minst 60 db uten at nyttesignalet dempes vesentlig. Beregn omtrentlig maksimal serieinduktans på kondensatoren. Fortell hvordan du vil gjøre det med hensyn på montering. Begrunn hva slags type kondensator vil du velge. 11

12 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 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 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 A3-19 elektronladningen q = 1,6 10 [C] 1

13 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 Z 0 = = 10π [ 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 13

14 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]. 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 14