HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: Emnekode: Emnenavn: EDT0T Anvendt elektronikk Klasse(r): EE EI Studiepoeng: 10 Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Kontaktperson(adm.) (fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: (antall oppgaver og antall sider inkl. forside) Vedlegg består av: (antall sider) Herman Ranes tel (Stein Øvstedal, tel ) Kalkulator HP30S eller Citizen: SR70, SR70X, skriveog tegnesaker. 5 oppgaver, 10 sider (med framsida) 3 sider Merknad: Oppgaveteksten kan beholdes av studenter som sitter eksamenstiden ut. NB! Les gjennom hele oppgavesettet før du begynner arbeidet, og disponer tiden. Dersom noe virker uklart i oppgavsettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. 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) Du skal beregne minimum vekselspenning V rms (50 Hz) ut fra en transformator for å være strømforsyning til en forsterker (Klasse B) som skal levere 100 W ut til en 8 Ω s last. Se bort fra tap. Spenning målt mellom midtuttak og ene siden av transformatoren blir da 1) 1 V rms ) 0 V rms 3) 8 V rms 4) 40 V rms b) Anta at strømmen (I op, I on ) som trekkes i fra likeretteren som vist i koblingen i oppgave a) er A. Kondensatorene C = [µf]. Rippelspenningen blir da: 1) 1 V ) V 3) 4 V 4) 8 V c) En høyttaler med driftseffekt 1 W, maks. tillatt tilført effekt over lang tid P max = 00 W. Nominell høyttalerimpedans R H = 8 Ω. Høyttaleren plasseres slik at avstanden til tilhørerne i gjennomsnitt er 16 m. Lydtrykket for tilskuerne blir da ved 00 W: 1) 90 db ) 95 db 3) 99 db 4) 10 db

3 d) En forsterker har følgende data: R inn = 600 kω og R ut = 1 Ω. Spenningsforsterking uten belastning A 0 = 375. U ut Når forsterkeren tilkoples lasta R L = 4 Ω blir spenningsforsterkinga A u = = U inn 1) 75 ) 94 3) 150 4) 300 e) Figuren viser et utsnitt av en transistorkobling og kontrollmålinger av DC-spenningen mot jord tre steder i kretsen. Transistoren har tilkoblingspinnene merket. Hvilket av utsagnene nedenfor til høyre er med stor sannsynlighet korrekt? 1) Hele koblingen er i orden ) Transistoren er defekt, ledningsføring og andre komponenter i orden 3) Transistoren og ledningsføringen er i orden, men motstanden tilkoblet 10V er kortsluttet 4) Transistoren og andre komponenter er i orden, men det er et brudd i ledningsføringen eller i en lodding. 5) Vet ikke f) I 1 I U 1 kω U 1 00 ms 50 kω U h 1 for den viste toporten har verdien 1) 50 kω ) 5 3) 400 4) 00 ms 3

4 g) R=10 kω R in A u = 00 R i = 1 MΩ Inngangsresistansen R inn til forsterkerkoplingen blir ca. 1) 50 Ω ) 5 kω 3) 100 kω 4) 1 MΩ 5) vet ikke h) Hensikten med denne koblingen er å lage 1) en integrator ) et filter 3) en oscillator 4) en konstant spenningskilde (DC) i) Varmetapet i transistorene for en klasse B forsterker er størst ved ca 1) 50 % utstyring ) 64 % utstyring 3) 80 % utstyring 4) 100 % utstyring j) R = 14,4 kω. Dimensjoner R 3 slik at I o blir ca 100 µa. R 3 blir da 1) 140 kω ) 14,4 kω 3) 7 kω 4) 0,6 kω 4

5 k) To forsterkere er seriekoblet. Begge har 10 db forsterkning. Den første har støytall F 1 = 1,9 db. Forsterker nr. har støytall F = 6 db. Totalt støytall blir da: 1) 11,4 db ) 7,90 db 3),66 db 4),40 db l) Figur 1 Figur Ui Forsterker Uo1 Ui Forsterker Uo RL En student har bygd en høykvalitets 50 W lydforsterker og ønsker å finne forsterkerens utgangsimpedans (utgangsresistans). Med måleoppstillingen i figur 1 måler han med innsignal Ui = 50 mv utspenningen U o1 =,00 V. Med samme innspenning måler han i oppstillingen i figur U o = 1,7 V når lastresistansen R L = 1 Ω Forsterkerens utgangsresistans er da ca. 1) 0,08 Ω ) 0,16 Ω 3) 1,6 Ω 4) 3,6 Ω 5) vet ikke m) 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 5) vet ikke n) Ved å innføre negativ tilbakekopling i en forsterker oppnår en alltid 1) bedre fasemargin ) reduksjon av ulineær forvrengning 3) reduksjon av inngangsimpedansen 4) større forsterkning 5) vet ikke o) Du skal lage en spole for høye frekvenser (> 50 MHz) med kjerne. Du velger da 1) en jernkjerne med tynne blikk ) en kjerne av ferritt 3) en jernpulverkjerne 4) en Permalloykjerne 5

6 p) Du har et kretskort med jord- og spenningsplan (100 mm 160 mm). Avstand mellom planene er 0,4 mm. Anta ε r = 4. Kapasitansen mellom planene er da ca 1) 1,4 pf ) 140 pf 3) 1,4 nf 4) 1,4 µf q) Buck-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 er lik inngangspenningen, men med motsatt polaritet r) Hvilken motstand er hentet fra E1-rekka? 1) 46 kω ) 47 kω 3) 48 kω 4) 49 kω s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E1-verdi): 1) 0 Ω ) 00 Ω 3) 110 Ω 4) 1100 Ω. Brun Brun Svart Svart Rød Rød t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 6. fargeringen angir: 1) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi). u) En motstand for overflatemontering har påstemplet tallene 105. Verdien er da: 1) 105 Ω ) 105 kω 3) 1 MΩ 4) 10 Ω, +/ 5 % toleranse. 6

7 v) En spole skal ha høy L-verdi. Vi lager da en spole med: 1) kryssvikling ) mange seksjoner 3) forsølvet kobbertråd 4) kjerne med høy µ r w) I en ledning (for eksempel en ledningsbane på et mønsterkort) er induktansen ca 1) 1 nh/m ) 10 nh/m 3) 100 nh/m 4) 1000 nh/m x) Vi har viklet en spole på en ringkjerne. Den har 100 tørn. Vi måler den til 00 µh. Ca. hvor mange tørn skal spolen ha for at den skal bli 50 µh? 1) 5 ) 31 3) 50 4) 71 y) En kondensator på 1000 pf (5 C) har negativ temperaturkoeffisient 00 ppm/k. Verdien ved 0 C blir da ca: 1) 1005 pf ) 1050 pf 3) 950 pf 4) 995 pf 7

8 Oppgave (ca. 6%) Dette er skjemaet for en integrert krets, operasjonsforsterker av type 741. a) Identifiser to forskjellige typer strømspeil som inngår i forsterkeren og angi i hvert tilfelle hvilke transistorer og motstander som inngår. b) Identisfiser to strømbegrensere i kretsen ved å angi transistorene (Q pluss tall). 8

9 Oppgave 3 (ca. 5%) VCC 0V Rb1 56kΩ Rc 560Ω C Rg 1kΩ C1 10µF Q1 10µF BJT_NPN_VIRTUAL RL 1.8kΩ U o Ug U i Rb kω Re 330Ω Ce 470µF Bruk disse transistordataene: β = 50, r o = 40 kω, C µ = C cb = 8 pf r x kan neglisjeres. Transistoren har transisjonsfrekvens f T = 100 MHz. f T gm = π ( C + C ) π µ a) Vis at kollektorstrømmen I C = 1,5 ma og finn transistorens g m, r π og C π b) Bruk hybrid π-ekvivalent og tegn småsignalekvivalentskjema for forsterkeren ved midlere frekvenser, for lave frekvenser og for høye frekvenser. Dersom du ikke greidde å finne tallverdier for g m, r π og C π under pkt. a, kan du videre i oppgaven bruke disse verdiene: g m = 300 ms, r π = 500 Ω og C π = 500 pf. c) Finn spenningsforsterkingen A um = U o /U i og A km = U o /U g ved midlere frekvenser. d) Omform ekvivalentskjemaet for høye frekvenser ved å «flytte» C µ, og finn de nye kapasitansverdiene. Bruk Millers teorem. e) Finn en tilnærmet verdi for øvre grensefrekvens f Hk for A k = U o /U g ved å finne separate øvre knekkfrekvenser for inngangssida og utgangssida. Skisser evt. et Bodediagram. 9

10 Oppgave 4 (ca. 1%) +10 V B = 1 MHz ved T = 7 ºC Alternative støymodeller for diode: I qi DC B = rd kt qi = rd DC U = kt = qi D DC ktr B a) Beregn termisk støyspenning for motstanden R b) Beregn haglstøystrømmen for dioden c) Beregn dynamisk motstand r D for dioden. d) Tegn en Thevenin-ekvivalent for støykildene slik at de kan summeres. Vi antar at +10 V er jord i en høyfrekvensmodell. e) Beregn total støyspenning over dioden. Begrunn svaret.tips: Kildene er uavhengige. f) Vis sammenhengen mellom de to støymodellene. Tips: Norton, Thevenin. Oppgave 5 (ca. 7%) a) Forklar begrepet EMC b) Du har åpninger i et kabinett for lufting. Forklar to metoder for hvordan du kan redusere eller unngå uønsket inn- og utstråling gjennom åpningene. c) Forklar fordeler og ulemper med koaksialkabel med tanke på innstråling av støy. 10

11 Anvendt 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, V A : Early voltage 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 elektronladningen q = 1, C 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 11

12 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 Z0 = = 10 π 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 1

13 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/m. 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 13