HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Målform: Bokmål Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: Emnekode: Emnenavn: TELE004 Anvendt elektronikk Klasse(r): EE EI Studiepoeng: 0 Faglærer(e): (navn og telefonnr på eksamensdagen) Stein Øvstedal, tel 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) Kalkulator HP30S eller Citizen: SR70, SR70X, skriveog tegnesaker. 5 oppgaver, 0 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 oppgavesettet, skal du gjøre dine egne antagelser og forklare dette i besvarelsen. Lykke til!

2 Oppgave (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 kan ikke bli negativ. Skriv svaret ditt på gjennomslagsarket. a) Hvilken spenning vil vi få over kondensatoren lengst til høyre når generatoren har en amplitude på V p (unipolar)? b) ) V p ) V p 3) 3 V p 4) 4 V p A β Dersom koplinga til venstre oscillerer, må minimum følgende være oppfylt: ) Im{β Α} = 80 ) Re{β Α} 3) β Α< 4) Im{β Α} = 90 c) En høyttaler med driftseffekt W, maks. tillatt tilført effekt over lang tid P max = 00 W. Nominell høyttalerimpedans R H = 8 Ω. Høyttaleren plasseres slik at avstanden til lytterne i gjennomsnitt er 3 m. Lydtrykket for lytterne blir da ved 00 W: ) 89 db ) 9 db 3) 99 db 4) 0 db d) En forsterker har følgende data: R inn = 600 kω og R ut = Ω. Spenningsforsterking uten belastning A 0 = 375. Forsterkeren tilkoples lasta R L = 4 Ω. Høyttalerledningen har Ω impedans. Forsterkning,, målt ved lasten blir da ) 375 ) 300 3) 50 4) 50 e) En koblingskondensator i en AC-koblet transistorforsterker vil ) avgrense frekvensgangen ved lave frekvenser ) avgrense frekvensgangen ved høye frekvenser 3) ikke påvirke frekvensgangen 4) hindre innstråling av uønskede radiosignaler 5) vet ikke

3 f) I I U kω U 00 ms 50 kω U h for den viste toporten har verdien ) kω ) 50 kω 3) 400 4) 00 ms g) R=39 kω R in A u = 00 R i = MΩ Inngangsresistansen R inn til forsterkerkoplingen blir ca. ) 0, kω ) 5 kω 3) 39 kω 4) MΩ 5) vet ikke h) 0lg H(jω) ω ω ω 3 ω -0db/dekade -40db/dekade -0db/dekade Skissa viser et Bode-diagram av modulen (tallverdien) til en overføringsfunksjon H(jω) med ) nullpunkt og pol ) nullpunkt og poler 3) nullpunkt og 3 poler 4) 3 poler 5) vet ikke 3

4 i) En klasse B forsterker med signal, utstyrt 00%, har en virkningsgrad som er ca ) 50 % ) 64 % 3) 78 % 4) 9 % j) Denne kretsen er spesielt egnet til.. ) store strømmer ) små strømmer på integrerte kretser 3) spenningsreferanser 4) gyratorkoblinger k) U O,0V U O En student måler på sin nykonstruerte forsterker med differensiell inngang. Han kopler en balansert signalkilde med amplitude 0, V til inngangen og måler da en utgangsspenning U o = 0 V. Så koples inngangene sammen og spenningen,0 V tilføres mellom inngangene og jord. Da måler han utgangsspenningen U o = mv. Da er forsterkerens CMRR ca. ) 50 db ) 70 db 3) 90 db 4) 00 db l) En «Boost-omformer» gir en spenning som.. ) er mindre enn inngangsspenningen ) er høyere enn inngangsspenningen (valgbar) 3) har motsatt polaritet 4) er et multiplum av inngangsspenningen (kun multiplisert med et heltall) 4

5 m) Hva slags «topologi» har vi i figuren til venstre: ) Serie - Parallell ) Serie Serie 3) Parallell Parallell 4) Parallell Serie 5) vet ikke n) Du får oppgitt at en forsterker kan levere 30 dbm. Dette tilsvarer ) 30 mv ) 30 mw 3) W 4) 30 W 5) vet ikke o) En transformator for lave frekvenser (50 Hz) har jernkjerne. Den har lameller fordi.. ) hysteresetapet skal bli mindre ) virvelstrømtapet skal bli mindre 3) kapasitansen skal bli mindre 4) isolasjonsevnen øker (bedre galvanisk skille) p) Hva er viktigst for skjermvirkningen når vi har en åpning i ei plate: ) Åpningens lengste side ) Åpningens korteste side 3) Åpningens areal 4) Platas tykkelse 5) vet ikke q) Denne koblingen kalles.. ) «Buck Converter» ) et.ordens høypassfilter 3) faseskiftoscillator 4) derivatorkrets r) Hvilken motstand er hentet fra E-rekka? ) 39 kω ) 49 kω 3) 59 kω 4) 69 kω 5

6 s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E-verdi): ) 0 Ω ), kω 3),7 kω 4) 70 Ω. Brun Brun Svart Svart Fiolett Rød t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 6. fargeringen angir: ) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi). u) En motstand for overflatemontering har påstemplet sifra 474. Verdien er da: ) 474 Ω ) 47 kω 3) 470 kω 4) 47 Ω, +/ 4 % toleranse. v) Du bruker en drossel i høyfrekvenskretsen din for å.. ) koble signalet ) kortslutte vekselstrøm til jord 3) lage et arbeidspunkt uten å kortslutte signalet 4) få galvanisk skille. w) I en ledning (for eksempel en ledningsbane på et mønsterkort) er induktansen ca. ) nh/mm ) 0 nh/mm 3) 00 nh/mm 4) 000 nh/mm x) Vi har viklet en spole på en ringkjerne. Den har 00 tørn. Vi måler induktansen til 00 µh. Ca. hvor mange tørn skal spolen ha for at induktansen skal bli 5 µh? ) 5 ) 3 3) 50 4) 7 6

7 y) Vi trenger en kondensator for å lage en oscillator på ca MHz. Vi velger da en: ) elektrolyttkondensator ) tantalkondensator 3) plastkondensator 4) papirkondensator. 7

8 Oppgave (ca. 9%) Figuren nedenfor viser en forsterker U med negativ tilbakekobling. 0 X S V Vpk khz 0 R6 kω 3 0 R7 C uf kω X f U 4 X O a) Tegn opp skjema for midlere frekvenser. b) Skriv opp formel for spenningsforsterkningen for denne kretsen ved midlere frekvenser. Vi antar at forsterkeren (U) har uendelig stor forsterkning A. c) Beregn (lukket sløyfe)- forsterkningen til kretsen, d) Dersom U har endelig forsterkning, A, vil lukket sløyfeforsterkning, A f, bli noe mindre enn i det ideelle tilfellet. Utled et uttrykk for uttrykt ved β og A, der e) Anta A = Beregn β og A f. f) Hvor stor er den nedre grensefrekvens der forsterkningen har sunket med 3 db? g) Hvor stor blir forsterkningen dersom vi sender inn likespenning? 8

9 Oppgave 3 (ca. 5%) U o U i Bruk disse transistordataene: β = 80, r o = 50 kω, C µ = C cb = 0 pf r x kan neglisjeres. Transistoren har transisjonsfrekvens f T = 50 MHz. f T gm = π ( C + C ) π µ a) Vis at kollektorstrømmen I C =,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 = 500 ms, r π = 400 Ω og C π = 600 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 ev. et Bodediagram. 9

10 Oppgave 4 (ca. 9%) a) Beregn ekvivalent termisk støyspenning generert innenfor 00 khz båndbredde i motstandsnettet i figuren til høgre når temperaturen er 300 K. R = 50 MΩ R = 50 MΩ b) Inngang F =? db G =? db F = 6 db G = 3 db Utgang Vi har en forsterker som er satt sammen av to enheter som vist på figuren over. Vi ønsker en total forsterking på 40 db og totalt støytall bedre enn 5 db. Hvor stor forsterking må den første forsterkeren ha? c) Hvilket støytall må den første forsterkeren ha for å oppfylle spesifikasjonen vår? Oppgave 5 (ca. 7%) a) Fortell om forskjellige loddemetoder. Forklar hva slags typer kretskort (overflate- /hullmontering) de vil egne seg for. b) Hva er den største fordelen ved bruk av jordplan i EMC-sammenheng. Forklar. c) Du skal lage en ledningsføring på et kretskort. Det skal gå stor strøm i ledningen. Nevn to faktorer du må ta hensyn til ved dimensjoneringen av ledningsbanen. Forklar. 0

11 Anvendt elektronikk Eksamensvedlegg OPPGITTE FORMLER: Dioder vd n VT Shockleys diodeformel i = I ( e ) 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+) C gm + C = π f π µ T Støy: Termisk støy i motstander un = 4 k T R Bn Boltzmanns konstant k=, J/K Uttrykk for støyfaktoren ved enkel støymodell for S ( ) forsterker F = N S ( ) N Gen Last u +( R i ) = + n, ekv G n,ekv 4 k T G RG Bn i Shotnoise/haglstøy fra diodestøygenerator q = 5,56 0 elektronladningen q =,6 0 9 C n -0 I DC B n I DC F F F 3 4 Friis formel F Tot = F G A G A G A G A G A G A3

12 Effektforsterkere: Klasse B pushpull P Û 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 U i +k U i +k 3 U i 3 Påtrykk U i = A cos ωt gir U o =k 0 +k A /+(k A+3k 3 A 3 /4) cos ωt + (k A /) cos ωt + (k 3 A 3 /4) cos 3ωt Påtrykk U i = A cos ω t + A cos ω t gir utsignal av formen U o = c 0 + c cos ω t + c cos ω t + c 3 cos ω t + c 4 cos ω t + c 5 cos 3ω t + c 6 cos 3ω t + c 7 cos(ω +ω )t + c 8 cos(ω -ω )t + c 9 cos(ω +ω )t + c 0 cos(ω -ω )t + c cos(ω +ω )t + c cos(ω -ω )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 Pa lydtrykk Høyttaler driftseffekt: Elektrisk effekt tilført for 96 db SPL m foran høyttaleren Høyttaler følsomhet: Lydtrykket (SPL db) målt m foran høyttaleren ved W påtrykk. Strømspeil Widlarstrømspeil : Parallellresonanskrets Resonansfrekvens : I I o RE =U T ln ( I f o = π LC ref o ) Resonansimpedans : R p = QX L Oscillatorer Trepunktskopling X og X samme fortegn, X 3 motsatt fortegn av X og X Toportparametere I = y U + y U U = z I + z I U = h I +h U I = y U + y U U = z I + z I I = h I + h U EMC Frittromsimpedansen / free space impedance E Z0 = = 0 π Ω = 377 Ω, H Φ = B A, B = µ H, d Ui ( t) = Φ dt, µ 0 = 4π0-7 H/m, ε 0 = 8, F/m I = H ds

13 Strømforsyning Beregning av transformatortverrsnitt (EI-blik basis; maks strømtetthet S=3 A/mm, maks B= 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= 5,8 0-7 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 A V A V 3