AVDELING FOR TEKNOLOGI

Transkript

1 AVDELING FOR TEKNOLOGI INSTITUTT FOR ELEKTROTEKNIKK Eksamensdato: 7. mai 003 Varighet: Fagnummer: SO417E Fagnavn: Elektronikk Studiepoeng: 15 Klasse(r): EE ET 3ET 3EE Faglærer: Petter Brækken - tlf , Stein Øvstedal - tlf Hjelpemidler: Kalkulator gruppe 3, skrive- og tegnesaker, egen prosjektrapport Oppgavesettet består: 9 sider Vedlegget består av: 4 sider Merknad: Lykke til OPPGAVE 1 (ca 37%). 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) I en klasse A bipolar transistorforsterker flyter det kollektorstrøm i 1) mindre enn en halv periode ) en halvperiode 3) mindre enn en hel periode 4) hele signalperioden 5) vet ikke b) Hvis forsterkerens uteffekt er 3 mw og tilført DC-effekt er 150mW er virkningsgraden 1) 0 ) % 3) 3% 4) 30% 5) vet ikke c) Å innføre kjølefinner reduserer 1) transistorens tapseffekt ) kollektorstrømmen 3) omgivelsestemperaturen 4) transistorens sjikttemperatur 5) vet ikke

2 d) Målte spenninger: V DD er 15V. Spenningen over R er 4,3V. Transistoren har V TH = 3,1V Figuren viser 1) En utarmingstype (depletion) MOSFET forspent til sperring ) En utarmingstype (depletion) MOSFET forspent som forsterker 3) En anrikningstype (enhancement) MOSFET forspent til sperring 4) En anrikningstype (enhancement) MOSFET forspent som forsterker 5) vet ikke e) I forsterkerkoplingen til venstre måler vi med et meget høyimpedanset voltmeter spenningen V GS = 8,5V. Da er transistorens drainstrøm I D ca. 1) 0,46 ma ) 1,4 ma 3) 3,7 ma 4) 1,8 ma 5) vet ikke f) En forsterkers frekvensrespons er en graf som viser spenningsforsterkningen som funksjon av 1) frekvensen ) utgangseffekten 3) inngangsspenningen 4) utgangsspenningen 5) vet ikke g) U O1 U O.0 V 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 o1 =5V. Så koples inngangene sammen og spenningen,0v tilføres mellom inngangene og jord. Da måler han utgangsspenningen U o = mv. Da er forsterkerens CMRR ca. 1) 8 db ) 6 db 3) 14 db 4) 88 db 5) Vet ikke

3 3 h) Rippelspenningen på utgangen av en spenningsregulator er i forhold til rippelspenningen på inngangen 1) mye mindre ) like stor 3) mye større 4) umulig å tallfeste 5) vet ikke i) En forsterker har ved midlere frekvenser spenningsforsterkningen A m. Ved forsterkerens øvre 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 j) Hvis du ønsker å forbedre høyfrekvensresponsen til en forsterker, bør du 1) redusere koplingskondensatorenes kapasitans ) øke emitter avkoplingskondensatorens kapasitans 3) korte inn lengdene på kretskortes ledningsføring 4) øke generatormotstanden 5) vet ikke k) Spenningsforsterkningen til en gitt forsterker avtar med 0 db pr. dekade over 0 khz. Hvis forsterkningen i midtbåndet er 86 db så er forsterkningen ved 0 MHz 1) 0 ) 00 3) 000 4) ) vet ikke l) I en Wien-bro oscillator er utsignalet en periodisk 1) sinusspenning ) firkantspenning 3) trekantspenning 4) alle tre ovenfor 5) vet ikke m) Kvartskrystaller har svært 1) lav Q-verdi ) høy Q-verdi 3) liten induktans 4) stor serieresistans 5) vet ikke n) For å få høyere utgangsspenning fra en Buck-regulator må en 1) minske regulatorens dutycycle ) øke inngangsspenningen 3) øke regulatorens dutycycle 4) øke svitsjefrekvensen 5) vet ikke

4 o) 4 Skjemaet til venstre viser 1) en Clapp-oscillator ) en Colpitts-oscillator 3) en Hartley-oscillator 4) en T-oscillator 5) vet ikke p) R g U n U g I n R i Støyfri forsterker R L G A u Figuren viser en forsterker der forsterkerstøyen er modellert ved en støystrømgenerator og en støystrømkilde. Forsterkerdata: U n = 0,5 mv innenfor båndbredden 1 Hz I n = 0,1 µa innenfor båndbredden 1 Hz Ekvivalent støyspenning over forsterkerinngangen (innenfor båndbredden 1 Hz) når R g = R i = 10 kω er ca. 1) 0,1 µv ) 5 µv 3) 100 µv 4) 0,5 mv 5) vet ikke q) Ved å innføre negativ tilbakekopling i en forsterker kan en oppnå 1) reduksjon av båndbredden ) reduksjon av inngangsimpedansen 3) øking av den ulineære forvrengning 4) økt forsterkning 5) vet ikke

5 r) Hvilken motstand er hentet fra E1 rekka? 1) 38kΩ ) 48kΩ 3) 58kΩ 4) 68kΩ 5) Vet ikke 5 s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da: 1) 00Ω ±1% ) 0Ω ±1% 3) 100Ω 4) 100Ω ±% 5) Vet ikke. Brun Svart Svart Rød t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 5. fargeringen angir: 1) toleranse ) maksimum arbeidsspenning 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi) 5) Vet ikke. u) En kondensator for overflatemontering har påstemplet 10. Verdien er da: 1) 10pF ) 10pF±% 3) 1nF 4) 10nF 5) Vet ikke. v) En velger et NiMH (nikkel-metallhydrid) -batteri framfor et NiCd (nikkel-kadmium) -batteri fordi det: 1) tåler overlading uten å skades ) har høyere cellespenning 3) er mer miljøvennlig 4) tåler høyere strømbelastninger 5) Vet ikke w) Vi trenger en avkoblingskondensator til et prosessorkort med en 500 MHz prosessor. Vi velger da en: 1) elektrolyttkondensator ) tantalkondensator 3) keramisk kondensator 4) papirkondensator 5) Vet ikke.

6 x) En spole skal høy Q-verdi ved høy frekvens. Vi lager da en spole med: 1) mange tørn ) kjerne med høy µ r 3) forsølvet kobbertråd 4) som er kapslet med mymetall. 5) Vet ikke. 6 y) En kondensator på 1000pF (5 o C) har negativ temperaturkoeffisient -00ppm/K. Verdien ved 50 o C blir da ca: 1) 1005pF ) 1050pF 3) 950pF 4) 995pF 5) Vet ikke. OPPGAVE (ca 13%) 100µF 3-terminal regulatorer 781: Positiv spenning 1 volt 791 Neg. spenning 1 volt 30V JORD DC1 DC 100µF For å skaffe penger til å reise på Roskildefestivalen har du tatt sommerjobb som serviceingeniør i en mindre elektronikkbedrift. En kollega av deg kommer med en strømforsyning som tidligere har vært i orden, men ikke virker lenger og som han ikke har skjema for. Han ber deg å gjøre følgende: a) Tegn koplingskjema for strømforsyningen b) Den observerte feiltilstanden arter seg slik at det ikke er spenning ut på noen av utgangene DC1 eller DC. Angi de (3-4) mest sannsynlige feilårsaker og beskriv hvordan din kollega kan gå fram for å bestemme hvilken av disse årsakene det er som gir feilen.

7 OPPGAVE 3 (ca 1%) 7 IC 1 IC Koplingen i oppgave 3 er tenkt brukt som oscillator. Koplingen rundt IC 1 lengst til venstre i skjemaet er et såkalt "allpassnettverk" og kretsen får VY 1 jωrc transferfunksjonen = V 1 + jωrc X IC er en bredbåndsforsterker med spenningsforsterkning K ganger, uavhengig av frekvensen. Hele koplingen er tenkt brukt som oscillator. a) Hvilken betingelse skal den tilbakekoplede kretsens sløyfeforsterkning (β A) oppfylle for å få oscillasjon med konstant amplitude? b) Ved hvilken frekvens vil koplingen oscillere, hvis K er slik at den kan oscillere? (bokstavuttrykk) c) Hvor stor forsterkning K må IC ha for at kretsen skal kunne oscillere? (tallsvar)

8 OPPGAVE 4 (ca. 1%) 8 Effektforsterkning A p Spenningsforsterkning A u Figuren viser et forsterkeroppsett for PA-bruk ved en utendørskonsert i Duedalen. Ta følgende utgangspunkt: Mikrofonfølsomhet -60 dbv Høyttaler med driftseffekt W, max tillatt tilført effekt over lang tid P max = 400W. Nominell høyttalerimpedans R H = 8 Ω. Høyttaleren plasseres slik at avstanden til tilhørerne i gjennomsnitt er 10m. a) Bestem spenningen fra mikrofonen ved vanlig talestyrke i mikrofonen (lydtrykk 0,06 Pa) b) Bestem maksimalt lydtrykk ved tilskuerplassen når høyttaleren tilføres 400W. c) Beregn nødvendig spenningsforsterkning i forsterkeren dersom talestyrke i mikrofonen skal gi 400W tilført høyttaleren. (Dersom du ikke har funnet mikrofonspenningen ved talestyrke, kan du her anta mikrofonspenning 0, mv). OPPGAVE 5 (ca 1%) a) Tegn gjenstanden som er vist på figuren. Figuren er noe fortegnet. Gjenstanden består av to rettvinklede, massive stykker. Klossen c f e er limt fast til den andre delen. Det er også et hull som er tenkt for å kunne sette en bolt gjennom slik at de to delene ikke kan løsne fra hverandre. Hullet på flaten a d er plassert symmetrisk, diameteren er 1,0 cm og hullet er gjennomgående. Tegn i målestokk 1:. Tegn gjenstanden (etter norsk standard) i to hensiktsmessige projeksjoner som vil være tilstrekkelig for å lage gjenstanden. Målsett figuren. Start med en projeksjon hvor gjenstanden er sett ovenfra (a er ned sett fra leseren). g a b e d c f a = 16,0 cm b = 10,0 cm c = 6,0cm d = 8,0 cm e = 1,0 cm f = 1,0 cm g = 16,0 cm b) Fortell kort om kjedemålsetting og parallellmålsetting. Hvilke fordeler/ulemper har de forskjellige metodene (bruk eventuelt også en skisse for å forklare prinsippene).

9 9 OPPGAVE 6 (ca 14%) a) Forklar på hvilke måter uønsket støy kan komme seg inn i et apparat. På hvilke måter kan vi hindre disse koblingsveiene (forklar). b) Fortell om lading av Li-ion-batterier. c) Du skal lage en spole som skal brukes i en avstemt krets i VHF-området. Fortell hvordan du vil konstruere spolen slik at den blir stabil og får høy Q-verdi. d) Beregn en spole bestående av 8 vindinger i to lag (16 tettviklede vindinger). Diameter på tråden er 1mm. Spoleformens diameter er 8mm. Finn L. Det var det!

10 1 Elektronikk Eksamensvedlegg OPPGITTE FORMLER: 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) Støy: Termisk støy i motstander un = 4 k T R Bn Boltzmanns konstant k=1.38a10-3 J/K Uttrykk for støyfaktoren ved enkel støymodell for S ( ) forsterker F = N S ( ) N Gen Last u +( R i ) = 1+ n, ekv G n,ekv 4 k T G RG Bn Shotnoise/ skuddstøy ved diodestøygenerator i n B n q I DC = 5, I DC Friis formel F Tot F -1 F 3-1 = F 1+ + G A1 G G A1 A + G F 4-1 G A G A1 A elektronladningen q = 1,6 10 [C]

11 Effektforsterkere: Klasse B pushpull P D = Û π R o L U CC 1 - Û R 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: Høyttaler driftseffekt: Høyttaler følsomhet: Mikrofonspenning for 1 Pa lydtrykk Elektrisk effekt tilført for 96 db SPL 1m foran høyttaleren Lydtrykket (SPL db) målt 1m foran høyttaleren ved 1W påtrykk. Strømspeil Parallellresonanskrets Widlarstrømspeil : 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 dt, µ 0 = 4π10-7 [H/m], ε 0 = 8, [F/m] I = H ds Strømforsyning Beregning av transformatortverrsnitt (EI-blikk, maks strømtetthet S=3 [A/mm], maks B=1[T] I L U r = der f r er rippelspenningens frekvens f C r Ledningsevne kobber:σ= 5, [S]. A R[ Ω ] = l σ, der A er ledertverrsnitt, l er lengde, σ er ledninsevne

12 3

13 4