UNIVERSITETET I OSLO.

Transkript

1 UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk - naturitenskapelige fakultet. Eksamen i : FY-IN 204 Eksamensdag : 12 juni 1999, Tid for eksamen : Kl Oppgaesettet er på 5 sider. Vedlegg Tillatte hjelpemidler : Logaritmepapir : Lommekalkulator. Lærebok: J.Millman & A.Grable: "Microelectronics". Hefte med tekster til laboratorieøelser. Clark: Physical and Mathematical Tables. Olier & Boyd: Science Data Book. Rottmann: Matematisk Formelsamling. Norsk - Engelsk og Engelsk - Norsk ordbok. Kontroller at oppgaesettet er komplett før du begynner å besare spørsmålene. Oppgae 1. a) Gi en kort forklaring på irkningsmekanismene i en zenerdiode. Tegn opp et spenning / strøm diagram (V D /I D ) for en silisium zenerdiode med V Z = 5,6 i området - 10 olt < V Z < 2 olt. Bruk ruteark. Zenerdioder med V Z > 6olt har positi temp. koeffisient. Zenerdioder med V Z < 6 olt har negati temp. koeffisient. Hilke fysiske irkningsmekanismer opptrer i disse to tilfellene? Tegn opp spenning / strøm diagram (V D /I D ) for en tunneldiode. Ha er spesielt med slike dioder og ha kan de brukes til? b) Se på figur 1. Tegn opp strømmen (I Z ) i zenerdioden som funksjon a inngangsspenningen V i. Beregn eentuelle knekkpunkter på kuren. (V i øker fra 0 til +3 olt) c) Se på figur 1. Tegn opp utgangsspenningen V O som funksjon a inngangsspenningen V i. Beregn knekkpunktene på kuren. (V i øker fra 0 til +6 olt) Bruk ruteark i b) og c) 1,7 KΩ +9olt V i V o β = KΩ V Z = 5,6 olt I Z GND Figur 1 Transistorens strømforsterkning β = 150 Fortsettes side 2.

2 Eksamen FYS-IN Side 2 Oppgae 1d) R I R I R R Til last, Network Figur 1b Figur 1c Figur 1b iser en BJT koplet som en diode. d) Sett opp et uttrykk for strømmen I R gjennom kollektormotstanden R, og relater denne strømmen til kollektorstrømmen og transistorens strømforsterkning β F. Figur 1c iser en strømkilde (current source) eller "strøm-speil" (current mirror). Dette er en type krets som er mye brukt som forspenningselement i analoge integrerte kretser (ICs) men også i forbindelse med ECL-logikk. De to transistorene Q 1 og Q 2 er produsert identiske (Matched characteristics). Hensikten er at kretsen skal kunne leere en relatit konstant strøm til lasten uahengig a strømforsterkningen β til transistorene. e) Bestem Ic uttrykt ed krets-parametrene, β F,, og R f) Beregn for β F = 150 og β F = 300 når = 10olt og R=5kΩ. Oppgae 2. inn 50nF 1kΩ 1kΩ 0.05nF ut Figur 2 a) Figur 2 iser et båndpasfilter. Beregn grensefrekensene og tegn et Bodeplot (frekens og faseforløp) for filteret. (Bruk logaritmepapiret som følger oppgaesettet) Fortsettes side 3.

3 Eksamen FYS-IN Side 3 Oppgae 2 forts. 800kΩ 4kΩ A Vcc = +12 Rg = 4kΩ 200nF LMXXX Sign.gen Vcc = -12 V out c) Figur 1c iser en signalgenerator tilkoplet en operasjonsforsterker (Op.amp.) ia en koplingskondensator på 200nF. Signalgeneratoren har en ekialent indremotstand Rg = 4kΩ. Op.Ampen (LMXXX) har et «Gain Bandwith Produkt» på 1 Mhz. og en råforsterkning A 0DC = Tegn frekensresponsen til signalet ut fra forsterkeren når generatoren arierer (sweeper) frekensen fra 1Hz til 1Mhz. Beregn og/eller resonner deg frem til knekkpunktene (-3dB) for frekensresponsen. Bruk logaritmepapir til tegningen. d) Operasjonsforsterkeren har en slewrate på s = 0,2 olt/µs. Ha blir største signalamplitude (Vp) kretsen kan leere med 180 grader faseskift? (Resoner deg frem til saret.) e) Generatoren leerer et signal med frekens 1kHz. Hor stort blir signalet i punkt A (inerterende inngang) his signalet på utgangen har en amplitude på 1olt.? Oppgae 3. Figur 1c R 1 R c C 2 C 1 R L out in R 2 R E C E Figur 3 iser en enkel transistorforsterker. a) Tegn opp et fullstendig ekialentskjema for kretsen. Tegn deretter opp et ekialentskjema for lae frekenser og små signaler. Forklar horfor enkelte komponenter har blitt utelatt. b) Tegn opp et ekialentskjema for midlere frekenser og små signaler. o Kom fram til et uttrykk for spenningsforsterkningen A = i Fortsettes side 4.

4 Eksamen FYS-IN Side 4 c) Ha forstår du med Miller-effekten og forklar horledes denne irker inn på frekensgangen til forsterkeren. d) Tegn opp et ekialentskjema for høye frekenser og små signaler. Marker spesielt horledes internkapasiteten C µ irker på inngangen. Oppgae 4. 1 kω S 3 kω O Figur 4 R INN R UT Transistoren i Figur 4 har følgende småsignal parametre : g m = 40 ms, β 0 = 150 r 0 = og r b 0. Dette er en emitterfølger (Common collector) hor signalet legges inn på basis og taes ut oer emittermotstanden. a) Tegn opp småsignalekialenten til kretsen. b) Bestem R INN og R UT. c) Ha blir spenningsforsterkningen A V = o / s? Oppgae 5. a) Tegn opp blokkskjema til en 20:1 rippel-teller. Forklar forskjellen på en synkron og en asynkron krets. b) En 125:1 rippelteller bruker en stor NAND-gate i tilbakekoplingen. Hordan ser input til NAND-gaten ut når når telleren skal «nullstilles»? fortsettes side 5

5 Eksamen FYS-IN Side 5 c) J 2 Q 2 J 1 Q 1 J 0 Q 0 K 2 Q 2 K 1 Q 1 K 0 Q 0 Clock figur 5. For den modifiserte ringtelleren i figur 5, anta at i starter med Q 0 = 0, Q 1 = 0, og Q 2 = 1. Lag en tabell for tilstanden til Q 0, Q 1, Q 2, J 2 og K 2 etter her klokkepuls. Hor mange pulser trenges før systemet begynner å operere som en «diide by N» teller. Ha er N?