HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Kandidatnr: Eksamensdato: Varighet/eksamenstid: 09:00 13:00 Emnekode: EDT0T Emnenavn: Elektronikk Klasse(r): EE ET Studiepoeng: 10 Faglærer(e): Stein Øvstedal, tel Kontaktperson(adm.)(fylles ut ved behov kun ved kursemner) Hjelpemidler: Oppgavesettet består av: Vedlegg består av: Kalkulator HP30S eller Citizen: SR70, SR70X, skriveog tegnesaker. 10 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 D1 og D er 1) å begrense inngangssignalet ) å redusere kollektorstrømmen 3) å minske forvrengningen 4) å gjøre kretsen mindre temperaturavhengig b) En høyttaler med driftseffekt W, maks. tillatt tilført effekt over lang tid P max = 100 W. Nominell høyttalerimpedans R H = 8 Ω. Høyttaleren plasseres slik at avstanden til tilhørerne i gjennomsnitt er 10 m. Lydtrykket for tilskuerne blir da ved 100 W: 1) 90 db ) 93 db 3) 99 db 4) 10 db c) En effektforsterker har utgangsresistans R o = 0, Ω ved en laststrøm på 4 A effektivverdi. Høyttalerledningen har en resistans på 0, Ω Dempningsfaktoren med 8 Ω høyttaler er da: 1) 8 ) 16 3) 0 4) 40 d) En forsterker har følgende data: R inn = 600 kω og R ut = 8 Ω. Spenningsforsterking uten belastning A 0 = 300. U ut Når forsterkeren tilkoples lasta R L = 4 Ω blir spenningsforsterkinga A u = = U inn 1) 75 ) 100 3) 150 4) 300

3 e) Kvartskrystaller har svært 1) lav Q-verdi ) høy Q-verdi 3) liten induktans 4) stor serieresistans f) I 1 I U 1 kω U 1 00 ms 50 kω U h for den viste toporten har verdien 1) 50 kω ) 0,0 ms 3) 0 4) 00 ms 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 h) Hensikten med denne koblingen er å 1) generere stor strøm i lasten ) minske impedansen som lasten ser 3) få I C1 og I C mest mulig lik hverandre 4) redusere størrelsen på R 1 3

4 i) I kobling i spørsmål h) er R 1 og R lik 1 kω. Vcc er 0 V. Strømmen I C1 er tilnærmet: 1) 19 ma ) 9,7 ma 3) 0,97 ma 4) Bestemmes av lasten (Load) j) Denne tilbakekoplingen av forsterkeren 1) øker inngangs- og utgangsimpedans ) minsker inngangs- og utgangsimpedans 3) øker inngangsimpedansen og minsker utgangsimpedans 4) minsker inngangsimpedansen og øker utgangsimpedans k) To forsterkere er seriekoblet. Det begge har 0 db forsterkning. Den første har støytall F 1 = db. Forsterker nr. har støytall F = 5 db. Totalt støytall blir da: 1) 10,0 db ) 7,00 db 3),0 db 4),06 db l) Spenningsforsterkningen til en gitt forsterker avtar med 0 db pr. dekade over 0 khz. Dersom forsterkningen i midtbåndet er 86 db, så er forsterkningen ved 0 MHz 1) 0 ) 00 3) 000 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). Denne tilbakekoplede forsterkeren kan muligens oscillere ved frekvensen 1) ω 1 ) et sted mellom ω 1 og ω 3) ω 4) et sted mellom ω og ω 3 n) Lydtrykket er 80 db i en avstand på 4 meter fra kilden. Hva blir lydtrykket 10 meter fra kilden? 1) 76 db ) 7 db 3) 40 db 4) 3 db o) V o = Utgangsspenning, V s = Inngangsspenning Dette er karakteristikken for en 1) Buck-boost-konverter ) Buck-konverter 3) Boost-konverter 4) Logaritmisk forsterker p) Hvilken spenning vil vi få over kondensatoren lengst til høyre når generatoren har en amplitude på V p? 1) 1 V p ) V p 3) 3 V p 4) 4 V p 5

6 q) Buck-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) 6 kω ) 7 kω 3) 8 kω 4) 9 kω s) En motstand har fargeringer som vist til høyre. Motstandsverdien er da (E1-verdi): 1) 560 Ω ) 5600 Ω 3) 110 Ω 4) 1100 Ω. Brun Brun Brun Svart Blå Grønn t) En motstand har 6 fargeringer som vist til høyre. Den 5. fargeringen angir: 1) maksimum arbeidsspenning ) toleranse 3) temperaturkoeffisient 4) multiplikator (for verdi). u) En motstand for overflatemontering har påstemplet tallene 470. Verdien er da: 1) 47 Ω ) 470 Ω 3) 470 k Ω 4) 47 Ω, < 0,1 % toleranse. v) Vi trenger en kondensator for hindre høyfrekvente oscillasjoner på en forsterker. Vi velger da en.. 1) papirkondensator (minimum 10 µf) ) elektrolyttkondensator (aluminium) 3) tantalkondensator (minimum 100 µf) 4) keramisk kondensator 6

7 w) I en ledning (for eksempel en ledningsbane på et mønsterkort) er induktansen ca 1) 1 nh/mm ) 10 nh/mm 3) 100 nh/mm 4) 1000 nh/mm 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 400 µh? 1) 400 ) 00 3) 140 4) 10 y) En motstand på 80 Ω (5 C) har negativ temperaturkoeffisient 50 ppm/k. Verdien ved 100 C blir da ca: 1) 80 Ω ) 817 Ω 3) 789 Ω 4) 513 Ω 7

8 Oppgave (ca. 6%) 30 V rms 50 Hz Bildet viser kretskortet for ei strømforsyning med likeretter, glatting og en enkel 3- terminalregulator med kjølefinne (IC1). Utgangsspenningen skal være +4V DC i punkt 6, det er den imidlertid ikke. Du har ikke skjema for likeretteren, men studerer utlegget og foretar noen målinger. (Jordforbindelsen til C1 vises ikke.) Hva er mest sannsynlig årsak til hvert av feiltilfellene nedenfor? a) Måler null spenning over transformatorens primærvikling b) Utbedrer feilen fra punkt a. Fortsatt ikke riktig utspenning og med et tokanals ACkoplet oscilloskop registrerer vi spenningene vist i figur under. Øverste trace viser nettspenninga m/amplitude 35V (punkt 1) Nederste trace viser spenninga i punkt 4, med amplitude 500mV (husk AC-kopling og ulik vertikalskala på de to kanalene) 8

9 Oppgave 3 (ca. 5%) VCC 0V Rb1 68kΩ Rc 680 Ω C Ug Rg 1kΩ C1 10uF U i Rb 18kΩ Q1 BJT_NPN_VIRTUAL Re 330 Ω 10uF Ce 470uF RL kω U o Bruk disse transistordataene: β = 150, r o = 40 kω, C µ = C cb = 10 pf r x kan neglisjeres. Transistoren har knekkfrekvens f T = 100 MHz. f T gm = π ( C + C ) π µ a) Vis at kollektorstrømmen I C = 8, 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 nytte 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%) Analysér en Buck-omformer med følgende data: V s = 1 V, V o = 3 V, I o = 1 A, f = 5 khz, Komponentverdier: L = 100 µh, C = 1000 µf og ESR = 3 mω Nyttige formler: V o = V s t c /T. Rippelspenning: a) Hva blir duty cycle for kretsen? b) Hvor stor blir rippelstrømmen? c) Hvor stor blir rippelspenningen ut i fra oppgitt formel? Du måler rippelspenningen og det viser seg at den blir mer enn det du har beregnet. d) Forklar hvorfor det blir større rippelspenning, og beregn hvor stor denne blir pga den kondensatoren som er brukt. Oppgave 5 (ca. 7%) a) Forklar begrepet EMC b) Hva er de største fordelene ved å bruke overflatemonterte komponenter i forhold til hullbaserte komponenter i EMC-sammenheng? c) Du skal lage en balansert utgang fra en transistorutgang for eksempel kretsen i oppgave 4. Tegn en skisse og forklar hva slags type kabel du vil bruke. 10

11 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] 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 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 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]. 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