UNIVERSITETET I OSLO. Det matematisk - naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i : FY-IN 204 / FY108 Eksamensdag : 16 juni 2003 Tid for eksamen : Kl.0900-1500 Oppgavesettet er på 5 sider. Vedlegg : Logaritmepapir Tillatte hjelpemidler : Lommekalkulator. Lærebok: J.Millman & A.Grable: "Microelectronics". Clark: Physical and Mathematical Tables. Rottmann: Matematisk Formelsamling. Norsk - Engelsk og Engelsk - Norsk ordbok. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgave 1. v inn R1 v ut R 3 Figur1a a) Vi skal konstruere en inverterende forsterker som vist på figur 1a. Vi ønsker en forsterkning på 20dB og kretsen må ha en inngangsimpedans på 20 kω. Beregn motstandsverdiene R1, R2 og R3. Vi fjerner R3 og kopler + inngangen direkte til jord. Hvordan vil dette kunne påvirke utgangssignalet? b) Operasjonsforsterkeren har en slewrate på 2 V/µs. Forsterkeren skal brukes for frekvenser opp til 100 khz. Hva er største signalamplitude (v inn ) som kan tilføres inngangen uten at utgangssignalet (v ut ) forvrenges. Vis utregningen. c) Forsterkeren har et Gain BandWidth product - GBW på 1MHZ. Tegn et Bodeplot som viser forsterkning, frekvens og faseforløp til kretsen når forsterkningen skal være 20dB. - hva blir faseskiftet for 100kHz? Hva er høyeste frekvens forsterkeren kan gjengi uten fasefeil? Bruk logaritmepapir som følger oppgavesettet.
Eksamen FY-IN 204 / FY 108 2003 Side 2 d) Kom frem til et uttrykk for utgangsspenningen v o til kretsen i Figur 1b. VD/ ηvt I denne oppgaven setter vi diodestrømmen til id = Ise og lar inngangsspenningen vi være positiv i forhold til jord. Forsterkeren regnes som ideell. Hva kan en slik krets brukes til? R Figur 1b v i v o e) Vi snur dioden i figur 1b slik at anoden vender inn mot operasjonsforsterkeren. v i er positiv i forhold til jord. katode anode Motstanden R = 4,7 MΩ og v o = 0,5volt. Hvor stor er diodens reversstrøm? Hvordan stemmer dette med den teoretiske verdi I s for silisiumdioder? Kan du gi en forklaring på hvorfor det kan være så stor forskjell mellom teori og praksis? f) Tegn opp strøm/spennings - karakteristikken for en Si-diode og en Gediode i samme diagram. (V D -2volt til +2volt) Man arbeider stadig for å finne nye halvledermaterialer. (Silicium carbide og Gallium nitride er slike materialer, begge med band gap, E G > 3eV). Hva er det man ønsker å oppnå ved å bruke disse nye materialene? g) Hva er spesielt med en tunneldiode? Gi en kort forklaring med henvisning til en tegning over strøm/spennings - karakteristikken. h) Figur 1c viser en zenerstabiliserende krets. Først lar vi V INN = 10 volt mens vi varierer fra 0 kω til 10 kω. Tegn opp et diagram som viser V UT som funksjon av. Til slutt lar vi R2 = 1kΩ mens vi varierer V INN fra 0 volt til 10 volt. Tegn opp et diagram som viser V UT som funksjon av V INN. Marker knekkpunktene på kurven. R 1 =1k V INN = 10v V Z = 5,6 v =1k V INN GND Figur 1c
Eksamen FY-IN 204 / FY108 2003 Side 3 Oppgave 2. R 3 R 4 V CC R 1 T 1 C T 2 V i R 5 Figur 2 Figur 2 viser en monostabil multivibrator, (one-shot). Signalspenningen V i er korte positive pulser (50µs) med amplitude V CC. Det er oppgitt at V CC = 5 volt, V be( sat ) = 0,7 volt, V ce( sat ) = 0,2 volt for begge transistorene og R2 = R 4. Kollektorstrømmene i de to transistorene skal begrenses til 2 ma. Strømforsterkningen, β = 200 for begge transistorene. a) Vi tegner ofte opp småsignalekvivalenten til transistorkretser vi skal beregne. Har denne ekvivalenten noen praktisk verdi for forståelsen av denne spesielle kretsens virkemåte? Hvorfor ikke? b) Hva er spenningene på kollektor til T 1 og basen til T 2 når kretsen er i sin stabile tilstand? Forklar kort kretsens virkemåte. c) Tegn opp tidsforløpet til spenningene V i, VCT1, V BT2, og V ut. Legg tidsaksene under hverandre slik at tidsforløpene lett kan sammenliknes. d) Beregn komponentverdiene R 3, R 4 og C slik at vi får ut positive pulser med varighet 0.1ms - med amplitude. V CC e) R 1 = R 5 = 5 kω. V CC holdes konstant på 5 volt, men vi lar signalspenningen V i reduseres hva vil være den minste verdien V i kan ha før kretsen slutter å virke? ( I denne oppgaven kan du sette = 0 volt) V ce( sat ) Oppgavene fortsetter på side 4
Eksamen FY-IN 204 / FY 108 2003 Side 4 Oppgave 3 1) Beskriv kort hva du forstår ved Miller-effekt. Hvordan påvirker denne frekvensresponsen til en forsterker? 2) Tegn opp et passivt båndpassfilter (RC-filter). Tegn så et Bode-plot for filteret - med nedre grensefrekvens 20Hz og øvre grensefrekvens 20kHz. 3) Vil dette filteret være egnet til bruk i et Hi Fi audioanlegg (kvalitetsanlegg for musikk - frekvensområdet 20Hz til 20kHz gjengitt uten feil)? Hvorfor ikke? Hvor må grensefrekvensene settes for å få et feilfritt signal? Oppgave 4 1) Master Slave flip-flop benyttes i mange digitale kretsløsninger. Tegn opp et blokkskjema som viser Master Slave prinsippet. Hvorfor bruker vi en slik kretsløsning? 2) Tegn opp en D flip-flop og en JK flip-flop (som blokker hvor innganger og utganger vises). Sett opp sannhetstabellen for de to typene. Tegn opp en 1:4 rippelteller ved bruk av D flip-floper. Vis i et diagram klokkesignalet sammen med utgangssignalet fra den siste flip-flopen i rekka. (tegn opp 10 klokkepulser) 3) Vi ser ofte digitale kretser med LS-teknologi (LS = Low power Schottky). Beskriv kort hvorfor vi bruker LS-teknologi og tegn inn hvordan Scottky-dioden er koplet til en bipolar transistor. Oppgave 5 1) Hva slags krets er dette (fig 5a) Hvilken elektrode er felles for inngangssignalet og utgangssignalet? Hvilke spesielle egenskaper har kretsen? Figur 5a Oppgave 5 fortsetter på side 5
Eksamen FY-IN 204 / FY108 2003 Side 5 2) Se på fig 5b. Dette er en totrinns forsteker. Beregn motstandsverdiene ut fra følgende statiske tilstand: V R5 =14 volt, V R4 = 4 volt, I K for Q1 = 0,4 ma, I K for Q2 = 1,7 ma, I R2 = 13*I BQ1 (strømmen i er 13 ganger større enn basestrømmen til transistoren) β = 300 for begge transistorer. 3) Tegn opp småsignalekvivalenten til kretsen for midlere frekvenser. 4) Hva blir kretsens totale spenningsforsterkning? (Du kan godt gjøre et forenklet resonnement - uten å ta med alle detaljene fra ekvivalentskjema) Figur 5b