Grundlagen der Schaltungstechnik

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1 Technische Universität Ilmenau 25. Juli 2007 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik FG Elektronische Schaltungen und Systeme Prof. Dr.-Ing. R. Sommer AUFGABE 1 (15MIN): Klausur Grundlagen der Schaltungstechnik Bitte beantworten Sie die folgenden Fragen kurz es reichen Stichworte! a) Definieren Sie kurz die Eigenschaften einer linearen Abbildung bzw. eines linearen Operators. Nennen Sie Beispiele für lineare Abbildungen/Operatoren! b) Was bedeutet Stabilität von Differentialgleichungen? Wie ist der Zusammenhang zur Stabilität von Übertragungsfunktionen, sprich wann ist eine Schaltung stabil? c) Nennen Sie 3 Simulationsarten von (P)Spice und die unabhängigen Variablen (d.h. die x-achse bei der Probe-Darstellung)! d) Zeigen Sie anhand der Wirkungskette (z.b. U 1 i 2 u R3 ) die Funktionsweise der Gegenkopplung in einer Emitterstufe mit Basisspannungsteiler! Gehen Sie davon aus, dass mit steigender Temperatur auch der Kollektorstrom des Bipolartransistors ansteigt (Abb. 1), d.h. IC. Abbildung 1: Gegenkopplung e) Wozu dient die Frequenzgangskompensation, welche Möglichkeiten der Kompensation gibt es? f) Die abgebildete Schaltung wurde mit dem Programm PSpice simuliert, dabei wurde eine Parametervariation von RE vorgenommen.

2 Beantworten Sie anhand der Schaltung und der grafischen Ergebnisdarstellung folgende Fragen: 1) Mit welcher Analyseart wurde die Kurvenschar erzielt? 2) Welche Quellenart ist für diese Analyseart erforderlich? 3) Tragen Sie in die grafische Darstellung die Zuweisung der Parameterwerte zu den Kurven ein. Spannungsverstärkung in db Parameter RE ( )

3 AUFGABE 2 (15MIN): RB1 RC1 R RC2 100 CK3 CK1 Q1 CK2 Q2 VCC u e RB2 R2 330 RE 20 CE u a 0 Abbildung 2: Arbeitspunkteinstellung a) Bestimmen Sie die noch unbestimmten Widerstände der Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung in Abbildung 2, wenn folgende Daten gegeben sind: V CC = 10V; V CE1A = V CC /2 ; U BE1A = 0.7V; I C1A = 10mA; B F1A = 200; V CE2A = 4V; U BE2A = 0.65V; I C2A = 50mA; B F2A = 100. Der Ausgang der Schaltung soll symmetrisch um V CC /2 ausgesteuert werden. Überlegen Sie sich, welche und wie viele Heuristiken Sie benötigen, um alle 7 Widerstände zu dimensionieren. Geben Sie diese an! AUFGABE 3 (15MIN): Berechnen Sie die Verstärkung des 3-stufigen Transistorverstärkers unter der Annahme unendlicher Verstärkung ß der Transistoren. Zeichnen Sie das Nullorersatzschaltbild für Nutzfrequenzen >> 1/(R D *C D ).

4 AUFGABE 4 (20MIN): Bootstrapped-MOS-Schaltung Für den MOSFET gelte g m =3.54mS, r DS sei vernachlässigbar. Bestimmen Sie Spannungsverstärkung sowie den Eingangswiderstand im Nutzfrequenzbereich. AUFGABE 5 (25MIN): a) Für die oben abgebildete MOS-Schaltung soll die Verstärkung im Nutzfrequenzbereich bestimmt werden. b) Unter Verwendung der Nullor-Ersatzschaltung für den MOSFET sollen die Grenzfrequenzen der Schaltung, d.h. Pole und Nullstellen bestimmt werden. c) Zeichnen Sie das Pol/Nullstellendiagramm sowie das Bodediagramm des Verstärkers für die Werte Ri=5kW, CC1=151.5pF, RS=500W, CS=318pF, CC2=151.6nF, RL=100kW, RD=5kW, RG=100kW. Im Falle, dass Sie die den vorigen Aufgabenteil nicht lösen können, benutzen Sie bitte die folgenden Werte: Doppelte Nullstelle bei f = 0, Nullstelle bei 1MHz, sowie Polstellen bei 100Hz und 10kHz.

5 AUFGABE 6 (30MIN): a) Gegeben ist der folgende Operationsverstärker. Identifizieren Sie die Baugruppen und zeichnen Sie den Signalpfad ein. Was bewirkt der Transistor M9? Vdd, Vb1 und Vb2 seien Versorgungsspannungen. b) Ein Differenzverstärker besteht aus 4 Stufen mit folgenden Eigenschaften: Differenzstufe vu1 = 140 fg1 = 1.2 khz Emitterstufe vu2 = 24 fg2 = 6.5 MHz Potentialverschiebung vu3 = 1 fg3 = 15 MHz Endstufe vu4 = 1 fg4 = 800 MHz Bem.: Verstärkungen nicht in db angegeben (140 = 43dB, 24 = 27.6dB) Nennen Sie ein Stabilitätskriterium und seine Definition. Entscheiden Sie mit stabil oder nicht stabil, ob der Differenzverstärker als Spannungsfolger (d. h. voll gegengekoppelt, also mit v u =1) eingesetzt werden kann oder nicht; geben Sie eine kurze Begründung für Ihre Entscheidung, z. B. im Bode-Diagramm!