Hochschule Niederrhein. Musterlösung der Klausur zur Vorlesung "Elektronik / Elektronische Schaltungen"

Transkript

1 Hochschule Niederrhein Lehrgebiet mikroelektronik & mikrosysteme (Fb 03) Prof. Dr. Jürgen Büddefeld. Erlaubte Hilfsmittel Musterlösung der Klausur zur Vorlesung "Elektronik / Elektronische Schaltungen" März 003. mfang und Punktzahl Erreichte Aufgabe Punkte Bonus Gesamt Die Klausur besteht aus 4 Aufgaben mit Punktzahl insgesamt 80 Punkten. Es werden nur Punkte vergeben, wenn der Lösungsweg 3 33 zusammenhängend und schrittweise nachvollziehbar dargelegt ist! Summe: Vollständig richtig gelöste Aufgaben werden zusätzlich mit einem Bonus von 50% angerechnet. Somit beträgt die erreichbare Maximalpunktzahl 0. Die Note 4,0 wird ab 40 Punkten [= 50% x Grundpunkte] gegeben. Als Hilfsmittel sind eine Formelsammlung (Name, Matrikelnr., Kapitelüberschriften, numerierte Formeln und Merksätze aus der Vorlesung), das Skript zur Vorlesung sowie ein nicht programmierbarer Taschenrechner zugelassen. Die Klausur ist selbständig ohne fremde Hilfe zu bearbeiten! 3. Form Beginnen Sie jede Aufgabe auf jeweils einem neuen Einlegebogen mit Angabe der Aufgabennummer (A...A4). Zugehörige Einlegebögen sind zu kennzeichnen und zu numerieren (A Blatt usw). 4. Dauer und Abgabe Die Bearbeitungszeit beträgt 80 Minuten. Die Abgabezeit wird durch den Prüfer festgelegt. Für die Bewertung müssen der Klausurbogen und dieses Aufgabenblatt vollständig ausgefüllt zusammen mit den Lösungsblättern abgegeben werden. Matrikelnr.:... Name, Vorname:... Datum:... nterschrift:... Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite von

2 Aufgabe Bauen Sie einen Audiovorverstärker mit einem Operationsverstärker (A ud = 86 db, f = 3 MHz, f 0 = GHz) auf! ntersuchen Sie die Stabilität der Schaltung:. Zeichnen Sie das Bodediagramm des offenen Kreises! Anmerkung: offener Kreis Farbe blau, geschlossener Kreis Farbe grün. Zeichnen Sie bei den Konstruktionen die Hilfslinien dünn in schwarzer Farbe (Bleistift) ein. Beschriften Sie die Steigungen in db/dekade.. Geben Sie die Eckfrequenzen des Ops an! 3. Konstruieren Sie den Amplitudengang des geschlossenen Kreises für eine Betriebsverstärkung von 5 bei guter Stabilität. 4. Welcher Nachteil ergäbe sich für die obige Anwendung, wenn ein universeller Op eingesetzt würde? (Herleitung im Amplitudengang, Erläuterung) Aufgabe Bei der abgebildeten Schaltung handelt es sich um gepaarte, identische Transistoren. Die Basis von T liegt für Kleinsignale auf Masse.. Zeichnen Sie das Kleinsignal- Ersatzschaltbild unter Verwendung des T-Esb. =5V R3 rg T T CB rg ug R4 RL --= -5V Achten Sie auf die für die Berechnung optimale Anordnung der Bauelemente (wird bewertet!).. Berechnen Sie A u = u o /u i symbolisch! 3. Die Kollektorströme betragen 50 µa und R 3 = R 4 = 00 KΩ. Wie groß ist A u in db? Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite von

3 Aufgabe 3 Gegeben ist die folgende Schaltung. Der Operationsverstärker habe ideale Eigenschaften R4 R (rail to rail output range). Außerdem sei R = R und R 3 = R 4.. Berechnen Sie a für e =0 V!. Berechnen Sie a für ein Gleichsignal e am Eingang (Herleitung)! e R3 R R a 3. Berechnen Sie u a für ein Wechselsignal u e am Eingang (Herleitung)! 4. Welchen Spannungsbereich darf e für lineares Übertragungsverhalten abdecken? 5. m welche Verstärkerbetriebsart handelt es sich? Nennen Sie mindestens einen Vorteil dieser speziellen Schaltung! Aufgabe 4 Dimensionieren Sie einen Transistorverstärker nach folgendem Pflichtenheft : û i = 40 mv, r G = 00 Ω, û o = V, R L = KΩ, f u = KHz. BC 07 BC 08 BC 90 BC 7 BC 09 BC 74 BC 37 BC 7 BC 73 BC 38 Grenzwerte BC 39 Kollektor-Emitter-Spannung CES V Kollektor-Emitter-Spannung CE V Emitter-Basis-Spannung EBO V Kollektorstrom I C ma Kollektor-Spitzenstrom I CM ma Basisstrom I B ma Kollektor-Reststrom I CES 0, 0, 0, na TO-9 TO-8 Verlustleistung bei Tu = 5 C Ptot mw Sperrschichttemperatur Tj C Lagerungstemperaturbereich Ts C Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 3 von 3

4 Musterlösung (ohne Gewähr) Copyright: J. Büddefeld 003. Der Autor erlaubt das Anfertigen von Kopien und Ausdrucken nur den Hörern seiner Vorlesung zur Klausurvorbereitung. Das vorliegende Werk darf in keiner Weise verändert und/oder an Dritte weitergegeben werden. Die Klausur wurde von Studenten abgetippt. Eine Gewähr für die Richtigkeit gibt es nicht! Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 4 von 4

5 Musterlösung Aufgabe : A u0d := 86 db f := 3 MHz f := 5 MHz f k :=.5 KHz f k :=.3 MHz A u := 8 db 0 Amplitudengang Au/dB f/hz Phase/ Phasengang Legende: blau: Offener Kreis grün: Geschlossener Kreis magenta: Offener Kreis mit Dominantpol schwarz: Hilfslinien f/hz.) f = 3 MHz; f = 5 MHz 4.) Die Bandbreite wäre geringer mit f K 53 khz Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 5 von 5

6 Musterlösung Aufgabe : ) (. Ansatz) ) Spannungsteiler: R r 4 E BE = re + R4 re u i gm R r R R gm u R R u 4 E L 3 0 = BE L 3 = i re + R4 re A u R r R r R R R R = = = = 4 E 4 E L 3 L 3 r re( R4 + r E E) R4 RL R3 R4 RL R3 r E R r R r E E r + re( R4 + re) + R4 re re + R4 re E R4 + re 3) Mit R L (keine Angabe) r E T 6mV = ; 50Ω I 50µA C Mit R r? r da R? r Au 4 E E 4 E R 00kΩ r 040Ω 3 = = E Au = 39,7dB 96, Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 6 von 6

7 Musterlösung Aufgabe 3:.) L = 0V p = da R = R 3 4 Aud d + R R R p Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 7 von 7

8 A ud d d = + Rp R R Aud Rp Rp Rp d + = = R R R d = Rp R Aud R + R (*) R p p ud R R Aud Rp Rp a = = + + R A R A ud R R = Rp R = = A p ud R R R + R R + R R R R R R R R R RR RR + RR R R R = = R ( ) R mit R = R = R Einfacher: OP ist über R gegengekoppelt N P = N = wenn über R kein Strom fließt, d.h. der Spannungsteiler R R unbelastet ist. a = Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 8 von 8

9 .) e ist ein Gleichsignal ( ) R = + = + = + ( ) 3 e P e e e R3+ R4 R R Mit (*): a = P R R Superposition: P Für = P a = R a = + e Rp ( + + ) R R R R R R R = + e RRR R + RR = + e R R = e + + R R = + e + R mit R = R = R oder einfacher: + I + I I = 0A ( ) p n e R R R n R = R R = R R I I I + R R R n e = = = n e mit R = R = R = + R = + R + e a n e R R Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 9 von 9

10 3.) Für ein Wechselsignal liegen R 4 und R auf Masse! R = = 4 p e e R3+ R4 und ein NIB mit R und R = R R = ½ R R R a = p + = e + R R 4.) Rail to Rail: 0V a aus.) folgt: e = R R + + R R 5.) Es handelt sich um einen NIB. Vorteile: nipolare Spannungsversorgung Gleichspannungsverstärkung möglich, da die Schaltung ohne interne Koppelkondensatoren auskommt Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite 0 von 0

11 Musterlösung Aufgabe 4: Rechenblatt für Emmitterstufe mit GK ui û e := 40 mv r g := 0. kω û a := V R L := kω f u := khz CESat := 0. V Schritt : û a A u := û e A u = 5 û a = V Schritt : Bestimmung von R3 CC CESat R 3 := wenn CC, R L R L, R L û a R Lw := rp( R 3, R L ) Schritt 3: Bestimmung von cc CC := 0 V Wähle: (unbekannt: cc=0volt) R 3 = kω R 3 :=. kω R Lw =.048 kω CC := û a + R 3 R L + CESat Wähle: CC = 3.3 V CC := 5 V Schritt 4: Arbeitspunkt und Ruheverluste û a I C := R Lw CE := CC I C R 3 P V := CE I C I C = ma CE =.9 V P V =.768 mw Schritt 5: Transistor auswählen Wähle BC39 B Probe: CES := I CM P tot 30 V := 00 ma := 300 mw CES > CC I CM > I C P tot > P V Schritt 6: h-parameter und B h := kω h := 0 h := h := µs B := 90 h = 8. kω h = 97 h =.6 µs Schritt 7: GK ui Schritt 8: Arbeitspunktstabilisierung I C I B := B I B = 3.9 µa Mit BE := 0.6 V CE BE R := I B R = kω Wähle: R := 680 kω Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite von

12 R Vorwiderstand R bestimmen: R := R = 7. kω A u Wähle: R := 7 kω R R Korrektur von Au: A ug := A ug = 5 A u := A u = 5.85 R + r g R Schritt 9: Ein- und Ausgangswiderstand R Lw r e := h A u := h A u = h R Miller-Theorem: R s := R s = 7.53 kω A u rp( R s, r e ) 5.5 kω ( ) = r eges := R + rp R s, r e r eges = 3.5 kω r a := r a = kω h A u r a s ug := s ug =.537 r a := r a = 30.3 kω A ug s ug ( ) r ages := rp R 3, r a r ages =.05 kω Schritt 0: Koppelkondensatoren ( E6-Stufe aufschlagen wg. der Hochpässe) C ek := π f u ( r eges + r g ) C ek = nf Wähle: C ek := 0 nf C ak := π f u ( r ages + R L ) C ak = nf Wähle: C ak := 68 nf Klausur ESN ELK 003 März mit Lösungen.doc, Seite von