FH München FB 3 Maschinenbau Diplomprüfung Elektronik SS 6 Montag, 7.7.6 Prof. Dr. Höcht Prof. Dr. Kortstock Zugelassene Hilfsmittel: Alle eigenen Name: Vorname: Sem.: Dauer der Prüfung: 9 Minuten Homogene Halbleiter Ein Germanium-Kristall wird als Sensor eingesetzt und hat folgende Abmessungen: d =. mm, l =. mm, b = 4. mm. Alle weiteren Angaben gelten für Betrieb des Plättchens bei Raumtemperatur. Eventuell benötigte Daten können Sie der untenstehenden Tabelle entnehmen. Unterschrift: Hörsaal: Platz-Nr.: Germanium Silizium Gallium-Arsenid Eigenleitungsträgerdichte 3.3 3 / cm.5 / cm 3.3 6 / cm 3 Elektronenbeweglichkeit 39cm Vs 35cm Vs 85cm Vs Löcherbeweglichkeit 9cm Vs 48cm Vs 45cm Vs Elementarladung 9.6 As. Das Germanium-Plättchen ist nicht dotiert. Im obigen Bild ist die technische Stromrichtung sowie in der Mitte des Plättchens ein frei bewegliches Loch und ein Elektron eingezeichnet. Tragen Sie mit Pfeilen die Geschwindigkeiten v P und v n der Löcher und Elektronen ein. (P). Berechnen Sie zuerst allgemein den Leitwert G des Plättchens und stellen Sie ihn auch (als Hilfe für.4) getrennt nach Leitwert für Löcher G P und Elektronen G n dar. Berechnen Sie anschließend zahlenmäßig G P und G n. Einheiten nicht vergessen, sonst Punktabzug! (6P) G = R = v n + - v p d l b I.3 Der Gesamtstrom I durch das Germaniumplättchen beträgt.7ma. Wie groß muß die längs der Stromrichtung angelegte Spannung U sein? (P)
ETr_SS6.doc Diplomprüfung Elektronik SS 6 Seite von 6 Seiten.4 Wie groß sind Löcher- und Elektronenstrom I P und I n? (P) Erzeugung einer periodischen Referenzspannung Schaltung mit Dioden Eine Spannungsquelle (Innenwiderstand vernachlässigbar) erzeuge mit der Periodendauer ms Impulse der Dauer ms. U/V 5 5 5 t/m s. Der Impulsgenerator werde belastet mit der nebenstehenden Schaltung (Spannungsquelle mit vernachlässigbar kleinem Innenwiderstand, Schleusenspannung der Impulsgenerator Diode vernachlässigbar):.. Wie groß ist die U nf Spannung u am Ende des kurzen Impulses? (P).. Nehmen Sie als vereinfachende Näherung für den Zeitraum zwischen den Impulsen an, daß der Lastwiderstand R unabhängig von der Spannung u vom konstanten Entladestrom I = 6µ A durchflossen werde. Berechnen Sie damit die Spannung u unmittelbar vor Beginn des folgenden Impulses. (P) R..3 Zeichnen Sie den Verlauf der Spannung u maßstäblich in das obige Zeitdiagramm ein. (P)..4 Was würde sich am Spannungsverlauf von U ändern, wenn die Diode durch einen Kurzschluß ersetzt würde? Begründen Sie Ihre Antwort! (P...)
ETr_SS6.doc Diplomprüfung Elektronik SS 6 Seite 3 von 6 Seiten 3. Transistorverstärker Gegeben seien der nebenstehende Transistorverstärker sowie die Kennlinie der Basis-Emitterdiode I B = I B (U BE ) und das Ausgangskennlinienfeld I = I (U E, I B ). R R U B 3. Ausgangskreis des Verstärkers 3.. Stellen Sie die Gleichung der Arbeitsgeraden I = I (U E, U B, R ) auf. (P) R I /ma B 4 3 I /ma 8 6 4 I = 3 ma B I B = ma I = ma B.5.6.7U /V BE 4 6 8 4 6 8 4 6 U /V E 3.. Entnehmen Sie mit Hilfe von 3.. dem Ausgangskennlinienfeld die Zahlenwerte der Versorgungsspannung U B und des Kollektorwiderstand R. (P) 3..3 Bei welcher Spannung U E AP muß der Arbeitspunkt eingestellt werden, wenn bei sinusförmiger Auslenkung um den Arbeitspunkt die Ausgangsspannung U E möglichst groß und unverzerrt sein soll? Wie groß ist der Kollektorstrom im Arbeitspunkt I AP? Markieren Sie den Arbeitspunkt im obigen Kennlinienfeld! (3P) U E AP = I AP =
ETr_SS6.doc Diplomprüfung Elektronik SS 6 Seite 4 von 6 Seiten 3. Einstellung des Arbeitspunktes durch den Eingangskreis 3.. Wie groß muß der Basisstrom I B AP gemacht werden? Markieren Sie diesen Punkt in der Eingangskennlinie. (P) 3.. Wie groß ist die zugehörige Basis-Emitterspannung U BE AP? (P) I B AP = U BE AP = 3..3 Wie groß ist der differentielle Basis-Emitterwiderstand r BE? (P) r BE = 3..4 Stellen Sie den gewählten Arbeitspunkt durch Dimensionierung des Spannungsteilers R, R ein. Der Strom durch den oberen Widerstand des Spannungsteilers soll dabei zehnmal so groß wie der Basisstrom im Arbeitspunkt I B AP sein. (3P) 4 Operationsverstärker als Schmitt-Trigger Gegeben sei die folgende Schaltung. Die Ausgangsspannung U a kann Werte zwischen + V und V annehmen. R V R V + U /V a 5 U E _ U a 4. Die Eingangsspannung U E wird langsam von U E = V bis U E = +V erhöht. -5 Zeichnen Sie in das nebenstehende Diagramm den Verlauf der Ausgangsspannung U a ein und kennzeichnen Sie den Verlauf mit Pfeilen und mit 4. (4P) 4. Nun wird die Eingangsspannung U E von U E = +V auf U E = V erniedrigt. Zeichnen Sie auch hier den Verlauf von U a in das -5 5 U /V E
ETr_SS6.doc Diplomprüfung Elektronik SS 6 Seite 5 von 6 Seiten nebenstehende Diagramm ein und markieren Sie ihn ebenfalls mit Pfeilen und mit 4.. (P) 5 Verstärkerschaltungen für einen Lichtsensor Mit einem LDR-Widerstand soll die Beleuchtungsstärke gemessen werden. Die Sensorschaltung besteht aus der Spannungsquelle mit U B = 5V, dem Vorwiderstand R V = 5. kω und dem LDR-Widerstand, der bei einer bestimmten Beleuchtungsstärke den Wert R LDR = kω hat. Um das Meßsignal über eine längere Strecke zu übertragen wird ein invertierender Verstärker mit Verstärkung v = eingesetzt 5. Betrachten Sie das untenstehende Schaltbild ohne angeschlossenen Verstärker. Wie groß ist die Spannung U am Sensor? (P) LDR 5. Nun soll der invertierende Verstärker an die Sensorschaltung angeschlossen werden. Ergänzen Sie die untenstehende Schaltung. (P) R V 5.k.k U B 5V R LDR U LDR U a Sensor mit nachgeschaltetem invertierendem Verstärker 5.3 Wählen Sie die Widerstände so, daß der Verstärker den Eingangswiderstand kω aufweist. (P) 5.4 Ermitteln Sie zuerst (zur Vorbereitung von 5.5) allgemein die Ausgangsspannung U a des an die Sensorschaltung angeschlossenen Verstärkers sowie anschließend den Zahlenwert von u a. (6P)
ETr_SS6.doc Diplomprüfung Elektronik SS 6 Seite 6 von 6 Seiten 5.5 Modifkation der Dimensionierung des invertierenden Verstärkers mit Verstärkung v = - 5.5. Wie groß wäre die Ausgangsspannung U a, wenn Sie bei den Widerständen des Verstärkers den - fachen Wert nehmen würden? (P) 5.5. Ist für die vorliegende Aufgabe der so dimensionierte Verstärker oder der nach 5.3 dimensionierte Verstärker besser geeignet? Begründen Sie Ihre Aussage. (P) 6 Digitalschaltung Gegeben sei die folgende Zählerschaltung: A A A & J Q J Q J & _> Q & Takt T K K K 6. Tragen Sie in das Zeitdiagramm den Verlauf der Signale ein und in der letzten Reihe die sich ergebenden Dualzahlen. Der Zähler beginnt mit der Zahl 5. (P) Takt T A A J A J Zahl: 5 6. Welche Zahlen werden nie oder nur am Anfang erreicht? (P) Viel Erfolg