SS2007

Fachprüfung
Schaltungen & Systeme
30. Juli 2007
Prüfer: Prof. Dr. P. Pogatzki
Bearbeitungszeit: 2 Stunden
Name:............................................
Matr.-Nr.:......................................
Unterschrift:..................................
Aufgabe
1.
2.
3.
.1
.2
.3
Punkte
.4
.5
.6
.7
Punkte gesamt
Note
Note:
Eingesehen am:
ECTS:
1. Prüfer
Unterschrift:
2. Prüfer
Summe
Klausur Schaltungen & Systeme SS2007
2
Aufgabe 1 (25 Punkte)
Für eine elektronische Schaltung wird ein konstanter Strom von 100µA benötigt. Da die
Speisespannung Ub starken Schwankungen unterworfen ist, wird als Lösung ein WidlarStromspiegel vorgeschlagen. Es soll überprüft werden, ob dieser Vorschlag sinnvoll ist. Der
zu untersuchende Stromspiegel ist im folgenden Bild dargestellt.
Die verwendeten Transistoren sind identisch. Der Sättigungsstrom IS der Transistoren beträgt
IS=10-16 A. Ferner gilt:
B=β=100=B+1, Early-Spannung UA→∞
IC=IS*exp(UBE/UT)
Port
P1
Num=1
Port
P2
Num=2
R1
BJT_NPN
BJT1
BJT_NPN
BJT2
RE
Aufgabe 1.1 (3 Punkte)
Bestimmen Sie den Widerstand R1 so, daß durch den Transistor BJT1 ein Kollektorstrom von
10mA fließt. Nehmen Sie eine Gleichspannung von 5V an Port P1 an!
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3
Aufgabe 1.2 (3 Punkte)
Bestimmen Sie den Widerstand RE so, daß durch den Transistor BJT2 ein Kollektorstrom von
100µA fließt. Nehmen Sie eine Gleichspannung von 5V an Port P2 an!
Aufgabe 1.3 (5 Punkte)
Zeichnen Sie das Kleinsignaleratzschaltbild der Anordnung unter Angabe charakteristischer
Werte!
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Aufgabe 1.4 (8 Punkte)
Berechnen Sie die Admittanz-Matrix der Anordnung. Verwenden Sie dabei sinnvolle
Näherungen!
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Aufgabe 1.5 (8 Punkte)
Prüfen Se nun, ob die Verwendung des Widlar-Stromspiegels sinnvoll ist. Bestimmen Sie
dazu mit Hilfe der Y-Parameter die Ausdrücke
∂I1
∂U b
und
I1
∂I 2
∂U b
. Dabei ist Ub die Gleichspannung an Port P1!
I2
5
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Aufgabe 2 (25 Punkte)
Gegeben ist die folgende Oszillator-Schaltung für f ≈ 100MHz. Der Sättigungsstrom IS des
Transistors beträgt IS=10-16 A. Ferner gilt:
B=β=100=B+1, Early-Spannung UA→∞, IC=IS*exp(UBE/UT)
Der Oszillator soll dimensioniert und die Funktion überprüft werden.
R1
BJT_NP
BJT
Vdc=3.0 V
C1=10 nF
L1=1.0 nH
R3=50 Ohm
Uout
C=1000 pF
L2=1.0 nH
R2
R
R4
R4=150 Ohm
Aufgabe 2.1 (3 Punkte)
Dimensionieren Sie die Widerstände R1 und R2 so, daß ein Kollektorstrom von IC=100µA
fließt. Dabei soll der Strom durch R1 dem 10fachen Basisstrom des Transistors entsprechen!
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Aufgabe 2.2 (6 Punkte)
Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild der Anordnung, wenn parasitäre Kapazitäten
des Transistors vernachlässigt werden können.
Geben Sie zahlenmäßig die Ersatzbildelemente der Transistoren an und berechnen Sie die
Blindwiderstände der Kondensatoren/Spulen soweit möglich!
Entscheiden Sie, welche Blind-Elemente bei der Betriebsfrequenz vernachlässigt werden
können!
Aufgabe 2.3 (8 Punkte)
Berechnen Sie den komplexen Widerstand, den die Spule „L“ sieht. Entfernen Sie dazu die
Spule aus dem Kleinsignal-Ersatzschaltbild und ermitteln Sie den Leitwert zwischen den
Klemmen P1 und P2!
Vereinfachen Sie Ihr Ergebnis sinnvoll, in dem Sie die Größenordnungen der ErsatzElemente bei der Betriebsfrequenz berücksichtigen.
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Aufgabe 2.4 (4 Punkte)
Könnte der Oszillator bei der vorgesehenen Betriebsfrequenz anschwingen? (Begründung)
Dimensionieren Sie die Spule L, falls obige Frage mit „ja“ beantwortet wurde.
Aufgabe 2.5 (4 Punkte)
Schätzen Sie mit Begründung die maximal mögliche Ausgangsspannung Uout ab!
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Aufgabe 3 (20 Punkte)
Gegeben ist die nachfolgende OP-Schaltung mit Dioden. Sowohl OPs als auch Dioden sind
ideal!
Es gilt: ID1,2=IS*exp(UD1,2/UT)
Eventuell fließende Dioden-Sperrströme sollen vernachlässigt werden!
R4=1 kOhm
R2=2 kOhm
R5=1 kOhm
DIODE1
Uin
R1=1 kOhm
OpAmp1
Uout
Port
P1
DIODE2
Port
P2
OpAmp2
UH=1.0 V
R3=1 kOhm
Diode_Model
DIODEM1
Is=1.e-14
Es soll die Funktion der Schaltung untersucht werden.
Aufgabe 3.1 (1 Punkt)
Wie muß Uin=Uin0 gewählt werden, damit der Widerstand R1 stromlos ist?
Aufgabe 3.2 (5 Punkte)
Bestimmen Sie die Ausgangsspannung Uout für Uin<Uin0!
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Aufgabe 3.3 (6 Punkte)
Bestimmen Sie die Ausgangsspannung Uout für Uin>Uin0!
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Aufgabe 3.4 (4 Punkte)
Skizzieren Sie Uout als Funktion von Uin unter Angabe charakteristischer Werte!
Aufgabe 3.5 (4 Punkte)
Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf der Ausgangsspannung des ersten OPs als Funktion
der Eingangsspannung unter Angabe charakteristischer Werte!