Klausur „Grundlagen der Schaltungstechnik“ SS 13

TU Ilmenau, FG Elektronische Schaltungen und Systeme, Prof. Dr. Sommer
Klausur „Grundlagen der Schaltungstechnik“ SS 13
Name:
Matr.-Nr.
Studiengang
Hinweis: Die Darstellung der Lösungswege muss vollständig, klar und kontrollierbar sein. Achten Sie
dazu bitte insbesondere bei Ersatzschaltbildern auf die korrekte Kennzeichnung von Rechengrößen,
d.h. Bepfeilung von gesteuerten Quellen, Strömen und Maschenumläufen sowie gewählte
Potentiale. Bitte vergessen Sie auch nicht, Namen und Matrikelnummer auf Ihre abzugebenden
Blätter einzutragen. Bitte schreiben Sie keine Romane, kurze Stichpunkte und
Transformationsformeln, die die Beziehungen aufzeigen, genügen.
Mit den Zusatzaufgaben können Sie sich zusätzliche Punkte verdienen und so nicht gelöste Teile
der anderen Aufgaben ausgleichen.
1. Aufgabe - Kurzfragen zum Verständnis - (15 min, 14 Punkte [a = 1, b = 1, c = 4, d = 8])
a) Welche Simulationsart wurde zur Darstellung der in Abbildung 1 abgebildeten Kurvenverläufe
durchgeführt?
120
60
110
50
100
Verstärkung in dB
Verstärkung in dB
40
30
20
10
90
80
70
60
50
0
40
−10
30
−20
20
2
10
3
2
3
10
4
10
Frequenz in Hz
10
10
Frequenz in Hz
(a)
4
10
(b)
70
60
Verstärkung in dB
50
40
30
20
10
0
−10
−20
2
10
3
10
Frequenz in Hz
4
10
(c)
Abbildung 1: Simulierte Kurvenverläufe
b) Welcher Kurvenverlauf der Spannung gehört zu der in Abbildung 2 dargestellten Schaltung am
Knoten 1?
c) Stellen Sie die Netzwerkdifferentialgleichung (symbolisch) für V1 auf und bestimmen Sie die
Lösung der homogenen Differentialgleichung, unter der Bedingung, dass die Kapazität C1 zum
Zeitpunkt t = 0 mit 1V geladen ist.
d) Regen Sie das Netzwerk mit i ein ( t ) = 1 cos ( 2πft ) , wobei f = 1kHz sein soll, an.
Bestimmen Sie die partikuläre Lösung der DGL symbolisch. Werten Sie das Ergebnis numerisch in
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der Resonanzstelle aus und vergleichen Sie es mit dem Simulationsergebnis aus Abbildung 1.
Was fällt Ihnen an der Übertragungsfunktion auf, Hinweis: Grad?
1
C = 1μF
L = 25.3303mH
IAC=1A
R = 0.1Ω
Abbildung 2: RLC Reihenschwingkreis
2. Aufgabe (40 min, 26 Punkte [a = 3, b = 3, c = 14 (+1), d = 6])
a) Welche Transistorschaltung ist in Abbildung 3 dargestellt? Erläutern Sie, aus welchen
Grundschaltungen diese aufgebaut ist.
R1
RC
C3
C1
VCC
10 V
Q2
100nF
C2
R2
Q1
100nF
uein
Parameter
UBE1
Wert
0.647 V
Parameter
UBE2
RL
UCE1
2.992 V
UCE2
2.5 V
10k
IB1
7 uA
IB2
7 uA
IC1
1.071 mA
IC2
1.064 mA
UA
74.03 V
UA
74.03 V
100nF
Wert
0.647 V
R3
Abbildung 3: Einfache Transistorschaltung und Arbeitspunktgrößen
b) Welcher grundlegende Effekt, der in der Hochfrequenztechnik störend wirkt, wird hiermit
vermieden? Wie wirkt sich der Effekt aus? Warum kann man dort keine Emitterschaltung
verwenden, d.h. welches parasitäre Element stört bei der Emitterschaltung?
c) Zeichnen Sie das Arbeitspunktersatzschaltbild und bestimmen Sie alle Arbeitspunkt-Widerstände
unter Verwendung der angegebenen Transistorkenngößen. Es ist eine Heuristik zu nutzen.
Welche ist das und für welche Zweige kann sie angesetzt werden? Setzen Sie sie für die
Arbeitspunkteinstellung von Q1 an. Zusatz: Warum muss hier eine Heuristik verwendet werden?
Überlegen Sie dazu, welche Bedingung erfüllt sein muss, damit die Aufgabe konsistent ist?
d) Bestimmen Sie die Kleinsignalparameter g m , r CE und r BE für beide Transistoren, wobei
β AC = βDC gelten soll.
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3. Aufgabe (30 min, 19 Punkte [a = 10, b = 9])
Gegeben sei die Operationsverstärkerschaltung aus Abbildung 4.
a) Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild zur Ermittlung der Übertragungsfunktion uaus/uein
und berechnen Sie diese vorzugsweise mit SNA (Achtung: Es kann je nach Taktik ein 2x2-System
entstehen!). Die Analyse ist auch mit Schaltungsblick möglich, muss aber kurz erklärt werden.
b) Berechnen Sie anschließend die Pol- und Nullstellen und entscheiden Sie, ob die Schaltung stabil
ist! Zeichnen Sie unter der Bedingung R1 = R2 das Bodediagramm (Amplitudengang), geben Sie
die Phase an (Formel) und skizzieren Sie diese qualitativ. Um welche spezielle Filterschaltung
handelt es sich?
R2
R1
8
C1
uein
uaus
R3
Abbildung 4: Operationsverstärkerschaltung
4. Aufgabe (35 min, 15 Punkte [a = 5, b = 10])
+VCC
RC
Q1
uein
uaus
Q2
R1
R2
RE
−VCC
Abbildung 5: Darlingtonverstärker
Gegeben ist der Verstärker aus Abbildung 5, der auch als Darlingtonverstärker bezeichnet wird.
a) Zeichnen Sie Signalwege ein und nennen Sie die jeweiligen Grundschaltungen.
b) Zeichnen Sie unter Verwendung des Nullor-ESB das Kleinsignal-Ersatzschaltbild der Schaltung
und bestimmen Sie die Übertragungsfunktion uaus/uein.
Lösungshinweis: H (s) =
uaus
(G1 + G2 )GE
=−
uein
( G1 + G2 + GE ) GC
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5. Zusatzaufgabe (Kurzfragen, 19 Punkte [a = 5, b = 5, c = 4, d = 5])
a) Worin liegt der Fehler bei den Schaltungen aus Abbildung 6, warum funktionieren sie nicht?
+VCC
+VCC
(a)
+15V
(b)
uein
(c)
−15V
uaus
(d)
Abbildung 6: Fehlerhafte Schaltungen
b) Definieren Sie kurz die Verfahrensweise der komplexen Wechselstromrechnung mit ihren
Transformationen ausgehend von einer Anregung mit U 0 ⋅ cos ( ω t + ϕ ) und der
Differentialgleichung in Form von H ( D ) . Welche partikuläre Lösung u aus ( t ) ergibt sich?
c) Bringen Sie die folgenden Entwicklungsschritte für eine Schaltung in die richtige Reihenfolge
(Nummernreihenfolge reicht):
1. Kleinsignalanalyse ,
2. Dimensionierung der dynamischen Elemente,
3. Pol/Nullstellen-Extraktionen,
4. Spezifikation,
5. Arbeitspunktwahl,
6. Transistorauswahl,
7. Auswahl der Grundschaltung,
8. Arbeitspunktdimensionierung
d) Was macht die Konstruktion des Bodediagramms bei komplexen Polpaaren schwierig und mit
welcher Größe bzw. Eigenschaft (bereits in AET und GdE eingeführt) kann man den ungefähren
Verlauf zeichnen? Wie wäre der Verlauf bei einem reellen Polpaar (Doppelpol)? Eine Skizze mit
Kurzkommentar bzw. Kurzbeschriftung reicht.
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