EK2_2014_01_17

Elektronik 2
Name:
Semesterschluss-Prüfung: 17.1.2014
Klasse:
Dozent: Hanspeter Hochreutener
Punkte:
Note:
Dauer:
90 Minuten
Hilfsmittel:
Papierunterlagen (eigene Notizen, Skripte, Bücher, Übungen)
und Taschenrechner sind erlaubt.
Punkte:
Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte.
Bedingungen:
Die Aufgaben müssen auf den Aufgabenblättern gelöst werden.
Die Heftklammern dürfen nicht entfernt werden.
Bleistift, rote Stifte und TippEx sind nicht gestattet.
Resultate ohne Lösungsweg und/oder Begründung geben keine Punkte.
Tipp:
Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen.
Hinweis:
Die Teilaufgaben sind unabhängig lösbar (Ausnahmen sind angegeben).
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1. Phasenschieber-Sinus-Oszillator
Rgain = 1 MΩ ist hier vorgegeben (= grösster als sinnvoll erachteter Wert).
Der LMC6482A ist ein CMOS-rail-to-rail-Operationsverstärker.
Die Speisespannung Vdd beträgt 3V.
a. Skizzieren sie die Spannungs-Verläufe am Ausgang und am invertierenden Eingang des
Operations-Verstärkers während einer Sinus-Periode (im eingeschwungenen Zustand).
b. Berechnen sie den Wert der Widerstände R1 = R2 = R3 = R und der Kondensatoren C1 =
C2 = C3 = C so, dass sich eine Frequenz von 1kHz einstellt.
c. Beurteilen sie, ob die Bauteilwerte des Spannungsteilers R11, R12 und C11, C12 sinnvoll
sind. Antworten müssen zahlenmässig begründet werden.
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2. Transistor-Verstärker für ein Ultraschall-Signal
Ultraschall-Empfänger: Uqein = 100mV
Rqein = 1kΩ
Frequenz f = 40kHz
Speisung:
Ub = 9V
Strom (Vorgabe): IRC = IC = 1mA
Lastwiderstand an Uaus: RLast > 100kΩ
Transistor 2N2219A (einige Angaben aus dem Datenblatt):
Stromverstärkung: β = 50 .. 100
Eingangsimpedanz: rBE = 2 .. 8kΩ
Ausgangsadmittanz: gCE = 5 .. 35µS
a. Berechnen sie die Widerstände RC, RE, RB1 und RB2 so, dass ein sinnvoller und stabiler
Arbeitspunkt resultiert.
b. Dimensionieren sie den Widerstand REac und die Kondensatoren Cein, CE und Caus für
eine Spannungsverstärkung vU = ∆Uaus/∆Uein = -10 und eine untere Grenzfrequenz fg =
10kHz (benötigt Resultate aus der Teilaufgabe a.).
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3. Schmitt-Trigger
Der LMC6482A ist ein CMOS-rail-to-rail-Operationsverstärker.
Die Speisespannung Vdd beträgt 3V.
a. Berechnen sie die Schaltschwellen des Schnitt-Triggers. Für diese Teilaufgabe kann der
Operationsverstärker als ideal angenommen werden.
b. Um wie viel verschieben sich die Schaltschwellen des Schnitt-Triggers, wenn der
Operations-Verstärker einen Offset von 2mV aufweist? Antwort muss belegt werden
(Zahlenangabe alleine reicht nicht aus).
c. Berechnen sie die „rise-time“, welche definiert ist als Zeit, welche vergeht, bis der
Ausgang von 10% (hier 0.3V, da Vdd = 3V) auf 90% (hier 2.7V) umgeschlatet hat.
Im Datenblatt finden sich bezüglich Geschwindigkeit folgende Angaben:
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4. Messung des Stromverbrauchs
Diese Schaltung dient dem messen des Stromverbrauchs IL einer Schaltung (hier
symbolisch mit dem Widerstand RL dargestellt).
Die Spannung VOUT ist proportional zum Strom IL.
Während der Strom IL in der Plus-Speisung gemessen wird, ist die Spannung VOUT bezogen
auf die Schaltungsmasse und kann einfach mit einem Analog-Digital-Wandler erfasst
werden.
a. Wozu dienen der MOS-FET und der Operationsverstärker? Erklären sie die Funktion der
Schaltung in eigenen Worten.
b. Leiten sie die Funktion her für VOUT = f(IL, R1, R2, R3). Verlangt wird die symbolische
Lösung (ohne eingesetzte Widerstands-Werte).
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5. Tiefpass-Filter zweiter Ordnung
Annahmen: R1 = R2 = R und C1 = C2 = C
Die Operationsverstärker seien ideal.
a. Leiten sie die (komplexwertige) Übertragungs-Funktion her: H = VOUT/VIN = f(ω,R,C)
Bestimmen sie die Grenzfrequenz fg = f(R,C) und die Güte Q = f(R,C)
Tipp: Spannungsteiler-Regel (mit komplexen Impedanzen) verwenden.
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6. Quarz-Oszillator
a. Diese Quarz-Oszillator-Schaltung mit einem CMOS-Inverter stammt aus dem Skript. Es
ist unklar, für welche Frequenz und Speisespannung die Bauteile dimensioniert wurden.
Sie sollen nun die beiden Widerstände und die beiden Kondensatoren dimensionieren für
einen 10-MHz-Quarz. Die Speisespannung soll 3V betragen.
Sie müssen zudem genau begründen, was sie weshalb wie berechnen oder annehmen.
b. Weshalb wird am Ausgang des Oszillators immer ein Spannungsfolger (oben rechts
„grau“ gezeichnet: ein CMOS-Inverter) eingesetzt, bevor das Clock-Signal verteilt wird?
Und weshalb wird oft ein 1:2-Frequenzteiler nachgeschaltet?
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7. Audio-Endstufe mit sehr kleinem Ruhestrom für bescheidene Höransprüche
a. Zeichnen sie für den gegebenen Verlauf der Eingangs-Spannung in das untenstehende
Diagramm folgende Kurvenverläufe ein:
- Spannung am Lautsprecher
- Spannung am Operationsverstärker-Ausgang
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