EK2_2015_01_23

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Elektronik 2
Name:
Semesterschluss-Prüfung: 23.1.2015
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. Vorverstärker mit J-FET
Es soll der J-FET 2N5458 eingesetzt werden. Hier ist ein Datenblatt-Auszug:
a. Berechnen Sie alle Bauteile für Spannungsverstärkung vU = -10 bei Drainstrom ID = 1mA
im Audio-Frequenzbereich 20Hz – 20kHz und für Signal-Amplitude am Eingang < 50mVp.
Der Ausgang wird mit 33kΩ belastet. Die Versorgungsspannung ist 24V.
b. Oft wird die Schaltung gemäss untenstehendem Schema mit einem BJT ergänzt.
Welche Vorteile ergeben sich daraus?
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2. Lineare Ersatz-Schaltung für den BJT BC327
Diese Kennlinien stammen aus dem Datenblatt des Bipolar-Transistor BC327.
a. Zeichnen Sie die lineare DC-Ersatz-Schaltung des BC327 und geben Sie die Zahlenwerte
der einzelnen Elemente an für den Arbeitspunkt: IC = -100mA und UCE = -2V
b. Im Datenblatt steht:
- Current Gain Bandwidth Product = 100 MHz
- Collector-Base-Capacitance = 12pF
Erläutern Sie was diese Angaben genau bedeuten und wann sie beim Schaltungsentwurf
berücksichtigt werden müssen. Verlangt wird eine Erklärung, keine Berechnung.
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3. Phasenschieber-Sinus-Oszillator mit 4 jeweils um 45° phasenverschobenen Signalen
Der LMC6482A ist ein CMOS-rail-to-rail-Operationsverstärker. Dessen Verhalten kann als
ideal angenommen werden.
Beachten Sie, dass der Oszillator aus einem Inverter (= 180° Phasenverschiebung) und vier
identischen Phasenschieber-Stufen aufgebaut ist.
a. Leiten Sie die Frequenz her, bei der der Oszillator schwingt.
b. Ist die Verstärkung der einzelnen Stufen gut gewählt (Antwort zahlenmässig begründen)?
Erläutern Sie zudem was passiert, wenn die Verstärkung zu tief ist.
Erläutern Sie zudem was passiert, wenn die Verstärkung zu hoch ist.
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4. Messbrücke für Dehn-Messstreifen
Rmess1 und Rmess2 sind Dehnmesstreifen.
Mechanisch unbelastet weisen sie einen Widerstand von je 10kΩ auf.
Unter Last sinkt der Widerstand von Rmess1 und jener von Rmess2 steigt um gleich viel.
a. Berechnen Sie die Spannungen an den drei Operations-Verstärker-Ausgängen für
delta = 0, also Rmess1 = Rmess2 = 10kΩ
sowie für delta = 1kΩ, also Rmess1 = 9kΩ und Rmess2 = 11kΩ
Die Operationsverstärker können als ideal angenommen werden.
b. Ihre Chefin schlägt vor auf die beiden Operationsverstärker U1 und U2 zu verzichten, um
Kosten zu sparen.
Die Werte der Widerstände R4 – R7 wurden so angepasst, dass der SubtrahierVerstärker die gleiche Verstärkung aufweist, wie obiger Instrumenten-Verstärker.
Die Schaltung sieht nun so aus:
Ist diese Vereinfachung der Schaltung zulässig, wenn verlangt wird, dass Vaus = f(delta)
sich genau gleich verhält wie in der obigen Schaltung? Begründen Sie die Antwort.
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5. Strom-Vervielfacher
Diese Schaltung wird verwendet, wenn eine Präzisions-Stromquelle mit wenigen µA bis mA
zur Verfügung steht und eine Konstant-Stromquelle mit einem um einen festen Faktor
grösserem Strom benötigt wird.
Der Operations-Verstärker kann für diese Aufgabe als ideal angenommen werden.
a. Beim Anschluss Strom_1 wird eine Präzisions-Stromquelle mit 1mA angeschlossen.
Wie gross müssen die Widerstände gewählt werden, damit Strom_2 konstant 10mA wird?
b. Funktioniert diese Schaltung auch, wenn die Polarität des Stromquellen-Stromes bei
Strom_1 entgegengesetzt zur eingezeichneten Pfeilrichtung ist?
Antwort muss begründet werden (keine Berechnung verlangt).
c. Ist es mit dieser Schaltung auch möglich eine Präzisions-Stromquelle am Anschluss
Strom_2 anzuschliessen und beim Anschluss Strom_1 einen um einen konstanten Faktor
kleineren Konstantstrom abzugeben?
Anders formuliert: Arbeitet die Schaltung bidirektional (Eingang und Ausgang vertauscht)?
Antwort muss begründet werden (keine Berechnung verlangt).
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6. Bandpass-Filter
Mit dieser Schaltung soll ein 40kHz-Signal aus einem Signalgemisch gefiltert werden. Die
Bandbreite des Filters soll 1kHz betragen, die Verstärkung in Bandmitte 5fach.
a. Berechnen Sie alle Bauteilwerte.
b. Aus dem Datenblatt des Operations-Verstärkers:
- Common-Mode-Rejection-Ratio
= 80dB
- Slew-Rate
= 5V/µs
- Gain-Bandwidth-Product
= 1MHz
Geben Sie zu jeder dieser Nicht-Idealitäten an, ob sie die Funktion des Bandpass-Filters
negativ beeinflusst. Die Antworten müssen begründet werden.
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