EK2_2016_01_28

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. Audio-Vorverstärker mit Single-Supply-Operations-Verstärker
für den Audio-Frequenzbereich von 20Hz bis 20kHz
a. Überprüfen sie, ob die Kondensatoren C1, C2 und C3 richtig dimensioniert sind.
Berechnen sie zu diesem Zweck die richtigen Werte.
b. Kann dieser Operations-Verstärker für 10-fache Verstärkung und 1V Signal-Amplitude am
Ausgang verwendet werden? Einen Datenblattauszug finden sie auf der hintersten Seite.
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2. Filter zweiter Ordnung (mit idealem Operations-Verstärker)
a. Wie gross sind die Verstärkungen vU = ua/ue bei f = 0 und bei f  ?
Um welchen Filtertyp handelt es sich (Tiefpass, Hochpass, Bandpass oder Bandsperre)?
Berechnungen und/oder Begründungen müssen angegeben werden
b. Gegeben (ÜTF = Übertragungsfunktion, Normierung mit Variablen-Substitution: P = j/r):
 R2  C  r  P
1  2  R1  C  r  P  R1  R2  C 2  r 2  P 2
Ar  Q1  P
Normierte ÜTF eines Bandpass-Filters 2. Ordnung: A  P  
1  Q1  P  P 2
Normierte ÜTF dieser Schaltung:
A P  
Gegeben: Resonanzfrequenz fr = 1kHz, Güte Q = 5 und C = 47nF
Gesucht: R1, R2 und die Verstärkung Ar bei Resonanz
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3. Spannungsregler
a. U1 (LM285-2.5) ist eine 2.5V-Spannungsreferenz.
Im Datenblatt wird deren Innenwiderstand (Ri = ∆U/∆I) mit maximal 1Ω angegeben.
Um wie viel ändert als Folge davon Vout, wenn Vin von 5V auf 9V erhöht wird (alle
anderen Bauteile seien ideal)?
b. Für U3 wird der TLV2631 (Datenblattauszug auf der hintersten Seite) eingesetzt.
Um wie viel ändert wegen der „power supply rejection ratio“ die Spannung Vout, wenn Vin
von 5V auf 9V erhöht wird (alle anderen Bauteile seien ideal)?
c. Für U3 soll der LM324 (Datenblattauszug auf der hintersten Seite) anstelle des TLV2631
eingesetzt werden, da er viel billiger ist. Überprüfen sie, ob das möglich ist und begründen
sie ihre Antwort.
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4. RC-Oszillator mit drei Invertern für sicheres Anschwingen.
Die Versorgungsspannung Vcc = 3.3V ist wegen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.
Die Inverter A1, A2 und A3 können als ideal angenommen werden. D.h. sie schalten den
Ausgang verzögerungsfrei um bei einer Eingangsspannung von Vcc / 2 = 1.65V
a. Skizzieren sie unten qualitativ richtig den Verlauf der Spannungen an den Punkten TP1
bis TP5 über zwei Schwingungsperioden. Tipp: Starten sie mit TP1 = 0 und TP3 = 0.
TP1:
TP1:
TP1:
TP1:
TP1:
b. Berechnen sie die ungefähre (30% Genauigkeit) Schwingfrequenz, für diese Bauteilwerte:
C = 1nF, R1 = 10kΩ und R2 = 1MΩ
Das Resultat alleine gibt keine Punkte; der Rechenweg und die Begründung dafür
müssen klar ersichtlich sein.
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5. Tageslicht-Sensor
Ein Lichtsensor liefert einen Strom der näherungsweise proportional zur Helligkeit ist.
Die Helligkeit in unserer Umgebung variert extrem:
Vollmond = 0.25lux, Strassenbeleuchtung = 10lux, Büro = 500lux, Sonnentag = 100‘000lux
Daten des eingesetzten Lichtsensors: Photostrom Iphoto = 100µA bei 100lux Helligkeit
a. Oft wird der Photostrom in eine proportionale Spannung umgewandelt, damit sie mit
einem ADC gemessen werden kann. Folgende Schaltung kann eingesetzt werden:
Berechnen sie den Widerstand R so, dass an einem Sonnentag Uphoto = 2.0V wird.
Wie gross ist Uphoto (mit diesem R) bei Vollmond?
Wie viele Bits Auflösung benötigt der ADC, damit das LSB bei Vollmond anspricht und der
ADC an einem Sonnentag nicht übersteuert wird?
b. Das Auge kann mit den extremen Helligkeitsunterschieden gut umgehen, da die
Wahrnehmung einer logarithmischen Skala entspricht.
Mit der untenstehenden Schaltung wird dieses Verhalten mit der logarithmischen BasisEmitter-Dioden-Kennlinie nachgebildet. (Dadurch kann mit einem ADC mit geringer
Auflösung der ganze Bereich von Mondlicht bis Sonnenlicht abgedeckt werden.)
Vom Transistor kennt man die Stromverstärkung: β = 200
IC = β ∙ I B
sowie die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode:
UBE = 30mV ∙ ln (IB / 0.005pA + 1)
Berechnen sie die Ausgangsspannung Uphoto bei 10lux, 100lux und 1000lux.
Beurteilen sie, ob Uphoto wirklich eine logarithmische Funktion der Helligkeit ist und
begründen sie die Antwort.
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Datenblatt-Auszug: Kennwerte von drei Operations-Verstärkern
Grösse
Beschreibung
Speisespannung
supply voltage
TL081
LM324
TLV2631
Vcc+
Vcc-
V
4
18
1.6..16
+3..32
2.7..5.5
Stromaufnahme
supply current
ohne Last am Ausgang IO = 0
Icc
mA
1.4
1.5
0.7
Eingangs-Spannungsabstand zu Vccinput voltage to negative rail
common mode input voltage range
Spannung am Eingangstransistor
VICR
V
3
0
= rail
0
= rail
Eingangs-Spannungsabstand zu Vcc+
input voltage to positive rail
common mode input voltage range
Spannung am Eingangstransistor
VICR
V
0
= rail
1.5
1
Eingangs-Fehlspannung
input offset voltage
Differenz-Eingangsspannung für
Ausgangsspannung = 0
VIO
mV
3
2
0.25
Eingangs-Strom
input bias current
Mittelwert der Eingangsströme
IIB
nA
0.03
45
0.001
Eingangs-Fehlstrom
input offset current
Differenz-Eingangsstrom für
Ausgangsspannung = 0
VIO
nA
0.005
5
0.001
Eingangs-Widerstand
input resistance
differentiell gemessen
für kleine Eingangssignale
rI
M
1012
J-FET
?
1012
CMOS
Eingangs-Rauschspannung
input voltage noise
wird je nach Beschaltung verstärkt
Vn
nV/Hz
18
?
50
Eingangs-Rauschstrom
input current noise
wird je nach Beschaltung verstärkt
In
pA/Hz
0.01
?
0.001
Gleichtakt-Unterdrückung
common mode rejection ratio
Gleichtaktsignal wirkt wie ein um
diesen Faktor kleineres DifferenzEingangssignal
CMRR
dB
86
100
100
Speisesp.-Unterdrückung
power supply rejection ratio
Speisespannungs-Schwankung wirkt
wie ein um diesen Faktor kleineres
Differenz-Eingangssignal
PSRR
dB
86
85
90
Spannungsverstärkung
large signal voltage gain
gemessen mit Gleichspannung ohne
externe Beschaltung
AVD
V/mV
200
100
100
Ausgangs-Spannungsabstand zu Vccoutput voltage to negative
rail
output voltage swing
Spannungsabfall am Ausgangstr.
VOM
V
1.5
0
= rail
0
= rail
Ausgangs-Spannungsabstand zu Vcc+
output voltage to positive rail
output voltage swing
Spannungsabfall am Ausgangstr.
VOM
V
1.5
2
0
= rail
Ausgangs-Widerstand
output resistance
gemessen mit Gleichspannung ohne
externe Beschaltung
RO

200?
?
?
Ausgangs-Strom
output current
Kurzschlussstrom-Begrenzung ist ca.
das doppelte
IO
mA
20
20
28
Ausgangs-Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
slew rate
begrenzte Geschwindigkeit der
Spannungsverstärkerstufe
SR
V/s
13
0.4
6
Verstärkungs-BandbreiteProdukt
unity gain bandwidth
begrenzte Geschwindigkeit der
Differenzverstärkerstufe
B1
MHz
3
1
9
BiFET
Bipolar
CMOS
0.40
0.30
2.00
Technologie
Preis in CHF
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Stand 2010
CHF
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