Elektronik1 - baumberger hochfrequenzelektronik

Elektronik 1
Schlussprüfung:
27. Juni 2012
NAME:
Zeit: 90 Minuten
4 Seiten eigene Zusammenfassung und Taschenrechner erlaubt, PC / Handy nicht erlaubt
Die pro Teilaufgabe erreichbare Punktzahl ist in eckigen Klammern (z. B. <3P>) angegeben.
Sie müssen für die Note 6 lediglich etwa 2/3 der vollen Punktzahl erreichen.
Tipps: Lesen Sie zuerst alle Aufgaben durch und beginnen Sie mit der einfachsten.
Geben Sie keine Auswahlsendungen: Falsche Antworten in Listen geben Abzug!
Die meisten Teilaufgaben sind unabhängig voneinander lösbar.
1) Grundlagen
a)
Nennen Sie drei charakteristische Kenngrössen eines Operationsverstärkers und geben
Sie an, wie gross diese bei einem idealen Operationsverstärker sind. <3P>
b)
Ein invertierender Verstärker habe eine Spannungsverstärkung vU = -200. Wie gross ist
dessen Verstärkung in dB? <2P>
c)
Die Flussspannung UF einer Schottky-Diode HSMS-2800 bei 10 A und -25C ist vom
Hersteller mit 0.25 V spezifiziert. Wie gross dürfte UF bei -50C sein? <2P>
d)
Wodurch unterscheiden sich pn- von Schottky-Dioden im Aufbau? <2P>
e)
Nennen Sie zwei Eigenschaften, in denen sich pn- und Schottky-Dioden wesentlich
unterscheiden und erklären Sie, wo diese Eigenschaften wichtig sind. <4P>
f)
Wie gross ist der Wirkungsgrad moderner, zur kommerziellen Stromerzeugung
verwendeter Solarzellen und was ist der aktuelle Grosshandelspreis pro Watt Leistung bei
maximaler Einstrahlung? <2P>
2) Invertierender und nichtinvertierender Schmitt-Trigger
Der folgende invertierende Schmitt-Trigger ist mit einem Operationsverstärker aufgebaut,
dessen Ausgang bei 15 V Speisespannung maximal 12 V erreichen kann. Ansonsten ist er
ideal. R1 = 50 k, R2 = 10 k.
a)
Bei welchen Eingangsspannungen Uein+ und Uein- schaltet der Schmitt-Trigger vom einen
in den anderen Zustand? <3P>
b)
Zeichnen Sie das Schaltschema und dimensionieren Sie die Werte der Widerstände für
einen nichtinvertierenden Schmitt-Trigger mit den Schaltschwellen Uein+ = +3.0 V und Uein= -3.0 V. Die Speisespannung und der Operationsverstärker sollen identisch sein wie in
Teilaufgabe a). <3P>
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3) Integrator mit konventionellem und mit Single Supply-Operationsverstärker
Der unten gezeigte Integrator arbeitet mit einem idealen, mit 15 V gespeisten
Operationsverstärker. Die Bauteilewerte sind R = 20 k, C = 10 nF.
a)
Nennen Sie eine Ihnen bekannte Anwendung eines Integrators! <1P>
b)
Am Eingang des Integrators liegt ein positiver Spannungspuls der Amplitude +1.0 V und
der Dauer 400 s (Rechteckimpuls, s. Figur unten). Wie gross ist die Spannung am
Ausgangs des Integrators nach dem Puls, wenn die Ausgangsspannungs vor dem Puls
0.0 V war? Skizzieren Sie auch den Spannungsverlauf am Ausgang. <3P>
c)
Oft wird zum Gegenkopplungskondensator C des Integrators ein hochohmiger Widerstand
parallel geschaltet. Erklären Sie, was der Zweck dieses Widerstandes ist. <2P>
d)
Skizzieren Sie die Schaltung eines Integrators mit Single Supply-Operationsverstärker
(unipolare Speisespannung +5 V). Tipp: Der nichtinvertierende Eingang verlangt eine
besondere Behandlung (ohne Berechnung der Bauteile). <3P>
4) Konstantstromquelle
Das folgende Schaltschema zeigt eine Konstantstromquelle mit Operationsverstärker und
Bipolartransistor, die eine Leuchtdiode D mit einem kontrollierten, von der Flussspannung der
Diode unabhängigen Strom ID versorgt. Der Operationsverstärker sei ideal und die
Stromverstärkung  des Transistors T sehr hoch.
a)
Die Referenzspannung URef sei 1.2 V. Dimensionieren Sie den Spannungsteiler R1, R2 so,
dass die Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers UP =
200 mV wird. <2P>
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b)
Wie gross muss R3 gewählt werden, damit der Diodenstrom ID = 350 mA wird? Den
Einfluss des Basistroms des Transistors T können Sie für diese Rechnung
vernachlässigen. <3P>
c)
Erklären Sie, wie sich der bisher vernachlässigte Basistrom von T auf die Genauigkeit des
erzeugten Stroms ID auswirkt (Vorzeichen und Grössenordnung des Fehlers). Wie liesse
sich die Schaltung modifizieren, um diesen Fehler gänzlich zu eliminieren? <3P>
5) Aufbau und Eigenschaften von MOSFET's
a)
Skizzieren Sie den Aufbau eines n-Kanal-Enhancement-MOSFET's für
Logikanwendungen (lateraler MOSFET) und beschreiben Sie dessen wichtigste
Bestandteile (Kurzbeschreibung der Funktion resp. Bedeutung jedes Bestandteils). <4P>
b)
Wodurch unterscheidet sich ein Enhancement- von einem Depletion-MOSFET (jeweils nKanal) im Aufbau und in dessen elektrischen Eigenschaften? <3P>
6) Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
Mit Hilfe der folgenden Schaltung soll eine einfache Spannungsstabilisierung realisiert werden.
Der Bereich der Eingangsspannung sei 10 .. 20 V, die stabilisierte Ausgangsspannung soll
3.3 V betragen, der Laststrom kann im Bereich 0 .. 20 mA variieren. Es steht dafür eine Diode
zur Verfügung, welche eine Durchbruchsspannung von typ. 3.3 V aufweist.
a)
Berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand R1, und zwar so, dass der Diodenstrom
IZ,min 5 mA nie unterschreitet. Den differenziellen Widerstand der Z-Diode können Sie
vernachlässigen. <3P>
b)
Der Hersteller der Diode spezifiziert eine max. Verlustleistung von 250 mW. Überprüfen
Sie, ob Ihre Dimensionierung von Aufgabe a) unter allen Umständen diesen Grenzwert
einhält. <3P>
7) Abwärtswandler
Das folgende Schaltschema ist die Anwenderschaltung des Abwärtswandler-IC's LM2952HV
von National Semiconductor. Das IC enthält lediglich den Leistungsschalter und eine
Ansteuerlogik, welche auf Grund der am Feedback-Anschluss gemessenen Spannung das
Tastverhätltnis anpasst. D1 ist eine Schottky-Diode, die Schaltfrequenz beträgt 150 kHz.
a)
Wie gross wird das Tastverhältnis des im IC integrierten Leistungsschalters (ON-Zeit zu
Periodendauer) bei den im Schema angegebenen Spannungsverhältnissen sein?
Vernachlässigen Sie für die Rechnung alle unerwünschten Spannungsverluste. <3P>
b)
Wie gross muss L1 gewählt werden, wenn die Welligkeit des Spulenstroms 30% des
nominellen Laststroms von 2.0 A betragen soll? <3P>
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c)
Sogenannte synchrone Abwärtswandler erreichen einen höheren Wirkungsgrad als
einfache Wandler wie der LM2952HV. Erklären Sie in kurzen Sätzen, evtl. auch unter
Zuhilfenahme einer Skizze, wodurch sich der synchrone Abwärtswandler unterscheidet
und weshalb er einen besseren Wirkungsgrad erreicht. <3P>
8) Spezifikationen von Power-MOSFETs und thermisches Design
Der untenstehende Auszug stammt vom Datenblatt des N-Kanal-Power-FET's FQFP4N20L von
Fairchild.
a)
Wie gross ist die maximale Verlustleistung des FET, wenn er ohne Kühlkörper bei 25C
Umgebungstemperatur eingesetzt wird? <2P>
b)
Wie gross ist der maximale Dauerdrainstrom des Bauteils, wenn es gelingt, die
Kühlkörpertemperatur auf +75C zu halten und der thermische Widerstand zwischen
Kühlkörper und FET-Gehäuse 1.0C /W beträgt? <3P>
c)
Erklären Sie die Bedeutung der Spezifikation für die "Gate Charge" (4 nC). Sie können
dies anhand eines Schaltungsbeispiels (Anwendung des FET als Leistungsschalter) und
eines Zahlenbeispiels tun. <3P>
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