Elektronik 1 Prüfung 1: 16.3.10 Musterlösung Zeit: 45 Minuten 4 Seiten eigene Zusammenfassung und Taschenrechner erlaubt PC und Handy nicht erlaubt Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte Tipps: Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen Die Teilaufgaben lassen sich unabhängig voneinander lösen. 1. Nicht-Invertierender Verstärker a) Wie gross ist die Spannungs-Verstärkung vU = Uaus/Uein unter der Annahme, dass der Operations-Verstärker ideal ist. Un = Up (idealer Op-Amp) Up = Uein Un = UausR2/(R1+R2) Uaus = Uein(R1+R2)/R2 = Uein(1+R1/R2) vU = Uaus/Uein = 1+R1/R2 = 11 b) Der Operations-Verstärker sei nicht ganz ideal und weise einen EingangsspannungsOffset Ud = 5mV auf. Wie gross ist die Spannung Uaus, wenn Uein = 0 ist (= OffsetFehler am Ausgang bei kurzgeschlossenem Eingang). Up = 0 (kurzgeschlossener Eingang) Un = Up-Ud = -5mV Un = UausR2/(R1+R2) = -5mV Uaus = -5mV(R1+R2)/R2 = -55mV 481333433 Seite 1 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 2. Audio-Vorverstärker mit 3-D-Effekt Die Schaltung ist nur für den linken Stereo-Kanal gezeichnet. a) Berechnen Sie algebraisch den Ausgang ULaus als Funktion der Eingänge ULein und URein und der Widerstände R1, R2, R3 und R4 (Annahme: Operations-Verstärker ist ideal). Ud Up Un 0 beide Op-Amp-Eingänge haben die gleiche Spannung R2 R4 Up ULein Un ULaus (URein ULaus ) R1 R 2 R3 R 4 R2 R4 R4 ULein ULaus(1 ) URein R1 R 2 R3 R 4 R3 R 4 R3 R2 R4 ULaus ULein URein R3 R 4 R1 R 2 R3 R 4 R 2( R3 R 4) R4 ULaus ULein URein R3( R1 R 2) R3 Kontrolle: Mit R3 R1 und R4 R2 ist es ein normaler Differenzverstärker ULaus ULein R2( R1 R2) R2 R2 URein (ULein URein ) R1( R1 R2) R1 R1 Mit dem Überlagerungssatz ist auch ein anderer anschaulicher Lösungsweg möglich: Eingang URein = 0: R1 und R2 bilden einen Spannungsteiler und der Operationsverstärker zusammen mit R3 und R4 einen nicht-invertierenden Verstärker. Eingang ULein = 0: Der Operationsverstärker bildet zusammen mit R3 und R4 einen invertierenden Verstärker b) Wie müssen die Widerstandsverhältnisse gewählt werden, damit der Stereo-Effekt verdreifacht wird? Es soll also gelten: ULaus = 2∙ULein - 1URein (Tipp: Zuerst Teilaufgabe a) lösen) R 2( R3 R 4) R4 URein R 3( R1 R 2) R3 Wunsch: ULaus 2 ULein 1 URein Der Koeffizienten-Vergleich ergibt: R4 1 R3 R3 R 4 R 3 oder R 4 kann frei gewählt werden R 2( R3 R 4) R 2( R 4 R 4) 2 R2 2 R 3( R1 R 2) R 4( R1 R 2) R1 R 2 Schaltung: ULaus ULein 2 R 2 2 R1 R 2 R1 0 481333433 R 2 R1 R 2 und R 2 wird auch nicht benötigt Seite 2 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 3. Schmitt-Trigger Die Versorgungsspannung des Operations-Verstärkers ist 5V (single supply). Der Ausgang kann Spannungen zwischen 0V und 5V annehmen. a) Bei welchen Eingangsspannungen Uein schaltet der Schmitt-Trigger um? Umschalten bei: Ud Up Un 0 R4 R3 R4 Up Uein Uaus Uein Uein Uaus R3 R 4 R3 R 4 R3 R 4 R2 Un Ub R1 R 2 Up Un R3 R4 R2 Uaus Ub R3 R 4 R3 R 4 R1 R 2 R2 R 4 R3 R 4 Uein Ub Uaus R1 R 2 R3 R 4 R3 2 Fälle müssen unterschieden werden: Fall 1: Uaus Ub 5V Uein R 4 R3 R 4 R2 100k 47k 147k Uein Ub 5V 200k 147k 100k 1.325V R3 R1 R 2 R3 R 4 Fall 2: Uaus 0 Uein Ub 481333433 R2 R3 R 4 100k 147k 5V 3.675V R1 R 2 R3 200k 100k Seite 3 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW b) Berechnen Sie die Widerstände R1 bis R4 so, dass die Schaltschwellen bei den Eingangsspannungen Uein = 1V und Uein = 2V liegen. Umschalten bei: Ud Up Un 0 Up Uein Uaus Uein Un Ub R4 R3 R4 Uein Uaus R3 R 4 R3 R 4 R3 R 4 R2 R1 R 2 Up Un R3 R4 R2 Uaus Ub R3 R 4 R3 R 4 R1 R 2 R2 R 4 R3 R 4 Uein Ub Uaus R1 R 2 R 3 R 4 R3 2 Fälle müssen unterschieden werden: Uein Fall 1: umschalten bei: Uaus Ub 5V Uein 1V R 4 R3 R 4 R2 1V 5V R3 R1 R 2 R3 R 4 Fall 2: umschalten bei: Uaus 0 Uein 2V R2 R3 R 4 2V 5V R1 R 2 R3 R2 2V R3 oben einsetzen ergibt R1 R 2 5V R3 R 4 1 2 R3 R 4 R3 R 4 1 2 R3 5 R 4 5 5 R3 R 4 R 3 R 4 R3 5 R3 R3 5 R4 2 Gleichungen für 4 Unbekannte es kommt nur auf die Widerstandsverhältnisse an R1 = R3 = 100k werden frei gewählt R2 2V R3 2 5 1 R1 R 2 5V R3 R 4 5 5 1 3 R1 2 R 2 R 2 100k / 2 50k R 4 100k / 5 20k 481333433 Seite 4 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW