Elektronik1 - baumberger hochfrequenzelektronik

Elektronik 1
Schlussprüfung:
24. Juni 2013
NAME:
Zeit: 90 Minuten
3 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!
Beantworten Sie genau, was gefragt ist.
Die meisten Teilaufgaben sind unabhängig voneinander lösbar.
1) Operationsverstärker Grundlagen
a)
Zählen Sie drei Eigenschaften auf, welche einen idealen Operationsverstärker
ausmachen, und geben Sie eine kurze Beschreibung jeder Eigenschaft. <3P>
b)
Was unterscheidet einen Single Supply-Operationsverstärker von einem normalen
Operationsverstärker für bipolare Speisung? Erklären Sie die Unterschiede in Bezug auf
Operationsverstärkerein- und Ausgang. <2P>
c)
Es wird allgemein empfohlen, die Speisungsanschlüsse jedes Operationsverstärkers mit
einem Kondensator gegen Masse abzublocken. Was ist der Grund für diese Empfehlung?
Was kann passieren, wenn man sie nicht befolgt? <2P>
2) Addierer
Die folgende Schaltung zeigt einen sog. Umkehraddierer. Wie der Name sagt, bildet die
Schaltung die Summe der beiden Eingangsspannungen Ue1 und Ue2, allerdings mit negativem
Vorzeichen, also Ua = -(Ue1 + Ue2). Der Widerstand R3 sei 10 k und der Wertebereich der
beiden Eingangsspannungen 0 .. +5 V.
a)
Dimensionieren Sie die beiden Widerstände R1 und R2 so, dass die Schaltung die
Funktion Ua = -(Ue1 + Ue2) ausführt. Der Operationsverstärker sei ideal. <2P>
b)
Zeichnen Sie im Schema die Speisungen des realen Operationsverstärkers ein und
wählen Sie die Versorgungsspannungen (bipolare Speisung, also UB+ und UB-), die nicht
grösser als nötig sein sollen. Begründen Sie Ihre Wahl und allfällige Annahmen. <3P>
c)
Die Schaltung soll nun als Single Supply-Schaltung (UB- = 0 V) unter Anwendung eines
modernen RRIO-Operationsverstärkers (rail-to-rail input output) ausgeführt werden, wobei
der Eingangsspannungsbereich weiterhin 0 .. +5 V sein soll. Wie ist die Schaltung zu
modifizieren und wie gross muss die Speisespannung UB+ nun sein? Gefragt ist ein
Schema mit den Werten der Bauteile sowie die minimale Betriebsspannung. <3P>
3) Integrator
Der umseitig gezeigte Integrator arbeitet mit einem realen Operationsverstärker (kein single
supply-OP). Die Speisung beträgt 15 V, die Bauteilewerte sind R = 2 k, C = 10 nF.
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a)
Skizzieren Sie den Spannungsverlauf am Integratorausgang quantitativ (also mit
Zahlenwerten), wenn am Eingang ein Rechteckimpuls der Amplitude +1.0 V und 400 s
Dauer anliegt (s. Figur rechts). Die Anfangsladung des Kondensators sei null. <2P>
b)
Angenommen, der Eingangs-Bias-Strom (Nichtidealität) des Operationsverstärker betrage
1.0 µA (Strom fliesst in die OP-Eingänge hinein). Skizzieren Sie das resultierende
Verhalten der Ausgangsspannung Uaus, wenn die Eingangsspannung Uein konstant auf 0 V
gehalten wird, und nennen Sie zwei Massnahmen, mit denen dieses unerwünschte
Verhalten beseitigt werden kann (mit Schemaskizze und Erklärung). <4P>
4) Grundlagen von Halbleitern und Dioden
a)
Erläutern Sie, wie das Phänomen der intrinsischen Leitfähigkeit im undotierten Halbleiter
zustande kommt und wie es sich dort auswirkt. <2P>
b)
Weshalb bildet sich beim Zusammenfügen von p- und n-dotiertem Halbleitermaterial
bereits ohne angelegte Sperrspannung eine Sperrschicht (also eine trägerentblösste
Zone)? <2P>
c)
Die Flussspannung einer realen pn-Diode betrage bei einem Strom von 1 µA und
Zimmertemperatur (25°C) UF = 0.5 V. Berechnen Sie die Flussspannung dieser Diode bei
einem Strom von 1 mA unter Annahme eines Korrekturfaktors m = 1. <2P>
d)
Welche zusätzliche Information benötigen Sie für eine reale Diode, wenn Sie auf Grund
der in Teilaufgabe c) gegebenen Daten deren Flussspannung bei einem hohen Strom (z.
B. bei 1 A) berechnen müssten? <2P>
e)
Wie verändert sich die Flussspannung der Diode von Teilaufgabe c), wenn bei
konstantem Strom die Temperatur um 50°C erhöht wird? <2P>
5) Leistungsgleichrichter
Die folgende Figur zeigt das Schaltschema einer einfachen Stromversorgung mit
Netztransformator, Brückengleichrichter und Glättungskondensator. Im Gleichrichter kommen
Schottky-Dioden zum Einsatz.
a)
Wie gross muss die Sekundärspannung des Transformators gewählt werden, damit eine
Gleichspannung UDC von 5.0 V resultiert? Geben Sie den Effektivwert an. Für die
Flussspannung der Dioden können Sie 0.4 V annehmen, der Kondensator C sei so gross,
dass kaum eine Restwelligkeit resultiert. <2P>
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b)
Dimensionieren Sie den Kondensator C so, dass bei einem Laststrom von 100 mA eine
Restwelligkeit von 0.2 V resultiert. Die Netzfrequenz beträgt 50 Hz. <2P>
6) Abwärtswandler
In dieser Aufgabe sollen Sie einen einfachen Abwärtswandler dimensionieren, der aus einer
Eingangsspannung von 5.0 V eine Ausgangsspannung von 1.2 V bei 0.5 A Laststrom erzeugt.
Er soll aus einem p-Kanal-Enhancement-MOSFET als Leistungsschalter, einer SchottkyFreilaufdiode sowie einer Speicherdrossel und einem Glättungskondensator bestehen.
a)
Zeichnen Sie das komplette Schaltschema des Wandlers inkl. 5 V-Spannungsquelle
(Eingang) und Last (Widerstand 2.4 ). Die Signalquelle zur Ansteuerung des MOSFET
ist als ideale Quelle zu zeichnen. <2P>
b)
Wie gross muss das Tastverhältnis dideal (Verhältnis von Einschaltdauer des MOSFET zu
Periodendauer) sein, wenn man sämtliche Verluste (ON-Widerstand des MOSFET’s,
Gleichstromwiderstand der Speicherdrossel und Flussspannung der Freilaufdiode)
vernachlässigt? <2P>
c)
Berechnen Sie jetzt das erforderliche Tastverhältnis dUF unter Berücksichtigung des
Spannungsverlustes über der Freilaufdiode von UF = 0.4 V, jedoch immer noch ohne die
Widerstände von MOSFET und Drossel, und skizzieren Sie in einem Diagramm die
Verläufe der Spannung über der Freilaufdiode sowie des Stroms durch die Drossel
quantitativ korrekt, d.h. mit den richtigen Zahlenwerten. Die Schaltfrequenz f sei 1 MHz
und die Induktivität der Speicherdrossel 5.6 µH. <3P>
d)
Ermitteln Sie die Gesamtverlustleistung der Schaltung unter Berücksichtigung aller
Verluste (Freilaufdiode, MOSFET, Drossel). Sie können dabei mit dem in Teilaufgabe c)
berechneten Tastverhältnis rechnen, oder alternativ mit jenem aus Teilaufgabe b). Der
ON-Widerstand des MOSFET’s sowie der Gleichstromwiderstand der Spule sei jeweils
0.5 . <3P>
7) Dimensionierung eines LDO
Sie sollen mit dem LDO LM2941CT von Texas Instruments (Datenblattauszug s. letzte Seite)
eine Stabilisierung für eine Ausgangsspannung von 5.0 V dimensionieren. Als primäre
Spannungsquelle steht ein Lithium-Akku mit zwei Zellen zur Verfügung (nominelle Spannung
7.2 V, beim Laden max. 8.5 V). Der maximale Laststrom beträgt 1.0 A.
a)
Zeichnen Sie das Schaltschema der gesamten Schaltung inkl. Akkusanschluss, Ausgang
und allen benötigten Bauteilen mit deren Werten. Begründen Sie die Wahl der Werte,
soweit nicht durch Ihre Rechnung ersichtlich. Der Regler soll immer eingeschaltet sein,
d.h. der ON/OFF-Eingang muss entsprechend beschaltet sein. <3P>
b)
Benötigt der Regler einen Kühlkörper? Wenn nein, begründen Sie dies. Falls ja,
dimensionieren Sie diesen für eine maximale Umgebungstemperatur von +45°C. Gefragt
ist in diesem Fall also der Wärmewiderstand des Kühlkörpers RSA. <3P>
c)
Bis zu welcher Spannung kann der Akku beim maximalen Laststrom entladen werden,
ohne dass die Ausgangsspannung nach dem LDO abfällt? Gefragt ist hier ein sicherer
Wert, der allen Umständen Rechnung trägt! <2P>
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