Exam text content

MW 1kluv> e W SW la :

ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset
Tentti 15.02.2010 / Jouko Heikkinen
Tenttyjän oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu

   
    

. (6P)
; 6 2) Miller- kapasitanssi | Terminen malinansat N
H (b)/ ) Saturaatioalue (BIT & FET) TX Hallitseva napa
i c) Cascode-kytkentä A)/ Emitteriseuraaja
(0 L
( - | Piirrä lohkokaavio takaisinkytketystä vahvistimesta (negatiivinen takaisinkytkentä) ja
< / merkitse siihen -oleelliset-signaalit> Johda lohkokaavion- avulla suljetun silmukan
Le / vahvistuksen lauseke. Mihin muotoon johtamasi lauseke saadaan, kun silmukkavahvistus on
- hyvin suuri? Mitä etua tästä saavutetaan? (6p)

3. Osoita, että kuvan 1 kytkennässä virta /, on riippumaton jännitteestä V,, (johda virran 1,
lauseke) ja laske virran suurus kun R, =3kO, V« =12V ja V,=10V. Transistorit ovat

identtisiä (kaikilla sama V,, ) ja niiden £ >> 1. Minkä tyyppinen kytkentä on kyseessä? (6p)

4. ryitapeiä
Pn) V/ (4 Selosta virtapeilin rakenne ja toimintaperiaate. Mihin ja miksi sitä käytetään?
KA ) Suunnittele bipolaaritransistoreja sekä +12V ja -12V käyttöjännitelähteitä käyttäen samaa
/ referenssivirtaa hyödyntävät 1 mA virtalähde ja 5 mA virtanielu. Kaikki transistorit
oletetaan identtisiksi (pinta-alojen suhde saa vaihdella välillä 1-5) ja niiden |V3;| = 0,6 V.

(6p)

5. Piirrä kuvassa 2 esitetyn differentiaalivahvistimen piensignaalimalli ja määritä sen avulla
lausekkeet | yhteismuotoiselle — jännitevahvistukselle — 4,,, =v,,/v,, = (oleta transistorit

identtisiksi) sekä eromuotoiselle jännitevahvistukselle A, =v,,/v, (oleta, että v, =-v,, ).
Kuinka suuriksi vastukset R,, voi mitoittaa, jotta vahvistimen yhteismuotoisen signaalin

vaimennussuhde olisi vähintään 120 dB, olettaen että transistorien O1 ja O> virtavahvistus on
200 ja kollektorivirta toimintapisteessä on 2,6 mA? Oletetaan lisäksi, että biasvirtalähteen Izg

  

ulostulompedanssi on 6M2? (6p)
Vcc Vec Vcc
« ? 4 A
: lk |
"Vo
S
Ver
Kuva 1 Kuva 2
YY -
> K

, Käännä
ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset
Tentti 26.01.2009
Laskimen käyttö sallittu

1.

Selvitä lyhyesti seuraavat käsitteet ja niiden merkitys elektroniikassa. > (6p)
a) Hybrid-r -malli d) SOA 7

b) Terminen resistanssi e) FET jänniteohjattuna resistanssina

e) Gain-bandwidth product, GB f) Emitteriseuraaja

. Differentiaalivahvistimen ominaisuudet ja sovellukset. Mitkä eri tekijät vaikuttavat

differentiaalivahvistimen ”hyvyyteen”? (6P)

kl + =)
Vahvistimen silmukkavahvistus on T(s) = TS s tost 3) (6p)
(1 +yli +-)G + G +)
10 10 10 10

a) Piirrä asymptoottinen Bode-diagrammi ja määritä vaihe- ja vahvistusvarat, kun K =10".
Onko vahvistin stabiili?

b) Selosta kaksi tapaa, joilla epästabiili vahvistin voidaan saada stabiiliksi. Käytä jompaa
kumpaa selostamaasi tapaa niin että a-kohdan vahvistimen vaihevaraksi saadaan +22,5*.

Laske kuvan 1 kytkennälle jännitteiden V; ja V, sekä virran 1, arvo, kun V,,=+15V,

Vs =-15V ja R, =1k0. Molempien transistorien |V,|=3V ja I,,, =6mA. (6p)

 

 

Piirrä kuvassa 2 näkyvän piirin piensignaalimalli keskitaajuusalueella. Johda lausekkeet
jännitevahvistukselle ja sisäänmenoresistanssille parametrien 7; ja £ avulla ilmaistuna.

Laske niiden arvo kun R, =1000, R.=1k0, R,=270k0, R, =1k0, V.=I5V,
B=100, V,o=07V ja 1,,=SL14A. Onko kyseessä invertoiva vai ei-invertoiva
vahvistinkytkentä? (6p)

Voo Veo = oc
Ro 1
” Rg Rc o
N

 

 

 

v 2R
4 > Vin -
Ti 5
Vss = = =
Kuva 1 Kuva 2

Käännä
ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset

K

Tentti 25.02.2008
Laskimen käyttö sallittu

1.

 

Selvitä lyhyesti seuraavat käsitteet ja niiden merkitys elektroniikassa. (6p)
a) Piensignaalimalli d) Gain-bandwidth product, GB

b) Positiivinen takaisinkytkentä e) Saturaatioalue (BJT & FET)

c) Differentiaalipari f) Ylimenosärö

Käytät suunnittelemassasi kytkennässä transistoria, jolle valmistaja on määrittänyt kuvassa 1
näkyvän käyrän (sallittu tehohäviö kotelon lämpötilan funktiona, power derating curve).
Kotelon ja jäähdytyslevyn välinen terminen resistanssi on 1,75 *C/W. Kuinka suuri saisi
jäähdytyslevyn ja ympäristön välinen terminen resistanssi olla, jotta transistorin kestämisen
varmistamiseksi sen kotelo saataisiin pidettyä lämpötilassa 100 *C tehohäviön ollessa 20 W.
Ympäristön lämpötila on 25 *C. Laske myös liitoksen lämpötila näissä olosuhteissa. (6p)

Miten transistorien käyttäytyminen muuttuu toimintataajuuden kasvaessa? Mitä rajoituksia
taajuuden — kasvattaminen — aiheuttaa — transistorivahvistimien — toimintaan? — Miten
suurtaajuuskäyttäytyminen voidaan ottaa transistorikytkentöjen suunnittelussa huomioon?
Anna esimerkki vahvistinkytkennästä, jossa epäedulliset suurtaajuusvaikutukset on pyritty
minimoimaan. (6p)

Kuvan 2 kytkennässä identtisten transistorien O, ja O, virtavahvistus On 200. Mitoita R,
niin, että transistorin O, kollektorivirta on 0,5 mA, kun K, =+15V3=R, =2,8kO ja
Vai =Vopa = 0,6V. Mitoita R, niin, että V, =7,5V. (6p)
Laske kuvan 3 kytkennässä jännitteen V-;, arvo, kun V<=+ISV, 1,0. =2mA,
R, =4,4k02, R, =6000, B=100 ja V,,,=0,6V. Piirrä kytkennät piensignaalimalli,
määritä ulostuloimpedanssin Z, lauseke parametrien P, r,, R, ja R, avulla ilmaistuna ja
laske lausekkeen arvo. (6p)

Vee

 

 

 

  
ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset
Tentti 29.11.2007

1. Selvitä lyhyesti seuraavat käsitteet ja niiden merkitys elektroniikassa. (6p)
a) Virtapeili d) Saturaatioalue (BJT & FET)
b) Cascode-kytkentä e) Hallitseva napa
c) Terminen resistanssi f) Emitteriseuraaja

2. Differentiaalivahvistimen ominaisuudet ja sovellukset. Mitkä eri tekijät vaikuttavat
differentiaalivahvistimen ”hyvyyteen”? (6Pp)

3. Piirrä lohkokaavio takaisinkytketystä vahvistimesta ja merkitse siihen oleelliset signaalit.
Johda lohkokaavion avulla suljetun silmukan vahvistuksen lauseke ja tarkastele
lausekkeen avulla suljetun silmukan vahvistuksen stabiilisuutta (herkkyyttä vahvistimen
parametrien muutoksille) kun kyseessä on
a) positiivinen takaisinkytkentä
b) negatiivinen takaisinkytkentä (6p)

4. Laske kuvan 1 kytkennälle jännitteiden V, ja V, sekä virran 7, arvo, kun V,, =+15V,

V,;=-15V ja R, =1k0. Molempien transistorien lr, |= 2V ja I,jss =8mA. (6p)

5. Piirrä kuvan 2 kytkennälle keskitaajuusalueen = piensignaalimalli. —Piirtämääsi
piensignaalimallia käyttäen johda kytkennän jännitevahvistuksen, sisäänmenoimpedanssin
ja ulostuloimpedanssin lausekkeet. (6p)

Vop

A

 

 

 

 

 

 

Kuva 1 Kuva 2
ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset
Tentti 01.12.2006

n

Selvitä lyhyesti seuraavat käsitteet ja niiden merkitys elektroniikassa. (6p)

a) Emitteriseuraaja d) B-luokan vahvistin
b) Hybrid-n -malli e) Terminen resistanssi
c) Lineaarinen alue (BJT & FET) f) Millerin teoreema

Mitä tarkoitetaan systeemin stabiilisuudella? Milloin vahvistin on stabiili? Millä
menetelmillä epästabiili vahvistin voidaan saada stabiiliksi? (6p)

Kuvan 1 kytkennässä saturaatioalueella toimivan transistorin parametrit ovat: V, =-3V
ja Ipss =18mA. Laske R; kun Vj, =+20V, R;=100kO ja 7,,=4mA. Oleta
toimintapisteen olevan saturaatioalueella. Mikä on vastuksen R, suurin arvo, kun
toimintapisteen täytyy pysyä saturaatioalueella? (6p)

niin, että transistorin O, kollektorivirta on 0,5 mA, kun Ve =+10V, R, =24k& ja
Vary = Var = 0.6V . Mitoita R, niin, että V, =5V.(6p)

Kuvan 2 kytkennässä identtisten transistorien O, ja O, virtavahvistus on 250. Mitoita R,

Laske kuvan 3 kytkennässä jännitteen Vpp arvo, kun Ve =+10V, 1,0 =4mA,
R, =4,4k02, R, =6000, B=100 ja V,p, =0,6V. Piirrä kytkennän piensignaalimalli,
määritä ulostuloimpedanssin Z, lauseke parametrien £. 7. R, ja R, avulla ilmaistuna ja

laske lausekkeen arvo. (6p)

IN
<
8

AW
>
Am
b.
O

 

>?
K
G)
s [|

 

 

D

5
I|—-M—
I|-—w

v

&
n
R

 

Kuva 1 Kuva 2
ELE-2100 Puolijohdekomponenttien sovellukset
. Tentti 28.11.2005

15

 

Selvitä lyhyesti seuraavat käsitteet ja niiden merkitys elektroniikassa.
a) Ylimenosärö d) Positiivinen takaisinkytkentä
b) Cascode-kytkentä e) Saturaatioalue (BJT & FET)
c) CMRR f) Millerin teoreema

Takaisinkytkentätyypit ja niiden ominaisuudet (vaikutus vahvistimen sisäänmeno-
impedanssiin, ulostuloimpedanssiin ja vahvistukseen).

Virtapeili.

a) Selosta virtapeilin rakenne ja toimintaperiaate. Mihin ja miksi sitä käytetään?

b) Suunnittele bipolaaritransistoreja käyttäen samaa referenssivirtaa hyödyntävät 1 mA
virtalähde ja 5 mA virtanielu, kun käyttöjännitteinä ovat +15V ja -15V. Transistorit
oletetaan identtisiksi (pinta-alojen suhde saa vaihdella välillä 1-5) ja niiden
[Pax] =0.6V ja B>>1.

Käytät suunnittelemassasi kytkennässä transistoria, jolle valmistaja on määrittänyt
kuvassa 1 näkyvän käyrän (sallittu tehohäviö kotelon lämpötilan funktiona, power
derating curve). Kotelon ja jäähdytyslevyn välinen terminen resistanssi on 1?C/W ja
jäähdytyslevyn ja ympäristön välinen terminen resistanssi on 4*C/W. Ympäristön
lämpötilan ollessa 25*C mittaat jäähdytyslevyn lämpötilaksi 105*C. Laske transistorin
tehohäviö, kotelon lämpötila ja liitoksen lämpötila. Kestääkö transistori näissä
olosuhteissa? Perustele vastauksesi.

Kuvan 2 kytkennässä V,, =+15V, R, =5000, R, =10k0, R, =5kG2, R, =1.2kO ja
R, =2.4k0. Transistorin f =100 ja V,, =0.7V.
a) Määritä toimintapisteen virta 1, ja vastuksen R, arvo kun Vg =6.67V.

b) Piirrä piensignaalimalli keskitaajuusalueella. Mikä kytkentä on kyseessä? Johda
lausekkeet jännitevahvistukselle ( 4, =v, /v,, ), sisäänmenoimpedanssille (Z, = v, fi, )

ja ulostuloimpedanssille (Z, = v, /i, ) ja laske niiden arvo.

e) Kirjoita ulostulon v,(f) lauseke kun v, (1) =10sin(200071)mV. Oletetaan, että
signaalin taajuus on vahvistimen keskitaajuusalueella.