Tentin tekstisisältö

ELE-2200 Analogiatekniikka I

Tentti 20.3.2009
Tentissä saa olla mukana kirjoitusvälineet ja laskin.

1) Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen enintään yhtä operaatiovahvistinta. Kyt-
kentöjen tulee olla realistisia.

2) Vout =2 Vin
b) Yy = 0.25 Fin
0) Vout = 2 Vin

9) Vout =2(Vint — Vin2)
e) Vout = £ Iin , k =-10V/maA (Virta/jännite -muunnin)
£) Vakiovirtalähde 7, = 350mA teholedin ajamiseen. Ledin yli jäävä jännite on 3.5V.

2) Suunnittele ja mitoita kytkentä, joka tuottaa verkkojännitteestä 12 V:n reguloidun tasajä
nitteen. Toteuta tasajännitelähteeseesi myös kiinteä yhden ampeerin virtaraja. Käytettävänäsi
on 5 V:n referenssi, operaatiovahvistimia, vastuksia, kondensaattoreita, transistoreja ja diodeja
sekä haluamasi arvot omaava muuntaja. Älä käytä toteutukseen valmista regulaattoripiiriä.

 

3) Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen ajastinpiiriä 555. Piirin lohkokaavio

liitteenä.

a) Monostabiili multivibraattori, joka tuottaa triggauksen tultua 10ms:n pulssin. Käytä
100nF:n ajastinkondensaattoria. Ajastinkondensaattorin latausajan voit laskea kaavasta
T = RCln3.

b) Astabiili multivibraattori (kanttiaalto-oskillaattori) /= 100Hz, Ty = 1ms (pulssin ylhäälläo-
loaika), Tj = 9ms (pulssin alhaallaoloaika). Käytä 100nF:n ajastinkondensaattoria. Ajas-
tinkondensaattorin lataus- ja purkausajat voit tässä tapauksessa laskea kaavasta T = RCIn2.

4) Olet rakentanut 10x vahvistavan vahvistimen käyttäen OPA227P -vahvistinta ja 9k?:n ja
1k2:n vastuksia.

a) Piirrä takaisinkytketyn vahvistimen Bode-piirros ja selvitä piirroksen perusteella vahvisti-
men kaistanleveys, silmukkavahvistus 1kHz:n taajuudella ja vaihevara.

b) Vahvistimen positiivisessa käyttöjännitteessä on 100mV:n 100Hz:n rippeli. Minkä suu-
ruisena tämä näkyy lähdössä?

c) Laske vahvistimen lähdössä näkyvä maksimaalinen DC-virhe 25 asteen lämpötilassa. Ota
huomioon offset-jännite sekä bias- ja offset -virrat.

5) Suunnittele ja mitoita neljännen asteen Butterworth alipäästösuodin taajuudelle 2 kHz käyt-
täen Sallen-Key yksikkövahvistintoteutusta. Mitoita suodin niin että kaikkien vastusten suu-
ruus on 10k9 Normalisoitujen lohkojen » ja O -arvot ko. suotimelle ovat: oj=1.0,

07 = 0.54, 07 = 1.0, 09 =1331.
ELE-2200 Analogiatekniikka I

Tentti 28.3.2008
Tentissä saa olla mukana kirjoitusvälineet ja laskin.

1) Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen enintään yhtä operaatiovahvistinta. Kyt-
kentöjen tulee olla realistisia.

a) Vout =5 Vin
b) Voi = 0.25 Vn
0) Vout = 2 Vin

4) Kout =C Vint + Kino) ,
e) Vout = k I:n » k = 10V/maA (Virta/jännite -muunnin)
£) Zot = 1.5MA, kun -10 V < Kyy < 10 V (Vakiovirtalähde)

2) Käytössäsi on muuntaja, jossa on yksi 10 Vrms AC-jännitteen tuottava toisiokäämi.

a) Suunnittele ja mitoita kaksipuoleisen +-5V:n jännitteen tuottava regulaattorikytkentä tällä
muuntajalla käyttäen zener-diodeja. Maksimikuormavirta on 20 mA.

b) Suunnittele ja mitoita 6V:n reguloidun tasajännitteen antava kytkentä ko. muuntajalla. Mak-
simikuormavirta on nyt 500 mA. Käytä kokoaaltotasasuuntausta, suodatusta ja 78xx regu-
laattoria sekä muita hyväksi havaitsemiasi komponentteja.

3) Suunnittele ja mitoita seuraavat kanttiaalto-oskillaattorit (astabiilit multivibraattorit) käyt-
täen ajastinpiiriä 555. Piirin lohkokaavio liitteenä. Kondensaattorin lataus- ja purkausajat voit
laskea kaavasta T = RCln2, missä R on lataus- tai purkausvastuksen suuruus ja C on ladattavan
kondensaattorin kapasitanssi

a) f/= 1kHz, Ty = 0.75ms (pulssin ylhäälläoloaika), Tj = 0.25ms (pulssin alhaallaoloaika).
Käytä 10nF:n ajastinkondensaattoria

b) /= 100Hz, Ty = 1ms (pulssin ylhäälläoloaika), T] = 9ms (pulssin alhaallaoloaika). Käytä
100nF:n ajastinkondensaattoria

4) Olet rakentanut 10x vahvistavan vahvistimen käyttäen OPA227P -vahvistinta ja 9k?:n ja
1k&:n vastuksia.

a) Piirrä takaisinkytketyn vahvistimen Bode-piirros ja selvitä piirroksen perusteella vahvisti-
men kaistanleveys, silmukkavahvistus 1kHz:n taajuudella ja vaihevara.

b) Vahvistimen positiivisessa käyttöjännitteessä on 100mV:n 100Hz:n rippeli. Minkä suu-
ruisena tämä näkyy lähdössä?

c) Laske vahvistimen lähdössä näkyvä maksimaalinen DC-virhe 25 asteen lämpötilassa. Ota
huomioon offset-jännite sekä bias- ja offset -virrat.

5) Suunnittele ja mitoita kaistanpäästösuodin, joka päästää läpi taajuuskaistan 1kHz-10kHz.
Toteuta suodin kahden yksikkövahvistavan toisen asteen Sallen-Key lohkon sarjaankyt-
kentänä. Toteuta ylipäästösuodin käyttäen 10nF:n kondensaattoreita ja alipäästölohko käyttäen
10k&:n vastuksia. Molempien lohkojen O-arvo on 0.71.
ELE-2200 Analogiatekniikka I

Tentti 1.10.2007
Tentissä saa olla mukana kirjoitusvälineet ja laskin.

1) Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen enintään yhtä operaatiovahvistinta. Kyt-
kentöjen tulee olla realistisia.

a) Vout =4 Vin
b) Vout = 0.1 Vin
0) Vout =-5 Vin

d) Vout = 3 Vint + Vin2)
e) Ensimmäisen asteen alipäästösuodin, rajataajuus 1kHz
£) Iyt = 1.5MA, kun -10 V < Vout < 10 V

2) Käytössäsi on muuntaja, jossa on yksi 10 Vrms AC-jännitteen tuottava toisiokäämi.

a) Suunnittele ja mitoita yksipuoleisen +5V:n jännitteen tuottava regulaattorikytkentä tällä
muuntajalla käyttäen zener-diodia. Maksimikuormavirta on 5 mA.

b) Suunnittele ja mitoita 8 V:n reguloidun tasajännitteen antava kytkentä ko. muuntajalla. Mak-
simikuormavirta on nyt 500 mA. Käytettävänäsi on 5 V:n referenssi, operaatiovahvistimia,
vastuksia, kondensaattoreita, transistoreja ja diodeja. Älä käytä toteutukseen valmista regulaat-
toripiiriä.

3) Suunnittele kytkentä, joka kytkee halogeenispotin päälle pimeän tultua. Lampun jännite on
12V ja teho SOW. Valoisuutta mitataan valovastuksella, jonka resistanssi kirkkaassa valossa on
n. 1002 ja pimeässä n. 1 M2. Tee kytkentäkohdasta säädettävä niin, että Öalue vastaa
valovastuksen vastusarvoja 10 k2- 110 k. Suunnittele kytkentä niin, että sitä voidaan käyt-
tää yksipuoleisella 12V:n jännitteellä.

 

4) a) Operaatiovahvistimen avoimen silmukan vahvistus nollataajuudella on 105 ja avoimen
silmukan vahvistuslauseke sisältää napapisteet taajuuksilla 1 Hz ja 1 MHz. Vahvistimen käyt-
töjännite on normaali +-15V. Takaisinkytkemättömän vahvistimen lähtöimpedanssi 1 kHz:n
taajuudella 50 9. Piirrä tätä vahvistinta käyttäen toteutetun 10 kertaa vahvistavan ei-invertoi-
van vahvistimen Bode-diagrammi ja määritä sen perusteella takaisinkytketyn vahvistimen
kaistanleveys ja vaihevara, silmukkavahvistus 100 Hz:n taajuudella sekä lähtöimpedanssi
1 kHz:n taajuudella. Selitä myös miten olet päätynyt vastauksiisi kuvaajan perusteella.

b) Mitä näkyy kussakin tapauksessa tämän vahvistimen lähdössä, kun sisääntuloon tuodaan
seuraavat sinimuotoiset jännitteet:

A) Amplitudi 0.1V taajuus 100Hz
B) Amplitudi 2.0V, taajuus 1kHz
C) Amplitudi 1V, taajuus 100kHz

5) Suunnittele suodin lisäbassokäyttöön. Suodin koostuu toisen asteen ylipäästölohkosta,
jonka rajataajuus on 20Hz ja O arvo on 2 sekä toisen asteen alipäästösuotimesta, jonka rajataa-
juus on 80Hz ja O arvo 0.7. Lohkot on kytketty sarjaan. Toteuta lohkot yksikkövahvistavina
Sallen-Key lohkoina ja käytä ylipäästölohkossa 1uF:n kondensaattoreita ja alipäästölohkossa
10k&:n vastuksia.
ELE-2200 Analogiatekniikka I

Tentti 21.3.2006
Tentissä saa olla mukana kirjoitusvälineet ja laskin.

1 Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen enintään yhtä operaatiovahvistinta. Kyt-
kentöjen tulee olla realistisia.

9) Vout =2 Vin
b) Vout =0.2 Vin
0) Voit =-2 Vin

4 Vout = (2 Vini + Vin)
e) Vout = Vin kun Vin > O ja Vyy = 0 kun Vin <0
f) It = 1MA, kun -10 V < Voi < 10 V

2 Käytössäsi on muuntaja, jossa on yksi 10 Vrms AC-jännitteen tuottava toisiokäämi. Suun-
nittele ja mitoita kaksipuoleisen +-5V:n jännitteen tuottava regulaattorikytkentä tällä muunta-
jalla käyttäen

a) zener-diodeja, maksimikuormavirta on 10 mA.
b) 7805, 7905 regulaattoreita, maksimivirta on nyt 100 mA.

3 Suunnittele kytkentä, joka kytkee halogeenispotin päälle pimeän tultua. Lampun jännite on
12V ja teho SOW. Valoisuutta mitataan valovastuksella, jonka resistanssi kirkkaassa valossa on
valovastuksen vastusarvoja 10 k - 110 k. Suunnittele kytkentä niin, että sitä voidaan käyt-
tää yksipuoleisella 12V:n jännitteellä.

4 a) Vahvistimen avoimen silmukan vahvistus nollataajuudella on 105 ja avoimen silmukan
vahvistuslauseke sisältää napapisteet taajuuksilla 10 Hz ja 1 MHz. Takaisinkytkemättömän
vahvistimen lähtöimpedanssi 1 kHz:n taajuudella 5 & Piirrä tätä vahvistinta käyttäen toteute-
tun 10 kertaa vahvistavan ei-invertoivan vahvistimen Bode-diagrammi ja määritä sen perus-
teella takaisinkytketyn vahvistimen kaistanleveys ja vaihevara, silmukkavahvistus 100 Hz:n
taajuudella sekä lähtöimpedanssi 1 kHz:n taajuudella.

b) Vahvistimen sisääntulon jännitekohinan jakauma taajuustasossa on tasainen ja kohinatiheys
on 10nV//Hz. Laske tällä vahvistimella toteutetun 20 kertaa vahvistavan vahvistimen lähtöko-
hinan suuruus 20 kHz:n kaistalla. Muita kohinalähteitä ei tarvitse huomioida.

5 Suunnittele ja mitoita neljännen asteen Butterworth alipäästösuodin taajuudelle 1700 Hz
käyttäen Sallen-Key yksikkövahvistintoteutusta. Mitoita suodin niin että kaikkien vastusten
suuruus on 10k£ Normalisoitujen lohkojen & ja O -arvot ko. suotimelle ovat: 0j = 1.0,
Oj =0.54, 0, = 1.0, 0, = 1.31.
 

Tet-tävä 4: Otteita OPA227 vahvistimen datalehdeltä

POWER SUPPLY AND COMMON-MODE

OPEN-LOOP GAIN/PHASE vs FREOUENCY REJECTION RATIO vs FREOUENCY

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

180 T TYTY o 140
v | OPA227 ] oo
l l J 120
140 + | | + *CMRR
120 | | -60 g 100
5 100 80 = =
8 = E 60 +PSRR
= [ 100 & s |
o 0 | 120 & E co [!-HHIH -PSRR 3
| E
40 T —140 ö 40
20 t 160 |
o L HIILI 180 O I
I | |
20 —200 + |
0,01 010 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M e e EN

Freguency (Hz) Freguency (Hz)

OPA227 Series

At Ta = +25%€, and R, = 10kO, unless otherwise noted
Boldface limits apply over the specified temperature range. Tx = -40*C to +85'C.

      
   
   
 
 
 
      
 
     

   

N = OPA227PA, UA
OPA227P, U == OPA2227PA, UA
OPA2227P, U ”OPA4227PA, VA

PARAMETER CONDITION
OFFSET VOLTAGE

  

Input Offset Voltage Vos
Ta = -40*C to +85€
vs Temperature AVos/dT
vs Power Supply PSRR Vs = +2.5V to +18V
Ta = 40% to +85%€
vs Time

Channel Separation (dual, guad) de
f = 1kHz, R, = 5k0

 

INPUT BIAS CURRENT

Input Bias Current ls
Ta = -40*C to +85"€
Input Offset Current los

 

 

 

 

 

 

Ta = 40% to +85%

 

 

Tehtävä 3: Ajastinpiirin 555 lohkokaavio

 
ELE-2200 Analogiatekniikka I

Tentti 2.10.2006
Tentissä saa olla mukana kirjoitusvälineet ja laskin.

    

1 Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkenn:
tulee olla realistisia. HUOM. Tästä tehtä
tistä tarkastetaan!

käyttäen enintään yhtä operaatiovahvistinta. Kytkentöjen
tä tulee saada vähintään 4 pistettä, jotta loppuosa ten-

   

4) Vout =2 Vint - Vina

b) V= 02 V4

o) Vout =-2 Vin

9 Vout =-(2 Vini + Vino)
&) Vai = Vin Ku Vip > O jä Vyy =O kun Vj, <

£) [97 = 3MA, kun -10 V < yy, < 10 V

2 a) Suunnittele ja mitoita operaatiovahvistinkytkentä, joka muuttaa anturilta tulevan 4-20 mA:n vir-
taviestin 0-10 V:n jännitesignaaliksi.
b) Suunnitte a-kohdan kytkennälle reguloitu teholähde käyttäen verkkomuuntajaa, tasasuuntausta ja
suodatusta sekä 78xx ja 79xx sarjan regulaattoreita.

  

3 Suunnittele kytkentä, joka kytkee verkkojännitteellä toimivan lämmitysvastuksen äälle lämpötilan
laskiessa nollaan tai sen alapuolelle. Käytettä si on 24 V:n tasajännite ja verkkojännite. Lämpötila
mitataan NTC-vastuksella, jonka resistanssi on nolla-asteen lämpötilassa 33 k2 Lämmitysvastus kyt-
ketään 24 V:n releellä, jonka tarvitsema virta on n. 100 mA.

   

4 a) Operaatiovahvistimen avoimen silmukan vahvistus nollataajuudella on 105 ja avoimen silmukan
vahvistuslauseke sisältää navat taajuuksilla 10 Hz ja 10 MHz. Miten toteuttaisit kahta tällaista vah-
vistinta käyttäen 1000 kertaa vahvistavan kuvan mukaisen ei invertoivan yhdistelmävahvistimen, jossa
operaatiovahvistimesta OA, otetaan 10-kertainen vahvistus? Mikä on kyseisen yhdistelmävahvistimen

     

kaistanleveys ja vaihevara? e

 

 

 

 

b) Vahvistimen sisääntulon jännitekohinan jakauma taajuustasossa on tasainen ja kohinatiheys on
10nV/ Hz. Laske tällä vahvistimella toteutetun 20 kertaa vahvistavan vahvistimen lähtökohinan suu-
ruus 20 kHz:n kaistalla. Muita kohinalähteitä ei tarvitse huomioida.

5 Suunnittele ja mitoita neljännen asteen Butterworth alipäästösuodin taajuudelle 2 kHz käyttäen
Sallen-Key yksikkövahvistintoteutusta. Mitoita suodin niin että kaikkien vastusten suuruus on 10 k
Normalisoitujen lohkojen & ja O -arvot ko. suotimelle ovat: 0, = 1.0, 0, = 0.54, 0, = 1.0, 0,=131.