Klausur 2011 ss PDF

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Technische Universität Darmstadt FB Elektrotechnik und Informationstechnik FG Integrierte Elektronische Systeme Prof. Dr.-Ing. Klaus Hofmann

Klausur / Semestralklausur zur Vorlesung

Elektronik SS 2011 22. Juli 2011 Bitte füllen Sie dieses Deckblatt leserlich und in Blockbuchstaben aus: Name, Vorname: Matrikelnummer Fachbereich Semester Angestrebter Abschluss:

Bachelor: 

Semestralklausur?

Ja: 

Diplom:  Nein: 

Unterschrift Aufgabe Maximum Erreicht

1 (Opamp) 25+5

2 (Transistor) 25

3 (Verstärker) 35

4 (Multiple Choice) 15

Summe 100+5

Bearbeitungszeit: 90min Hilfsmittel: Schreibmaterial, doppelseitige Formelsammlung (DIN A4), nicht-programmierbarer Taschenrechner Alle Aufgabenblätter müssen in jedem Fall abgegeben werden. Blätter nicht trennen! Multiple choice Fragen: Punktabzug für falsche Antworten – minimal 0P erreichbar in Aufgabe 4. Elektronik Klausur/Semestralklausur SS 2011

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Aufgabe 1: Operationsverstärker Gegeben sei folgende Schaltung:

Aufgabe 1-1 (15P): Nehmen Sie zunächst den Operationsverstärker als ideal an. Berechnen Sie den Eingangswiderstand REQ in Abhängigkeit der drei Widerstände R1, R2 und R3. Die Widerstände sind so dimensioniert, daß der Operationsverstärker rückgekoppelt betrieben wird.

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Aufgabe 1-2 (5+5P): Gegeben ist folgende nichtideale Stromquelle mit einem Innenwiderstand von 150kΩ. Wie müssen Sie diese Stromquelle mit der obigen Operationsverstärkerschaltung kombinieren, um eine verbesserte Stromquelle zu erhalten? Machen Sie einen Dimensionierungsvorschlag für die drei Widerstände, um eine neue, verbesserte Stromquelle zu erhalten. Extrafrage (5P): welche Nachteile weist die neue, verbesserte Stromquelle gegenüber der ursprünglichen Stromquelle auf?

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Aufgabe 2: Großsignalanalyse einer Transistorschaltung Gegeben sei die folgende Schaltung bestehend aus einer Spannungsquelle V1, einem Bipolartransistor Q1 , sowie einer einstellbaren idealen Stromquelle iE. Die Spannung –VEE ist so bemessen, daß der Transistor sinnvoll in einem leitenden Zustand betrieben werden kann.

Aufgabe 2-1 (5P): Handelt es sich beim Transistor Q1 um einen npn- oder pnpTransistor?

Aufgabe 2-2 (6P): Angenommen, der Strom iE wird zunächst auf 0,2mA (DC, konstant) eingestellt. Nehmen Sie den Bipolartransistor Q1 zunächst als ideal an und skizzieren Sie den Strom IC für positive Spannungen V1 (also 0V ≤ V1 ≤ 5V) in das unten stehende Diagramm. Sie dürfen den Early-Effekt vernachlässigen.

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Aufgabe 2-3 (6P): Nehmen Sie nun an, daß Strom iE auf 0,4mA (DC, konstant) erhöht wird. Nehmen Sie den Bipolartransistor Q1 wieder als ideal an und skizzieren Sie den Strom IC für positive Spannungen V1 (also 0V ≤ V1 ≤ 5V) in das unten stehende Diagramm. Sie dürfen den Early-Effekt wieder vernachlässigen.

Aufgabe 2-4 (8P): Beschreiben oder skizzieren Sie, wie sich die Kurve aus Aufgabe 2-3 verändert, wenn der Transistor nur noch eine Stromverstärkung von β=9 hat. Weitere Parameter des Transistors dürfen Sie wieder als ideal annehmen, auch den EarlyEffekt dürfen Sie vernachlässigen.

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Aufgabe 3: Analyse eines einstufigen NMOS-Verstärkers Gegeben sei folgende Schaltung (siehe unten). Beachten Sie, daß der Bulk/Substratanschluss nicht mit dem Sourceanschluss kurzgeschlossen, sondern an Masse angeschlossen ist. Der NMOS-Transistor soll im Sättigungsbereich arbeiten. Die Kapazitäten C1 und C3 sind so groß dimensioniert, dass sie für alle interessierenden Frequenzen Kurzschlüsse darstellen.

Aufgabe 3-1 (5P): Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild. Berücksichtigen Sie die Kanallängenmodulation und den Bodyeffekt des Transistors!

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Für die Aufgaben 3-2 und 3-3 dürfen Sie die Kanallängenmodulation vernachlässigen. v Aufgabe 3-2 (9P): Berechnen Sie die Kleinsignalspannungsverstärkung AV = 2 . v1

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Aufgabe 3-3 (8P): Berechnen Sie den Kleinsignaleingangswiderstand rIN. Zur Erinnerung: die Kanallängenmodulation darf vernachlässigt werden.

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Aufgabe 3-4 (8P): Berechnen Sie den Kleinsignalausgangswiderstand rOUT. Die Kanallängenmodulation darf nun nicht vernachlässigt werden.

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Aufgabe 3-5 (5P): Schlagen Sie eine Schaltungsverbesserung mit passiven Bauelementen vor, mit der sich die in 3-2 berechnete Kleinsignalverstärkung erheblich vergrößern läßt.

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Aufgabe 4: Multiple Choice Bitte beachten Sie: eine korrekte Antwort ergibt +1,5P, eine inkorrekte Antwort führt zu 1,5P Abzug. Eine nicht beantwortete Frage wird neutral (0P) gewertet. Minimal sind in dieser Aufgabe 0P möglich. Kreuzen Sie an, ob die jeweilige Behauptung richtig oder falsch ist. Frage 4-1

Richtig Falsch Behauptung Diode: Der  

Koeffizient

Is

in

der

Gleichung

Ud

4-2





4-3





4-4





I D = I S ( enUt − 1) ist der Sättigungssperrstrom in der Sperrrichtung. Mit der Großsignalanalyse kann der Arbeitspunkt gefunden werden. Bei einem Operationsverstärker mit der Gegenkopplung kann lediglich ein Eingangssignal angeschlossen werden. Die Stromverstärkung von MOSFETs ist unendlich hoch, weil g m ∗ rπ = ∞ ist.

4-5





4-6





4-7





4-8





4-9





4-10





∂iD ∂vGS

∂iG ∂ vGS

1 ) y11 Bei der Bestimmung des Thevenin-Äquivalentwiderstands Rth müssen alle unabhängigen und abhängigen Spannungsquellen als Kurzschluss betrachtet werden. Operationsverstärker mit hoher Slew-Rate haben üblicherweise auch ein großes Verstärkungs/Bandbreiteprodukt. Wenn Gate und Source eines Enhancement-Mode MOS Transistors miteinander verbunden ist, so ist es unmöglich, diesen Transistor im Sättigungsbereich zu betreiben. Ein Vorteil des „Unity-Gain“ Buffers (Als Spannungsfolger beschalteter Operationsverstärker) ist der sehr kleine Eingangs- und Ausgangswiderstand. Der Kleinsignaleingangswiderstand eines Verstärkers ist vom Arbeitspunkt des Transistors weitgehend unabhängig. Ein Substrahierer (zweier Spannungen) läßt sich mit einem Operationsverstärker und einigen Widerständen realisieren. ( gm =

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, y11 = Q− po int

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Vds

, rπ =

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