Probeklausur Elektronik deutsch englisch PDF

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Probeklausur 20/21 Elektronik ohne Lösungen alle themen...

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Übungsklausur Elektronik / Mock Exam Electronics The English version starts on page 14! Semester:

MFB3

Prüfungsfach:

Elektronik

Prüfungsdauer der Originalklausur:

60 Minuten

Zugelassene Hilfsmittel: Schultaschenrechner 4 DIN-A4 Seiten Formelsammlung. Die Formelsammlung darf keine Zeichnungen, Übungsaufgaben oder deren Lösungen enthalten. Die Probeklausur soll Ihnen helfen, Ihren Kenntnisstand und Ihre Arbeitsgeschwindigkeit zu überprüfen. Sie sollten sie erst rechnen, wenn Sie mit den Übungsaufgaben klar kommen und Ihre Formelsammlung steht. Möglicherweise sind einzelne Zahlenwerte der Aufgabenstellungen nicht ganz praxistauglich. Diese Klausur bietet wahrscheinlich mehr Punkte bzw. Umfang als eine „echte“ Klausur, damit Sie mehr Gelegenheit haben, Ihr Wissen zu überprüfen. Wichtig: -

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Ergebnisse und/oder Zwischenergebnisse ohne erkennbaren Rechenweg oder Herkunftsangabe werden, ebenso wie sich widersprechende Lösungen nicht gewertet. Beschriften Sie bei Diagrammen sämtliche Achsen. Geben Sie die korrekten Einheiten an.

Aufgabe l: Dioden (13 Punkte) Für die Strom-Spannungskennlinie einer Diode gelte die aus der Vorlesung bekannte Formel:

I = I s ⋅ (e

U UT

I = I s ⋅ (e

U UT

− 1) . Sie kann unter bestimmten Umständen vereinfacht werden zu:

).

a)

Wann ist die Vereinfachung nicht zulässig? Nennen Sie zwei Beispiele. (2P)

b)

Die Temperatur beträgt 300K. Berechnen Sie den Sperrsättigungsstrom einer Diode, wenn bei einer Spannung von 0,4V ein Durchlassstrom von 20µA fließt. Sie dürfen die vereinfachte Formel benutzen. (3P)

c)

Wie hoch ist der Kleinsignalleitwert in dem unter b) angegebenen Arbeitspunkt etwa? (1P)

d)

Skizzieren Sie die Strom-Spannungskennlinie einer pn-Diode für zwei verschiedene Temperaturen. Kennzeichnen Sie, welche der Kennlinien bei erhöhter Temperatur aufgenommen wurde. (2P)

e)

Gegeben ist die dargestellte Schaltung mit einem Brückengleichrichter. Die Frequenz beträgt 50Hz. Skizzieren Sie den Verlauf von uE(t) und uA(t) für den Fall C=0F. Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf von uE(t) und uA(t) für sinnvolle RL und C. (3P)

f)

C hat einen Wert von 200µF. Es wird eine Spannungsschwankung von 100mV gemessen. Wie hoch ist etwa der fließende Laststrom? (2P)

Aufgabe 2: Transistoren (14 Punkte) a)

Skizzieren Sie das Ausgangskennlinienfeld eines pnp-Bipolartransistors, welcher einen spürbaren Early-Effekt aufweist für verschiedene Werte des Basisstroms. Demonstrieren Sie, wie man für einen gegebenen Arbeitspunkt den KleinsignalAusgangswiderstand rCE graphisch ermitteln kann (5P)

b)

Es herrscht Raumtemperatur. Ermitteln Sie sowohl graphisch als auch rechnerisch die Steilheit des npn- Bipolartransistors im eingezeichneten Arbeitspunkt der Übertragungskennlinie IC=f(UBE). (3P)

c)

Ein n-Kanal-Anreicherungstyp MOSFET hat eine Schwellspannung von 0,35V. UGS beträgt 1V, UDS beträgt 0.9V. In welchem Arbeitsbereich befindet sich der Transistor (Begründung). (2P)

d)

Geben Sie die Gleichung für die Übertragungskennlinie eines n-KanalAnreicherungstyp MOSFETs ohne Kanalängenmodulation an und berechnen Sie die Oxiddicke, wenn außer den unter c) genannten Angaben noch folgende Größen bekannt sind: Elektronenbeweglichkeit µn=200cm²/(Vs), ε0= 8,854 pF/m, relative Dielektrizitätskonstande des Dielektrikums εox= 3.9, W=100µm, L=1µm. Es fließt ein Drainstrom von 5,6mA. (4P)

Aufgabe 3: Verstärkerschaltung mit MOSFET (16 Punkte)

R1

RL VCC

ID CK UA UQ

R2

a)

Wozu dient der Kondensator CK? (1P)

b)

Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild der dargestellten Schaltung. Verwenden Sie dabei das Kleinsignalersatzschaltbild des Transistors für niedrige Frequenzen wie aus der Vorlesung bekannt (ohne die internen Kapazitäten). rDS ist zu berücksichtigen. Kennzeichnen Sie die einzelnen Widerstände, aber auch Gate, Drain und Source. Zeichnen Sie auch die folgenden Ströme und Spannungen ein: ( ∙   ), iD, uQ, uA, uGS, uDS. (6P)

c)

Die Versorgungsspannung beträgt 20V. RL ist so zu dimensionieren, dass im Arbeitspunkt die Drain-Sourcespannung des MOSFET gleich der halben Betriebsspannung ist und ein Sourcesstrom von 2,5mA fließt. (1P)

d)

Bestimmen Sie mit Hilfe der dargestellten Übertragungskennlinie (Ausschnitt) die Widerstände R1 und R2 so, dass der statische Strom des Netzwerks, welches UGS bereitstellt, 20µA beträgt. Geben Sie den Eingangswiderstand rE der Schaltung auf 1kΩ genau an (runden). (6P)

e)

Im Arbeitspunkt beträgt die Steilheit des Transistors 2,7mS. Wie hoch ist die Spannungsverstärkung der Schaltung? (1P)

Aufgabe 4: MOSFET als Schalter (10 Punkte)

Gegeben ist die dargestellte Schaltung mit einem MOSFET als Schalter. Der Transistor hat eine Gateplateauspannung von ca 4V. rDSon kann vernachlässigt werden. Zum Zeitpunkt t=0 springt die Spannung der Quelle Uq von 0V auf 10V.

iD(M1)

u(gate)

Skizzieren Sie unter Berücksichtigung des Miller-Effektes den Zeitverlauf der Spannung am Gate des Transistors, die Ausgangsspannung, sowie den Drainstrom. Sie müssen die Zeitachse nicht skalieren, die Y-Achsen aber schon! Der Miller-Effekt soll deutlich sichtbar sein. Die zeitlichen Zusammenhänge der Signale müssen klar erkenntlich sein.(5P)

u(out)

a)

Betrachtet wird nun der dargestellte Tiefsetzsteller. Die Versorgungsspannung VCC beträgt 15V. Der Tiefsetzsteller wird mit einer Schaltfrequenz von 50kHz betrieben. Der Tastgrad beträgt g = 0,2. RL hat einen Wert von 5Ω. Die Durchlassspannung der Freilaufdiode darf vernachlässigt werden. Die Schaltung befindet sich im eingeschwungenen Zustand.

b)

Berechnen Sie die Ausgangsspannung und den mittleren Stromfluss durch den Lastwiderstand. (2P)

c)

Berechnen Sie den Wert für C1, wenn gilt L1=0.3mH und wenn die Ausgangsspannung eine Schwankung von 15mV aufweist. (3P)

Aufgabe 5: Operationsverstärker (12 Punkte) Mit einem Operationsverstärker wird eine nicht invertierende Verstärkerschaltung aufgebaut. a)

Zeichnen Sie die aus der Vorlesung bekannte Schaltung. (2P)

b)

Der Rückkopplungsfaktor beträgt 1/101. Der OP soll zunächst als ideal betrachtet werden. Wie hoch sind Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand? Geben Sie ein geeignetes Dimensionierungsbeispiel für die verwendeten Widerstände an unter der Maßgabe, dass die Summe der verwendeten Widerstände 1MΩ nicht überschreitet. (4P)

c)

Der reale Operationsverstärker hat eine Leerlaufverstärkung von 105, eine Grenzfrequenz der Leerlaufverstärkung von 10Hz (Verhalten wie Tiefpass erster Ordnung). Geben Sie die Transitfrequenz an, sowie die Grenzfrequenz der Schaltung. Wie hoch ist die Schleifenverstärkung bei einer Frequenz von 10kHz? (4P)

d)

Der Operationsverstärker hat einen Eingangswiderstand von 1MΩ und einen Ausgangswiderstand von 100Ω. Wie hoch sind Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand der Schaltung bei einer Frequenz von 100Hz? (2P)

Mock Exam Electronics

Semester:

MFB3

Course:

Electronics

Time frame of actual exam: 60 Minutes Allowed utilities: Non-programmable calculator 4 DIN-A4 pages formulary. The formulary may not contain any drawings, schematics, exercises or their solutions.

This mock exam is supposed to help you to assess your level of knowledge and work pace. You should not perform this test before you can solve most of the exercises and before you have written your personal formulary. It is possible that some values in this test are out of proportion.

Important: -

Results or partial results that don't show your working or proper reference, or contradicting results will be neglected when grading. Properly label all axes in charts.

-

Use proper units..

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(There is a German sample solution available.)

Exercise l: Diodes (13 scores) The following equation is applicable for the IV curve of a diode and was discussed in the lecture:

I = I s ⋅ (e

U UT

I = I s ⋅ (e

U UT

− 1) . Under certain conditions it can be simplified to:

).

a)

Describe the condition when this simplification does not apply. Give two examples (2 scores)

b)

Given is a temperature of 300K, a voltage of 0.4V and a current of 20µA. Calculate IS. You may use the simplified equation. (3 scores)

c)

Approximate the small signal conductance for the operating point given under b). (1 score)

d)

Draw a sketch of the current-voltage transfer curve of a pn-diode for two different temperatures. Mark the one curve which was recorded at a higher temperature. (2 scores)

e)

Given below is a bridge rectifier circuit. Sketch up a chart containing UE and UA for RL=∞ and C=0F. In addition sketch in a trend line for UA for reasonable values of RL and C. (3 scores)

f)

C has a value of 200µF. A voltage ripple of 100 mV is measured. Find the approximate load current. (2 scores)

Exercise 2: Transistors (14 scores) a)

Draw a sketch of the output characteristics of a pnp bipolar transistor for several different base currents. The transistor exhibits a significant Early-effect. Demonstrate how to determine the small signal resistance rCE graphically for a give operating point. (5 scores)

b)

Given is room temperature. Determine graphically as well as by calculation the transconductance of an npn bipolar transistor in the given operating point of the transfer curve IC=f(UBE). (3 scores)

c)

An n-channel enhancement type MOSFET has a threshold voltage of 0.35V. UGS is 1V, UDS is 0.9V. Name the operating mode of the transistor (explanation). (2 scores)

d)

Give the equation for the transfer curve of an n-channel enhancement type MOSFET showing no channel length modulation. Calculate the oxide thickness using the values given at c) and the following values: electron mobility µn = 200cm²/(Vs), ε0 = 8.854pF/m, dielectric constant εOX = 3.9, W = 100µm, L = 1µm. A drain current of 5.6mA is flowing. (4 scores)

Exercise 3: Amplifier with MOSFET (16 scores)

R1

RL VCC

ID CK UA UQ

R2

a)

What is the purpose of the capacitor CK? (1 score)

b)

Draw the small signal equivalent circuit diagram of the circuit. Make use of the small signal equivalent circuit diagram of the MOSFET for low frequency as described during the lecture (without the internal capacitancies). rDS has to be taken into account. Label the single resistors and also gate, drain and source. Also include the following voltages and currents: ( ∙  ), iD, uQ, uA, uGS, uDS. (6 scores)

c)

Supply voltage is 20V. RL has to be dimensioned such that in the opearion point the drain to source voltage of the MOSFET equals half the supply voltage. And the source current is 2,5mA. (1 score)

d)

By means of the transfer curve shown below (only an extract is shown) determine the resistors R1 and R2 such that the static current of the network which delivers UGS amounts to 20µA. Also, calculate ithe input resistance rE of the circuit with a precision of 1kΩ (rounding). (6 scores)

e)

In the operating point the transconductance of the transistor amounts to 2,7mS. Calculate the voltage gain of the circuit? (1 score)

Exercise 4: The MOSFET as a switch (10 scores)

In the circuit depicted above the MOSFET works as a switch. The gate plateau voltage of transistor amounts to 4V. rDSon can be neglected. At t=0 the voltage of the source Uq steps from 0V to 10V.

iD(M1)

u(gate)

Draw the voltage at the gate of M1, the output voltage and drain current into the diagram. The Miller-effekt has to be considered and it must be clearly visible. The temporal correlations must be clearly visible. You do not have to scale the time axis, but the y-axes have to be scaled. (5 scores)

u(out)

a)

The circuit below works as a step down converter. Supply voltage VCC amounts to 15V. The step down converter is operated at a switching frequency of 50kHz. Duty cycle is g = 0,2. RL=5Ω. The threshold voltage of the diode may be neglected. The circuit is in a steady state.

b)

Calculate the output voltage and the average current through the load resistance. (2 scores)

c)

Calculate the value of C1, in case L1 amounts to 0.3mH and the fluctuation of output voltage is 15mV. (3 scores)

Exercise 5: Operational Amplifier (12 scores) A non inverting amplifier circuit is built from an operational amplifier. a)

Draw the circuit as it was discussed in the lecture. (2 scores)

b)

The feedback ratio is 1/101. The OP is to be considered as an ideal OP, for now. Find the voltage gain, input resistance and output resistance. Dimension the resistors used in a) appropriately with the only restriction that the sum of all resistances must not exceed 1MΩ. (4 scores)

c)

A real operational amplifier has an open loop gain of 105 and a corner frequency (open loop) of 10 Hz (behaves like a 1st order low pass filter). Give the transit frequency and the corner frequency of the circuit. Determine the loop gain at 10 kHz. (4 scores)

d)

The operational amplifier has an input resistance of 1MΩ and an output resistance of 100Ω. Find the input and output resistance of the circuit for a frequency of 100 Hz. (2 scores)...