Elektronische basisschakelingen: Oplossingen 1

Vergelijkbare documenten
Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 1

Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 2

Elektronische basisschakelingen: Oplossingen 2

Elektronische Basisschakelingen Oefenzitting 1

GESTABILISEERDE VOEDING

De overgang van een gelineariseerde schakeling naar signaalverwerkingsblok

Hertentamen Lineaire Schakelingen (EE1C11)

Oefenopgaven 1 Devices Opgave 1.1

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 19 juni 2006, 14:00 17:00 uur

Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker

Klasse B versterkers

Basisschakelingen en poorten in de CMOS technologie

Bipolaire Transistor

Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen

Hoofdstuk 2: De veldeffecttransistor

Materialen in de Electronica Practicum 2 : Een zonnecel en een diode (dinsdag 21 april 2015)

Hoofdstuk 3: JFET-versterkerschakelingen

Overgangsverschijnselen

MOS transistor. Jan Genoe KHLim. In dit hoofdstuk bespreken we de MOS transistor, veruit de belangrijkste component in de hedendaagse elektronica.

Formularium Elektronische Systemen en Instrumentatie. Hanne Thienpondt

7. Hoe groot is de massa van een proton, van een neutron en van een elektron?

Inhoudsopgave De transistor en FET

Materialen in de elektronica Verslag Practicum 1

Circuits and Signal Processing ET2405-d2

Engineering Embedded Systems Engineering

Repetitie Elektronica (versie A)

Netwerken. De ideale spanningsbron. De ideale stroombron. De weerstand. De bouwstenen van elektrische netwerken.

Deel 1 De Operationele versterker

Hoofdstuk 9: Transistorschakelingen

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 30 maart 2009, 14:00 17:00 uur

520JHKHXJHQV -DQ*HQRH.+/LP

Toets 1 IEEE, Modules 1 en 2, Versie 1

Elektronische basisschakelingen Oefenzitting 3.

3. Zoek, op het nieuwe vereenvoudigde schema, nieuwe serie en/of parallelschakelingen op en vervang ze. Ga zo door tot het einde.

Inductieve relaxatieoscillator

Hoofdstuk 8: De transistor

Fig. 5.1: Blokschema van de 555

Operationele versterkers

Leerling maakte het bord volledig zelf

Opgave 2 Een spanningsbron wordt belast als er een apparaat op is aangesloten dat (in meer of mindere mate) stroom doorlaat.

Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen

Tentamen Elektronische Schakelingen (ET1205-D2)

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 25 augustus 2008, 14:00 17:00 uur. [Nienke, gefeliciteerd met je verjaardag!]

NETWERKEN EN DE WETTEN VAN KIRCHHOFF

Laboratory session 3 Power Electronics

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 30 maart 2009, 14:00 17:00 uur

Oefenopgaven nr. 1 Opgave 1.1

Universiteit Twente EWI. Practicum ElBas. Klasse AB Versterker

Lijst mogelijke examenvragen Analoge Elektronica

Zelf een hoogspanningsgenerator (9 kv gelijkspanning) bouwen

A-examen radioamateur : Zitting van 11 oktober Reglementering

5 Het oplossen van netwerken

Hoofdstuk 10: Speciale types transistoren

Hoofdstuk 5: Laagfrequent vermogenversterkers

EXAMENFOLDER maandag 26 januari 2015 OPLOSSINGEN. Vraag 1: Een gelijkstroomnetwerk (20 minuten - 2 punten)

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 18 juni 2007, 14:00 17:00 uur

Hoofdstuk 4: De MOSFET

Deeltentamen A+B Netwerkanalyse

Men schakelt nu twee identieke van deze elementen in serie (zie Figuur 3).

TENTAMEN Versterkerschakelingen en Instrumentatie (EE1C31)

Gemengde schakelingen

3. Beschouw een zeer goede thermische geleider ( k ) in de vorm van een cilinder met lengte L en straal a

1. Weten wat elektrische stroom,spanning en vemogen is en het verband ertussen kennen 2. Elektrische netwerken kunnen oplossen

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Elektrodynamica. 25 juli 2015 dr. Brenda Casteleyn

Vak: Labo elektro Pagina 1 / /

Antwoorden bij Deel 1 (hfdst. 1-8)

DEEL 6 Serieschakeling van componenten. 6.1 Doel van de oefening. 6.2 Benodigdheden

Elektrische Netwerken

Inhoudsopgave Schakelen van luidsprekers

Elektrische Netwerken 27

Klasse B output buffer voor een Flat Panel Display Kolom aansturing

Digitaal is een magisch woord

Tentamen Elektronische Schakelingen. Datum: vrijdag 28 juni 2002 Tijd:

Elektrische netwerken

Deel 1: Metingen Bouw achtereenvolgens de onderstaande schakelingen en meet de klemspanning en de stroomsterkte. VOORKOM STEEDS KORTSLUITING!!

Hoofdstuk 4: Gestabiliseerde voedingen

HOOFDSTUK 3: Netwerkanalyse

Over Betuwe College Oefeningen H3 Elektriciteit deel 4

Elektro-magnetisme Q B Q A

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

AS2 lecture 4. Superpositie Thévenin, Norton, en complexe stroom. Cees Keyer. Amsterdam School of technology, dept. Electronic Engineering

TENTAMEN Versterkerschakelingen en Instrumentatie (EE1C31)

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 4 juli 2008, 14:00 17:00 uur

Mini Handleiding over Elektronica-onderdelen

Deel 23: db s bij spanningen. Maes Frank

Noorderpoort Beroepsonderwijs Stadskanaal. Reader. Wet van Ohm. J. Kuiper. Transfer Database

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Elektrodynamica. 4 november Brenda Casteleyn, PhD

TUDelft Delft University of Technology

De Electronische Smoorspoel

vanwege het hoge rendement weinig warmte-ontwikkeling vanwege de steile schakelpulsen genereert de schakeling sterke hf-stoorsignalen

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Elektrodynamica. 18 augustus Brenda Casteleyn, PhD

Module 1: werken met OPAMPS. Project 1 : Elementaire lineaire OPAMP schakelingen.

Hoofdstuk 4 Het schakelen van weerstanden.

Hoofdstuk 7: Algemene versterkingstechniek

Naam : Ots Youri Klas : 6Tee Jaar : 2004 /2005 School : VTI Aalst

Over Betuwe College Oefeningen H3 Elektriciteit deel 4

Sensoren Introductie Weerstandtechniek Brug van Wheatstone Basis Opamp schakelingen Opampschakelingen voor gevorderden

Magnetische toepassingen in de motorvoertuigentechniek (3)

Theory DutchBE (Belgium) Niet-lineaire dynamica in elektrische schakelingen (10 punten)

Ijkingstoets industrieel ingenieur UGent/VUB, september 2015

Transcriptie:

Elektronische basisschakelingen: Oplossingen Aki Sarafianos (aki.sarafianos@esat.kuleuven.be) ESAT 9.22 November 4, 202 Oefening op spannindelers, wetten van Kirchoff en equivalente schakelingen R v R 3 R 2 R 3 v uit R R 2 R 4 i uit R 4 R th v th Figure : v i N R N i uit i uit v" uit i" uit Theveninequivalent Nortonequivalent Figure 2:. We zoeken eerst het verband tussen v uit en. Alle andere onafhankelijke bronnen worden op nul gezet (in dit geval i uit ). Het resulterende schema kan bijvoorbeeld opgelost worden door in het circuit twee spannindelers te herkennen. We krijgen dan: v uit, = R 4 R 3 R 4 v

R 4 R 2 //(R 3 R 4 ) = R 3 R 4 R R 2 //(R 3 R 4 ) R 2 R 4 = R 2 R 3 R 2 R 4 R R 2 R R 3 R R 4 = A Het verband tussen v uit en i uit kan uit figuur worden bekomen: v uit,2 = (((R //R 2 ) R 3 )//R 4 )i uit = R 4 (R R 2 R 2 R 3 R 3 R ) i uit R 4 R R 4 R 2 R R 2 R 2 R 3 R 3 R = B i uit De werkelijke uitganspanning is v uit = v uit, v uit,2 () De equivalente schema s moeten hetzelfde verband tussen inen uitganspanningen en stromen weergeven als het eigenlijke circuit. De vorm van de equivalente schema s is weergegeven in figuur 2 oor het Théveninequivalent vinden we v uit = v th R th i uit. Aangzien er geen verschil mag waar te nemen zijn met het oorspronkelijk circuit, waar v uit = A Bi uit, moet v th = A en R th = B. oor het Nortonequivalent vinden we v uit = ir n = i N R N i uit R N. er geldt dus dat i N = A en R B N = B. Extra info: Bemerk dat R N uitganweerstand R uit = dv uit di uit = R th, en dat dit de zogenaamde van de schakeling is. 2 Zoeken van het DCinstelpunt en het lineariseren van een schakeling We komen gemakkelijk tot de vergelijking v D = v IN RI S exp( v D ). Door kt/q deze om te vormen komen we tot v (n) D = kt ln( v IN v (n) D q RI S ). Uit de cursus weten we dat v D = 0.7 een redelijke startwaarde is (voor normale siliciumdiodes), en we bekomen dan na enkele iteraties v D = 0.6778 en i D = 0.23mA. Figuur 3 geeft de gevraagde grafieken weer. Als we de temperatuursafhankelijkheid meenemen, dan bekomen we figuur 4, waarin a = f T Q = I S exp( D D kt 0 /q kt0 2/q. 2

3 Oefeningen met MOSFET transistoren. Aangezien v DS = 2 v GS T =.3 bevindt de NMOS transistor zich in het saturatiegebied, en wordt de stroom door de transistor gegeven door i DS = K W (v L GS T ) 2 ( v DS E L ). Met de gegevens bekomen we dan onmiddelijk dat I DS = 3.65mA. Om het kleinsignaal equivalent te bekomen, lineariseren we de schakeling in het gevraagde werkinpunt: i DS = I DS i DS Q s i DS Q s = I DS s g m s v DS v GS r 0 g m = 2K W L ( GS T )( DS E L ) = r 0 = K W L ( GS T ) 2 DS E L E L DS E L 2I DS GS T = EL DS I DS = 5.6 ma = 7.4kΩ Dit resultaat kan grafisch worden voorgesteld zoals in figuur 5. Aangezien v DS = 0.3 < v GS T =.3 bevindt de NMOS transistor zich in het lineaire gebied, en wordt de stroom door de transistor gegeven door i DS = K W ((v L GS T )2v DS vds 2 ). Op dezelfde manier als in de vorige oefening vinden we dat I DS =.38mA en g m = 2K W L DS =.2 ma r 0 = 2K W ( L GS T DS ) = 250Ω 2. De oplossing verloopt analoog als in de vorige twee gevallen. Let wel op de tekens! (Een hogere gatespanning zorgt ervoor dat een PMOS transistor minder geleidt).i SD =.46mA, g m = 2.25mA/ en r 0 = 8.5kΩ. Het schema is getekend in figuur 6. 3. DCanalyse: I DS = P DD = 0.2mA. Deze stroom vloeit door de weerstand en dus moet R L = DD UIT = 2.5kΩ. De stroom I vloeit ook door de transistor. We veronderstellen dat deze in het saturatiegebied zal werken, dan is moet IN = I DS K W L ( DS E L ) T =.005. De transistor werkt dus inderdaad in het saturatiegebied. ACanalyse: g m = 2I DS GS T =.33 ma 3 en r 0 = EL DS I DS = 37.5kΩ

0.0004 0.0003 0.0002 r d 0.000 R i=a(tt ) 0 0 0 0.5.5 2 2.5 3 spanning over diode Figure 3: Figure 4: drain gate v g m s r 0 s source Figure 5: NMOS source source gate g g m g r 0 d gate drain s g m s r 0 s drain Figure 6: PMOS 4

i R L m s r 0 s m s r 0 R L s m s r 0 v uit s Figure 7: m g m v uit r 0 v uit =0 s Figure 8: Figuur 7 toont het kleinsignaal schema van de versterker. v uit = ir L = (g m v uit r 0 )R L en dus en dus ook v uit ( R L r 0 ) = g m R L v uit = g m R L r 0 R L r 0 = g m R uit De versterking is dus A v = g m R uit =.327 ma.458kω = 5. Bemerk dat in dit geval de lastweerstand R veel kleiner is dan r 0, en dat R uit R L. extra info: Bemerk dat A roter kan worden gemaakt door een grotere (kleinsignaal) weerstand R L te gebruiken (maar als je dit met een normale weerstand doet, dan verlaagt UIT, waardoor de mogelijke uitganzwaai kleiner wordt). De andere mogelijkheid is g m = vergroten door ( GS T ) te verkleinen. 2I DS GS T 5

Aangezien er nooit stroom in de gate van een MOSFET kan vloeien (zolang we de capaciteit van de gate verwaarlozen), is i in steeds gelijk aan nul, ongeacht welke inganspanning we aanleggen, en dus is R in = d di in =. Dit is het ideale resultaat voor een versterker die een inganspanning moet versterken. oor versterkers die een inganstroom versterken is R in best zo klein mogelijk. Het bepalen van de equivalente uitgang komt neer op het opstellen van een Thévenin respectievelijk Nortonequivalent en resulteert in R uit = Rr 0 Rr 0, A = A v en g = g m. 4. De stroom die uit de ideale stroombron komt moet door de transistor. Als we de transistor opnieuw in het saturatiegebied veronderstellen, dan is IN = DS K W L ( DS I E L ) T =.005. Het DCinstelpunt van de transistor is dus hetzelfde als in vorige oefening. In het kleinsignaalschema wordt de stroombron een open keten. We krijgen dan op dezelfde manier als in de vorige oefening A v = g m r 0 = 82, R uit = r 0 = 37.5kΩ en R in =. Bemerk dat deze oefening niet oplosbaar is zonder r 0 in rekening te brengen! Teken opnieuw een kleinsignaal schema. De NMOS wordt een afhankelijke stroombron g m ( 0 ) en een weerstand r 0nmos, de PMOS wordt een afhankelijke stroombron g m(v gate d ) = 0 en een weerstand r 0pmos. Uit dit schema vinden we R uit = r 0NMOS //r 0P MOS = 48.5kΩ en A v = R uit g m = 64.4. 5. DCinstelling: I = P DD = 0.2mA. IN UIT = T =.573, dus IN = 4.073 I DS K W L ( DS E L ) ACanalyse: g m = 0.46 ma en r S 0 = 262.5kΩ het kleinsignaal schema is voorgesteld in figuur 8. v uit = ir 0 = (g m ( v uit ))r 0 of v uit = r 0g m g mr 0, dus A v = r 0g m g mr 0. R in =. oor het berekenen van R uit = dv uit di uit gaan we na wat de invloed is van een stroombron i uit op v uit als de andere onafhankelijke bronnen 0 worden gesteld. Uit i uit = ( g m v uit ) v uit r 0 g m v uit bekomen we dan R uit = v uit i uit g m = 2.7kΩ. De relatief kleine uitganweerstand betekent dat dit circuit veel stroom kan leveren zonder dat de uitganspanning noemenswaardig verandert. De grote inganweerstand betekent dat de zender erg weinig stroom 6

moet leveren om de versterker aan te sturen. Dit circuit kan dus gebruikt worden als een bufferelement. 4 Oefeningen met bipolaire transistoren basis v b v be β v e emitter collector v c R L basis v b v be β v e emitter collector v c R L i i i uit Figure 9: collector basis emitter basis v b v be r π v e emitter Figure 0: collector v c Figure :. Uit i E = i C i B = i C β i C vinden we i C = β β i E = 0.98mA. De collectorstroom wordt gegeven door De basisstroom is i C = I S exp( v BE kt/q ) I C i C v BE Q v be = I C i B = i C β I B g m β v be = I B v be r π 7

Een mogelijke grafische voorstelling wordt getoond in figuur. Bemerk dat de weerstand ook vervangen zou kunnen worden door een stroombron met als stroom i be = gm β v be. Met andere woorden: de stroom door de basis is altijd de stroom door de collector gedeeld door β. g m = I S exp( BE kt/q ) kt/q = I C kt/q = 7.65 ma en r π = β g m = 3kΩ. 2. DCinstelling: Alle stroom vloeit door de emitter, er geldt dus dat I E = P DD = 0.2mA. De collectorstroom is dan I C = I E ( β ) = β 0.98mA. Daaruit volgt R L = ( DD UIT ) I C = 2.63kΩ. Om deze stroom door de transistor te laten vloeien moet I C = I S exp( BE kt/q ) = 0.98mA, of dus BE = ln( I C IS )kt/q = 0.673. Aangezien E = I E = 2 moet IN = 2.673 zijn. I C kt/q ma ACanalyse: g m = = 7.65. Uit figuur 9 zien we dat v b = en v e = i = g m ( )(v β b v e ) = A(v b v e ) met A = 77 of dus v e = A v A in en dus v be = A v A in = v A in. We bekomen dan v uit = g m R L v be = g m R L A. Dit verder uitrekenen levert met de benadering dat A >> en β << brengt ons tot v uit = R L en dus A v = R L. Bemerk dat dit een relatief kleine versterking is, die bepaald wordt door de verhouding van twee weerstanden. Met een beetje moeite valt in te zien dat een stroom i uit die in de collector wordt geïnjecteerd enkel via de weerstand R L kan vloeien, en dus is R uit = R L. oor het berekenen van de inganweerstand gaan we als volgt te werk: i in = v be r π = (A)r π β, dus is R in = β. Nu is v uit = v e = A v A in en A v. R in is uiteraard nog steeds R in = β. oor het berekenen van R uit stellen we opnieuw = 0. Dit geeft aanleiding tot figuur 0. Dan is v uit = v e = i = (( g m ( )v β e i uit ), en dus i uit = ( g m ( ))v β uit g m i uit. We vinden dus dat R uit = g m = 3Ω. 3. I E = 0.2mA, I C = 0.98mA, R L = 2.5kΩ, BE = IN = 0.673. Uit v uit = R L g m v b volgt dat A v = R L g m. erder is R in = r π (bemerk dat dit in de vorige oefening veel beter was!) en R uit = R L. r Uit v uit = R L g m v b = R L g π m r πr S vinden we v uit r = R L g π m r πr S. 8