EUROELEKTRA. Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej. Rok szkolny 2013/2014

Transkrypt

1 EUROELEKTRA Ogólnopolska Olmpada Wedzy Elektrycznej Elektroncznej Rok szkolny 232 Zadana z elektronk na zawody III stopna (grupa elektronczna) Zadane. Oblczyć wzmocnene napęcowe, rezystancję wejścową rezystancję wyjścową układu wzmacnacza bez sprzężena zwrotnego przedstawonego na rysunku a, a także układu wzmacnacza z napęcowym równoległym ujemnym sprzężenem zwrotnym, przedstawonego na rysunku b. Jak wpływ na oblczone parametry wzmacnacza ma ten rodzaj sprzężena zwrotnego? Dane: Parametry hybrydowe tranzystora w układze wspólnego emtera (OE) wynoszą: h e = 2 kω, h 2e =, h 2e h 22e. Do wylczeń można posłużyć sę uproszczonym modelem małosygnałowym tranzystora pracującego w układze OE pokazanym na rysunku c. Wartośc rezystancj są następujące: R C = kω, R B = kω. Dla częstotlwośc sygnału przyjąć, że X C. Rysunek. Schematy do zadana Rozwązane: Lnowe schematy zastępcze wzmanaczy przedstawono na rysunku. (c d)

2 Rys.. - warant - bez sprzężena zwrotnego (rys.. d) warant ze sprzężenem zwrotnym (rys.. e) ostateczne otrzymujemy: 2

3 Zadane 2. Na rysunku 2 pokazany jest układ sumatora sygnałów napęcowych o trzech wejścach. Funkcja przenoszena wzmacnacza operacyjnego jest w przyblżenu jednobegunowa, tzn. opsana jest wzorem, gdze g jest j g częstotlwoścą 3-decybelową wzmacnacza. Pole wzmocnena tego wzmacnacza wynos MHz. Wyznacz 3-decybelowe pasmo przenoszena pokazanego sumatora, tzn. częstotlwość 3? db V 3 V 2 V R R R - + R out Rysunek 2. Schemat układu do zadana 2 Rozwązane: Napęce na wyjścu układu jest wprost proporcjonalne do napęca na wejścu odwracającym wzmacnacza operacyjnego, co można przedstawć wzorem: V out V () Pokazany sumator pracuje lnowo do jego analzy można zastosować zasadę superpozycj. Zgodne z tą zasadą napęce V można wyrazć, jako sumę składnków, proporcjonalnych odpowedno do 3 napęć wejścowych V, V 2 V 3 oraz do napęca wyjścowego sumatora V out. Wzmacnacz operacyjny pracuje w trybe napęcowym, co oznacza, że dany składnk tej sumy można określć zwerając do masy wszystke pozostałe źródła napęcowe, reprezentujące napęca, które ne są brane pod uwagę w tym składnku. W naszym układze prowadz to do wzoru: R 3 R 3 R 3 R 3 V V V2 V3 Vout ( V V2 V3) V out (2) R R 3 R R 3 R R 3 R R 3 Wstawając zależność (2) do wzoru () otrzymuje sę: Vout V V2 V3 Vout (3) Wykonując proste przekształcena wzoru (3) otrzymuje sę napęce na wyjścu sumatora w postac: V out V V2 V3 () Wstawając do wzoru () w mejsce podaną w zadanu zależność jednobegunową, opsującą wpływ częstotlwośc na wzmocnene wzmacnacza operacyjnego, dochodzmy do wyrażena: 3

4 db g g g g out j T V j V j V j j V V V V (5) We wzorze (5) T oznacza wzmocnene sumatora w pasme przenoszena, a 3dB częstotlwość granczną, tj. pasmo przenoszena sumatora. Pole wzmocnena, częstotlwość g wzmocnene wzmacnacza są powązane wzorem: g (6) Ze wzorów (5) (6) oraz nerównośc wynka szukana zależność, określająca częstotlwość 3dB sumatora: MHz db 5 2, 3 (7) Zadane 3. Na podstawe schematu układu zabezpeczena temperaturowego (rysunek 3) wyznaczyć temperaturę T, przy której zostane wysterowany tranzystor Q 2. Przy analze prądy bazy tranzystorów pomnąć. Temperatura wszystkch elementów zmena sę w dentyczny sposób. Dane: Napęce dody stablzacyjnej U D (T ) = 5,6 V, współczynnk termczny zman napęca na dodze stablzacyjnej T = +3 ppm C. Napęce na złączu baza-emter spolaryzowanym w kerunku przewodzena (dla obu tranzystorów): U BE (T ) =,7 V, dryt napęca na złączu = -2,5 mv C, R = kω, R 2 = kω, temperatura T = 25 C. Rozwązane: Napęce na rezystorze R 2 (z oczka z dodą) równocześne Rysunek 3. Schemat układu do zadana 3

5 U R2 =U BE (T) (dla tranzystora Q 2 ) Po podstawenu () Uwzględnając zależność napęca na dodze od temperatury U D (T)= U D (T )(+ T T) napęca na złączu U BE (T)= U BE (T )+T po podstawenu do równana () wyznaczenu T otrzymamy wyrażene Po podstawenu danych otrzymamy T=2, C co daje temperaturę powodującą wysterowane tranzystora Q 2 T = 27, C Zadane. Fotododa jest przyrządem optoelektroncznym, w którym otony padające na złącze są absorbowane (zjawsko otoelektryczne wewnętrzne) w rezultace czego elektron zostaje przenesony do pasma przewodnctwa zostaje wygenerowana para elektron-dzura. Fotodody są wykorzystywane w welu rozwązanach aparatury pomarowej konstruowanej dla technk śwatłowodowej. Przykładem może być polarymetr, który merzy wartość kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła propagowanego w śwatłowodze. Moc promenowana śwetlnego na wyjścu śwatłowodu, w unkcj kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła, jest opsana wzorem: P sn 2 2 gdze: P maksymalna moc na wyjścu śwatłowodu [mw], kąt skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła [rad]. P 5

6 a) Dysponując charakterystyką otodody I P (rys. ) oraz maksymalną mocą śwatła na wyjścu śwatłowodu P = mw wyznacz charakterystykę określającą zależność natężena prądu od kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła I rozpatrywanej otodody, przyjmj zmanę kąta w przedzale od do 8 z krokem. 8 2 Rysunek.Charakterystyka mocy promenowana śwetlnego w unkcj prądu płynącego przez otododę wykonaną z arsenku galu GaAs b) Wykorzystując rozpatrywaną otododę, wzmacnacz operacyjny, rezystor oraz źródło prądowe, zaprojektuj przetwornk moc promenowana śwetlnego prąd napęce, który będze na wyjścu podawał wartość napęca równą wartośc kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj wyrażonego w radanach. Przyjmj, że kąt skręcena płaszczyzny polaryzacj może sę zmenać w przedzale od do. 8 8 c) Określ czułość statyczną zaprojektowanego przetwornka zdenowaną następująco: S U U V I I A. Rozwązane: wyznaczene wartośc mocy promenowana śwetlnego w zależnośc od wartośc kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła P w przedzale od do z krokem dla P = mw. Uzyskane wynk zostały zawarte w tablcy R, Tablca R. Wartośc mocy promenowana śwetlnego w zależnośc od wartośc kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła P dla P = mw [rad] -,393 -,3,3,393 P [mw],65 37,6 62,9 85,36 wyznaczene, na podstawe charakterystyk otodody (rys. R) oraz tablcy R, przyblżonych wartośc natężena prądu w zależnośc od mocy promenowana śwetlnego. Uzyskane wynk zostały zawarte w tablcy R2, 6

7 I [ma] Rys. R. Charakterystyka mocy promenowana śwetlnego w unkcj prądu płynącego przez otododę wykonaną z arsenku galu GaAs Tablca R2. Przyblżone wartośc natężena prądu w zależnośc od mocy promenowana śwetlnego P [mw],65 37,6 62,9 85,36 I [ma] 2, 5, 95, 29, wyznaczene, na podstawe tablcy R oraz tablcy R2, współrzędnych punktów charakterystyk określającej zależność natężena prądu od kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła I rozpatrywanej otodody oraz szukanej charakterystyk. Uzyskane wynk zostały zawarte w tablcy R3 oraz na rys. R2, Tablca R3. Przyblżone wartośc natężena prądu w zależnośc od mocy promenowana śwetlnego [rad] -,393 -,3,3,393 I [ma] 2, 5, 95, 29, ,5 -, -,3 -,2 -,,,2,3,,5 [rad] Rys. R2. Charakterystyka określająca zależność natężena prądu od kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj śwatła I rozpatrywanej otodody projekt przetwornka moc promenowana śwetlnego prąd napęce, który będze na wyjścu podawał wartość napęca równą wartośc kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj wyrażonego w radanach. Warto zaznaczyć, ze charakterystyka przedstawona na rys. R2 jest lnowa (pewne nelnowośc wynkają z nedokładnośc odczytu z charakterystyk przedstawonej na rys. R). Aby zaprojektować rozważany przetwornk należy wyznaczyć wartość prądu przewodzena otodody dla kąta polaryzacj, rad. Wartość tego prądu to około 5, ma. Na tej podstawe można określć wartość dodatkowego źródła prądowego. Schemat przetwornka został przedstawony na rys. R3. 7

8 Rys. R3. Schemat przetwornka moc promenowana śwetlnego prąd napęce, który będze na wyjścu podawał wartość napęca równą wartośc kąta skręcena płaszczyzny polaryzacj (J = 5 ma, R = 2,9, R dowolna wartość) Rezystor w pętl ujemnego sprzężena zwrotnego oblczono na podstawe zależnośc wynkających ze schematu przetwornka. Pomocncze oblczena zameszczono w tablcy R. Tablca R. Pomocncze oblczena do wyznaczena wartośc rezystancj rezystora w pętl ujemnego sprzężena zwrotnego R Wartość prądu wejścowego J I D [ma] Wartość napęca na wyjścu wzmacnacza U out [V] Wartość rezystancj rezystora R [] Wartość napęca na wyjścu przetwornka U out [V] 5 2 = 3,393 3,2 -, = 5,3 2,9 -, = -5 -,3 2,9, = - -,393 2,8,393 Zadane 5. Zaprojektuj detektor sekwencj, w oparcu o automat synchronoczny Moore a. Wyjśce automatu zmena sę w takt sygnału zegarowego. Gra przejść automatu pokazano na rysunku 5. Do projektu detektora wykorzystaj przerzutnk D, oraz JK (czyl przedstaw 2 różne rozwązana tego zdana wykorzystując raz przerzutnk typu D, a następne JK). Rysunek 5. Gra przejść automatu 8

9 Rozwązane: Tabela przejść wyjść Zakodowana tabela przejśćwyjść Realzacja dla przerzutnków D Tabela wzbudzeń dla przerzutnka D 9

10 Dla D2 Dla D Dla D

11 Realzacja dla przerzutnków JK Zakodowana tabela przejśćwyjść Tablca wzbudzeń dla JK

12 J2 J J K2 K K 2

13 Zadane 6. a) Wyznacz punkt pracy (I B, I C, U CE ) tranzystora bpolarnego pracującego we wzmacnaczu przedstawonym na rys. 6. Dane: R B = R B2 = 8 kω, V DD = 2 V, U BE =,5 V, = 99, R E =,25 kω, R C = kω Rysunek 6. Schemat układu do zadana 6 b) Wykorzystując wyprowadzone w perwszej częśc tego zadana wzory wyznacz także punkt pracy (I B, I C, U CE ) tranzystora bpolarnego dla przypadku, gdy R B = R B2 = 3 kω (pozostałe dane są bez zman). Skomentuj odpowedno uzyskane wynk. Rozwązane:, gdze to spadek napęca na rezystancj R E. z t ego wynka, że: w przypadku, gdy R B = R B2 = 3 kω 3

14 Ujemna wartość napęca śwadczy o tym, że zależność ne jest w tym przypadku spełnona. Oznacza to, że tranzystor znajduje sę w nasycenu wylczone wartośc określające punkt pracy są błędne. Poneważ, w zadanu ne podano wartośc napęca kolektor - emter nasyconego tranzystora można przyjąć tą wartość za jako równą U CES =. Wobec tego Po odpowednch przekształcenach otrzymujemy układ dwóch równań z dwoma newadomym, tj. I B I C () (2) Otrzymujemy: ostateczne otrzymujemy: Opracował: Sprawdzł: Zatwerdzł: dr hab. nż. Ryszard Wojtyna, pro. UTP dr nż. Łukasz Saganowsk dr nż. Stean Stróżeck dr nż. Tomasz Talaśka dr nż. Sławomr Andrzej Torbus dr nż. Tomasz Talaśka dr hab. nż. Sławomr Ceślk Przewodnczący Rady Naukowej Olmpady