Radioteknikk : lavfrekvens 1 [1, 2 ed.] 8200285898 [PDF]

Zitiervorschau

k* $3,

EDMUND SVANES

Radioteknikk

Lavfrekvens Del 1 BOKMÅL 2. UTGAVE

Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

UNIVERSITETSFORLAGET

© Universitetsforlaget, Oslo 1979. 2. utgave 1982. Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettig­ hetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Pål Haugs

ISBN 82-00-28589-8

Trykk: Ant. Anderssens Trykkeri a/s, Larvik 1982.

Forord Dette heftet inngår i serien radioteknikk og gir en generell innfør­ ing i akustikk og lavfrekvensteknikk. Heftet tar i første rekke sikte på å dekke pensum i videregående kurs I på radio/TV-linja i studieretning for håndverks- og industrifag i den videregående skole. En del av stoffet er repetisjon i emner som er gjennomgått i elektronikk i grunnkurset. Jeg har imidlertid funnet det nødven­ dig å ta dette med for å gi en bedre helhet i framstillingen. Enkelte emner har nok fått en noe grundigere og mer mate­ matisk behandling enn det som er forutsatt i pensumplanen, men jeg håper det kan være til nytte for elever som ønsker å fordype seg i stoffet. I 2. utgave har jeg tatt med litt om Nortons og Thevenins teorem. Dessuten har jeg utvidet kapitlet om operasjonsforster­ keren noe. Ellers er det bare foretatt en del rettinger og mindre justeringer.

Kristiansand, våren 1982

Edmund Svanes

Innhold 1 2 3

4 5 6 7

8

9 10 11

12

13

Lyd......................................................................................... 1 Desibel.................................................................................... 3 Størrelser og målenheter for lyd.......................................... 9 3.1 Lydtrykk......................................................................... 9 3.2 Akustisk effekt ............................................................. 9 3.3 Lydintensitet ................................................................. 9 3.4 Hørestyrke..................................................................... 10 3.5 Akustisk effektnivå....................................................... 10 3.6 Lydintensitetsnivå......................................................... 10 3.7 Lydtrykknivå................................................................. 10 Hvordan øret oppfatter lyd.................................................. 11 Dynamikk og frekvensområde............................................ 14 Akustiske grunnbegreper...................................................... 17 Transistoren .......................................................................... 18 7.1 Innledning...................................................................... 18 7.2 Transistorkarakleristikker........................................... 18 7.3 Transistorens steilhet S................................................. 22 7.4 Inngangs- og utgangsimpedans................................... 23 7.5 Spennings-og strømgenerator..................................... 28 7.6 Spenningsdeling ............................................................. 31 7.7 Thevenin og Norton..................................................... 31 Transistoren i felles emitterkopling ................................... 34 8.1 Arbeidspunkt og lastlinje............................................. 34 8.2 Det brukbare området av /K/(/KE-karakteristikken .. 37 8.3 Dataspredning i A, । for en transistor........................... 39 8.4 Temperaturstabilisering .............................................. 45 8.5 Det stabiliserte FE-trinnet............................................ 49 Felles kollektorkopling .......................................................... 54 Felles basiskopling................................................................ 58 Transistoren som firpol........................................................ 60 11.1 /t-parametere............................................................... 60 11.2 ^-parametere.............................................................. 62 Klassifisering av forsterkere ................................................ 63 12.1 Innledning................................................................... 63 12.2 Spenningsforsterkere ................................................. 63 12.3 Effektforsterkere......................................................... 64 12.4 Arbeidspunkt for transistorer.................................. 64 12.5 Typebetegnelser for halvlederkomponenter............. 65 12.6 Kapseltyper for dioder og transistorer ..................... 66 Småsignalforsterkere ............................................................ 67 13.1 Innledning................................................................... 67 13.2 Ekvivaientskjema for felles emitterkopling............ 67 13.3 Beregning av forsterkningen ..................................... 68 Midlere frekvenser.................................................... 68 Lave frekvenser.......................................................... 72 Høye frekvenser........................................................ 75 Faseforskyvning i et lavfrekvensforsterkertrinn .. 81 Båndbredde og forsterkning.................................... 88 Beregning av spenningsforsterkning ved hjelp av transistorsteilheten 5.......................................... 88

14 Felteffekttransistoren ............................................................ 90 14.1 Innledning.................................................................... 90 14.2 Sjikt-felteffekttransistoren......................................... 91 14.3 Statiske karakteristikker for sjikt-FET..................... 94 14.4 Praktiske felteffekttransistorkoplinger ..................... 95 14.5 Oppbygning av isolert gate FET ............................... 99 14.6 Ekvivalentskjema for en FET .................................... 104 14.7 Effekt FET.................................................................... 105 15 Forsterkere for likestrøm........................................................ 106 15.1 Den direkte koplede forsterkeren ............................... 106 15.2 Differensialforslerkeren.............................................. 106 15.3 Praktiske differensialforslerkerkoplinger ................ 110 15 .4 Operasjonsforsterkere ......................................111 Innledning.................................................................. 111 Inverterende og ikke-inverterendeinngang............. 113 Operasjonsforsterkerens koplingsskjema.............. 113 Offsetspenning, offsetstrøm.................................... 115 Justering av offsetspenningen.................................. 115 Rejiseringsforholdet.................................................. 115 Inverterende forsterker............................................ 115 Ikke-inverterende inngang........................................ 117 Praktiske eksempler på bruk av operasjons­ forsterkeren ................................................................ 118 Addisjon av spenninger............................................ 120 Subtraksjon av spenninger...................................... 121 16 Kontrolloppgaver.................................................................... 123 Fasit til kontrolloppgavene...................................... 133

1 Lyd Dersom vi trekker en stram streng på en gitar ut til siden og slipper den, vil strengen svinge fram og tilbake, og vi hører en lyd. En lyd kommer alltid fra et legeme som svinger. Den kan for eksempel komme fra et musikkinstrument, fra en maskin eller fra legemer som skraper eller støter mot hverandre. Fig. 1.1 viser hvordan det oppstår fortetninger og fortynninger i lufta når en stemmegaffel svinger. Det oppstår en bølgebevegelse som brer seg utover omtrent som bølgeringene som oppstår når vi kaster en stein ut i et vatn. Den bølgebevegelsen som lyd fram­ bringer, kalles longitudinale bølger.

Fig. 7. 7 Fortetninger og fortynninger i lufta når en stemmegaffel svinger.

Fig. 1.2 Transversale bølger. En annen type bølger er transversale bølger. Slike bølger kan vi få fram ved for eksempel å bevege et stramt tau opp og ned slik fig. 1.2 viser. Lydbølgene brer seg gjennom luft, faste legemer og væsker, men ikke gjennom det tomme rom. Hastigheten for utbredningen er avhengig av temperaturen og av det mediet lydbølgene brer seg i. Lyden forplanter seg raskere i faste og flytende stoffer enn i luft. Dessuten øker hastigheten med økende temperatur. Tabell 1.1 viser noen eksempler på det.

Tabell 1.1 Stoff

Luft Luft Destillert vann Sjøvann Kopper Jern

Hastighet (m/s)

Temperatur (°C)

332 342 1404 1440 3560 5130

0 15 0 0 20 20

2

Øret vårt oppfatter lyden som støy eller smell når den kommer fra legemer som svinger svært uregelmessig, men som tone når legemet utfører sinussvingninger. Formelen nedenfor viser sammenhengen mellom frekvens, bølgelengde og forplantningshastighet for en lydbølge: c=--bf c; Lydens forplantningshastighet (m/s) 2: Bølgelengden (m) f: Frekvensen (Hz)

(1.1)

Bølgelengden er lengden i meter fra 0 til 360° for en sinussvingning som fig. 1.3 viser. Mellom frekvens og periode, svingetid (7), er det denne sammenhengen: (1.2)

Talleksempel 1.1 En tone har en frekvens f = 1 kHz.

a. Hvor stor bølgelengde har denne tonen når den utbrer seg i luft med en hastighet c - 342 m/s? b. Hvor stor blir perioden, dvs. svingetiden?

Løsning: a.

c 342 z = ------ = ------------ = 0,342 m f 1000

b.

1 1 T = ------ = ------------ = 1 nis f 1000

Et menneske med normal hørsel kan oppfatte lydsvingninger med frekvenser fra 16—20 Hz og opp til 15—18 kHz. Evnen til å oppfatte de høyeste frekvensene avtar med alderen.

3

2 Desibel Dersom vi fører en tone på for eksempel 1 kHz fra en tonegenerator til inngangen på en lavfrekvensforsterker og så øker styrken langsomt, oppfatter ikke øret vårt økningen i lydstyrken lineært med effektøkningen ut fra forsterkerens høyttaler. Årsaken til det er at ørets følsomhet avtar tilnærmet logaritmisk med økende lyd­ effekt. Ved lave lydeffekter hører vi altså små forandringer godt, mens øret vårt knapt kan registrere tilsvarende effektforandringer ved sterke lydstyrker. Vi oppfatter for eksempel en forandring i uteffekten fra 100 mW til 1 -I- som omtrent like stor som forand­ ringen fra 1 W til 10 W.

Når vi skal sammenlikne lydnivåer, bør vi derfor nytte en loga­ ritmisk målenhet. En slik målenhet er bel. Matematisk blir stør­ relsen bel uttrykt som logaritmen til forholdet mellom to effekter.

tz = log ———

(2.1)

Da bel er en svært stor målenhet, bruker vi i praksis desibel. 1 desibel (dB) er tiendeparten av 1 bel. P. a = 10-log--------(2.2) P> Vanligvis regner vi med at lydstyrken må forandres ca. 3 dB for at et menneske med normal hørsel skal kunne registrere en for­ skjell.

Talleksempel 2.1 En forsterker leverer en uteffekt på 1 W. a. Hvor mye må uteffekten økes for at økningen skal være 3 dB? b. Uteffekten fra forsterkeren blir så regulert opp til 10 W. Hvor mange watt ville nå en økning på 3 dB i uteffekten bli?

Løsning: a.

P, 10-log -----P> P. Vi setter: —— = x. Vi får da: P>

10 - log x = 3 log x - 0,3 x = 1.995 x«2 P2 = P,.x = 12 = 2 W

•

Effektøkningen blir: P2~ P\ = 2-1 = 1 W

4

b.

P2 = P}x = 10-2 = 20 W

Effektøkningen blir: P2- P} = 20 - 10 = 10 W Av dette talleksemplet går det fram at en økning i effekten på 3 dB betyr en dobling av effekten. I a var det nødvendig med en økning på 1 W i uteffekten for at et menneske med middels god hørsel skulle registrere forskjellen i lydstyrke, men i b var det nød­ vendig med en økning på 10 W for å få en tilsvarende økning i lydstyrken. Når vi sammenlikner effekter i forsterkere og i radiomottakere, er det vanlig å bruke en bestemt utgangseffekt som referansenivå. En utgangseffekt på 50 mW fra en lavfrekvensforsterker nyttes en del som referansenivå ved målinger.

Talleksempel 2.2 Signaleffekten ut fra en radiomottaker skal ved måling av signal/ støy-forhold være Po = 50 mW. Hvor stor støyeffekt kan vi tillate dersom den skal være 26 dB lavere enn referansenivået Po?

Løsning: P 10-log--------- = -26 P. log--------- = -2,6 P.

P P Vi setter: X = --------- - -----------Po 50-10'3 log X = -2,6 X = 2,5118 -10’3

Vi setter inn verdien for X: P

50 -10 3

= 2,5118-103

P = 50-10 3-2,51 18• 10’3 P = 125,6 LiW

Vi ser av dette talleksempelet at dersom P< P„ får vi et nega­ tivt dB-tall. Dersom P = Po, blir svaret 0 dB, og når P> Po, blir dB-tallet positivt. Ved målinger i elektronikken bruker vi ofte en spenningsverdi som referansenivå. 1 V ut ved 1000 Hz blir for eksempel ofte brukt som referansenivå i en lavfrekvensforsterker. I transmisjonsteknikken er det vanlig å regne 0,775 V over 600 Q som referansenivå. 0,775 V nyttes også som referansenivå på rørvoltmetre. For signalgeneratorer og i antenneteknikk bruker vi ofte 1 pV over 75 Q som referansenivå.

5 Vi kan utvikle uttrykket for effektøkning videre, slik ai vi får denne sammenhengen:

U R

(13.31)

77

Vi multipliserer med coC,2 i teller og nevner og setter at

(13.32)

Vi dividerer med w,nn på begge sider av likhetstegnet og setter: F

- ___

___ L__ R

** inn

Spenningsforsterkning ved midlere frekvenser Dette gir oss spenningsforsterkningen ved høye frekvenser. FuM:

—

«mn

1 1

/-------------------------------------------------------

+ (/?L-COC|2)2

Ved øvre grensefrekvens er: ÆuM (13.34)

12

Av likning (13.33) ser vi at øvre grensefrekvens/, må bli: 1

=

1

2n-Ci2/?’

(13.35)

Når frekvensen i det signalet som tilføres en transistor, øker, synker hfe. Det fører også til at spenningsforsterkningen synker når frekvensen øker. Se likning (13.33) og (13.32). En transistor i felles emitterkopling har grensefrekvensen fp, som er den frekvensen hvor transistorens strømforsterkningsfaktor Ate har sunket til: /?le

-=^---- = h(e- 0,707 12

Ale: Oppgitt strømforsterkningsfaktor ved 1 kHz

Ved denne grensefrekvensen har altså strømforsterkningsfak ­ toren sunket med 3 dB i forhold til verdien ved 1 kHz.

I transistordatabøker oppgis vanligvis den frekvensen hvor strøm­ forsterkningsfaktoren Alc har sunket til 1. Denne frekvensen kalles transittfrekvensen/T (eng. transition frequency). I det følgende er /T oppgitt for noen LF-transistorer. AC 126 BC 177 BD 133

2,3MHz 150MHz 60 MHz

78

Vi ser at /T er vesentlig høyere for de to silisiumtransistorene enn for germaniumtransistoren AC 126. En transistor i felles basiskopling har grensefrekvensen som er den frekvensen hvor strømforsterkningsfaktoren /?tb har sunket med 3 dB (/?lb =

= /?,b-0,707). /?lb er strømforsterknings­ 1 2 faktoren ved 1 kHz./a er vesentlig høyere enn ft. I praksis er: Av den grunn egner felles basiskopling seg svært godt som spenningsforsterker for høye frekvenser. Felles basiskopling blir brukt en del i «tuneren» på FM- og TV-mottakere. Med FBkopling får vi ingen strømforsterkning, men vi kan få høy spenningsforsterkning.

Talleksempel 13.4 For forsterkertrinnet på fig. 13.16 er følgende data oppgitt:

Transistorens inngangsresistans 7?inn - 2 kQ, 7?k = 7?L = 2 kQ, C, = 1 nF og C = 2,2 pF. Strømforsterkningsfaktoren h(e = 200. a. Finn øvre og nedre grensefrekvens for forsterkertrinnet. b. Finn spenningsforsterkningen ved midlere frekvenser.

c. Finn spenningsforsterkningen ved øvre og nedre grense­ frekvens. Fig. 13. 16 Motstandskoplet lavfrekvensforsterkertrinn med inngangsresistans og inngangskapasitans til neste forsterkertrinn.

d. Finn nedre grensefrekvens dersom: 1. C = 1 pF 2. C = 0,5 pF 3. C = 0,1 pF 4. C = 1 pF, /?K = /?L = 4 kQ

e. Finn øvre grensefrekvens dersom: 1. C, = 2 nF 2. C, = 4 nF 3. C, = 10 nF 4. C, = 2 nF, = RL = 0,5 kQ

Løsning:

fo = 159 kHz 1

2n-C(«k + R,) 1

2-n-2,2-10’6 ■ (2 +2)10' /„ = 18 Hz p

inn

200-1 = ------------ = 100 2

79

c.

Forsterkningen ved øvre og nedre grensefrekvenser blir F

* uø

100

= F 1 un

7T~

70,7

I dB blir dette: Fua 70,7 20-log ---- — = 20-log -----— = -3 dB FuM 100

1 2-n-C-(/?K + /?,)

f - ----------------------------------- --- 40 Hz 2-tt • 10 6-(2 + 2)-10’

2. fn = ----------------- r--------------- — = 80 Hz 2-n-0,5-10 6-(2 + 2)-10’

3. = --------------------- r--------------- — = 400 Hz 2-n-0,l • 10 6-(2 + 2)-10’

4. Z, = ---------- —1------------- — = 20 Hz 2-n-10 6-(4 + 4)-1012

1

2 • n • C.R’ 1

= 79,6 kHz

2-77-2-10 9-10’

------------------------ = 39,8 kHz 2-n-4-10 9- 10’

--------------------------- = 15,9 kHz 2-77-10-10 9-10’

4 f = ------------------------------ = 318,3 kHz 2■ n • 2• 10 9-0,25 • 10’

Talleksempel 13.4d viser at nedre grensefrekvens øker når ver­ dien av koplingskondensatoren blir mindre. Ved å sammenlikne resultatene i talleksemplene 13.4d.l og 13.4d.4 ser vi at høy verdi på og R{ fører til lav nedre grense­ frekvens.

80 Fig. 13.17 viser hvordan verdien av koplingskondensatoren C og kollektorlasten RK og RL gir utslag på forsterkerens frekvenskarakteristikk ved lave frekvenser. Talleksempel 13.4e viser at øvre grensefrekvens går ned når verdien av C, øker. Transistorkapasitansene har en shuntende virkning på kollektorlasten. Dette fører til redusert forsterkning.

Fig. 13.17 Frekvenskarakteristikker ved lave frekvenser for ulike verdier av koplingskondensatoren C og kollektorlasten RK og RL.

1. 2. 3. 4.

/?K /?K /?K /?K

= = = =

/?L /?L /?L /?L

= = = =

2 kQ, 2 kQ, 2 kQ, 4 kQ,

C C C C

= = = =

1 pF 0,5 pF 0,1 pF 1 pF

Fig. 13.18 Frekvenskarakteristikker ved høye frekvenser for ulike verdier av transistorkapasitansen C, og effektiv kollektorlast /?L'.

1. 2. 3. 4.

C, C, C, C,

= = = =

2 nF, /?' = 1 kQ 4 nF, /?' = 1 kQ 10 nF, Ri = 1 kQ 2 nF, Ri = 0,25 kQ

81

Resultatene fra 13.4e.l og 13.4e.4 viser at 7?,’ har stor betydning for den øvre grensefrekvensen i forsterkertrinnet. En lav verdi på 7?E gir høy øvre grensefrekvens. Fig. 13.18 viser hvordan verdien av transistorkapasitansen C, og verdien av effektiv kollektorlast R^ forandrer frekvenskarakteristikken for forsterkertrinnet ved høye frekvenser.

Faseforskyvning i et lavfrekvensforsterkertrinn På grunn av koplingskapasitansene og transistorkapasitansene får signalspenningen for de forskjellige frekvensene i et lavfrekvens­ forsterkertrinn ulik faseforskyvning. Ved lave frekvenser oppstår det faseforskyvning på grunn av koplingskondensatorene Q og C2 og emitterkondensatoren CE i et forsterkertrinn som vist på fig. 13.1. Faseforskyvningen blir størst ved de laveste frekvensene og når kapasitansene er lave. Vi skal nå ta for oss den faseforskyvningen vi vil få på grunn av C2 i kollektorkretsen for forsterkertrinnet på fig. 13.1. På grunnlag av ekvivalentskjemaet på fig. 13.10 kan vi tegne et vektordiagram som fig. 13.19 viser. Vi ser at: i

tan

?

126

c. Hva legger du i begrepene: 1 konstantstrømsgenerator? 2 konstantspenningsgenerator?

d. Vis med et skjema hvordan du innenfor et bestemt belastningsområde kan lage: 1 en konstantstrømskilde, 2 en konstantspenningskilde. e. Forklar virkemåten til kretsene du tegnet i d.

Oppgave 11 a. En spenningsdeler som fig. 16.2 viser, får tilført en spenning U = 30 V. Rx = 5 kQ, R2 = 10 kQ og R3 = 15 kQ. Bruk spenningsdelingsformelen (7.12) til å finne spenningsfallet over hver motstand.

Fig. 16.2 Figur til oppgave 11.

b. En spenningsdeler som fig. 16.3 viser, får tilført en signal­ spenning u = 10 mV. Frekvensen f = 50 Hz. Finn størrelsen på signalspenningen over C og R når C = 2 pF og R = 1 kQ. Bruk spenningsdelingsformelen (7.13).

Oppgave 12 a. Hva mener vi med en transistors: 1 maksimalt tillatte effekttap? 2 kollektortap? b. Hvor høy sjikttemperatur kan tillates for: 1 en silisiumtransistor? 2 en germaniumtransistor?

Oppgave 13 a. Hvorfor er det nødvendig å stabilisere et transistorforsterkertrinn? b. Vis et par eksempler på stabiliserte transistorforsterkertrinn i felles emitterkopling, og forklar hvordan stabiliseringen virker. c. Hvorfor er det mest gunstig å velge et arbeidspunkt som ligger midt på likestrømslastlinjen for det ustabiliserte transistorforsterkertrinnet på fig. 8.91

Oppgave 14 I skjemaet på/zg. 16.4 er batterispenningen C/b = 9 V. (/RE = 1 V og strømforsterkningsfaktoren/zFE = 150. /R2 = 7 •/B. 1 arbeids­ punktet er C/BEo = 0,7 V, IKo = 1,5 mA og U^o = 4 V. Sjikt­ temperaturen i transistoren er Ts = 25 °C.

a. Finn resistansene i Rfc, Rk, Rj og R-..

Fig. 16.4 Figur til oppgavene 14 og 19.

b. Sjikttemperaturen øker til 85 °C, og likestrømsforsterkningsfaktoren /zFE øker til /zFE1 = 185. Hvor stor blir nå kollektor­ strømmen /K dersom t/BE synker med 2,5 mV/°C?

127

Oppgave 15 a. Gjør rede for hvilke forholdsregler vi må ta når vi velger motstandsverdier i et vanlig stabilisert felles emitterkoplet for­ sterkertrinn dersom trinnet skal være stabilisert for: 1 forandringer i /zFE, 2 forandringer i C/BE, 3 forandringer i /KB0. b. Forklar hvordan du resonnerer når du skal finne den totale likestrøms- og vekselstrømsresistansen som skal nyttes når likestrøms- og vekselstrømslastlinjen skal legges inn i utgangskarakteristikkene for koplingen på fig. 8.26.

Oppgave 16 I koplingen på fig. 16.5a skal alle motstandene beregnes. Tran­ sistoren AC126, som brukes i koplingen, har karakteristikker slik som vist på fig. 16.5b. Batterispenningen Ub = 12 V. I arbeidspunktet er t/KE = -5 V og /B = -0,2 mA. Spenningsfallet over emittermotstanden er (7KE = -2 V. /K2 = 1 ■ Iti. Alle konden­ satorene i skjemaet regnes som kortslutninger for vekselstrøm. Bruk karakteristikkene på fig. 16.5b til å avlese /K og t/BE. a. Beregn resistansene i Rk, Rk, R) og R2.

b. Legg inn likestrøms- og vekselstrømslastlinje på utgangskarakteristikkene på fig. 16.5b. c. Bruk karakteristikkene og vekselstrømslastlinjen til å finne strøm- og spenningsforsterkningen i forsterkertrinnet når /B = ±0,1 mA.

Oppgave 17 a. Gjør rede for egenskapene til de tre grunnkoplingene: Felles emitterkopling. Felles kollektorkopling. Felles basiskopling.

128

b. Hvilke egenskaper har en Darlington-kopling?

c. Hva er hensikten med et buffertrinn i en forsterker? d. Hvor er det vanlig å nytte felles basiskopling i en radiomottaker?

Oppgave 18 a. Gjør rede for forskjellene i egenskaper hos en transistor som skal brukes i en effektforsterker og hos en transistor som skal brukes i en spenningsforsterker.

b. Vis på inngangskarakteristikken for en transistor hvordan arbeidspunktet er plassert når transistoren arbeider i: 1 klasse A, 2 klasse AB, 3 klasse B, 4 klasse C. c. Hvorfor er det bare klasse A som kan brukes for transistorer i vanlige lavfrekvensspenningsforsterkere?

Oppgave 19 I skjemaet på fig. 16.4 er batterispenningen l/b = 9 V, Basisstrømmen /B = 20 pA, og spenningen mellom kollektor og emitter er = 4,5 V i arbeidspunktet. Spenningsfallet over RE er t/Rt = 1 V. a. Beregn verdiene av alle motstandene i skjemaet når strømmen gjennom R; er /R; = 5 /B. Bruk karakteristikkene på fig. 16.6.

Fig. 16.6 Figur til oppgave 19.

129

b. Finn ved hjelp av karakteristikkene transistorens inngangs­ resistans Æinn, transistorens utgangsresistans RM og den dynamiske strømforsterkningsfaktoren /?te.

c. Legg inn likestrømslastlinje og vekselstrømslastlinje på karak­ teristikkene øverst til høyre.

d. Finn strømforsterkningen ved hjelp av karakteristikkene og lastlinjen.

e. Finn spenningsforsterkningen ved hjelp av karakteristikkene og lastlinjen. Mul ^inn

f. Foreta samme beregning som i d og e, men nå ved hjelp av et ekvivalentskjema.

Oppgave 20 Et felles emittertrinn er koplet slik som fig. 16.7 viser. Batterispenningen Ub = 9 V. Spenningsfallet over R( er t/Rt = 2 V. Kollektor-emitterspenningen er t/KE = 4 V, og basis-emitterspenningen er L'Bl = 0,2 V i arbeidspunktet. Kollektor- og basisstrømmen er /K =6 mA, og 7B = 100 pA i arbeidspunktet. ÆG = 2 kQ og Rt =2 kQ. Inngangsresistansen mellom basis og emitter på transistoren er = 2 kQ. R2 = 10-/?L. Strømforsterknings­ faktoren er h(e = 60. Vi ser bort fra Rul.

a. Finn resistansen i motstandene RK, R[ , R, og R:. b. Finn utgangsspenningen uul og spenningsforsterkningen Fu = ---- - — ved midlere frekvenser når uG = 100 mV. Vi «G

regner at alle kondensatorene har så store kapasitanser at de virker som kortslutninger for vekselstrøm.

c. Finn spenningsforsterkningen ved øvre og nedre grensefrek­ vens. d. Finn strømforsterkningen F, =

Fig. 16. 7 Figur til oppgave 20.

ved midlere frekvenser.

130

Oppgave 21 a. Hvilke komponenter bestemmer den nedre grensefrekvensen i forsterkertrinnet på fig. 16. 7? b. Hvilken oppgave har emitterkondensatoren CE i et slikt trinn?

c. Hva skjer med den nedre grensefrekvensen dersom kollektorlasten økes i et motstandskoplet forsterkertrinn?

Oppgave 22 a. Hvilken innvirkning har transistorkapasitansene på spenningsog strømforsterkning ved høye frekvenser i en lavfrekvens­ forsterker?

b. Hva skjer med den øvre grensefrekvensen i et motstandskoplet lavfrekvensforsterkertrinn dersom kollektorlasten økes? c. Hvor mange dB dempning er det i spenningsforsterkningen i en lavfrekvensforsterker ved nedre og øvre grensefrekvens i for­ hold til referansenivået? d. Gjør rede for hvorfor det oppstår faseforskyvning i et motstandskoplet forsterkertrinn ved lave og høye frekvenser.

Oppgave 23 a. Definer en forsterkers båndbredde B. b. Hva skjer med størrelsen på båndbredden dersom man kopler flere forsterkertrinn etter hverandre?

c. Forsterkningen i en forsterker er ved midlere frekvenser Fu = 100. Hvor stor er forsterkningen når den har sunket med: 1 6 dB? 2 20 dB? 3 40 dB? d. Hva skjer med størrelsene på spenningsforsterkning, strøm­ forsterkning og båndbredde dersom kollektorlasten blir redu­ sert i et motstandskoplet forsterkertrinn?

Oppgave 24 a. Lag et ekvivalentskjema for koplingen på fig. 13.1, og vis på grunnlag av dette at spenningsforsterkningen ved midlere fre­ kvenser tilnærmet blir:

Fu = SÆ’ b. Hva blir spenningsforsterkningen ved midlere frekvenser for det motstandskoplede forsterkertrinnet på fig. 13.1 dersom kollektorlasten er /?K =4 kQ og inngangsresistansen til neste trinn er RL = 4 kQ. Transistorsteilheten er S - 50 mA/V. Vi ser bort fra transistorens utgangsresistans.

c. Hvilken verdi må transistorens strømforsterkningsfaktor 7zle ha i forsterktrinnet i b dersom transistorens inngangsresistans er ^,nn = 2 kQ?

131

Oppgave 25 a. Hvilke fordeler har en felteffekttransistor i forhold til en bipolar transistor?

b. Gjør rede for oppbygning og virkemåte til en sjikt-FET. c. Vis hvordan overføringskarakteristikken og utgangskarakteristikkene blir for en sjikt-FET. d. Hvordan definerer man steilheten S for en felteffekttransistor?

Oppgave 26 a. Hvordan defineres inngangs- og utgangsresistansen for en felt­ effekttransistor?

b. Hvordan er symbolet for en N-kanal og en P-kanal sjikt-FET? c. Forklar hensikten med de ulike komponenter i skjemaet som er vist på fig. 14.10.

d. Forklar hvordan stabiliseringen på fig. 14.10 virker.

Oppgave 27 Et forsterkertrinn med sjikt-FET er koplet slik som fig. 16.8n'\svc. I arbeidspunktet er C/DS = -12 V og t/GS = 0,4 V. Steilheten 5 = 1,3 mA/V. C/RS = -6 V. R, = 1 M.Q, Alle kondensatorene i skjemaet regnes som kortslutninger for vekselstrøm. Batterispenningen Ub = -30 V.

a. Bruk utgangskarakteristikkene på fig. 16.9 til å beregne R,, RD og Æsb. Legg inn vekselstrøms- og likestrømslastlinje på utgangskarak­ teristikkene.

c. Finn spenningsforsterkningen i forsterkertrinnet ved hjelp av karakteristikkene på fig. 16.9 ved midlere frekvenser. Fig. 16.8 Figur til oppgave 27.

d. Finn spenningsforsterkningen ved midlere frekvenser ved å bruke et ekvivalentskjema og steilheten S.

Fig. 16.9 Utgangskarakteristikker for 2N2608 P-kanal sjikt-FET.

132

Oppgave 28 a. Gjør rede for oppbygning og virkemåte til en MOS-transistor av: 1 progresjonstypen, 2 deplesjonstypen.

b. Tegn en overføringskarakteristikk og utgangskarakteristikker for en MOS-transistor av: 1 progresjonstypen, 2 deplesjonstypen.

c. Hva menes med avstrupningsområdet og triodeområdet for en felteffekttransistor? d. Tegn et fullstendig ekvivalentskjema av koplingen på fig. 14.26. Begrunn løsningen.

Oppgave 29 a. Hva blir nedre grensefrekvens for en direkte koplet forsterker?

b. Hvorfor er forsterkere med integrerte kretser likestrømsforsterkere?

c. Tegn et skjema av en enkel differensialforsterker, og forklar virkemåten.

d. Hva vil det si at signalet blir invertert?

Oppgave 30 a. Hva er årsaken til at en differensialforsterker har svært god temperaturstabilitet?

b. Hvorfor blir de to transistorene i en differensialforsterker ofte laget på det samme krystallet?

c. Hvilke egenskaper har en operasjonsforsterker med hensyn til inngangs- og utgangsimpedans, spenningsforsterkning og båndbredde? d. Hva mener vi med rejiseringsforholdet for en operasjons­ forsterker? e. Hva legger du i begrepet sløyfeforsterkning i forbindelse med en operasjonsforsterker?

133

Fasit til kontrolloppgavene Oppgave lb 1 T = 2,5 ms 2 2 = 0,85 m

Oppgave 2 a. U = 14,14 V b. 30 dB c. U = 0,447 V 30 dB

Oppgave 3 a. 1 2 3 4 5 6

2 V 6,3 V 10 V 79,4 V 0,1 V 5 mV

b. 1 2 3 4 5 6

6 dB 12 dB 20 dB -1,9 dB -6 dB -20 dB

Oppgave 4 d. Åp = 68 dB over nullnivået avlest på fig. 4.1. p = 50,24 mPa.

Oppgave 9 a. Se figuren ved siden av.

b. 1 Æinn = 3,3 kQ 2 Kinil = 1,5 kQ

c. 1 Æut = 80 kQ 2 ÆU1 = 40 kQ d. S = 50 mA/V

e. 1 /?te = 100 2 /jte = 100

Oppgave 11 a. l/R1 = 5 V UK2 = 10 V t/R3 = 15 V b.

= 5,32 mV t/t = 8,47 mV

Oppgave 14 a. Æfc = 662 Q R2 = 24,3 kQ Rt = 91,3 kQ = 2,7 kQ

b. Løsning: A7; = 85 - 25 = 60 °C At/Bfc = 60-2,5 = 150 mV dvs.: Uat = 0,7-0,15 = 0,55 V U

UbR2

9-24,3

R\ + R2

91,3 + 24,3

= 1,89 V

134 R

R1CR. — ____

/?, + R2 z = K

91,3-24,3 — ____ ______ __ 91,3-24,3

ÅFE(C/ab-t/BE) Rti + ÆE(/tFE + 1) 185(1,89 - 0,55)

19,19- 103 + 662(185 + 1) Økningen i kollektorstrømmen er: AZk = 1,74 - 1,5 = 0,24 mA

Oppgave 16 a.

= Æe = R} = R2 =

143 Q 57 Q 6,1 kQ 1,6 kQ

c. Ft = 143 Fu = 54

Oppgave 19 a.

= Rl = R2 = /?, =

= 19,19 kQ

1,75 kQ 495 Q 16,1 kQ 61,6 kQ

= 1429 Q ÆU1 = 47 kQ Ale = 100 d. Ft = 97

b.

e. Fu = 125 f. Ft = 97 Fu = 118

Oppgave 20 a. Rh = 328 Q /?K = 500 Q R2 = 3,3 kQ Æ, = 8,8 kQ b. wul = 423 mV = 4,2

c 'uø F = ÆFun =3

d. F, = 6,5

Oppgave 23 c. 1 F. = 50 2 Fu = 10 3 Fu = 1

= 1,74 mA

135

Oppgave 24 a.

. ‘b

=

^inn ----------------

D, #L =

-------------------------

^inn

wul

S'Uinn'R^

Wut Fu = ---- = S-Æ’ ^inn

b. Fu = 100 c. 7ife = 100

Oppgave 27 a. /?, = 4,4 MQ Ro = 10,9 kQ Rs = 5,45 kQ c. Fu = 14

d. Fu =

S-Æd

= 1,3 -10'3- 10,9-10’ = 14,2