Exam text content

ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 1/2
Tentti 15.11.2018 / Jouko Heikkinen

Tentissä saa käyttää omaa ohjelmoitavaa laskinta. Tätä paperia ei tarvitse palauttaa.

Muistathan antaa palautetta Kaiku-järjestelmän kautta saadaksesi opintosuorituksen.

1.

Ovatko seuraavat väittämät oikein vai väärin? Mikäli väite on mielestäsi oikein, perustele

lyhyesti miksi näin on. Mikäli väite on mielestäsi väärin, korjaa väite oikeaksi ja perustele

tekemäsi korjaus lyhyesti. Oikeasta vastauksesta perusteluineen saa yhden pisteen, väärästä

vastauksesta menettää yhden pisteen. Myös vastaamatta jääneestä kohdasta menettää yhden

pisteen. Tehtävästä ei kuitenkaan kokonaisuudessaan voi saada miinuspisteitä (minimipiste-

määrä on 0). (12p)

a) Reaalisen operaatiovahvistimen = äärellinen Slew-rate eli lähtöjännitteen suurin
mahdollinen muutosnopeus aiheutuu vahvistimen lähtöasteen äärellisestä biasvirrasta.

b) Virtatakaisinkytketyn vahvistimen kaistanleveys riippuu vahvistuksesta.

c) Negatiivinen takaisinkytkentä pienentää jännitevahvistimen tuloimpedanssia.

d) PSRR kertoo, kuinka paljon operaatiovahvistimen käyttöjännitteissä esiintyvistä häiriöistä
näkyy operaatiovahvistimen tulossa.

e) Open collector -tyyppisen komparaattorin lähdöstä puuttuu ylöspäin ohjaava transistori,
joten kytkentään tarvitaan ulkoinen ylösvetotransistori.

f) Astabiili multivibraattori voidaan rakentaa invertoivasta Schmitt-triggerikytkennästä
tekemällä takaisinkytkentä lähdöstä tuloon vastuksen ja kondensaattorin avulla.

g) Siirtofunktiossa esiintyvä nolla aiheuttaa nollan jälkeisillä taajuuksilla amplitudivasteen
kasvun 20 dB/dekadi.

h) Takaisinkytketystä vahvistimesta saadaan oskillaattori, mikäli jollain taajuudella
silmukkavahvistus on yksi ja samaisella taajuudella negatiiviseen takaisinkytkentään
tulevan signaalin vaihesiirto on 180 astetta.

1) Yhteismuotoisten häiriöiden minimoimisen kannalta invertoiva kytkentä on parempi kuin
ei-invertoiva kytkentä.

j) Operaatiovahvistimen sisäisestä kompensoinnista on haittaa, kun operaatiovahvistinta
käytetään komparaattorina.

k) Kaskadivahvistimen kaistanleveys on huomattavasti yksittäistä vahvistinta pienempi, kun
suljetun silmukan vahvistus on suuri.

1) Operaatiovahvistimen kohina mallinnetaan keskenään korreloimattomilla kahdella
jännitekohinalähteellä ja yhdellä virtakohinalähteellä.

Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen yhtä operaatiovahvistinta. Käytössäsi on
lisäksi diodeja sekä kääntöpuolen miljoonalaatikko. Kytkentöjen tulee olla realistisia. — (3p)

a) v, = A/,, missä 4=3V/mA
b) 15 =-3v, +v,,

c) vy = v, kunv, <0Ojav, =0kunv, 20

Suunnittele kytkentä, joka kytkee verkkovirralla toimivan 10 W LED-valaisimen päälle
pimeinä iltoina. Valotehon mittaukseen on käytettävissä valovastus, jonka resistanssi on
päivänvalossa noin 5009 ja pimeässä noin 1,5M2. Kytkentäkohdan tulee olla säädettävissä

valovastuksen resistanssiarvojen 100k(2-200kO välillä. Valaisimen ohjauskytkennän tulee
toimia yksipuoleisella 12V jännitteellä. Komponenttiarvot voit valita vapaasti (perustele
kuitenkin tekemäsi valinnat. (6p)

Käännä
ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 2/2
Tentti 15.11.2018 / Jouko Heikkinen

Tentissä saa käyttää omaa ohjelmoitavaa laskinta. Tätä paperia ei tarvitse palauttaa.

Muistathan antaa palautetta Kaiku-järjestelmän kautta saadaksesi opintosuorituksen.

4.

Suunnittele yksipuoleisella 5V käyttöjännitteellä toimiva kytkentä, joka kykenee mittaamaan
anturilta saatavaa —ac-jännitettä (maksimiamplitudi 200mV) ja vahvistamaan sen
kymmenkertaiseksi. Sekä anturin lähtöresistanssi että suunniteltavan kytkennän
kuormaresistanssi on 1k2. Tarvittavien operaatiovahvistimien lisäksi käytössäsi on
miljoonalaatikosta löytyviä passiivikomponentteja. Perustele tekemäsi valinnat. (3)

Oheisen kuvan mukaisessa vahvistinkytkennässä R, =20k0, Ri R?

R, =200kO ja R, =18kO. Käytössäsi ovat alla esitetyt ku- N L
vo

vat operaatiovahvistimen datalehdeltä ja sen lisäksi tietojesi C v R;
mukaan takaisinkytkemättömän vahvistimen lähtöimpedanssi £

taajuudella S0kHz on 100. TT

a) Piirrä vahvistimen Bode-piirros ja selvitä piirroksen perusteella vahvistimen vaihevara ja
kaistanleveys. Määritä myös lähtöimpedanssi taajuudella 50kHz..

 

 

 

 

 

b) Kuinka suuri kohinajännite näkyy vahvistimen lähdössä kaistalla joka rajoittuu alapäässä
taajuuteen 50kHz ja yläpäässä vahvistimen -3dB rajataajuuteen? Muita kohinalähteitä
kuin operaatiovahvistimen jännitekohina ei tarvitse huomioida. Ota huomioon vahvistimen
amplitudivasteen äärellinen jyrkkyys. (6p)

 

 

 

 

Miljoona- |33 pF/390 pF/1,2 nF/2,2 nF/6,8 nF/8,2 nF/10 nF/12 nF/15 nF/68 nF/120 nF
laatikko: |1k0/1,33 k0/2 kO/2,8 kO/4,7 kO/5,9 k0/10 kO/20 kO/24,3 k0/30 k0/41,2 k0/100 ko

 

 

 

 

Voltage Gain (dB)

 

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NEB 157fy 11196 105% 103R 102%
OPEN-LOOP GAIN/PHASE vs FREOUENCY INPUT VOLTAGE NOISE SPECTRAL DENSITY
ik -- merin -
I T T 0
—45 [3
1 |. - 5 10 &
= E
-90 & 2
2 2
a o
2 10
j] 135 2
—180 1
k 10k 100 1M O 10M — 100M 10 100 ik 10k 100k

Freguency (Hz) Freguency (H2)