Exam text content

ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 1/2
Tentti 13.05.2016 / 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) Tyypillisen operaatiovahvistimen lähtöjännite on OV, kun tulojännite on 0V- —
b) Takaisinkytketty suora kaskadikytkentä on sellaisenaan stabiili, koska kumpikin

peräkkäin — kytketyistä — vahvistimista — tuottaa —napapisteen avoimen = silmukan
siirtofunktioonsa.

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

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

e) Aktiivisuotimien tyypillinen käyttöalue on suhteellisen korkeilla taajuuksilla (> 1 MHz).
f) Negatiivinen takaisinkytkentä kasvattaa jännitevahvistimen tuloimpedanssia.
g) Resistiivinen takaisinkytkentä on vahvistinten yleinen epästabiilisuuden syy.

h) Siirtofunktiossa esiintyvä napa aiheuttaa navan jälkeisillä taajuuksilla amplitudivasteen
kasvun 20 dB/dekadi.

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

j) Virtatakaisinkytketyn vahvistimen kaistanleveys on lähes riippumaton vahvistuksesta.

k) Komparaattorikytkentöjä analysoitaessa voidaan olettaa, että komparaattorin invertoivan
tulon jännite seuraa ei-invertoivan tulon jännitettä.

1) PSRR kertoo kuinka paljon operaatiovahvistimen käyttöjännitteissä esiintyvät häiriöt
näkyvät operaatiovahvistimen tulossa.

2. Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen yhtä operaatiovahvistinta. Kytkentöjen
tulee olla realistisia. Käytä miljoonalaatikosta löytyviä komponentteja. (3P)
a) v, = Bi g 29)
b) i, =kv,, missä k =0,5mA/V
c) v, =v,kunv, > 0jav, =0kunv, <0

3. Suunnittele yhdellä LED-ilmaisimella varustettu kytkentä joka tarkkailee yksipuoleisen
käyttöjännitteen (nimellisarvoltaan V,=12V) suuruutta. Kytkennän tulee sytyttää valo
LFD:iin (1, = 10mA ,V, 22V), mikäli käyttöjännite muuttuu enemmän kuin +12,5%
nimellisarvostaan (muulloin LED:in tulee olla sammuneena). Käytössäsi on lisäksi OC-
komparaattoreita, passiivikomponentteja, transistoreja (DC-virtavahvistus = 10) sekä 2,5V
jännitereferenssi, joka vaatii toimiakseen noin 2mA virran. Komponenttiarvot voit valita
vapaasti (perustele kuitenkin tekemäsi valinnat). (6p)

Käännä
ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 2/2
Tentti 13.05.2016 / Jouko Heikkinen

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

Muistathan antaa palautetta Kaiku-järjestelmän kautta saadaksesi opintosuorituksen.

4.

Takaisinkytketty vahvistin (4=100) on suunniteltu käyttäen operaatiovahvistinta
OPA134PA, — jonka — datalehdestä — löytyvät — kaksi — kuvaajaa = ohessa. Lisäksi
takaisinkytkemättömän vahvistimen lähtöimpedanssi taajuudella 1kHz on 100. (3P)

a) Selvitä — ROC-menetelmän — avulla — vahvistimen — vaihevara, — kaistanleveys,
silmukkavahvistus taajuudella 100Hz sekä lähtöimpedanssi taajuudella 1kHz.

b) Takaisinkytketyn vahvistimen positiivisessa käyttöjännitteessä on amplitudiltaan 100mV
ja taajuudeltaan 100Hz oleva rippeli. Minkä suuruisena tämä näkyy lähdössä?

Mittaussignaalin — kaistanleveyttä — rajoitetaan = aktiivisella toisen asteen Sallen-Key

alipäästösuotimella, jonka 0=1/42 ja rajataajuus 10 kHz. Suotimen päästökaistalla

sijaitsevan sinimuotoisen hyötysignaalin amplitudi vaihtelee välillä 10 mV — 50 mV. = (6p)

a) Suunnittele ja mitoita kyseinen suodin käyttäen samansuuruisia komponentteja, eli
R, =R,=R ja C, =C, =C. Lähde liikkeelle alla annetuista yhtälöistä ja käytä
miljoonalaatikosta löytyviä komponentteja.

b) Olettaen, että kytkennän kohina aiheutuu kokonaan aktiivikomponentin jännitekohinasta,
kuinka suuri suotimen toteutuksessa käytetyn operaatiovahvistimen jännitekohinatiheys
saa korkeintaan olla, jotta suotimen lähtösignaalin SNR on vähintään 90 dB?

 

 

Milj,

oona- |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: —|1k0/1,33k0/2 k0/2,8 k0/4,7 kO/5,9 kO/10 kO/20 k0/24,3 kO/30 kO/41,2 k0//100 ko

 

 

Voltage Gain (dB)

N 1 2 3 4 5

NEB TS7j 11 1057 ' 103% 1.02%

 

 

 

 

 

 

V, K 0;
H(s)=—"= T=
(s) V, RCR,Cs*+[(1-K)RC+RC, + R,C,|s+1 = 07
K O I 0= L
= : JRCRIG, (1 K R,C,/R,C, +4/R,C,/R,C, = N R,C,/R,C,

 

POWER SUPPLY AND COMMON-MODE REJECTION
OPEN-LOOP GAIN/PHASE vs FREGUENCY vs FREOUENCY

160 -
TTI TT TEI

140
120
100
80
60
40
20
o - ET E + 160

EII
IIN
I

o
=
(S

   

 

2
S

 

 

 

s
KI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Phase Shif (*)
PSR, CMR (dB)
a
8

—135

s
S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-20
04 1. = —.10 100 4k = 10k 100k 4M 10M 10 100 1k 10k 100k 1M
Freguency (Hz) Freguency (Hz)