Exam text content

 

ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 1/2
Tentti 31.08.2017 / 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) Normaalista takaisinkytketystä järjestelmästä saadaan oskillaattori, mikäli jollain

taajuudella silmukkavahvistus on yksi ja negatiiviseen takaisinkytkentään tulevan
signaalin vaihesiirto on 180 astetta.

b) Kaskadivahvistimen kaistanleveys on huomattavasti yksittäistä vahvistinta suurempi, kun
suljetun silmukan vahvistus on suuri.

c) Operaatiovahvistimen sisäinen kompensointi on haitaksi, kun operaatiovahvistinta
käytetään komparaattorina.

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

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

f) Siirtofunktiossa esiintyvä nolla aiheuttaa navan jälkeisillä taajuuksilla amplitudivasteen
kasvun 20 dB/dekadi.

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

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

i) PSRR kertoo, kuinka paljon operaatiovahvistimen käyttöjännitteissä esiintyvistä häiriöistä
näkyy operaatiovahvistimen lähdössä.

j) Negatiivinen takaisinkytkentä kasvattaa jännitevahvistimen lähtöimpedanssia.

k) Jännitetakaisinkytketyn vahvistimen kaistanleveys ei riipu vahvistuksesta.

D) Vahvistimen Slew-rate kuvaa tulojännitteen suurinta sallittua muutosnopeutta.

2. Suunnittele ja mitoita seuraavat kytkennät käyttäen yhtä operaatiovahvistinta. Kytkentöjen
tulee olla realistisia. Käytä miljoonalaatikosta löytyviä komponentteja. (3)

a) v, = AI,, missä 4=3V/mA
b) 19 =-(3vn +v1)

c) vy =v, kunv, >0jav, =0kunv, <0

3. Suunnittele kytkentä, joka kytkee valaisimen päälle pimeinä iltoina. Valaisimen lampussa on
merkintä 12V/60W. Valotehon mittaukseen on käytettävissä valovastus, jonka resistanssi on
päivänvalossa noin 5000 ja pimeässä noin 1,5M?. Kytkentäkohdan tulee olla säädettävissä
valovastuksen = resistanssiarvojen 100k02-200k0 — välillä Kytkennän tulee toimia
yksipuoleisella 12 V jännitteellä. Komponenttiarvot voit valita vapaasti (perustele kuitenkin
tekemäsi valinnat). (6p)

Käännä

 
 

 

ELT-21250 Operaatiovahvistinkytkennät 2/2
Tentti 31.08.2017 / 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=10) on suunniteltu käyttäen operaatiovahvistinta OPA134PA,
jonka datalehdeltä poimitut kaksi kuvaajaa on esitetty alla. Lisäksi takaisinkytkemättömän
vahvistimen lähtöimpedanssi taajuudella 10kHz on 100. (3p)

a) Selvitä ROC-menetelmän avulla takaisinkytketyn vahvistimen vaihevara, kaistanleveys,
silmukkavahvistus taajuudella 1kHz sekä lähtöimpedanssi taajuudella 10kHz.

b) Takaisinkytketyn vahvistimen positiivisessa käyttöjännitteessä on amplitudiltaan 10mV
ja taajuudeltaan 100Hz oleva rippeli. Minkä suuruisena tämä näkyy lähdössä?

  

Mittaussignaalin kaistanleveyttä rajoitetaan aktiivisella toisen asteen alipäästösuotimella,

jonka vahvistus päästökaistalla on 6 dB ja rajataajuus 10 kHz. Suotimen päästökaistalla

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

a) Olettaen, että kytkennän kohina aiheutuu kokonaan aktiivikomponentin jännitekohinasta,
kuinka suuri suotimen toteutuksessa käytetyn operaatiovahvistimen jännitekohinatiheys
saa korkeintaan olla, jotta suotimen lähtösignaalin SNR on vähintään 80 dB?

b) Suunnittele ja mitoita kyseinen suodin käyttäen Sallen-Key -lohkoa ja samansuuruisia
komponentteja, eli R, = R, = R ja C, =C, =C. Lähde liikkeelle alla annetuista yhtälöistä
ja käytä miljoonalaatikosta löytyviä komponentteja. Kuinka suuri on suunnittelemasi
suotimen O-arvo?

—n--------- Tehtävien ratkaisun avuksi -—--—--—---——

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

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 k9/3 kO/4,7 kO/10 kO/14 kO/15 kO/16;2.k0/20 k0//24,3 k0//30 kO/56 kO
POWER SUPPLY AND COMMON-MODE REJECTION
OPEN-LOOP GAIN/PHASE vs FREOUENCY vs FREOUENCY
e mmm N CTE [M IT
SEINIIN i 4 10 EH uu [
120 == II —— — —45 | Jl TKTT |
g o HIEIIRIESIEESE] < ge[!! |
5 H MHS Sisi tl -90 = = LI
& 60! EHIÄ (H IN IT J s ö o l i |
2 1 TII LON 8 a T | Yl 1]
s ot THTH TIHSN] ss & £ 4 — | |
2» | In INILT - [ | <
EHRSIISA]A TISSI] o |!!! 6
of Ot T MEDOIIHSI] te 11 4 H
5 TH IEI o EU" Mi
0.1 1 10 100 1k 10k = 100k 1M —10M 10 100 100k 1M
Freguency (Hz) Freguency (Hz)
N 1 2 3 4 5
NEB | 1,57fy 1,11f 1,05% 1,03f 1,02f%
V, K 0;
0-7" ore Keo +RC,+R,C,[+1 lea
i LK 2! ITI 172 252 s +—Xs+0,
Hop =K m=! o E
OLP 0 "n =. a
JR CRC, (1-K)/R,C,/R,C, +/R,C,/R,C, + /R,C,/RC,