Zadatak 1. U kojim od spojeva ispod je iznos pada napona na otporniku R=100 Ω približno 0V?

Transcript

1 Zadatak 1. U kojim od spojeva ispod je iznos pada napona na otporniku R=100 Ω približno 0V? a) b) c) d) e) Odgovor: a), c), d) Objašnjenje: [1] Ohmov zakon: U R =I R; ako je U R 0 (za neki realni, ne ekstremno velik R) ovo znači da je struja kroz R približno 0 (tj. vrlo mala) [2] Da bi dioda dobro "propuštala" struju, mora biti propusno polarizirana. Dioda je propusno polarizirana ako je anoda na makar 0.7 V većem potencijalu od katode (mora se doseći napon koljena U γ ). Ako ovo nije ispunjeno, dioda je nepropusno polarizirana i struja kroz diodu je gotovo 0 (tj. red veličine μa). Pitanje iz zadatka se može shvatiti (u skladu sa [1]) kao: "u kojim spojevima ne teče struja?". Ovo se opet (u skladu sa [2]) može shvatiti kao "u kojim spojevima je dioda nepropusno polarizirana?". Rješavanje ovog zadatka se svodi na traženje spojeva kod kojih je katoda spojena na viši potencijal od anode ili u kojima baterija ima manji iznos od 0.7 V. a): anoda je spojena na negativan kraj baterije od 1V, a katoda (preko R) na pozitivan kraj baterije. Dakle, anoda nikako ne može biti na većem potencijalu od katode (a definitivno ne može biti za 0.7V pozitivnija). Dapače - anoda je približno 1V negativnija od katode, drugim riječima katoda je na višem (za nešto manje od 1V) potencijalu od katode - dakle, nepropusno je polarizirana, pa je pad napona na otporniku R zanemarivo mali (približno 0). *apomena: Postavlja se pitanje zašto "nešto manje od 1V", zašto ne 1V? Zato jer dioda ipak propušta struju zasićenja ili reverznu struju I S (sastavljenu od manjinskih nositelja, dakle vrlo,vrlo malog iznosa), zbog čega dolazi do vrlo malog pada napona na R (U R =I S R ako I S vrlo, vrlo malo, onda je i U R vrlo mali (osim ako R nije ekstremno velik)), a prema 2. Kich.zakonu: pad napona na R + pad napona na diodi = napon izvora (ovdje 1V). Realan slučaj bi bio npr. pad napona na otporniku je 0.001V, što znači da je napon na diodi 0.999V (jer 0.999V+0.001V=1V), dakle katoda je za 0.999V višem potencijalu od anode. Ovo je ujedno i odgovor zašto pad napona na otporniku nije točno 0, nego približno 0 - bio bi kad bi struja reverzne polarizacije bila točno 0, tj kad nebi postojala. b): anoda je spojena na pozitivan kraj baterije od 1V, a katoda (preko R) na negativan kraj baterije. Dakle, anoda je sigurno na većem potencijalu od katode. Ako baterija ima veći napon od 0.7V, pad napona na diodi je približno 0.7V, a ostatak napona baterije (prema 2. K.Z.) je na otporniku R. U ovom slučaju, pad napona na R je 0.3V, dakle katoda je na 0.7V nižem potencijalu od anode - dioda je propusno polarizirana. apon na R nije zanemarivo mali (on je 30% napona baterije u ovom primjeru). c): anoda je spojena na pozitivan kraj baterije od 0.5V, a katoda (preko R) na negativan kraj baterije. Dakle, anoda je sigurno na većem potencijalu od katode. O, anoda ne može biti 0.7V pozitivnija od katode (jer je maksimalna razlika potencijala ograničena baterijom), već svega 0.5V pozitivnija. Ovo znači da se nikako ne može dosegnuti napon koljena, i struja kroz diodu ostaje zanemarivo mala, pa je i pad napona na otporniku R zanemarivo mali (približno 0). d): ovo je spoj a), samo malo drugačije nacrtan (sve rečeno za spoj a) vrijedi i ovdje) e): ovo je praktično isto kao spoj b), jedina razlika je iznos baterije: ovdje nije 1V nego je 2V. Sve rečeno za spoj b) vrijedi i ovdje, no pad napona na R je kod ovog spoja 1.3V (dakle, dioda je propusno polarizirana, pa je napon na diodi približno 0.7V). I ovdje vrijedi da zbroj pada napona na R i na diodi mora dati napon baterije (dakle: 0.7V+1.3V=2V). apon na R nije zanemarivo mali.

2 Zadatak 2. U kojim od spojeva ispod je iznos pada napona na otporniku R=10 Ω veći od 1V? a) b) c) d) e) Odgovor: c), e) Objašnjenje: Potrebno predznanje : (isto kao kod prethodnog zadatka) Da bi uopće imali ikakav značajniji (veći od cca 0.1V) pad napona na otporniku, dioda mora biti propusno polarizirana (dakle anoda mora biti na 0.7 većem potencijalu od katode). Međutim, baterija mora imati dovoljan iznos napona da osigura propusnost diode (dakle, minimalno 0.7V) no i minimalno 1V pad napona na otporniku. Prema 2.K.Z., slijedi onda da minimalni napon baterije (za koje će napon na R biti makar 1V) iznosi 1.7V. Rješavanje ovog zadatka se onda svodi na traženje spojeva kod kojih je anoda spojena na viši potencijal od katode i u kojima baterija ima napon od makar 1.7 V. a): anoda je spojena na negativan kraj baterije od 10V, a katoda (preko R) na pozitivan kraj baterije. Dakle, anoda nikako ne može biti na većem potencijalu od katode, dioda je nepropusno je polarizirana, pa je pad napona na otporniku R zanemarivo mali (približno 0), dok je pad napona na diodi približno 10V (cca V). b): anoda je spojena na pozitivan kraj baterije od 1.2V, a katoda (preko R) na negativan kraj baterije. Dakle, anoda je sigurno na većem potencijalu od katode - dioda je propusno polarizirana. Pad napona na diodi je približno 0.7V, a ostatak napona baterije (prema 2. K.Z.) je na otporniku R. U ovom slučaju, pad napona na R je 0.5V (1.2V-0.7V) - dakle u ovom spoju imamo propusno polariziranu diodu i značajan pad napona (između 40% i 50% napona baterije) na R, no kako baterija ima manji napon od 1.7 V, uvjet da je U R >1V ne može biti ispunjen. c): analiza je ista kao za spoj b), samo što sada imamo bateriju sa naponom >1.7V. Dakle, dioda je propusno polarizirana pad napona na diodi je 0.7V pad napona na R je 2V (2.7V-0.7V), pa je ovo jedno od rješenja d): ovo je spoj a), samo sa drugim naponom baterije. Dakle, dioda je nepropusno polarizirana i napon na R je približno 0. e): analiza je ista kao za spojeve b) i c), samo što sada imamo bateriju sa naponom 2V. Dakle, dioda je propusno polarizirana pad napona na diodi je 0.7V pad napona na R je 1.3V (2V-0.7V), pa je ovo jedno od rješenja Zadatak 3. a) b) c) d) e) Kada je napon na R približno 0V? Rješenje: a), e) Kada je napon na R manji od 2V? Rješenje: a), b), e) Kada je napon na R veći od 0.1V? Rješenje: b), c), d) Kada je napon na R veći od 2.6V? Rješenje: c)

3 Zadatak 4. U kojim od spojeva je bipolarni tranzistor polariziran tako da radi u normalnom aktivnom području? 4 V Odgovor: b), c) a) b) c) d) [1] Polarizacije P spojeva (mogu se promatrati kao diode) Baza-Emiter (BE) i Baza-Kolektor (BC). Za normalno aktivno područje (ili samo "aktivno"), dioda BE mora biti propusno, a dioda BC nepropusno polarizirana [2] Poznavanje simbola tranzistora, te konstrukcije PP i P tipa tranzistora [3] Razumijevanje propusne i nepropusne polarizacije diode (Zadatci 7 i 8), te određivanja potencijala na shemi (Zadatci 5 i 6) Općeniti princip rješavanja: prvo je za svaki sklop potrebno odrediti potencijale Baze, Emitera i Kolektora, zatim odlučiti (na temelju potencijala i tipa tranzistora) koja je dioda (P spoj) propusno, a koja nepropusno polarizirana i konačno odrediti u kojem području tranzistor radi. Pogledajmo detaljno svaki od 4 sklopa (radi lakšeg shvaćanja, na slikama su nadodane pomoćne oznake tipa poluvodiča (plavo), kao i potencijala (crveno) za svaki od izvoda B,E,C). *APOMEA: Ako određivanje potencijala i propusnosti P spojeva nije jasno, detaljno pogledati zadatke 5 do 8. a) - P - P Pogledajmo prvo P spoj BE: Baza ( strana, tj. katoda) je na potencijalu -3V, a Emiter (P strana, tj. anoda) na 0V strana je negativnija od P strane (anoda diode BE pozitivnija od katode) za 3V (više od 0.7V), dakle: spoj BE je propusno polariziran Zatim, P spoj BC: Baza ( strana, tj. katoda) je na potencijalu -3V, a Kolektor (P strana, tj. anoda) na -2V P strana je pozitivnija (-2 je manje negativno od -3V) od strane (anoda diode BC pozitivnija od katode) za 1V (više od 0.7V), dakle: spoj BC je propusno polariziran ZAKLJUČAK: Ovaj tranzistor je u području zasićenja (oba P spoja su propusno polarizirana) b) P Pogledajmo prvo P spoj BE: Baza (P strana, tj. anoda) je na potencijalu 1V, a Emiter ( strana, tj. katoda) na 0V strana je negativnija od P strane (anoda diode BE pozitivnija od katode) za 1V (više od 0.7V), dakle: spoj BE je propusno polariziran Zatim, P spoj BC: Baza (P strana, tj. katoda) je na potencijalu 1V, a Kolektor ( strana, tj. anoda) na 2V P strana je na nižem potencijalu (negativnija) od strane (anoda diode BC negativnija od katode) za 1V, dakle: spoj BC je nepropusno polariziran ZAKLJUČAK: Ovaj tranzistor je u normalnom aktivnom području (BE propusno, BC nepropusno polariziran)

4 c) P 4 V 4 V Pogledajmo prvo P spoj BE: Baza (P strana, tj. anoda) je na potencijalu 2V, a Emiter ( strana, tj. katoda) na 0V strana je negativnija od P strane (anoda diode BE pozitivnija od katode) za 2V (više od 0.7V), dakle: spoj BE je propusno polariziran Zatim, P spoj BC: Baza (P strana, tj. katoda) je na potencijalu 2V, a Kolektor ( strana, tj. anoda) na 4V P strana je na nižem potencijalu (negativnija) od strane (anoda diode BC negativnija od katode) za 2V, dakle: spoj BC je nepropusno polariziran ZAKLJUČAK: Ovaj tranzistor je u normalnom aktivnom području (BE propusno, BC nepropusno polariziran) d) - P Pogledajmo prvo P spoj BE: Baza (P strana, tj. anoda) je na potencijalu -1V, a Emiter ( strana, tj. katoda) na 0V P strana je negativnija od strane (anoda diode BE negativnija od katode) za 1V, dakle: spoj BE je nepropusno polariziran Zatim, P spoj BC: Baza (P strana, tj. katoda) je na potencijalu -1V, a Kolektor ( strana, tj. anoda) na 2V P strana je na nižem potencijalu (negativnija) od strane (anoda diode BC negativnija od katode) za 3V, dakle: spoj BC je nepropusno polariziran ZAKLJUČAK: Ovaj tranzistor je u području zapiranja (oba P spoja nepropusno polarizirani) Zadatci za vježbu (rješenja su u zagradama) U kojim područjima rade BJT-ovi polarizirani kako je prikazano na slikama? 0.4 V (aktivno) (zapiranje) (inverzno aktivno) (zasićenje) (zapiranje) 4 V 4 V 4 V (zasićenje) (aktivno) (zapiranje) (inverzno aktivno) (aktivno) (zasićenje) (zapiranje) (aktivno) (zasićenje) (inverzno aktivno)

5 Zadatak 5. -kanalni JFET sa naponom dodira U P = 3V spojen je na konstantni napon U DS = 5V. Kako izlazna struja I D zavisi o ulaznom naponu U GS? a) I D je najveća za U GS = 0V c) I D za U GS = -4V je ista kao I D za U GS = -5V b) I D je najmanja za U GS = -2V d) I D je najmanja za U GS = -3V Odgovor: a), c), d) [1] Princip rada JFET-a: za kanalni JFET, G treba biti na nižem potencijalu od S i D (P spojevi moraju biti zaporno polarizirani). Veći napon reverzne polarizacije šire osiromašeno područje uži kanal veći otpor kanala manja I D [2] U P je ulazni napon (U GS ) pri kojem dolazi do potpunog nestanka kanala, tj. struja I D padne praktično na 0 U G U GS I D Lijevo je shema koja prikazuje spoj -kanalnog JFET-a na izlazni napon U DS =5V, te na ulazni napon općenitog iznosa U GS. a slici su prikazani (crveno) i potencijali izvoda G, D, S. Dovod (S) je uvijek na istom potencijalu (jer je spojen na masu), dakle uvijek je U S =0V, odvod (D) je također uvijek na istom potencijalu (jer je između D i S baterija od 5V, dakle uvijek je U D =5V. Upravljačka elektroda (G) je spojena na negativni pol baterije U GS, pa se potencijal od G (U G ) može mijenjati promjenom iznosa baterije U GS (U G je uvijek negativan). U skladu sa [1], što je potencijal G negativniji, kanal je uži i pruža veći otpor prolasku struje I D. G je najmanje negativan za potencijal G 0V, tj. za U GS =0V. U tom slučaju, kanal je najširi i ima najmanji otpor I D je najveća (ovo je odgovor a) ). Ako potencijal G postaje sve negativniji (tj. ako se povećava napon baterije U GS ), kanal je sve uži i struja I D sve više pada. U skladu sa [2], toliki negativan napon U GS pri kojem širina kanala postaje 0 (kanal se potpuno zatvori), izaziva da struja više ne teče (padne na 0) - ovo je napon dodira U P. Drugim riječima, struja postaje minimalna (padne na 0) ako je U GS =-U P (ovo je odgovor d) ). Ako se i nakon dosizanja napona dodira iznos baterije U GS povećava (tj. ako potencijal G i dalje pada), ništa se ne događa - struja I D ostaje 0 (jer je već pala na min. moguću vrijednost). Stoga, za bilo koji U GS -U P, struja I D je uvijek ista - 0 (ovo je odgovor c) ). Sve gore rečeno može se vidjeti i iz prijenosne karakteristike JFET-a, koja pokazuje kako se mijenja I D zavisno o promjeni U GS (za neki konstantan U DS ). Sa karakteristike je jasno vidljivo da je I D najveća za U GS =0, te, kako U GS postaje negativniji, I D pada, sve dok ulazni napon U GS ne dosegne iznos napona dodira, nakon čega struja I D pada na 0. Ako U GS i nakon ovoga nastavlja rasti u negativnom smijeru, I D se više ne mijenja i ostaje nula.

6 Zadatak 6. Kako struja I D zavisi o ulaznom naponu U, ako je U P tranzistora 4V? I D a) za U=2V: I D 0A d) I D za U=6V je veća nego I D za U=5V U 9 V b) za U = 3V I D je maksimalna e) za U = 2V I D je maksimalna c) za U=1V I D je znatno manja nego I D za U=3V f) za U = 1V kanal ne postoji Odgovor: a), d), f) [1] Princip rada MOSFET-a: za kanalni MOSFET obogaćenog tipa, G treba biti na makar za U P pozitivniji od S da bi se kanal formirao. Povećanje potencijala G nakon ovoga privlači dodatne elektrone u kanal veća vodljivost kanala veća I D [2] U P je ulazni napon (U GS ) pri kojem se formira kanal i struja počinje teći. Ako je U GS < U P, kanal nije formiran i izlazna struja I D =0. a) Prema [2]: Ako je U=2V, potencijal G nije dovoljno visok da se formira kanal između D i S I D ne teče tj. I D 0 : točan odgovor b), e) Prema [2]: za bilo koji U < U P (ovdje, U<4V ) kanal nije formiran I D 0 : nisu točni odgovori c) Prema [2]: za U=1V i U=3V struja je ista (nula) : netočan odgovor d) Prema [1]: povećanje napona povećavaju koncentraciju elektrona u kanalu I D veća što je veći U: točan odgovor f) Prema [2]: točan odgovor Zadatak 7. Kako struja I D zavisi o ulaznom naponu U, ako je U P = -2V? I D a) za U=0V: I D 0A d) za U = -3V: I D 0A U b) za U=3V I D je maksimalna e) za U = -1V kanal ne postoji c) I D je manja za U= -1V nego za U=4V f) I D je ista za U= -3V kao i za U= -4V Odgovor: c), d), f) (isto kao kod prethodnog zadatka), te: [3] za kanalni MOSFET osiromašenog tipa, kanal postoji čak i ako je potencijal G 0V. Da bi se kanal prekinuo, potrebno je dovesti dovoljno velik negativan napon (U P ). Po ostalim karakteristikama isto kao obogaćeni tip. - Prema [3]: Ako je U -2V, kanal postoji I D postoji: odgovori a) i e) nisu točni - Prema [1]: Povećanje U povećava vodljivost kanala I D raste: ne postoji ograničenje na maksimalno moguću vodljivost kanala (kao što postoji kod JFET-a (maks. širina kanala)), pa nema ulaznog napona U za koji je I D maksimalna: odgovor b) nije točan - Prema [1]: Povećanje U povećava vodljivost kanala I D raste: I D je veća za 4V (vodljiviji kanal) nego za -1V: c) je točno - Prema [3]: -3V je manje od U P (U P = -2V) kanal ne postoji I D ne postoji: d) je točno - Prema [3]: i -3V i -4V su manji od U P (U P = -2V) kanal ne postoji u oba slučaja I D je u oba slučaja 0: f) je točno *apomena: prethodna dva zadatka se mogu riješiti vrlo brzo promatranjem prijenosne karakteristike -kanalnog MOSFET-a, vodeći računa da je U u ovim zadacima U GS na prijenosnoj karakteristici

7 Zadatak 8. Kaskadni spoj 2 pojačala sa naponskim pojačanjima 10 i 100 ima ukupno pojačanje od: a) 110 b) 1100 c) 1000 d) 1000 db e) 60 db Odgovor: c), e) [1] Ukupno pojačanje kaskadnog spoja 2 pojačala sa pojačanjima A 1 i A 2 je jednostavno umnožak njihovih pojačanja: A uk =A 1 A 2 [2] Ako su pojačanja izražena u db, onda je ukupno pojačanje kaskadnog spoja zbroj pojačanja u db: A uk [db]=a 1 [db] + A 2 [db] [3] aponsko (ili strujno) pojačanje u db se dobiva iz pojačanja na način: A[dB]=20 log(a) - Kaskadni spoj pojačala sa pojačanjima 10 i 100 je [1]: A uk =10 100= dakle, odgovori a) i b) nisu točni, točan je c) - Da bi utvrdili dali su odgovori d) i e) točni moramo pretvoriti pojačanje u db. Ovo je moguće na 2 načina: 1. način: Pretvorimo individualna pojačanja u db (prema [3]) i nađemo ukupno pojačanje u db (prema [2]): - ako je A V1 =10, onda je A V1 [db]=20 log(10)=20 db - ako je A V2 =100, onda je A V2 [db]=20 log(100)= 20log(10 2 ) =2 20 log(10)= 40 db - prema [2], ukupno pojačanje pojačala od 20 db i 40 db je 60 db - dakle, odgovor d) nije točan odgovor, točan je e) 2. način (brži način): Jednostavno pretvorimo ukupno pojačanje (ovdje 1000) u db (prema [3]): - ako je A Vuk =1000, onda je A Vuk [db]= 20 log(1000)= 20log(10 3 ) =3 20 log(10)= 60 db Zadatak 9. Kaskadni spoj 2 pojačala sa naponskim pojačanjima 30 db i 10 ima ukupno pojačanje od: a) 50 db b) 20 db c) 40 db d) 300 db e) 400 db Odgovor: a) (isto kao kod prethodnog zadatka) - A V1 [db]=30 db, A V2 =10 - Svi ponuđeni odgovori pokazuju ukupno pojačanje u db, pa prvo treba pretvoriti A V2 u db: A V2 [db]=20 log(10)= 20 db - Ukupno pojačanje u db (prema [3]) je sada jednostavno: A Vuk [db] = A V1 [db] + A V2 [db] = 30 db + 20 db = 50 db

8 Zadatak 10. Ako strujni signal želimo pojačati 100 puta kaskadnim spajanjem 2 strujna pojačala, kolika im mogu biti pojačanja? a) 10 db i 10 db b) 20 i 80 c) 4 i 25 d) 10 db i 30 db e) 20 db i 20 db Odgovor: c), d), e) (isto kao kod prethodnog zadatka) - Ponuđeni odgovori pokazuju ukupno pojačanje i u db, pa prvo treba pretvoriti zadano pojačanje od 100 u db: A VUK [db] = 20 log(100) = 20 log(10 2 ) = 2 20 log(10) = 40 db - Dakle, odgovori trebaju biti takvi da je umnožak pojačanja 100 ili (ako je pojačanje u db) da je zbroj 40 db: a) nije točan odgovor (jer je ukupno pojačanje u ovom slučaju 20 db), b) također (jer je ukupno pojačanje u ovom slučaju 1600), a svi ostali odgovori su točni. Zadatak 11. Ako pojačalo ima izlaznu snagu 1000 puta veću od ulazne, kolika mogu biti strujna i naponska pojačanja pojačala? a) 100 i 10 b) 1000 i 1000 c) 500 i 500 d) 100 db i 20 db e) 40 db i 20 db Odgovor: a), e) (isto kao kod prethodnog zadatka), te [4] Dobitak (G) je: G=A V A I ili (ako su strujno i naponsko pojačanje zadani u db): G[dB]=10 log(g)=(a V [db]+a I [db])/2 - Umnožak strujnog i naponskog pojačanje mora biti 1000: dakle, odgovori b) i c) nisu točni, a odgovor a) je točan - Da bi ocijenili ostale odgovore (u db), prvo treba pretvoriti zadani dobitak od 1000 u db. Prema [4]: G[dB]=10 log(g)=10 log(1000)= 10 log(10 3 )= 3 10 log(10)= 30dB - Pojačalo u slučaju d) ima dobitak [4] od: G=(100 db + 20 db)/2 = 60 db, dakle d) nije točan odgovor. - Pojačalo u slučaju e) ima dobitak [4] od: G=(40 db + 20 db)/2 = 30 db, dakle e) je točan odgovor. Zadatci za vježbu (točni odgovori su podcrtani i crveni) Kaskadni spoj 2 pojačala sa naponskim pojačanjima 100 i 100 ima ukupno pojačanje od: a) 1000 b) 10 4 c) 40 db d) 60 db e) 80 db Kaskadni spoj 2 pojačala sa strujnim pojačanjima 40 db i 60 db ima ukupno strujno pojačanje od: a) 240 db b) 2400 c) 10 3 d) 10 5 e) 100 db Ako naponski signal želimo pojačati 10 puta kaskadnim spajanjem 2 naponska pojačala, kolika im mogu biti pojačanja? a) 5 i 2 b) 8 i 2 c) 0,1 i 100 d) 20 db i 0 db e) 30 db i -10 db Ako pojačalo ima dobitak od 60 db, kolika mogu biti strujna i naponska pojačanja pojačala? a) 40 db i 20 db b) 3 db i 20 db c) 30 db i 90 db d) 10 4 i 10 2 e) 10 1 i 10 3 Koliki je ukupni dobitak kaskadnog spoja 3 pojačala sa dobitcima G 1 = 100, G 2 = 20dB, G 3 = 30dB? a) db b) 70 db c) 90 db d) 10 9 e) 10 7