ELG 2135 / 2535 Electronics I / Électronique I Winter / Hiver 2002 FINAL EXAMINATION (3 Hours) EXAMEN FINAL (3 Heures) Professor Date R.Habash, C. D’Amours, M.C.E. Yagoub April 29th, 29 Avril 2002 This is a closed-book exam One 8½ × 11 sheet of notes is permitted Answer all questions Calculators are permitted Nom/Name : _________________________ St./Étudiant #: _________________________ C’est un examen à livres fermés Une feuille 8½ × 11 de notes est permise Répondre à toutes les questions Les calculatrices sont permises QUESTION 1 (17 points) Let us consider the circuit shown in Figure 1. Soit le circuit de la Figure 1. +VDD RD ∞ ∞ vo vs + - RG Figure 1 RS1 RS2 ∞ ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 2 a) Sketch the equivalent small signal AC circuit. (5 points) Donner le circuit équivalent AC avec l’approximation petits signaux. (5 points) b) Determine the expression Av of the voltage gain if the output resistance ro is neglected. (5 points) Déterminer l’expression du gain en tension Av si la résistance de sortie ro est négligée. (5 points) ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 3 c) Determine the expression Avr of the voltage gain if the output resistance ro is included. Find the condition for the output resistance ro to have Av = Avr . (7 points) Déterminer l’expression du gain en tension Avr si la résistance de sortie ro est incluse. Quelle condition doit satisfaire la résistance de sortie ro pour avoir Av = Avr . (7 points) ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 QUESTION 2 (8 points) For the circuit in Figure 2, we have: RD = 2 kΩ VDD = +8.2 V Vt = 1 V λ=0 k n' (W/L) = 0.2 mA/V2 Determine the output voltage V1, if the transistor operates in the saturation region. Pour le circuit de la Figure 2, nous avons : RD = 2 kΩ VDD = +8.2 V Vt = 1 V λ=0 k n' (W/L) = 0.2 mA/V2 Déterminer la tension de sortie V1, si le transistor fonctionne dans la région de saturation. VDD RD V1 Figure 2 Page No 4 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 5 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Page No 6 Winter/Hiver 2002 QUESTION 3 (15 points) Two BJTs with β = 100 are used in the circuit shown in Figure 3. Find the current I1 as well as the voltages V1 and V2. Deux transistors à jonctions bipolaires avec β = 100 sont utilisés dans le circuit de la Figure 3. Déterminer le courant I1 ainsi que les tensions V1 et V2. 20V 20V 20V 13kΩ 7kΩ 4kΩ 5kΩ 3k Ω I1 + + V1 - V2 1k Ω - Figure 3 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 7 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 8 QUESTION 4 (20 points) A BJT amplifier is shown in Figure 4. Assume β = 100, VBE = 0.7 V, and VA = 100 V. Un amplificateur à BJT est montré à la Figure 4. Supposez que β = 100, VBE = 0.7 V et VA = 100 V. 12V 12V Figure 4 0.5kΩ + vs - 900kΩ 6kΩ ∞ + vo - a) What is the configuration of this amplifier? (in other words, what kind of amplifier is it?) and what kind of biasing is used? (3 points) Quelle est la configuration de cet amplificateur (donner le type d’amplificateur) ? Quel type de polarisation est utilisé ? (3 points) b) Draw the AC small-signal equivalent circuit. (5 points) Donner le circuit équivalent AC avec l’approximation petits signaux. (5 points) ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 9 c) Find the DC operating point of the transistor in the circuit. (5 points) Déterminer le point d’opération DC du transistor dans le circuit. (5 points) d) Find the small-signal voltage gain, vo/vs, as well as the input and output resistances of the amplifier at mid-band frequencies (Rin and Ro). (7 points) Déterminer le gain en tension vo/vs en petits signaux, ainsi que les résistances d’entrée et de sortie de l’amplificateur à mi-bande (Rin et Ro). (7 points) ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Page No 10 Winter/Hiver 2002 QUESTION 5 (20 points) Consider the CMOS inverter shown in Figure 5, where k’n(W/L) = k’p(W/L) with (W/L)n = 20, (W/L)p = 40, k’n = 2 k’p = 20 µA/V2, Vt = |Vtp| = 1V, C = 69.2 fF, and VDD = 5 V. Soit le circuit inverseur CMOS de la Figure 5, où k’n(W/L) = k’p(W/L) avec (W/L)n = 20, (W/L)p = 40, k’n = 2 k’p = 20 µA/V2, Vt = |Vtp| = 1V, C = 69.2 fF et VDD = 5 V. VDD a) What is the switching threshold voltage Vth? (3 points) Quelle est la tension de seuil de commutation, Vth? (3 points) Figure 5 Vin • • Vout ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 11 (b) Sketch the Voltage Transfer Characteristic (VTC, from Vin to Vout), indicating the position of Vth ONLY! (4 points) Dessiner la caractéristique de transfert en tension (VTC, de Vin à Vout), en indiquant la position de Vth SEULEMENT! (4 points) ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Page No 12 Winter/Hiver 2002 (c) The following four pairs of voltages were measured at the inverter’s input and output, at different moments of an experiment. Find out the region of operation (cutoff, saturation or triode) of the NMOS and PMOS transistors, corresponding to each measurement. (8 points) Les quatre paires de tensions suivantes ont été mesurées à l’entrée et à la sortie d’un inverseur à différents moments de l’expérience. Déterminer la région de fonctionnement des transistors NMOS et PMOS (blocage, saturation ou triode) qui correspondant à chaque mesure. (8 points) Input-Output/Éntrée-Sortie 1. Vin = 0 V, Vout = 0V 2. Vin = 0 V, Vout = VDD/2 3. Vin = 0 V, Vout = VDD 4. Vin = VDD , Vout = VDD/2 NMOS (d) Find the propagation delays tp, tpHL and tpLH. (5 points) Déterminer les temps de retard tp, tpHL et tpLH. (5 points) PMOS ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 13 QUESTION 6 (20 points) Find the required currents and voltages in the diode circuits shown below. Use the constant voltage drop model for all diodes (VD = 0.7 V). For all Zener diodes, VZO = 6 V and rz = 5 Ω. Déterminer les courants et tensions des circuits à diode montrés ci dessous. Utiliser le modèle « diode idéale + pile » pour toutes les diodes (VD = 0.7 V). Pour toutes les diodes Zener, VZO = 6 V et rz = 5 Ω. 10V I1 I2 (a) Find I1, I2, and I3. (6 points) Déterminer I1, I2 et I3. (6 points) 5kΩ 3kΩ I3 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 500Ω + 2sinωt + 10V - (b) Find Vo and vo(t). (8 points) Déterminer Vo et vo(t). (8 points) + VO+vo(t ) - 1 kΩ Page No 14 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 10V 5V I 1kΩ 1 kΩ (c) Find I. (6 points) Déterminer I. (6 points) Page No 15 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 16 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page No 17