SÉRIE D`EXERCICES N?1

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
∞
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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)
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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)
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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
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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
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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)
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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)
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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
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(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)
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(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
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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
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500Ω
+
2sinωt
+
10V
-
(b) Find Vo and vo(t). (8 points)
Déterminer Vo et vo(t). (8 points)
+
VO+vo(t )
-
1 kΩ
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10V
5V
I
1kΩ
1 kΩ
(c) Find I. (6 points)
Déterminer I. (6 points)
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