ELG 2135 / 2535 Electronics I / Électronique I Winter / Hiver FINAL EXAMINATION (3 Hours) EXAMEN FINAL (3 Heures)

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1 ELG 2135 / 2535 Electronics I / Électronique I Winter / Hiver 2002 FINAL EXAMINATION (3 Hours) EXAMEN FINAL (3 Heures) Professor R.Habash, C. D Amours, M.C.E. Yagoub Nom/Name : Date April 29 th, 29 Avril 2002 St./Étudiant #: This is a closed-book exam One 8½ 11 sheet of notes is permitted Answer all questions Calculators are permitted 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. +V DD R D v o v s + - R G R S1 Figure 1 R S2

2 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 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 A v of the voltage gain if the output resistance r o is neglected. (5 points) Déterminer l expression du gain en tension A v si la résistance de sortie r o est négligée. (5 points)

3 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 3 c) Determine the expression A vr of the voltage gain if the output resistance r o is included. Find the condition for the output resistance r o to have A v = A vr. (7 points) Déterminer l expression du gain en tension A vr si la résistance de sortie r o est incluse. Quelle condition doit satisfaire la résistance de sortie r o pour avoir A v = A vr. (7 points)

4 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 4 QUESTION 2 (8 points) For the circuit in Figure 2, we have: ' R D = 2 kω V DD = +8.2 V (W/L) = 0.2 ma/v V t = 1 V λ = 0 Determine the output voltage V 1, if the transistor operates in the saturation region. Pour le circuit de la Figure 2, nous avons : ' R D = 2 kω V DD = +8.2 V (W/L) = 0.2 ma/v V t = 1 V λ = 0 Déterminer la tension de sortie V 1, si le transistor fonctionne dans la région de saturation. k n k n 2 2 V DD R D V 1 Figure 2

5 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 5

6 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 6 QUESTION 3 (15 points) Two BJTs with β = 100 are used in the circuit shown in Figure 3. Find the current I 1 as well as the voltages V 1 and V 2. Deux transistors à jonctions bipolaires avec β = 100 sont utilisés dans le circuit de la Figure 3. Déterminer le courant I 1 ainsi que les tensions V 1 et V 2. 20V 13kΩ 20V 4k Ω 20V 3k Ω I 1 + 7kΩ 5k Ω + V 1-1k Ω V 2 - Figure 3

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8 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 8 QUESTION 4 (20 points) A BJT amplifier is shown in Figure 4. Assume β = 100, V BE = 0.7 V, and V A = 100 V. Un amplificateur à BJT est montré à la Figure 4. Supposez que β = 100, V BE = 0.7 V et V A = 100 V. 12V 12V + v s - 0.5kΩ 900kΩ 6kΩ + v o - Figure 4 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)

9 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 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, v o /v s, as well as the input and output resistances of the amplifier at mid-band frequencies (R in and R o ). (7 points) Déterminer le gain en tension v o /v s en petits signaux, ainsi que les résistances d entrée et de sortie de l amplificateur à mi-bande (R in et R o ). (7 points)

10 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 10 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/v 2, V t = V tp = 1V, C = 69.2 ff, and V DD = 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/v 2, V t = V tp = 1V, C = 69.2 ff et V DD = 5 V. a) What is the switching threshold voltage V th? (3 points) Quelle est la tension de seuil de commutation, V th? (3 points) V DD Figure 5 V in V out

11 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 11 (b) Sketch the Voltage Transfer Characteristic (VTC, from V in to V out ), indicating the position of V th ONLY! (4 points) Dessiner la caractéristique de transfert en tension (VTC, de V in à V out ), en indiquant la position de V th SEULEMENT! (4 points)

12 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 12 (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 NMOS PMOS 1. V in = 0 V, V out = 0V 2. V in = 0 V, V out = V DD /2 3. V in = 0 V, V out = V DD 4. V in = V DD, V out = V DD /2 (d) Find the propagation delays t p, t phl and t plh. (5 points) Déterminer les temps de retard t p, t phl et t plh. (5 points)

13 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 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 (V D = 0.7 V). For all Zener diodes, V ZO = 6 V and r z = 5 Ω. Déterminer les courants et tensions des circuits à diode montrés ci dessous. Utiliser le modèle «diode idéale + pile» pour toutes les diodes (V D = 0.7 V). Pour toutes les diodes Zener, V ZO = 6 V et r z = 5 Ω. 10V I 1 5kΩ I 2 3kΩ I 3 (a) Find I 1, I 2, and I 3. (6 points) Déterminer I 1, I 2 et I 3. (6 points)

14 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o Ω + 2sin ω t V - V O + +vo(t) - 1 k Ω (b) Find V o and v o (t). (8 points) Déterminer V o et v o (t). (8 points)

15 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 15 10V 5V I 1kΩ 1 kω (c) Find I. (6 points) Déterminer I. (6 points)

16 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 16

17 ELG2135/2535 Final Exam/Examen Final Winter/Hiver 2002 Page N o 17