university of michigan eecs 522: analog integrated ... · pdf fileuniversity of michigan eecs...

17
University of Michigan EECS 522: Analog Integrated Circuits Winter 2009 Final Exam April 28, 2009 NAME: ________________________________________________ Honor Code: I have neither given nor received unauthorized aid on this examination, nor have I concealed any violations of the Honor Code. Signature _____________________________________ Problem Points Score Initials 1 22 2 22 3 22 4 22 5 12 Total

Upload: hadieu

Post on 13-Mar-2018

230 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

University of Michigan EECS 522: Analog Integrated Circuits 

Winter 2009  

Final Exam  

April 28, 2009    

NAME: ________________________________________________        Honor Code: I have neither given nor received unauthorized aid on this examination, nor have I concealed any violations of the Honor Code.             Signature _____________________________________       

Problem  Points  Score  Initials 

1  22     

2  22     

3  22     

4  22     

5  12     

  Total     

   

Page 2 of 17  

   

    Initials: ____________ 

  Page 3 of 17 

Problem 1 (22 Points):  Potpourri.  This problem has 3 unrelated parts.    a)  Derive  an expression  for  the  conversion  gain of  the mixer  shown below. Assume  the  LO 

amplitude  is much  larger than the RF amplitude, and that the diodes are  ideal and switch instantaneously. 

             

Page 4 of 17  

b)  Use the non‐inverting amplifier below.  Assume the opamp is ideal and noiseless.  Derive an expression  for  the noise  factor of  the  amplifier.    Simplify  your expression  so  that  it  is  in terms of resistor values only. 

                 

vout

vs

RS

R2R1

    Initials: ____________ 

  Page 5 of 17 

c)  The following schematic is the equivalent tank for a Colpitts oscillator. Derive an expression for the equivalent parallel resistance   for the tank below at self resonant frequency  .  Assume  ’s are high. 

              

Page 6 of 17  

Problem 2 (22 Points):  Use  the  following VGA  for all parts of  this problem. Assume  the FET is in the linear region (no channel length modulation) and the opamp is ideal.            a)  Derive a large signal expression for   in terms of  . Your answer should be in the form 

.    

R

vin

vout

VB

    Initials: ____________ 

  Page 7 of 17 

b)  Derive  expressions  for  the   and   terms  where  .  The  general expression  for  the  Taylor  Series  given below, where   is  the nth derivative of  , evaluated at  . 

!  

   

Page 8 of 17  

c)  Derive an expression for the input‐referred 2nd‐order intercept point IIP2. You answer may be  in terms of   and  . The  IIP2  is defined for a two‐tone test as the  input amplitude at which  the  intermodulation  amplitude  (term  at  sum/difference  frequency)  is equal  to  the fundamental amplitude. 

    

    Initials: ____________ 

  Page 9 of 17 

Problem 3 (22 Points):  The  following  schematic  is  the  half‐circuit  of  a   biquadratic cell, a basic building block  that  can be used  to  realize arbitrary active  filters.   This particular biquad benefits from reduced in‐band noise.  Use this schematic to answer the following parts. Ignore body effect,  channel  length modulation,  and parasitic  capacitance.   Assume   ( ).      a)  Derive an expression for the transfer function  /  of 

the biquad. Using the following general expression for a 2nd‐order filter, solve for   and   of the biquad. 

 1

1 1 1  

     

iin

C2

-1

ac

ac

iout

C1

M1

M2

Page 10 of 17  

b)  Assume  ,  / ,  and  1 .  Derive the  transfer  function  from drain  thermal noise  in   to the  output.  In  the  space  below,  sketch  the  spectral density of the mean‐square noise at the output. 

    

iin

C-1

ac

ac

iout

C

M1

M2

    Initials: ____________ 

  Page 11 of 17 

c)  Assume  ,  / ,  and  1 .  Derive the  transfer  function  from drain  thermal noise  in   to the  output.  In  the  space  below,  sketch  the  spectral density of the mean‐square noise at the output. 

     

iin

C-1

ac

ac

iout

C

M1

M2

Page 12 of 17  

Problem 4 (22 Points):  The following schematic is a non‐inverting amplifier with a gain of / 1 / .  Ignore  body  effect,  channel  length  modulation,  and  parasitic 

capacitances.   is  a DC  current  source with  infinite  output  resistance  (infinite  resistances can sometimes produce infinite gains).             a)  Draw  the  low‐frequency  small‐signal  circuit  for  the  amplifier  and  derive  the  transfer 

function  / . Do not include  .     

IBIAS

M1

M2

vout

R2

R1

vin

    Initials: ____________ 

  Page 13 of 17 

b)  Consider  only  drain  thermal  noise  in  ,  does transistor   contribute  noise  to  the  output?    If so,  derive  an  expression  for  /∆  from   only. Do not include  . 

    

IBIAS

M1

M2

vout

R2

R1

vin

Page 14 of 17  

c)  Derive  expressions  for  /∆  from  thermal noise  in  the  two  resistors,   and  .  Do  not include  . 

     

IBIAS

M1

M2

vout

R2

R1

vin

    Initials: ____________ 

  Page 15 of 17 

Problem 5 (12 Points):  The  following parts are multiple  choice.   Circle only one answer for each part. Refer to the circuit below for all parts.   is a DC bias voltage, and   and   are large values that do not impact the RF performance.              a)  As  the  value of   is decreased,  in order  to maintain  an  input match  at  the  same  target 

center frequency the value of  /  will:  

Increase | Decrease | Stay the same    Briefly explain why.     b)  As the value   increases while keeping   fixed, the gain of the amplifier will:  

Increase | Decrease | Stay the same    Briefly explain why.     c)  As the value   increases while keeping all else fixed, the value of  /  will: 

 Increase | Decrease | Stay the same

   Briefly explain why.   

LG

LS

CMIM

CGS+CMIM

fixed

RS

vs

vout

LL CL

RB

CB

VB

W/L

Page 16 of 17  

            d)  As  the value   increases while only   and   adjust  to maintain  input match and center 

frequency, the value of IIP3 will:  

Increase | Decrease | Stay the same   e)  As the value   decreases while only   and   adjust to maintain  input match and center 

frequency, neglecting correlating gate noise, noise factor will:  

Increase | Decrease | Stay the same    Briefly explain why.    f)  As  the  value   decreases  while  ,  ,  and  total  capacitance   remain 

constant,  in order to maintain the same center frequency and  input match the value of   will: 

     Increase | Decrease | Stay the same

   and the value of current density  /  will:      

Increase | Decrease | Stay the same    Briefly explain why.    

LG

LS

CMIM

CGS+CMIM

fixed

RS

vs

vout

LL CL

RB

CB

VB

W/L

    Initials: ____________ 

  Page 17 of 17 

(Space for additional work)