1   a)     Write down the equation that relates the collector current of the bipolar transistor

to the base-emitter voltage. Hence prove the relationship gmrbe  = Fowhere the ac parameters  are  transconductance,  base-emitter  resistance  and  ac  current  gain respectively.

b)     Copy table  Q1b)  into your  answer book.  Complete the table with the words ‘infinite’ or ‘zero’, to specify the values of input and output resistances for the four generic types of amplifier. All amplifiers can be considered ideal.

Table Q1b

c)     Draw a schematic diagram of a simple current mirror circuit. Show how it can be        5

extended to form a current repeater. How can the current repeater be improved to allow different bias currents to be realised?

d)     The triangular element in the circuit shown in Figure Q1d) represents an ideal               5

current amplifier with a gain of 150. Work out the value of the voltage gain if Rg = 2 kΩ and RL = 9 kΩ .

Figure Q1d

e)     State the advantages and disadvantages of negative feedback on amplifiers.   

2     a)    Draw the small signal equivalent circuit of a common-collector amplifier with an ac    

load Rt. Hence derive an expression for the voltage gain. Explain what is meant by ‘small signal’ .

b)    Perform a simple initial design of an ac coupled common-emitter amplifier with four resistor biasing and an emitter by-pass capacitor, to have a voltage gain of about 100, for the following conditions. Justify any approximations used.

i)          Transistor ac common-emitter gain, βo = 200                                                   3

ii)         Supply voltage of VCC = 15 V                                                                           2

iii)        Allow 10% VCC across RE                                                                                                                                          1

iv)        DC collector voltage of 10 V                                                                             2

v)         DC current in the base bias resistors should be ten times greater than             2 the DC base current.

Assume VBE(on) = 0.6 V. The load resistor, RL = 1.5 k Ω .

(Hint: first find a value for the collector resistor.)

c)    Estimate a value for the input capacitor, CIN  to set the low-frequency roll-off to be        4

1 kHz.

d)    Which is the preferred way to set the low-frequency roll-off and how is this generally        2 accomplished? What would be a practical value for CIN ?

e)    What would be the next step in the design process?                                                             4

3    a)    What is the function of the section of circuit shown in Figure Q3a).

Calculate the value of Io, if R2 = 4R1 and RE = 7.3 kΩ

Io

R

1

0V

R

E

- 10V

Figure Q3a

b)    Figure Q3b) shows a differential amplifier where the transistors can be considered to be identical.  The voltage gain is given by AV  =   RC , VBE (on) ~ 0.6 V

and VT  = 25 mV.

+15V

RC

Vo

Q1

Vi1

IR

Ro

IO

Q3

RE = 1 kΩ

- 15V

Prove the relationship:

Figure Q3b

RE  =   n

and hence design the amplifier (estimate values for resistors R1  and RC  ) to give a voltage gain > 150 and a DC voltage level at the output of  0 V (Hint: allow 4 × VT across RE). What is the differential input resistance of the amplifier?

c)    Explain the meaning of the term ‘common-mode rejection ratio (CMRR)’ . Comment        4 on  the  dynamic  resistance  (RO)  looking  into  the  current  mirror  and  explain  its          significance for the CMRR.

d)    Suggest how the design might be improved to make a better voltage amplifier.                    4

4     a)    Draw the block diagram of a simple negative feedback system. Define the terms: open loop gain, Aoℓ , feedback fraction, β and closed loop gain, Af . Hence show the expression for the closed loop gain is given as:

Aoℓ      

Af  =

b)    Calculate an expression for vo  for the amplifier shown in Figure Q4b), assuming that the operational amplifier is ideal.

If the resistor Rf  is chosen to be 22 kΩ, design the amplifier (estimate values for  R1 and R2), in order to make:

vo  = −(5v1  + 2v2 )

R

f

R

1

 vo

v

1

R

2

+

v2

Figure Q4b

4     c)    In  the  circuit  shown  in  Figure  Q4c),  the  operational  amplifier  has  an  input       10 resistance, rd  = 1 MΩ, an output resistance of 100 Ω and open loop gain (AOL) of

104 .  Assuming that Rg =  1 MΩ,  R1   =  20 kΩ, R2 =  2 kΩ, estimate the loop gain (AOLβ, where β is the feedback fraction) of the circuit and hence find values for the input and output resistance Rin and Ro .

vo

R

                 in

o

+  

R

2

Figure Q4c