DATE 2017    TIME TBD

ECS517U Electronic Devices and Applications  Duration:  2 hours 30 minutes

Question 1

a)  This question concerns the properties of diodes.

i. Sketch the current-voltage  characteristic of a model of (1) an ideal diode and (2) a real diode.  Clearly annotate  all relevant  points on the graph. [2 marks]

ii. Give values for reverse saturation current and conduction voltage for a typical low-power silicon diode. [2 marks]

b)  Consider the diode circuit as shown in Figure Q1.b. The diode conduction voltage  of both diodes is 0.7V,  and the Zener reverse breakdown voltage is 5V. Resistors R1 and R2 have values R1  = R2 =1kOhm.

i. Analyse operation of the circuit and determine its transfer function. That is, find mathematical expression for Vo as a function  of Vi. [4 marks]

ii. Sketch the graph of the transfer function,  i.e. of how the output voltage  Vo

depends on the input voltage Vi..  Label the x and y axes clearly in your graph, and annotate all the relevant points. [3 marks]

Figure Q1.b 

iii. Assuming Vi (t) = 6 cos(ot) V, plot   Vi (t) and Vo (t) on the same graph. Label the axes clearly, including the axes units. [4 marks]

c)  Figure Q1.c shows a regulated  12V power supply.  Transformer  rating is

expressed as r.m.s. values. Diodes D1-D4 have conduction voltage of 0.7V, while  D5

is a Zener diode, with the rating as given in the figure. This  DC power supply provides power to a load that draws a maximum current  of 100mA.

Determine the range of possible values for resistor R1  and its minimum power rating requirement.      [10 marks]

 Figure Q1.c.

Question 2

A displacement sensor drives a DC servo-motor via an amplifier. The displacement sensor has a sensitivity of 1mV/mm. The system is calibrated so that at 0mm displacement from a set point, the DC motor is stationary at an angle of 0 rad.  When a non-zero  displacement is measured, DC servo motor rotates to produce angular displacement θ [deg].  1mm linear displacement corresponds to angular displacement of DC motor of 1 deg. An amplifier takes the signal from the sensor and converts it to a form suitable for driving a motor.

The output resistance of the sensor sub-system  is 200Ω. The motor has an input resistance of 2kΩ, and an input voltage to the  motor of 20V produces one full revolution of the DC motor. The amplifier subsystem has an input resistance of 2kΩ and an output resistance of 100Ω. The open circuit voltage gain Av may be adjusted over a wide range of values,  as required.

a)   Sketch the equivalent  circuit of this system. [5 marks]

c)  Derive an expression for a relative reduction in gain  ΔAv     due to loading effects, in Av

the general case of a real amplifier.  Then calculate the relative change in gain, expressed as a percentage, for the system given in the question,  above. [10 marks]

Question 3

a) Sketch the equivalent circuit of an ideal op-amp and outline  its characteristics.

Then, sketch the equivalent circuit of a typical real amplifier and explain how it differs from the ideal op-amp model. [5 marks]

b)  Sketch a block diagram of a generalized feedback system and derive an

expression for the output  in terms of the input,  Vi , the gain of the forward path, A, and the gain of the feedback path, B.

Under what condition does this arrangement produce negative feedback?

If the forward gain of a system with feedback is A= 100, and the feedback gain is B =

-0.011, determine whether the feedback is positive or negative. What are the potential issues with this system? [8 marks]

c)   Design an inverting  amplifier with an overall gain of -100. Your  initial analysis can assume an ideal op-amp characteristics, but the final choice of resistor values should be based on typical 741 characteristics. Sketch the circuit diagram and justify your

choice of resistor values. [7 marks]

d) For the inverting amplifier you designed in part (c) estimate the bandwidth,  input  resistance, and output resistance, based on typical parameters for a 741 op-amp, if the unity bandwidth-gain product is 1,000,000. [5 marks]