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Esercizi Svolti e Commentati:

Microelectronics (B. Razavi, Wiley 2014)

Capitolo 12 Feedback

Parte I

1.

E = X - KY

Y = A2E - W = XA2 - A1(X - YK)

Y/X = (A2 - A1)/(1 - A1K)

2. E/X = ?

E = X - KY = X - K(XA2 - EA1)

= X - KXA2 + KEA1

= (1 - KA2)/(1 - KA1)

A)

Y = EA1 = A1(X - YA2K) => Y/X = A1/(1 + KA2A1)

E = X - KA2Y = X - KA2EA1

=> E/X = X/(1 + KA2A1)

B)

y = E - W = E - A1E = E(1 - A1)

= (X - KY)(1 - A1)

y/X = (1 - A1)/(1 + (1 - A1)K)

E = X - KY = X - K(E - EA1)

= X - EK(1 - A1)

E/X = 1/(1 + K(1 - A1))

D)

y = E - W = E(1 - A1)

= (X - P)(1 - A1) = [X - [Y(K - 1)](1 - A1)

y/X = (1 - A1)/(1 + (K - 1)(1 - A1))

E = X - Y(K - 1) = X - (EA1 + E)(K - 1)

= X - E(1 - A1)(K - 1)

E/X = 1/(1 - (1 - A1)(1 - K))

3. Loop-gain - ideal components (Zin = infty, lambda = 0)

A

Vk = -k A1 Vtes

Vn = y R2 / (R1 + R2)

Y = -KAVTES

KA1 = - Vn / Vtes = R2 / (R1 + R2)

B

B = -gm Vtes R0 A2

Y = -gm Vtes R0 A2

Vk = R2 / (R1 + R2) gm(1 R0) A1 Vtes

KA1 = - Vk / Vtes = gm(1 R0 R2 / (R1 + R2)) A1

C

Y = -gm R0 A1

KA1 = gm R0 A1

D

Y / B = -gm R2 / (1 + gmR2)

=> KA1 = gm R2 / (1 + gmR2) A1

4.

X = Vo sin(wt)

Vo = 2 uV    R1/R2 = 7

A1 = 500

Y = (X - Xf)A1

=> Xf = Y R2/(R1+R2)

Y = X A1 - A1 R2/(R1+R2) Y

Y0 = V0 A1 - A1 1/(R1/R2 + 1) Y0 = 0.15 V = 150 uV

Xf0 = 1.97 uV.

X ~ Xf (good feedback).

5.

(1 - 10%) A0 = |A(jw-ib)|

w0 -> -3 dB

A(s) = A0/(1 + s/w0)

0.9 A0 = A0/sqrt(1 + (w-wo/w0)2)

w-ib = 0.46 w0

Closed-loop gain

A0/(1 + eL) 0.9 = |V/X (w-ib)|

=> wcl-ib = 0.48 (1 + L).

Bandwidth is boosted by (1+KA) in closed loop gain.

6.

K'n -> + 10%

lambda -> + 20%

e.e.q. G MIN -> < +5%.

Vout = -gm1 ro E = -gm1 ro (Vin - k Vout)

Vout/Vin = -gm1 ro/(1 - k gm1 ro) = - (1/(lambda ID)) (2 ID/Vov) 1/(1 - k (2/(lambda Vov)))

d(Vo)/Vin/dlambda = -d(lambda)/(1 + Ao k)

2.9%/(1 + Aok) < 5% -> A0k > 3.

7.

X = 0

A0 = -gm1ro

VCK = -gm2ro2

E = VIN + gm2ro2

A0(s) = -gm1ro||(sCL)-1 = -gm1ro/(1 + roCLs)

Vout = -gm1ro/(1 + roCLs) (Vin + gm2ro2)

Vout/Vin(s) = A0/(1 + kA0) / (1 + s/((1 + kA0)w0))

K A0 = gm1ro/(1 + roCL) · gm2ro2/k

DC: CLC = A0/(1 + kA0) = A0/(1 + kA0) = -gm1ro/(1 + gm1roA

|Vout/Vin(w0)| = A0/(1 + kA0)2 / √(1 + 1/(1 + kA0)2)

8.

A0 = -gm1(RD || n0)

RD << Z(c1,c2)

K A0 = -VFBs/VEBs = +gm1(ro||RD) · Zc2/(Zc1 + Zc2)

Zc2/(Zc1 + Zc2) = C1/(C1 + C2)

A = A0/(1 + K A0)

9.

Gx1 = A1/(1 + kA1) ≈ 1/k (1 - 1/(kA1))

Gx2 = A2/(1 + kA2) ≈ 1/k (1 - 1/(kA2))

kA1 >> 1, kA2 >> 1.

(Gx1 - Gx2)/Gx1 < 0,05 => K > 11/2100.

A1 = 138,16

A2 = 131,25

10.

y = d1 x - d3 x3.

A) dy/dx = d1 - 3 d3 x2

dy/dx |x=0 = d1     dy/dx |x=...x ~ d1

B) E.I. = d1 / (1 + K d1)

11. ANALYSE MODEL

12.

13.-14. SENSE & RETURN MECHANISM. (FEEDBACK)

A. SENSE Vout (M2) RETURN GATE (M1) VOLTAGE VOLTAGE

B. SENSE CURRENT (M2) RETURN VOLTAGE (M1)

C. SENSE Vout (M2) RETURN CURRENT (M2).

Sense voltage in gate M3.

Return voltage to gate M2.

Sense current Iout.

Return voltage to gate N1.

Sense voltage from R1/R2.

Return voltage.

15.

Iout/Vin = RL/(1/gm1 + Rs)

=> Vout/RL = Iout => Iout/Vin = 1/(1/gm1 + Rs)

Rs = 0 => G = gm1.

16.

A

neg.

B

neg.

C

II approach

Vin up Vout up neg.

Vin down

17.

A)

NEG.

1) Vin ↑ => Vout ↓ => Vgs1 ↓ => Vm1 ↓

2) BREAKING the loop.

FEEDBACK AMPLIFIER M1 CS

FEEDBACK M2 SF.

B)

POS.

Vin ↑ Vout ↓ Vds1 ↑

FEEDBACK

FORWARD

C)

POS. Vin ↑ Vout ↓ Vgs1 ↑ => Vout ↓ NEG.

FEEDBACK FORWARD

D)

NEG.

Vin ↑ Vout ↑ Vy ↓ => Vs1 ↓

19.

C.L.G? I/O IMP?

A. d=0 B. d?0

C.L.G = A0 / (1 + K A0)

A0 = gm ro (ro||ro)

K = 1    SENSE & RETURN VOLTAGE

ROUT = ROUT,0 / (1 + K A0)

RIN = RIN (1 + K A0) = ∞

ROUT,0 = rop || ron

20.

A0 = gm1ro1(ro||ro) · gm5ro5

K = 1

C.L.G = A0 / (1 + K A0)

RIN = ∞

ROUT = ROUT,OPEN / (1 + K A0) = ro5 / (1 + A0)

21.

A = gm5ro5

ROUT = (1/gm5 || ro5)

23.

Ao = + gm(ro1||ro3) gm5ro5

ACL = Ao / (1 + Ao)

Rout,CL = Ro / (1 + Ao)

Rout,0 = ros

24.

positive feeback..

IIN up VX down VGS,2 up VOUT down IF up VGS,2 up

negative feedback

25.

A) IIN up VG,2 down VGS,2 up VOUT up IF down VGS,2 up

positive feedback.

B) RF large

VF = VX - gm1RD / (1 + gm2(RF + 1/gm1))

-VF / VX = - gm1RD / (1 + gm2(RF + 1/gm1))

positive feedback.

26.

Ro = Iout = IIN - IF

IIN up I up VG,2 up VGS,1 up VOUT up IF down I1 up VGS,2 up

positive feedback

VX / IIN = RD

VOUT / VX = RSgm1 / (1 + gm2RS)

Ao = -RD * (RSgm1) / (1 + gm2RS)

K = -1/RF

Rout,0 = RS||(1/gm2||ro2)

Rout,CL = Rout,0 / (1 + KAo)

27.

(A) Rx = (1+gm2ro2)ro1 + ro2

(B) Rx = (1+gm2ro2)(ro1||ro2)

28.

Ro = Ro

RIN = 1/gm1

K = + gm2 C1/(C1+C2)

RCOUT,CL = Ro/(1+kRo)

RIN,CL = 1/gmi/(1+kRo)

29.

RM very small

VA = oo

A) Gm = Iout/VIN = gm1A1

B) K = VF/Iout = RM

Gc.L = Gm/(1+Kgm)

30

A) Gm = -gm1A1

B) K = RM

Gc.L = Gm/(1+KGm)

POSITIVE FEEDBACK

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