拉扎维模拟CMOS集成电路设计作业答案详解完整中文学习教案.pptx

2.1、W/L=50/0.5，假设|VDS|=3V，当|VGS|从0上升到3V时，画出NFET和PFET的漏电流VGS变化(binhu)曲线解：a)NMOS管： 假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚阈值导电b) 当VGS0.7V时， NMOS管工作在饱和区，NMOS管的有效(yuxio)沟道长度Leff=0.5-2LD，则21() (13)2DnoxGSTHneffWICVVL3212.8 10 (0.7)DGSIV2350/ncmV s60.08 10DLm10.1nV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm1208.854 10/F m23.9sio第1页/共37页第一页，共37页。a)PMOS管： 假设阈值电压VTH= -0.8V,不考虑(kol)亚阈值导电b) 当| VGS | 0.8V 时，PMOS管工作在截止区，则ID=0c) 当| VGS | 0.8V时， PMOS管工作在饱和区，PMOS管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则21() (13)2DpoxGSTHpeffWICVVL324.8 10 (0.8)DSGIV2100/pcmV s60.09 10DLm10.2pV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm1208.854 10/F m23.9sio第2页/共37页第二页，共37页。2.2 W/L=50/0.5, |ID|=0.5mA，计算NMOS和PMOS的跨导和输出阻抗，以及(yj)本证增益gmro解：本题忽略侧向扩散LD23.66/mnoxDWgCImA VL1）NMOS311200.1 0.5 10onDrkI333.66 1020 1073.2m og r2）PMOS21.96/mPoxDWgCImA VL311100.2 0.5 10oPDrkI331.96 1010 1019.6m og r20323.837 10/siooxoxCF mt 41.34225 10/noxCF V s2100/pcmV s53.835 10/poxCF V s第3页/共37页第三页，共37页。 2.3 导出用ID和W/L表示的gmro的表达式。画出以L为参数(cnsh)的gmroID的曲线。注意L2moxDWgCIL解：1oDrI12m ooxDDDWWLg rCIALII第4页/共37页第四页，共37页。2.4 分别(fnbi)画出MOS晶体管的IDVGS曲线。a) 以VDS作为参数；b)以VBS为参数，并在特性曲线中标出夹断点212DnoxGSTHWICVVL解：以NMOS为例当VGSVTH时，MOS截止(jizh)，则ID=0当VTHVGSVDS+VTH时，MOS工作在三极管区（线性区）212DnoxGSTHDSDSWICVVVVLIDVGSVTHVDS1+VTHVDS2+VTHVDS3+VTH斜率正比于VDSVTH0VGSIDVTH1VDS+VTH0VDS+VTH1VSB=0VSB0第5页/共37页第五页，共37页。2.5 对于(duy)图2.42的每个电路，画出IX和晶体管跨导关于VX的函数曲线草图，VX从0变化到VDD。在(a)中，假设Vx从0变化到1.5V。 （VDD=3V） 2112XnoxGSTHDSWICVVVL(a)10.1nV1/20.45V20.9FV00.7THVV3GSDDXXVVVV3DSDDXXVVVVSBXVV022THTHFSBFVVV 2130.70.450.90.9132XnoxXXXWICVVVL上式有效(yuxio)的条件为30.70.450.90.90XXVV即1.97XVV第6页/共37页第六页，共37页。(a)综合(zngh)以上分析VX1.97V时，M1工作(gngzu)在截止区，则IX=0, gm=0VX1.97V时，M1工作(gngzu)饱和区，则212.7270.46 0.9(1.30.1)2XnOXXXXWICVVVL2mnOXXWgCIL第7页/共37页第七页，共37页。(b) =0, VTH=0.7V当0VX1V时，MOS管的源-漏交换(jiohun)1.9GSXVV21(1.2)(1)0.5(1) (1.4)(1)2XnOXXXXnOXXXWWICVVVCVVLL 1DSXVV 1.2DSATonXVVV工作(gngzu)在线性区，则(1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL当1VVX1.2V时,MOS管工作(gngzu)在线性区2112 0.2(1)(1) (1.4)(1)22XnOXXXnOXXXWWICVVCVVLL (1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL第8页/共37页第八页，共37页。当VX1.2V时,MOS管工作(gngzu)在饱和区2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLL第9页/共37页第九页，共37页。(C) =0, VTH=0.7V当VX0.3V时，MOS管的源-漏交换(jiohun)，工作在饱和区1GSXVV 1.9DSXVV0.3DSATonXVVV2211()(1)22XnOXGSTHnOXXWWICVVCVLL()(1)mnOXGSTHnOXXWWgCVVCVLL 当VX0.3V时，MOS管工作(gngzu)截止区0XI0mg第10页/共37页第十页，共37页。(d) =0, VTH=-0.8V当0VX1.8V时，MOS管上端为漏极，下端为源极，MOS管工作(gngzu)在饱和区0.9GSVV 1.9DSXVV0.1DSATonVVV 21(0.1)2XPoxWICL (0.1)mPoxWgCL 当1.8V1.9V时，MOS管S与D交换(jiohun)MOS管工作(gngzu)线性区1.9DSXVV212 (1) (1.9)(1.9) 2XPoxXXXWICVVVL(1.9)mPoxXWgCVL第12页/共37页第十二页，共37页。(e) =0,当VX=0时,VTH=0.893V，此时MOS工作(gngzu)在饱和区1/20.45V20.9FV00.7THVV0.9GSVV0.5DSV0( 22)0.70.45( 0.90.9)THTHFSBFSBVVVV 1SBXVV 210.20.45( 1.90.9)2DnOXXWICVL0.20.45( 1.90.9)mnOXXWgCVL随着VX增加，VSB降低，VTH降低，此时MOS管的过驱动电压增加，MOS管工作(gngzu)在饱和区；直到过驱动VDSAT上升到等于0.5V时，MOS管将进入线性区，则有0.20.45( 1.90.90.51?2?.8XXVVV第13页/共37页第十三页，共37页。当VX1.82V时，MOS管工作(gngzu)在线性区 ？212 0.5 0.20.45( 1.90.9)0.5 2DnOXXIWCVL2(0.5)mnOXWgCL第14页/共37页第十四页，共37页。2.7 对于图2.44的每个电路，画出Vout关于(guny)Vin的函数曲线草图。Vin从0变化到VDD=3V。解：(a) =0 , VTH=0.7V右图中，MOS管源-漏极交换(jiohun)当Vin0.7V时，M1工作(gngzu)在截止区，Vout=0当0.7Vin1.7V时，M1工作在饱和区，则211(0.7)2outDnOXinoutWVICVVRL当1.7VVin3V时，M1工作在线性区，则212()(1)(1) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRL第15页/共37页第十五页，共37页。2.7 (b) =0 , VTH=0.7V当0Vin1.3V时，M1工作(gngzu)在线性区，则1212 (20.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL当Vin1.3V时，M1工作(gngzu)在饱和区，则211(20.7)2outDnOXoutWVICVRL第16页/共37页第十六页，共37页。2.7 (c) =0 , VTH=0.7V当0Vin2.3V时，M1工作(gngzu)在线性区，则1212 (30.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL当Vin2.3V时，M1工作(gngzu)在饱和区，则211(30.7)2outDnOXoutWVICVRL第17页/共37页第十七页，共37页。2.7 (d) =0 , VTH=-0.8V当0Vin1.8V时，M1工作(gngzu)在截止区，则2111(1 0.8)1.82pOXinWCVRL 0outVM1工作在饱和区边缘(binyun)的条件为Vout=1.8V，此时假设Vin=Vin1，因而112 1.81.8inpOXVWCRL当1.8VVinVin1时，M1工作(gngzu)在饱和区211(1.8)2outpOXinWVCVRL当Vin1VTHVbM1VxC1Ix当Vb-0.7 VX3V时，M1工作(gngzu)在饱和区21(0.7)2xnOXbWICVL( )30 xVttxXXxVdQI dtCdVdVI dt 21( )3(0.7)2XnOXbWVtCVtL当VX Vb-0.7时，M1工作(gngzu)在线性区，则212(0.7)2xnOXbXXWICVVVL第19页/共37页第十九页，共37页。当VX当IX=IC1时，I1=0 若电流源I1为理想电流源，则VN-,实际上VN不可能低于0.6V，若低于0.6V，则PN结正向导通 若电流源I1不是理想电流源，则VN 0，电容C1开始放电第24页/共37页第二十四页，共37页。2.13 MOSFET的特征频率(transit frequency) fT，定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益(zngy)下降为1的频率。证明 注意：fT不包含S/D结电容的影响2 ()mTGDGSgfCC节点(ji din)1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC输出(shch)：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCC第25页/共37页第二十五页，共37页。2.13(b) 假设栅电阻RG比较大，且器件等效为n个晶体管的排列(pili)，其中每个晶体管的栅电阻等于RG/n。证明器件的fT与RG无关，其特征频率仍为mTGSGDgfCC第26页/共37页第二十六页，共37页。(1,2,)GSGDkgskCCivsknn1122outmgsmgsmngsnig vgvg v1212()GSGDingsgsgsnCCiiiis vvvn12mmmmnggggn12()moutgsgsgsngivvvn1212()( )()()mgsgsgsnoutmGSGDiGSGDgsgsgsngvvvignA sCCis CCs vvvn(2)12()mTTGSGDgA sjfjfCC2 ()mTGSGDgfCC第27页/共37页第二十七页，共37页。2.13(c) 对于给定的偏置电流，同过增加(zngji)晶体管的宽度（因此晶体管的电容也增加(zngji)）使工作在饱和区所需的漏-源电压最小。利用平方率特性证明22nGSTHTVVfL 这个(zh ge)关系表明：当所设计的器件工作于较低时，速度是如何被限制的。2 ()mTGSGDgfCC()mnOXGSTHWgCVVLGSGDOXCCWLC22nGSTHTVVfL第28页/共37页第二十八页，共37页。2.16 考虑如图2.50所示的结构，求ID关于VGS和VDS的函数关系，并证明这一结构可看作(kn zu)宽长比等于W/(2L)的晶体管。假设=0第一种情况(qngkung)： M1、M2均工作在线性区2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL11DSATonGSTHVVVV22DSATonGXTHVVVVV1DSXVV2DSDXVVV2212()() 2DnOXGXTHXDXWICVVVVVVL222()2()()GSTHXXGXTHXDXVVVVVVVVVV2222()2()GSTHXXGSTHDSDSVVVVVVVV222112()112()222nOXGSTHDSDDnOXGSTDHSXXWIICVWCVVLVLVVVV相当于W/(2L)工作(gngzu)在线性区第29页/共37页第二十九页，共37页。2.16 第二种情况(qngkung)： M1工作在线性区， M2工作在饱和区2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL221()2DnOXGXTHWICVVVL22122()()DDGSTHXXGXTHIIVVVVVVV22()22()GSTHGSTHXXVVVVVV2212111()()222DDnOXGXTHnOXGSTHWWIICVVVCVVLL相当于W/(2L)工作(gngzu)在饱和区注意(zh y)：M1始终工作在线性区，因为M2的过驱动电压大于02220DSATonGSTHGSXTHVVVVVVVGSTHXVVV11GSTHXDSVVVV线性区第30页/共37页第三十页，共37页。2.16 上面讨论，可知： (1)M2工作在饱和区，则电流(dinli)满足平方关系 (2) M2工作在线性区，则电流(dinli)满足线性关系第31页/共37页第三十一页，共37页。2.17 已知NMOS器件工作在饱和区。如果(a) ID恒定(hngdng)，(b)gm恒定(hngdng)，画出W/L对于VGS-VTH的函数曲线。21()2DnOXGSTHWICVVL饱和(boh)区：22()DnOXGSTHIWLCVV()mnOXGSTHWgCVVL()mnOXGSTHgWLCVV第32页/共37页第三十二页，共37页。2.18 如图2.15所示的晶体管，尽管处在在饱和区，解释不能作为电流(dinli)源使用的原因。I1(a)I2VDD(b) 以上(yshng)电路的电流与MOS管的源极电压VS有关，而电流源的电流是与其源极电压VS无关的。第33页/共37页第三十三页，共37页。2.27 已知NMOS器件工作于亚阈值区，为1.5，求引起ID变化(binhu)一个数量级所需的VGS的变化(binhu)量。如果ID=10A，求gm的值0GSTVVDII e3100.26/1.5 26 10DDmGSTIIAgmA VVV212110GSGSTVVVDDIeI21ln10GSGSGSTVVVV 33ln101.5 26 10ln1089.8 10GSTVVV第34页/共37页第三十四页，共37页。2.28 考虑VG=1.5V且VS=0的NMOS器件。解释(jish)如果将VD不断减小到低于0V或者将Vsub不断增大到0V以上，将会发生什么情况？00( 22)( 22)THTHFSBFTHFBFVVVVV (a)如果VD不断(bdun)减小到低于0V，则(b) NMOS的源-漏交换(c) NMOS工作在线性区(b) 如果(rgu)VB不断上升，VSB不断降低，则阈值电压不断减小漏电流ID上升第35页/共37页第三十五页，共37页。THE END!THANK YOU!第36页/共37页第三十六页，共37页。Copyright for zhouqn感谢您的观看(gunkn)。第37页/共37页第三十七页，共37页。