拉扎维模拟CMOS集成电路设计第二章作业答案详解完整版ppt课件.ppt

Copyright for zhouqn第二章第二章 作业答案作业答案Copyright for zhouqn2.1、W/L=50/0.5，假设，假设|VDS|=3V，当，当|VGS|从从0上升到上升到3V时，画出时，画出NFET和和PFET的漏电流的漏电流VGS变化曲线变化曲线解：解：a)NMOS管：管： 假设阈值电压假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚阈不考虑亚阈值导电值导电 当当VGS0.7V时，时， NMOS管工作在饱和区，管工作在饱和区，NMOS管管的有效沟道长度的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则，则21() (13)2DnoxGSTHneffWICVVL3212.8 10 (0.7)DGSIV2350/ncmV s60.08 10DLm10.1nV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm 1208.854 10/F m23.9sioCopyright for zhouqna)PMOS管：管： 假设阈值电压假设阈值电压VTH= -0.8V,不考虑亚不考虑亚阈值导电阈值导电 当当| VGS | 0.8V 时，时，PMOS管工作在截止区，则管工作在截止区，则ID=0 当当| VGS | 0.8V时，时， PMOS管工作在饱和区，管工作在饱和区，PMOS管的有效沟道长度管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则，则21() (13)2DpoxGSTHpeffWICVVL324.8 10 (0.8)DSGIV2100/pcmV s60.09 10DLm10.2pV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm 1208.854 10/F m23.9sioCopyright for zhouqn2.2 W/L=50/0.5, |ID|=0.5mA，计算，计算NMOS和和PMOS的跨的跨导和输出阻抗，以及本证增益导和输出阻抗，以及本证增益gmro解：本题忽略侧向扩散解：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 sCopyright for zhouqn 2.3 导出用导出用ID和和W/L表示的表示的gmro的表达式。画出以的表达式。画出以L为为参数的参数的gmroID的曲线。注意的曲线。注意L2moxDWgCIL解：解：1oDrI12m ooxDDDWWLg rCIALIICopyright for zhouqn2.4 分别画出分别画出MOS晶体管的晶体管的IDVGS曲线。曲线。a) 以以VDS作为参作为参数；数；b)以以VBS为参数，并在特性曲线中标出夹断点为参数，并在特性曲线中标出夹断点212DnoxGSTHWICVVL解：以解：以NMOS为例为例当当VGSVTH时，时，MOS截止，则截止，则ID=0当当VTHVGSVDS+VTH时，时，MOS工作在三极管区（线性区）工作在三极管区（线性区）212DnoxGSTHDSDSWICVVVVLIDVGSVTHVDS1+VTHVDS2+VTHVDS3+VTH斜率正比于VDSVTH0VGSIDVTH1VDS+VTH0VDS+VTH1VSB=0VSB0Copyright for zhouqn2.5 对于图对于图2.42的每个电路，画出的每个电路，画出IX和晶体管跨导关于和晶体管跨导关于VX的函数曲线草图，的函数曲线草图，VX从从0变化到变化到VDD。在。在(a)中，假设中，假设Vx从从0变化到变化到1.5V。 （VDD=3V） 2112XnoxGSTHDSWICVVVL(a)10.1nV1/20.45V20.9FV00.7THVV3GSDDXXVVVV3DSDDXXVVVVSBXVV022THTHFSBFVVV 2130.70.450.90.9132XnoxXXXWICVVVL上式有效的条件为上式有效的条件为30.70.450.90.90XXVV即即1.97XVVCopyright for zhouqn(a)综合以上分析综合以上分析VX1.97V时，时，M1工作在截止区，则工作在截止区，则IX=0, gm=0VX1.97V时，时，M1工作饱和区，则工作饱和区，则212.7270.46 0.9(1.30.1)2XnOXXXXWICVVVL2mnOXXWgCILCopyright for zhouqn(b) =0, VTH=0.7V 当当0VX1V时，时，MOS管的源管的源-漏交换漏交换1.9GSXVV21(1.2)(1)0.5(1) (1.4)(1)2XnOXXXXnOXXXWWICVVVCVVLL 1DSXVV 1.2DSATonXVVV工作在线性区，则工作在线性区，则(1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL 当当1VVX1.2V时时,MOS管工作在线性区管工作在线性区2112 0.2(1)(1) (1.4)(1)22XnOXXXnOXXXWWICVVCVVLL (1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLLCopyright for zhouqn 当VX1.2V时,MOS管工作在饱和区2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLLCopyright for zhouqn(C) =0, VTH=0.7V 当当VX0.3V时，时，MOS管的源管的源-漏交换，工作在饱和漏交换，工作在饱和区区1GSXVV 1.9DSXVV0.3DSATonXVVV2211()(1)22XnOXGSTHnOXXWWICVVCVLL()(1)mnOXGSTHnOXXWWgCVVCVLL 当当VX0.3V时，时，MOS管工作截止区管工作截止区0XI0mgCopyright for zhouqn(d) =0, VTH=-0.8V 当当0VX1.8V时，时，MOS管上端为漏极，下端为源极，管上端为漏极，下端为源极，MOS管工作在饱和区管工作在饱和区0.9GSVV 1.9DSXVV0.1DSATonVVV 21(0.1)2XPoxWICL (0.1)mPoxWgCL 当当1.8V1.9V时，时，MOS管管S与与D交换交换MOS管工作线性区管工作线性区1.9DSXVV212 (1) (1.9)(1.9) 2XPoxXXXWICVVVL(1.9)mPoxXWgCVLCopyright for zhouqn(e) =0,当VX=0时,VTH=0.893V，此时MOS工作在饱和区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随着随着VX增加，增加，VSB降低，降低，VTH降低，此时降低，此时MOS管的过驱动电压增管的过驱动电压增加，加，MOS管工作在饱和区；直到过驱动管工作在饱和区；直到过驱动VDSAT上升到等于上升到等于0.5V时，时，MOS管将进入线性区，则有管将进入线性区，则有0.20.45( 1.90.90.51?2?.8XXVVVCopyright for zhouqn当当VX1.82V时，时，MOS管工作在线性区管工作在线性区 ？212 0.5 0.20.45( 1.90.9)0.5 2DnOXXIWCVL2(0.5)mnOXWgCLCopyright for zhouqn2.7 对于图对于图2.44的每个电路，画出的每个电路，画出Vout关于关于Vin的函数曲线草图。的函数曲线草图。Vin从从0变化到变化到VDD=3V。解：解：(a) =0 , VTH=0.7V右图中，MOS管源-漏极交换当Vin0.7V时，M1工作在截止区，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) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRLCopyright for zhouqn2.7 (b) =0 , VTH=0.7V当当0Vin1.3V时，时，M1工作在线性区，则工作在线性区，则1212 (20.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL当当Vin1.3V时，时，M1工作在饱和区，则工作在饱和区，则211(20.7)2outDnOXoutWVICVRLCopyright for zhouqn2.7 (c) =0 , VTH=0.7V当当0Vin2.3V时，时，M1工作在线性区，则工作在线性区，则1212 (30.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL当当Vin2.3V时，时，M1工作在饱和区，则工作在饱和区，则211(30.7)2outDnOXoutWVICVRLCopyright for zhouqn2.7 (d) =0 , VTH=-0.8V当当0Vin1.8V时，时，M1工作在截止区，则工作在截止区，则2111(1 0.8)1.82pOXinWCVRL 0outVM1工作在饱和区边缘的条件为工作在饱和区边缘的条件为Vout=1.8V，此时假设，此时假设Vin=Vin1，因而，因而112 1.81.8inpOXVWCRL当当1.8VVinVin1时，时，M1工作在饱和区工作在饱和区211(1.8)2outpOXinWVCVRL当当Vin1VTHVbM1VxC1Ix当当Vb-0.7 VX3V时，时，M1工作在饱和区工作在饱和区21(0.7)2xnOXbWICVL( )30 xVttxXXxVdQI dtCdVdVI dt 21( )3(0.7)2XnOXbWVtCVtL当当VX Vb-0.7时，时，M1工作在线性区，则工作在线性区，则212(0.7)2xnOXbXXWICVVVLCopyright for zhouqn当当VX当当IX=IC1时，时，I1=0 若电流源若电流源I1为理想电流源，则为理想电流源，则VN-,实际上实际上VN不可不可能低于能低于0.6V，若低于，若低于0.6V，则则PN结正向导通结正向导通 若电流源若电流源I1不是理想电流源，则不是理想电流源，则VN 0，电容，电容C1开开始放电始放电Copyright for zhouqn2.13 MOSFET的特征频率的特征频率(transit frequency) fT，定，定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益下义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益下降为降为1的频率。的频率。(a) 证明证明 注意：注意：fT不包含不包含S/D结电容的影响结电容的影响2 ()mTGDGSgfCC节点1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC输出：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCCCopyright for zhouqn2.13(b) 假设栅电阻假设栅电阻RG比较大，且器件等效为比较大，且器件等效为n个晶体个晶体管的排列，其中每个晶体管的栅电阻等于管的排列，其中每个晶体管的栅电阻等于RG/n。证明器件的证明器件的fT与与RG无关，其特征频率仍为无关，其特征频率仍为mTGSGDgfCCCopyright for zhouqn(1,2,)GSGDkgskCCivsknn1122outmgsmgsmngsnig vgvg v1212()GSGDingsgsgsnCCiiiis vvvn12mmmmnggggn12()moutgsgsgsngivvvn1212()( )()()mgsgsgsnoutmGSGDiGSGDgsgsgsngvvvignA sCCis CCs vvvn(2)12()mTTGSGDgA sjfjfCC2 ()mTGSGDgfCCCopyright for zhouqn2.13(c) 对于给定的偏置电流，同过增加晶体管的宽度对于给定的偏置电流，同过增加晶体管的宽度（因此晶体管的电容也增加）使工作在饱和区所（因此晶体管的电容也增加）使工作在饱和区所需的漏需的漏-源电压最小。利用平方率特性证明源电压最小。利用平方率特性证明22nGSTHTVVfL 这个关系表明：当所设计的器件工作于这个关系表明：当所设计的器件工作于较低时，速度是如何被限制的。较低时，速度是如何被限制的。2 ()mTGSGDgfCC()mnOXGSTHWgCVVLGSGDOXCCWLC22nGSTHTVVfLCopyright for zhouqn2.16 考虑如图考虑如图2.50所示的结构，求所示的结构，求ID关于关于VGS和和VDS的函数关系，的函数关系，并证明这一结构可看作宽长比等于并证明这一结构可看作宽长比等于W/(2L)的晶体管。假设的晶体管。假设=0第一种情况：第一种情况： M1、M2均工作在线性区均工作在线性区2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL11DSATonGSTHVVVV22DSATonGXTHVVVVV1DSXVV2DSDXVVV2212()() 2DnOXGXTHXDXWICVVVVVVL222()2()()GSTHXXGXTHXDXVVVVVVVVVV2222()2()GSTHXXGSTHDSDSVVVVVVVV222112()112()222nOXGSTHDSDDnOXGSTDHSXXWIICVWCVVLVLVVVV相当于相当于W/(2L)工工作在线性区作在线性区Copyright for zhouqn2.16 第二种情况：第二种情况： M1工作在线性区，工作在线性区， M2工作在工作在饱和区饱和区2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL221()2DnOXGXTHWICVVVL22122()()DDGSTHXXGXTHIIVVVVVVV22()22()GSTHGSTHXXVVVVVV2212111()()222DDnOXGXTHnOXGSTHWWIICVVVCVVLL相当于相当于W/(2L)工作在饱和区工作在饱和区注意：注意：M1始终工作在线性区，因为始终工作在线性区，因为M2的过驱动电压大于的过驱动电压大于02220DSATonGSTHGSXTHVVVVVVVGSTHXVVV11GSTHXDSVVVV线性区线性区Copyright for zhouqn2.16 上面讨论，可知：上面讨论，可知： (1)M2工作在饱和区，则电流满足平方关系工作在饱和区，则电流满足平方关系 (2) M2工作在线性区，则电流满足线性关系工作在线性区，则电流满足线性关系Copyright for zhouqn2.17 已知已知NMOS器件工作在饱和区。如果器件工作在饱和区。如果(a) ID恒定，恒定，(b)gm恒定，恒定，画出画出W/L对于对于VGS-VTH的函数曲线。的函数曲线。21()2DnOXGSTHWICVVL饱和区：饱和区：22()DnOXGSTHIWLCVV()mnOXGSTHWgCVVL()mnOXGSTHgWLCVVCopyright for zhouqn2.18 如图如图2.15所示的晶体管，尽管处在在饱和区，解释不能作所示的晶体管，尽管处在在饱和区，解释不能作为电流源使用的原因为电流源使用的原因。I1(a)I2VDD(b) 以上电路的电流与以上电路的电流与MOS管的源极电压管的源极电压VS有关，有关，而电流源的电流是与其源极电压而电流源的电流是与其源极电压VS无关的。无关的。Copyright for zhouqn2.27 已知已知NMOS器件工作于亚阈值区，器件工作于亚阈值区，为为1.5，求引起，求引起ID变化一变化一个数量级所需的个数量级所需的VGS的变化量。如果的变化量。如果ID=10A，求，求gm的值的值0GSTVVDII e3100.26/1.5 26 10DDmGSTIIAgmA VVV212110GSGSTVVVDDIeI21ln10GSGSGSTVVVV 33ln101.5 26 10ln1089.8 10GSTVVVCopyright for zhouqn2.28 考虑考虑VG=1.5V且且VS=0的的NMOS器件。解释如果将器件。解释如果将VD不断减不断减小到低于小到低于0V或者将或者将Vsub不断增大到不断增大到0V以上，将会发生什么以上，将会发生什么情况？情况？00( 22)( 22)THTHFSBFTHFBFVVVVV (a)如果如果VD不断减小到低于不断减小到低于0V，则，则 NMOS的源的源-漏交换漏交换 NMOS工作在线性区工作在线性区(b) 如果如果VB不断上升，不断上升，VSB不断降低，则阈值电压不断减小不断降低，则阈值电压不断减小漏电流漏电流ID上升上升Copyright for zhouqnTHE END!THANK YOU!Copyright for zhouqn