COMS模拟集成电路复习题.doc

优质文本1管的工作原理管有N沟和P沟之分，每一类分为增强型和耗尽型，增强型管在栅-源电压0时，漏-源极之间没有导电沟道存在，即使加上电压 ，也没有漏极电流产生。而耗尽型 管在0 时，漏-源极间就有导电沟道存在。 管的源极和衬底通常是接在一起的。增强型管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的结。当栅-源电压0时，即使加上漏-源电压 ，总有一个 结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，这时漏极电流 0。 假设在栅-源极间加上正电压，即 0，那么栅极和衬底之间的 2 绝缘层中便产生一个垂直于半导体外表的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，形成耗尽层，同时 P 衬底中的电子被吸引到衬底外表。当 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现 增加时，吸引到 P衬底外表层的电子就增多，当 到达某一数值时，这些电子在栅极附近的 P 衬底外表便形成一个 N 型薄层，在漏-源极间形成 N 型导电沟道，称为反型层。 越大，吸引到 P 衬底外表的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压。N 沟增强型 管在 时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。当 时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加正电压 ，才有漏极电流产生。而且增大时，沟道变厚，沟道电阻减小， 增大。2、影响管阈值电压的主要因素一是作为介质的栅氧化层中的电荷及其性质。这种电荷通常由多种原因产生，其中一局部带正电，一局部带负电，其净电荷的极性会对衬底外表产生电荷感应，从而影响反型层的形成，或使器件耗尽，或阻碍反型层的形成。二是衬底的掺杂浓度。要在衬底上外表产生反型层，必须施加能够将外表耗尽并且形成衬底少数载流子的积累的栅源电压，这电压的大小与衬底的掺杂浓度有直接关系。衬底掺杂浓度越低，多子浓度也越低，使衬底外表耗尽和反型所需要的电压越小。衬底外表掺杂浓度的调整是通过离子注入杂质离子进行。三是由栅氧化层厚度决定的单位面积栅电容的大小。单位面积栅电容越大，电荷数量变化对的变化越敏感，器件的阈值电压那么越小。栅氧化层越薄，氧化层中的场强越大，栅氧化层的厚度受到氧化层击穿电压的限制。四是栅材料与硅衬底的功函数差的数值，这和栅材料性质以及衬底的掺杂类型有关，在一定的衬底掺杂条件下，栅极材料类型和栅极掺杂条件都将改变阈值电压。对于以多晶硅为栅极的器件，器件的阈值电压因多晶硅的掺杂类型以及掺杂浓度而发生变化3管的二级效应衬底效应管的阈值电压将随其源极和衬底之间电位的不同而发生变化。随着上升，在衬底外表产生了耗尽层。当上升阈值电压时，栅下的衬底外表发生反型，管在源漏之间开始导电。阈值电压的大小和耗尽层的电荷量有关，耗尽层的电荷量越多，管的开启就越困难，阈值电压越高。当<0时，栅极和衬底之间的电位差加大，耗尽层的厚度也变大，耗尽层内的电荷量增加，所以造成阈值电压变大。随着变小，阈值电压上升，在和不变的情况下，漏极电流变小。沟道长度调制效应晶体管中,栅下沟道预夹断后、假设继续增大，夹断点会略向源极方向移动。导致夹断点到源极之间的沟道长度略有减小，有效沟道电阻也就略有减小，从而使更多电子自源极漂移到夹断点，导致在耗尽区漂移电子增多,使增大亚阈值效应即使在<时，沟道内仍然有电流存在。当接近时，漏极电流下降到10-710-8A。当<时，漏极电流按指数规律下降。栅极电压对漏极电流的控制从饱和区的平方律变成了亚阈值区的指数规律。管的电流电压关系可以用公式来表示。其中0是和工艺有关的参数，是亚阈值斜率因子。当满足的条件时，一般认为管进入了亚阈值区域.4二极管的电阻5管的特征频率的物理意义6管不同工作区的特点截至区：源漏电流为零，有很好的开关特性，适用于数字电路线性区；源漏电阻随着漏极电压线性变化，输出电阻较小，在数字电路里面类似于开关的开态，在模拟领域也有广泛的应用，比方，多级运放，需要做频率补偿时，可以采用串联的方式，引入零点来消除第二主极点，从而提高系统稳定性，而此时用到的电阻R可以用线性区电阻实现。此外，共模反响中也会用到线性区的管。饱和区别：从漏极看，有较高的输出电阻，作为负载使用时，可以提高运放增益，在差分电路中应用这一特性可以提高共模干扰的抑制能力。7萨氏方程及跨导及过驱动电压饱和电压：管的“过驱动电压，在漏源电压的作用下刚开始有电流产生时的为阈值电压 。工作在饱和区的管可等效为一压控电流源，故可用跨导来表示管的电压转变电流的能力，跨导越大那么表示该管越灵敏，在同样的过驱动电压下能引起更大的电流，跨导为漏源电压一定时，漏极电流随栅源电压的变化率，即8比例电流镜的设计原理这是标准的共源共栅结构，想比普通电流镜的好处就是输出电阻大，恒流特性显著增强， 缺点就是输出摆幅较小，有阈值损失。这种结构阈值损失较少，提高输出摆幅，缺点是多了一条支流，功耗增加。下面是典型的器件尺寸设计，关注M4的尺寸特点9如何设计自偏置电压源10基准源设计需要考虑的因素为了得到与温度无关的电压源，其根本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响实现接近0温度系数的工作电压 。双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。正温度系数的实现假设两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数。利用放大器两个输入端的电压近似相等就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来。11带隙基准的结构与原理为了得到与温度无关的电压源，其根本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近0温度系数的工作电压 。双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。正温度系数的实现假设两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数。利用放大器两个输入端的电压近似相等就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来。12各种单级放大器的特点差分放大器：抗干扰能力高，输入输出范围增大，信噪比大，失真度减小，面积增加一倍。反相放大器：优点是跨导与电流，放大器的线性特性好，大信号下也是如此。：增益高，输出电阻大，带宽小，具有屏蔽特性减少失配，减小效应对上一级的影响。15差分放大器的结构、特点及作用差分信号作为输出可以增大最大输出压摆。 差分工作模式，能很好抑制环境噪声如电源噪声，即所谓的共模抑制。虽然这是以电路面积为代价的，但对于在单端模式时采用其它的方法来抑制环境噪声的干扰的电路面积而言还是较小的。差分电路还具有偏置电路简单和线性度高等优点。16根本差分对中的尾电流源的作用为差分对提供一个电流源，以使差分对具有固定的尾电流，从而产生独立于输入共模信号的电流12。在共模输入时差分对管的工作电流12= 2，并且保持恒定；同理，其共模输出电平也保持恒定，且其值为2R为负载等效电阻。解决了由于差分对管在共模输入时的工作电流变化引起非线性及输出信号失真等。17各类单级放大器的增益输出电阻共模增益、差模增益、输入输出共模电平范围、摆幅双端输入双端输出时的差模电压增益 双端输入单端输出差模电压增益在理想情况下，由于电路的完全对称性，那么当输入共模信号时，由于引起差分对管的每边的输出电压的变化量相等，双端输出的电压为0，故电压增益为0理想情况下，单端输出共模小信号增益也为018差分放大器共模抑制能力及分析共模抑制比表示差分放大器的共模抑制能力，定义为放大器的差模信号电压增益与共模信号电压增益之比。即：，当电路完全对称时，共模电压增益为0，故为无穷大，但实际电路不对称，因此为一个有限值，其值越大那么共模抑制能力越强。20如何求解放大器的频率响22完整的运算放大器的构成第一级是差分放大器，中间是共源共栅放大器，包括补偿、偏置、增益等电路，接下来是输出级。23运算放大器的补偿分析及原理电容及带调零电阻1，电容补偿;单电容补偿，电容加调零电阻，式电容补偿,2，自补偿-负载电容补偿。P1与P2为别离的实极点，前级极点P1为主极点，后级极点p2为次极点。压缩主极点频率P1，拓展次极点频率P2，通过将放在P2以内，保证闭环稳定性，电容通过增大有效输入电容，降低输出阻抗以实现上述补偿目标。根本的补偿由并联补偿开展而来，改变极点分布。3，前馈是形成零点的重要方式之一。24如何提高运算放大器的增益1. 可以采用共源共栅结构比方19题中的最后一张图、2. 可以采用增益提高电路 25运算放大器的建立时间、摆率、摆幅、输出电阻及测量方法建立时间：当运放被一个小信号鼓励时，运放输出到达最终值得误差允许范围内的时间，由零极点位置决定。摆率，输入阶跃函数幅度很大时实际运放输出上升的斜率近似为常数，该常数定义为摆率。输出摆幅：运放的输出级中所有的晶体管都工作在饱和区,反响放大器抗输入噪声的能力，反响放大器抗电源噪声的能力。测量运放有无负载时的输出电压，。26分析及设计运算放大器的方法及步骤选择适宜的结构，确定满足指标要求的补偿类型，设计管尺寸满足直流交流和瞬态性能，设计与估算，模式验证与调试优化