拉扎维模拟CMOS集成电路设计第二章作业答案.ppt

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1、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Copyright 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

2、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Copyright 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LD1）NMOS2）PMOSCopyright for zhouqn2.3 导出用导出用ID和和W/L表示的表示的gmro

3、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L解：解：Copyright 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）Copyright 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

4、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）(a)上式有效的条件为上式有效的条件为即即Copyright 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Copyright for zhouqn(b)=0,VTH=0.7V当当0VX1V时，时，MOS管的源管的源-漏交换漏交换工作在线性区，则工作在线性区，则当当1VVX1.2V时时,MOS管工

5、作在线性区管工作在线性区Copyright for zhouqn当VX1.2V时,MOS管工作在饱和区Copyright 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，工作在饱和区区当当VX0.3V时，时，MOS管工作截止区管工作截止区Copyright 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Copyright

6、for zhouqn(e)=0,当VX=0时,VTH=0.893V，此时MOS工作在饱和区随着随着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Copyright for zhouqn当当VX1.82V时，时，MOS管工作在线性区管工作在线性区？Copyright 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

7、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，则当1.7VVin3V时，M1工作在线性区，则Copyright 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，则当当Vin1.3V时，时，M1工作在饱和区，则工作在饱和区，则Copyright 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，则当当V

8、in2.3V时，时，M1工作在饱和区，则工作在饱和区，则Copyright 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M1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，因而当当1.8VVinVin1时，时，M1工作在饱和区工作在饱和区当当Vin1VTH当当Vb-0.7 VX3V时，时，M1工作在饱和区工作在饱和区当当VX Vb-0.7时，时，M1工作在线性区，则工作在线性区，则Copyright for zhouqn当当VX当当IX=IC1时，时，I1

9、=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-,实际实际上上VN不可不可能低于能低于0.6V，若低于，若低于0.6V，则则PN结结正向正向导导通通 若若电电流源流源I1不是理想不是理想电电流源，流源，则则VN 0，电容，电容C1开始开始放电放电Copyright for zhouqn2.13 MOSFET的特征频率的特征频率(transit frequency)fT，定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益下降为下降为1的频率。的频率。(a)证明证明(b)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节点1，有输出：Co

10、pyright 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Copyright for zhouqnCopyright 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

11、平方率特性证明 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。Copyright 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均工作在均工作在线性区性区相当于相当于W/(2L)工工作在作在线线性区性区Copyright for zhouqn2.16 第二种情况：第二种情况：M1工作在工作在线性

12、区，性区，M2工作在工作在饱和区和区相当于相当于W/(2L)工作在工作在饱饱和区和区注意：注意：M1始始终工作在工作在线性区，因性区，因为M2的的过驱动电压大于大于0线性区性区Copyright for zhouqn2.16 上面上面讨论讨论，可知：，可知：(1)M2工作在工作在饱和区，和区，则电流流满足平方关系足平方关系 (2)M2工作在工作在线性区，性区，则电流流满足足线性关系性关系Copyright for zhouqn2.17 已知已知NMOS器件工作在器件工作在饱和区。如果和区。如果(a)ID恒定，恒定，(b)gm恒恒定，画出定，画出W/L对于于VGS-VTH的函数曲的函数曲线。饱和

13、区：和区：Copyright for zhouqn2.18 如如图2.15所示的晶体管，尽管所示的晶体管，尽管处在在在在饱和区，解和区，解释不能作不能作为电流源使用的原因。流源使用的原因。以上以上电路的路的电流与流与MOS管的源极管的源极电压VS有关，有关，而而电流源的流源的电流是与其源极流是与其源极电压VS无关的。无关的。Copyright for zhouqn2.27 已知已知NMOS器件工作于器件工作于亚阈值亚阈值区，区，为1.5，求引起，求引起ID变化一化一个数量个数量级所需的所需的VGS的的变化量。如果化量。如果ID=10A，求，求gm的的值Copyright for zhouqn2.28 考考虑虑VG=1.5V且且VS=0的的NMOS器件。解器件。解释如果将如果将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，将会以上，将会发生什么生什么情况？情况？(a)如果如果VD不断减小到低于不断减小到低于0V，则 NMOS的源的源-漏交漏交换 NMOS工作在工作在线性区性区(b)如果如果VB不断上升，不断上升，VSB不断降低，不断降低，则阈值电压不断减小不断减小1.漏漏电流流ID上升上升Copyright for zhouqnTHE END!THANK YOU!Copyright for zhouqnCopyright for zhouqn