模电第四章答案

1、第四章习题解答开启4-1 如题 4-1 图所示 MOSFE 转移特性曲线，说明各属于何种沟道？假设是增强型， 电压等于多少？假设是耗尽型，夹断电压等于多少？答：( a)P-EMOSFET ，开启电压 VGSM 2V(b) P-DMOSFET ，夹断电压 VGsoff (或统称为开启电压 VGSQ 2V(c ) P-EMOSFET ，开启电压 VGsth 4V(d) N-DMOSFET ，夹断电压 VGS Off (或也称为开启电压 VGSQ4V4-2 4个FET的转移特性分别如题4-2图(a)、 ( b)、 (c)、 (d)所示。设漏极 电流 iD的实际方向为正，试问它们各属于哪些类型的FET

2、?分别指出iD的实际方向是流进还是流出？答：(a)P-JFET，io的实际方向为从漏极流出。(b) N-DMOSFET，的实际方向为从漏极流进。(c) P-DMOSFET，io的实际方向为从漏极流出。(d) N-EMOSFET , io的实际方向为从漏极流进。4-3 N 沟道 EMOSFET 的卩 nCox=100y A/V2， VGS(th)=0.8V, W/L=10 ，求下 列 情况下的漏极电流：(a) VGS=5V ， VDS=1V ;( b) VGS=2V ，VDS=1.2V ;(c) VGS=5V ， VDS=0.2V;(d) VGS=VDS=5V 。解： N-EMOSFET 的 n

3、Cox 100 A/V 2, VGSth 0.8V WL 10(a) 当 VGS 5V,V DS 1V 时， MOSFET 处于非饱和状态 V°s VGS VGS thID /2VGS VGsth VDS V2DS 今 0.1 mA V2 102 5 0.8 1 1 2 3.7mA(b) 当 VGS2V,V DS1.2V 时， JS VGS th 1-2V V DS，MOSFET 处于临界饱和ID i nCoxyVgsVGs th 弓 0.1 叫 2 102 0.8 2 0.72mAc当 VGS5V,V Ds0.2V 时，% VGs th 4.2V V Ds，MOSFET处于非饱和状

4、态Id ；nCoxWL 2V GSVgs th JS5V时,(d)当 VgsVdsVdsVgs1n Coxw Vgs Vgs th4-4 N沟道EMOSFET 的VGS(th)=1V ,(1 )当 Vds 1V 时,由于 VgsVgs th0.82mA即 Vds VgsVgs thN-EMOSFET工作于非饱和区C 辛 2Vgsn oxVgs th Vds Vds0.05 叫 2 2 3 11 1 2Vds分别为1V和4V时的Id2当Vds 4V时，由于V°2 2Vgs Vgs (舟Q.N5EMOSFET工作于饱和区Id I nC °yVgs0.75mA0.1mAVGS t

5、h4-5 EMOSFET 的 Va=50V ,求 EMOSFET工作在1mA和10mA时的输出电阻为多少？每种情况下，当Vds变化10%(即Vds/Vds=10% 时，漏极电流变Vds 4 0.1叭2 1025 0.80.2 0.22GS th, MOSFET处于饱和状态2 0.1mAv2l05 0.8 28.82mA卩 nCox (W/L) =0.05mA/V 2, Vgs=3V。求解:3V 1V 2V化4 ID/ID为多少？解：(1 ) 当 id 1mA,Va50V时VaI?50V1mA50K当 I d 10mA，Va 50Vr Va 5ov ro I d 10mA5K当Vds变化10%时

6、，即vDSvDS10%Vds晋Vds1 DDS v vds Vds10% Vds10%V DS1r .va -VaDo ID1 DIDA由于ro1 D'd I市D10% v50 V DS0.2%V ds(对扌二种情况都一样1 D g DSVDS V a VDS1 D2%DS 1 D晋 0.2%V ds4-6 一个增强型PMOSFE 的卩 pCox (W/L) =80 卩 A/V2, VGS(th 尸一 1.5V,0.02V-1,栅极接地入源极接+5V，求以下情况下的漏极电流(a) Vd=+4V ;(b) Vd=+1.5V ;(c)Vd=0V ;(d)Vd=解：根据题意VgsVg Vs0

7、 5V5V V gs th1.5V5V;P-EMOSFET 导通C WpCox T80 av2 0.08 mAV2,0.02 V1(a)当 Vd4V时,由于此时Vgd VgVd 0V4V4V vgs thP-EMOSFET处于非饱和状态0.24mA1.5V VGS th(b) 当 Vd1.5V 时，此时 VgdCV 5VIdpCox 半 2VgS VGSth VdsVds0.08mAV2 25 1.512P-EMOSFET处于临界饱和状态2Id i pCox 罟 Vgs VGSth 1Vds舟20.08 叫 2 5 1.5 1 0.02 ( 3.5)0.49mA 1.070.5243 mA(C

8、)当 Vd 0V 时，Vds5V， Vgs Vgsm5V 1.5V3.5V即 Vds Vgs Vgs th，P-EMOSFET处于饱和状态Id i pCox wl Vgs Vgs th 1Vds 舟 0.08 叭 25 1.5 10.0250.49mA 1.10.539 mAP-EMOSFET处于饱和状态DSVgsVg s th，(d)当 Vd 5V 时，Vds10V，Vgs VgsJ3.5V22Id 4 pCoxVgs VGsth 1Vds2 0.08mAv2 5 1.5 10.02100.49mA 1.20.588mA4-7 耗尽型 NMOSFET 的卩 nCox (W/L) =2mA/V

9、2, Vcs(th)=- 3V，其栅极和源极接地，求它的工作区域和漏极电流(忽略沟道长度调制效应)。(a) Vd=0.1V ；(b) Vd=1V ；(c) Vd=3V ；(d) Vd=5V ；解：根据题意 Vg Vs 0，贝U Vgs 0，Vgs Vgs th0 3V 3V0.1V V VGS VGS th(a)当 vd 0.1v 时寸,Vds Vd VsVGS VGS thN-DMOSFET工作于非饱和区(或三极管区)Id 2nCox T 2VgsVgs th Vds Vds? 22 叭 2 2 3 0.10.12(b)当 Vd0.59mA1V 时,Vds Vd Vs 1V V Vgs Vg

10、s th2 n CoxN-DMOSFET工作于非饱和区5mA(d)当 Vd 5v 时，Vds V Vs 5V> VGS VGS thW 2Vgs VGsth Vds Vds2 1 2"务 2 3 1 1 2(c) 当 Vd3V 时，Vds Vd V 3VN-DMOSFET工作于临界饱和状态, 由于忽略沟道长度调制效应，那么2 2 n Cox 早 Vgs VGSth吵 2mA 3VN-DMOSFET工作于饱和区，由于忽略沟道长度调制效应，那么2舟2叭2 3V'D I nCox VGS VGS th9mAlD=1mA ,V d=0V ,V ( =2V,M-OS设ET题的4-

11、8图所示电路，使漏极电流 卩 nCox=20y A/V2，W/L=40。解:由于 Id 1mA, V d 0V,Vg 0V ,V gs th 2V那么RdVdd Vd5V 0V 1mA 5K9mA又由于Vds > Vgs Vgs th，MOSFET处于饱和工作区因为Vgs 2又Vgs得Rs4-9题4-9图所示电路，求漏极电压。解：nCoxW1mA舟0.02mAV2Vgs 21mA0.4说厂V2得VgsV、 、2.51.58V代入数据得:2.5240 Vgs 21.581.582 1.58Vg VsV VS SSID200 AV2(a)由于 Vgs? >VGS th区，那么0.42V

12、 V Vgs th不符合题意，舍去3.58 VVs 3.58 V那么Vs3.58 V1.42KnCox (W/L ) =200 uAV2,0.2mAV2，Vgs th 2V，2V，MOSFET 导通,1Vds舟 0.2mAV2VaV Gs(th)=2V，V a = 20V。20V假设MOSFET工作于饱和12 110 20Id 00.1 1.5 Id10Id1.5 Id1 D150.1364mAVd10V IdRd7.27V由于Vd 7.27Vvgs vgs(b)由于Vgs 3VVGS th那么1d1 cw2 n ox LVGS VGSVGS th乞。1 D 丄 C W V2 n ox LGS

13、th，说明MOSFET确实工作在饱和区，假设成立。2V，MOSFET导通，假设 MOSFET工作于饱和th 2 1Vds11 0.2mAV2 12 1 坯 20 20Id 0I d0.1818mAVd 20V I d Rd 20V0.1818mA 20K16.36V由于Vds 16.36V > Vgs Vgs th，说明MOSFET确实工作在饱和区，假设 成立(c)由于Vgs 4V Vgsj 2V , MOSFET导通。假设 MOSFET工作于饱和区。贝UId 2 nCox(爭(Vgs VGsth )21Vds2 0.2"。 22 1 八 20 201 d 00.4 2 I d

14、10Id 8 4Id 即 141 d 8Id 140.5714mA0.5714mA 20K8.57 VVd 20V I dRd 20V由于Vds 8.57V J V gs th,说明MOSFEE确实工作在饱和区，假设成立。4-10在题4-10图所示电路中，假设两管卩n, Cox相同，Vgs (th) =0.75V, lD2=1mA,假设 忽略沟道长度调制效应，并设 T1管的沟道宽长比(W/I )是T2管的5倍。试问 流过电阻R的电流Ir值。 解：根据题意,T1、T2两管的n、Cox相同，Vgse0.75V，忽略沟道长度调制效应，| D2 1mA,晋 15 仁由于VDS1VGS1 VGSth&q

15、uot;工作于饱和区，设 T2也工作于饱和区，那么l丄l D12l 1 n C ox 罟 1【Vgs Vgs th2 l r nCox r 2V gs Vgs th2 D22W那么 PL 15l D2WT 2l r 5Id2 5mA因此，对于任意RS值相应为MO值FET均工作在饱和区。当 Rs 12.5K 时， VsIDRSCp ox 2L(1) 试证：对于任意 RS 值，场效应管都工作在饱和区。(2) 当Rs为12.5kQ时，试求电压V。值。解： P-EMOSFET 的 4 pC ox W 40A 忽略沟道长度调制效应(1) 证：由于 VGsVGs th10V V s1 9V V sVDs

16、10V VVDS V VGS VGsth在任意Rs值时均成立(2)2 2 22 pCox 罟 Vgs VGsth0.04mAV2 9 IdRs0.04 9 12.5I d12.5ID 925ID,156.25I D 2251D 81251D156.251 D 250ID 810得 ID1 1.15mA,I D2 0.45由于 Id1 1.15mA 时,VsmAI D 0.45mAI R1VO VsIDRS0.45mA 12.5K5.6V4-12 N 沟道增强型 MOSFET 的卩n=1000cm 2/V ? s, Cox=3 x 10 -8 F/cm 2,解：根W/L=1/1.47 , |VA

17、|=200V， VDS=10V工作在饱和区 , 试求:(1) 漏极电流Idq分别为1mA、10mA时相应的跨导gm,输出电阻rds。(2) 当Vds增加10%时,4-11在题4-11图所示电路中， P沟道增强型 MOSFET的W40 A/V2 , VGS(th)= - 1V，并忽略沟道长度调制效应。1000Cm2Vs 3 108Fcm2mA艮据题意 2 nCox Y弓10.2 AV2 0.0102 mAV2(3) 画出小信号电路模型。VA 200V , VDS 10V , N-EMOSFET 工作在饱和区(1) 当 漏极电流 IDQ 为 1mA 时跨导 gm 2 今罟 Idq 2J0.0102

18、 吆 2 1mA 0.202%跨导电阻!叮誉仏1 DQ2 .0.010mA200Vdq%K2当漏极电流Idq为10mA时(2) 当Vds增加10%时由于1 DQnCox ¥VGSVGS th21VDS0.48%1 D0 1VDS1 DQ 2nCox T VGSVGS th21(VDSVds)1 D0 1VDSVds)贝廿IDQ IDQ1DQ1 1DQ(VVDSDS10%Vd1s VDS鲁10%DS10T0Dnr20010%0.48%如果I dq原来为1mA,Vds增加10%时，Idq0.48%1 DQ1.005mA如果I dq原来为10mA ,Vds增加10%时，Idq1 DQ10.

19、05mA4-13在题4-13图所示电路中，增强型 MOSFET的卩pCoxW/(2L)=80 卩 A/V2,VGS(th)= 1.5V，沟道长度调制效应忽略不计，试求Idq、Vgsq、Vdsq、gm、rds 值。解： P-EMOSFET 的 i pqx 旱 80 3 0.08 mAv2 ,Vgs th1.5V忽略沟道长度调制效应，那么VG VDD R g/3Rg210V4VVsId RsId VVgsVg Vs41 D1 D4V那么1丄CD2 p ox¥VgsVgs th 20.08mAv2Id 41.50.08 I d2.5 2Id 2.5 212.51 dId的单位为mA解方程得

20、： ID1 17.135mA I D2 0.365mAI dq 0.365mAVgsq id 40.365 43.636VV DSQ 10V1 D RdRs10V0.365mA 11K5.985Vg m2 1 pCox ww Idq 2. 0.08 mAv2 0.365mA 0.342 叭rds1DQ4-14双电源供电的N沟道增强型MOSFET电路如题4-14图所示，VGSth=2V，卩 n Cox=200y A/V2, W=40 卩 m, L =10 卩 m。设入=0,要求5V，Vg0，Vgs th解：由于 |D °.4mA，Vd1V，VDD2V那么RdV VDD D1D5V 1V

21、04 mA10KlD=0.4mA, Vd=1V，试确定 Rd、Rs 值。得Vgsox贝U 1 D 吕 nCox T VGS2VGS th代入数据得:0.4mA0.2mAV24 Vgs又由于Vds >(VgsVgs Vgs th,2)2MOSFET处于饱和工作区因为Vgs 21 ggsV V GM不符合题意，舍去VGS2 1 3V又VgsVgVs 0 Vs，那么V3V得RsVs Vss3V 5VId0.4 mA2V0.4 mA5K4-15 一 N沟道EMOSFET组成的电路如题4-15图所示，要求场效应管工作于饱和区，lD=1mA，Vdsq =6V，管子参数为卩 nCoxW/(2L)=0.

22、25mA/V 2，解：VGSth题意V,设入=0，试设计该电路N-EMOSFET 工作于饱和区，I。1mA , Vdsq 6V2 nG¥0.25mA/V 2,VGs(th)2V,0那么Id1 nCox T VGSvGS(th)代入数据:由于Vgs 2Vgs1mA 0.25 mAv2 Vgs 2V22 1mA4V2Vgs 2。砂丁 4vVgs 22Vgs 2 2(V)0V V VGsth不符合题意，舍去2 4V又由于 vdsq 6V，Vdd 20Vv vDD DSQ那么Rdry驾存14K在此题中取标称电阻值Rd 12K，Rs 2K那么 Vs IdRs 2VVgVg Vs Vs Vgs

23、V 4 2V 6可取 Rgi 700K，Rg2300K4-16设计题4-16图所示电路，要求P沟道EMOS管工作在饱和区，且Vd=3V，卩 p Cox W/2L=0.5mA/V 2，VGSth= 1V，入=0。 vv解：根据题意，P-EMOSFET工作于饱和区Vgs 0， Vds 0， 1 * d 0.5mA，Id= 0.5mA，那么RdVd 3V，i pCox T 0.5mAv2，Vgs thVd 0 3v 6KId0.5 mA1V由于vs11 0V不符合题意，舍去Vgs1 1 2V由于要求P-EMOSFET工作于饱和区，即要求 Vds Vgs Vgs thVg Vd 13 1 2VIo/I

24、ref :在此题中取Vg 2.5V，贝U由于Vg Vs 2VVsVg 2V2.5V2V4.5VRsVSS VSID5V 4.5V0.5 mA1K又由于Vg2.5V，贝 U RG2Rg12M4-17根本镜像电流源电路如题4-17图所示，对于以下情况，求出电流比(a) L1 =L2, W2=3W1 ;(c)L1 =L2, W2=W1/2 ;(b)L1 =L2,W =10W ;(d) W 仁 W2, L1 =2L2 ；(e)W1= W2，L 1 =10L2；W1= W2，L1 =L2/2;(g) W2=3W1，L1 =3L2o解：根据根本镜像电流源的关系式(式3-3-4)I。 (W/L)2 W J=

25、1 得REF (W/ L)1 W L2IO(a)11 REF(b)IO 11REF(c)IO1REF(d)IO1REF(e)IO1REF(f)IO1REFIO(a)1REF3W1W1L22310WL210W1L2W1 /L2匸丄W122LW12WL22W210L2WL210W2L22丄W1L223W13L2WT94-18题4-18图所示为P沟道JFET构成的电流源电路，设 4ss=4mA,:根据题意，P-JFET的Idss4mA , VGs(off)3V，要求 Id 2 mA，那么根据 P-JFET在饱和工作时的特性|Di DSS 1Vgs 而代入数据得：2mAv 24mA1 罟5.12V ,

26、 Vgs2 0.88V解方程得：VgsiVgsoff=3V，要求lD=2mA，试确定 Rs的值由于 Vgs1 5.12V > vGS off ,不符合题意，舍去又由于Vgs Vg V 0V1 D RS1 D RS1弘Vgs0.88 VRs 譽嗥 0.44K4-19 一个 N沟道 EMOSFET的卩n Cox=20 卩A/V2, VGs(th)=1V,L=10 卩 m,在lD=0.5mA时的gm=1mA/V，求这时的 W 值和Vgs值。OJXmA八0mA解:根据题意，N-EMOSFET的20.0.02(1 )根据式(3-1-11 )得:gmmAv2,Vgs th 1V，L 10 m，J2m

27、A/2g m2 bl n ox D在 Id 0.5mA 时的 gm 1mAvW 50L50 102nc500|m50Cn ox(2)根据 Id 吉 nGw Vgs Vcs(th)2 得0.5mA 舟 0.2mAV2 50Vgs 12Vgs 11得 VgS1 2V, VgS2 0V由于 VGS2 0V V VGS th 不合题意，舍去VGS 2V4-20 题 4-20 图所示共源放大电路， RGi=300kQ, RG2=100kQ, Rg3=1M Q, R D=2kQ, Rsi=1kQ, Rs2=1kQ, bss=5mA, Vgsoff= 4V , Vdd=12V。求直流工作点Vgsq、Vdsq

28、和Idq，中频段电压放大倍数 Av,输入电阻Ri和输出电阻Vgs Vg Vs3 2IdVgs 23 2 I 21 dss 1 Vgs off5mA1假设N-JFET工作于饱和区，那么解方程得：b 5.62mA , Id2 2.18mA513 2Id由于I D1 5.62mA > l dss不符合题意，舍去l dq 2.18mAVgsq 3 2Id 1.36 VVdsq Vdd |d Rd Rs1 Rs2 12V 2.18mA 4K 3.28V 小信号模型参数为 gm vgsdss 1 启 今1 弓 1.65 叭 r 土dS 1 dq可画出电路的交流小信号等效电路为:Ro。解：根据题意，R

29、g1300K ,Rg2100K,Rg3 1M ,Rd 2K ,Rs1 1K ,Rs21K,1 DSS5mA ,Vgsoff4VJVdd 12V那么VgvDD甩2R G1 RG212V100K300K 100K3VVs Id Rs1 Rs2 2IdId的单位用mAvgs1 9mRS1VgUVsgmVgs Rs1VgsVg VsVgm Rsl VgsVi1gm Rs1VgsVi又由于 VogmVgs rDRirG3Rordg V Rm gs Dgm% VgsrG1 rG2IMg Rm D1.65 2-R1 1 65 1m SI.100K 300K鬃1.25倍1.075M2K4-21如题4-21图所

30、示电路，写出电压增益 Av和Ri、Ro的表达式 解：根据原理电路可画出电路的交流小信号等效电路如下:VsRRR R3R6作为N-JFET的输出端负载电阻,图中 ri2 rbe 1vgg m Vgs r5 ，VgsVg VsVig mR5VgsVigmR5vgsvvgs1 gmRsVoVi2ibrbeib RyVoV2AvAav1V01ibR6R8ib R7|Ribri2vVoiVo iviV2gmVgs R4|r ； 21 g R vm 5 gsrbeR7屁ri2Aviav2gmR41 r 21 g mRsr6 ibibri2gm 划21 gm RsR7IIR8i2其中 ri2rbe 1RQR

31、74-22在题4-22图所示电路中，N沟道EMOSFET的Vgsth=0.9V，Va=50V，工 作点为Vd=2V，求电压增益Vo/Vi为多少？当I增加到1mA时的Vd和电压增益为多少？0.9V ，VA 50V解: 1根据题意， VGS VDS V 2V, Vesth电压 增益“Cm 七"os2|dV-GS GS th0.909 叭50V0.5mA100K0.909 mAv 100K 10K电路交流小信号等效电路如下(Rg 10M很大，电路中忽略) VGS th2gm(2 )当 I增加到S(th)1 mA时,漏极电流记作Id，栅源电压记作Vgs，那么2 0.5 mA12V 0.9V1 n Cox 譽 VGSV3S th4 n Cox W VgsVGS th8.26VvVgs Vgs thV VGS GS thVGSVGS(th)VGS VGS th,01 5mA (2V0.9 V)1.556VVGSVGS th1.556V2.456VVdVDSVGS2.456V此时的cmV