拉扎维模拟CMOS集成电路设计作业答案详解完整PPT学习教案

1、会计学1拉扎维模拟拉扎维模拟CMOS集成电路设计作业答集成电路设计作业答案详解完整案详解完整NMOS管：管： 假设阈值电压假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚不考虑亚阈值导电阈值导电 当当VGS0.7V时，时， NMOS管工作在饱和区，管工作在饱和区，NMOS管的有效沟道长度管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则，则21() (13)2DnoxGSTHneffWICVVL3212.8 10 (0.7)DGSIV2350/ncmV s60.08 10DLm10.1nV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm1208.854 10/F m23.9sio第1页/

2、共38页PMOS管：管： 假设阈值电压假设阈值电压VTH= -0.8V,不考虑不考虑亚阈值导电亚阈值导电 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 10oxtm1208.854 10/F m2

3、3.9sio第2页/共38页23.66/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38页2moxDWgCIL解：解：1oDrI12m ooxDDDWWLg rCIALII第4页/共38页212DnoxGST

4、HWICVVL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=0VSB0第5页/共38页 2112XnoxGSTHDSWICVVVL(a)10.1nV1/20.45V20.9FV00.7THVV3GSDDXXVVVV3DSDDXXVVVVSBXVV022THTHFSBFVVV 21

5、30.70.450.90.9132XnoxXXXWICVVVL上式有效的条件为上式有效的条件为30.70.450.90.90XXVV即即1.97XVV第6页/共38页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)2XnOXXXXWICVVVL2mnOXXWgCIL第7页/共38页当当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

6、.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21120.2(1)(1) (1.4)(1)22XnOXXXnOXXXWWICVVCVVLL (1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL第8页/共38页当VX1.2V时,MOS管工作在饱和区2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLL第9页/共38页当当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

7、.3DSATonXVVV2211()(1)22XnOXGSTHnOXXWWICVVCVLL()(1)mnOXGSTHnOXXWWgCVVCVLL当当VX0.3V时，时，MOS管工作截止区管工作截止区0XI0mg第10页/共38页当当0VX1.8V时，时，MOS管上端为漏极，下端为源管上端为漏极，下端为源极，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

8、) 2XPoxXXXWICVVVL(1.9)mPoxXWgCVL第12页/共38页(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VDS

9、AT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?.8XXVVV第13页/共38页当当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)mnOXWgCL第14页/共38页(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

10、线性区，则212()(1)(1) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRL第15页/共38页当当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)2outDnOXoutWVICVRL第16页/共38页当当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

11、作在饱和区，则工作在饱和区，则211(30.7)2outDnOXoutWVICVRL第17页/共38页当当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(

12、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)2xnOXbXXWICVVVL第19页/共38页当当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开开始放电始放电第24页/共38页2 ()mTG

13、DGSgfCC节点1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC输出：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCC第25页/共38页mTGSGDgfCC第26页/共38页(1,2,)GSGDkgskCCivsknn1122outmgsmgsmngsnig vgvgv1212()GSGDingsgsgsnCCiiiis vvvn12mmmmnggggn12()moutgsgsgsngivvvn1212()( )()()mgsgsgsnou

14、tmGSGDiGSGDgsgsgsngvvvignA sCCis CCs vvvn(2)12()mTTGSGDgA sjfjfCC2 ()mTGSGDgfCC第27页/共38页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()mnOXGSTHWgCVVLGSGDOXCCWLC22nGSTHTVVfL第28页/共38页第一种情况：第一种情况： M1、M2均工作在线性区均工作在线性区2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL11DSATonGSTHVVVV22

15、DSATonGXTHVVVVV1DSXVV2DSDXVVV2212()() 2DnOXGXTHXDXWICVVVVVVL222()2()()GSTHXXGXTHXDXVVVVVVVVVV2222()2()GSTHXXGSTHDSDSVVVVVVVV222112()112()222nOXGSTHDSDDnOXGSTDHSXXWIICVWCVVLVLVVVV相当于相当于W/(2L)工工作在线性作在线性区区第29页/共38页2.16 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()2DnOXGXTHW

16、ICVVVL22122()()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线性区线性区第30页/共38页2.16 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

17、) 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第31页/共38页2.17 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恒恒定，画出定，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()mnOXGSTHgWLCVV第32页/共38页2.18 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)I

18、2VDD(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。第33页/共38页2.27 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 10GSTVVV第34页/共38页2.2