拉扎维模拟CMOS集成电路设计第二章作业答案详解完整版复习过程

第二章作业(zuòyè)答案Copyrightforzhouqn第一页，共38页。2.1、W/L=50/0.5，假设|VDS|=3V，当|VGS|从0上升到3V时，画出NFET和PFET的漏电流VGS变化(biànhuà)曲线解：NMOS管：假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚阈值导电当VGS<0.7V时，NMOS管工作在截止(jiézhǐ)区，则ID=0当VGS>0.7V时，NMOS管工作在饱和区，NMOS管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则Copyrightforzhouqn第二页，共38页。PMOS管：假设阈值电压VTH=-0.8V,不考虑亚阈值导电当|VGS|<0.8V时，PMOS管工作在截止区，则ID=0当|VGS|≥0.8V时，PMOS管工作在饱和(bǎohé)区，PMOS管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则Copyrightforzhouqn第三页，共38页。2.2W/L=50/0.5,|ID|=0.5mA，计算(jìsuàn)NMOS和PMOS的跨导和输出阻抗，以及本证增益gmro解：本题忽略侧向扩散LD1）NMOS2）PMOSCopyrightforzhouqn第四页，共38页。2.3导出用ID和W/L表示(biǎoshì)的gmro的表达式。画出以L为参数的gmro~ID的曲线。注意λ∝L解：Copyrightforzhouqn第五页，共38页。2.4分别画出MOS晶体管的ID~VGS曲线。a)以VDS作为(zuòwéi)参数；b)以VBS为参数，并在特性曲线中标出夹断点解：以NMOS为例当VGS<VTH时，MOS截止(jiézhǐ)，则ID=0当VTH<VGS<VDS+VTH时，MOS工作(gōngzuò)在饱和区当VGS>VDS+VTH时，MOS工作在三极管区（线性区）Copyrightforzhouqn第六页，共38页。2.5对于图2.42的每个电路，画出IX和晶体管跨导关于(guānyú)VX的函数曲线草图，VX从0变化到VDD。在(a)中，假设Vx从0变化到1.5V。（VDD=3V）(a)上式有效(yǒuxiào)的条件为即Copyrightforzhouqn第七页，共38页。(a)综合(zōnghé)以上分析VX>1.97V时，M1工作(gōngzuò)在截止区，则IX=0,gm=0VX<1.97V时，M1工作(gōngzuò)饱和区，则Copyrightforzhouqn第八页，共38页。(b)λ=γ=0,VTH=0.7V当0<VX<1V时，MOS管的源-漏交换(jiāohuàn)工作(gōngzuò)在线性区，则当1V<VX<1.2V时,MOS管工作(gōngzuò)在线性区Copyrightforzhouqn第九页，共38页。当VX≥1.2V时,MOS管工作(gōngzuò)在饱和区Copyrightforzhouqn第十页，共38页。(C)λ=γ=0,VTH=0.7V当VX<0.3V时，MOS管的源-漏交换，工作(gōngzuò)在饱和区当VX≥0.3V时，MOS管工作(gōngzuò)截止区Copyrightforzhouqn第十一页，共38页。(d)λ=γ=0,VTH=-0.8V当0<VX≤1.8V时，MOS管上端为漏极，下端为源极，MOS管工作(gōngzuò)在饱和区当1.8V<VX≤1.9V时，MOS管工作(gōngzuò)在线性区Copyrightforzhouqn第十二页，共38页。当VX>1.9V时，MOS管S与D交换(jiāohuàn)MOS管工作(gōngzuò)线性区Copyrightforzhouqn第十三页，共38页。(e)λ=0,当VX=0时,VTH=0.893V，此时(cǐshí)MOS工作在饱和区随着VX增加，VSB降低，VTH降低，此时MOS管的过驱动电压增加，MOS管工作(gōngzuò)在饱和区；直到过驱动VDSAT上升到等于0.5V时，MOS管将进入线性区，则有Copyrightforzhouqn第十四页，共38页。当VX>1.82V时，MOS管工作(gōngzuò)在线性区？？？？Copyrightforzhouqn第十五页，共38页。2.7对于图2.44的每个电路，画出Vout关于Vin的函数曲线(qūxiàn)草图。Vin从0变化到VDD=3V。解：(a)λ=γ=0,VTH=0.7V右图中，MOS管源-漏极交换(jiāohuàn)当Vin<0.7V时，M1工作(gōngzuò)在截止区，Vout=0当0.7<Vin≤1.7V时，M1工作在饱和区，则当1.7V<Vin<3V时，M1工作在线性区，则Copyrightforzhouqn第十六页，共38页。2.7(b)

λ=γ=0,VTH=0.7V当0<Vin<1.3V时，M1工作(gōngzuò)在线性区，则当Vin≥1.3V时，M1工作(gōngzuò)在饱和区，则Copyrightforzhouqn第十七页，共38页。2.7(c)λ=γ=0,VTH=0.7V当0<Vin<2.3V时，M1工作(gōngzuò)在线性区，则当Vin≥2.3V时，M1工作(gōngzuò)在饱和区，则Copyrightforzhouqn第十八页，共38页。2.7(d)λ=γ=0,VTH=-0.8V当0<Vin<1.8V时，M1工作(gōngzuò)在截止区，则M1工作(gōngzuò)在饱和区边缘的条件为Vout=1.8V，此时假设Vin=Vin1，因而当1.8V<Vin<Vin1时，M1工作(gōngzuò)在饱和区当Vin1<Vin时，M1工作在线性区Copyrightforzhouqn第十九页，共38页。2.9对于图2.46的每个电路(diànlù)，画出IX和VX关于时间的函数曲线图。C1的初始电压等于3V。(a)λ=γ=0,VTH=0.7V，Vb>VTH当Vb-0.7≤VX≤3V时，M1工作(gōngzuò)在饱和区当VX<Vb-0.7时，M1工作(gōngzuò)在线性区，则Copyrightforzhouqn第二十页，共38页。当VX<Vb-0.7时，M1工作(gōngzuò)在线性区，则KCopyrightforzhouqn第二十一页，共38页。2.9(b)λ=γ=0,VTH=0.7V当VX初始电压(diànyā)为3V，M1工作在饱和区t=0时,VX=3V,Copyrightforzhouqn第二十二页，共38页。2.9(c)λ=γ=0,VTH=0.7V当VX初始电压(diànyā)为3V，VDS=0V，M1工作在深线性区Copyrightforzhouqn第二十三页，共38页。2.9(d)λ=γ=0,VTH=0.7VIX=I1Copyrightforzhouqn第二十四页，共38页。2.9(e)λ=γ=0,VTH=0.7V电容C1的初始(chūshǐ)电压为3V初始状态（时间t=0），如右图所示，电容C1的充电电流(diànliú)IC1=0，此时M1的漏电流(diànliú)IX=I1；同时VX=Vb-VGS1+3当时间t=0+时，如右图所示，M1的一部分漏电流(diànliú)将对电容C1的进行充电，此时IX-IC1=I1=>当IX=IC1时，I1=0若电流源I1为理想电流源，则VN-∞,实际上VN不可能低于0.6V，若低于0.6V，则PN结正向导通若电流源I1不是理想电流源，则VN0，电容C1开始放电Copyrightforzhouqn第二十五页，共38页。2.13MOSFET的特征频率(transitfrequency)fT，定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益下降为1的频率。证明注意(zhùyì)：fT不包含S/D结电容的影响节点(jiédiǎn)1，有输出(shūchū)：Copyrightforzhouqn第二十六页，共38页。2.13(b)假设栅电阻(diànzǔ)RG比较大，且器件等效为n个晶体管的排列，其中每个晶体管的栅电阻(diànzǔ)等于RG/n。证明器件的fT与RG无关，其特征频率仍为Copyrightforzhouqn第二十七页，共38页。Copyrightforzhouqn第二十八页，共38页。2.13(c)对于给定的偏置电流，同过增加(zēngjiā)晶体管的宽度（因此晶体管的电容也增加(zēngjiā)）使工作在饱和区所需的漏-源电压最小。利用平方率特性证明这个(zhège)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。Copyrightforzhouqn第二十九页，共38页。2.16考虑如图2.50所示的结构，求ID关于VGS和VDS的函数(hánshù)关系，并证明这一结构可看作宽长比等于W/(2L)的晶体管。假设λ=γ=0第一种情况(qíngkuàng)：M1、M2均工作在线性区相当于W/(2L)工作(gōngzuò)在线性区Copyrightforzhouqn第三十页，共38页。2.16第二种情况(qíngkuàng)：M1工作在线性区，M2工作在饱和区相当于W/(2L)工作(gōngzuò)在饱和区注意：M1始终工作在线性区，因为(yīnwèi)M2的过驱动电压大于0线性区Copyrightforzhouqn第三十一页，共38页。2.16上面讨论，可知：(1)M2工作在饱和(bǎohé)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Copyrightforzhouqn第三十二页，共38页。2.17已知NMOS器件工作在饱和区。如果(rúguǒ)(a)ID恒定，(b)gm恒定，画出W/L对于VGS-VTH的函数曲线。饱和(bǎohé)区：Copyrightforzhouqn第三十三页，共38页。2.18如图2.15所示的晶体管，尽管处在在饱和区，解释不能作为(zuòwéi)电流源使用的原因。以上电路的电流(diànliú)与MOS管的源极电压VS有关，而电流(diànliú)源的电流(diànliú)是与其源极电压VS无关的。Copyrightforzhouqn第三十四页，共38页。2.27已知NMOS器件工作(gōngzuò)于亚阈值区，ξ为1.5，求引起ID变化一个数量级所需的VGS的变化量。如果ID=10μA，求gm的值Copyrightforzhouqn第三十五页，共38页。2.28考虑VG=1.5V且VS=0的NMOS器件。解释如果将VD不断(bùduàn)减小到低于0V或者将Vsub不断(bùduàn)增大到0V以上，将会发