模拟集成电路设计 魏廷存 第4章习题（含答案）

第4章习题4.1图4.62所示差动放大器中，M1和M2的，，，。（1）如果输入共模电压=1.2V，求输出电压的摆幅；（2）求满足上面条件的，如果，求此时的小信号电压增益。假设，QUOTEλ≠0，γ=0。图4.62解：（1）输出电压最大摆幅为：（2）为得到最大的输出电压摆幅有：，则所以4.2对于图4.63所示差动放大器，在下列两种情况下，试推导共模输入-差动输出时的小信号电压增益。（1）M1和M2的特性完全对称，但两边的负载电阻失配；（2）负载电阻对称，但M1和M2的跨导失配。图4.63解：（1）A（2）由式4.10,A4.3对于图4.64所示二极管负载的差动放大器，若尾电流，，，，，且所有CMOS管的宽长比相同，。（1）求小信号电压增益；（2）为了使，求偏置电压的值；（3）如果尾电流上的电压降至少为0.3V，求差动输出电压的摆幅。图4.64解：（1）A（2）V(3)其中，，同理可求。所以差动输出电压的最大摆幅为0.64V。4.4对于图4.65所示电流镜负载的差动放大器，假设两边电路完全对称，输入共模电压=1.5V。当从3V变化到0V时，请概略地画出输出电压的变化曲线。假设=3V时，所有的器件都工作在饱和区。图4.65解：由电路的对称性可得，。随着的下降，与也以近似为1的斜率下降。当与下降到低于1.5V-时，M1与M2进入线性区，只要M5仍饱和，漏电流将保持不变。以及与的进一步下降使得和增大，最终使M5进入线性区。此后，所有晶体管的偏置电流下降，使得的下降变缓慢。当<时，有=0。4.5对于图4.66所示的普通两级运算放大器，设电源电压=5V，所有CMOS管的过驱动电压||=0.3V，阈值电压||=0.7V，试计算输入共模电压范围和输出电压的摆幅。解：,即0.3+0.7+0.3<Vcm<5-(0.7+0.3)+0.7即1.3V<Vcm<4.7V图4.66对于图4.66所示的普通两级运算放大器，试计算低频时的小信号电压增益。假定两级放大器的偏置电流均为0.1mA，其它参数为：=134μA/V2，=38μA/V2，=0.1V-1，=0.2V-1，=100，=200。答案：54.6729.04.7对于图4.66所示的普通两级运算放大器，假定单位增益频率=60MHz，且位于主极点频率之后，其它零极点频率之前。如果要求摆率=120V/μs，则输入级的过驱动电压应是多少？若输入级的偏置电流μA，是多少？4.8考察图4.24及图4.26（交流小信号模型）所示的两级运算放大器。假设mA/V，mA/V，KΩ，KΩ，，pF。（1）求相位补偿（加入）后的第一个非主极点的频率。（2）为了消除由补偿电容所形成的右半平面的零点，串联一个补偿电阻（如图4.17所示）使该零点移至无穷大处，计算的值。（3）利用（2）中右半平面零点的消除结果，若要求相位裕度为，单位增益频率尽量大，计算的值和主极点频率。答案：(1)(2)(3)900若要单位增益带宽尽量大，必须使第二个极点位于单位增益频率之后，也就是说：，那么=0.5773，那么，，4.9对于图4.34所示电路，若5pF，50fF，mA/V，试估算源极跟随器加入前后右半平面零点的变化情况。答案：定义第一级放大器的输出结点为V1，源极跟随器加入前有：源极跟随器加入后有通过加入源极跟随器，使零点移至12Grad/s，在很大频域内，可以不考虑其对放大器的影响了。4.10考虑图4.67所示放大器，其中μm，mA，=134μA/V2，=0.1V-1，=0.2V-1。（1）假设=0.5pF，估算结点X、Y处的极点频率，并通过估算的极点写出电压传输函数=/。（2）计算放大器的相位裕度。（3）如果=0.5pF，若要求相位裕度至少为60°，则的最大允许值为多少？图4.67(1)rad/s（，）rad/s（）(2)首先判断与单位增益频率的关系所以在单位增益频率外那么从到单位增益频率，增益下降的速度为20dB/dec所以：(3)4.11假定一个两级运放的开环电压增益（传输函数）为：（1）若该两级运放构成一个单位负反馈闭环系统，求该闭环系统的电压传输函数=/。（2）求该闭环系统的两个主极点。假定这两个极点相距较远，即。答案：(1)(2)4.12设计图4.66所示的普通两级运算放大器。已知参数为：，，(W/L)8=5μm/1μm，=0.2V，==0.1V-1，=5V，=50μA，=100μA，选择所有CMOS器件的L尺寸为1μm。确定每一个CMOS管的宽长比，使低频电压增益达到700。设计适当的密勒补偿电容，使增益带宽乘积达到1MHz。设计以消除补偿电容引入的右半平面零点。此运放的摆率为多少？答案：(1)为使电路面积最小，所有晶体管的L都取。那么，100，可令根据，可以获得两管的尺寸(2)第二级增益那么加入补偿电容后的主极点为令(3)，可以使密勒补偿引入的零点移至无穷远处。(4)4.13设计图4.66所示的普通两级运算放大器。假定VDD=3.3V,VTHN=|VTHP|=0.72V，μnCox=151μA/V2,μpCox=54.2μA/V2,λp=0.05V-1,λn=0.04V-1。假设管子的栅长均为1um,且M1与M2对称，M3与M4对称。要求运算放大器的性能指标满足下列条件：直流或低频时的小信号差模电压增益:Avd>4000V/V（72dB）输入共模电压范围：Vcm,min=1V，Vcm,max=2.5V输出电压摆幅：0.5V≤Vout≤2.5V单位增益频率ωta=6.28×107rad/s(fta=10MHz)相位裕度PM=60°摆率SR=15V/μs静态功耗P≤2mW假设负载电容CL=10pF，且将右半平面的零点ωZ外推至5ωta，完成以上电路设计和仿真。假设负载电容C