模拟集成电路设计 魏廷存 第7章习题（含答案）

第7章习题7.1设计一个如图7.23所示的电阻分压电路，=5V，要求基准电压为1V，为3V，流过电阻的电流为2µA。若R3的方块电阻值工艺偏差为10%，求出此时各个基准电压的实际值，并考察电阻偏差对基准电压精度的影响。图7.23解：由流过电阻的电流为2µA，VDD为5V，可得电阻串的总电阻值为：5V/2µA=2.5MΩ根据分压比例可求得R3=2.5×1/5=500KΩR2=2.5×3/5-R3=1MΩR1=1MΩR3工艺偏差在10%时，重新计算分压比例可得：，，可见，电阻偏差对基准电压影响较大。7.2试设计图7.1（b）所示电阻-MOS管型分压器。假定=5V，要求基准电压为1V，流过电阻的电流为2µA，=0.7V，。求电阻R和MOS管的宽长比的值（忽略沟道长度调制效应，=0）。解：R=4V/2µA=2MΩ7.3试设计图7.1（c）所示MOS管型分压器。=0.7V，，其余参数与习题7.2相同。求和的值（=0）。解：由式5.8可分别求得7.4图7.24所示电路为改进型MOS管分压器。=5V，若要求基准电压=1V，=3V，流过电流为2µA，试求M1、M2和M3的宽长比。假定=110，=50，阈值电压均为0.7V，=0。图7.24解：由=1V，可求得：同理，可求得：7.5图7.25是一种以阈值电压为基准的自偏置电流源，试推导输出电流的表达式，并估算的值。忽略CMOS的二级效应，取和分别为110和50，阈值电压均为0.7V。图7.25由图可知，，所以M1必然处于饱和区。由，且，得由以上公式可见，电流I与电源电压无关，可估算为。代入值得，。7.6图7.26是在图7.25的基础上附加了启动电路M6~M9，试分析该启动电路的工作原理。若要求电流源正常工作时启动电路最大消耗电流为1µA，试求M6~M8的宽长比。计算时可忽略CMOS的二级效应，并取和分别为110和50，阈值电压均为0.7V。图7.26解：电路上电后，M6导通，M9导通，从而将M2的栅极电压拉至较高电位。当M2的栅极电压上升到两个阈值电压时，基准电路开始工作，电流逐渐增加。电路启动起来后，M9自动关闭（M2的栅极电压上升，M9的Vgs减小），不影响基准电路工作。分析可知，M6，M7和M8在电路正常工作时仍导通消耗电流（都工作在饱和区）。由饱和区电流公式：，其中ID为1µA，可分别求得M6~M8的尺寸：假设将电源电压平均分为三份，即。7.7对于图7.2所示具有自偏置结构的MOS管型基准源，若电阻R的值出现工艺偏差，试分析其对基准电流的影响。另外，分析CMOS管的二级效应对基准电流的影响。解：（7.14）由式7.14可知，基准电流与R的平方成反比，因此，电阻绝对值出现较大波动时，将严重影响基准电流及其温度系数。所以，应用时，通常选用较为准确的电阻类型来实现。沟道长度调制效应会使两路电流不能完全一致，从而对基准造成偏差。M2存在体效应，其阈值电压会增大，因此所选用的K值应相应增大。7.8图7.27是在图7.5（b）的基础上附加了启动电路M11~M15，试分析该启动电路的工作原理。图7.27解：刚上电时，因为M14和M15为常导通（工作在线性区，相当于大电阻），使得M12和M13导通（M12和M13的Vgs电压较大），从而将共源共栅的PMOS栅电位拉低，电流开始增加，基准电路开始工作。当回路中电流越来越大时，由于M11的W/L值较大，而M14和M15为长MOS管（W/L值较小），迫使M11工作在深度线性区（Vds,M11接近0），使得M12、M13栅电压降低（小于阈值电压），而从关闭启动电路。因为M11、M14和M15一直导通，所以必须降低其电流消耗！7.9对于图7.28所示基准电流源，设M3和M4的尺寸相同，M1和M2的W/L之比为K:1。1）试推导输出电流的表达式；2）为了保证M2工作在饱和区，电阻R的取值是多少？3）与图7.2所示电路相比较，该电路的优点是什么？图7.28解：1）设流过M2的电流为I，则：由式（7.14）及7.1.2小节的分析可得，所以，2）对于M2管，为了使其工作在饱和区，要求：Vds2>Vgs2-VTH2，而由图7.28可知，Vds2=Vgs2-IR，因此，需满足Vgs2-IR>Vgs2-VTH2，即。3）此电路和图7.2电路的基准电流表达式相同。但该电路消除了M2管的体效应。7.10推导图7.6（a）和（b）所示电路中的基准电流。7.11参照图7.8（b）和图7.9（b），分别设计一个CTAT和PTAT基准电流源电路，要求基准电流=10µA。假设=5×10-15A，=26mV，PTAT中N=8。解：两电路均取，。由式（7.33）可得，CTAT中，。由式（7.38）可得，PTAT中，与CTAT相比，PTAT中的电阻值较大。7.12求图7.29所示电路中的值及其温度系数。图7.29解：忽略基极电流，温度系数为：，只和温度有关。7.13若考虑图7.30中运放的失调电压，试分析其对基准电压的影响。图7.30参考答案：若不为零，则失调电压被放大了。所以必须改进电路以减小其影响。7.14试推导图7.31所示电路的输出电压，调节m时，输出电压的幅值与温度系数如何变化？图中，M1和M2对称，M3的宽长比是M1的m倍。Q2和Q3对称，Q1的发射区面积是Q2的n倍。假设运放的增益A是无穷大。图7.31解：电路中，M1、M2和M3组成电流镜，并且有。运放Amp使A、B的电位相同，VA=ＶB。从而电阻R1上的压降就等于Q1和Q2基极发射极电压之差。而M1、M2和M3上的漏极电流分别为和。I3通过电阻R2产生的电压加到Q3的VBE上，从而获得输出基准电压VREF：V由上式可知，当R1和R2固定，通过调节M3的m值，便可以获得不同的的温度系数，而且MOS管实现起来更为容易，占据较小的芯片面积，并且容易实现较大的调节范围