拉扎維模擬CMOS集成電路設計作業(yè)答案詳解完整PPT學習教案

1、會計學1拉扎維模擬拉扎維模擬CMOS集成電路設計作業(yè)答集成電路設計作業(yè)答案詳解完整案詳解完整a)NMOS管： 假設閾值電壓VTH=0.7V,不考慮亞閾值導電 當VGS0.7V時， NMOS管工作在飽和區(qū)，NMOS管的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則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頁/共37頁a)PMOS管： 假設閾值電壓VTH= -0.8V,不考慮亞閾

2、值導電 當| VGS | 0.8V 時，PMOS管工作在截止區(qū)，則ID=0 當| VGS | 0.8V時， PMOS管工作在飽和區(qū)，PMOS管的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則21() (13)2DpoxGSTHpeffWICVVL324.8 10 (0.8)DSGIV2100/pcmV s60.09 10DLm10.2pV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm1208.854 10/F m23.9sio第2頁/共37頁23.66/mnoxDWgCImA VL1）NMOS311200.1 0.5 10onDrkI333.66 1020 1073.2m o

3、g 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頁/共37頁2moxDWgCIL解：1oDrI12m ooxDDDWWLg rCIALII第4頁/共37頁212DnoxGSTHWICVVL解：以NMOS為例當VGSVTH時，MOS截止，則ID=0當VTHVGSVDS+VTH時，MOS工作在三極管區(qū)（線性區(qū)）212DnoxGSTHDSDSWI

4、CVVVVLIDVGSVTHVDS1+VTHVDS2+VTHVDS3+VTH斜率正比于VDSVTH0VGSIDVTH1VDS+VTH0VDS+VTH1VSB=0VSB0第5頁/共37頁 2112XnoxGSTHDSWICVVVL(a)10.1nV1/20.45V20.9FV00.7THVV3GSDDXXVVVV3DSDDXXVVVVSBXVV022THTHFSBFVVV 2130.70.450.90.9132XnoxXXXWICVVVL上式有效的條件為30.70.450.90.90XXVV即1.97XVV第6頁/共37頁VX1.97V時，M1工作在截止區(qū)，則IX=0, gm=0VX1.97V時

5、，M1工作飽和區(qū)，則212.7270.46 0.9(1.30.1)2XnOXXXXWICVVVL2mnOXXWgCIL第7頁/共37頁當0VX1V時，MOS管的源-漏交換1.9GSXVV21(1.2)(1)0.5(1) (1.4)(1)2XnOXXXXnOXXXWWICVVVCVVLL 1DSXVV 1.2DSATonXVVV工作在線性區(qū)，則(1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL當1VVX1.2V時,MOS管工作在線性區(qū)2112 0.2(1)(1) (1.4)(1)22XnOXXXnOXXXWWICVVCVVLL (1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL第8頁/共37頁當VX1.2V

6、時,MOS管工作在飽和區(qū)2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLL第9頁/共37頁當VX0.3V時，MOS管的源-漏交換，工作在飽和區(qū)1GSXVV 1.9DSXVV0.3DSATonXVVV2211()(1)22XnOXGSTHnOXXWWICVVCVLL()(1)mnOXGSTHnOXXWWgCVVCVLL當VX0.3V時，MOS管工作截止區(qū)0XI0mg第10頁/共37頁當0VX1.8V時，MOS管上端為漏極，下端為源極，MOS管工作在飽和區(qū)0.9GSVV 1.9DSXVV0.1DSATonVVV 21(0.1)2XP

7、oxWICL (0.1)mPoxWgCL 當1.8V1.9V時，MOS管S與D交換MOS管工作線性區(qū)1.9DSXVV212 (1) (1.9)(1.9) 2XPoxXXXWICVVVL(1.9)mPoxXWgCVL第12頁/共37頁(e) =0,當VX=0時,VTH=0.893V，此時MOS工作在飽和區(qū)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隨著VX增加，VSB降低，V

8、TH降低，此時MOS管的過驅(qū)動電壓增加，MOS管工作在飽和區(qū)；直到過驅(qū)動VDSAT上升到等于0.5V時，MOS管將進入線性區(qū)，則有0.20.45( 1.90.90.51?2?.8XXVVV第13頁/共37頁當VX1.82V時，MOS管工作在線性區(qū) ？212 0.5 0.20.45( 1.90.9)0.5 2DnOXXIWCVL2(0.5)mnOXWgCL第14頁/共37頁(a) =0 , VTH=0.7V右圖中，MOS管源-漏極交換當Vin0.7V時，M1工作在截止區(qū)，Vout=0當0.7Vin1.7V時，M1工作在飽和區(qū)，則211(0.7)2outDnOXinoutWVICVVRL當1.7V

9、Vin3V時，M1工作在線性區(qū)，則212()(1)(1) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRL第15頁/共37頁當0Vin1.3V時，M1工作在線性區(qū)，則1212 (20.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當Vin1.3V時，M1工作在飽和區(qū)，則211(20.7)2outDnOXoutWVICVRL第16頁/共37頁當0Vin2.3V時，M1工作在線性區(qū)，則1212 (30.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當Vin2.3V時，M1工作在飽和區(qū)，則211(30.7)2outDnOX

10、outWVICVRL第17頁/共37頁當0Vin1.8V時，M1工作在截止區(qū)，則2111(1 0.8)1.82pOXinWCVRL 0outVM1工作在飽和區(qū)邊緣的條件為Vout=1.8V，此時假設Vin=Vin1，因而112 1.81.8inpOXVWCRL當1.8VVinVin1時，M1工作在飽和區(qū)211(1.8)2outpOXinWVCVRL當Vin1VTHVbM1VxC1Ix當Vb-0.7 VX3V時，M1工作在飽和區(qū)21(0.7)2xnOXbWICVL( )30 xVttxXXxVdQI dtCdVdVI dt 21( )3(0.7)2XnOXbWVtCVtL當VX Vb-0.7時，

11、M1工作在線性區(qū)，則212(0.7)2xnOXbXXWICVVVL第19頁/共37頁當VX當IX=IC1時，I1=0 若電流源I1為理想電流源，則VN-,實際上VN不可能低于0.6V，若低于0.6V，則PN結(jié)正向?qū)?若電流源I1不是理想電流源，則VN 0，電容C1開始放電第24頁/共37頁2 ()mTGDGSgfCC節(jié)點1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC輸出：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCC第25頁/共37頁m

12、TGSGDgfCC第26頁/共37頁(1,2,)GSGDkgskCCivsknn1122outmgsmgsmngsnig vgvgv1212()GSGDingsgsgsnCCiiiis vvvn12mmmmnggggn12()moutgsgsgsngivvvn1212()( )()()mgsgsgsnoutmGSGDiGSGDgsgsgsngvvvignA sCCis CCs vvvn(2)12()mTTGSGDgA sjfjfCC2 ()mTGSGDgfCC第27頁/共37頁22nGSTHTVVfL 這個關系表明：當所設計的器件工作于較低時，速度是如何被限制的。2 ()mTGSGDgfCC(

13、)mnOXGSTHWgCVVLGSGDOXCCWLC22nGSTHTVVfL第28頁/共37頁第一種情況： M1、M2均工作在線性區(qū)2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL11DSATonGSTHVVVV22DSATonGXTHVVVVV1DSXVV2DSDXVVV2212()() 2DnOXGXTHXDXWICVVVVVVL222()2()()GSTHXXGXTHXDXVVVVVVVVVV2222()2()GSTHXXGSTHDSDSVVVVVVVV222112()112()222nOXGSTHDSDDnOXGSTDHSXXWIICVWCVVLVLVVVV相當于W/(2L)工作在線

14、性區(qū)第29頁/共37頁2.16 第二種情況： M1工作在線性區(qū)， M2工作在飽和區(qū)2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL221()2DnOXGXTHWICVVVL22122()()DDGSTHXXGXTHIIVVVVVVV22()22()GSTHGSTHXXVVVVVV2212111()()222DDnOXGXTHnOXGSTHWWIICVVVCVVLL相當于W/(2L)工作在飽和區(qū)注意：M1始終工作在線性區(qū)，因為M2的過驅(qū)動電壓大于02220DSATonGSTHGSXTHVVVVVVVGSTHXVVV11GSTHXDSVVVV線性區(qū)第30頁/共37頁2.16 上面討論，可知： (

15、1)M2工作在飽和區(qū)，則電流滿足平方關系 (2) M2工作在線性區(qū)，則電流滿足線性關系第31頁/共37頁2.17 已知NMOS器件工作在飽和區(qū)。如果(a) ID恒定，(b)gm恒定，畫出W/L對于VGS-VTH的函數(shù)曲線。21()2DnOXGSTHWICVVL飽和區(qū)：22()DnOXGSTHIWLCVV()mnOXGSTHWgCVVL()mnOXGSTHgWLCVV第32頁/共37頁2.18 如圖2.15所示的晶體管，盡管處在在飽和區(qū)，解釋不能作為電流源使用的原因。I1(a)I2VDD(b) 以上電路的電流與MOS管的源極電壓VS有關，而電流源的電流是與其源極電壓VS無關的。第33頁/共37頁2.27 已知NMOS器件工作于亞閾值區(qū)，為1.5，求引起ID變化一個數(shù)量級所需的VGS的變化量。如果ID=10A，求gm的值0GSTVVDII e3100.26/1.5 26 10DDmGSTIIAgmA VVV212110GSGSTVVVDDIeI21ln10GSGS