拉扎維模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)第二章作業(yè)答案詳解完整版中文

拉扎維模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)第二章作業(yè)答案詳解完整版中文第一頁，共38頁。2.1、W/L=50/0.5，假設(shè)|VDS|=3V，當(dāng)|VGS|從0上升到3V時(shí)，畫出NFET和PFET的漏電流VGS變化曲線解：NMOS管：假設(shè)閾值電壓VTH=0.7V,不考慮亞閾值導(dǎo)電當(dāng)VGS<0.7V時(shí)，NMOS管工作在截止區(qū)，則ID=0當(dāng)VGS>0.7V時(shí)，NMOS管工作在飽和區(qū)，NMOS管的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則第二頁，共38頁。PMOS管：假設(shè)閾值電壓VTH=-0.8V,不考慮亞閾值導(dǎo)電當(dāng)|VGS|

<0.8V時(shí)，PMOS管工作在截止區(qū)，則ID=0當(dāng)|VGS|

≥0.8V時(shí)，PMOS管工作在飽和區(qū)，PMOS管的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則第三頁，共38頁。2.2W/L=50/0.5,|ID|=0.5mA，計(jì)算NMOS和PMOS的跨導(dǎo)和輸出阻抗，以及本證增益gmro解：本題忽略側(cè)向擴(kuò)散LD1）NMOS2）PMOS第四頁，共38頁。2.3導(dǎo)出用ID和W/L表示的gmro的表達(dá)式。畫出以L為參數(shù)的gmro~ID的曲線。注意λ∝L解：第五頁，共38頁。2.4分別畫出MOS晶體管的ID~VGS曲線。a)以VDS作為參數(shù)；b)以VBS為參數(shù)，并在特性曲線中標(biāo)出夾斷點(diǎn)解：以NMOS為例當(dāng)VGS<VTH時(shí)，MOS截止，則ID=0當(dāng)VTH<VGS<VDS+VTH時(shí)，MOS工作在飽和區(qū)當(dāng)VGS>VDS+VTH時(shí)，MOS工作在三極管區(qū)（線性區(qū)）第六頁，共38頁。2.5對于圖2.42的每個(gè)電路，畫出IX和晶體管跨導(dǎo)關(guān)于VX的函數(shù)曲線草圖，VX從0變化到VDD。在(a)中，假設(shè)Vx從0變化到1.5V。（VDD=3V）(a)上式有效的條件為即第七頁，共38頁。(a)綜合以上分析VX>1.97V時(shí)，M1工作在截止區(qū)，則IX=0,gm=0VX<1.97V時(shí)，M1工作飽和區(qū)，則第八頁，共38頁。(b)λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)0<VX<1V時(shí)，MOS管的源-漏交換工作在線性區(qū)，則當(dāng)1V<VX<1.2V時(shí),MOS管工作在線性區(qū)第九頁，共38頁。當(dāng)VX≥1.2V時(shí),MOS管工作在飽和區(qū)第十頁，共38頁。(C)λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)VX<0.3V時(shí)，MOS管的源-漏交換，工作在飽和區(qū)當(dāng)VX≥0.3V時(shí)，MOS管工作截止區(qū)第十一頁，共38頁。(d)λ=γ=0,VTH=-0.8V當(dāng)0<VX≤1.8V時(shí)，MOS管上端為漏極，下端為源極，MOS管工作在飽和區(qū)當(dāng)1.8V<VX≤1.9V時(shí)，MOS管工作在線性區(qū)第十二頁，共38頁。當(dāng)VX>1.9V時(shí)，MOS管S與D交換MOS管工作線性區(qū)第十三頁，共38頁。(e)λ=0,當(dāng)VX=0時(shí),VTH=0.893V，此時(shí)MOS工作在飽和區(qū)隨著VX增加，VSB降低，VTH降低，此時(shí)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(shí)，MOS管將進(jìn)入線性區(qū)，則有第十四頁，共38頁。當(dāng)VX>1.82V時(shí)，MOS管工作在線性區(qū)？？？？第十五頁，共38頁。2.7對于圖2.44的每個(gè)電路，畫出Vout關(guān)于Vin的函數(shù)曲線草圖。Vin從0變化到VDD=3V。解：(a)λ=γ=0,VTH=0.7V右圖中，MOS管源-漏極交換當(dāng)Vin<0.7V時(shí)，M1工作在截止區(qū)，Vout=0當(dāng)0.7<Vin≤1.7V時(shí)，M1工作在飽和區(qū)，則當(dāng)1.7V<Vin<3V時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則第十六頁，共38頁。2.7(b)

λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)0<Vin<1.3V時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則當(dāng)Vin≥1.3V時(shí)，M1工作在飽和區(qū)，則第十七頁，共38頁。2.7(c)λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)0<Vin<2.3V時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則當(dāng)Vin≥2.3V時(shí)，M1工作在飽和區(qū)，則第十八頁，共38頁。2.7(d)λ=γ=0,VTH=-0.8V當(dāng)0<Vin<1.8V時(shí)，M1工作在截止區(qū)，則M1工作在飽和區(qū)邊緣的條件為Vout=1.8V，此時(shí)假設(shè)Vin=Vin1，因而當(dāng)1.8V<Vin<Vin1時(shí)，M1工作在飽和區(qū)當(dāng)Vin1<Vin時(shí)，M1工作在線性區(qū)第十九頁，共38頁。2.9對于圖2.46的每個(gè)電路，畫出IX和VX關(guān)于時(shí)間的函數(shù)曲線圖。C1的初始電壓等于3V。(a)λ=γ=0,VTH=0.7V，Vb>VTH當(dāng)Vb-0.7≤VX≤3V時(shí)，M1工作在飽和區(qū)當(dāng)VX<Vb-0.7時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則第二十頁，共38頁。當(dāng)VX<Vb-0.7時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則K第二十一頁，共38頁。2.9(b)λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)VX初始電壓為3V，M1工作在飽和區(qū)t=0時(shí),VX=3V,第二十二頁，共38頁。2.9(c)λ=γ=0,VTH=0.7V當(dāng)VX初始電壓為3V，VDS=0V，M1工作在深線性區(qū)第二十三頁，共38頁。2.9(d)λ=γ=0,VTH=0.7VIX=I1第二十四頁，共38頁。2.9(e)λ=γ=0,VTH=0.7V電容C1的初始電壓為3V初始狀態(tài)（時(shí)間t=0），如右圖所示，電容C1的充電電流IC1=0，此時(shí)M1的漏電流IX=I1；同時(shí)VX=Vb-VGS1+3當(dāng)時(shí)間t=0+時(shí)，如右圖所示，M1的一部分漏電流將對電容C1的進(jìn)行充電，此時(shí)IX-IC1=I1=>當(dāng)IX=IC1時(shí)，I1=0若電流源I1為理想電流源，則VN-∞,實(shí)際上VN不可能低于0.6V，若低于0.6V，則PN結(jié)正向?qū)ㄈ綦娏髟碔1不是理想電流源，則VN0，電容C1開始放電第二十五頁，共38頁。2.13MOSFET的特征頻率(transitfrequency)fT，定義為源和漏端交流接地時(shí)，器件的小信號增益下降為1的頻率。證明

注意：fT不包含S/D結(jié)電容的影響節(jié)點(diǎn)1，有輸出：第二十六頁，共38頁。2.13(b)假設(shè)柵電阻RG比較大，且器件等效為n個(gè)晶體管的排列，其中每個(gè)晶體管的柵電阻等于RG/n。證明器件的fT與RG無關(guān)，其特征頻率仍為第二十七頁，共38頁。第二十八頁，共38頁。2.13(c)對于給定的偏置電流，同過增加晶體管的寬度（因此晶體管的電容也增加）使工作在飽和區(qū)所需的漏-源電壓最小。利用平方率特性證明這個(gè)關(guān)系表明：當(dāng)所設(shè)計(jì)的器件工作于較低時(shí)，速度是如何被限制的。第二十九頁，共38頁。2.16考慮如圖2.50所示的結(jié)構(gòu)，求ID關(guān)于VGS和VDS的函數(shù)關(guān)系，并證明這一結(jié)構(gòu)可看作寬長比等于W/(2L)的晶體管。假設(shè)λ=γ=0第一種情況：M1、M2均工作在線性區(qū)相當(dāng)于W/(2L)工作在線性區(qū)第三十頁，共38頁。2.16第二種情況：M1工作在線性區(qū)，M2工作在飽和區(qū)相當(dāng)于W/(2L)工作在飽和區(qū)注意：M1始終工作在線性區(qū)，因?yàn)镸2的過驅(qū)動電壓大于0線性區(qū)第三十一頁，共38頁。2.16上面討論，可知：(1)M2工作在飽和區(qū)，則電流滿足平方關(guān)系(2)M2工作在線性區(qū)，則電流滿足線性關(guān)系第三十二頁，共38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。飽和區(qū)：第三十三頁，共38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。

以上電路的電流與MOS管的源極電壓VS有關(guān)，而電流源的電流是與其源極電壓VS無關(guān)的。第三十四頁，共38頁。2.27已知NMOS器件工作于亞閾值區(qū)，ξ為1.5，求引起ID變化一個(gè)數(shù)量級所需的VGS的變化量。如果ID=10μA，求gm的值第三十五頁，共38頁。2.28考慮VG=1.5V且VS=0的NMOS器件。解釋如果將VD不斷減小