模擬集成電路設(shè)計(jì) 魏廷存 第4章習(xí)題（含答案）

第4章習(xí)題4.1圖4.62所示差動(dòng)放大器中，M1和M2的，，，。（1）如果輸入共模電壓=1.2V，求輸出電壓的擺幅；（2）求滿足上面條件的，如果，求此時(shí)的小信號(hào)電壓增益。假設(shè)，QUOTEλ≠0，γ=0。圖4.62解：（1）輸出電壓最大擺幅為：（2）為得到最大的輸出電壓擺幅有：，則所以4.2對(duì)于圖4.63所示差動(dòng)放大器，在下列兩種情況下，試推導(dǎo)共模輸入-差動(dòng)輸出時(shí)的小信號(hào)電壓增益。（1）M1和M2的特性完全對(duì)稱，但兩邊的負(fù)載電阻失配；（2）負(fù)載電阻對(duì)稱，但M1和M2的跨導(dǎo)失配。圖4.63解：（1）A（2）由式4.10,A4.3對(duì)于圖4.64所示二極管負(fù)載的差動(dòng)放大器，若尾電流，，，，，且所有CMOS管的寬長(zhǎng)比相同，。（1）求小信號(hào)電壓增益；（2）為了使，求偏置電壓的值；（3）如果尾電流上的電壓降至少為0.3V，求差動(dòng)輸出電壓的擺幅。圖4.64解：（1）A（2）V(3)其中，，同理可求。所以差動(dòng)輸出電壓的最大擺幅為0.64V。4.4對(duì)于圖4.65所示電流鏡負(fù)載的差動(dòng)放大器，假設(shè)兩邊電路完全對(duì)稱，輸入共模電壓=1.5V。當(dāng)從3V變化到0V時(shí)，請(qǐng)概略地畫出輸出電壓的變化曲線。假設(shè)=3V時(shí)，所有的器件都工作在飽和區(qū)。圖4.65解：由電路的對(duì)稱性可得，。隨著的下降，與也以近似為1的斜率下降。當(dāng)與下降到低于1.5V-時(shí)，M1與M2進(jìn)入線性區(qū)，只要M5仍飽和，漏電流將保持不變。以及與的進(jìn)一步下降使得和增大，最終使M5進(jìn)入線性區(qū)。此后，所有晶體管的偏置電流下降，使得的下降變緩慢。當(dāng)<時(shí)，有=0。4.5對(duì)于圖4.66所示的普通兩級(jí)運(yùn)算放大器，設(shè)電源電壓=5V，所有CMOS管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓||=0.3V，閾值電壓||=0.7V，試計(jì)算輸入共模電壓范圍和輸出電壓的擺幅。解：,即0.3+0.7+0.3<Vcm<5-(0.7+0.3)+0.7即1.3V<Vcm<4.7V圖4.66對(duì)于圖4.66所示的普通兩級(jí)運(yùn)算放大器，試計(jì)算低頻時(shí)的小信號(hào)電壓增益。假定兩級(jí)放大器的偏置電流均為0.1mA，其它參數(shù)為：=134μA/V2，=38μA/V2，=0.1V-1，=0.2V-1，=100，=200。答案：54.6729.04.7對(duì)于圖4.66所示的普通兩級(jí)運(yùn)算放大器，假定單位增益頻率=60MHz，且位于主極點(diǎn)頻率之后，其它零極點(diǎn)頻率之前。如果要求擺率=120V/μs，則輸入級(jí)的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)是多少？若輸入級(jí)的偏置電流μA，是多少？4.8考察圖4.24及圖4.26（交流小信號(hào)模型）所示的兩級(jí)運(yùn)算放大器。假設(shè)mA/V，mA/V，KΩ，KΩ，，pF。（1）求相位補(bǔ)償（加入）后的第一個(gè)非主極點(diǎn)的頻率。（2）為了消除由補(bǔ)償電容所形成的右半平面的零點(diǎn)，串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電阻（如圖4.17所示）使該零點(diǎn)移至無(wú)窮大處，計(jì)算的值。（3）利用（2）中右半平面零點(diǎn)的消除結(jié)果，若要求相位裕度為，單位增益頻率盡量大，計(jì)算的值和主極點(diǎn)頻率。答案：(1)(2)(3)900若要單位增益帶寬盡量大，必須使第二個(gè)極點(diǎn)位于單位增益頻率之后，也就是說(shuō)：，那么=0.5773，那么，，4.9對(duì)于圖4.34所示電路，若5pF，50fF，mA/V，試估算源極跟隨器加入前后右半平面零點(diǎn)的變化情況。答案：定義第一級(jí)放大器的輸出結(jié)點(diǎn)為V1，源極跟隨器加入前有：源極跟隨器加入后有通過(guò)加入源極跟隨器，使零點(diǎn)移至12Grad/s，在很大頻域內(nèi)，可以不考慮其對(duì)放大器的影響了。4.10考慮圖4.67所示放大器，其中μm，mA，=134μA/V2，=0.1V-1，=0.2V-1。（1）假設(shè)=0.5pF，估算結(jié)點(diǎn)X、Y處的極點(diǎn)頻率，并通過(guò)估算的極點(diǎn)寫出電壓傳輸函數(shù)=/。（2）計(jì)算放大器的相位裕度。（3）如果=0.5pF，若要求相位裕度至少為60°，則的最大允許值為多少？圖4.67(1)rad/s（，）rad/s（）(2)首先判斷與單位增益頻率的關(guān)系所以在單位增益頻率外那么從到單位增益頻率，增益下降的速度為20dB/dec所以：(3)4.11假定一個(gè)兩級(jí)運(yùn)放的開環(huán)電壓增益（傳輸函數(shù)）為：（1）若該兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)單位負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，求該閉環(huán)系統(tǒng)的電壓傳輸函數(shù)=/。（2）求該閉環(huán)系統(tǒng)的兩個(gè)主極點(diǎn)。假定這兩個(gè)極點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，即。答案：(1)(2)4.12設(shè)計(jì)圖4.66所示的普通兩級(jí)運(yùn)算放大器。已知參數(shù)為：，，(W/L)8=5μm/1μm，=0.2V，==0.1V-1，=5V，=50μA，=100μA，選擇所有CMOS器件的L尺寸為1μm。確定每一個(gè)CMOS管的寬長(zhǎng)比，使低頻電壓增益達(dá)到700。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)拿芾昭a(bǔ)償電容，使增益帶寬乘積達(dá)到1MHz。設(shè)計(jì)以消除補(bǔ)償電容引入的右半平面零點(diǎn)。此運(yùn)放的擺率為多少？答案：(1)為使電路面積最小，所有晶體管的L都取。那么，100，可令根據(jù)，可以獲得兩管的尺寸(2)第二級(jí)增益那么加入補(bǔ)償電容后的主極點(diǎn)為令(3)，可以使密勒補(bǔ)償引入的零點(diǎn)移至無(wú)窮遠(yuǎn)處。(4)4.13設(shè)計(jì)圖4.66所示的普通兩級(jí)運(yùn)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。假設(shè)管子的柵長(zhǎng)均為1um,且M1與M2對(duì)稱，M3與M4對(duì)稱。要求運(yùn)算放大器的性能指標(biāo)滿足下列條件：直流或低頻時(shí)的小信號(hào)差模電壓增益:Avd>4000V/V（72dB）輸入共模電壓范圍：Vcm,min=1V，Vcm,max=2.5V輸出電壓擺幅：0.5V≤Vout≤2.5V單位增益頻率ωta=6.28×107rad/s(fta=10MHz)相位裕度PM=60°擺率SR=15V/μs靜態(tài)功耗P≤2mW假設(shè)負(fù)載電容CL=10pF，且將右半平面的零點(diǎn)ωZ外推至5ωta，完成以上電路設(shè)計(jì)和仿真。假設(shè)負(fù)載電容C