模擬集成電路設計 魏廷存 第7章習題（含答案）

第7章習題7.1設計一個如圖7.23所示的電阻分壓電路，=5V，要求基準電壓為1V，為3V，流過電阻的電流為2μA。若R3的方塊電阻值工藝偏差為10%，求出此時各個基準電壓的實際值，并考察電阻偏差對基準電壓精度的影響。圖7.23解：由流過電阻的電流為2μA，VDD為5V，可得電阻串的總電阻值為：5V/2μA=2.5MΩ根據(jù)分壓比例可求得R3=2.5×1/5=500KΩR2=2.5×3/5-R3=1MΩR1=1MΩR3工藝偏差在10%時，重新計算分壓比例可得：，，可見，電阻偏差對基準電壓影響較大。7.2試設計圖7.1（b）所示電阻-MOS管型分壓器。假定=5V，要求基準電壓為1V，流過電阻的電流為2μA，=0.7V，。求電阻R和MOS管的寬長比的值（忽略溝道長度調制效應，=0）。解：R=4V/2μA=2MΩ7.3試設計圖7.1（c）所示MOS管型分壓器。=0.7V，，其余參數(shù)與習題7.2相同。求和的值（=0）。解：由式5.8可分別求得7.4圖7.24所示電路為改進型MOS管分壓器。=5V，若要求基準電壓=1V，=3V，流過電流為2μA，試求M1、M2和M3的寬長比。假定=110，=50，閾值電壓均為0.7V，=0。圖7.24解：由=1V，可求得：同理，可求得：7.5圖7.25是一種以閾值電壓為基準的自偏置電流源，試推導輸出電流的表達式，并估算的值。忽略CMOS的二級效應，取和分別為110和50，閾值電壓均為0.7V。圖7.25由圖可知，，所以M1必然處于飽和區(qū)。由，且，得由以上公式可見，電流I與電源電壓無關，可估算為。代入值得，。7.6圖7.26是在圖7.25的基礎上附加了啟動電路M6~M9，試分析該啟動電路的工作原理。若要求電流源正常工作時啟動電路最大消耗電流為1μA，試求M6~M8的寬長比。計算時可忽略CMOS的二級效應，并取和分別為110和50，閾值電壓均為0.7V。圖7.26解：電路上電后，M6導通，M9導通，從而將M2的柵極電壓拉至較高電位。當M2的柵極電壓上升到兩個閾值電壓時，基準電路開始工作，電流逐漸增加。電路啟動起來后，M9自動關閉（M2的柵極電壓上升，M9的Vgs減?。?，不影響基準電路工作。分析可知，M6，M7和M8在電路正常工作時仍導通消耗電流（都工作在飽和區(qū)）。由飽和區(qū)電流公式：，其中ID為1μA，可分別求得M6~M8的尺寸：假設將電源電壓平均分為三份，即。7.7對于圖7.2所示具有自偏置結構的MOS管型基準源，若電阻R的值出現(xiàn)工藝偏差，試分析其對基準電流的影響。另外，分析CMOS管的二級效應對基準電流的影響。解：（7.14）由式7.14可知，基準電流與R的平方成反比，因此，電阻絕對值出現(xiàn)較大波動時，將嚴重影響基準電流及其溫度系數(shù)。所以，應用時，通常選用較為準確的電阻類型來實現(xiàn)。溝道長度調制效應會使兩路電流不能完全一致，從而對基準造成偏差。M2存在體效應，其閾值電壓會增大，因此所選用的K值應相應增大。7.8圖7.27是在圖7.5（b）的基礎上附加了啟動電路M11~M15，試分析該啟動電路的工作原理。圖7.27解：剛上電時，因為M14和M15為常導通（工作在線性區(qū)，相當于大電阻），使得M12和M13導通（M12和M13的Vgs電壓較大），從而將共源共柵的PMOS柵電位拉低，電流開始增加，基準電路開始工作。當回路中電流越來越大時，由于M11的W/L值較大，而M14和M15為長MOS管（W/L值較?。?，迫使M11工作在深度線性區(qū)（Vds,M11接近0），使得M12、M13柵電壓降低（小于閾值電壓），而從關閉啟動電路。因為M11、M14和M15一直導通，所以必須降低其電流消耗！7.9對于圖7.28所示基準電流源，設M3和M4的尺寸相同，M1和M2的W/L之比為K:1。1）試推導輸出電流的表達式；2）為了保證M2工作在飽和區(qū)，電阻R的取值是多少？3）與圖7.2所示電路相比較，該電路的優(yōu)點是什么？圖7.28解：1）設流過M2的電流為I，則：由式（7.14）及7.1.2小節(jié)的分析可得，所以，2）對于M2管，為了使其工作在飽和區(qū)，要求：Vds2>Vgs2-VTH2，而由圖7.28可知，Vds2=Vgs2-IR，因此，需滿足Vgs2-IR>Vgs2-VTH2，即。3）此電路和圖7.2電路的基準電流表達式相同。但該電路消除了M2管的體效應。7.10推導圖7.6（a）和（b）所示電路中的基準電流。7.11參照圖7.8（b）和圖7.9（b），分別設計一個CTAT和PTAT基準電流源電路，要求基準電流=10μA。假設=5×10-15A，=26mV，PTAT中N=8。解：兩電路均取，。由式（7.33）可得，CTAT中，。由式（7.38）可得，PTAT中，與CTAT相比，PTAT中的電阻值較大。7.12求圖7.29所示電路中的值及其溫度系數(shù)。圖7.29解：忽略基極電流，溫度系數(shù)為：，只和溫度有關。7.13若考慮圖7.30中運放的失調電壓，試分析其對基準電壓的影響。圖7.30參考答案：若不為零，則失調電壓被放大了。所以必須改進電路以減小其影響。7.14試推導圖7.31所示電路的輸出電壓，調節(jié)m時，輸出電壓的幅值與溫度系數(shù)如何變化？圖中，M1和M2對稱，M3的寬長比是M1的m倍。Q2和Q3對稱，Q1的發(fā)射區(qū)面積是Q2的n倍。假設運放的增益A是無窮大。圖7.31解：電路中，M1、M2和M3組成電流鏡，并且有。運放Amp使A、B的電位相同，VA=ＶB。從而電阻R1上的壓降就等于Q1和Q2基極發(fā)射極電壓之差。而M1、M2和M3上的漏極電流分別為和。I3通過電阻R2產(chǎn)生的電壓加到Q3的VBE上，從而獲得輸出基準電壓VREF：V由上式可知，當R1和R2固定，通過調節(jié)M3的m值，便可以獲得不同的的溫度系數(shù)，而且MOS管實現(xiàn)起來更為容易，占據(jù)較小的芯片面積，并且容易實現(xiàn)較大的調節(jié)范圍