電路與系統(tǒng)答案

1、l 題1，電阻，二極管形式連接的MOS管和柵接固定偏置的MOS作負(fù)載的共源放大器的小信號(hào)分析，寫出電路的增益和輸出阻抗。答：電阻作負(fù)載輸出阻抗： 增益： 二極管作負(fù)載輸出阻抗： 增益： 固定偏置作負(fù)載輸出阻抗： 增益：l 題2，試用頻率響應(yīng)節(jié)點(diǎn)近似分析方法來分析電阻作負(fù)載的單級(jí)共源放大器(增益10)的頻率響應(yīng)特性，寫出其傳遞函數(shù)。答：如圖存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：X和Vout在節(jié)點(diǎn)X處，由miller近似有CX =CGS +(1- Av)CGDRX = RS主極點(diǎn)為：非主極點(diǎn)為：所以傳遞函數(shù)為：l 題3，試列舉無源電阻、無源電容的種類答：電阻：源/漏擴(kuò)散電阻、P阱（N阱）擴(kuò)散電阻（阱電阻或溝道電阻）、注入

2、電阻、多晶電阻、薄膜電阻；電容：PN結(jié)電容、MOS電容、多晶與體硅之間的電容（PIS）、雙多晶電容（PIP）、MOS器件作電容、金屬與多晶電容（MIP）、多晶與場注入?yún)^(qū)的電容、MIM電容l 題4，簡單MOS電流鏡大的電流增益系統(tǒng)誤差是由哪種二階效應(yīng)引起的？有什么可以減小電流鏡電流增益系統(tǒng)誤差的方法？為什么？答：溝道長度調(diào)制效應(yīng)，可以增加電流鏡溝道長度，這樣可以減少調(diào)制系數(shù)。 因?yàn)橛捎跍系勒{(diào)制效應(yīng)有 其中為溝道調(diào)制系數(shù)l 題5，什么是噪聲功率譜密度和轉(zhuǎn)角頻率？答：噪聲功率譜密度：功率譜密度表示了在每一頻率下，信號(hào)所帶有的功率大小。在以某一頻率為中心的1Hz帶寬內(nèi)，信號(hào)所帶有的平均功率稱為該信號(hào)在

3、該頻率下的功率譜密度。轉(zhuǎn)角（Corner）頻率：對(duì)于MOS管來說，F(xiàn)licker噪聲與漏端電流噪聲的影響一樣時(shí)的工作頻率。l 題6，導(dǎo)致差分放大器成為非平衡結(jié)構(gòu)的失配因素有哪些？如何評(píng)價(jià)這些失配因素的影響？有何方法減小失配？因素：有差分輸入對(duì)管不匹配、還有運(yùn)放的負(fù)載管的匹配以及版圖匹配影響；放大器的失配與溫漂在輸出端產(chǎn)生了難以分辨的直流差模電壓； 減少適配方法：可以增大差分輸入對(duì)管尺寸、由工藝消除失配、版圖減少失配等。l 題7，試分析高頻小信號(hào)下MOS管工作在飽和區(qū)、線性區(qū)時(shí)的電容特性，包括電容的種類及容值。答：1、柵與溝道之間的柵氧電容C2=WLCox，其中Cox為單位面積柵氧電容ox/to

4、x;2、溝道耗盡層電容：3、源漏區(qū)與襯底間的結(jié)電容：Cbd、Cbs, 而每一個(gè)單位面積PN結(jié)的勢壘電容;為： ,源漏的總結(jié)電容可表示為：;4、交疊電容（多晶柵覆蓋源漏區(qū)所形成的電容，每單位寬度的交疊電容記為Col）：包括柵源交疊電容與柵漏交疊電容：由于是環(huán)狀的電場線， C1與C4不能簡單地寫成WdCox，需通過更復(fù)雜的計(jì)算才能得到，且它的值與襯底偏置有關(guān)。1)柵漏交疊電容，2)柵源交疊電容，結(jié)合右圖分別介紹飽和區(qū)和線性區(qū)的電容。5、柵與襯底間電容。 l 題8，飽和區(qū)和線性區(qū)薩式方程答：飽和區(qū)時(shí)：線性區(qū)時(shí)：l 題9，如圖所示，試畫出M1管柵極輸入電壓Vi從低電平(0V)至VDD變化過程中，輸出電

5、壓Vo的變化曲線（注意襯底偏置效應(yīng)的影響）答：拉扎維中文版P22l 題10，什么是差分信號(hào)？差分信號(hào)處理電路相對(duì)于單端信號(hào)處理電路有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)？答：差分信號(hào)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電位之差，且這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)位相對(duì)于某一固定電位大小相等，相位相反；優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、消除共模干擾，只放大差模信號(hào)缺點(diǎn)：由于有兩個(gè)輸入端口，所以消耗了更多功耗、需要更大的面積l 題11，考慮MOS管二階效應(yīng)的影響，畫出如下圖所示共源共柵放大器的低頻小信號(hào)等效電路并進(jìn)行小信號(hào)分析，推導(dǎo)出MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)的跨導(dǎo)Gm、輸出阻抗Rout和低頻小信號(hào)電壓增益Av的表達(dá)式。答： 跨導(dǎo)為輸出阻抗：電壓增益為：l 題12，低壓cascod

6、e電流鏡有哪些優(yōu)點(diǎn)？試設(shè)計(jì)一種提供偏置電壓Vb的電路，使該電流鏡能達(dá)到最大的輸出電壓擺幅。假設(shè)所有晶體管寬長比都為W/L。答：優(yōu)點(diǎn)：（a）輸出電壓大于一定值時(shí)，輸出電流基本不隨輸出電壓的變化而變化 （b）不存在電流增益系統(tǒng)誤差 （c）最小輸出電壓：設(shè)計(jì)的偏置電壓結(jié)構(gòu)如下：當(dāng)所有尺寸都為W/L時(shí)，那么提供偏置電壓Vb尺寸0.25W/L，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要留有一定的余量，取為0.2 W/L。l 題13，什么是miller等效，在基本兩級(jí)OTA電路中，miller電容補(bǔ)償?shù)淖饔檬鞘裁?？一般情況下，miller補(bǔ)償后，兩級(jí)OTA電路中的主極點(diǎn)是第一級(jí)放大器輸出節(jié)點(diǎn)還是第二級(jí)放大器輸出節(jié)點(diǎn)？ mil

7、ler等效：如圖，如果跨接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的阻抗可以轉(zhuǎn)換為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)地阻抗，則三個(gè)阻抗之間存在如下關(guān)系：miller電容補(bǔ)償?shù)淖饔茫簃iller補(bǔ)償電容一般接在基本放大器第二級(jí)的輸入端與輸出端之間，補(bǔ)償電容的miller效應(yīng)可以有效降低差分輸入級(jí)輸出端所引入的極點(diǎn)頻率，使該極點(diǎn)成為主極點(diǎn)之外，它還能將另外一個(gè)極點(diǎn)推到更高的頻率上，造成所謂的極點(diǎn)分裂。一般miller補(bǔ)償后，兩級(jí)OTA電路中的主極點(diǎn)是第一級(jí)放大器輸出節(jié)點(diǎn)l 題14，試分析如下帶隙基準(zhǔn)源電路。（10分）答：從上圖中可以看出：（a）高開環(huán)增益跨導(dǎo)運(yùn)算放大器使運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端電壓相等（b）晶體管Q2是Q1的n倍，由于晶體管上面電流

8、鏡MOS管子數(shù)目相等，所以電流相等，所以（c）所以流過電阻R1的電流為I，隨著溫度升高而增大，（d）所以共模電平為等于Vbe3加上電阻R2上的壓降，即為得到了與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓l 題15，自偏置電流源為什么需要采用啟動(dòng)電路？對(duì)啟動(dòng)電路有什么要求？答：確保總有電流流過參考源中的晶體管，使得0狀態(tài)處的環(huán)路增益大于1，避免陷入0狀態(tài)；要求參考源啟動(dòng)后，啟動(dòng)電路不能干擾參考源的工作。l 題16，試分析共柵放大器和共漏放大器的特點(diǎn)？答：共柵極：低輸入阻抗：匹配電路應(yīng)用；高輸出阻抗；可做電流源；ro不忽略時(shí)，電路是雙向放大器，輸出阻抗會(huì)受到輸入阻抗的影響，而輸入阻抗會(huì)受到輸出阻抗的影響；低輸入阻抗，高輸

9、出阻抗，電流緩沖器，寬帶寬；輸入、輸出之間沒有電容，不存在Miller效應(yīng)。共漏極：直流電平級(jí)移電路（級(jí)移量為VGS）；高輸入阻抗、低輸出阻抗（做阻抗變換器），單位增益緩沖器，非線性（襯底調(diào)制效應(yīng)一般改用改用PMOS管），限制電壓擺幅，驅(qū)動(dòng)能力不強(qiáng)（在相同的偏置電流下，增益不如共源放大器高）。高輸入阻抗，低輸出阻抗，電壓緩沖器，寬帶寬。l 題17，分析如下圖所示自偏置電流鏡中啟動(dòng)電路的工作過程。答：在開啟前，管子T4/T5/T6關(guān)斷，柵端為高電位，電流為0；電阻R上沒有壓降，T8管子,管子導(dǎo)通，有電流流過T7，所以T9也導(dǎo)通；所以晶體管T4/T5/T6柵端電壓被拉低，產(chǎn)生流過；當(dāng)電流通過R時(shí)，

10、產(chǎn)生壓降，且使管子T8/T9關(guān)斷，不影響電流鏡工作！l 題18，分析如下圖所示自偏置電流鏡中啟動(dòng)電路的工作過程。答：（a）電路開始上電，自偏置電流鏡處于零電流工作狀態(tài)，M1、M2柵極為低電平，M3、M4的柵極為高電平。（b）M6的柵極接地，PMOS管M6導(dǎo)通，將M6的漏端拉至高電平，M9導(dǎo)通，M4、M9、Q2形成通路，M4的柵極拉至低電壓，電流鏡擺脫零電流工作狀態(tài)。（c）自偏置電流鏡有電流后。M5、M8支路鏡像該電流。M8的柵源端電壓提供給M7柵極。M7導(dǎo)通，M7的漏端拉至低電平，M9關(guān)斷，啟動(dòng)電路關(guān)閉，不再對(duì)自偏置電流鏡電路產(chǎn)生影響。自偏置電流鏡電路擺脫簡并工作點(diǎn)后正常工作。l 題19，在基

11、本兩級(jí)OTA電路采用miller電容補(bǔ)償后，會(huì)因?yàn)榇嬖陔娙莸那梆佂范胍粋€(gè)右半平面零點(diǎn)，試列舉1個(gè)消除右半平面零點(diǎn)的方法，并說明其原理。插入源極跟隨器法：原理：上圖為基本兩級(jí)OTA的差模半電路，在補(bǔ)償電容和OTA輸出端之間插入了一個(gè)由和電流源組成的源極跟隨器，若忽略襯底調(diào)制效應(yīng)，源極跟隨器的電壓增益將近似為1，因此同沒有源極跟隨器相比，補(bǔ)償電容兩端的小信號(hào)電壓將沒有變化，的miller效應(yīng)將仍然存在，可以起到miller補(bǔ)償?shù)淖饔?。但是，由于源極跟隨器的插入，前饋通路將由補(bǔ)償電容和的柵源電容串聯(lián)而成，由于，使串聯(lián)后前饋電容的值遠(yuǎn)小于，式表明右半平面零點(diǎn)頻率與前饋電容的大小成反比，因此插入源

12、極跟隨器后環(huán)路增益右半平面零點(diǎn)頻率將得到大幅度的提高，從而消除了右半平面零點(diǎn)對(duì)相位裕度的影響。插入源極跟隨器可以有效阻礙所引起的前饋通路，消除右半平面零點(diǎn)的影響，但為保證源極跟隨器中的晶體管工作于飽和區(qū)從而提供單位增益的電壓增益，OTA輸出電壓的最大值要小于（其中為電流源正常工作時(shí)的最小壓降，為晶體管的柵源電壓），該電壓遠(yuǎn)小于基本兩級(jí)OTA決定的輸出電壓最大值（為），因此源極跟隨器的插入減小了基本兩級(jí)OTA的輸出擺幅，降低了輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，另外，源極跟隨器的插入還增加了整個(gè)電路的功耗。l 題20，什么是PVT變化？集成電路設(shè)計(jì)中要考慮芯片的制造工藝（Process）、使用電壓(Voltag

13、e)、環(huán)境溫度(Temperature)的變化。工藝：Lot-to-lot、wafer-to-wafer、die-to-die（工藝corner：SS、FF、typical、FS、SF）電壓：VDD10溫度：民品（070度），軍品（40125度）l 題21，負(fù)反饋技術(shù)有哪些基本特性(作用)？反饋放大器的穩(wěn)定條件是什么？如何利用相位裕度判斷反饋放大器的穩(wěn)定性及穩(wěn)定程度？答：負(fù)反饋技術(shù)的特性：負(fù)反饋可以降低各種變化對(duì)增益的影響，得到具有穩(wěn)定增益的放大器；使增益靈敏度降低的程度與環(huán)路增益成反比；改變輸入、輸出阻抗穩(wěn)定條件：使增益下降為1對(duì)應(yīng)的頻率小于使相位裕度變化180度對(duì)應(yīng)的頻率；即相位裕度判斷穩(wěn)

14、定性：相位裕度大于0，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的；相位裕度越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定（相位裕度大于60度）l 題22，寫出應(yīng)用Return Ratio分析法的計(jì)算反饋放大器環(huán)路增益的基本過程。（a）將所有獨(dú)立信號(hào)源置為零（電壓源置為短路，電流源為開路）；（b）在反饋環(huán)路中找出任一個(gè)受控源（如電壓控制電壓源、電壓控制電流源等），將它從反饋環(huán)路中斷開；（c）在反饋環(huán)路斷開處插入一個(gè)測試信號(hào)St，它的信號(hào)類型與斷開處受控源的信號(hào)類型相同；（d）計(jì)算斷開受控源產(chǎn)生的返回信號(hào)Sr；（e）計(jì)算反饋放大器的環(huán)路增益：T=- Sr/ Stl 題23，利用Return Ratio分析法計(jì)算如圖所示反饋放大器的環(huán)路增益。（寫出計(jì)算詳細(xì)

15、過程）A:l 題24，利用Return Ratio分析法計(jì)算如圖所示反饋放大器的低頻輸出阻抗，其中的運(yùn)算放大器增益為av，輸入阻抗為無窮大，輸出阻抗為0。（寫出計(jì)算詳細(xì)過程）該反饋運(yùn)算放大器的小信號(hào)等效電路如下圖所示，為了計(jì)算，令，從圖中可以得到，（a）令上圖中的輸出端口短路，選擇斷開受控源項(xiàng)，利用return ratio分析可以求出此時(shí)環(huán)路增益為：T（端口短路）=0（b）令上圖輸出端口開路，選擇斷開，利用return ratio分析可以求出此時(shí)環(huán)路增益為：T（端口開路）=gm1（avoro1+ro1)由Blackman 阻抗公式： 所以該反饋放大器的輸出阻抗為：l 題25，利用Return

16、Ratio分析法計(jì)算如圖所示反饋放大器的低頻輸入/輸出阻抗。（寫出計(jì)算詳細(xì)過程）：該反饋運(yùn)算放大器的小信號(hào)等效電路如下圖所示，為了計(jì)算Rin ROUT，令，從圖中可以得到，（a）右圖中選擇輸入端短路，斷開受控源，利用return ratio分析可以求出此時(shí)環(huán)路增益為T（輸入短路）=0；選擇輸入端開路，斷開受控源，利用return ratio分析可以求出此時(shí)環(huán)路增益為T（輸入開路）=gmro；由Blackman 阻抗公式： 則輸入電阻為：輸出電阻為：l 題26，下圖為電容型反饋放大器的差模半邊電路，Vstep為單端階躍信號(hào)，試寫出輸入一個(gè)階躍信號(hào)后得到的輸出信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式及該電路靜態(tài)增益誤差表

17、達(dá)式。假設(shè)該放大器低頻環(huán)路增益為T0，環(huán)路增益單位增益帶寬為c，零點(diǎn)頻率遠(yuǎn)大于極點(diǎn)頻率。答：從圖中可以得到，但極點(diǎn)的閉環(huán)增益為（）所以進(jìn)行拉普拉斯逆變換可以得到階躍信號(hào)后得到的輸出信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式： 靜態(tài)誤差表達(dá)式為：l 題27，什么是階躍響應(yīng)的壓擺過程？壓擺問題是如何出現(xiàn)的？當(dāng)放大器的階路響應(yīng)出現(xiàn)壓擺過程時(shí)，總的建立時(shí)間如何計(jì)算？答：在階躍響應(yīng)產(chǎn)生壓擺過程中，放大器以一個(gè)常數(shù)電流（與偏置電流有關(guān)）對(duì)輸出端相接的電容充電；階躍信號(hào)下，（a）當(dāng)輸入時(shí)，放大器產(chǎn)生了壓擺行為，（b）當(dāng)輸入時(shí)，放大器結(jié)束了壓擺行為；階躍響應(yīng)時(shí)，總建立時(shí)間為l 題28，試比較基本兩級(jí)OTA、單級(jí)套筒式共源共柵OTA、單

18、級(jí)折疊式共源共柵OTA的異同基本兩級(jí)OTA可以提供較高的增益，而且它可以達(dá)到的輸出擺幅在各種OTA結(jié)構(gòu)中是最高的。但是提供的低頻電壓增益有限，采用miller補(bǔ)償會(huì)使第二級(jí)的功耗增加，限制了電路的速度，且電容負(fù)載增加時(shí)會(huì)降低環(huán)路增益的相位裕度和反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。套筒式共源共柵OTA結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以提供與基本兩級(jí)OTA相似的增益，僅在輸出端引入一個(gè)主極點(diǎn)，具有很好的頻率響應(yīng)特性和噪聲特性，在低功耗、高速度、低噪聲的模擬電子系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。缺點(diǎn)：輸出阻抗很高，不適于驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載，共模輸入范圍和輸出電壓擺幅受限。折疊式共源共柵OTA可以提供與兩級(jí)基本OTA相似的增益，但僅引入一個(gè)主極點(diǎn)，輸出極點(diǎn)是主極點(diǎn)，輸出阻抗很高，不適于驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載，與套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)相比，增益有所下降，功耗增加，噪聲增加，但共模輸入范圍和輸出電壓擺幅有所提高。l 題29，全差分輸出放大器電路為什么需要共模反饋環(huán)路？A: （遲保勇P351）在同一條信號(hào)路徑上存在兩個(gè)電流源偏置很容易造成靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，其原因可l 題30，判斷下圖全差分折疊Cascode運(yùn)放中圓圈所示的柵極節(jié)點(diǎn)，有哪些能做為共模反饋控制端？說明其它柵極節(jié)點(diǎn)不能做為共模反饋控制端的理由。答：共模反饋共模輸出電壓不能通過差分信號(hào)的負(fù)反饋來控制，所以我們需要一個(gè)額外的共模反饋環(huán)路來確定輸出的共模電平，我們選擇共模反饋端得原則是：最大的