拉扎維模擬CMOS集成電路設計第二章作業(yè)答案詳解完整版中文

1、Copyright for zhouqn第二章第二章 作業(yè)答案作業(yè)答案Copyright for zhouqn2.1、W/L=50/0.5，假設，假設|VDS|=3V，當，當|VGS|從從0上升到上升到3V時，畫出時，畫出NFET和和PFET的漏電流的漏電流VGS變化曲線變化曲線解：解：a)NMOS管：管： 假設閾值電壓假設閾值電壓VTH=0.7V,不考慮亞閾不考慮亞閾值導電值導電 當當VGS0.7V時，時， NMOS管工作在飽和區(qū)，管工作在飽和區(qū)，NMOS管管的有效溝道長度的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則，則21() (13)2DnoxGSTHneffWICVVL3212.8 10

2、 (0.7)DGSIV2350/ncmV s60.08 10DLm10.1nV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm 1208.854 10/F m23.9sioCopyright for zhouqna)PMOS管：管： 假設閾值電壓假設閾值電壓VTH= -0.8V,不考慮亞不考慮亞閾值導電閾值導電 當當| VGS | 0.8V 時，時，PMOS管工作在截止區(qū)，則管工作在截止區(qū)，則ID=0 當當| VGS | 0.8V時，時， PMOS管工作在飽和區(qū)，管工作在飽和區(qū)，PMOS管的有效溝道長度管的有效溝道長度Leff=0.5-2LD，則，則21() (13)2D

3、poxGSTHpeffWICVVL324.8 10 (0.8)DSGIV2100/pcmV s60.09 10DLm10.2pV20323.837 10/siooxoxCF mt 99 10oxtm 1208.854 10/F m23.9sioCopyright for zhouqn2.2 W/L=50/0.5, |ID|=0.5mA，計算，計算NMOS和和PMOS的跨的跨導和輸出阻抗，以及本證增益導和輸出阻抗，以及本證增益gmro解：本題忽略側向擴散解：本題忽略側向擴散LD23.66/mnoxDWgCImA VL1）NMOS311200.1 0.5 10onDrkI333.66 1020 1

4、073.2m og 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 sCopyright for zhouqn 2.3 導出用導出用ID和和W/L表示的表示的gmro的表達式。畫出以的表達式。畫出以L為為參數的參數的gmroID的曲線。注意的曲線。注意L2moxDWgCIL解：解：1oDrI12m ooxDDDWWLg rCIALIICopyrigh

5、t for zhouqn2.4 分別畫出分別畫出MOS晶體管的晶體管的IDVGS曲線。曲線。a) 以以VDS作為參作為參數；數；b)以以VBS為參數，并在特性曲線中標出夾斷點為參數，并在特性曲線中標出夾斷點212DnoxGSTHWICVVL解：以解：以NMOS為例為例當當VGSVTH時，時，MOS截止，則截止，則ID=0當當VTHVGSVDS+VTH時，時，MOS工作在三極管區(qū)（線性區(qū)）工作在三極管區(qū)（線性區(qū)）212DnoxGSTHDSDSWICVVVVLIDVGSVTHVDS1+VTHVDS2+VTHVDS3+VTH斜率正比于VDSVTH0VGSIDVTH1VDS+VTH0VDS+VTH1V

6、SB=0VSB0Copyright for zhouqn2.5 對于圖對于圖2.42的每個電路，畫出的每個電路，畫出IX和晶體管跨導關于和晶體管跨導關于VX的函數曲線草圖，的函數曲線草圖，VX從從0變化到變化到VDD。在。在(a)中，假設中，假設Vx從從0變化到變化到1.5V。 （VDD=3V） 2112XnoxGSTHDSWICVVVL(a)10.1nV1/20.45V20.9FV00.7THVV3GSDDXXVVVV3DSDDXXVVVVSBXVV022THTHFSBFVVV 2130.70.450.90.9132XnoxXXXWICVVVL上式有效的條件為上式有效的條件為30.70.45

7、0.90.90XXVV即即1.97XVVCopyright for zhouqn(a)綜合以上分析綜合以上分析VX1.97V時，時，M1工作在截止區(qū)，則工作在截止區(qū)，則IX=0, gm=0VX1.97V時，時，M1工作飽和區(qū)，則工作飽和區(qū)，則212.7270.46 0.9(1.30.1)2XnOXXXXWICVVVL2mnOXXWgCILCopyright for zhouqn(b) =0, VTH=0.7V 當當0VX1V時，時，MOS管的源管的源-漏交換漏交換1.9GSXVV21(1.2)(1)0.5(1) (1.4)(1)2XnOXXXXnOXXXWWICVVVCVVLL 1DSXVV

8、1.2DSATonXVVV工作在線性區(qū)，則工作在線性區(qū)，則(1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLL 當當1VVX1.2V時時,MOS管工作在線性區(qū)管工作在線性區(qū)2112 0.2(1)(1) (1.4)(1)22XnOXXXnOXXXWWICVVCVVLL (1)mnOXDSnOXxWWgCVCVLLCopyright for zhouqn 當VX1.2V時,MOS管工作在飽和區(qū)2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLLCopyright for zhouqn(C) =0, VTH=0.7V 當當VX0.3V時，時，M

9、OS管的源管的源-漏交換，工作在飽和漏交換，工作在飽和區(qū)區(qū)1GSXVV 1.9DSXVV0.3DSATonXVVV2211()(1)22XnOXGSTHnOXXWWICVVCVLL()(1)mnOXGSTHnOXXWWgCVVCVLL 當當VX0.3V時，時，MOS管工作截止區(qū)管工作截止區(qū)0XI0mgCopyright for zhouqn(d) =0, VTH=-0.8V 當當0VX1.8V時，時，MOS管上端為漏極，下端為源極，管上端為漏極，下端為源極，MOS管工作在飽和區(qū)管工作在飽和區(qū)0.9GSVV 1.9DSXVV0.1DSATonVVV 21(0.1)2XPoxWICL (0.1)m

10、PoxWgCL 當當1.8V1.9V時，時，MOS管管S與與D交換交換MOS管工作線性區(qū)管工作線性區(qū)1.9DSXVV212 (1) (1.9)(1.9) 2XPoxXXXWICVVVL(1.9)mPoxXWgCVLCopyright for zhouqn(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隨著隨

11、著VX增加，增加，VSB降低，降低，VTH降低，此時降低，此時MOS管的過驅動電壓增管的過驅動電壓增加，加，MOS管工作在飽和區(qū)；直到過驅動管工作在飽和區(qū)；直到過驅動VDSAT上升到等于上升到等于0.5V時，時，MOS管將進入線性區(qū)，則有管將進入線性區(qū)，則有0.20.45( 1.90.90.51?2?.8XXVVVCopyright for zhouqn當當VX1.82V時，時，MOS管工作在線性區(qū)管工作在線性區(qū) ？212 0.5 0.20.45( 1.90.9)0.5 2DnOXXIWCVL2(0.5)mnOXWgCLCopyright for zhouqn2.7 對于圖對于圖2.44的每個

12、電路，畫出的每個電路，畫出Vout關于關于Vin的函數曲線草圖。的函數曲線草圖。Vin從從0變化到變化到VDD=3V。解：解：(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1.7VVin3V時，M1工作在線性區(qū)，則212()(1)(1) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRLCopyright for zhouqn2.7 (b) =0 , VTH=0.7V當當0Vin1.3V時，時，M1工作在線性區(qū)，

13、則工作在線性區(qū)，則1212 (20.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當當Vin1.3V時，時，M1工作在飽和區(qū)，則工作在飽和區(qū)，則211(20.7)2outDnOXoutWVICVRLCopyright for zhouqn2.7 (c) =0 , VTH=0.7V當當0Vin2.3V時，時，M1工作在線性區(qū)，則工作在線性區(qū)，則1212 (30.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當當Vin2.3V時，時，M1工作在飽和區(qū)，則工作在飽和區(qū)，則211(30.7)2outDnOXoutWVICVRLCopyri

14、ght for zhouqn2.7 (d) =0 , VTH=-0.8V當當0Vin1.8V時，時，M1工作在截止區(qū)，則工作在截止區(qū)，則2111(1 0.8)1.82pOXinWCVRL 0outVM1工作在飽和區(qū)邊緣的條件為工作在飽和區(qū)邊緣的條件為Vout=1.8V，此時假設，此時假設Vin=Vin1，因而，因而112 1.81.8inpOXVWCRL當當1.8VVinVin1時，時，M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)211(1.8)2outpOXinWVCVRL當當Vin1VTHVbM1VxC1Ix當當Vb-0.7 VX3V時，時，M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)21(0.7)2xnOXbWICVL

15、( )30 xVttxXXxVdQI dtCdVdVI dt 21( )3(0.7)2XnOXbWVtCVtL當當VX Vb-0.7時，時，M1工作在線性區(qū)，則工作在線性區(qū)，則212(0.7)2xnOXbXXWICVVVLCopyright for zhouqn當當VX當當IX=IC1時，時，I1=0 若電流源若電流源I1為理想電流源，則為理想電流源，則VN-,實際上實際上VN不可不可能低于能低于0.6V，若低于，若低于0.6V，則則PN結正向導通結正向導通 若電流源若電流源I1不是理想電流源，則不是理想電流源，則VN 0，電容，電容C1開開始放電始放電Copyright for zhouqn

16、2.13 MOSFET的特征頻率的特征頻率(transit frequency) fT，定，定義為源和漏端交流接地時，器件的小信號增益下義為源和漏端交流接地時，器件的小信號增益下降為降為1的頻率。的頻率。(a) 證明證明 注意：注意：fT不包含不包含S/D結電容的影響結電容的影響2 ()mTGDGSgfCC節(jié)點1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC輸出：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCCCopyright for zh

17、ouqn2.13(b) 假設柵電阻假設柵電阻RG比較大，且器件等效為比較大，且器件等效為n個晶體個晶體管的排列，其中每個晶體管的柵電阻等于管的排列，其中每個晶體管的柵電阻等于RG/n。證明器件的證明器件的fT與與RG無關，其特征頻率仍為無關，其特征頻率仍為mTGSGDgfCCCopyright for zhouqn(1,2,)GSGDkgskCCivsknn1122outmgsmgsmngsnig vgvg v1212()GSGDingsgsgsnCCiiiis vvvn12mmmmnggggn12()moutgsgsgsngivvvn1212()( )()()mgsgsgsnoutmGSGD

18、iGSGDgsgsgsngvvvignA sCCis CCs vvvn(2)12()mTTGSGDgA sjfjfCC2 ()mTGSGDgfCCCopyright for zhouqn2.13(c) 對于給定的偏置電流，同過增加晶體管的寬度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（因此晶體管的電容也增加）使工作在飽和區(qū)所需的漏需的漏-源電壓最小。利用平方率特性證明源電壓最小。利用平方率特性證明22nGSTHTVVfL 這個關系表明：當所設計的器件工作于這個關系表明：當所設計的器件工作于較低時，速度是如何被限制的。較低時，速度是如何被限制的。2 ()m

19、TGSGDgfCC()mnOXGSTHWgCVVLGSGDOXCCWLC22nGSTHTVVfLCopyright for zhouqn2.16 考慮如圖考慮如圖2.50所示的結構，求所示的結構，求ID關于關于VGS和和VDS的函數關系，的函數關系，并證明這一結構可看作寬長比等于并證明這一結構可看作寬長比等于W/(2L)的晶體管。假設的晶體管。假設=0第一種情況：第一種情況： M1、M2均工作在線性區(qū)均工作在線性區(qū)2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL11DSATonGSTHVVVV22DSATonGXTHVVVVV1DSXVV2DSDXVVV2212()() 2DnOXGXTHX

20、DXWICVVVVVVL222()2()()GSTHXXGXTHXDXVVVVVVVVVV2222()2()GSTHXXGSTHDSDSVVVVVVVV222112()112()222nOXGSTHDSDDnOXGSTDHSXXWIICVWCVVLVLVVVV相當于相當于W/(2L)工工作在線性區(qū)作在線性區(qū)Copyright for zhouqn2.16 第二種情況：第二種情況： M1工作在線性區(qū)，工作在線性區(qū)， M2工作在工作在飽和區(qū)飽和區(qū)2112()2DnOXGSTHXXWICVVVVL221()2DnOXGXTHWICVVVL22122()()DDGSTHXXGXTHIIVVVVVVV2

21、2()22()GSTHGSTHXXVVVVVV2212111()()222DDnOXGXTHnOXGSTHWWIICVVVCVVLL相當于相當于W/(2L)工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)注意：注意：M1始終工作在線性區(qū)，因為始終工作在線性區(qū)，因為M2的過驅動電壓大于的過驅動電壓大于02220DSATonGSTHGSXTHVVVVVVVGSTHXVVV11GSTHXDSVVVV線性區(qū)線性區(qū)Copyright for zhouqn2.16 上面討論，可知：上面討論，可知： (1)M2工作在飽和區(qū)，則電流滿足平方關系工作在飽和區(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工作在線性區(qū)，則電流滿足線性關系Copyright for zhouqn2.17 已知已知NMOS器件工作在飽和區(qū)。如果器件工作在飽和區(qū)。如果(a) ID恒定，恒定，(b)gm恒定，恒定，畫出畫出W/L對于對于VGS-VTH的函數曲線。的函數曲線。21()2DnOXGSTHWICVVL飽和區(qū)：飽和區(qū)：22()DnOXGSTHIWLCVV()mnOXGSTHWgCVVL()mnOXGSTHgWLCVVCopyright for zhouqn2.18 如圖如圖2.15所示的