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

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(shè)，假設(shè)|VDS|=3V，當(dāng)，當(dāng)|VGS|從從0上升到上升到3V時(shí)，畫出時(shí)，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(shè)閾值電壓假設(shè)閾值電壓VTH=0.7V,不考慮亞閾不考慮亞閾值導(dǎo)電值導(dǎo)電 當(dāng)當(dāng)VGS0.7V時(shí)，時(shí)， 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(zhǎng)度的有效溝道長(zhǎng)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(shè)閾值電壓假設(shè)閾值電壓VTH= -0.8V,不考慮亞不考慮亞閾值導(dǎo)電閾值導(dǎo)電 當(dāng)當(dāng)| VGS | 0.8V 時(shí)，時(shí)，PMOS管工作在截止區(qū)，則管工作在截止區(qū)，則ID=0 當(dāng)當(dāng)| VGS | 0.8V時(shí)，時(shí)， 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(zhǎng)度管的有效溝道長(zhǎng)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(jì)算，計(jì)算NMOS和和PMOS的跨的跨導(dǎo)和輸出阻抗，以及本證增益導(dǎo)和輸出阻抗，以及本證增益gmro解：本題忽略側(cè)向擴(kuò)散解：本題忽略側(cè)向擴(kuò)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(dǎo)出用導(dǎo)出用ID和和W/L表示的表示的gmro的表達(dá)式。畫出以的表達(dá)式。畫出以L為為參數(shù)的參數(shù)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(shù)；數(shù)；b)以以VBS為參數(shù)，并在特性曲線中標(biāo)出夾斷點(diǎn)為參數(shù)，并在特性曲線中標(biāo)出夾斷點(diǎn)212DnoxGSTHWICVVL解：以解：以NMOS為例為例當(dāng)當(dāng)VGSVTH時(shí)，時(shí)，MOS截止，則截止，則ID=0當(dāng)當(dāng)VTHVGSVDS+VTH時(shí)，時(shí)，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(duì)于圖對(duì)于圖2.42的每個(gè)電路，畫出的每個(gè)電路，畫出IX和晶體管跨導(dǎo)關(guān)于和晶體管跨導(dǎo)關(guān)于VX的函數(shù)曲線草圖，的函數(shù)曲線草圖，VX從從0變化到變化到VDD。在。在(a)中，假設(shè)中，假設(shè)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(shí)，時(shí)，M1工作在截止區(qū)，則工作在截止區(qū)，則IX=0, gm=0VX1.97V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)0VX1V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)1VVX1.2V時(shí)時(shí),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(dāng)VX1.2V時(shí),MOS管工作在飽和區(qū)2211()(0.2)22XnOXGSTHnOXWWICVVCLL()0.2mnOXGSTHnOXWWgCVVCLLCopyright for zhouqn(C) =0, VTH=0.7V 當(dāng)當(dāng)VX0.3V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)VX0.3V時(shí)，時(shí)，MOS管工作截止區(qū)管工作截止區(qū)0XI0mgCopyright for zhouqn(d) =0, VTH=-0.8V 當(dāng)當(dāng)0VX1.8V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)1.8V1.9V時(shí)，時(shí)，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(dāng)VX=0時(shí),VTH=0.893V，此時(shí)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(shí)降低，此時(shí)MOS管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓增管的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓增加，加，MOS管工作在飽和區(qū)；直到過(guò)驅(qū)動(dòng)管工作在飽和區(qū)；直到過(guò)驅(qū)動(dòng)VDSAT上升到等于上升到等于0.5V時(shí)，時(shí)，MOS管將進(jìn)入線性區(qū)，則有管將進(jìn)入線性區(qū)，則有0.20.45( 1.90.90.51?2?.8XXVVVCopyright for zhouqn當(dāng)當(dāng)VX1.82V時(shí)，時(shí)，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(duì)于圖對(duì)于圖2.44的每個(gè)

12、電路，畫出的每個(gè)電路，畫出Vout關(guān)于關(guān)于Vin的函數(shù)曲線草圖。的函數(shù)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(dāng)Vin0.7V時(shí)，M1工作在截止區(qū)，Vout=0當(dāng)0.7Vin1.7V時(shí)，M1工作在飽和區(qū)，則211(0.7)2outDnOXinoutWVICVVRL當(dāng)1.7VVin3V時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則212()(1)(1) outDnOXinoutTHoutoutWVICVVVVVRLCopyright for zhouqn2.7 (b) =0 , VTH=0.7V當(dāng)當(dāng)0Vin1.3V時(shí)，時(shí)，M1工作在線性區(qū)，

13、則工作在線性區(qū)，則1212 (20.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當(dāng)當(dāng)Vin1.3V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)0Vin2.3V時(shí)，時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則工作在線性區(qū)，則1212 (30.7)()() 2outDnOXoutinoutinoutVIRWCVVVVVL當(dāng)當(dāng)Vin2.3V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)0Vin1.8V時(shí)，時(shí)，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(shí)假設(shè)，此時(shí)假設(shè)Vin=Vin1，因而，因而112 1.81.8inpOXVWCRL當(dāng)當(dāng)1.8VVinVin1時(shí)，時(shí)，M1工作在飽和區(qū)工作在飽和區(qū)211(1.8)2outpOXinWVCVRL當(dāng)當(dāng)Vin1VTHVbM1VxC1Ix當(dāng)當(dāng)Vb-0.7 VX3V時(shí)，時(shí)，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(dāng)當(dāng)VX Vb-0.7時(shí)，時(shí)，M1工作在線性區(qū)，則工作在線性區(qū)，則212(0.7)2xnOXbXXWICVVVLCopyright for zhouqn當(dāng)當(dāng)VX當(dāng)當(dāng)IX=IC1時(shí)，時(shí)，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(shí)際上實(shí)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(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)?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(kāi)開(kāi)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(shí)，器件的小信號(hào)增益下義為源和漏端交流接地時(shí)，器件的小信號(hào)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(jié)電容的影響結(jié)電容的影響2 ()mTGDGSgfCC節(jié)點(diǎn)1，有igsGSgsGDigsGSGDivsCiv sCv ssCC輸出：outmgsig v( )outmiGSGDigA sisCsCioutmGSGDiigsCsC()1mTGSGDgA sjsCsCmTGSGDgCC22 ()mTTGSGDgfCCCopyright for zh

17、ouqn2.13(b) 假設(shè)柵電阻假設(shè)柵電阻RG比較大，且器件等效為比較大，且器件等效為n個(gè)晶體個(gè)晶體管的排列，其中每個(gè)晶體管的柵電阻等于管的排列，其中每個(gè)晶體管的柵電阻等于RG/n。證明器件的證明器件的fT與與RG無(wú)關(guān)，其特征頻率仍為無(wú)關(guān)，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(duì)于給定的偏置電流，同過(guò)增加晶體管的寬度對(duì)于給定的偏置電流，同過(guò)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(gè)關(guān)系表明：當(dāng)所設(shè)計(jì)的器件工作于這個(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。較低時(shí)，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(jié)構(gòu)，求所示的結(jié)構(gòu)，求ID關(guān)于關(guān)于VGS和和VDS的函數(shù)關(guān)系，的函數(shù)關(guān)系，并證明這一結(jié)構(gòu)可看作寬長(zhǎng)比等于并證明這一結(jié)構(gòu)可看作寬長(zhǎng)比等于W/(2L)的晶體管。假設(shè)的晶體管。假設(shè)=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(dāng)于相當(dāng)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(dāng)于相當(dāng)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?yàn)槭冀K工作在線性區(qū)，因?yàn)镸2的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓大于的過(guò)驅(qū)動(dòng)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(guān)系工作在飽和區(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)系工作在線性區(qū)，則電流滿足線性關(guān)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(duì)于對(duì)于VGS-VTH的函數(shù)曲線。的函數(shù)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