模擬集成電路設計 魏廷存 第4章習題（含答案）

第4章習題4.1圖4.62所示差動放大器中，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，求此時的小信號電壓增益。假設，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對于圖4.63所示差動放大器，在下列兩種情況下，試推導共模輸入-差動輸出時的小信號電壓增益。（1）M1和M2的特性完全對稱，但兩邊的負載電阻失配；（2）負載電阻對稱，但M1和M2的跨導失配。圖4.63解：（1）A（2）由式4.10,A4.3對于圖4.64所示二極管負載的差動放大器，若尾電流，，，，，且所有CMOS管的寬長比相同，。（1）求小信號電壓增益；（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。所以差動輸出電壓的最大擺幅為0.64V。4.4對于圖4.65所示電流鏡負載的差動放大器，假設兩邊電路完全對稱，輸入共模電壓=1.5V。當從3V變化到0V時，請概略地畫出輸出電壓的變化曲線。假設=3V時，所有的器件都工作在飽和區(qū)。圖4.65解：由電路的對稱性可得，。隨著的下降，與也以近似為1的斜率下降。當與下降到低于1.5V-時，M1與M2進入線性區(qū)，只要M5仍飽和，漏電流將保持不變。以及與的進一步下降使得和增大，最終使M5進入線性區(qū)。此后，所有晶體管的偏置電流下降，使得的下降變緩慢。當<時，有=0。4.5對于圖4.66所示的普通兩級運算放大器，設電源電壓=5V，所有CMOS管的過驅(qū)動電壓||=0.3V，閾值電壓||=0.7V，試計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對于圖4.66所示的普通兩級運算放大器，試計算低頻時的小信號電壓增益。假定兩級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對于圖4.66所示的普通兩級運算放大器，假定單位增益頻率=60MHz，且位于主極點頻率之后，其它零極點頻率之前。如果要求擺率=120V/μs，則輸入級的過驅(qū)動電壓應是多少？若輸入級的偏置電流μA，是多少？4.8考察圖4.24及圖4.26（交流小信號模型）所示的兩級運算放大器。假設mA/V，mA/V，KΩ，KΩ，，pF。（1）求相位補償（加入）后的第一個非主極點的頻率。（2）為了消除由補償電容所形成的右半平面的零點，串聯(lián)一個補償電阻（如圖4.17所示）使該零點移至無窮大處，計算的值。（3）利用（2）中右半平面零點的消除結(jié)果，若要求相位裕度為，單位增益頻率盡量大，計算的值和主極點頻率。答案：(1)(2)(3)900若要單位增益帶寬盡量大，必須使第二個極點位于單位增益頻率之后，也就是說：，那么=0.5773，那么，，4.9對于圖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的變化情況。答案：定義第一級放大器的輸出結(jié)點為V1，源極跟隨器加入前有：源極跟隨器加入后有通過加入源極跟隨器，使零點移至12Grad/s，在很大頻域內(nèi)，可以不考慮其對放大器的影響了。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=0.5pF，估算結(jié)點X、Y處的極點頻率，并通過估算的極點寫出電壓傳輸函數(shù)=/。（2）計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假定一個兩級運放的開環(huán)電壓增益（傳輸函數(shù)）為：（1）若該兩級運放構(gòu)成一個單位負反饋閉環(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)的兩個主極點。假定這兩個極點相距較遠，即。答案：(1)(2)4.12設計圖4.66所示的普通兩級運算放大器。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CMOS管的寬長比，使低頻電壓增益達到700。設計適當?shù)拿芾昭a償電容，使增益帶寬乘積達到1MHz。設計以消除補償電容引入的右半平面零點。此運放的擺率為多少？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)第二級增益那么加入補償電容后的主極點為令(3)，可以使密勒補償引入的零點移至無窮遠處。(4)4.13設計圖4.66所示的普通兩級運算放大器。假定VDD=3.3V,VTHN=|VTHP|=0.72V，μnCox=151μA/V2,μpCox=54.2μA/V2,λp=0.05V-1,λn=0.04V-1。假設管子的柵長均為1um,且M1與M2對稱，M3與M4對稱。要求運算放大器的性能指標滿足下列條件：直流或低頻時的小信號差模電壓增益: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假設負載電容CL=10pF，且將右半平面的零點ωZ外推至5ωta，完成以上電路設計和仿真。假設負載電容C