模擬集成電路設(shè)計(jì) 魏廷存 第7章習(xí)題（含答案）

第7章習(xí)題7.1設(shè)計(jì)一個(gè)如圖7.23所示的電阻分壓電路，=5V，要求基準(zhǔn)電壓為1V，為3V，流過(guò)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(shí)各個(gè)基準(zhǔn)電壓的實(shí)際值，并考察電阻偏差對(duì)基準(zhǔn)電壓精度的影響。圖7.23解：由流過(guò)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(shí)，重新計(jì)算分壓比例可得：，，可見(jiàn)，電阻偏差對(duì)基準(zhǔn)電壓影響較大。7.2試設(shè)計(jì)圖7.1（b）所示電阻-MOS管型分壓器。假定=5V，要求基準(zhǔn)電壓為1V，流過(guò)電阻的電流為2μA，=0.7V，。求電阻R和MOS管的寬長(zhǎng)比的值（忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，=0）。解：R=4V/2μA=2MΩ7.3試設(shè)計(jì)圖7.1（c）所示MOS管型分壓器。=0.7V，，其余參數(shù)與習(xí)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(jìn)型MOS管分壓器。=5V，若要求基準(zhǔn)電壓=1V，=3V，流過(guò)電流為2μA，試求M1、M2和M3的寬長(zhǎng)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(zhǔn)的自偏置電流源，試推導(dǎo)輸出電流的表達(dá)式，并估算的值。忽略CMOS的二級(jí)效應(yīng)，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(jiàn)，電流I與電源電壓無(wú)關(guān)，可估算為。代入值得，。7.6圖7.26是在圖7.25的基礎(chǔ)上附加了啟動(dòng)電路M6~M9，試分析該啟動(dòng)電路的工作原理。若要求電流源正常工作時(shí)啟動(dòng)電路最大消耗電流為1μA，試求M6~M8的寬長(zhǎng)比。計(jì)算時(shí)可忽略CMOS的二級(jí)效應(yīng)，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(dǎo)通，M9導(dǎo)通，從而將M2的柵極電壓拉至較高電位。當(dāng)M2的柵極電壓上升到兩個(gè)閾值電壓時(shí)，基準(zhǔn)電路開(kāi)始工作，電流逐漸增加。電路啟動(dòng)起來(lái)后，M9自動(dòng)關(guān)閉（M2的柵極電壓上升，M9的Vgs減小），不影響基準(zhǔn)電路工作。分析可知，M6，M7和M8在電路正常工作時(shí)仍導(dǎo)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(shè)將電源電壓平均分為三份，即。7.7對(duì)于圖7.2所示具有自偏置結(jié)構(gòu)的MOS管型基準(zhǔn)源，若電阻R的值出現(xiàn)工藝偏差，試分析其對(duì)基準(zhǔn)電流的影響。另外，分析CMOS管的二級(jí)效應(yīng)對(duì)基準(zhǔn)電流的影響。解：（7.14）由式7.14可知，基準(zhǔn)電流與R的平方成反比，因此，電阻絕對(duì)值出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，將嚴(yán)重影響基準(zhǔn)電流及其溫度系數(shù)。所以，應(yīng)用時(shí)，通常選用較為準(zhǔn)確的電阻類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)。溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)會(huì)使兩路電流不能完全一致，從而對(duì)基準(zhǔn)造成偏差。M2存在體效應(yīng)，其閾值電壓會(huì)增大，因此所選用的K值應(yīng)相應(yīng)增大。7.8圖7.27是在圖7.5（b）的基礎(chǔ)上附加了啟動(dòng)電路M11~M15，試分析該啟動(dòng)電路的工作原理。圖7.27解：剛上電時(shí)，因?yàn)镸14和M15為常導(dǎo)通（工作在線性區(qū)，相當(dāng)于大電阻），使得M12和M13導(dǎo)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(kāi)始增加，基準(zhǔn)電路開(kāi)始工作。當(dāng)回路中電流越來(lái)越大時(shí)，由于M11的W/L值較大，而M14和M15為長(zhǎng)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(guān)閉啟動(dòng)電路。因?yàn)镸11、M14和M15一直導(dǎo)通，所以必須降低其電流消耗！7.9對(duì)于圖7.28所示基準(zhǔn)電流源，設(shè)M3和M4的尺寸相同，M1和M2的W/L之比為K:1。1）試推導(dǎo)輸出電流的表達(dá)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(diǎn)是什么？圖7.28解：1）設(shè)流過(guò)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(duì)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(zhǔn)電流表達(dá)式相同。但該電路消除了M2管的體效應(yīng)。7.10推導(dǎo)圖7.6（a）和（b）所示電路中的基準(zhǔn)電流。7.11參照?qǐng)D7.8（b）和圖7.9（b），分別設(shè)計(jì)一個(gè)CTAT和PTAT基準(zhǔn)電流源電路，要求基準(zhǔn)電流=10μA。假設(shè)=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(guān)。7.13若考慮圖7.30中運(yùn)放的失調(diào)電壓，試分析其對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。圖7.30參考答案：若不為零，則失調(diào)電壓被放大了。所以必須改進(jìn)電路以減小其影響。7.14試推導(dǎo)圖7.31所示電路的輸出電壓，調(diào)節(jié)m時(shí)，輸出電壓的幅值與溫度系數(shù)如何變化？圖中，M1和M2對(duì)稱(chēng)，M3的寬長(zhǎng)比是M1的m倍。Q2和Q3對(duì)稱(chēng)，Q1的發(fā)射區(qū)面積是Q2的n倍。假設(shè)運(yùn)放的增益A是無(wú)窮大。圖7.31解：電路中，M1、M2和M3組成電流鏡，并且有。運(yùn)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(guò)電阻R2產(chǎn)生的電壓加到Q3的VBE上，從而獲得輸出基準(zhǔn)電壓VREF：V由上式可知，當(dāng)R1和R2固定，通過(guò)調(diào)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(shí)現(xiàn)起來(lái)更為容易，占據(jù)較小的芯片面積，并且容易實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)節(jié)范圍