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第二章：MOS器件物理1概念：熟悉增强型NMOS管的工作原理，画出NMOS输出特性曲线并指出线性区和饱和区NMOS漏电流随VGS的变化曲线： 当Vgs小于Vth时，NMOS管截止；当Vgs大于Vth时，在NMOS管漏极和源极间形成反型层，即导电沟道。这时在Vds的正向电压的作用下，NMOS管漏极和源极间有电流产生。当VdsVth, VdsVth, VdsVth, VdsVgs-Vth）: 3衬底效应：由于Vbs不为0而引起阈值电压的变化的效应。4沟道调制效应：在MOS管工作于饱和状态时，MOS管的导电沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏间的电压差的增加而向源极移动，既有效沟道、长度实际上是Vds的函数。这一效应称为“沟道调制效应”。 ， 5亚阈值效应：当MOS管的Vgs略小于Vth时，在实际中MOS管已开始导通，仍会在MOS管的导电沟道产生一个弱反型层，从而产生由漏极向源极的电流，该现象称为NMOS管的亚阈值效应，且Id 与Vgs呈指数关系。6. 体效应：对于NMOS，当VBVS时，随VB下降，在没反型前，耗尽区的电荷Qd增加，造成VTH增加，也称为“背栅效应”。 7. 这种由于VBS不为0而引起阈值电压的变化的效应就称为“衬底效应”，也称为“背栅效应”。8计算和画图Vy0V3V-2VId 1）在下图中的参数为：, ,。分别计算当和时NMOS的漏极电流。解： （1）Vy=1V，漏极在右，Vgs=3V，Vds=1V，Vsb=2V。 Vth= Vth0+(-)=1.39V, Vgs- Vth=1.61V 因为Vds=1V Vgs- Vth, NMOS工作在线性区. Id= KW/L(Vgs- Vth) Vds-Vds2/2=60 1.61X1-1/2=66.6A（2）Vy=-1V，漏极在左，Vgs=4V，Vds=1V，Vsb=1V。Vth= Vth0+(-)=1.2V, Vgs- Vth=2.8V，因为Vds=1V Vgs- Vth, NMOS工作在线性区.Id= -KW/L(Vgs- Vth) Vds- Vds2/2=-60x12.8x1-1/2=138A2） 如下图所示，画出M1的导通电阻随VG的变化曲线。假设：n Cox=50A/V2，W/L=10，Vth=0.7V,且漏极开路。VGDS+-1V 由于漏极开路,所以, Id=0, Vds=0, VdsVgs-Vth.要使管子形成反型层,VgsVth+1V=1.7V. 当Vg1.7V,由于Vds=0, 管子工作在深线性区, Ron =3） W/L=50/0.5，Id=0.5mA,计算NMOS的跨导和小信号增益gmro(ro=20K，nCox=60A/V2)。 gm = = = = 2.45 4） 画出NMOS共源放大器考虑沟道调制效应时的低频小信号等效电路。（其中：NMOS负载为电阻RD)。 （4） （5）5）画出NMOS带有负反馈电阻Rs的共源放大器考虑沟道调制效应、衬底效应的低频小信号等效电路(不包括NMOS负载电阻RD)。第三章：单级放大器1. 对于下图所示电路。计算小信号电压增益，其中，(W/L)1=40/1,(W/L)2=10/1,ID1=ID2=1mA，n Cox=50A/V2，ro1=ro2=20k(忽略M2的衬底效应)。 gm=； Rout=/ro1 Av=gm1x Rout 2. 假设下图所示的共源级电路提供的输出电压摆幅为1V到3V，假定(W/L)1=50/0.5,Rd=2k,=0，Vth=0.7V, Vdd=3V,n Cox=50A/V2。(a) 计算Vout=1V和Vout=2.5V时的输入电压。 (b) 计算两种输出电压情况下NMOS管的漏电流以及跨导。IdVout=1V= =1mA, VinVout=1V =Vth+=0.7+=1.332VIdVout=2.5V= =0.25mA, VinVout=2.5V =Vth+=0.7+=1.016Vgm Vout=1V= =3.162 gm Vout=2.5V= =1.581 3. NMOS管连接成二极管的方式如下图所示，其中：Kn =50A/V2, W/L=4,Vth =0.7V,I=1mA, =0.02，画出该电路的小信号等效电路；如果忽略其沟道调制效应的影响，计算该电路的小信号电阻。 解：该电路的小信号等效电路如图所示。由于，小信号电阻=），忽略ro得到：小信号电阻=因为NMOS管工作在饱和状态，所以 =，小信号电阻=4. 对于下图所示的电阻负载共源放大器，如果忽略M1沟道调制效应，分析并推导M1的三个工作区域，以及画出该电路的输入输出特性曲线。答： ，当时，M1截止；当时，M1导通， ， 截止区：，ID= 0，Vout = VDD 饱和区：，且 三极管区：，且， (4)根据三个区域的输出电压，画出该电路的输入输出特性曲线，其中：Vin从0到VTH为截止区；Vin从VTH到Vin1为饱和区；Vin从Vin1开始，进入线性区，（A为M1工作在线性区和饱和区的交界点）5. 画出如下图所示电路的小信号等效电路，并计算该放大器的小信号增益。(W/L)1=80，(W/L)2=20，=0.02，忽略M2管沟道调制效应。解：小信号等效电路如图所示： 其中，和是M2的交流小信号等效电路所得，其电流方向应和一致，由于，则，, , 6. 采用电流源负载的共源放大器如下图所示，其中：M2和M3的尺寸相同，假设在忽略沟道调制效应和衬底效应条件下，流过M2和M3的电流相同，如果MOS管的n=0.1，p=0.2, Kn=50A/V2，求该电路的小信号增益。7. 假定(W/L)1=50/0.5，RD=2kW，l=0；分析图2电路，并进行相关计算，给出对应的设计参数。a) 使工作在线性区的边缘的输入电压为多少？当时，晶体管工作在线性区的边缘，且；由于,不会出现体效应，且l=0，不存在沟道长度调整，因此,解得，；时，晶体管工作在截止区，因此舍去；所以使工作在线性区的边缘的输入电压，此时。b) 输出端电压时，管的漏电流及跨导是多少？，晶体管工作在饱和区，则,c) 输出端电压时，管的小信号增益()是多少？ d) 多大的输入端电压，可以使输出端电压？晶体管工作在饱和区，则e) 输出端电压时，管的输出电压摆幅（Swing-Swing+）在什么范围？即不会导致晶体管进入三极管区或截止区造成失真的放大范围。输出电压摆幅，即为输出端电压距离三极管区的不失真放大范围，以地为参考点的电位形式。时，, 所以输出电压摆幅在0.4284.572V范围。f) 当输入端电压时，输出端电压等于多少？,由于，晶体管工作在饱和区，则g) 如果l=0.1，且要求输出端电压，那么管的最大电压增益（或本征增益）是多少？或，8. 在图3所示的采用电流源负载的共源级电路中，(W/L)1=50/0.5，(W/L)2=50/2，ID1= ID2 =0.5mA，晶体管都处于饱和区，。求：电路的小信号电压增益是多少？两个晶体管都处于饱和区时，输出电压的最大摆幅是多少？ ，当M1处于线性区边缘时，所以有，即，迭代求解得，当M2处于线性区边缘时，, ，即，迭代求解得， 所以，输出电压范围为0.27V2V，摆幅为1.73V。 第四章：差分放大器1. 在下图电路中，(W/L)1-4=100,Is=1mA。其中：Vdd=3V，gm1=3.66(1/m),pCox=38.3A/V2,p=0.2, n=0.1，Vthn=0.7V。求小信号差动增益，输出电阻和当Vin,CM=1.5V，求最大允许的输出电压摆幅。小信号差动增益：Av = -gm1(ro1/ro4)，gm1=3.66(1/m), ro2 = 1/nId = 1/(0.1x0.5mA) = 20k ，ro4 = 1/pId = 1/(0.2x0.5mA) = 10k 输出电阻 Ro = ro2/ro4 = (20x10)/(20+10) k = 6.67 k Av = -3.16 x 6.67 = -24.4，Vo(min) = 1.5-Vthn = 1.5-0.7 = 0.8VVo(max) = Vdd Vds4(sat) = Vdd (|Vgs4|-|Vthp|)= vdd - = 3 - = 3-0.51= 2.49V最大允许的输出电压摆幅: 2.49V-0.08V = 1.69V4.11假定图4.32(a)中，差动对的参数为：，仍由NMOS来提供，有。 (a) 如果输入端和输出端差动信号的摆幅较小，求允许的最大输入共模电压和最小输入共模电压。 (b)若，画出当从0到3V变化时，电路的小信号差动电压增益的草图。 解 (a) ， ， (b) （b） 4.12 题4.11中，若M1管和M2管阈值电压的失配为1mV，求CMRR。 由于M1管和M2管阈值电压的失配，因此有： ， ， 4.13 题4.11中，若，求CMRR。 IRABM1M2M3M4Vo+-IouttoRRooR第五章：电流镜1写出下图共源共栅电流源的低频小信号输出电阻和最小输出电压。（假设：所有MOS管的尺寸相同）（1）Ro = ro1 + 1 + (gm2 + gmb2)ro1 ro2 (2) Vgs4 = Vgs3 = + Vth = V + Vth其中：V为MOS管的过驱动电压。 VA = Vgs3 + Vgs4 = Vth + V + Vth + V= 2 ( Vth + V)当M2的漏级电位比栅级电位低到小于Vth时，M2进入线性区。 Vds2 = Vo - VB , Vgs2 = 2 ( Vth + V)- VB （1） Vgs2-Vth = 2V + Vth - VB （2） 要使M2处于饱和状态，要满足：Vds2 Vgs2 - Vth 比较（1）和（2）可得：Vo(min) = 2V + Vth2. 改进型的威尔逊电流源如下图所示，说明其负反馈调节的工作原理，推导满足Vgs3=Vgs4的电路中NMOS管的尺寸的条件。（1）工作原理：假设输出电流Io有一个Io的增量，则M2的漏极电压也有一个V的增量。该增量通过M1和 M2的镜象作用反馈到M1支路，则M1的Vgs也有一个V的增量，该增量导致M1的Vds1的减小，使得M3的Vgs也有一个相应的减小，所以Io将调回到原值；反之亦然。因此，Io的稳定是由M2将输出电流反馈到IR支路得到。（2）要保证Vgs3=Vgs4，则由：（i=1-4）所以：，因为：Id4 = Id1, Id3 = Id2, Vgs2=Vgs1则：得： - - 第六章：频率响应1. 级连放大电路如图所示,求每个运算放大器输出节点的传递函数和总的传递函数Vo/Vi（假设每个运算放大器为理想放大器）。-， , 第九章：运算放大器1共模反馈的速度，运放的理想共模抑制比CMRR；运放的低频小信号增益与运放的工作频率带宽存在什么矛盾。共模反馈电路的速度要比运放差分电路的速度要快，否则很难实现有效的输出共模电平的调节；运放的理想共模抑制比CMRR是无穷大；运放的低频小信号增益与运放的工作频率带宽的变化趋势相反，若增益上升，工作频率带宽变小；反之亦然。2运放的低频小信号增益，运放的单位增益带宽定义，如果保证运放工作稳定，运放的相位裕度的范围要求。运放的低频小信号增益是运放在低频小信号输入情况下，运放的交流输出电压与交流输入电压之比；运放的单位增益带