华中科技大学CMOS拉扎维第二章课后作业答案中文版

1、CMOS Analog DesignHome work 1 Soluti onBy：张涛（）2007年3月18日作业内容:一、书本上的习题2.22.5 (a)、(b)、(c)2.6 (a)、(b)2.72.152.82.182.24参考解答过程2.2.(1)对于NMOS，工作在饱和区时，有：1W2I D UnCo(Vgs Vth ) (1Vds)Gm Vgs, W=UnCox (VGS VTH) (1VDS)= J2UnCoxW(VGs Vth ) Id(1Vds)RunCoxW（Vgs Vth）|d （忽略沟长调制效应）=3.66mA / Vro 丄=20k|dA= Gm ro =73.3(

2、2)对于PMOS,公式基本同上IdUpCox W (Vgs Vth)2(1Vds)2L_|dGm VgsVth) (1Vds)W=UpCox (VgsLOX W (Vgs Vth)|d(1Vds)J2UPCox W (Vgs Vth )|d (忽略沟长调制效应)=1.96mA / Vro -=10 k|dA= Gm ro =19.62.5a.若不考虑二级效应，则1 W2|X|D -Un Cox (Vgs Vth)2 L1W2=Ix Id UnCox(Vgs Vth)实际情况下，由于衬偏效应会影响VthVgs Vdd VxVds Vdd VxVsb VxVthVth0(FVsb 42)1 W2I

3、X UnCox (Vgs Vth )2 L1 WLUnCox(Vgs Vth0 (J22O0-UISOtiIOOtiSOti050 Oh£.5311. 52VJb駅 K CLiiO CVCLTS)FVxJ2 F)22 LIXVX曲线图b.(1)当s、0 VxD反向VGS 1.91时,VxVds 1 VxVGS-VTH=1.2-VX VDSNMOS处于S、D方向的三极管区1W2UnCox 2(1.2 Vx)(1 Vx) (1 Vx)2< Vx 1.2 时，此时,Ix(2)当 1VGS-VTH=0.2>VDS=VX-1(未考虑衬偏效应)此时，NMOS处于正向导通的三极管区1

4、W2IX= UnCOx 2*0.2( Vx 1) (Vx 1)22 L(3)当 VX 1.2 时NMOS处于饱和区1 W2Ix -Un Cox (Vgs Vth)2 L1 W2=Un Cox (0.2)2 LEIDTOOii若考虑衬偏效应，则 上，当衬偏效应比较大时，111111IT 11 1.52Vol taee K (lia) (VOLTS)IXVX曲线图未考虑衬偏效应时的曲线VTH增大，当衬偏效应比较小，反向后仍有VGSvVTH，贝U MOS管在反向之后一直截止,50 Cm2.5VGS>VTH , 曲线同曲线如下：IXVX曲线图考虑衬偏效应时的曲线(C)(1) 0<Vx<

5、;0.3时，MOS管反向导通。(未考虑衬偏效应)VGS=1-VX VDS=1.9-VXVGS-VTH=0.3-VX<VDS=1.9-VXNMOS处于反向导通的饱和区1 W2此时 lx=- UnCox(0.3 Vx)2 L(2) 当VX >0.3时，MOS管截止UmIDVX曲线图1 2H din) (VOLTS)IXVX曲线图考虑衬偏效应后，曲线与 X轴的交点会该变位置2.6(VDD VX) |VGS|= R1R1 R2|VDS|= (VDD VX)所以 |VDS|>|VGSHVTH| PMOS处于饱区1 W2Ix UpCox一(|Vgs | |Vthp |)2 L2Jup C

6、OXW (VDX)R1 |Vth p|2L R1 R2WGm= #2 Up Cox T ID=UpCoxW (VDLX)r1 |Vthp |L R1 R2-h- - - - - - 4- -111111l11111111111111 ：111111r 11111111-T -1111-厂-1111- -1-1111-1 -11111s1s!111 * !1111 J1111_L_111111111|_ _1111 Jh11111 r111111111111111111111i11 _111114、111、. !111111111111111111 h h1111.111111111111111

7、/人r11111111r ' ' 1 "''0.1 500in 1 1' 1 1.5' ' 1 ' " ' £ 1 2.53mt If* I ain) CVDLTS)iQiSOOkh2 5152Voltage I Qin) (VOLTS)IDVX曲线图Gm与VX曲线图|VGS|=(VDD VX)R2R1 R2|VDS|= (VDD VX)所以 VDS>VGS-VTHPMOS处于饱区2|VTHn |)21 WIx Un Cox(|Vgs|2 L1 W=_UnCox 2 L2(Vdd Vx)

8、 R2 VthnR1 R2Gm= JpCoxlD= UnCoXW(VDLX)r2 vthnL R1 R20500(1巳5311.52畑y £ 111) CVDLTS)u_ /!！ I IT I5C0hm152X Gin) (VOLTS)Gm与VX曲线图2.7 （为了简化运算和分析，这里没有考虑二级效应）1.VOUT有电流通过 R1产生，电路工作时，S、D反向。（1 ）当 0 VIN 0.7 时，MOS管截止VOUT=0（2）当 0.7 VIN 1.7VGS-VTH=VIN-VOUT-0.7VDS=1-VOUTVGS-VTH VDSMOS管处于反向导通的饱和区1 WVout= |dR1

9、 UnCox (VGS2 L1 WUnCox(ViN Vout2 L(3)当 1.7 VIN 3Vth)2R12Vth) R1VGS-VTH VDSMOS管处于反向导通的三极管区1 W2Vout=|DR1 Un Cox 2(Vin Vout Vth)(1 Vout) (1 Vout)2 R12 LD5O0m£5311. 52Voltage X Qin) (VOLTS3VOUTVIN 曲线图2.VOUT有电流通过 R1产生，电路工作时，S、D反向。(1).当 0 VIN 1.3 时vds=vin-vout vgs-vthNMOS处于反向导通的三极管区1 W2VOUT=IxR1= -Un

10、Cox 2(2 Vout Vth)(Vin Vout) (Vin Vout) R12 L当 1.3 < VIN 3NMOS处于反向饱区1 W2VOUT=IxR1= UnCox (2 Vout Vth)2R12 L05001£.5311.5Z匕012苣建 K qiij (VOUS)£0 器 4 唱AVOUTVIN 曲线图2.8(a)VS=VDD-VOUTVB=VINMOSI1VSB=VDD-VOUT-VIN管处于二极管连接形式的饱和区1W2-“，GS Vth)22UnCoxr(V其中VthVth 0(FVsB晅F)1 W2UnCox(Vgs Vth )2 L1 W=-U

11、nCox(Vout Vtho2 LI1是恒流源，为定值，因此，可以得到所以I 1(72F Vdd-Vout-V in v2F )2VOUT和VIN的关系，见下图11111111111111111111111111111T1111111 7111Ay11-1、1<1、1111<I'!j J:1L.1_J1 J111 1 'LJ7斗1111J11J111J111J1*、!1JJJ0SCOm1,5£N5VOUTVIN曲线图(b)VGS=2-1=1VDS=VOUT-1VSB=1-VINVthVth 0(J2 F VsBTTV)(1)当M1处于饱和区边缘时，有VGS

12、-VTH=VDSVOUT= Vdd=Vdd由(1) (2)|dR11 W2-UnCox(Vgs Vth) R12 L则可以解出临界 vinovino 时VDS1.当 0 vinvgs-vthM1处于饱和区1 W2 Un Cox(Vgs Vth)2R12 Lvth可得到vinvout关系VOUT= Vdd代入VGS、2.当 vinovgs-vthM1处于线性区1W2VOUT= Vdd UnCox 2Vds(Vgs Vth ) Vds3.当 VINVIN1 时，vgs vthM1处于截止区代入vgs、vth、vds可以得至U VIN VOUT 关系<VIN VIN1 时vdsR1vino受电

13、阻R1的大小影响，当 R1比较小时，在O3V时，MOS管一直饱和，随着 增加，MOS管在VIN在03v时，可能同时经过饱和，三极管甚至截止区R1的1-Vtho (FVsb 72 ) =VOUT-13 -2. 9905 =2,£93 -2. 9995 - 11 已 2.999 -02. 531152Voltage K Qlil) (VOLTS)scgVOUTVIN 曲线图（C）S、D反向导通VGS=2-VOUTVDS=2-VOUTVSB=VOUT-VIN 所以 VDSVGS-VTHM1始终处于反向导通的饱和区。W -Gs Vth)2R1VOUT=I1R仁 Vdd1 W Un Cox (

14、V2 L1 W2=Vdd UnCox(2 Vout Vth)2R12 L其中 VthVth 0(FVsbF )VOUT上升VOUT，电流会从高电压流理论上，VGS0, VOUT应该是小于2V的，但是从实际仿真波形图上可以看到, 到了 2V以上，这是因为 VIN上升得比较大之后，衬低的电压大于 到低电压处，并通过 R1，使VOUT上升到2V以上。2.15晶体管工作在饱和区且为折叠结构CDBE CJSWCSBW22EE CJSWCGDLDVOXCGS2WLCox3wCvCGBWLCx Cd/WLCxCdCd WL（q siFgm/ 2 CGDCGSCDG=15.36fF, Cgs = 79.36f

15、F 求出 gm 即可工作在饱和区且Id = 1mA2 nCox %2LD Vgs2Vth1mAVgs=1.0182V-gTCGS6.285mA/ V10.6GHZ而由于体效应，源衬电压变化会引起漏源电流变化，从而2.18因为两图都以源端作为输出端, 不适合作为电流源。2.24（a）1. 当 VG |VTHN| 时M1截止（1）O VX VG+|VTHP|M2截止（2）VXVG+|VTHP|VX=VDS > |VGS|-|VTHP|所以M2处于饱和区1W2IXjUpCOX（） p（Vx Vg Vthp）厂 一 -/ - “ / 一 一 /一 一 沪 - -/_ 一 /1 11 11 11

16、11 11 11 11111111i加i十” ih11P111111111111 r,1 - 0 1 SDOfli1 111rr1.51r1-G2 513IXVX曲线图2. 当 VG|VTHN| 时M1导通（1）0 VX VG+|VTHP|M2 截止（i ）当 0 VX VGM1处于三极管区VX VG+IVTHP| 时（i）当 VG+VTHNM1处于三极管区(2) VXVG+|VTHP|M1 M2均处于饱和区T产一IIXVX曲线图(b)1.当 VG |VTHN| 时M1截止(1)0 VX VG+|VTHP|M2截止(2) VX>VG+|VTHP|因为M1截止，M2上仍然没有电流0500mZ. 53I