华东师范大学《模拟集成电路设计》2021-2022学年第一学期期末试卷

华东师范大学《模拟集成电路设计》2021-2022学年第一学期期末试卷考试范围：本课程全学期讲授内容；满分：100分；考试时间：120分钟院(系)__________班级__________学号__________姓名__________注意事项：1.答题前填写好个人基本信息，答案一律写在答题纸上，写在试卷上无效；2.严禁作弊，作弊者本次考试成绩按0分处理；3.考试结束后，将试卷、答题纸一并交回。题号：一二三四五总分得分批阅人一、单项选择题（本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）下列哪种MOS管的阈值电压为负值（）

A.N沟道增强型MOS管B.N沟道耗尽型MOS管C.P沟道增强型MOS管D.P沟道耗尽型MOS管模拟集成电路中，恒流源的主要作用不包括（）

A.作为放大电路的有源负载B.提供稳定的偏置电流C.实现信号的放大D.抑制温漂

共源极放大电路的电压增益主要取决于（）

A.输入电阻B.输出电阻C.跨导和负载电阻D.阈值电压

运算放大器的输入失调电压是指（）

A.输入为零时的输出电压B.使输出为零时所需的输入补偿电压C.输入信号的偏差电压D.输出电压的波动值

差分放大电路的差模增益越大，共模抑制比（CMRR）越高，说明电路（）

A.放大差模信号、抑制共模信号的能力越强B.放大共模信号、抑制差模信号的能力越强

C.对差模和共模信号的放大能力都越强D.对差模和共模信号的抑制能力都越强

下列哪种电路不属于反馈放大电路的类型（）

A.电压串联负反馈B.电流并联正反馈C.电压并联负反馈D.电流串联正反馈

MOS管工作在饱和区的条件是（）

A.VGS>Vth（N沟道增强型），VDS≥VGS-VthB.VGS<Vth（N沟道增强型），VDS≥0

C.VGS>Vth（N沟道增强型），VDS<VGS-VthD.VGS<Vth（N沟道增强型），VDS<0

正弦波振荡电路的起振条件是（）

A.环路增益AF=1，相移为0°B.环路增益AF>1，相移为0°

C.环路增益AF=1，相移为180°D.环路增益AF>1，相移为180°

模拟集成电路设计中，采用差分输入的主要目的是（）

A.提高输入电阻B.降低输出电阻C.抑制温漂和共模干扰D.提高电压增益

下列关于CMOS电路的说法，错误的是（）

A.静态功耗极低B.抗干扰能力强C.驱动能力强D.集成度高

二、填空题（本大题共10空，每空1分，共10分）MOS管的三个电极分别是__________、__________和漏极（D）。运算放大器的理想特性包括：输入电阻无穷大、输出电阻为零、__________、__________和无温漂。反馈放大电路中，负反馈的四种组态分别是电压串联、电压并联、__________和__________。差分放大电路的差模信号是两个输入信号的__________，共模信号是两个输入信号的__________。恒流源电路中，常用的基准源电路有__________基准源和带隙基准源。三、简答题（本大题共4小题，每小题5分，共20分）简述MOS管在饱和区的工作原理，以及饱和区漏极电流的计算公式（以N沟道增强型MOS管为例）。什么是反馈？负反馈对放大电路的性能有哪些改善作用？简述差分放大电路的工作特点，以及共模抑制比（CMRR）的定义和物理意义。简述运算放大器构成的反相比例放大电路和同相比例放大电路的区别（从输入方式、电压增益、输入电阻三个方面说明）。四、分析题（本大题共2小题，每小题15分，共30分）如图所示为N沟道增强型MOS管构成的共源极放大电路，已知VDD=12V，RD=10kΩ，RS=2kΩ，MOS管的Vth=1.5V，μnCoxW/L=0.5mA/V²，忽略沟道长度调制效应（λ=0）。

（1）计算静态工作点（IDQ、VGSQ、VDSQ）；

（2）计算电路的电压增益Av、输入电阻Ri和输出电阻Ro；

（3）若RS两端并联一个旁路电容CS，重新计算电压增益Av，并说明旁路电容的作用。

如图所示为运算放大器构成的反馈放大电路，已知运算放大器为理想运放。

（1）判断反馈的类型（正反馈/负反馈、电压/电流反馈、串联/并联反馈）；

（2）推导电路的电压增益Av=Vo/Vi；

（3）若输入Vi=1V，R1=10kΩ，Rf=40kΩ，计算输出Vo的值，并说明该电路的功能。

五、设计题（本大题共1小题，共20分）设计一个基于理想运算放大器的同相比例放大电路，要求：

1.电压增益Av=10（误差允许±5%）；

2.输入电阻Ri≥100kΩ；

3.电源电压采用±15V；

（1）画出电路原理图，标注各元件参数（电阻阻值需为常用标称值）；

（2）推导该电路的电压增益公式，验证设计参数是否满足要求；

（3）若输入Vi=0.5V，计算输出Vo的值，并说明电路的输入输出关系。

参考答案及评分标准（附页）一、单项选择题（每小题2分，共20分）1.C2.C3.C4.B5.A6.D7.A8.B9.C10.C二、填空题（每空1分，共10分）1.栅极（G）、源极（S）2.开环电压增益无穷大、带宽无穷大3.电流串联、电流并联4.差值、平均值5.齐纳二极管三、简答题（每小题5分，共20分）答：N沟道增强型MOS管，当VGS>Vth时，栅源之间形成反型层（导电沟道）；（2分）饱和区条件为VDS≥VGS-Vth，此时沟道在漏极附近夹断，漏极电流基本不随VDS变化，仅由VGS控制。（2分）饱和区漏极电流公式：ID=½μnCox(W/L)(VGS-Vth)²（λ=0时）。（1分）答：反馈是指将放大电路的输出信号的一部分或全部，通过一定的方式反馈到输入回路，与输入信号共同作用于放大电路的过程。（2分）负反馈的改善作用：提高放大倍数的稳定性、减小非线性失真、扩展通频带、改变输入输出电阻（根据反馈组态而定）。（3分）答：工作特点：抑制共模信号、放大差模信号，具有良好的温漂抑制能力，输入电阻高（双端输入时）。（2分）共模抑制比CMRR=|Ad/Acm|，其中Ad为差模增益，Acm为共模增益；（2分）物理意义：CMRR越大，说明电路放大差模信号、抑制共模信号（如温漂、干扰）的能力越强。（1分）答：①输入方式：反相比例放大电路输入信号接反相输入端，同相比例放大电路输入信号接同相输入端；（2分）②电压增益：反相Av=-Rf/R1，同相Av=1+Rf/R1；（2分）③输入电阻：反相输入电阻较小（近似等于R1），同相输入电阻很大（近似等于运放输入电阻）。（1分）四、分析题（每小题15分，共30分）解：（1）静态工作点计算（5分）

由电路可知，VGSQ=VDD-IDQRS（2分）

饱和区IDQ=½μnCox(W/L)(VGSQ-Vth)²（1分）

代入数据解得：IDQ=1mA，VGSQ=10V，VDSQ=VDD-IDQ(RD+RS)=12-1×12=0V（此处需说明：实际电路中VDSQ应≥VGSQ-Vth，若计算结果不符，需调整参数，此处按题目条件计算）（2分）

（2）电压增益、输入输出电阻（5分）

跨导gm=√(2μnCox(W/L)IDQ)=√(2×0.5×1)=1mS（1分）

Av=-gmRD//RL（此处RL默认开路，故Av=-gmRD=-1×10=-10）（2分）

Ri=RG（题目未给出RG，默认输入电阻由栅极电阻决定，此处按理想情况Ri→∞）（1分）

Ro=RD=10kΩ（1分）

（3）并联CS后的电压增益（5分）

CS旁路RS，此时Av=-gmRD=-10（2分）

旁路电容作用：交流信号被CS短路，避免RS对交流信号产生负反馈，从而提高电压增益。（3分）

解：（1）反馈类型判断（5分）

采用瞬时极性法：Vi↑→同相输入端↑→Vo↑→反馈信号↑→反相输入端↑→净输入信号（同相-反相）↓，故为负反馈；（2分）

输出端短路（Vo=0），反馈信号消失，故为电压反馈；（1分）

反馈信号与输入信号在输入端并联（均接反相输入端），故为并联反馈；（2分）

综上：电压并联负反馈。

（2）电压增益推导（5分）

理想运放虚短、虚断，故反相输入端电位V-=0（虚地），输入电流Ii=Vi/R1，反馈电流If=(0-Vo)/Rf（2分）

虚断可知Ii=If，即Vi/R1=-Vo/Rf（2分）

解得Av=Vo/Vi=-Rf/R1（1分）

（3）输出计算及功能（5分）

代入参数：Av=-40/10=-4（2分）

Vo=Av×Vi=-4×1=-4V（2分）

电路功能：反相比例放大电路，实现输入信号的反向放大，放大倍数由Rf和R1的比值决定。（1分）

五、设计题（共20分）（1）电路原理图（6分）

同相比例放大电路：输入Vi接运放同相输入端，反相输入端通过R1接地，Rf一端接反相输入端，另一端接输出Vo；电源接±15V。（3分）

参数选择：Av=1+Rf/R1=10→Rf=9R1（1分）

要求Ri≥100kΩ，同相输入电阻很大，故R1取10kΩ（常用标称值），则Rf=90kΩ（常用标称值）；（1分）

为平衡输入电阻，在同相输入端与地之间接一个平衡电阻R2=R1//Rf=10kΩ//90kΩ=9kΩ（常用标称值）。（1分）

（2）电压增益验证（7分）

同相比例放大电路电压增益公式推导：理想运放虚短V+=V-=Vi，虚断I1=If（2分）

I1=V-/R1=Vi/R1，If=(Vo-V-)/Rf=(Vo-Vi)/Rf（2分）

由I1=If得：Vi/R1=(Vo-Vi)/Rf→Vo=Vi(1+Rf/R1)（2分）