华东师范大学《模拟集成电路设计》2022-2023学年第一学期期末试卷

华东师范大学《模拟集成电路设计》2022-2023学年第一学期期末试卷院(系)：__________班级：__________学号：__________姓名：__________得分：__________考试时间：120分钟满分：100分考试形式：闭卷注意事项：1.答题前请将个人信息填写完整；2.所有答案均写在答题纸上，写在试卷上无效；3.考试结束后，将试卷与答题纸一同交回。一、单选题（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，请将正确答案的序号填在答题纸上。模拟集成电路中，MOS管作为放大器件时，通常工作在哪个区域？（）

A.截止区B.饱和区C.线性区D.击穿区

共源极放大电路的主要特点是（）

A.输入电阻低，电压增益高B.输入电阻高，电压增益高

C.输入电阻高，电压增益低D.输入电阻低，电压增益低以下哪种电流镜可以有效提高输出阻抗，减小输出电流随输出电压的变化？（）

A.基本电流镜B.共源共栅电流镜C.镜像电流镜D.威尔逊电流镜

差分放大电路的核心作用是（）

A.放大差模信号，抑制共模信号B.放大共模信号，抑制差模信号

C.同时放大差模和共模信号D.既不放大差模信号，也不放大共模信号

米勒定理主要用于分析模拟电路的哪个特性？（）

A.直流特性B.交流特性C.频率响应D.噪声特性

模拟集成电路中，沟道噪声主要来源于（）

A.载流子的热运动B.载流子的复合与产生C.栅极漏电流D.电源波动

RC桥式正弦波振荡电路要满足起振条件，放大器的电压增益至少需要达到（）

A.1B.2C.3D.4

带隙基准电路的核心目的是产生（）

A.随温度变化的基准电压B.不随温度变化的基准电压

C.随电源变化的基准电压D.随负载变化的基准电压

共栅极放大电路与共源极放大电路相比，其高频特性（）

A.更好B.更差C.相同D.无法比较

有源负载与无源负载相比，最大的优势是（）

A.成本低B.体积小C.输出阻抗高，电压增益大D.功耗低

二、填空题（本大题共10空，每空1分，共10分）请将正确答案填在答题纸上对应的位置。MOS管的阈值电压是指__________时的栅源电压。差分放大电路的共模抑制比CMRR定义为__________与__________的比值，其值越大，电路抑制共模信号的能力越强。模拟电路中，噪声的常用表征参数有__________和__________。共源共栅放大电路由__________和__________级联组成，可有效提高输出阻抗和电压增益。反馈放大电路中，根据反馈的极性，可分为__________反馈和__________反馈。三、简答题（本大题共5小题，每小题6分，共30分）请简要回答下列问题，答案写在答题纸上。简述单级共源放大电路中，负载电阻对电压增益和输出电阻的影响。什么是电流镜？基本电流镜的工作原理是什么？简述差分放大电路中，长尾电阻的作用。若将长尾电阻替换为电流源，有什么优势？模拟集成电路中，为什么要重视频率响应？共源级放大电路的高频截止频率主要由哪些因素决定？简述带隙基准电路的工作原理，说明其如何实现温度补偿。四、分析计算题（本大题共3小题，共30分）请写出详细的分析过程和计算步骤，答案写在答题纸上。（10分）如图所示的共源放大电路中，已知MOS管的参数：μₙCₒₓ=200μA/V²，W/L=50，Vₜₕ=0.5V，λ=0.01V⁻¹，栅源电压VGS=1.5V，负载电阻RD=10kΩ，电源电压VDD=5V。忽略沟道长度调制效应时，计算电路的电压增益Av；考虑沟道长度调制效应时，计算电压增益Av和输出电阻Ro。（10分）某差分放大电路，差模输入电压Vid=10mV，共模输入电压Vic=1V，已知电路的差模电压增益Avd=100，共模电压增益Avc=0.1。计算电路的输出电压Vo，并计算共模抑制比CMRR（用dB表示）。（10分）基本电流镜电路中，参考电流IR=100μA，两个MOS管的参数完全相同，μₙCₒₓ=100μA/V²，W/L=40，Vₜₕ=0.4V，λ=0.02V⁻¹。忽略沟道长度调制效应时，计算镜像电流IO；若输出端电压VDS=2V，考虑沟道长度调制效应时，计算镜像电流IO。五、设计题（本大题共1小题，共10分）设计一个简单的共源放大电路，要求：电源电压VDD=5V，电压增益Av≥20，输入电阻Ri≥100kΩ，输出电阻Ro≤10kΩ。请画出电路原理图，标注各元件参数，并简要说明设计思路。参考答案及评分标准一、单选题（每小题2分，共20分）1.B2.B3.B4.A5.C6.A7.C8.B9.A10.C二、填空题（每空1分，共10分）1.开始形成导电沟道2.差模电压增益；共模电压增益3.噪声功率谱密度；噪声电压有效值（合理即可）4.共源级；共栅级5.正；负三、简答题（每小题6分，共30分）（6分）①负载电阻RD增大，电压增益的绝对值增大（3分）；②负载电阻RD增大，输出电阻Ro增大（3分）。（补充：忽略沟道长度调制时，Av=-μₙCₒₓ(W/L)RD(VGS-Vₜₕ)，Ro=RD，可辅助说明，不额外加分）（6分）①电流镜是一种能产生与参考电流成比例的输出电流的电路，常用于模拟电路中提供稳定的偏置电流或作为有源负载（2分）；②基本电流镜由两个参数完全相同的MOS管（或BJT）组成，其中一个管子作为参考管，工作在饱和区，其漏极电流为参考电流IR；另一个管子作为输出管，同样工作在饱和区，由于栅源电压与参考管相同，因此输出电流IO与IR近似相等（4分）。（6分）①长尾电阻的作用：抑制共模信号，稳定静态工作点，减小温漂（3分）；②替换为电流源的优势：电流源的输出阻抗远大于长尾电阻，能进一步提高共模抑制比，更好地抑制共模信号和温漂，同时能为差分对管提供更稳定的偏置电流（3分）。（6分）①原因：模拟集成电路常用于处理不同频率的信号，频率响应决定了电路对不同频率信号的放大能力，若频率响应不佳，会导致信号失真，影响电路性能（3分）；②共源级放大电路的高频截止频率主要由栅极寄生电容、漏极寄生电容以及负载电容决定（3分）。（6分）①工作原理：利用半导体的正向压降（VBE）随温度升高而减小，与电阻的热电压（VT）随温度升高而增大的特性，通过合理的电路设计，使两者的温度系数相互抵消，从而得到稳定的基准电压（4分）；②温度补偿：通过调整电路中电阻的比值，使VBE的负温度系数与VT的正温度系数大小相等、方向相反，最终实现基准电压不随温度变化（2分）。四、分析计算题（共30分）（10分）①忽略沟道长度调制效应（λ=0）：

首先计算漏极电流ID：ID=0.5μₙCₒₓ(W/L)(VGS-Vₜₕ)²=0.5×200×10⁻⁶×50×(1.5-0.5)²=0.5mA（3分）

跨导gm=μₙCₒₓ(W/L)(VGS-Vₜₕ)=200×10⁻⁶×50×1=10mS（2分）

电压增益Av=-gmRD=-10×10⁻³×10×10³=-100（2分）

②考虑沟道长度调制效应（λ=0.01V⁻¹）：

输出电阻Ro=RD//(1/(λID))=10kΩ//(1/(0.01×0.5×10⁻³))=10kΩ//200kΩ≈9.52kΩ（2分）

电压增益Av=-gmRo=-10×10⁻³×9.52×10³≈-95.2（1分）

（10分）①输出电压Vo=Avd×Vid+Avc×Vic=100×10×10⁻³+0.1×1=1+0.1=1.1V（5分）

②共模抑制比CMRR=|Avd/Avc|=100/0.1=1000（3分）

转换为dB：CMRR(dB)=20lg1000=60dB（2分）

（10分）①忽略沟道长度调制效应（λ=0）：

由于两管参数相同，且均工作在饱和区，因此IO=IR=100μA（4分）

②考虑沟道长度调制效应（λ=0.02V⁻¹）：

首先计算参考管的VDS：参考管通常接成二极管连接，VDS=VGS（1分）

由IR=0.5μₙCₒₓ(W/L)(VGS-Vₜₕ)²，代入数据得：100×10⁻⁶=0.5×100×10⁻⁶×40×(VGS-0.4)²，解得VGS=0.9V（3分）

输出管的VDS=2V，镜像电流IO=IR×(1+λVDS)/(1+λVGS)=100μA×(1+0.02×2)/(1+0.02×0.9)≈100×1.04/1.018≈102.16μA（2分）

五、设计题（10分）1.电路原理图（4分）：共源放大电路，包含MOS管、栅极偏置电阻Rg、负载电阻RD、电源VDD、输入信号Vin、输出信号Vout，接地端。（标注清晰，元件齐全即可）2.参数设计（4分）：

①选择MOS管参数：μₙCₒₓ=200μA/V²，W/L=50，Vₜₕ=0.5V，λ=0.01V⁻¹

②栅极偏置电阻Rg=200kΩ（满足Ri≥100kΩ）

③设定VGS=1.5V，计算ID=0.5×200×10⁻⁶×50×(1.5-0.5)²=0.5mA

④要求Av≥20，Av=-gmRD，gm