X011b_习题课解答_清华大学_电子电路与系统基础
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S G VDD iG M M D vD vG VDD iD
有源负载：可向 外提供能量，具 有非线性内阻的 电压源，vG固定则 可作为NMOS的负 载，vG变化则可实 现PMOS反相功能
6
李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
NMOS和PMOS
电路符号 NMOS
D G vGS S iG M vDS
李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2013年春季
作业3 PMOS反相器
VDD M
vIN RD vOUT
VDD
M2
vIN
VG0 M1 vOUT
10
PMOS反相器：图解法原理分析
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V VG0 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
VDS 2 I D n VGS VTH 1 VE
VDS 2 I D n VGS VTH 1 VE
2
1 2 2 0 . 5 1 0.5 1.02 0.51mA 50
– NMOSFET参量为 n=2.5mA/V2，VTHn=0.8V； PMOSFET参量为 p=1mA/V2，VTHp=0.7V； 偏置电阻RD=3.3k，电源 电压VDD=3.3V – 假设通过某种偏置方式， 使得图b所示NMOSFET的 栅极电压被设置为 VG0=1.3V，源栅电压为 VGSn=1.3V，过驱动电压为 Vodn=VGSn-VTHn=0.5V。
清华大学电子工程系
13% 30% 26% 20% 11%
2013年春季
43% 46% 11%
3
李国林 电子电路与系统基础
作业1：NMOS晶体管
• （1）某NMOSFET的过驱动电压为0.5V，其饱 和电压为多少？ • （2）该晶体管的n=2mA/V2，厄利电压为 VE=50V，则在VDS=1V时，漏极电流为多少？ • （3）其等效电路模型中的源电流为多少？源 内阻为多少？
iG
ID
VDS>VDS,sat VGS>VTH ID0 rds
清华大学电子工程业2：PMOS晶体管
S vSG G iG D iD M vSD
• 画表格，一侧NMOS，一侧PMOS • （1）画出NMOS、PMOS晶体管电路符号，二端口网络定义 （端口电压、端口电流） • （2）写出NMOS、PMOS晶体管的元件约束方程 • （3）画出伏安特性曲线示意图 • （4）对于图示的PMOS连接，给出二端口网络的元件约束方程， 画出输出端口（有源负载）伏安特性曲线示意图
7
O
O
函 数 平 移 与 反 褶 运 算
y S VSG G IG D ID O M VSD
ID VSD=VSDsat=VSG-VTH 5V 4V 3V VSG0 2V VSD x VSG c
无源
VDD 5V VTH 1V
S G VDD IG M M D
I D f VSG ,VSD f c, x y
14
分段折线：PMOS欧姆
vIN vIN ,k 1.74V vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
iD 2 p VDD vG VTH , p VDD v D 0.5VDD v D 2 p VDD v IN VTH , p VDD vOUT
6.6 2.6 v IN VDD 6.6 2.6 v IN 1
2
3.3 2.6 vIN
2
输入降低，输出提高
vOUT p VDD v IN VTH , p
2
2
VTH , p v IN
3.3 2.6 v IN v IN 0.7
3.3 2.6 vIN vIN 0.7 0
iD D G iG M vGS S O
李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2013年春季
iD
vDS=vDSsat=vGS-VTH 恒流导通区 vGS>VTH vGS vGD<VTH vDS 截止区：vGS<VTH
4
M
vDS
欧姆导通区 vGS>VTH vGD>VTH
• （1）某NMOSFET的过驱动电压为0.5V，其饱和电压为多少？ • （2）该晶体管的n=2mA/V2，厄利电压为VE=50V，则在VDS=1V时，漏极电流 为多少？ • （3）其等效电路模型中的源电流为多少？源内阻为多少？
Vod VGS VTH 0.5V
过驱动电压：只有过驱动，VGS=VTH+Vod，才能有静电荷积累形成的沟道
从VGS这个角度看
VDS , sat VGS VTH 0.5V
饱和电压：只要VDS>VDS,sat，沟道则夹断，电流呈现饱和特性
从VDS这个角度看
VDS 1V VDS , sat 0.5V 晶体管位于有源区
vSG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p
S G
VDD
IG M
ID
y
ID 0V 1V
VD= VDD-VSDsat=VG +VTH
M D
VD VG VDD
VG0
2V 3V O VDD
VG c VD x
RD
vOUT
VDD
M
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
vIN RD vOUT
vOUT 0
VG0
ID 0V 0.9V 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
iD
vD RD
李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
12
分段折线：PMOS恒流
VDD vIN
VDD
M
RD
vOUT
2
VDD vOUT ron
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ron vIN RD vOUT
vOUT
RD VDD RD ron
2 p VDD v IN VTH , p RD 2 p VDD v IN VTH , p RD 1
李国林 电子电路与系统基础
y S VSG G IG D ID O M VSD
ID VSD=VSDsat=VSG-VTH 5V 4V 3V VSG0 2V VSD x VSG c
晶体管是非线性电阻 关联参考方向下，DS端口伏安 特性全部位于一、三象限，只 能吸收功率而无法释放功率
0 2 iD 2 p vSG VTH , p vSD 0.5vSD 2 v V 1 p vSD TH , p p SG
晶体管是电压源的非线性内阻 源关联参考方向下，DS端口伏 安特性存在位于第一象限的区段， 可以在此区段向外释放能量
对外等效为恒流源
对外等效为有内阻的戴维南源
0 2 iD 2 p VDD vG VTH , p VDD v D 0.5VDD v D 2 V v V 1 p VDD v D p DD G TH , p
y ID 0V 1V VD VG VDD O VG0 2V 3V VDD VG c VD x VD= VDD-VSDsat=VG +VTH
ID
有源
I D f VDD VG ,VDD VD f VDD c,VDD x y
平移、反褶
清华大学电子工程系 2013年春季 8
VDD
+3.3V
vD iD RD
vIN
M
p=1mA/V2，VTHp=0.7V
3.3k
RD
vOUT
随着输入电压vIN=vG的增加，输出电 压vOUT=vD是降低的：反相功能
李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
11
分段折线：PMOS截止
vIN
VDD
M
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V
2 2 3.3vIN 18.16vIN 21.608 0
VG0
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
iD
vD RD
vIN 1.74V ,3.76V
vIN , k 1.74V vOUT ,k 2.44V
I D 0 n VGS VTH 2 0.5 2 0.5mA V 50V rds E 100k I D 0 0.5mA
李国林 电子电路与系统基础
VDS I D0 1 V E
VDS VDS I I D0 D0 V I rds E D0
vIN
VDD
M
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
I D0 p VDD vIN VTH , p
VDD
RD
vOUT
2.6 v mA
2 2 IN
ID0 vIN RD vOUT
电子电路与系统基础
习题课第十一讲
1、期中考题讲解 2、第九周作业讲解
李国林 清华大学电子工程系
习题课第十一讲 大纲
• 期中考试情况
• 期中考题讲解 • 第九周作业讲解
李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
2
期中考试分数情况
• 大班参加考试226人，全年级281人 • 平均分75.8分 • • • • • >=90分 >=80分 >=70分 >=60分 <60分 36 84 74 55 32
vOUT I D 0 RD p VDD v IN VTH , p 3.3 2.6 v IN
2
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V VG0 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
2
iD
vD RD
iD 欧姆导通区 vGS>VTH vGD>VTH
vDS=vDSsat=vGS-VTH 恒流导通区 vGS>VTH vGS vGD<VTH vDS 截止区：vGS<VTH
iD 欧姆导通区 vSG>VTH vDG>VTH
vSD=vSDsat=vSG-VTH 恒流导通区 vSG>VTH vSG vDG<VTH vSD 截止区：vSG<VTH
PMOS
G
S
vSG M iG vSD
D iD
0 2 iD 2 p vSG VTH , p vSD 0.5vSD 2 v V 1 p vSD TH , p p SG
vSG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p
输入降低，输出提高
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2013年春季
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分段折线
恒流欧姆分界
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V
vIN M
VDD
RD
vOUT
vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
vOUT p VDD vIN VTH , p
二端口网络定义
iD
元件约束条件
0 2 iD 2 n vGS VTH , n v DS 0.5v DS v V 2 1 v TH , n n DS n GS
vGS VTH , n vGS VTH , n ,vGD VTH , n vGS VTH , n ,vGD VTH , n
vG VDD VTH , p vG VDD VTH , p ,vD VTH , p vG vG VDD VTH , p ,vD VTH , p vG
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李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
• 请用分段折线法分析如 图所示PMOS反相器电路， 画出其输入-输出电压转 移特性曲线示意图
有源负载：可向 外提供能量，具 有非线性内阻的 电压源，vG固定则 可作为NMOS的负 载，vG变化则可实 现PMOS反相功能
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李国林 电子电路与系统基础
清华大学电子工程系
2013年春季
NMOS和PMOS
电路符号 NMOS
D G vGS S iG M vDS
李国林 电子电路与系统基础 清华大学电子工程系 2013年春季
作业3 PMOS反相器
VDD M
vIN RD vOUT
VDD
M2
vIN
VG0 M1 vOUT
10
PMOS反相器：图解法原理分析
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V VG0 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
VDS 2 I D n VGS VTH 1 VE
VDS 2 I D n VGS VTH 1 VE
2
1 2 2 0 . 5 1 0.5 1.02 0.51mA 50
– NMOSFET参量为 n=2.5mA/V2，VTHn=0.8V； PMOSFET参量为 p=1mA/V2，VTHp=0.7V； 偏置电阻RD=3.3k，电源 电压VDD=3.3V – 假设通过某种偏置方式， 使得图b所示NMOSFET的 栅极电压被设置为 VG0=1.3V，源栅电压为 VGSn=1.3V，过驱动电压为 Vodn=VGSn-VTHn=0.5V。
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13% 30% 26% 20% 11%
2013年春季
43% 46% 11%
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李国林 电子电路与系统基础
作业1：NMOS晶体管
• （1）某NMOSFET的过驱动电压为0.5V，其饱 和电压为多少？ • （2）该晶体管的n=2mA/V2，厄利电压为 VE=50V，则在VDS=1V时，漏极电流为多少？ • （3）其等效电路模型中的源电流为多少？源 内阻为多少？
iG
ID
VDS>VDS,sat VGS>VTH ID0 rds
清华大学电子工程业2：PMOS晶体管
S vSG G iG D iD M vSD
• 画表格，一侧NMOS，一侧PMOS • （1）画出NMOS、PMOS晶体管电路符号，二端口网络定义 （端口电压、端口电流） • （2）写出NMOS、PMOS晶体管的元件约束方程 • （3）画出伏安特性曲线示意图 • （4）对于图示的PMOS连接，给出二端口网络的元件约束方程， 画出输出端口（有源负载）伏安特性曲线示意图
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O
O
函 数 平 移 与 反 褶 运 算
y S VSG G IG D ID O M VSD
ID VSD=VSDsat=VSG-VTH 5V 4V 3V VSG0 2V VSD x VSG c
无源
VDD 5V VTH 1V
S G VDD IG M M D
I D f VSG ,VSD f c, x y
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分段折线：PMOS欧姆
vIN vIN ,k 1.74V vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
iD 2 p VDD vG VTH , p VDD v D 0.5VDD v D 2 p VDD v IN VTH , p VDD vOUT
6.6 2.6 v IN VDD 6.6 2.6 v IN 1
2
3.3 2.6 vIN
2
输入降低，输出提高
vOUT p VDD v IN VTH , p
2
2
VTH , p v IN
3.3 2.6 v IN v IN 0.7
3.3 2.6 vIN vIN 0.7 0
iD D G iG M vGS S O
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iD
vDS=vDSsat=vGS-VTH 恒流导通区 vGS>VTH vGS vGD<VTH vDS 截止区：vGS<VTH
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M
vDS
欧姆导通区 vGS>VTH vGD>VTH
• （1）某NMOSFET的过驱动电压为0.5V，其饱和电压为多少？ • （2）该晶体管的n=2mA/V2，厄利电压为VE=50V，则在VDS=1V时，漏极电流 为多少？ • （3）其等效电路模型中的源电流为多少？源内阻为多少？
Vod VGS VTH 0.5V
过驱动电压：只有过驱动，VGS=VTH+Vod，才能有静电荷积累形成的沟道
从VGS这个角度看
VDS , sat VGS VTH 0.5V
饱和电压：只要VDS>VDS,sat，沟道则夹断，电流呈现饱和特性
从VDS这个角度看
VDS 1V VDS , sat 0.5V 晶体管位于有源区
vSG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p
S G
VDD
IG M
ID
y
ID 0V 1V
VD= VDD-VSDsat=VG +VTH
M D
VD VG VDD
VG0
2V 3V O VDD
VG c VD x
RD
vOUT
VDD
M
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
vIN RD vOUT
vOUT 0
VG0
ID 0V 0.9V 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
iD
vD RD
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分段折线：PMOS恒流
VDD vIN
VDD
M
RD
vOUT
2
VDD vOUT ron
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ron vIN RD vOUT
vOUT
RD VDD RD ron
2 p VDD v IN VTH , p RD 2 p VDD v IN VTH , p RD 1
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y S VSG G IG D ID O M VSD
ID VSD=VSDsat=VSG-VTH 5V 4V 3V VSG0 2V VSD x VSG c
晶体管是非线性电阻 关联参考方向下，DS端口伏安 特性全部位于一、三象限，只 能吸收功率而无法释放功率
0 2 iD 2 p vSG VTH , p vSD 0.5vSD 2 v V 1 p vSD TH , p p SG
晶体管是电压源的非线性内阻 源关联参考方向下，DS端口伏 安特性存在位于第一象限的区段， 可以在此区段向外释放能量
对外等效为恒流源
对外等效为有内阻的戴维南源
0 2 iD 2 p VDD vG VTH , p VDD v D 0.5VDD v D 2 V v V 1 p VDD v D p DD G TH , p
y ID 0V 1V VD VG VDD O VG0 2V 3V VDD VG c VD x VD= VDD-VSDsat=VG +VTH
ID
有源
I D f VDD VG ,VDD VD f VDD c,VDD x y
平移、反褶
清华大学电子工程系 2013年春季 8
VDD
+3.3V
vD iD RD
vIN
M
p=1mA/V2，VTHp=0.7V
3.3k
RD
vOUT
随着输入电压vIN=vG的增加，输出电 压vOUT=vD是降低的：反相功能
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清华大学电子工程系
2013年春季
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分段折线：PMOS截止
vIN
VDD
M
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V
2 2 3.3vIN 18.16vIN 21.608 0
VG0
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
iD
vD RD
vIN 1.74V ,3.76V
vIN , k 1.74V vOUT ,k 2.44V
I D 0 n VGS VTH 2 0.5 2 0.5mA V 50V rds E 100k I D 0 0.5mA
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VDS I D0 1 V E
VDS VDS I I D0 D0 V I rds E D0
vIN
VDD
M
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
I D0 p VDD vIN VTH , p
VDD
RD
vOUT
2.6 v mA
2 2 IN
ID0 vIN RD vOUT
电子电路与系统基础
习题课第十一讲
1、期中考题讲解 2、第九周作业讲解
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习题课第十一讲 大纲
• 期中考试情况
• 期中考题讲解 • 第九周作业讲解
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2
期中考试分数情况
• 大班参加考试226人，全年级281人 • 平均分75.8分 • • • • • >=90分 >=80分 >=70分 >=60分 <60分 36 84 74 55 32
vOUT I D 0 RD p VDD v IN VTH , p 3.3 2.6 v IN
2
iD f PMOS VDD vG , VDD vD
ID 0V 0.9V VG0 1.8V 2.4V VD O >2.6V VDD VG
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iD
vD RD
iD 欧姆导通区 vGS>VTH vGD>VTH
vDS=vDSsat=vGS-VTH 恒流导通区 vGS>VTH vGS vGD<VTH vDS 截止区：vGS<VTH
iD 欧姆导通区 vSG>VTH vDG>VTH
vSD=vSDsat=vSG-VTH 恒流导通区 vSG>VTH vSG vDG<VTH vSD 截止区：vSG<VTH
PMOS
G
S
vSG M iG vSD
D iD
0 2 iD 2 p vSG VTH , p vSD 0.5vSD 2 v V 1 p vSD TH , p p SG
vSG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p vSG VTH , p ,vDG VTH , p
输入降低，输出提高
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分段折线
恒流欧姆分界
vIN VDD VTH , p 3.3 0.7 2.6V
vIN M
VDD
RD
vOUT
vOUT vD VTH , p vG vIN 0.7
vOUT p VDD vIN VTH , p
二端口网络定义
iD
元件约束条件
0 2 iD 2 n vGS VTH , n v DS 0.5v DS v V 2 1 v TH , n n DS n GS
vGS VTH , n vGS VTH , n ,vGD VTH , n vGS VTH , n ,vGD VTH , n
vG VDD VTH , p vG VDD VTH , p ,vD VTH , p vG vG VDD VTH , p ,vD VTH , p vG
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• 请用分段折线法分析如 图所示PMOS反相器电路， 画出其输入-输出电压转 移特性曲线示意图