拉扎维模拟CMOS集成电路设计第二章作业答案详解完整版

0.2 0.45( 1.9 VX 0.9 0.5 VX 1.82 V
????
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M1
IX
+1.5V
当VX>1.82V时，MOS管工作在线性区 ？？？？
1.9V + 1V + VX -
ID
1 W nCOX {2 0.5 [0.2 0.45( 1.9 VX 0.9)] 0.52 } 2 L W g m n COX (0.5) 2 L
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2.7 对于图2.44的每个电路，画出Vout关于Vin 的函数曲线草图。Vin从0变化到VDD=3V。 解：
M1 Vin + 1V -
Vout R1
(a) λ=γ=0 , VTH=0.7V
右图中，MOS管源-漏极交换
• •
M1
in
+ 1V Vout R1
当Vin<0.7V时，M1工作在截止区， V Vout=0 当0.7<Vin≤1.7V时，M1工作在饱和区，则
g m nCOX
② 当1V<VX<1.2V时来自百度文库MOS管工作在线性区
1 W 1 W 2 I X nCOX [2 0.2(VX 1) (VX 1) ] nCOX (1.4 VX )(VX 1) 2 L 2 L W W g m nCOX VDS nCOX (Vx 1) L L Copyright for zhouqn
1 W V I D nCOX (Vin Vout 0.7)2 out R1 2 L
•
当1.7V<Vin<3V时，M1工作在线性区，则
W V [2(Vin Vout VTH )(1 Vout ) (1 Vout ) 2 ] out R1 L
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SB SB
当VGS>VDS+VTH时，MOS工作在三极管区（线性区）
W 1 2 I D nCox VGS VTH VDS VDS L 2
VTH VGS
VTH0 VTH1 VGS
VDS+VTH0
VDS+VTH1
VDS2+VTH
VDS3+VTH
VDS1+VTH
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LD 0.08 106 m
n 350cm2 / V / s
n 0.1V 1
tox 9 109 m
1 W I D nCox (VGS VTH )2 (1 n 3) 2 Leff
0 8.854 1012 F / m
sio 3.9
2
I D 12.8 10 (VGS 0.7)
3
Cox
0 sio
tox
2
3.837 103 F / m2
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2
a) PMOS管： 假设阈值电压VTH= -0.8V,不考虑亚 阈值导电 ① 当| VGS | <0.8V 时，PMOS管工作在截止区，则ID=0 ② 当| VGS | ≥0.8V时， PMOS管工作在饱和区，PMOS
1 W I X nCOX 2.727 VX 0.46 0.9 VX 2 L


2
(1.3 0.1VX )
g m 2nCOX
W IX L
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(b) λ=γ=0, VTH=0.7V
① 当0<VX<1V时，MOS管的源-漏交换
VGS 1.9 VX
• 当Vin≥1.3V时，M1工作在饱和区，则
M1 2V R1
+ Vin Vout
ID
Vout
1 W nCOX (2 Vout 0.7) 2 R1 2 L
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I D nCOX
2.7 (b) λ=γ=0 , VTH=0.7V
• 当0<Vin<1.3V时，M1工作在线性区，则 V I D out R1
M1 2V
Vout R1
+ Vin -
1 W nCOX [2 (2 Vout 0.7)(Vin Vout ) (Vin Vout ) 2 ] 2 L
第二章 作业答案
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2.1、W/L=50/0.5，假设|VDS|=3V，当|VGS|从0上升到 3V时，画出NFET和PFET的漏电流VGS变化曲线 解：
a) NMOS管： 假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚 阈值导电
① ② 当VGS<0.7V时，NMOS管工作在截止区，则ID=0 当VGS>0.7V时， NMOS管工作在饱和区，NMOS管 的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则
VDS 1 VX VDSAT Von 1.2 VX
1.9V + 1V -
IX M1
+ VX -
工作在线性区，则
I X nCOX W 1 W 2 [(1.2 VX )(1 VX ) 0.5(1 VX ) ] nCOX (1.4 VX )(1 VX ) L 2 L W W VDS nCOX (1 Vx ) L L
2.4 分别画出MOS晶体管的ID~VGS曲线。a) 以VDS作为参 数；b)以VBS为参数，并在特性曲线中标出夹断点 + 解：以NMOS为例
当VGS<VTH时，MOS截止，则ID=0
ID
+
VGS
+
VBS
VDS
-
-
-
当VTH<VGS<VDS+VTH时， 斜率正比于V MOS工作在饱和区
DS
ID
1 W 2 I D nCox VVGS VTH 2 L =0 V >0
2.5 对于图2.42的每个电路，画出IX和晶体管跨导关于VX 的函数曲线草图，VX从0变化到VDD。在(a)中，假设Vx 从0变化到1.5V。 （VDD=3V） VDD 1/ 2 1 2 F 0.9V 0.45V (a) n 0.1V
VTH 0 0.7V VGS VDD VX 3 VX
当VX=0时,VTH=0.893V，此时MOS工作在饱和区
1 W I D nCOX [0.2 0.45( 1.9 VX 0.9)]2 2 L W g m nCOX [0.2 0.45( 1.9 VX 0.9)] L 随着VX增加，VSB降低，VTH降低，此时MOS管的过驱动电压增 加，MOS管工作在饱和区；直到过驱动VDSAT上升到等于 0.5V时，MOS管将进入线性区，则有
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(C) λ=γ=0, VTH=0.7V
① 当VX<0.3V时，MOS管的源-漏交换，工作在饱和 区
VGS 1 VX
VDS 1.9 VX
VDSAT Von 0.3 VX
IX
1V + 1.9V -
M1
+ VX -
1 W 1 W I X nCOX (VGS VTH ) 2 nCOX (1 VX ) 2 2 L 2 L W W g m nCOX (VGS VTH ) nCOX (1 VX ) L L
0 sio2 ox 3 2 ox
1）NMOS
W gm 2nCox I D 3.66 mA / V L
3 3
nCox 1.34225 104 F / V / s
ro
1 1 20k 3 n I D 0.1 0.5 10
gmro 3.66 10 20 10 73.2
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• 2.3 导出用ID和W/L表示的gmro的表达式。画出以L为 参数的gmro~ID的曲线。注意λ∝L 解：
W g m 2Cox I D L
ro 1 ID
W 1 WL g m ro 2Cox I D A L ID ID
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M1 + VX Ix
VDS VDD VX 3 VX
VTH VTH 0
VSB VX
2 F VSB 2 F



2
1 W 2 I X nCox VGS VTH 1 VDS 2 L 1 W I X nCox 3 VX 0.7 0.45 0.9 VX 0.9
2）PMOS
p 100cm2 / V / s
pCox 3.835105 F / V / s
ro 1 1 10k 3 P I D 0.2 0.5 10
W gm 2PCox I D 1.96 mA / V L
gmro 1.96 103 10 103 19.6
管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则
p 100cm2 / V / s
LD 0.09 106 m
p 0.2V 1
tox 9 109 m
1 W I D pCox (VGS VTH )2 (1 p 3) 2 Leff
0 8.854 1012 F / m
sio 3.9
2
I D 4.8 10 (VSG 0.8)
3
2
Cox
0 sio
tox
2
3.837 103 F / m2
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2.2 W/L=50/0.5, |ID|=0.5mA，计算NMOS和PMOS的跨 导和输出阻抗，以及本证增益gmro 解：本题忽略侧向扩散LD C 3.837 10 F / m t
IX 1V + 1.9V M1
+ VX -
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(e) λ=0,
0.45V 1/ 2
VTH 0 0.7V VGS 0.9V
2 F 0.9V
VDS 0.5
M1 1.9V + 1V -
IX
+1.5V
VSB 1 VX
+ VX -
VTH VTH 0 ( 2 F VSB 2 F ) 0.7 0.45( 0.9 VSB 0.9)
2
L

1 3 VX
上式有效的条件为 即
3 VX 0.7 0.45

0.9 VX 0.9 0
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VX 1.97 V
(a)综合以上分析
VX>1.97V时，M1工作在截止区，则IX=0, gm=0
VX<1.97V时，M1工作饱和区，则
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③ 当VX>1.9V时，MOS管S与D交换
MOS管工作线性区
VDS 1.9 VX VGS 1 VX 1 W I X P Cox [2 (1 VX ) (1.9 VX ) (1.9 VX ) 2 ] 2 L W g m P Cox (VX 1.9) L
W g m P Cox (0.1) L
IX 1V + 1.9V M1 + VX -
1 W I X P Cox (0.1) 2 2 L
② 当1.8V<VX≤1.9V时，MOS管工作在线性区
1 W I X P Cox [2 (0.1) (VX 1.9) (VX 1.9) 2 ] 2 L W g m P Cox (VX 1.9) L
③ 当VX≥1.2V时,MOS管工作在饱和区
1 W 1 W I X nCOX (VGS VTH ) 2 nCOX (0.2) 2 2 L 2 L g m n COX W W (VGS VTH ) 0.2 n COX L L
1.9V + 1V -
IX M1
+ VX -
② 当VX≥0.3V时，MOS管工作截止区
IX 0 gm 0
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(d) λ=γ=0, VTH=-0.8V
① 当0<VX≤1.8V时，MOS管上端为漏极，下端为源极， MOS管工作在饱和区
VGS 0.9V VDS VX 1.9 VDSAT Von 0.1V