华中科技大学CMOS拉扎维第二章课后作业答案中文版.doc

CMOS Analog Design
Home work 1 Solution
By: 张涛（）
2019年3月18日
作业内容：
一、书本上的习题
2.2
2.5 (a)、(b)、(c)
2.6 (a)、(b)
2.7
2.15
2.8
2.18
2.24
参考解答过程
2.2.
（1）对于NMOS，工作在饱与区时，有：
（忽略沟长调制效应）
=3.66mAV
=20
A==73.3
（2）对于PMOS，公式基本同上
（忽略沟长调制效应）
=1.96mAV
=10
A==19.6
2.5
a.若不考虑二级效应，则
实际情况下，由于衬偏效应会影响
IX~VX曲线图
b.
（1）当0〈〈1时，
S、D反向
VGS-VTH=1.2-VX 〉VDS
此时，NMOS处于S、D方向的三极管区
（2）当1〈〈1.2时，
VGS-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
IX=
（3）当VX 1.2时
NMOS处于饱与区
IX~VX曲线图
未考虑衬偏效应时的曲线
若考虑衬偏效应，则VTH增大，当衬偏效应比较小，反向后仍有VGS>VTH， 曲线同上，当衬偏效应比较大时，VGS0.3 时，MOS管截止
IX~VX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
|VGS|=
|VDS|=
所以|VDS|>|VGS|-|VTH|
PMOS处于饱区
Gm=
ID~VX曲线图
Gm与VX曲线图
|VGS|=
|VDS|=
所以VDS>VGS-VTH
PMOS处于饱区
Gm=
ID~VX曲线图
Gm与VX曲线图
2.7 （为了简化运算与分析，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〈1.7
VGS-VTH=VIN-VOUT-0.7
VDS=1-VOUT
VGS-VTH〈VDS
MOS管处于反向导通的饱与区
Vout=
（3）当1.7〈VIN〈3
VGS-VTH 〉VDS
MOS管处于反向导通的三极管区
Vout=
VOUT~VIN 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-VTH
NMOS处于反向导通的三极管区
VOUT=IxR1=R1
(2)当1.3〈VIN〈3
NMOS处于反向饱区
VOUT=IxR1=R1
VOUT~VIN 曲线图
2.8
（a）VS=VDD-VOUT
VB=VIN
VSB=VDD-VOUT-VIN
MOS管处于二极管连接形式的饱与区
其中
所以
I1是恒流源，为定值，因此，可以得到VOUT与VIN的关系，见下图
VOUT~VIN 曲线图
（b）
VGS=2-1=1 VDS=VOUT-1 VSB=1-VIN
当M1处于饱与区边缘时，有
VGS-VTH=VDS
1-=VOUT-1 （1）
VOUT=
= （2）
由（1）（2）则可以解出临界VIN0
1.当0〈VIN〈VIN0时
VGS-VTH〈VDS
M1处于饱与区
VOUT=
代入VGS、VTH可得到VIN~VOUT关系
2. .当VIN0〈VIN〈VIN1时
VGS-VTH 〉VDS
M1处于线性区
VOUT=
3.当VIN〉VIN1时，
VGS〈VTH
M1处于截止区
代入VGS、VTH、VDS可以得到VIN VOUT关系
VIN0受电阻R1的大小影响，当R1比较小时，在0~3V时，MOS管一直饱与，随着R1的增加，MOS管在VIN在0~3v时，可能同时经过饱与，三极管甚至截止区
VOUT~VIN 曲线图
（c）S、D 反向导通
VGS=2-VOUT
VDS=2-VOUT
VSB=VOUT-VIN
所以VDS〉VGS-VTH
M1始终处于反向导通的饱与区。
VOUT=I1R1=
其中
实际仿真波形如下
VOUT~VIN 曲线图
理论上，VGS〉0，VOUT应该是小于2V的，但是从实际仿真波形图上可以看到，VOUT上升到了2V以上，这是因为VIN上升得比较大之后，衬低的电压大于VOUT，电流会从高电压流到低电压处，并通过R1，使VOUT上升到2V以上。
2.15 晶体管工作在饱与区且为折叠结构
∵ CDG=15.36fF, CGS = 79.36fF求出gm即可
工作在饱与区且ID = 1mA
VGS=1.0182V
2.18因为两图都以源端作为输出端，而由于体效应，源衬电压变化会引起漏源电流变化，从而不适合作为电流源。
2.24
（a）
1. 当VG〈|VTHN|时
M1截止
（1）0〈VX〈VG+|VTHP|
M2截止
（2）VX〉VG+|VTHP|
VX=VDS〉|VGS|-|VTHP|
所以M2处于饱与区
IX~VX曲线图
2. 当VG〉|VTHN|时
M1导通
（1）0〈VX〈VG+|VTHP|
M2截止 （i）当0〈VX〈VG
M1处于三极管区
（i）当VG+VTHN〈VX〈VG+|VTHP|时
M1处于三极管区
（2）VX〉VG+|VTHP|
M1 M2均处于饱与区
IX~VX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
IX~VX曲线图
从实际的仿真波形，可以看到，当VX比较大时，亚阈值导电还是会使支路上有20na的微小电流的
2. VG>|VTHN|时
M1可以导通
（1） 0〈VX〈VG+|VTHP|时
M2截止，所以M1上也没有电流
（2）当VX>VG+|VTHP|时
M2导通，支路上有电流
IX~VX曲线图
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