拉扎维模拟CMOS集成电路设计第二章作业答案详解完整版中文

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LD 0.08 10 6 m

n 350cm2 / V / s

n 0.1V 1

tox 9 10 9 m

1 W I D nCox (VGS VTH )2 (1 n 3) 2 Leff

0 8.854 10 12 F / m

sio 3.92

I D 12.8 10 (VGS 0.7)

3

2

Cox

0 siotox

2

3.837 10 3 F / m2Copyright for zhouqn

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管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD,则 p 100cm2 / V / sLD 0.09 10 6 m

p 0.2V 1

tox 9 10 9 m

1 W I D pCox (VGS VTH )2 (1 p 3) 2 Leff

0 8.854 10 12 F / m

sio 3.92

I D 4.8 10 (VSG 0.8)

3

2

Cox

0 siotox

2

3.837 10 3 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 t0 sio2 ox 3 2 ox

1)NMOSW gm 2 nCox I D 3.66 mA / V L 3 3

nCox 1.34225 10 4 F / V / s

ro

1 1 20k 3 n I D 0.1 0.5 10

gmro 3.66 10 20 10 73.2

2)PMOS

p 100cm2 / V / s

pCox 3.835 10 5 F / V / sro 1 1 10k 3 P I D 0.2 0.5 10

W gm 2 PCox I D 1.96 mA / V L

gmro 1.96 10 3 10 103 19.6Copyright for zhouqn

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 2 Cox I D Lro 1 ID

W 1 WL g m ro 2 Cox I D A L ID ID

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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=0ID

+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 V V VTH GS V =0 >0 2 LSB 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 VGSVTH0 VTH1 VGS

VDS+VTH0

VDS+VTH1

VDS2+VTH

VDS3+VTH

VDS1+VTH

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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 0.1VVTH 0 0.7V VGS VDD

VX 3 VXM1 + VX Ix

VDS VDD VX 3 VXVTH VTH 0

VSB VX2 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 0.92

L

1 3 VX

上式有效的条件为 即

3 VX 0.7 0.45

0.9 VX 0.9 0Copyright for zhouqn

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1 W I X nCOX 2.727 VX 0.46 0.9 VX 2 L

2

(1.3 0.1VX )

g m 2 nCOX

W IX L

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(b) λ=γ=0, VTH=0.7V① 当0<VX<1V时，MOS管的源-漏交换VGS 1.9 VXVDS 1 VX VDSAT Von 1.2 VX1.9V + 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

g m nCOX

② 当1V<VX<1.2V时,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

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 L1.9V + 1V -

IX M1

+ VX -

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(C) λ=γ=0, VTH=0.7V① 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

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=-0.8V① 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 0.1VW g m P Cox (0.1) LIX 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

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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

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 0.9VVDS 0.5

1.9V

M1

IX

+1.5V

VSB 1 VX

+ 1V -

+ VX -

VTH VTH 0 ( 2 F VSB 2 F ) 0.7 0.45( 0.9 VSB 0.9)

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

0.2 0.45( 1.9 VX 0.9 0.5 VX 1.82 V

????Copyright for zhouqn

当VX>1.82V时，MOS管工作在线性区 ？???

1.9V

M1

IX

+1.5V

ID

+ 1V -

+ VX -

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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