Copyright for zhouqn,第二章 作业答案,Copyright for zhouqn,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,NMOS管： 假设阈值电压VTH=0.7V,不考虑亚阈值导电 当VGS0.7V时， NMOS管工作在饱和区，NMOS管的有效沟道长度Leff=0.5-2LD，则,Copyright for zhouqn,PMOS管： 假设阈值电压VTH= -0.8V,不考虑亚阈值导电 当| VGS | 0.8V 时，PMOS管工作在截止区，则ID=0 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,Copyright for zhouqn,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,1）NMOS,2）PMOS,Copyright 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gmroID的曲线。注意L,解,Copyright for zhouqn,2.4 分别画出MOS晶体管的IDVGS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VGSVTH时，MOS截止，则ID=0,当VTHVGSVDS+VTH时，MOS工作在饱和区,当VGSVDS+VTH时，MOS工作在三极管区（线性区,Copyright for zhouqn,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,a,上式有效的条件为,即,Copyright for zhouqn,a)综合以上分析,VX1.97V时，M1工作在截止区，则IX=0, gm=0,VX1.97V时，M1工作饱和区，则,Copyright for zhouqn,b) =0, VTH=0.7V,当0VX1V时，MOS管的源-漏交换,工作在线性区，则,当1VVX1.2V时,MOS管工作在线性区,Copyright for zhouqn,当VX1.2V时,MOS管工作在饱和区,Copyright for zhouqn,C) =0, VTH=0.7V,当VX0.3V时，MOS管的源-漏交换，工作在饱和区,当VX0.3V时，MOS管工作截止区,Copyright for zhouqn,d) =0, VTH=-0.8V,当0VX1.8V时，MOS管上端为漏极，下端为源极，MOS管工作在饱和区,当1.8VVX1.9V时，MOS管工作在线性区,Copyright for zhouqn,当VX1.9V时，MOS管S与D交换,MOS管工作线性区,Copyright for zhouqn,e) =0,当VX=0时,VTH=0.893V，此时MOS工作在饱和区,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,Copyright for zhouqn,当VX1.82V时，MOS管工作在线性区 ,Copyright for zhouqn,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,a) =0 , VTH=0.7V,右图中，MOS管源-漏极交换,当Vin0.7V时，M1工作在截止区，Vout=0,当0.7Vin1.7V时，M1工作在饱和区，则,当1.7VVin3V时，M1工作在线性区，则,Copyright for zhouqn,2.7 (b) =0 , VTH=0.7V,当0Vin1.3V时，M1工作在线性区，则,当Vin1.3V时，M1工作在饱和区，则,Copyright for zhouqn,2.7 (c) =0 , VTH=0.7V,当0Vin2.3V时，M1工作在线性区，则,当Vin2.3V时，M1工作在饱和区，则,Copyright for zhouqn,2.7 (d) =0 , VTH=-0.8V,当0Vin1.8V时，M1工作在截止区，则,M1工作在饱和区边缘的条件为Vout=1.8V，此时假设Vin=Vin1，因而,当1.8VVinVin1时，M1工作在饱和区,当Vin1Vin时，M1工作在线性区,Copyright for zhouqn,2.9 对于图2.46的每个电路，画出IX和VX关于时间的函数曲线图。C1的初始电压等于3V,a) =0 , VTH=0.7V，VbVTH,当Vb-0.7 VX3V时，M1工作在饱和区,当VX Vb-0.7时，M1工作在线性区，则,Copyright for zhouqn,当VX Vb-0.7时，M1工作在线性区，则,Copyright for zhouqn,2.9 (b) =0 , VTH=0.7V,当 VX初始电压为3V，M1工作在饱和区,t=0时, VX=3V,Copyright for zhouqn,2.9 (c) =0 , VTH=0.7V,当 VX初始电压为3V，VDS=0V，M1工作在深线性区,Copyright for zhouqn,2.9 (d) =0 , VTH=0.7V,IX=I1,Copyright for zhouqn,2.9 (e) =0 , VTH=0.7V,电容C1的初始电压为3V,初始状态（时间t=0），如右图所示，电容C1的充电电流IC1=0，此时M1的漏电流IX=I1；同时VX=Vb-VGS1+3,当时间t=0+时，如右图所示，M1的一部分漏电流将对电容C1的进行充电，此时IX-IC1=I1,当IX=IC1时，I1=0 若电流源I1为理想电流源，则VN-,实际上VN不可能低于0.6V，若低于0.6V，则PN结正向导通 若电流源I1不是理想电流源，则VN 0，电容C1开始放电,Copyright for zhouqn,2.13 MOSFET的特征频率(transit frequency) fT，定义为源和漏端交流接地时，器件的小信号增益下降为1的频率。 证明 注意：fT不包含S/D结电容的影响,节点1，有,输出,Copyright for zhouqn,2.13(b) 假设栅电阻RG比较大，且器件等效为n个晶体管的排列，其中每个晶体管的栅电阻等于RG/n。证明器件的fT与RG无关，其特征频率仍为,Copyright for zhouqn,Copyright for zhouqn,2.13(c) 对于给定的偏置电流，同过增加晶体管的宽度（因此晶体管的电容也增加）使工作在饱和区所需的漏-源电压最小。利用平方率特性证明,这个关系表明：当所设计的器件工作于较低时，速度是如何被限制的,Copyright for zhouqn,2.16 考虑如图2.50所示的结构，求ID关于VGS和VDS的函数关系，并证明这一结构可看作宽长比等于W/(2L)的晶体管。假设=0,第一种情况： M1、M2均工作在线性区,相当于W/(2L)工作在线性区,Copyright for zhouqn,2.16 第二种情况： M1工作在线性区， M2工作在饱和区,相当于W/(2L)工作在饱和区,注意：M1始终工作在线性区，因为M2的过驱动电压大于0,线性区,Copyright for zhouqn,2.16 上面讨论，可知： (1)M2工作在饱和区，则电流满足平方关系 (2) M2工作在线性区，则电流满足线性关系,Copyright for zhouqn,2.17 已知NMOS器件工作在饱和区。如果(a) ID恒定，(b)gm恒定，画出W/L对于VGS-VTH的函数曲线,饱和区,Copyright for zhouqn,2.18 如图2.15所示的晶体管，尽管处在在饱和区，解释不能作为电流源使用的原因,以上电路的电流与MOS管的源极电压VS有关，而电流源的电流是与其源极电压VS无关的,Copyright for zhouqn,2.27 已知NMOS器件工作于亚阈值区，为1.5，求引起ID变化一个数量级所需的VGS的变化量。如果ID=10A，求gm的值,Copyright for zhouqn,2.28 考虑VG=1.5V且VS=0的NMOS器件。解释如果将VD不断减小到低于0V或者将Vsub不断增大到0V以上，将会发生什么情况,如果VD不断减小到低于0V，则 NMOS的源-漏交换 NMOS工作在线性区,b) 如果VB不断上升，VSB不断降低，则阈值电压不断减小,漏电流ID上升,Copyright for zhouqn,THE END!THANK YOU,Copyright for zhouqn