半导体集成电路部分习题答案(朱正涌)

第1章 集成电路的基本制造工艺

1.6 一般TTL 集成电路与集成运算放大器电路在选择外延层电阻率上有何区别?为什么? 答：集成运算放大器电路的外延层电阻率比一般TTL 集成电路的外延层电阻率高。

第2章 集成电路中的晶体管及其寄生效应 复 习 思 考 题

2.2 利用截锥体电阻公式，计算TTL “与非”门输出管的CS r 2.2

所示。

提示：先求截锥体的高度

up BL epi mc jc epi T x x T T -----=- 然后利用公式： b

a a

b WL T

r c -?

=

/ln 1ρ ，

2

1

2??

=--BL C E BL S C W L R r b

a a

b WL

T

r c -?

=

/ln 3ρ 321C C C CS r r r r ++=

注意：在计算W 、L 时, 应考虑横向扩散。

2.3 伴随一个横向PNP 器件产生两个寄生的PNP 晶体管，试问当横向PNP 器件在4种可能

的偏置情况下，哪一种偏置会使得寄生晶体管的影响最大?

答：当横向PNP 管处于饱和状态时，会使得寄生晶体管的影响最大。

2.8 试设计一个单基极、单发射极和单集电极的输出晶体管，要求其在20mA 的电流负载下 ，OL V ≤0.4V ，请在坐标纸上放大500倍画出其版图。给出设计条件如下： 答： 解题思路

⑴由0I 、α求有效发射区周长Eeff L ；

⑵由设计条件画图

①先画发射区引线孔；

②由孔四边各距A D 画出发射区扩散孔； ③由A D 先画出基区扩散孔的三边； ④由B E D -画出基区引线孔； ⑤由A D 画出基区扩散孔的另一边；

⑥由A D 先画出外延岛的三边； ⑦由C B D -画出集电极接触孔； ⑧由A D 画出外延岛的另一边； ⑨由I d 画出隔离槽的四周；

⑩验证所画晶体管的CS r 是否满足V V OL 4.0≤的条件，若不满足，则要对所作

的图进行修正，直至满足V V OL 4.0≤的条件。（CS C OL r I V V 00

ES += 及己知

V V C 05.00ES =）

第3章 集成电路中的无源元件 复 习 思 考 题

3.3 设计一个4k Ω的基区扩散电阻及其版图。 试求： (1) 可取的电阻最小线宽min R W =?你取多少?

答：12μm

(2) 粗估一下电阻长度，根据隔离框面积该电阻至少要几个弯头?

答：一个弯头

第4章 晶体管

(TTL)电路

复 习 思 考 题

4.4 某个TTL 与非门的输出低电平测试结果为 OL V =1V 。试问这个器件合格吗?上

机使用时有什么问题? 答：不合格。

4.5 试分析图题4.5所示STTL 电路在导通态和截止态时各节点的电压和电流，假定各管的

β=20, BEF V 和一般NPN 管相同， BCF V =0.55V , CES V =0.4～0.5V , 1

CES V =0.1～0.2V 。

答：（1）导通态（输出为低电平）

V V B 1.21= ， V V B 55.12= ，V V B 2.13= ，V V B 5.04= ，V V B 8.05= ，

mA I I B R 1.211== ，mA I I C R 9.422== ，mA I I I R E R 25.0534≈≈≈ mA I B 012.03= ，04≈B I ，mA I B 4.35= ，mA I I RB B 2.066== mA I E 72= ，mA I I RC C 2.366== ，mA I CCL 2.7= （2）截止态（输出为高电平）

V V B 1.11= ，V V B 5.02= ，V V B 95.41= ，V V B 2.44=

mA I I B R 79.211== ，mA I R 1.24= ，0652≈==B B B I I I ，4B I 与0I 有关 4421B R R R CCH I I I I I +++=

4.7 要求图题4.7所示电路在低电平输出时带动20个同类门，试计算输出管 5Q 的集电极串联电阻的最大值 5CS r ,max

?

答：24Ω

4.8 试分析图题4.8所示两种电路在逻辑功能上的差别及产生差别的原因，并写出F ，F ′的逻辑表达式。

答：BC A F += , '

'

'

'

C B A F =

4.9 写出图题4.9所示电路的输入与输出的逻辑关系。

答：DE ABC ?

4.11 写出图题4.11所示电路的Q 与A ，B 的逻辑关系，并说明为什么输出级一定要用有源泄放电路。

答：B A Q ⊕=

第5章 发射极耦合逻辑(ECL)电路 不做习题

第6章 集成注入逻辑( L I 2)电路

不做习题

第7章 MOS 反相器 复 习 思 考 题

7.1已知一自举反相器如图题7.1所示，其负载管的W/L=2，设其他参数为

T V =0.7V , DD V =5V , 25/101V A k -?=，忽略衬底偏置效应。

(1) 当 DD IH V V =时，欲使OL V =0.3V ，驱动管应取何尺寸?

答：??

?

??=9L W

7.2 有一E/D NMOS 反相器，若 TE V =2V ,TD V =-2V , R β=25,DD V =5V 。

(1) 求此反相器的逻辑电平是多少?

答：≈OL

V )

(22TE DD R TD

V V V -β

第8章 MOS 基本逻辑单元 复 习 思 考 题

8.2 图题 8.2为一E/D NMOS 电路。

(1) 试问此电路可实现何种逻辑运算?

答：B A ⊕

(2) 设 V V DD 5=, V V TD 3-=, V V TE 1=， 输入高电平为 DD IH V V =，输入低电平为

V V IL 0=。

求各种输入情况下电路的直流工作状态、各结点电位、各支路电流及直流功耗。 答：⑴设端V V V IL B 0==，而A 端又分两种情况：

①输入高电平V V V DD A 5==

V V M 063.0= mA I I M M 03.021== V V N 063.0= 0543===M M M I I I V V Y 5= 098==M M I I mA I I M M 03.076== mW P D 3.0=

②输入低电平V V V IL A 0==

V V M 5= mA I I M M 03.021==

V V N 127.0= 098421=====M M M M M I I I I I V V Y 21.0= mA I I I M M M 03.0653=== mA I M 06.07= mW P D 3.0=

⑵设端V V V IH B 5==，而A 端又分两种情况： ①输入高电平V V V DD A 5==

V V M 127.0= mA I I I M M M 03.0431=== V V N 5= mA I M 06.02= V V Y 21.0= 0765===M M M I I I mA I I M M 03.098== mW P D 45.0=

②输入低电平V V V IL A 0==

V V M 5= 04321====M M M M I I I I V V N 5= 0765===M M M I I I

V V Y 5= mA I I M M 03.098== mW P D 15.0=

8.3 二输入的E/D NMOS 或非门的电路参数为：

TD V =-3V ，TE V =1V ，2

''/25V A k k E D μ==，5=

RA β，8=RB β，V V DD 5=，试计算最坏情况的OL V 值和最好情况的OL

V

答：()()()2

2max 1

TD RA

TE OH TE DD OL V V V V V V ----

-=β

()()()22min 1

TD RB

RA TE OH TE DD OL V V V V V V -+-

--

-=ββ

8.4 说明图题8.4的电路均为三态输出门，用传输门逻辑推导电路的逻辑表达式。 答：（a ） U CE A CE ?+? （b ）U CE A CE ?+? （c ）U CE A CE ?+?

第9章 MOS 逻辑功能部件 复 习 思 考 题

9.1 试画出传输门结构的一位八选一多路开关的电路图，写出逻辑表达式和真值表。 答：逻辑表达式

+???=0210D K K K Y +???1210D K K K +???2210D K K K +???3210D K K K +???4210D K K K +???5210D K K K +???6210D K K K 7210D K K K ???

9.4 如果图题9.4(a)反相器是有比的，试画出此电路各节点工作波形，分析其功能；如果图

题9.4(b)中M\-1和M\-2为无比的，分析此电路能否工作?为什么?

答：提示：9.4(a) 画电路各节点工作波形时，注意输出波形的低电平是由两次形成的。 此电路实施反相器功能。

题9.4(b)中1M 和2M 若为无比，无法反相器功能。

9.5 分析图题9.5所示的两相动态电路的逻辑功能，并说明各级电路分别是有比的还是无 比的。假如图中i K K K ==21 ，032===i ααα；1α从010→→，21φφ=，试画出图中,A,B,C,D 和0V 各点的波形图

答：该电路为具有保持功能的多路选通开关。

该电路中除最后一级为无比电路外，余下均为有比电路。 注意：有的波形的低电平由两次形成 。

第10章 存 储 器 复 习 思 考 题 本章无答案

第11章 接 口 电 路 不做习题

第12章 模拟集成电路中的基本单元电路 复 习 思 考 题

12.1 试求图题12.1所示达林顿管放大器的电压增益 答：1174-≈v A

若忽略01r ，则1548-≈v A

提示：R 、2Q 、D 组成小电流恒流源。

12.3 试在图题12.3(a),(b),(c),(d)电路中，分别标出E/E ，E/D NMOS 单管放大器，CMOS 有 源负载放大器和CMOS 互补放大器中2M 的栅极及1B ，2B 电位，并指出各电路结构上的特

点。

答：(a)SS B B V V V ==21 ， DD G V V =或DD G V V ≥

(b) SS B B V V V ==21, 0V V G =

(c) SS B V V =1 DD B V V =2 , SS G V V = (d) SS B V V =1 DD B V V =2

12.8 图题12.8所示是μA741中的偏置电路，其中5R =39k Ω，4R =5k Ω,

DD V =15V ，

EE V =-15V 。试求r I 和10

C

I

答：r I =0.73mA 10C I ≈19A μ

12.12 图题12.12是一个IC 产品中的偏置电路部分。 求： 偏置电流01I 及02

I

答：先求1I 和2I ()2

1111TP GS V V k I -=

2

31

2N N L

W L

W I I ??? ????? ??=

2

32

01p p L W L W I I ??? ????? ??=

2

41

02

N N L

W L W I I ??? ????? ??=

12.15 有一两管能隙基准源电路如图题12.15所示。已知42C C I I =，室温下BE V =0.65V ，

有效发射面积比为21/E E A A =10。

(1) 试简单推导0V 的公式； (2) 求出0T =400K 时的0V 值。

答：(1)1

212

22120ln 22j j R V R V R I V V t BE E BE +=+≈ (2)mV V 12480≈

第13章 集成运算放大器

13.2 对于图题13.2所示差分对，设0β=100,BEF V =0.7V ，试求其ID R 和vd A

答：Ω=k R

ID 6.30 3≈vd A 9.5

13.4 图题13.4为一个级联射耦对放大器，设021==i i V V 时，00=V ,

50=β,V V BEF 7.0=。求：

(1) 41~C C I I , 41~CE CE V V 及 X I ；

(2) id vd V V A /0=和ID R (若 05=R , 0=X I )。 答：(1) A I I C C μ5021== A I I C C μ50043== (2) 143-=vd A Ω=k R ID 52

13.5 已知射耦对差分放大器电路如图题13.5所示，晶体管的4

102-?=NPN η，

4105-?=

PNP η，试求当id V =130mV 时的0V 值。

答：V V 6.00=

13.8 已知图题13.8中MOS 差分对的0I =2mA,2

/025.0V mA k =，负载D R =10k Ω，试求

跨导m g 和差模电压增vd

A

答：02kI g m =

D m vd R g A -=

13.11 试指出图题13.11

中哪些元件是起过流保护作用的，并说明其保护原理。 答： ⑴二极管保护电路的保护元件为3D 、4D 及E R ⑵晶体管保护电路的保护元件为3Q 、4Q 及E R

13.16 CMOS 运放如图题13.16所示，其中各有关参数为：()

s V cm N ?=/4002

μ,

()s V cm P ?=/2002μ，λ=0.01,OX C =2.3×28/10cm F -,TP V =-1V, TN V =1V 。试求各支路

电流和电路的总电压放大倍数。

提示：此题与本书中P325图13.36类似, 关键在于决定偏置电流0I

第14章 MOS 开关电容电路 复 习 思 考 题

14.2 图题14.2是由两个电容构成的一种开关电容等效电路 φ和 φ为两个同频、反相的驱动脉冲信号。

(1)

分析电路工作原理； (2) 写出电路的等效电阻 eff

R

答：()

211

C C f R c eff +=

14.3 图题14.3为一个由开关S 和电容 C 组成的开关电容电路。试画出用单个MOS 模拟

开关管来代替S 的等效开关电容电路；若驱动MOS 管的脉冲频率为 c f =50kHz ，电

容 C

=10pF ，试求开关电容电路的等效电阻eff R

答：C

f R c eff 1=

14.4 图题14.4是一个MOS 开关电容等效电路，φ和φ为两个同频反相的驱动脉冲信号。 (1)

分析电路工作原理； (2) 写出电路等效电阻eff

R

答：()

211

C C f R c eff +=

第15章 集成稳压器 复 习 思 考 题

15.1 图题15.1为某电路的过热保护电路，2Q 为过热保护管，3Q ，4Q 为被保护管，试 以芯片为175℃时，保护电路的状态来说明该电路的过热保护作用。 答：当25℃时，2Q 截止，过热保护电路不起作用。

当 175℃时，此时B V ＞E2B V ，2Q 导通，过热保护电路起作用。

第16章 D/A ，A/D 变换器 复 习 思 考 题 本章无答案

第17章 集成电路设计概述 本章无答案

第18章集成电路的正向设计

本章无答案

第19章集成电路的芯片解剖

复习思考题

19.1如图题19.1所示的实际版图，要求：

(1) 把版图恢复成具体电路图，并说明这是什么电路，完成什么逻辑功能；答：是双极五输入与非门电路。

第20章集成电路设计方法

本章无答案

第21章集成电路的可靠性设计和可测性设计简介

本章无答案

第22章集成电路的计算机辅助设计简介

本章无答案