2013集成电路分析与设计试卷A答案

2013 集成电路分析与设计 试卷A 答案
一．填空题（每空2分，共20分）
1、与其它类型的晶体管相比，MOS 器件的尺寸很容易按比例__缩小_（缩小、增大），CMOS 电路被证明具有_较低_ （较低、较高）的制造成本。

2、放大应用时，通常使MOS 管工作在_饱和区_（饱和区、线性区），电流受栅源过驱动电压控制，我们定义_跨导_（跨导、电导）来表示电压转换电流的能力。

3、λ为沟长调制效应系数，λ值与沟道长度成_反比_（正比、反比）。

4、源跟随器主要应用是起到___电压缓冲器___（电压缓冲器、电平移动）的作用。

5、共源共栅放大器结构的一个重要特性就是_输出阻抗_（输出阻抗、输入阻抗）很高，因此可以做成___恒定电流源_（恒定电流源、恒定电压源）。

6、理想情况下，_电流镜_（电流镜、电流源）结构可以精确地复制电流而不受工艺和温度的影响，实际应用中，为了抑制沟长调制效应带来的误差，可以进一步将其改进为__共源共栅电流镜__（共源共栅电流镜、低输出摆幅电流源）结构。

二．简答（每题4分，共20分）
1、什么是NMOS 管的沟道调制效应？写出NMOS 管的具有沟道调制效应漏极电流的计算公式。

答：在MOS 管工作于饱和状态时，MOS 管的导电沟道会发生夹断，且夹断点的位置随栅漏间的电压差的增加而向源极移动，既有效沟道、长度实际上是Vds 的函数。

这一效应称为“沟道调制效应”。

（2分） 该效应下，漏极电流的计算公式： （2分）
2、什么是体效应？体效应会对电路产生什么影响？
答：理想情况下是假设晶体管的衬底和源是短接的，实际上两者并不一定电位相同，当V B 变得更负时，V TH 增加，这种效应叫做体效应。

体效应会改变晶体管
21()(1)
2d n ox gs th ds W
I C V V V L
μλ≈-+
的阈值电压。

（4分）
3、什么是等效跨导Gm？
答：对于某种具体的电路结构，定义为电路的等效跨导，来表示输入电压转换成输出电流的能力。

（4分）
4、如果将图（a）的电路转换成图（b）的电路，则Z1=Z/(1-A V)，Z2=Z/(1-A V-1)，
其中A V=V Y/V X。

这种现象可总结为密勒定理。

（4分）
5、什么是亚阈值导电效应？
答：实际上，V GS=V TH时，一个“弱”的反型层仍然存在，并有一些源漏电流，甚至当V GS<V TH时，I D也并非是无限小，而是与V GS呈指数关系，这种效应叫亚阈值导电效应。

（4分）
三．画图题（每题10分，共20分）
1、对于下图所示的电阻负载共源放大器，如果忽略M1沟道调
制效应，分析并推导M1的三个工作区域，以及画出该电路的
输入输出特性曲线。

（10分）
答：
DD out D D
V = V+ (I R)
⨯
out DD D D
V = V(I R)
-⨯（1 分）
当
GS TH
V < V时，M1截止；当
GS TH
V >V时，M1导通
GS in DS out
V = V, V = V（1分）
2
out DD D n ox in TH out out
W1
V= V R C[(V V)V V]
L2
μ
-⨯--（1分）
截止区：
GS TH
V < V，I D= 0，V out = V DD（1分）
饱和区：
GS TH
V >V，且
out in TH
V V V
≥-
2
out DD D n ox in TH
W
V = V R C(V V)
L
μ
-⨯-（2分）
三极管区：
GS TH
V >V，且
out in TH
V V V
≤-
2
out DD D n ox in TH out out
W1
V= V R C[(V V)V V]
L2
μ
-⨯--（2分）
D
in
I
V
∂
∂
根据三个区域的输出电压，画出该电路的输入输出特性曲线，其中：V in从0
到
V
TH
为截止区；V in从V TH到V in1为饱和区；V in从V in1开始，进入线性区，（V 为M1工作在线性区和饱和区的交界点）（2分）
2、画出NMOS带有负反馈电阻R S的共源放大器考虑沟道调制效应、衬底效应的低频小信号等效电路(不包括NMOS负载电阻R D)。

（10分）
四．分析计算题（共40分）
1、采用电流源负载的共源放大器如下图所示，其中：M2和M3的尺寸相同，假设在忽略沟道调制效应和衬底效应条件下，流过M2和M3的电流相同，如果MOS管的λn=0.1，λp=0.2,K n=50μA/V2，求该电路的跨导、输出电阻和小信号增益。

（20分）
M2
V o
M3
20uA
M
1
V i
V
DD
解：
1
244502063.25
m n ox D n D
W
g C I K I s
L
μμ
===⨯⨯=（4分）
其中：12n n ox W k C L
μ=
16
1115000.12010o D r k I λ-===Ω⨯⨯（4分）
26
211
2500.22010
o D r k I λ-=
==Ω⨯⨯ （4分）
121212500250
(//)167500250
o o out o o o o r r R r r k k r r ⨯⨯===Ω=Ω++ （4分）
63163.25101671010.56o
v m out i
V A g R V -=
=-=-⨯⨯⨯=-（4分） 2、在下图所示的采用二极管连接负载的差动对电路中，421.3410n ox C A V μ-=⨯，
523.8310p ox C A V μ-=⨯，λn=0.1，λp=0.2，差动
对的参数为：(W/L)1,2=50/0.5，(W/L)3,4=10/0.5，I SS =0.5mA ，I SS 由NMOS 来提供，(W/L)SS =50/0.5。

求：
a ）求电路的小信号差动增益（10分）
b ）若M3管和M4管的沟道宽度失配，分别为W 3=10μm 和W 4=11μm ，那么电路的共模抑制比(CMRR)为多少？（10分） 解：a ）对称情况下，1
13
m V m D m g A g R g =-=-
（4分）
43
112()2 1.34101000.25102.6(/)
m n ox D W
g C I L
mA V μ--==⨯⨯⨯⨯⨯≈ （2分）
53
332()2 3.8310200.25100.62(/)
m p ox D W
g C I L
mA V μ--==⨯⨯⨯⨯⨯≈ （2分） 1
3
4.2m V m g A g ∴=-
≈- （2分） b ）M3与M4的宽长比失配等效为差分对负载电阻阻值失配
1DM m D A g R =- （1分）
1112m D
CM DM m SS
g R A g R -∆=-
+ （2分）
112/m SS
D D
g R CMRR R R +=
∆ （2分）
1
20SS N SS
R K I λ=
= （1分）
3434334
11110.0465
D D m D D D D D m R R g R R
R R R g -∆==-=-=== （3分） 2258CMRR = （1分）。