模擬集成電路設(shè)計 魏廷存 第5章習(xí)題（含答案）

第5章習(xí)題5.1考察圖5.4所示運算放大器，試推導(dǎo)該放大器的低頻小信號電壓增益。各管子的參數(shù)可用和表示（i=1~13）。答案：5.2圖5.40所示的差動輸入-單端輸出放大器中，采用自偏置共源共柵電流鏡（M3~M6和R）作為放大器的有源負載。假定左右兩邊的CMOS管特性和尺寸完全對稱，試分析該放大器的小信號電壓增益（Avd）以及輸入共模電壓（Vcm）的范圍。圖5.40參考答案：5.3圖5.4所示運算放大器中主要包含哪些極點，請粗略估計這些極點的位置關(guān)系，并畫出極點位置的草圖。假定所有CMOS器件被設(shè)計成具有相同的過驅(qū)動電壓，源極跟隨器的偏置電流與差分對的偏置電流相同。參考答案：Vout和Vout1兩個結(jié)點由于具有較大的輸出阻抗和對地電容，其對應(yīng)的極點距離原點最近，其中Vout1具有大得多的輸出阻抗。認為Vout1處為系統(tǒng)提供主極點，Vout處為系統(tǒng)提供第一個非主極點。a，b兩點的極點重合。在同樣過驅(qū)動電壓的情況下，M8的跨導(dǎo)與M4相同，但M6的管子的寬度較M4要大，所以認為e點的對地電容要比b大，因此考慮。c，d兩點具有較大的結(jié)點電容，考慮c，d處的極點要比a，b，e小。相比而言，d點的電容要大于c，所以由于源跟隨器的偏置電流比差分對單一支路的偏置電流要大一倍，可以認為M11的跨導(dǎo)較大而f點的對地電容與c，d點相當，可以認為。畫出各極點關(guān)系為（本題目在于使讀者掌握極點分布的規(guī)律，實際的極點位置，必須通過嚴格的計算或仿真得到）。5.4圖5.41是一種基于共源共柵結(jié)構(gòu)的改進型電路（增益增強型電路），這種結(jié)構(gòu)在M2的柵-源極之間加入了負反饋運算放大器，以提高輸出電阻。假定M1的參數(shù)為：=100μA/V，=40KΩ，M2的參數(shù)為：=80μA/V，=60KΩ，負反饋運算放大器的增益為A=-80。試計算輸出電阻，比普通的共源共柵結(jié)構(gòu)提高了多少？計算時可忽略體效應(yīng)。圖5.41參考答案：假設(shè)在輸出端加上電壓則流過兩個管子的電流為那么，與普通的共源共柵結(jié)構(gòu)相比，約提高了80倍。5.5考察圖5.14所示軌對軌運算放大器，若PMOS輸入級和NMOS輸入級具有相同的偏置尾電流，即，負載電容=10pF，=0.1V-1，=0.2V-1，。（1）如果要獲得的擺率，偏置電流應(yīng)為多少?（2）若要使PMOS輸入級與NMOS輸入級具有相同的跨導(dǎo)，兩個輸入級的管子寬長比應(yīng)滿足什么關(guān)系?（3）如果M1~M4的過驅(qū)動電壓為0.1V，其它管子的過驅(qū)動電壓為0.4V，M5和M6的偏置電流也為，計算放大器的低頻電壓增益。假定PMOS和NMOS輸入級都工作在飽和區(qū)。答案：(1)(2)對于NMOS，對于PMOS，，令(3)5.6圖5.42所示的差動輸入-差動輸出折疊式共源共柵放大器中，加入了CMFB電路來控制輸出共模電平的變化。圖5.42（1）求Vout,CM的值（用Vout1和Vout2表示）。（2）若共模反饋放大器是采用電流鏡負載的差動放大器，那么輸入級應(yīng)該采用PMOS還是NMOS差動對，其原因是什么？（3）計算CMFB電路的環(huán)路增益。假定共模反饋放大器的增益為A，各管子的跨導(dǎo)和輸出電阻可分別用和表示（i=1~10）。答案：(1)(2)應(yīng)采用PMOS，這樣一來A的輸出共模電壓就會小于Vout1和Vout2的共模，這樣的電平才適合作為M9和M10的柵極偏置，保證這兩個管子的過驅(qū)動電壓不會很大。(3)將Vb4視為輸入端，放大器A左側(cè)的電路可看作共源共柵放大器。5.7圖5.43所示為運算放大器的輸出級電路，為了給負載提供足夠的驅(qū)動電流，輸出驅(qū)動管M1通常具有較大的寬長比。假定，，。（1）當負載電流為零（靜態(tài)）時，若使輸出驅(qū)動管M1工作在飽和區(qū)，求M2的寬長比，此時輸出級的靜態(tài)功耗為多少？假定M1的過驅(qū)動電壓為1V，其它器件的過驅(qū)動電壓為0.2V。（2）為了降低靜態(tài)功耗，可以使輸出驅(qū)動管M1在靜態(tài)時工作在臨界亞閾值區(qū)（漏極電流密度=時，認為器件工作在臨界亞閾值區(qū)，此時），試確定此時M2的寬長比，并重新計算輸出級的靜態(tài)功耗。圖5.43參考答案：（1）功率管尺寸很大，若使其工作在飽和區(qū)將必須用到很大的偏置電流，這個管子的尺寸非常大。靜態(tài)功耗：(2)此時對于M1，每微米的W寬度流過1微安的電流，可以認為其處于臨界亞閾值狀態(tài)。此時，靜態(tài)功耗為。可見臨界亞閾值偏置狀態(tài)下的功率管可以大大節(jié)省靜態(tài)功耗。5.8設(shè)計圖5.1所示的套筒式共源共柵運算放大器。假定VDD=3.3V,CL=5pF，VTHN=|VTHP|=0.7V，μnCox=150μA/V2，μpCox=55μA/V2，λp=0.05V-1，λn=0.04V-1。要求運算放大器的性能指標滿足下列條件（放大器的其它指標請讀者自定）：直流或低頻時的小信號差模電壓增益Avd>80dB輸入共模電壓范圍：1.0V≤Vcm≤2.5V輸出電壓擺幅：0.7V≤Vout≤2.6V擺率SR=10V/μs5.9設(shè)計圖5.5所示的折疊式共源共柵運算放大器（NMOS輸入）。設(shè)計條件與設(shè)計指標與題5.8相同。5.10設(shè)計圖5.44所示的折疊式共源共柵運算放大器（PMOS輸入）。設(shè)計條件與設(shè)計指標與題5.8相