【正文】 方程： 21[ ( ) ]2D S o x G S T H D S D SWI C V V V VL?? ? ? 飽和區(qū)： 條件： G S T H D S0 V V V 方程： 8. 解： VinVT0 時(shí)， MI 處于截止?fàn)顟B(tài)，不產(chǎn)生任何漏極電流。隨著輸入電壓增加而超過 VT0時(shí)， MI開始導(dǎo)通，漏極電流不再為 0，由于漏源電壓 VDS=Vout 大于 Vin VT0，因而 MI初始處于飽和狀態(tài)。隨著輸入電壓增加，漏極電流也在增加，輸出電壓 Vout 開始下降，最終，輸入電壓大于 Vout+ VT0， MI 進(jìn)入線性工作區(qū)。在更大的輸入電壓下，輸出電壓繼續(xù)下降， MI 仍處于線性模式。傳輸特性曲線如圖示： Vin Vout VDD MI RL VDS ID 非飽和區(qū) 飽和區(qū) VDSsat=VGSVTH 21 ()239。D S o x G S T HWI C V VL??? 9 1） VinVT0 時(shí)， MI截止， Vout= VOH= VDD 2） Vin= VOH=VDD 時(shí)， Vout=VOL MI： VGS=Vin=VDD VDS=Vout=VOL ∴ VDSVGSVT0 MI 非飽和導(dǎo)通 IR=(VDDVout)/RL=(VDDVOL)/RL IM=KN〔 (VGS VT0)VDS 1/2VDS2〕 = KN〔 (VDD VT0) VOL 1/2VOL2〕 ∵ IM=IR VOL=VDDVT0+1/KNRL 2( V V + 1/K R ) 2V /K RD D T 0 N L D D N L 為使 VOL→ 0，要求 KNRL 1 3） Vin=VIL時(shí) , MI： VGS=Vin=VIL VDS=Vout ∴ VDSVGSVT0 MI 飽和導(dǎo)通 IR=(VDDVout)/RL IM=1/2 KN (VGS VT0)2 =1/2 KN (Vin VT0)2 ∵ IM=IR，對 Vin 微分，得： 1/RL(dVout/dVin)= KN (Vin VT0) Vin Vout VOH VOL 0 dVout/dVin=1 dVout/dVin=1 VIL VIH Vin Vout 0 VDD KNRL↑ 10 ∵ dVout/dVin=1 ∴ VIL=Vin=VT0+1/KNRL ∴此時(shí) Vout=VDD1/2KNRL 4） Vin=VIH時(shí) , MI： VGS=Vin=VIH VDS=Vout ∴ VDSVGSVT0 MI 非飽和導(dǎo)通 IR=(VDDVout)/RL IM= KN〔 (VGS VT0)VDS 1/2VDS2〕 = KN〔 (Vin VT0)Vout 1/2Vout2〕 ∵ IM=IR，對 Vin 微分，得： 1/RL(dVout/dVin)= KN〔 Vou t +(Vin VTH) dVout/dVin Vout(dVout/dVin)〕 ∵ dVout/dVin=1 ∴ VIH=Vin=VT0+2Vout 1/KNRL 代回等式，得： Vout= 2V /3 K RDD N L ∴ VIH=VT0+ 8V /3 K RDD N L 1/KNRL 9. 解： Vout=VOL時(shí)，晶體管非飽和導(dǎo) 通， Vin= VOH=VDD ∴ (VDDVout)/RL= KN`（ W/L）〔 (VDD VT0) VOL 1/2VOL2〕 代值解得： RL（ W/L） = 105Ω 可以選擇不同的 W/L 和 RL值以滿足 VOL=，在最終設(shè)計(jì)中二者的選取還需考慮其他因素，如電路功耗與硅片面積。表中列出了一些設(shè)計(jì)中 W/L 和 RL可能的取值和對應(yīng)每種取值估算的平均直流功耗。 W/L RL（ KΩ ） PDC average(uW) 1 205. 0 2 3 4 5 6 由表可見，隨著 RL的減小，直流功耗顯著增加， W/L 也同時(shí)增加。若考慮降低平均直流功耗，可選擇較小的寬長比 W/L 和較大的負(fù)載電阻 RL，而制造較大的 RL需要較大面積的硅區(qū)，則還需要在功耗和面積之間折中。 10. 解： KN=KN`(W/L)=40uA/V2 ∴ KNRL=8V1 VinVT0 時(shí)，驅(qū)動(dòng)管截止， Vout= VOH= VDD=5V VOL=VDDVT0+1/KNRL 2( V V + 1/K R ) 2V /K RD D T 0 N L D D N L= VIL= VT0+1/KNRL= VIH=VT0+ 8V /3 K RDD N L 1/KNRL= ∴ VNML=VILVOL= VNMH=VOHVIH= VNML 過小，會導(dǎo)致識別輸入信號時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤。為得到較好的抗噪聲性能，較低的信 11 號噪聲容限應(yīng)至少為 VDD 的 1/4，即 VDD=5V 時(shí)取 。 11. 解： VOL=VDDVT0+1/KNRL 2( V V + 1/K R ) 2V /K RD D T 0 N L D D N L 代值解得 KNRL=2 ∴ VIL= VT0+1/KNRL= VIH=VT0+ 8V /3 K RDD N L 1/KNRL= 而 VOH= VDD=5V ∴ VNML=VILVOL= VNMH=VOHVIH= 12. 答：采用負(fù)載電阻會占用大量的芯片面積，而晶體管占用的硅片面積通常比負(fù)載電阻小，并且有源負(fù)載反相器電路比無源負(fù)載反相器有更好的整體性能。 13. 答：根據(jù)給增強(qiáng)型負(fù)載提供不同的柵極偏壓，負(fù)載晶體 管可以工作在飽和區(qū)或線性區(qū)。 飽和增強(qiáng)型負(fù)載反相器只要求一個(gè)獨(dú)立的電源和相對簡單的制造工藝，并且 VOH限制在VDDVTL。而線性增強(qiáng)型負(fù)載反相器的 VOH= VDD，噪聲容限高，但需要使用兩個(gè)獨(dú)立的電源。由于二者的直流功耗較高，大規(guī)模的數(shù)字電路均不采用增強(qiáng)型負(fù)載 nMOS 反相器。 14. 解： 1） Vin=0 時(shí)， MI 截止 ML： VDSL= VGSL=VDDVout=VDDVOL ∴ VDSLVGSLVTL ML始終飽和導(dǎo)通 Vout= VOH= VDDVTL 2） Vin= VDD 時(shí)， Vout=VOL Vin Vout VDD VSS Vin Vout VDD Vin Vout VDD ML MI G D S 12 MI： VGSI=Vin=VDD VDSI=Vout=VOL ∴ VDSI VGSI VTI MI 非飽和導(dǎo)通 IDSI = KNI〔 (VGSI VTI)VDSI 1/2VDSI2〕 = KNI〔 (VDD VTI) VOL 1/2VOL2〕 IDSL=1/2 KNL (VGSL VTL)2 =1/2 KNL (VDD VOLVTL)2 ∵ IDSI = IDSL ∴ VOL =gmL(VDD VTL)/2gmI 為使 VOL→ 0，要求 gmL gmI 傳輸特性曲線如圖示： 15. Vin Vout VDDVTL gmL(VDDVTL)/2gmI 0 Vin Vout 0 VDDVTL gmL/gmI↓ 13 解： 1） Vin=0， ME截止 MD：耗盡型負(fù)載管 VTD0， VGSD=0 ∴ VDSD=VDDVout=VDDVOL VGSD VTD MD 始終飽和導(dǎo)通 ∴ Vout= VOH= VDD，改善了高電平傳輸特性 2） Vin= VDD， Vout= VOL ME： VGSE=Vin=VDD VDSE=Vout=VOL ∴ VDSEVGSEVTE MI非飽和導(dǎo)通 IDSE= KNE〔 (VGSE VTE)VDSE 1/2VDSE2〕 =KNE〔 (VDD VTE) VOL 1/2VOL2〕 IDSD=1/2 KND (VGSD VTD)2 =1/2 KNDVTD2 ∵ IDSI = IDSL ∴ VOL = VTD2 KND/2 KNE(VDD VTE) 低電平傳輸特性仍取決于兩管尺寸之比 為使 VOL→ 0，要求 KND KNE 傳輸特性曲線如圖示： Vin Vout VDD MD ME G D S Vin Vout VDD 0 KND/ KNE↓ 14 16. 答：耗盡型負(fù)載 nMOS 反相器的制造工藝更加復(fù)雜，但可以有陡峭的 VTC 過渡和更好的噪聲容限，并且是單電源供電，整體的版圖面積也較小。另外，在 CMOS 電路中使用耗 盡型晶體管還能減少漏電流。 17. 解： VOL = VTD2 KND/2 KNE(VDD VTE) = VOH = VDD=2V 18. 答： CMOS 電路是指由 NMOS 和 PMOS 所組成的互補(bǔ)型電路。 對于 CMOS 反相器， Vin=0 時(shí)， NMOS 截止， PMOS 導(dǎo)通， Vout=VOH=VDD； Vin= VDD時(shí)， NMOS 導(dǎo)通， PMOS 截止， Vout=VOL=0。高低輸出電平理想，與兩管無關(guān)。 從對 CMOS 反相器工作原理的分析可以看出，在輸入為 0 或 VDD 時(shí)， NMOS 和PMOS 總是一個(gè)導(dǎo) 通，一個(gè)截止，沒有從 VDD到 VSS 的直流通路，也沒有電流流入柵極，因而其靜態(tài)電流和功耗幾乎為 0。這也是 CMOS 電路最大的特點(diǎn)。 19. Vin Vout VDD MN MP Vin Vout 0 VTD2 KND/2 KNE(VDD VTE) VDD 15 解： 1） Vin=VIL MN： VGSN = Vin= VIL VDSN = Vout ∴ VDSNVGSN VTN MN 飽和導(dǎo)通 IDSN =1/2 KN(VGSN VTN)2 =1/2KN(VIL VTN)2 MP： VGSP = VDD Vin= VDD VIL VDSP = VDD Vout ∴ VDSP VGSP –(VTP) MP 非飽和導(dǎo)通 IDSP= KP〔 (VGSP |VTP|)( VDSP) 1/2(VDSP)2〕 =KP〔 (VDD VIL |VTP|)( VDD Vout) 1/2( VDD Vout)2〕 ∵ IDSN = IDSP，對 VIL微分，得： KP〔 (VDD VIL |VTP|)(dVout/dVin)+(1) ( VDD Vout) ( VDD Vout) (dVout/dVin)〕 =KN(VILVTN) ∵ dVout/dVin=1 ∴ VIL=(2Vout+VTPVDD+KRVTN)/(1+KR) 其中 KR =KN/KP 2） Vin= VIH MN： VGSN = Vin= VIH VDSN = Vout ∴ VDSN VGSN VTN MN 非飽和導(dǎo)通 IDSN= KN〔 (VGSN VTN)VDSN 1/2VDSN2〕 =KN〔 (VIH VTN) Vout 1/2 Vout2〕 MP： VGSP = VDD Vin= VDD VIH VDSP = VDD Vout ∴ VDSP VGSP –(VTP) MP 飽和導(dǎo)通 IDSP =1/2 KP(VGSP |VTP|)2 =1/2KP(VDDVIH|VTP|)2 ∵ IDSN = IDSP，對 VIH微分，得： KN〔 (VIHVTN) (dVout/dVin)+VoutVout(dVout/dVin)〕 =KP(VDDVIH|VTP|) Vin Vout VDD 0 dVout/dVin=1 dVout/dVin=1 Vin=Vout VIL VIH 16 ∵ dVout/dVin=1 ∴ VIH=〔 VDD+VTP +KR(2Vout +VTN) 〕 /(1+KR) 其中 KR =KN/KP 20. 解： Vin =VM， NMOS、 PMOS 均飽和導(dǎo)通 IDSN =1/2μ NCOX(W/L)N(VGSN VTN)2 =1/2KN(VM VTN)2 IDSP =1/2μ PCOX(W/L)P(VGSP |VTP|)2 =1/2KP(VDDVM|VTP|)2 由 IDSN = I