模拟集成电路设计 魏廷存 第5--7章习题（含答案） .doc

第5章习题

5.1考察图5.4所示运算放大器，试推导该放大器的低频小信号电压增益。各管子的参数可用和表示（i=1~13）。

答案：

5.2图5.40所示的差动输入-单端输出放大器中，采用自偏置共源共栅电流镜（M3~M6和R）作为放大器的有源负载。假定左右两边的CMOS管特性和尺寸完全对称，试分析该放大器的小信号电压增益（Avd）以及输入共模电压（Vcm）的范围。

图5.40

参考答案：

5.3图5.4所示运算放大器中主要包含哪些极点，请粗略估计这些极点的位置关系，并画出极点位置的草图。假定所有CMOS器件被设计成具有相同的过驱动电压，源极跟随器的偏置电流与差分对的偏置电流相同。

参考答案：

Vout和Vout1两个结点由于具有较大的输出阻抗和对地电容，其对应的极点距离原点最近，其中Vout1具有大得多的输出阻抗。认为Vout1处为系统提供主极点，Vout处为系统提供第一个非主极点。

a，b两点的极点重合。在同样过驱动电压的情况下，M8的跨导与M4相同，但M6的管子的宽度较M4要大，所以认为e点的对地电容要比b大，因此考虑。

c，d两点具有较大的结点电容，考虑c，d处的极点要比a，b，e小。相比而言，d点的电容要大于c，所以

由于源跟随器的偏置电流比差分对单一支路的偏置电流要大一倍，可以认为M11的跨导较大而f点的对地电容与c，d点相当，可以认为。

画出各极点关系为

（本题目在于使读者掌握极点分布的规律，实际的极点位置，必须通过严格的计算或仿真得到）。

5.4图5.41是一种基于共源共栅结构的改进型电路（增益增强型电路），这种结构在M2的栅-源极之间加入了负反馈运算放大器，以提高输出电阻。假定M1的参数为：=100μA/V，=40KΩ，M2的参数为：=80μA/V，=60KΩ，负反馈运算放大器的增益为A=-80。试计算输出电阻，比普通的共源共栅结构提高了多少？计算时可忽略体效应。

图5.41

参考答案：假设在输出端加上电压则流过两个管子的电流为

那么，

与普通的共源共栅结构相比，约提高了80倍。

5.5考察图5.14所示轨对轨运算放大器，若PMOS输入级和NMOS输入级具有相同的偏置尾电流，即，负载电容=10pF，=0.1V-1，=0.2V-1，。

（1）如果要获得的摆率，偏置电流应为多少?

（2）若要使PMOS输入级与NMOS输入级具有相同的跨导，两个输入级的管子宽长比应满足什么关系?

（3）如果M1~M4的过驱动电压为0.1V，其它管子的过驱动电压为0.4V，M5和M6的偏置电流也为，计算放大器的低频电压增益。假定PMOS和NMOS输入级都工作在饱和区。

答案：(1)

(2)对于NMOS，

对于PMOS，，令

(3)

5.6图5.42所示的差动输入-差动输出折叠式共源共栅放大器中，加入了CMFB电路来控制输出共模电平的变化。

图5.42

（1）求Vout,CM的值（用Vout1和Vout2表示）。

（2）若共模反馈放大器是采用电流镜负载的差动放大器，那么输入级应该采用PMOS还是NMOS差动对，其原因是什么？

（3）计算CMFB电路的环路增益。假定共模反馈放大器的增益为A，各管子的跨导和输出电阻可分别用和表示（i=1~10）。

答案：

(1)

(2)应采用PMOS，这样一来A的输出共模电压就会小于Vout1和Vout2的共模，这样的电平才适合作为M9和M10的栅极偏置，保证这两个管子的过驱动电压不会很大。

(3)将Vb4视为输入端，放大器A左侧的电路可看作共源共栅放大器。

5.7图5.43所示为运算放大器的输出级电路，为了给负载提供足够的驱动电流，输出驱动管M1通常具有较大的宽长比。假定，，。

（1）当负载电流为零（静态）时，若使输出驱动管M1工作在饱和区，求M2的宽长比，此时输出级的静态功耗为多少？假定M1的过驱动电压为1V，其它器件的过驱动电压为0.2V。

（2）为了降低静态功耗，可以使输出驱动管M1在静态时工作在临界亚阈值区（漏极电流密度=时，认为器件工作在临界亚阈值区，此时），试确定此时M2的宽长比，并重新计算输出级的静态功耗。

图5.43

参考答案：

（1）功率管尺寸很大，若使其工作在饱和区将必须用到很大的偏置电流

，这个管子的尺寸非常大。

静态功耗：

(2)

此时对于M1，每微米的W宽度流过1微安的电流，可以认为其处于临界亚阈值状态。此时，静态功耗为。

可见临界亚阈值偏置状态下的功率管可以大大节省静态功耗。

5.8设计图5.1所示的套筒式共源共栅运算放大器。假定VDD=3.3V,CL=5pF，