cmos

第二章：MOS器件物理

1．概念：

熟悉增强型NMOS管的工作原理，画出NMOS输出特性曲线并指出线性区和饱和区，NMOS漏电流随VGS的变化曲线，画出NMOS截止区，线性区和饱和区的实际物理结构图，NMOS工作在线性区，深线性区和饱和区的直流导通电阻。NMOS管的衬底效应，NMOS管的衬底效应阈值电压的计算公式；NMOS管的沟道调制效应；NMOS管考虑沟道调制效应时的输出电阻表达式。NMOS管的亚阈值效应，NMOS管在亚阈值区域的电流Id和Vgs的关系表达式。

当Vgs小于Vth时，NMOS管截止；当Vgs大于Vth时，在NMOS管漏极和源极间形成反型层，即导电沟道。这时在Vds的正向电压的作用下，NMOS管漏极和源极间有电流产生。当Vds

2．直流导通电阻：

⑴ 线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds

Ron?Vds1? IdsKn2(Vgs?Vth)?Vds⑵ 深线性区的直流导通电阻（Vgs>Vth, Vds<<2(Vgs-Vth）:

Ron?Vds1? IdsKn2(Vgs?Vth)⑶ 饱和区的直流导通电阻 （Vgs>Vth, Vds≧Vgs-Vth）:

Ron?Vds1? IdsKn(Vgs?Vth)23．衬底效应：

1

由于Vbs不为0而引起阈值电压的变化的效应。

Vth?Vth0??(|2?f?VBS|?|2?f|) 4．沟道调制效应：

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”。

1W?nCox(Vgs?Vth)2(1??Vds) 2L?Vds11?? ro? ?IdsKn(Vgs?Vth)2??IdId?5．亚阈值效应：

当MOS管的Vgs略小于Vth时，在实际中MOS管已开始导通，仍会在MOS管的导电沟道产生一个弱反型层，从而产生由漏极向源极的电流，该现象称为NMOS管的亚阈值效应，且Id 与Vgs呈指数关系。

ID?ID0expVGS ?VT3V Id 6．计算和画图

1）在下图中的参数为：k'??nCox?60?AVWL?1,Vth0?1V,??0.8V,??0.5V12,

2,

0V ??0。分别计算当Vy?1V和Vy??1V时

NMOS的漏极电流。

Vy -2V

解： （1）Vy=1V，漏极在右，Vgs=3V，Vds=1V，Vsb=2V。 Vth= Vth0+г(Vsb??-?)=1.39V, Vgs- Vth=1.61V 因为Vds=1V< Vgs- Vth, NMOS工作在线性区. Id= K′W/L[(Vgs- Vth) Vds-Vds2/2]=60 [1.61X1-1/2]=66.6μA

（2）Vy=-1V，漏极在左，Vgs=4V，Vds=1V，Vsb=1V。 Vth= Vth0+г(Vsb??-?)=1.2V, Vgs- Vth=2.8V 因为Vds=1V< Vgs- Vth, NMOS工作在线性区.

Id= -K′W/L[(Vgs- Vth) Vds- Vds2/2]=-60x1[2.8x1-1/2]=-138μA 2）如下图所示，画出M1的导通电阻随VG的变化曲线。假设：μn Cox=50μA/V2，W/L=10，Vth=0.7V,且漏极开路。

2

1V

S + - VG

D 由于漏极开路,所以, Id=0, Vds=0, Vds

当Vg<1.7V, 管子截止,理想情况下Ron为无穷大; 当Vg>1.7V,由于Vds=0, 管子工作在深线性区,

Ron =

11?

?n?coxW/L(Vgs?Vth)?n?coxW/L(Vg?1?0.7)3） W/L=50/0.5，Id=0.5mA,计算NMOS的跨导和小信号增益gmro(ro=20KΩ，

μnCox=60μA/V2)。 gm = 2?nCox(W/L)Id= 2?60mA Av?gmro?2.45?V

?AV2?100?500?A = 6000000?A2V2= 2.45

mA V2k?0? 4 94）画出NMOS共源放大器考虑沟道调制效应时的低频小信号等效电路。（其中：NMOS负载为电阻RD)。

5）画出NMOS带有负反馈电阻Rs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RD)。

3

Vo

第三章：单级放大器

1. 对于下图所示电路。计算小信号电压增益，其中，

(W/L)1=40/1,(W/L)2=10/1,ID1=ID2=1mA，μn Cox=50μA/V2，ro1=ro2=20kΩ(忽略M2的衬底效应)。

gm?2?nCox(W/L)Id

VddRout?1gm2?1ro2||ro1

VinM2VoutM1 AV??gm1Ro u t

2. 假设下图所示的共源级电路提供的输出电压摆幅为1V到3V，假定(W/L)1=50/0.5,Rd=2kΩ,λ=0，Vth=0.7V, Vdd=3V,μn Cox=50μA/V。

(a) 计算Vout=1V和Vout=2.5V时的输入电压。 VinRdVoutVdd2

(b) 计算两种输出电压情况下NMOS管的漏电流以及

跨导。

Id@Vout=1V=

Vdd?Vout3?1==1mA, 3RD2x10M12x10?32IdVin@Vout=1V =Vth+=0.7+=1.332V

?nCox(W/L)150x10?6x100Id@Vout=2.5V=

Vdd?Vout3?2.5==0.25mA, 3RD2x102x0.25x10?32IdVin@Vout=2.5V =Vth+=0.7+=1.016V

?nCox(W/L)150x10?6x100gm @Vout=1V=2??n?Cox?(W/L)?Id= gm @Vout=2.5V=2??n?Cox?(W/L)?Id=

2?50?100?1000=3.162

mA VmA2?50?100?250=1.581

V

4

3. NMOS管连接成二极管的方式如下图所示，其中：Kn =50μA/V2, W/L=4,Vth =0.7V,I=1mA, η=0.02，画出该电路的小信号等效电路；如果忽略其沟道调制效应的影响，计算该电路的小信号电阻。

+M1VDDV1gmV1rogmbVbs-IIV+-V+

-

解：该电路的小信号等效电路如图所示。

由于，V??V1??Vbs（1分）

I?Vr?(gV1m?gmb)1?V(gm?gmb?r) oo小信号电阻=

V1I?g

m?gmb?1r0忽略ro得到：小信号电阻=

V1I?g

m?gmb因为NMOS管工作在饱和状态，所以

gm?2KnId?250?10?6AV2?10?3A =25?10?8AV?2?2.24?10?4S?0.448mS gmb???gm?0.448mS?0.02?0.0896mS 小信号电阻=1(0.448?0.0896)?10?3?1.86k?

5

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