ID
非饱和区 饱和区 VDSsat=VGS-VTH
VDS
非饱和区：
条件：0 条件：0< VGS-VTH < VDS 方程： IDS? W1[(VGS?VTH)VDS?VDS2] L2 8. 解： 1W?Cox(VGS?VTH)22L'VDD RL Vout Vin MI Vin 时，MI开始导通，漏极电流不再为0，由于漏源电压VDS=Vout大于Vin- VT0，因而MI初始处于饱和状态。随着输入电压增加，漏极电流也在增加，输出电压Vout开始下降，最终，输入电压大于Vout+ VT0，MI进入线性工作区。在更大的输入电压下，输出电压继续下降，MI仍处于线性模式。传输特性曲线如图示： 37 Vout VOH dVout/dVin=-1 dVout/dVin=-1 VOL 0 Vin VIL VIH 1）Vin MI：VGS=Vin=VDD VDS=Vout=VOL ∴VDS IR=(VDD-Vout)/RL=(VDD-VOL)/RL IM=KN〔(VGS- VT0)VDS- 1/2VDS2〕 = KN〔(VDD- VT0) VOL- 1/2VOL2〕 ∵IM=IR VOL=VDD-VT0+1/KNRL-(VDD-VT0+1/KNRL)2-2VDD/KNRL为使VOL→0，要求KNRL >>1 Vout VDD KNRL↑ 0 Vin 3）Vin=VIL时, MI：VGS=Vin=VIL VDS=Vout ∴VDS>VGS-VT0 MI饱和导通 IR=(VDD-Vout)/RL IM=1/2 KN (VGS - VT0)2 =1/2 KN (Vin - VT0)2 ∵IM=IR，对Vin微分，得： -1/RL(dVout/dVin)= KN (Vin - VT0) 38 ∵dVout/dVin=-1 ∴VIL=Vin=VT0+1/KNRL ∴此时Vout=VDD-1/2KNRL 4）Vin=VIH时, MI：VGS=Vin=VIH VDS=Vout ∴VDS IR=(VDD-Vout)/RL IM= KN〔(VGS- VT0)VDS- 1/2VDS2〕 = KN〔(Vin- VT0)Vout- 1/2Vout2〕 ∵IM=IR，对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=2VDD/3 KNRL ∴VIH=VT0+8VDD/3 KNRL -1/KNRL 9. 解：Vout=VOL时，晶体管非饱和导通，Vin= VOH=VDD 〔(VDD- VT0) VOL- 1/2VOL2〕 ∴ (VDD-Vout)/RL= KN`（W/L） 5 代值解得：RL（W/L）=2.05×10Ω 可以选择不同的W/L和RL值以满足VOL=0.2V，在最终设计中二者的选取还需考虑其他因素，如电路功耗与硅片面积。表中列出了一些设计中W/L和RL可能的取值和对应每种取值估算的平均直流功耗。 W/L RL（KΩ） PDC average(uW) 1 2 3 4 5 6 205. 0 102.5 68.4 51.3 41.0 34.2 58.5 117.1 175.4 233.9 292.7 350.8 由表可见，随着RL的减小，直流功耗显著增加，W/L也同时增加。若考虑降低平均直流功耗，可选择较小的宽长比W/L和较大的负载电阻RL，而制造较大的RL需要较大面积的硅区，则还需要在功耗和面积之间折中。 10. 解：KN=KN`(W/L)=40uA/V2 ∴KNRL=8V-1 Vin VOL=VDD-VT0+1/KNRL-(VDD-VT0+1/KNRL)2-2VDD/KNRL=0.147V VIL= VT0+1/KNRL=0.925V VIH=VT0+8VDD/3 KNRL-1/KNRL=1.97V ∴VNML=VIL-VOL=0.78V VNMH=VOH-VIH=3.03V VNML过小，会导致识别输入信号时发生错误。为得到较好的抗噪声性能，较低的信 39 号噪声容限应至少为VDD的1/4，即VDD=5V时取1.25V。 11. 解：VOL=VDD-VT0+1/KNRL-(VDD-VT0+1/KNRL)2-2VDD/KNRL 代值解得KNRL=2 ∴VIL= VT0+1/KNRL=1.5V VIH=VT0+8VDD/3 KNRL-1/KNRL=3.1V 而VOH= VDD=5V ∴VNML=VIL-VOL=0.9V VNMH=VOH-VIH=1.9V 12. 答：采用负载电阻会占用大量的芯片面积，而晶体管占用的硅片面积通常比负载电阻小， 并且有源负载反相器电路比无源负载反相器有更好的整体性能。 13. 答：根据给增强型负载提供不同的栅极偏压，负载晶体管可以工作在饱和区或线性区。 VDD VSS VDD Vout Vin Vin Vout 饱和增强型负载反相器只要求一个独立的电源和相对简单的制造工艺，并且VOH限制在 VDD-VTL。而线性增强型负载反相器的VOH= VDD，噪声容限高，但需要使用两个独立的电源。由于二者的直流功耗较高，大规模的数字电路均不采用增强型负载nMOS反相器。 14. VDD D G ML S Vout Vin MI 解： 1）Vin=0时，MI截止 ML：VDSL= VGSL=VDD-Vout=VDD-VOL ∴VDSL>VGSL-VTL ML始终饱和导通 Vout= VOH= VDD-VTL 2）Vin= VDD时，Vout=VOL 40