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《模擬集成電路設(shè)計(jì)原理》期末考試 一．填空題（每空1分，共14分） 1、與其它類型的晶體管相比，MOS器件的尺寸很容易按____比例____縮小，CMOS電路被證明具有_較低__的制造成本。 2、 放大應(yīng)用時(shí)，通常使MOS管工作在_ 飽和_區(qū)，電流受柵源過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓控制，我們定義_跨導(dǎo)_來(lái)表示電壓轉(zhuǎn)換電流的能力。 3、λ為溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)系數(shù)，對(duì)于較長(zhǎng)的溝道，λ值____較小___（較大、較?。?。 4、源跟隨器主要應(yīng)用是起到___電壓緩沖器___的作用。 5、共源共柵放大器結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特性就是_輸出阻抗_很高，因此可以做成___恒定電流源_。 6、由于_尾電流源輸出阻抗為有限值_或_電路不完全對(duì)稱_等因素，共模輸入電平的變化會(huì)引起差動(dòng)輸出的改變。 7、理想情況下，_電流鏡_結(jié)構(gòu)可以精確地復(fù)制電流而不受工藝和溫度的影響，實(shí)際應(yīng)用中，為了抑制溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)帶來(lái)的誤差，可以進(jìn)一步將其改進(jìn)為_(kāi)_共源共柵電流鏡__結(jié)構(gòu)。 8、為方便求解，在一定條件下可用___極點(diǎn)—結(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)_法估算系統(tǒng)的極點(diǎn)頻率。 9、與差動(dòng)對(duì)結(jié)合使用的有源電流鏡結(jié)構(gòu)如下圖所示，電路的輸入電容Cin為_(kāi)_ CF（1－A）__。 10、λ為溝長(zhǎng)調(diào)制效應(yīng)系數(shù)，λ值與溝道長(zhǎng)度成___反比__（正比、反比）。 二．名詞解釋（每題3分，共15分） 1、阱 解：在CMOS工藝中，PMOS管與NMOS管必須做在同一襯底上，其中某一類器件要做在一個(gè)“局部襯底”上，這塊與襯底摻雜類型相反的“局部襯底”叫做阱。 2、亞閾值導(dǎo)電效應(yīng) 解：實(shí)際上，VGS=VTH時(shí)，一個(gè)“弱”的反型層仍然存在，并有一些源漏電流，甚至當(dāng)VGS>1/gm，則Gm≈1/RS，所以漏電流是輸入電壓的線性函數(shù)。所以相對(duì)于基本共源極電路，帶有源極負(fù)反饋的共源極放大電路具有更好的線性。 4. 在傳輸電流為零的情況下，MOS器件也可能導(dǎo)通么？說(shuō)明理由。 解：可能。當(dāng)時(shí)，器件工作在深線性區(qū)，此時(shí)雖然足夠的VGS可以滿足器件的導(dǎo)通條件，但是VDS很小，以至于沒(méi)有傳輸電流 五．分析計(jì)算題（共34分） （下列題目中使用教材表2.1所列的器件數(shù)據(jù)，所有器件尺寸都是有效值，單位均為微米。） 1、（7分）假設(shè)λ=γ=0，計(jì)算圖示電路的小信號(hào)增益（表達(dá)式）。 解： 2、（9分）差動(dòng)電路如圖所示，ISS=1mA，VDD=3V，(W/L)1、2=(W/L)3、4=50/0.5。 （1）假設(shè)γ=0，求差動(dòng)電壓增益； （2）γ=0.45 V-1時(shí)，如果ISS上的壓降至少為0.4V，求最小的允許輸入共模電平。 解：（1）ID=0.5mA，gmN=3.6610-3，rON=2104Ω，rOP=104Ω，Av=-gmN(rON || rOP)=-24.4 （2） VGS1=0.786+0.27=1.056V， Vin,CM=1.056+0.4=1.456V 3、（9分）(W/L)N=10/0.5，(W/L)P=10/0.5，IREF=100μA，VDD=3V，加到M1、M2柵極的輸入共模電平等于1.5V。 （1）分別計(jì)算流過(guò)晶體管M3、 M4 、M5、 M6 、M7的電流； （2）假設(shè)λ=0，分別計(jì)算γ=0和γ=0.45V-1時(shí)P點(diǎn)電位。 解：（1）I3=I4=50μA，I5=I6=200μA，I7=500μA （2）γ=0：VP=0.368V γ=0.45V-1：VTH1（VP=0.368V）=0.78V，VP1=0.288V；VTH2（VP1=0.288V）=0.764V，VP2=0.304；VTH3（VP2=0.304V）=0.767V，VP3=0.301；VTH4（VP3=0.301V）=0.766V，VP4=0.302；VTH5（VP4=0.302V）=0.766V，VP4=0.302……. 所以VP≈0.302V 4、（9分）畫出下圖共源極高頻模型的小信號(hào)等效電路，并利用小信號(hào)模型精確推導(dǎo)系統(tǒng)的極點(diǎn)頻率。 解： 第3章 集成電路中的器件及模型 1. 對(duì)MOS器件主要關(guān)心的是器件的閾值電壓，電流方程，器件的瞬態(tài)特性，小信號(hào)工作的模型。 2. 閾值電壓是一個(gè)重要的器件參數(shù)，它是MOS晶體管導(dǎo)通和截止的分界點(diǎn)。 ①當(dāng)VGS＞VT，而VDS=0時(shí)，在源—漏區(qū)之間形成均勻的導(dǎo)電溝道，無(wú)電位差，無(wú)電流。 ②當(dāng)VDS＞0但比較小時(shí)，在源—漏區(qū)有近似均勻的導(dǎo)電溝道，形成漏電流。 ③當(dāng)VDS=VGS-VT時(shí)，漏端反型層電荷減少到零，溝道在源端夾斷。 ④當(dāng)VDS＞VGS-VT時(shí)，溝道夾斷的位置向源端方向移動(dòng)，形成耗盡區(qū)。 3. K，K的關(guān)系：K是MOS晶體管的導(dǎo)電因子。 K是本征導(dǎo)電因子。 MOS晶體管的導(dǎo)電因子（K）由兩方面因素決定：①K ②晶體管寬長(zhǎng)比（W/L） 4. 亞閾值電流：MOS晶體管處于表面弱反型狀態(tài)，即亞閾值區(qū)，在其溝道中存在反型載流子，以擴(kuò)散為主運(yùn)動(dòng)，而形成的電流。 亞閾值斜率：亞閾值電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所對(duì)應(yīng)的柵電壓的變化。 5.MOS管瞬態(tài)特性：①本征電容：與本征工作區(qū)電荷變化相聯(lián)系的電容。 ②寄生電容：包括覆蓋電容，源漏區(qū)PN結(jié)電容。 6. 大，小信號(hào)分別針對(duì)什么問(wèn)題提出的？ 答：大信號(hào)針對(duì)數(shù)字電路提出的，小信號(hào)針對(duì)模擬電路提出的。 7. 小尺寸器件的二級(jí)效應(yīng)包括哪些方面，任選一種說(shuō)明。 答：包括：①短溝道效應(yīng) ②窄溝道效應(yīng) ③飽和區(qū)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng) ④遷移率退化和速度飽和 ⑤熱電子效應(yīng) 短溝道效應(yīng)（SCE）：MOS晶體管溝道越短，源—漏區(qū)pn結(jié)耗盡層電荷在總的溝通區(qū)耗盡層電荷中占的比例越大，使實(shí)際由柵壓控制的耗盡層電荷減少，造成的值電壓隨溝道長(zhǎng)度減小而下降。 8. 本征晶體管的EM模型用來(lái)分析什么問(wèn)題。 答：①晶體管飽和壓降和工作電流的關(guān)系 ②晶體管的輸出曲線 9. 集成雙極晶體管的寄生效應(yīng)有哪些？如何改善？ 答：①無(wú)緣寄生：寄生電阻和電容與PN結(jié)和電流通過(guò)的路徑相關(guān)聯(lián) ②有緣寄生：由基極、集電極、隔離墻、襯底組成的PNP晶體管 改善：①在工藝加工中摻金，增加復(fù)合中心數(shù)量 ②在集電區(qū)下設(shè)置n+埋層，加大寄生PNP管基區(qū)寬度 ③在NPN管收集結(jié)上并連一個(gè)SBD 10. EM2模型怎么來(lái)的？ 答：在本征EM模型基礎(chǔ)上增加反映寄生效應(yīng)的元件。 11. 晶體管特征頻率fT：晶體管交流輸出短路共發(fā)射極電流增益β（f）=1時(shí)的工作頻率。 12. 無(wú)源元件分為：電阻器，電容器，電感器，（互連線） 第四章 1. COM反相器的直流噪聲容限，開(kāi)、關(guān)門電平分別針對(duì)什么？ 答：為了保證電路能正常工作，對(duì)電路的輸入邏輯電平有一個(gè)允許的變化范圍，這個(gè)范圍就是直流噪聲容限。它反映了電路的抗干擾能力，決定于電路所能承受的最差的輸入邏輯電平。 關(guān)門電平是電話允許的輸入低電平的上限，而開(kāi)門電平是電路允許的輸入高電平的下限。 2. CMOS反相器的設(shè)計(jì)。 答：（1）為了使CMOS反相器有最佳性能，采用全對(duì)稱設(shè)計(jì)：VTN=-VTP，KN=KP，因?yàn)槿珜?duì)稱設(shè)計(jì)Vit=VPP，所以VNLM=VNHM=VDD且tr=tf，這樣最有利于提高速度。 （2）在實(shí)際工藝中，不可能獲得完全對(duì)稱設(shè)計(jì)。因此取LN=LP=λ，WN=WP=WA，WP=2WN，WN=WA。 （3）要求一個(gè)反相器在驅(qū)動(dòng)1pF負(fù)載電容時(shí)tr和tf不超過(guò)0.5ns，采用0.6um工藝，VDD=5V，VTN=0.8V，VTP=-0.9V，KN=μnCOX=12010-6A/V2，KP=μPCOX=6010-6A/V2 根據(jù)其中要求tr=0.5ns，則τp=0.28ns 又根據(jù)τp=CL/KPVDD得KP=7.1410-4A/V2 因則 要求PMOS管寬長(zhǎng)比滿足： 同理 要求NMOS管寬長(zhǎng)比滿足： 取LN=LP=0.6um 則 WN=6.9um，WP=14.28um 在畫版圖時(shí)，MOS管的溝道寬度要根據(jù)實(shí)際情況取整 3. CMOS與NMOS反相器的比較 答：從直流特性看 NMOS：負(fù)載元件常導(dǎo)通，是有比反相器，達(dá)不到最大邏輯擺幅，有較大靜態(tài)功耗噪聲容限。 CMOS：NMOS，PMOS交替導(dǎo)通，是無(wú)比電路，可獲得最大邏輯擺幅，有利于減小靜態(tài)功耗，可獲得最大的直流噪聲容限。 從瞬態(tài)特性看 NMOS：因?yàn)镵r＞1，使得tr＞＞tf，因此限制了速度。 CMOS：采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，使tr=tf，從而有利于提高速度。 4. 什么叫上拉，下拉開(kāi)關(guān)？ 答：在CMOS反相器中，NMOS管導(dǎo)通的作用是把輸出拉到低電平，因此叫下拉開(kāi)關(guān)。PMOS管導(dǎo)通的作用是把輸出拉到高電平，因此叫上拉開(kāi)關(guān)。 把單個(gè)NMOS管和PMOS管換成一定串、并聯(lián)關(guān)系。NMOS邏輯塊叫下拉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。PMOS邏輯塊叫上拉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。 5. 什么是類MOS，在什么情況下提出？ 答：因?yàn)殪o態(tài)CMOS邏輯門每個(gè)輸入都有NMOS和PMOS兩個(gè)管子，不利于減小面積和提高集成度，所以采用類MOS電路。 類NMOS：只用NMOS管串，并聯(lián)構(gòu)成的邏輯功能塊，上拉通路常導(dǎo)通的PMOS管代替PMOS邏輯功能塊。 類PMOS：只用PMOS邏輯塊實(shí)現(xiàn)邏輯功能，下拉通路的NMOS邏輯塊用常導(dǎo)通的NMOS管代替。 6. 什么是富MOS，在什么情況下提出？ 答：為了避免形成直流通路，使上拉通路和下拉通路不能同時(shí)導(dǎo)通，故提出富MOS電路。 用一對(duì)受時(shí)鐘信號(hào)控制的NMOS管和PMOS管使上拉和下拉通路不能同時(shí)導(dǎo)通，用NMOS邏輯塊實(shí)現(xiàn)邏輯功能，NMOS管占大多數(shù)，叫富NMOS電路。 7. 預(yù)充—求值動(dòng)態(tài)電路中的電荷分享成因及解決方法。 答：若輸入信號(hào)在求值階段變化，會(huì)引起電荷分享，使輸出信號(hào)受到破壞。 出現(xiàn)條件：φ=0時(shí)A=0，φ=1時(shí)A=1，B始終為0 結(jié)果：輸出高電平下降，下降比例與兩個(gè)電容比值有關(guān) 解決方法：加反饋管和預(yù)充電管使輸出電平恢復(fù)，克服電荷分享。 8. 富MOS級(jí)聯(lián)問(wèn)題：為了避免預(yù)充—求值動(dòng)態(tài)電路在預(yù)充期間的不真實(shí)輸出影響下一級(jí)電路的邏輯操作，富NMOS與富NMOS（或富PMOS與富PMOS）電路不能直接級(jí)聯(lián)，而是采用富NMOS與富PMOS交替級(jí)聯(lián)的方式。 9. CMOS邏輯電路的功耗來(lái)源，及各自成因？ 答：（1）動(dòng)態(tài)功耗：負(fù)載電容充、放點(diǎn)所消耗的功耗。 （2） 開(kāi)關(guān)過(guò)程中的短路功耗：輸入信號(hào)上升或下降過(guò)程中，直流導(dǎo)通電流引起的功耗。 （3） 靜態(tài)功耗：由泄漏電流導(dǎo)致的功耗。 10. 雙極型電路的成因及RTL電路的邏輯功能。 答：雙極型晶體管有較大的跨導(dǎo)，比MOS電路有更快的開(kāi)關(guān)速度。RTL電路由雙極單管反相器并聯(lián)而成，輸出電平VOUT的邏輯是C1和C2的“點(diǎn)與”。RTL是一種或非門邏輯，它的主要問(wèn)題是噪聲容限低。 第五章 1. 數(shù)字集成電路分類，差別？ 答：組合邏輯電路：無(wú)反饋，無(wú)記憶，輸出僅與輸入有關(guān)。 時(shí)序邏輯電路：有反饋，有記憶，輸出與輸入和前級(jí)輸出有關(guān)。 2. 組合邏輯電路單元設(shè)計(jì)的基本過(guò)程。 答：所需功能 ↓ 真值表 ↓ 邏輯表達(dá)式（優(yōu)化，找到最適合的結(jié)構(gòu)形式，不一定得到最簡(jiǎn)的邏輯表達(dá)式） ↓多種形式 實(shí)際電路 ↓紙上進(jìn)行 優(yōu)化（在考慮管子數(shù)目和串、并聯(lián)關(guān)系條件下，進(jìn)行優(yōu)化） ↓ 版圖設(shè)計(jì)（反復(fù)優(yōu)化，在工藝條件，性能要求和延遲時(shí)間前提下，盡量減小芯片面積） ↓ 掩模板 3.分析圖與雙穩(wěn)反饋 答：（1）圖說(shuō)明了在R-S鎖存器基礎(chǔ)上增加反饋線實(shí)現(xiàn)了J-K鎖存器的原理，其中： 與非門1和2是實(shí)現(xiàn)了輸入轉(zhuǎn)換控制與雙穩(wěn)反饋；與非門3和4構(gòu)成了R-S鎖存器，輸入輸出交叉耦合。 （2） 當(dāng)CK=0時(shí)，R-S數(shù)據(jù)鎖存 當(dāng)CK=1時(shí)，J=K=0時(shí)，R-S鎖存器輸出保持不變 J=0，K=1時(shí)，R-S鎖存器輸出低電平 J=1，K=0時(shí)，鎖存器輸出高電平 J=K=1時(shí)，R-S鎖存器輸出發(fā)生空翻，為了避免，采用主從J-K觸發(fā)器 （3） 工作模式：先主求值，從保持；后主保持，從求值。 第六章 1. 輸入、輸出緩沖器緩沖器各自的特征和作用 答：輸入特征：兩級(jí)反相級(jí)聯(lián)：①在輸入反相器的PMOS管源上增加一個(gè)二極管，但會(huì)使這級(jí)反相器輸出高電平變差，故再增加一個(gè)PMOS反饋管來(lái)改善 ②CMOS施密特觸發(fā)器，是一種閾值轉(zhuǎn)換電路，有兩個(gè)邏輯閾值電平，帶來(lái)的回滯電壓可改善其噪聲效果 作用：①作為電平轉(zhuǎn)換的接口電路 ②改善輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力 輸出特征：在CMOS集成電路中，用多級(jí)反相器構(gòu)成反相器鏈 作用：①提高所需要的驅(qū)動(dòng)電流 ②使緩沖器的總延遲時(shí)間最小 2. ESD保護(hù)電路如何產(chǎn)生，怎樣保護(hù)？ 答：ESD指靜電釋放 產(chǎn)生：在VLSI芯片四周環(huán)繞有很長(zhǎng)的電源線和地線，它們有較大的寄生電阻和電容，使ESD放電時(shí)間延遲，造成遠(yuǎn)離ESD的器件容易受到ESD損傷。 保護(hù)：在芯片四邊各放置一個(gè)電源對(duì)地的ESD鉗位保護(hù)電路。 3. 三態(tài)輸出有哪三態(tài)，其邏輯符號(hào)有哪些？ 答：①輸出高電平狀態(tài)——有電流輸出 ②輸出低電平狀態(tài)——有電流輸入 ③高阻態(tài)——既不能有電流輸出，也不能有電流輸入 邏輯符號(hào)：（請(qǐng)自己記?。。? 第七章 1. MOS存儲(chǔ)器的分類及區(qū)別 答：①隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM：揮發(fā)性，斷電存儲(chǔ)內(nèi)容不存在 ②只讀存儲(chǔ)器ROM：不揮發(fā)性，存儲(chǔ)內(nèi)容長(zhǎng)期保持 2. RAM的分類及類別 答：①動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器DRAM：靠電容存儲(chǔ)信息，單元電路簡(jiǎn)單，面積小，集成度高 ②靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM：靠雙穩(wěn)態(tài)電路存儲(chǔ)信息，單元電路復(fù)雜，面積大，工作速度快 3. 存儲(chǔ)器總體結(jié)構(gòu)的四個(gè)模塊分別的作用 答：①存儲(chǔ)單元陣列：構(gòu)成存儲(chǔ)器的核心 ②譯碼器：對(duì)單元進(jìn)行選擇 ③輸入/輸出緩沖器：使片內(nèi)和片外信號(hào)匹配，滿足電平和驅(qū)動(dòng)能力的要求。 ④時(shí)鐘和控制電路：使存儲(chǔ)器各部分的工作按一定時(shí)序進(jìn)行 4. DRAM單元結(jié)構(gòu)和工作原理 答：DRAM是由一個(gè)門管和一個(gè)電容構(gòu)成的單管單元結(jié)構(gòu)。門管的柵極接字線（WL）受行譯碼器控制，漏極接位線（BL）。各種泄漏電流會(huì)使電容存儲(chǔ)的電荷丟失，通過(guò)增大存儲(chǔ)電容的容量，減少泄漏電流。 信息的寫入：①當(dāng)寫1時(shí)：預(yù)備動(dòng)作：位線高電平 過(guò)程：字線高電平→門管導(dǎo)通→位線向存儲(chǔ)電容充電 結(jié)果：存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的高電平 ②當(dāng)寫0時(shí)：預(yù)備動(dòng)作：位線低電平 過(guò)程：字線高電平→門管導(dǎo)通→位線向存儲(chǔ)電容放電 結(jié)果：存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的低電平 信息的讀?。侯A(yù)備動(dòng)作：位線預(yù)充電 過(guò)程：字線高電平→門管導(dǎo)通→存儲(chǔ)電容和位線電容發(fā)生電荷分享，VB0＜VR或VB1＞VR DRAM單元結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積小，有利于提高集成度 存在問(wèn)題：①存儲(chǔ)信息不能長(zhǎng)期保持，會(huì)由于泄漏電流而丟失 ②單元讀出信號(hào)微弱，破壞性讀出 解決辦法：①定期刷性 ②設(shè)置靈敏/再生放大器 設(shè)計(jì)DRAM單元時(shí)需考慮兩個(gè)因素：①面積 ②性能 為縮小面積提高性能需：①縮小特征尺寸，減少氧化層厚度，提高單位面積電容量 ②單元結(jié)構(gòu)的改進(jìn) ③材料的變革 10