114 年 國立成功大學微電子工程研究所《電子學》
第 1 題30 分
The common-source (CS) amplifier in Fig. 1 is biased to operate at mA/V, and has the following component values: k, M, M, F, k, F, k, k, and F. Neglect and find (a) gain (), (b) input pole (), (c) source pole (), (d) source zero (), (e) output pole (), and (f) -3dB frequency ().
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核心觀念
低頻共源極放大器的三個耦合/旁路電容分別造成:
- 輸入耦合電容 :輸入極點
- 源極旁路電容 :源極極點 與源極零點
- 輸出耦合電容 :輸出極點
中頻時視所有電容為短路,且題目指定忽略 。
解題方法
(a) 中頻增益
源極旁路電容在中頻視為短路,因此源極為交流接地。汲極等效負載為
閘極偏壓電阻為
訊號源至閘極的分壓為
共源極中頻電壓增益為
因此
(b) 輸入極點
所看到的等效電阻為
因此
其中
所以
(c)、(d) 源極極點與源極零點
源極阻抗為
共源極級的源極退化因子為
因此:
- 分子產生源極零點
- 分母產生源極極點
源極零點:
源極極點:
因為
第 2 題15 分
The circuit in Fig. 2 utilizes a voltage amplifier with gain in a shunt-shunt feedback topology with a feedback network composed of resistor k, input resistor k, and load resistor .
(a) If the amplifier has a DC gain of V/V, an input resistance k, and an output resistance k, find the actual realized. Also, find and . (15%)
(b) If the amplifier has an upper-3dB frequency of 1 kHz and a uniform -20-dB/decade gain rolloff, what is the 3-dB frequency of the gain ? (5%)
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核心觀念
本題考查反相電壓放大器的 shunt-shunt 負回授,需考慮:
- 放大器有限電壓增益
- 輸入電阻
- 輸出電阻
- 回授電阻
- 輸入電阻
圖中的 是回授網路的輸入電阻;題目要求的實際輸入電阻記為 。
由於放大器為反相型:
其中 為輸出電阻 左端的內部受控電壓源。
(a) 實際電壓增益、輸入電阻與輸出電阻
1. 求
輸出端套用 KCL:
代入 :
整理得:
代入
因此
2. 求
輸入節點套用 KCL:
令 ,整理:
所以
代入
3. 求輸入電阻
由訊號源端看入,輸入電流為
因此
由前式:
故
第 3 題
Please design a two-stage CMOS op amp, as shown in Fig. 3, for obtaining a dc gain of 4000 V/V. Assume that the available fabrication technology is of the 0.5-m type for which V, A/V, A/V, V/m, and V. To achieve a reasonable dc gain per stage, use m for all devices. Also, for simplicity, operate all devices at the same , in the range of 0.2 V to 0.4 V. The current is given to be A and A, and is 1.8 pF.
Please give the values realized for the following parameters (4% each)
(a) input common-mode range,
(b) maximum possible range of the output swing,
(c) output resistance ,
(d) common-mode rejection ratio (CMRR),
(e) power-supply rejection ratio PSRR+,
(f) power-supply rejection ratio PSRR-,
(g) slew rate (SR),
(h) unit-gain frequency ().
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核心觀念
本題先用兩級直流增益的乘積決定共同過驅電壓 ,再由各管的電流與 求 、。輸入共模範圍與輸出擺幅由 MOS 飽和所需的電壓餘裕決定;CMRR、PSRR 則分別是差動增益與共模、電源耦合增益的比值。
解題方法與工作點
圖中 是 PMOS 差動輸入對, 是 NMOS 電流鏡負載, 是 PMOS 偏壓鏡;第二級由 NMOS 與 PMOS 負載 組成,補償電容 接在第一級輸出與 之間。供應電壓為 V、 V;尾電流 ,因此 靜態電流各為 ,且 。
長通道模型下, V。於是第一級各支路的 ,第二級 的 。故兩級的輸出電阻分別為 與 。
在共同 下,
因此兩級電壓增益近似為
由 ,
代回可得 ,總增益約為 ,符合題設。工作點的主要跨導為
若以平方律估算尺寸, 時,、、、、。題目未給 ,因此 的絕對尺寸無法定值;以下 PSRR 依圖中理想參考電流源、匹配元件且忽略體效應計算。
(a) 輸入共模範圍
低端由輸入 PMOS 與二極體接法的 保持飽和所限:
高端由尾電流源 保持飽和所限:
因此輸入共模範圍為 。
(b) 最大輸出擺幅
輸出低端須讓 保持飽和;高端須讓 保持飽和:
所以輸出範圍約為 V 至 V,最大峰對峰擺幅為 V。
(c) 輸出電阻
直流下補償電容開路,因此輸出端看到 與 的 並聯: