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Esercizi Svolti e Commentati:

Microelectronics (B. Razavi, Wiley 2014)

Capitolo 7 Amplificatori CMOS

Parte III

37. λ=0

(A) VIN/Vx = RIN/(RS+RIN) = 1/(1+gm1RS)

Vout/Vx = gm1 · 1/gm2 = gm1/gm2

=> Av = 1/(1+gm1RS) · gm1/gm2

(B) Av = gm1/gm2

(C) VIN/Vx = R1||(1/gm1)/(R1||(1/gm1)+RS) = 1/(1+(1+gm1R1)RS)

Vout/Vx = gm1/gm2 => Av = gm1/gm2 · 1/(1+(1+gm1R1)RS)

(D) Av = gm1Req

Req = RD + 1/gm2

(E) Av = gm1Req

Req = RD || 1/gm2

38.-39. OUTPUT SWING.

Vout > VG - |Vtp|

-gm2ro2 > VG - |Vtp| => VG < |Vtp| - gm2ro2

Vout > VGG+ - Vthn => VG < (VGG+ - Vthn)/(gm1ro1)

40.

Ix = gmVx + Vx/ro + Vx/RS => Ix = gmVx + Vx/ro + 1/RS Vx

Ix/Vx = gm + 1/ro + 1/RS => (1/gm || ro) || RS

Rout = rogm/(1 + gmro)

41.

Rout = (1 + gm2ro2)RE + ro

RE = 1/gm2 || 1/gm2

42.

VDD = 2V

W/L = 300

RE = 50 ohm

P = 20 uW

RV = ?

ID = P/VDD = 0,01A

AV = REgm/(1 + gmRE)

AV = 0,65

gm = sqrt(2unCoxW/L ID) = 0,0385 = (26 ohm)-1

43-44.

VDD = 1,8V

ID = 2mA

AV = 0,85

lambda = 0

R1 = 5K

R2 = 220K

VGB = R2/(R1 + R2) VDD = 1,76V

VGS = 1,76V - IDRS

AV = gmRS/(1 + gmRS) = 0,85

2IDRS/(VOV(VOV + 2IDRS)) = 0,85

0,3IDRS = 0,85VOV = 1,496V - 0,85IDRS

=> RS = 1,496V/(1,15 ID) = 680,43 ohm

VG ↑ VOV ↑ RS

45.

Av = RD / (1/gm1 + 1/gm2 || Rs)

CB

46.

Rout < 6 Ohm

P = 3 mW

lambda = 0

VDD = 1,8

1/gm = 60 => gm = 0,0165 = (60n)-1

I = P/100 = 1,67 uA

gm2 / (2IDumutex) = W/L = 383

47.

Av = 0,85

P = 2 mW

(W/L)? C source.

VDD = 1,8V

RL = 50

Av = gmRL / (1 + gmRL) = 0,85

gm = 0,85 / (0,15RL) = 0,113 ~ (8,8u)-1

ID = 1,11 uA => W/L = 8u gm2 / (2IDumutex) = 28459

48.

A) Av = gmuRL / (1/gmuRL)

RL = (RS + ro) || ro1

B) Av = gmuRL / (1 + gmuRL)

RL = ((1 + gmu2(ro))RS + Rs) || ro

C) Av = gmuRi / (1 + gmuRL)

RL = (1/gmu2 || ro2) || ro1

D) Req?

IR1 = Ix - gmuVgs - Vx/ro

Vgs = R2/(R1+R2) Vx

(Vx - R2 Vx/(R1+R2)) 1/R2 = Ix - gmuR2Vx/(R1+R2) - Vx/ro

R1/R2 Vx/(R1+R2) + gmu R2Vx/(R1+R2) + Vx/ro = Ix

Vx/(R1+R2) (R1/R2 + gmuR2) + Vx/ro = Ix

1/(R1+R2) (R1/R2 + gmuR2) + 1/ro = Yx

Rx = ro2(R1+R2)/(R2+R1+ro2+gmu2ro2R2)

Req = (1 + gmu2ro2)RS + RS

Av = gmu1RS/(1 + gmu1RS)

VDD = 1.8V

RC = 20K

ID = 5uA

λ1 = λ2 = 0.0001V-1

(W/L)1 = 300/2

AV = gm1RL/(1 + gm1RL)

RL = ro2 = 200KΩ

gm = (2unCox W/L ID)1/2 = 0,0475 = (83Ω)-1

=> Av = 0,99

50.

Av = 5

Rout = 1 kOhm

RG = 10 kOhm

C1, C2 very large

lambda = 0

VDS < Vov true

VDS - Vov = 100 mV, hence not much less.

Rout = RD = 1k

VDS - RD ID - VGS + Vth = 100 mV => ID = 0,4 - 0,1 / RD = 0,3 mA.

Av = gm RD => gm = 0,00555 s = (200 ohm)-1 w/L = 208.

51.

VDD = 1,8 V

Av = 4

Vo = 2 mV

VRS = 200 mV

Vov < 300 mV

PR1,R2 <= 5% PTOT

ID = P/VDD = 1,16 mA.

RS = VRS/ID = 169 ohm.

Av = RD / (1/gu + RS) = gm RD / (1 + gm RS) = 4

gm = 2ID/Vov = 0,0218 S = (47 ohm)-1 Vgs = 0,5 V => Va = 0,7 V

RD = 4 (1 + gm RS) / gm = 940 kOhm.

VDS > Va or Vov = 0,1 < 300 mV

I1 = Ptot/VDD = 0,05% PTOT / VDD = 56 uA

R1 + R2 = VDD/I1 = 32,143 k

Va = R2/(R1 + R2) VDD => R2 = Va/VDD (R1 + R2) = 12,5 kOhm.

R1 = 20 kOhm

(w/L) = gu2 / (2 ID mu_n Cox) = 1060.

AV = 6

CS short circuit at f = 1.5G

P = 2uW

RIN = 20K

VDD = VOV + 200mV

C1, C2 negligible at 1MHz

RIN = R1 = 20K

ID = P/VDD = 1,11mA

VD = 1,6V

VDD - IDRD = VG - VTH + 0,2B? RD = (VTH - 0,2)/ID = 180 ohm

AV = -gmu RD -> gm = AV/RD = 0.033S = (30 ohm)-1 not valid

AV = gmuRD/(1+gmuRS) -> RD - 6RS > 0 => RS < RD/6 = 30ohm

=> RS = 20 ohm

VS = 0,022V

gm = AV/(180 - 6:20) = 0.1

=> w/L = gm^2/(2IDmunCox) = 363.

C1

RIN = 1/sc1 + R1 = R1 => |SC1|-1 << R1

=> C1 >> 1/(2piR1) = 8 pf.

C1 = 160pF.

C2

(Zc)-1 >> 1/gmu||Rs

SCs + 1/gmu + 1/Rs

Cs >> 1/(2pi f) (1/gmu + 1/Rs)

Cs = 31uF.

53.

VDD = 1.8

Av = 20

p = 2mW

l = 0.1V^-1

Vout < 1.5V

M2 saturated

M1

ID = P/VDD = 2mW/1.8 = 1.11uA

ro1 = ro2 = 1/(lID) = 9K

Av = gm1 (ro2 || ro1) = gm1 (ro2/2) => gm1 = 40/ro = (0.0044 S) = (225)

VDS2 = Vb - |Vthp| < VDD - Vout M2 sat.

VIN(=VGS1) - Vth < VDS1(=Vout) => VDS1 < 1.5 => VGS1 = 1.2V

= VGS1 < 1.6V => VGS1 = 1.2V

gm1 = 2ID/Vov => (W/L)1 = gmw^2/(2uCoxID) = 43

Vb > 1.1V => Vo = 1.2V VGS2 = 0.6V VDS2 = 0.3V

(W/L)2 = 2ID/(Vov^2(1 + lVDS2)uPcox) = 135

54.

CB very large

lm = 0.5p = 0.1V^-1

VDD = 1.8V

A) Av = ?

B) Av = 15, p = 3mW

Rca = 10(ro1 || ro2)

Vout,ac = VDD/2

Av = -(Rca || ro2) gm2

ID = P/VDD = 1.7mA

ro1 = 5.9K

ro2 = ro1/2 = 2.95K

Rca = 20K

VSG2 = VDD - Vov = 0.9

VSD2 = 0.9

gm2 = 2ID/Vov = (0.0068 S) = (147)

(W/L)2 = gmw^2/(2umCoxID) = 136

gm1 = Av/1.8K = 0.0083 S = (120)

(W/L)1 = gmw^2/(2umCoxID) = 101

VDS1 = 0.9V

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