[HW1 Solution] 1. V =1.8 V DD - Semiconductor System...

5
[HW1 Solution] 1. R in = 1 โˆฅ 2 โ‰ฅ 20ฮฉ I DS = 1 2 ๏ฟฝ 200ยตA V 2 ๏ฟฝ ๏ฟฝ 20 0.18 ๏ฟฝ ( โˆ’ ) 2 =1 V GS = 0.7, = 2 1 + 2 โ‰ฅ . , โ‰ฅ . 2. (a) R out R S v x , i x r O v gs g m v gs v gs = โˆ’ = โˆ’ , โˆ’ +g m = โˆ’ โˆ’ g m = = ={ +( + ) } V DD =1.8 V 500ฮฉ M 1 R 1 R 2

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[HW1 Solution]

1.

Rin = ๐‘…๐‘…1 โˆฅ ๐‘…๐‘…2 โ‰ฅ 20๐‘˜๐‘˜ฮฉ

IDS =12๏ฟฝ

200ยตAV2 ๏ฟฝ ๏ฟฝ

200.18

๏ฟฝ (๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ๐บ๐บ โˆ’ ๐‘‰๐‘‰๐‘ก๐‘ก)2 = 1๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š

VGS = 0.7๐‘‰๐‘‰,๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ๐บ๐บ =๐‘…๐‘…2

๐‘…๐‘…1 + ๐‘…๐‘…2

๐‘๐‘๐Ÿ๐Ÿ โ‰ฅ ๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ’๐Ÿ’๐Ÿ’๐Ÿ’๐›€๐›€,๐‘น๐‘น๐Ÿ๐Ÿ โ‰ฅ ๐Ÿ‘๐Ÿ‘๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ•๐Ÿ•๐Ÿ•๐Ÿ•๐›€๐›€

2.

(a) Rout

RS

vx, ixrOvgs gmvgs

vgs = โˆ’๐‘–๐‘–๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘…๐‘…๐บ๐บ = โˆ’๐‘‰๐‘‰๐‘ ๐‘ ,๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ฅ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘‰๐‘‰๐‘ ๐‘ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ

+ gm๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘”๐‘”๐‘ ๐‘  = ๐‘–๐‘–๐‘ฅ๐‘ฅ

๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ฅ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘–๐‘–๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘…๐‘…๐บ๐บ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ

โˆ’ gm๐‘–๐‘–๐‘ฅ๐‘ฅ๐‘…๐‘…๐บ๐บ = ๐‘–๐‘–๐‘ฅ๐‘ฅ

๐‘๐‘๐จ๐จ๐จ๐จ๐จ๐จ =๐’—๐’—๐’™๐’™๐’Š๐’Š๐’™๐’™

= {๐’“๐’“๐’๐’ + (๐Ÿ๐Ÿ + ๐’ˆ๐’ˆ๐’Ž๐’Ž๐’“๐’“๐’๐’)๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ}

VDD=1.8 V

500ฮฉ

M1

R1

R2

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(b) Rin

rOvgs gmvgs

vx, ix

RL

vx = โˆ’๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘”๐‘”๐‘ ๐‘ , ๏ฟฝix + ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘”๐‘”๐‘ ๐‘ ๏ฟฝro + ix๐‘…๐‘…๐ฟ๐ฟ = ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ฅ๐‘ฅ

ix(๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ + ๐‘…๐‘…๐ฟ๐ฟ) = ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ฅ๐‘ฅ(1 + ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ)

๐‘๐‘๐ข๐ข๐ข๐ข =๐’—๐’—๐’™๐’™๐’Š๐’Š๐’™๐’™

=๐’“๐’“๐’๐’ + ๐‘น๐‘น๐‘ณ๐‘ณ๐Ÿ๐Ÿ + ๐’ˆ๐’ˆ๐’Ž๐’Ž๐’“๐’“๐’๐’

3.

rOvin=vgs gmvgs

RD

RS voutix

ix = ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘”๐‘”๐‘ ๐‘  +๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ๐‘œ๐‘œ๐‘ก๐‘ก๐‘…๐‘…๐ท๐ท โˆฅ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ

=๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘–๐‘–๐‘–๐‘– โˆ’ ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ๐‘œ๐‘œ๐‘ก๐‘ก

๐‘…๐‘…๐บ๐บ

๏ฟฝ1

RSโˆ’ ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๏ฟฝ ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘–๐‘–๐‘–๐‘– = ๏ฟฝ

1๐‘…๐‘…๐บ๐บ

+1

๐‘…๐‘…๐ท๐ท โˆฅ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ๏ฟฝ vout

๐€๐€๐•๐• =๐’—๐’—๐’๐’๐’๐’๐’๐’๐’—๐’—๐’Š๐’Š๐’Š๐’Š

=๐Ÿ๐Ÿ โˆ’ ๐’ˆ๐’ˆ๐’Ž๐’Ž๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ

๐Ÿ๐Ÿ + ๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ/(๐‘น๐‘น๐‘ซ๐‘ซ โˆฅ ๐’“๐’“๐’๐’)

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4.

(a)

with ID = 0.5mA, VG = 2๐‘‰๐‘‰,๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ = 1๐‘‰๐‘‰.๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ๐บ๐บ = 1๐‘‰๐‘‰.๐‘‰๐‘‰๐‘‚๐‘‚๐‘‚๐‘‚ = 0.3๐‘‰๐‘‰

0.5mA =12

๐‘˜๐‘˜๐‘–๐‘–๐‘‰๐‘‰๐‘‚๐‘‚๐‘‚๐‘‚2 ,๐Ÿ•๐Ÿ•๐ข๐ข = ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ๐Ÿ๐’Ž๐’Ž๐Ÿ๐Ÿ/๐‘ฝ๐‘ฝ๐Ÿ๐Ÿ

๐•๐•๐ƒ๐ƒ = ๐Ÿ“๐Ÿ“ โˆ’ (๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ’๐Ÿ’)(๐ŸŽ๐ŸŽ.๐Ÿ“๐Ÿ“๐’Ž๐’Ž๐Ÿ๐Ÿ) = ๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ“๐Ÿ“๐‘ฝ๐‘ฝ

๐•๐•๐†๐†๐ƒ๐ƒ = โˆ’๐ŸŽ๐ŸŽ.๐Ÿ“๐Ÿ“๐‘ฝ๐‘ฝ < ๐‘ฝ๐‘ฝ๐’๐’ โˆถ ๐‘ด๐‘ด๐Ÿ‘๐Ÿ‘ ๐’Š๐’Š๐’Š๐’Š ๐’Š๐’Š๐’Š๐’Š ๐‘บ๐‘บ๐‘บ๐‘บ๐’๐’๐’๐’๐’“๐’“๐‘บ๐‘บ๐’๐’๐’Š๐’Š๐’๐’๐’Š๐’Š ๐‘น๐‘น๐‘น๐‘น๐’ˆ๐’ˆ๐’Š๐’Š๐’๐’๐’Š๐’Š

(b)

๐‘๐‘๐ข๐ข๐ข๐ข = ๐Ÿ๐Ÿ๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ’๐Ÿ’ โˆฅ ๐Ÿ‘๐Ÿ‘๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ’๐Ÿ’ = ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ’๐Ÿ’๐›€๐›€

AV =๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘”๐‘”

= โˆ’๐‘…๐‘…๐‘–๐‘–๐‘–๐‘–

120๐‘˜๐‘˜ + ๐‘…๐‘…๐‘–๐‘–๐‘–๐‘–๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š(5๐‘˜๐‘˜ โˆฅ ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ โˆฅ 5๐‘˜๐‘˜)

gm =2๐ผ๐ผ๐ท๐ท๐‘‰๐‘‰๐‘‚๐‘‚๐‘‚๐‘‚

= 3.33๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š, ๐‘Ÿ๐‘Ÿ๐‘œ๐‘œ =๐‘‰๐‘‰๐ด๐ด๐ผ๐ผ๐ท๐ท

= 100๐‘˜๐‘˜ฮฉ

๐€๐€๐•๐• = โˆ’๐Ÿ’๐Ÿ’.๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ

(c)

๐‘‰๐‘‰sig = ๐‘‰๐‘‰๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ sin๐‘ค๐‘ค๐‘ค๐‘ค ,๐‘‰๐‘‰๐‘œ๐‘œ = ๐‘‰๐‘‰๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ sin๐‘ค๐‘ค๐‘ค๐‘ค

gm(5๐‘˜๐‘˜ โˆฅ 5๐‘˜๐‘˜ โˆฅ 100๐‘˜๐‘˜) = 8.12

Vgd + ๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ๐ท๐ท = ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ +๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘

8.12โˆ’ 0.5 โ‰ค ๐‘‰๐‘‰๐‘ก๐‘ก = 0.7 ๐‘‰๐‘‰

๐•๐•๐’๐’,๐’‘๐’‘๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ๐Ÿ’๐Ÿ’ < ๐Ÿ๐Ÿ.๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ•๐Ÿ•๐‘ฝ๐‘ฝ

5V

300kฮฉ 5kฮฉ

5kฮฉ

2kฮฉ

Vo

M3Vsig

Rin

200kฮฉ

120kฮฉ CC1

CS

CC2

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๐•๐•๐’‘๐’‘๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ๐Ÿ’๐Ÿ’ <๐‘ฝ๐‘ฝ๐’๐’,๐’‘๐’‘๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ๐Ÿ’๐Ÿ’

๐Ÿ๐Ÿ๐‘ฝ๐‘ฝ= ๐Ÿ๐Ÿ๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ๐•๐•

(d)

Vgs = ๐‘‚๐‘‚๐‘”๐‘”1+๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐‘†๐‘†

= ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘”๐‘”2 when ๐‘๐‘๐’๐’ = ๐Ÿ๐Ÿ

๐’ˆ๐’ˆ๐’Ž๐’Ž= ๐Ÿ‘๐Ÿ‘๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐ŸŽ๐›€๐›€

(Also correct if youโ€™ve considered 2kฮฉ resistor.

The above solution ignored 2kฮฉ resistor considering 2kฮฉ||300ฮฉ โ‰’ 300ฮฉ)

gm๐‘…๐‘…๐ฟ๐ฟโ€ฒ1 + ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐บ๐บ

= ๏ฟฝ๐‘‰๐‘‰๐‘œ๐‘œ๐‘‰๐‘‰๐‘”๐‘”๏ฟฝ = 4.06

Vo,peak +๐‘‰๐‘‰๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘

4.06โˆ’ 0.5V โ‰ค 0.7V

๐•๐•๐จ๐จ,๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐Ÿ•๐Ÿ• = ๐ŸŽ๐ŸŽ.๐Ÿ—๐Ÿ—๐ŸŽ๐ŸŽ๐‘ฝ๐‘ฝ

5.

(a)

ID = 0.3๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š, |๐‘‰๐‘‰๐‘‚๐‘‚๐‘‚๐‘‚| = 0.3๐‘‰๐‘‰

VSG = 1.0๐‘‰๐‘‰,๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ = 0๐‘‰๐‘‰,๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ = 2.5 โˆ’ ๐ผ๐ผ๐ท๐ท๐‘…๐‘…๐บ๐บ = 1.0๐‘‰๐‘‰

๐‘๐‘๐’๐’ = ๐Ÿ“๐Ÿ“.๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ’๐Ÿ’๐›€๐›€

(b)

2.5V

RS

VoM3Vsig

Rsig

CC

-2.5V

RD

CS

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gm =2๐ผ๐ผ๐ท๐ท๐‘‰๐‘‰๐‘‚๐‘‚๐‘‚๐‘‚

= 2๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š,๐‘š๐‘š๐‘‚๐‘‚ =๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘ ๐‘ ๐‘–๐‘–๐‘”๐‘”

= โˆ’๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐ท๐ท = โˆ’10

๐‘๐‘๐ƒ๐ƒ = ๐Ÿ“๐Ÿ“.๐ŸŽ๐ŸŽ๐Ÿ’๐Ÿ’๐›€๐›€

(c)

Vgd + ๐‘‰๐‘‰๐บ๐บ๐ท๐ท โ‰ฅ ๐‘‰๐‘‰๐‘ก๐‘ก๐‘๐‘ = โˆ’0.7

โˆ’ ๏ฟฝ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ +๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘

10๏ฟฝ+ 1๐‘‰๐‘‰ โ‰ฅ โˆ’0.7๐‘‰๐‘‰

๐ฏ๐ฏ๐จ๐จ,๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐Ÿ•๐Ÿ• โ‰ค ๐Ÿ๐Ÿ.๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ“๐‘ฝ๐‘ฝ

๐ฏ๐ฏ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐ฉ๐Ÿ•๐Ÿ• โ‰ค๐’—๐’—๐’๐’,๐’‘๐’‘๐‘น๐‘น๐‘บ๐‘บ๐Ÿ’๐Ÿ’

๐Ÿ๐Ÿ๐ŸŽ๐ŸŽ= ๐ŸŽ๐ŸŽ.๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ“๐Ÿ“๐‘ฝ๐‘ฝ

(d)

vpeak = 50๐‘š๐‘š๐‘‰๐‘‰, change RD

โˆ’ ๏ฟฝ๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ +๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘œ๐‘œ,๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘

๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐ท๐ท๏ฟฝ + (2.5 โˆ’ ๐ผ๐ผ๐ท๐ท๐‘…๐‘…๐ท๐ท) โ‰ฅ โˆ’0.7๐‘‰๐‘‰

for gm = 2 ๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š, ๐ผ๐ผ๐ท๐ท = 0.3๐‘š๐‘š๐‘š๐‘š

โˆ’ ๏ฟฝ1 + ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐ท๐ท๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐ท๐ท

๏ฟฝ ๐‘”๐‘”๐‘š๐‘š๐‘…๐‘…๐ท๐ท๐‘ฃ๐‘ฃ๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘๐‘ + 2.5 โˆ’ ๐ผ๐ผ๐ท๐ท๐‘…๐‘…๐ท๐ท โ‰ฅ โˆ’0.7

๐‘๐‘๐ƒ๐ƒ โ‰ค ๐Ÿ•๐Ÿ•.๐Ÿ–๐Ÿ–๐Ÿ–๐Ÿ–๐Ÿ’๐Ÿ’๐›€๐›€, ๐€๐€๐•๐• = โˆ’๐’ˆ๐’ˆ๐’Ž๐’Ž๐‘น๐‘น๐‘ซ๐‘ซ = โˆ’๐Ÿ๐Ÿ๐Ÿ“๐Ÿ“.๐Ÿ–๐Ÿ–