第1講_模電基礎(chǔ)

1、模擬集成電路原理與應(yīng)用模擬集成電路原理與應(yīng)用王青蒂王青蒂第第1講講 模擬集成電路基礎(chǔ)知識模擬集成電路基礎(chǔ)知識n1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n1.3 MOS場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)n1.4 集成運算放大器集成運算放大器1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n集成電路（集成電路（Integrated circuit, IC）n將整個電路中的元器件制作在一塊半導(dǎo)體材料基片上，構(gòu)將整個電路中的元器件制作在一塊半導(dǎo)體材料基片上，構(gòu)成特定功能的電子電路成特定功能的電子電路n與分立元件電路

2、相比：體積小、功耗低、可靠性高與分立元件電路相比：體積小、功耗低、可靠性高n按功能分類：數(shù)字集成電路；模擬集成電路按功能分類：數(shù)字集成電路；模擬集成電路n模擬集成電路模擬集成電路n產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號n元器件種類多、對器件性能要求高、制造工藝復(fù)雜元器件種類多、對器件性能要求高、制造工藝復(fù)雜1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n模擬集成電路的發(fā)展模擬集成電路的發(fā)展n三極管：電子管三極管：電子管-晶體管（晶體管（1950年代）年代）n硅平面工藝的出現(xiàn)，集成電路飛速發(fā)展（硅平面工藝的出現(xiàn)，集成電路飛速發(fā)展（1960年代）年代）n數(shù)字集成電路迅速發(fā)展

3、，超過模擬集成電路數(shù)字集成電路迅速發(fā)展，超過模擬集成電路n1980s往后，模擬電路長足發(fā)展：自然界信號、微弱信號往后，模擬電路長足發(fā)展：自然界信號、微弱信號n廣泛應(yīng)用：廣泛應(yīng)用：u信號放大、頻率變換、模擬運算信號放大、頻率變換、模擬運算u計算機接口、自動控制、衛(wèi)星通信計算機接口、自動控制、衛(wèi)星通信第第1講講 模擬集成電路基礎(chǔ)知識模擬集成電路基礎(chǔ)知識n1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n1.3 MOS場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)n1.4 集成運算放大器集成運算放大器1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集

4、成電路中的元器件n電阻、電容電阻、電容n二極管二極管n不需特別制作，利用不需特別制作，利用BJT即可即可n三極管三極管n雙極結(jié)型三極管（雙極結(jié)型三極管（BJT）n場效應(yīng)管（場效應(yīng)管（FET）1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n雙極結(jié)型三極管（雙極結(jié)型三極管（BJT） 兩種類型兩種類型:NPN型和型和PNP型。型。兩種類型的三極管兩種類型的三極管發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)(Je) 集電結(jié)集電結(jié)(Jc) 基極基極，用用B或或b表示（表示（Base） 發(fā)射極發(fā)射極，用用E或或e表示（表示（Emitter）；）；集電極集電極，用用C或或c表示（表示（Collector）。）。 發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集

5、電區(qū)基區(qū)基區(qū)三極管符號三極管符號1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件-BJT輸入特性曲線輸入特性曲線+-bce共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=constvCE = 0VvCE 1V（以共射極放大電路為例）（以共射極放大電路為例）1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件-BJT飽和區(qū)：飽和區(qū)：iC明顯受明顯受vCE控控制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，制的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此時，此時，發(fā)射結(jié)正偏，集發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏或反偏電壓很電結(jié)正偏或反偏電壓很小小。iC=f(vCE) iB=const輸出特性

6、曲線輸出特性曲線輸出特性曲線的三個區(qū)域輸出特性曲線的三個區(qū)域:截止區(qū)：截止區(qū)：iC接近零的接近零的區(qū)域，相當(dāng)區(qū)域，相當(dāng)iB=0的曲的曲線的下方。此時，線的下方。此時， vBE小于死區(qū)電壓，小于死區(qū)電壓，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)和集電結(jié)反偏放大區(qū)：放大區(qū)：iC平行于平行于vCE軸軸的區(qū)域，曲線基本平行的區(qū)域，曲線基本平行等距。此時，等距。此時，發(fā)射結(jié)正發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏偏，集電結(jié)反偏。+-bce共射極放大電路共射極放大電路VBBVCCvBEiCiB+-vCE1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件-BJTn輸出特性三個區(qū)域的特點輸出特性三個區(qū)域的特點n放大區(qū)放大區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電

7、結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，Ic= Ibn飽和區(qū)飽和區(qū)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，VCE=VBE， Ic Ibn截止區(qū)截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏， VBE 門坎電壓，門坎電壓，IC 01.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n場效應(yīng)管場效應(yīng)管nMOS FETN溝道溝道P溝道溝道增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道（耗盡型）（耗盡型）FET場效應(yīng)管場效應(yīng)管JFET結(jié)型結(jié)型MOSFET絕緣柵型絕緣柵型(IGFET)分類：分類：場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，就有導(dǎo)電溝道存在就有導(dǎo)電溝道存在

8、場效應(yīng)管沒有加偏置電場效應(yīng)管沒有加偏置電壓時，沒有導(dǎo)電溝道壓時，沒有導(dǎo)電溝道1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件-MOSnN溝道增強型溝道增強型MOSFET溝道長度溝道長度溝道寬度溝道寬度絕緣層厚度絕緣層厚度1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件-MOS漏極漏極D(Drain)集電極集電極C源極源極S(Source )發(fā)射極發(fā)射極E柵極柵極G(Gate )基極基極B襯底襯底B電極電極金屬金屬(METAL)絕緣層絕緣層氧化物氧化物(OXIDE)基體基體半導(dǎo)體半導(dǎo)體(SEMICONDUCTOR)因此稱之為因此稱之為MOS管管第第1講講 模擬集成電路基礎(chǔ)知識模擬集成電路

9、基礎(chǔ)知識n1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n1.3 MOS場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)n1.4 集成運算放大器集成運算放大器 當(dāng)當(dāng)VGSVT時時, 溝道加厚，溝道電阻減少，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同在相同vDS的作用下，的作用下，iD將進一步增加。將進一步增加。vGS越大，導(dǎo)電溝道越厚。越大，導(dǎo)電溝道越厚。VT稱為開啟電壓稱為開啟電壓N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理A、vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用vDSiD+ +- -+-+- - -vGS反型層反型層開始無導(dǎo)電溝道

10、，當(dāng)在開始無導(dǎo)電溝道，當(dāng)在vGS VT時才形成溝道時才形成溝道,這這種類型的管子稱為種類型的管子稱為增強增強型型MOS管。管。N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理A、vGS對溝道的控制作用對溝道的控制作用B、vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)vGS一定（一定（vGSVT）時）時vDSiD溝道電位梯度溝道電位梯度靠近漏極靠近漏極d處處的電位升高的電位升高電場強度減小電場強度減小溝道變薄溝道變薄整個溝道呈楔形分布整個溝道呈楔形分布N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理iDB、vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)當(dāng)vDS增加到使增加到使vGD=VT時，在緊靠漏極

11、處出現(xiàn)預(yù)夾斷。時，在緊靠漏極處出現(xiàn)預(yù)夾斷。在預(yù)夾斷處在預(yù)夾斷處N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理B、vDS對溝道的控制作用對溝道的控制作用當(dāng)預(yù)夾斷后當(dāng)預(yù)夾斷后vDSiD基本不變基本不變夾斷區(qū)延長夾斷區(qū)延長溝道電阻溝道電阻N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理溝道被夾斷，有電流嗎？溝道被夾斷，有電流嗎？VDS增加，為何增加，為何iD基本不變？基本不變？C、vDS和和vGS同時作用時同時作用時給定一個給定一個vGS就有一就有一條不同的條不同的iD-vDS曲線曲線N溝道增強型溝道增強型MOSFET工作原理工作原理截止區(qū)小結(jié)小結(jié)溝道中只有溝道中只有一種類型的載流子一種類型的

12、載流子參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管也參與導(dǎo)電，所以場效應(yīng)管也 稱為稱為單極型三極管單極型三極管。MOSFET的的柵極是絕緣的柵極是絕緣的，所以，所以iG0，輸入電阻很高輸入電阻很高。MOSFET是是電壓控制電流器件電壓控制電流器件（VCCS），），iD受受 vGS控制?？刂?。只有當(dāng)只有當(dāng)vGSVT時，增強型時，增強型MOSFET的的d、s間才能導(dǎo)通。間才能導(dǎo)通。預(yù)夾斷前預(yù)夾斷前iD與與vDS呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，呈近似線性關(guān)系；預(yù)夾斷后，iD趨于飽和。趨于飽和。N N溝道溝道增強型增強型MOSMOS場效應(yīng)管特性曲線場效應(yīng)管特性曲線給定不同的給定不同的v vGSGS， i iD D與與v vDSD

13、S的變化曲線，是一族曲線的變化曲線，是一族曲線 i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 輸出特性曲線輸出特性曲線1.可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)： iD與與vDS的關(guān)系近線性的關(guān)系近線性 iD 2 Kn(vGS-VT)vDSGSDSdsovDdvdir常數(shù)GSTn11vV2KKn導(dǎo)電因子（導(dǎo)電因子（mA/V2)vGS=6V vGS=5VvGS=4VvGS=VT=3VvDS(V)iD(mA)當(dāng)當(dāng)vGS變化時，變化時，rdso將隨之變化將隨之變化因此稱之為因此稱之為可變電阻區(qū)可變電阻區(qū),表示表示rdso是是一個受到一個受到vGS控制的可變電阻?？刂频目勺冸娮??？勺冸娮?/p>

14、區(qū)條件：可變電阻區(qū)條件：vGSVTvDS(vGS-VT)輸出特性曲線輸出特性曲線2. 恒流區(qū)（飽和區(qū)）恒流區(qū)（飽和區(qū)）： 該區(qū)內(nèi)，該區(qū)內(nèi)，vGS一定，一定，iD基本不隨基本不隨vDS變化而變，也稱為飽和區(qū)。變化而變，也稱為飽和區(qū)。3. 截止區(qū)截止區(qū)：當(dāng)當(dāng)vGSVGS-VTVGS(V)ID(mA)UT在恒流區(qū)，在恒流區(qū)，iD與與vGS的關(guān)系為的關(guān)系為iDKn(vGS-VT)2溝道較短時，應(yīng)考慮溝道較短時，應(yīng)考慮vDS對對溝道長度的調(diào)節(jié)作用：溝道長度的調(diào)節(jié)作用：iDKn (vGS-VT)2（1+ vDS)Kn導(dǎo)電因子（導(dǎo)電因子（mA/V2) 溝道調(diào)制長度系數(shù)溝道調(diào)制長度系數(shù)2nOXnCWKLLWK

15、2nSK210.1VL n反型層電子的表面遷移率反型層電子的表面遷移率COX柵極氧化層單位面積電容柵極氧化層單位面積電容W溝道寬度溝道寬度L溝道長度（單位為溝道長度（單位為m）Sn溝道寬長比溝道寬長比K本征導(dǎo)電因子本征導(dǎo)電因子MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)1. 開啟電壓開啟電壓VT (Threshold voltage) 直流參數(shù)：直流參數(shù)：開啟電壓是開啟電壓是MOS增強型增強型管的參數(shù)，柵源電壓小于管的參數(shù)，柵源電壓小于開啟電壓的絕對值開啟電壓的絕對值,場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。場效應(yīng)管不能導(dǎo)通。增強型增強型NMOS增強型增強型PMOS夾斷電壓夾斷電壓（Pinch off volt

16、age)令令 vDS 為一固定值為一固定值 ( 如如10V),調(diào)整調(diào)整vGS 使其通過的電流使其通過的電流iD等于一個微小電流等于一個微小電流( 如如50 A )時時的的vGS電壓稱為夾斷電壓電壓稱為夾斷電壓VP。是是耗盡型耗盡型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)：直流參數(shù)：耗盡型耗盡型NMOS耗盡型耗盡型PMOS 在在vGS=0 的情況下的情況下 , 當(dāng)當(dāng)vDS | VP |時的漏時的漏極電流稱為極電流稱為IDSS。3.飽和漏電流飽和漏電流IDSSvDSiD0ABCVPvGS=0vGS=-1VvGS=-2VvGS=-3VvGS=-VP=-5Vv

17、GS=-4VIDSS)是是耗盡型耗盡型MOS管的參數(shù)。管的參數(shù)。MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)：直流參數(shù)：4. 直流輸入電阻直流輸入電阻RGS絕緣柵場效應(yīng)三極管絕緣柵場效應(yīng)三極管RGS約是約是1091015。MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)直流參數(shù)：直流參數(shù)：1. 低頻互導(dǎo)低頻互導(dǎo)gm 低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用低頻跨導(dǎo)反映了柵壓對漏極電流的控制作用DSDmGSvCigvgm的求法的求法:交流參數(shù)：交流參數(shù)：解析法：如增強型解析法：如增強型MOS管存在管存在iD=Kn(vGS-VT)2 圖解法圖解法gm實際就是轉(zhuǎn)移特性曲線的斜率實際就是轉(zhuǎn)移

18、特性曲線的斜率gm=2Kn(vGS-VT)恒流區(qū)恒流區(qū)MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)2. 輸出電阻輸出電阻rdsGSDSdDVCvris反映了反映了vDS對對iD的影響，實際上是輸出特性曲線上工作點的影響，實際上是輸出特性曲線上工作點切線上的斜率的倒數(shù)切線上的斜率的倒數(shù) =0，rds= 0， rds =1/ Kn(vGS-VT)2 =1/( iD)恒流區(qū)恒流區(qū)交流參數(shù)：交流參數(shù)：MOSMOS場效應(yīng)管的主要參數(shù)場效應(yīng)管的主要參數(shù)0，即場效應(yīng)，即場效應(yīng)管輸出電阻有限時管輸出電阻有限時小信號模型小信號模型nMOS集成電路集成電路n優(yōu)點：工藝簡單、低功耗、溫度穩(wěn)定性和抗輻射能力好、優(yōu)

19、點：工藝簡單、低功耗、溫度穩(wěn)定性和抗輻射能力好、集成度高（集成度高（MOS管可作電阻使用）管可作電阻使用）n早期多用單一早期多用單一MOS管：管：NMOS管性能更好（電子遷移率遠管性能更好（電子遷移率遠大于空穴）大于空穴）n發(fā)展：發(fā)展：CMOSu同時存在同時存在NMOS和和PMOSu性能卓越：速度更快，功耗更低性能卓越：速度更快，功耗更低u在很多領(lǐng)域取代了在很多領(lǐng)域取代了BJT集成電路集成電路第第1講講 模擬集成電路基礎(chǔ)知識模擬集成電路基礎(chǔ)知識n1.1 緒論：模擬集成電路概況緒論：模擬集成電路概況n1.2 模擬集成電路中的元器件模擬集成電路中的元器件n1.3 MOS場效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)場

20、效應(yīng)管工作原理及主要參數(shù)n1.4 集成運算放大器集成運算放大器1.4 集成運算放大器集成運算放大器n集成運算放大器集成運算放大器IC Operational Amplifer（縮寫為（縮寫為OP-Amp）簡稱為）簡稱為集成運放集成運放n二十世紀六十年代發(fā)展起來的一種二十世紀六十年代發(fā)展起來的一種高增益直接耦合放大器高增益直接耦合放大器n集成運放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、大和超大集成運放與其它集成電路一樣，經(jīng)歷了小、中、大和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展階段規(guī)模集成電路的發(fā)展階段n集成運放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種最多、集成運放是目前模擬集成電路中發(fā)展最快、品種最多、應(yīng)應(yīng)用最廣泛一種模擬集成電子器件用最廣泛一種模擬集成電子器件n集成運放配上不同的外圍器件，可構(gòu)成功能和特性完全不集成運放配上不同的外圍器件，可構(gòu)成功能和特性完全不同各種的集成運放電路，簡稱同各種的集成運放電路，簡稱運放電路運放電路n運放電路是各種電子電路中最基本的組成部分運放電路是各種電子電路中最基本的組成部分1.4 集成運算放大器集成運算放大器n按工藝分類按工藝分類nBJT型型功耗較大、集成度低，負載電流大功耗較大、集成度