最新-第六章-模擬集成電路84751-PPT精品課件

1、第六章 雙極型模擬集成電路集成化元、器件及其特點(diǎn)集成差分放大電路電流模電路功率輸出級(jí)電路集成運(yùn)算放大器第二節(jié)第一節(jié)第五節(jié)第四節(jié)第三節(jié)第一節(jié) 集成化元、器件及其特點(diǎn)一 集成電路工藝簡(jiǎn)介 以制造NPN管的工藝流程為例 氧化 光刻 隱埋層擴(kuò)散 外延和氧化 隔離擴(kuò)散選擇隔離槽P型硅片1 平面工藝2 電路元件制造工藝基區(qū)擴(kuò)散 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 蒸鋁 NPN選擇基區(qū)選擇發(fā)射區(qū)選擇電極引線窗口選擇要去除的鋁層硅片上的管芯集成電路的封裝(a)雙列直插式(b)圓殼式二 集成化元、器件1 NPN晶體管 在P型硅片襯底上擴(kuò)散N隱埋層，生長(zhǎng)N型外延層，擴(kuò)散P型基區(qū)，N 型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)2 PNP晶體管 從隔離槽P上引出集電

2、極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運(yùn)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：制造方便基區(qū)較NPN寬特征頻率高輸出電流大缺點(diǎn)由于隔離的需要，C極必須接電路電源最低電位常作射極跟隨器 1)縱向PNP管(2)橫向PNP管:發(fā)射極和集電極橫向排列，載流子沿?cái)嗝嫠竭\(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)： 由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大12個(gè)數(shù)量級(jí)，很小，特征頻率低優(yōu)點(diǎn)： 因?yàn)橛奢p摻雜的P型擴(kuò)散區(qū)和N型外延區(qū)構(gòu)成，e結(jié)和c1結(jié)反向擊穿電壓高3 多發(fā)射極管和多集電極管4 二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得：5 電阻:金屬膜電阻:溫度特性好擴(kuò)散電阻，按結(jié)構(gòu)分：基區(qū)電阻 50100K 20%發(fā)射區(qū)電阻 11000 （電阻率低）窄基區(qū)電阻 電阻率高 1

3、01000K 20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差?。ㄐ∮?）6 電容MOS電容： 利用SiO2保護(hù)層作絕緣介質(zhì)，用金屬板和半導(dǎo)體作電容極板電容量與氧化物厚度成反比，與極板面積成正比，單位面積電容量不大但漏電較小，擊穿電壓較高結(jié)電容：由反向PN結(jié)構(gòu)成，容量與結(jié)面積成正比，擊穿電壓低，漏電流大，但單位面積電容值高集成電路元件平面圖二 集成化元器件特點(diǎn)4 集成電路中的寄生參量存在會(huì)引起元件間的寄生耦合，影響電路穩(wěn)定，使電路產(chǎn)生寄生振蕩1 集成電路工藝不能制作電感，超過(guò)100pF的大電容 因占用面積大也不易制作，故集成電路中不采用阻 容耦合，而采用直接耦合2 電阻阻值越大占用硅片面積

4、越大，一般幾十至幾 十K，盡量用晶體管代替電阻電容3 單個(gè)精度不高，受溫度影響大，但同一晶片上相鄰 元件在制作尺寸和溫度上有同向偏差，對(duì)稱性好， 故大量采用差放電路及放大倍數(shù)取決于電阻比值的 負(fù)反饋放大器第二節(jié) 集成差分放大電路（一）差分放大電路的組成： 由對(duì)稱的兩個(gè)基本放大電路通過(guò)射極公共電阻Ree耦合構(gòu)成。一、差分放大電路的工作原理：對(duì)稱指兩個(gè)三極管特性一致、電路參數(shù)相等 Rb1= Rb2 = Rb, Rc1= Rc2 = Rc, 1= 2 = , rbe1= rbe2 = rbe, IbQ1= IbQ2, IcQ1= IcQ2, Ube1= Ube2, Uc1= Uc2,信號(hào)輸入方式雙端

5、輸入：輸入信號(hào)接在兩個(gè)輸入端間單端輸入：輸入信號(hào)接在一個(gè)輸入端與地間，另一端接地差放輸出方式雙端輸出（平衡輸出）：輸出取自兩個(gè)集電極之間單端輸出（不平衡輸出）：輸出取自一個(gè)集電極與地間差模信號(hào)：是指在差放兩個(gè)輸入端接入兩個(gè)幅度相等、極性相反的信號(hào)，記為，Uid1 ,Uid2 Uid1 = -Uid2 = Uid （二）對(duì)差模信號(hào)的放大作用圖6-8(a) 雙端輸入雙端輸出差放Ie1Ie2雙端輸入雙端輸出時(shí)： Uo圖6-8（b）差模輸入等效電路不論單端輸入還是雙端輸入， rid均為基本放大電路的兩倍雙端輸出時(shí)， rod =2Rc/(2 /hoe)當(dāng)1/ hoe Rc時(shí)，1 差模電壓增益AUd 2

6、差模輸入電阻 rid3 差模輸出電阻rod共模信號(hào)： 是指在差放兩個(gè)輸入端接入兩個(gè)幅度相等、極性相同的信號(hào)，（三）對(duì)共模信號(hào)的抑制作用圖610（a）共模電路Ie1Ie2記為：Uic1 ,Uic2 Uic1 = Uic2 = Uic 1 共模電壓增益Auc雙端輸出時(shí)，由于電路對(duì)稱，單端輸出時(shí)，當(dāng)（1+hfe）*2Ree（Rb+hie）時(shí)，圖610 (b)共模輸入等效電路單端輸出時(shí)，雙端輸出時(shí)，定義：差放的差模增益與共模增益之比值的絕對(duì)值即 CMMR=IAUd/AUcI或 CMMR（dB）=20lg IAUd/AUcI 雙端輸出時(shí)， CMMR可以認(rèn)為等于無(wú)窮大單端輸出時(shí) CMMR（單）= lAUd

7、(單)/AUc(單)l2 共模輸入電阻3 共模抑制比CMRR動(dòng)畫6-1輸入U(xiǎn)i1, Ui2 可寫為：Ui1=(Uic1 + Uid1)Ui2=(Uic2 + Uid2)Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2若輸入為一對(duì)任意數(shù)值和極性的信號(hào)，則可分解為一對(duì)差模信號(hào)和一對(duì)共模信號(hào)（四）對(duì)任意輸入信號(hào)的分析圖611 典型差放電路動(dòng)畫6-2（五）差放的輸入和輸出差放的差模工作狀態(tài)可分為四種：雙端輸入雙端輸出（雙雙）雙端輸入單端輸出（雙單）單端輸入雙端輸出（單雙）單端輸入單端輸出（單單）主要討論的問(wèn)題有：差模電壓增益差模輸入電阻輸出電阻

8、相當(dāng)于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 , 則可分解為一對(duì)差模信號(hào)和一對(duì)共模信號(hào)。對(duì) “ 單雙 ” 和“ 雙雙 ” 狀態(tài)1單端輸入方式：圖612 單端輸入、輸出方式AUc=0 Rid=2(Rb+hie) Rod=2Rc/(2/hoe)2單端輸出方式：負(fù)載一端接集電極之一 , 另一端接地， 對(duì) “ 雙單 ” 和“ 單單 ”狀態(tài)恒流源電路優(yōu)點(diǎn)：低的直流內(nèi)阻，高的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻二、恒流源差分放大電路忽略T3基極電流，則故可利用恒流源輸出等效高阻代替實(shí)體電阻有源負(fù)載等效輸出電阻圖613 恒流源差放三 組合差分輸入級(jí)(一) 共射-共基組合差放圖614(a) 共射共基差放T1 ,T2 -共射電路T3 ,T4

9、 -共基電路并完成單端雙端輸出轉(zhuǎn)換T5 ,T6 - T3 ,T4集電極有源負(fù)載，(二) 共集-共基差放電路-高值NPN管-低橫向PNP管特點(diǎn)：輸入電阻高，電流和電壓增益大。又稱為互補(bǔ)差分電路。（利用NPN管大彌補(bǔ)PNP管小，利用PNP管反向擊穿電壓高提高差模輸入電壓范圍。)圖614(b) 共集共基差放四 共模負(fù)反饋差放兩級(jí)共模負(fù)反饋第一級(jí)：T1、 T2、 T3構(gòu)成恒流源差放第二級(jí)：T4、T5構(gòu)成典型差放R1、R2構(gòu)成兩級(jí)電流負(fù)反饋，抑制共模信號(hào)圖615 共模負(fù)反饋差放對(duì)差模信號(hào)無(wú)負(fù)反饋?zhàn)饔靡种乒材Ｐ盘?hào)過(guò)程五 差放的傳輸特性傳輸特性：輸出集電極電流Ic與輸入差模電壓Ui的函數(shù)關(guān)系及輸出電壓Uo與

10、差模電壓Ui的函數(shù)關(guān)系(一) Ic 隨Ui的變化曲線圖616 恒流源差放(二 )Uo與Ui關(guān)系曲線圖617 傳輸特性5)在T1 、 T2管接入射極電阻Re會(huì)使傳輸特性線性范圍加寬。結(jié)論1) 當(dāng)輸入信號(hào)Ui 0時(shí)（靜態(tài)工作點(diǎn)Q)，差放處于平衡狀態(tài)， Ic1 Ic2 0.5 I0 ， Uo0。2) 在Ui = UT =25mV范圍內(nèi)， Uo與 Ui成線性關(guān) 系。這一范圍(約50mV)即小信號(hào)工作線性放大區(qū)。3)當(dāng)Ui 2 UT時(shí)， Ic1 、 Ic2基本恒定不變，稱為大信號(hào)限幅特性4)兩管集電極電流之和 Io為一常數(shù)，故一管電流增大，另一管電流必然減小。一 鏡像電流源電路（一）基本恒流源第三節(jié) 電

11、流模電路則基準(zhǔn)電流若Ib1= Ib2, Ic1 = Ic2, 若,則有因?yàn)門1 、 T2構(gòu)造相同， Ube相同，所以Ic相同。稱為鏡像電流源電路。電路優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩管參數(shù)對(duì)稱符合集成電路特點(diǎn)。電路缺點(diǎn)： Ic1數(shù)值仍受電源電壓、R和Ube影響，且不易得到小電流（A級(jí))圖619 基本電流源（二）比例恒流源1.在基本恒流源的T1 、T2管接入射極電阻R1 、R2 ，當(dāng)Ic1 =(510) Ic2時(shí)，圖620(a) 比例恒流源2.改變基本恒流源的T1 、T2 管的發(fā)射區(qū)面積Se -發(fā)射區(qū)面積W-基區(qū)寬度N-基區(qū)雜質(zhì)濃度圖620(b) 比例恒流源（三）微電流源（Wildar電流源）設(shè)計(jì)時(shí)一般先定I

12、r 、 Ic1值，再確定R2值圖621 微電流源（四）閉環(huán)負(fù)反饋電流源威爾遜電流源如圖：若T1 、T2 、T3特性一致，可得：由上式可看出， 變化對(duì)保持 影響較小，故此種電路傳輸精度高。圖622 閉環(huán)負(fù)反饋電流源（五）多路恒流源如圖(a)，各管特性一致，則：n越大，越大，故可采用(b)電路以使Io與Ir接近相等。此時(shí)：圖623 多路基本恒流源二 跨導(dǎo)線性電路（一）跨導(dǎo)線性的基本概念上式表明理想雙極晶體管跨導(dǎo)gm是集電極電流Ic的線性函數(shù)，稱為跨導(dǎo)線性(TL)（二）跨導(dǎo)線性(TL)回路原理由圖，回路方程為其中：則有：控制發(fā)射區(qū)尺寸使則有：TL回路：含有偶數(shù)個(gè)正偏發(fā)射結(jié)的閉合回路?；芈分许槙r(shí)針?lè)较?/p>

13、排列的正偏PN結(jié)數(shù)目與反時(shí)針?lè)较蚺帕械恼玃N結(jié)數(shù)目相等。在TL回路中，若順時(shí)針?lè)较蚺帕械恼玃N結(jié)數(shù)目與反時(shí)針?lè)较蚺帕械恼玃N結(jié)數(shù)目相等，則順時(shí)針正偏PN結(jié)的各電流乘積等于反時(shí)針正偏PN結(jié)的各電流乘積。跨導(dǎo)線性回路原理：圖6-24 TL回路（三）由跨導(dǎo)線性回路構(gòu)成的電流放大器1.A回路電流放大器圖中，輸入為T1 、T4 ，其靜態(tài)電流為Ix ，輸入差模電流是在Ix基礎(chǔ)上變化x,輸入電流：T2 、 T3管的靜態(tài)電流為Iy圖625(a) A回路電流放大器可得：即輸入差模電流：輸出差模電流：2.B回路電流放大器輸入差模信號(hào)：輸出：同理可得：輸入差模電流：輸出差模電流：與A回路相比，輸入輸出電流極性

14、相反。圖625(b)B回路電流放大器（四）兩級(jí)可變?cè)鲆骐娏鞣糯笃鲌D626 兩級(jí)電流放大器每一級(jí)的電流增益為每一級(jí)的電流增益為設(shè)計(jì)低頻功放應(yīng)考慮以下幾個(gè)特殊問(wèn)題：1.轉(zhuǎn)換效率： Po/ PDc2.非線性失真：在大信號(hào)下，晶體管、變壓器等非線性元件的特性不能看成線性，而是非線性的，故非線性失真不可忽略。3.晶體管的安全運(yùn)用：在功放中，晶體管工作時(shí)電壓、電流幅度變化大，接近極限運(yùn)用，故應(yīng)保證晶體管各電流、電壓及集電極耗散功率不超過(guò)規(guī)定值。第四節(jié) 功率輸出級(jí)電路功率放大器：放大設(shè)備中直接與負(fù)載相連并向負(fù)載提供信號(hào)功率的輸出級(jí)及其推動(dòng)電路工作原理：實(shí)質(zhì)是能量轉(zhuǎn)換器。即在輸入信號(hào)控制下，通過(guò)晶體管的作用將

15、直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)功率。三極管的工作狀態(tài)三極管根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間可分為如下四個(gè)狀態(tài)，如圖所示。 甲類-三極管360導(dǎo)電；特點(diǎn)：非線性失真小，但效率最低； 甲乙類-三極管180360導(dǎo)電；特點(diǎn)：兼有甲類失真小和乙類效率高的優(yōu)點(diǎn)； 乙類-三極管180導(dǎo)電；特點(diǎn)：失真較大，但效率較高； 丙類-三極管180導(dǎo)電；特點(diǎn)：失真最大，效率更高，只用于高頻放大器。甲乙類180360導(dǎo)電乙類180導(dǎo)電 圖17.01 三極管的四種工作狀態(tài)丙類0且U i U be0,U 0 03) U i U be0 , T 1 導(dǎo)通,T 2截止, Uo U i4) U i U i1 = E c+ Ube1 -Uces1時(shí)

16、, T 1 飽和,突變?yōu)樗骄€, U i 為負(fù)電壓時(shí),相應(yīng)為對(duì)稱部分圖6-31 轉(zhuǎn)移特性圖中: U 01= E c-Uces1 U 02= E c+ Ube1 -Uces1 嚴(yán)格說(shuō)，輸入信號(hào)很小時(shí)，達(dá)不到三極管的開啟電壓，三極管不導(dǎo)電。因此在正、負(fù)半周交替過(guò)零處會(huì)出現(xiàn)一些非線性失真，這個(gè)失真稱為交越失真。如圖所示。輸入信號(hào)很大時(shí), T1 、 T2進(jìn)入飽和,造成輸出信號(hào)頂部失真,稱為飽和失真。三 甲乙類功率輸出級(jí)(一)雙電源甲乙類輸出級(jí)1 甲乙類工作原理 由于有U b1 ,U 02給T 1 ,T 2提供正向小偏壓,使T 1 ,T 2接近導(dǎo)通,在U i= Ubeo范圍內(nèi)有輸出跟隨電壓,可避免交越失

17、真圖6-32（a）甲乙類輸出級(jí)原理圖6-32(b) 甲乙類推挽輸出級(jí)轉(zhuǎn)移特性原理Ui=0處，T1與T2處于導(dǎo)通，使整個(gè)轉(zhuǎn)移特性曲線在工作區(qū)域的斜率接近于己于人，從而克服交越失真的影響2.互補(bǔ)推挽輸出級(jí)T 3 -共射激勵(lì)級(jí),可提高輸入信號(hào)電壓幅度;T 1 ,T 2 -互補(bǔ)推挽輸出級(jí)D 1 ,D 2 -給T 1 ,T 2提供小偏壓圖6-33 互補(bǔ)輸出級(jí)3.準(zhǔn)互補(bǔ)推挽輸出級(jí)復(fù)合管:兩只導(dǎo)電類型相同的管子組成,復(fù)合后管子導(dǎo)電類型不變.T 1A ,T 1B -NPN型復(fù)合管T 2A ,T 2B -PNP型復(fù)合管復(fù)合管極性決定于小功率管T 1A ,T 2A,輸出特性決定于大功率管T 1B ,T 2B,復(fù)合

18、管電流放大倍數(shù)為T 1A ,T 1B兩管電流放大倍數(shù)乘積U B1-2 =I R2 (R 1 +R 2 )=Ube4 (1+R 1 /R 2)上兩種電路負(fù)載R L可直接連到功放輸出,不用耦合電容,稱為OCL電路.圖6-34 準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)(二)單電源甲乙類推挽輸出級(jí)(OTL)T 3 -共射激勵(lì)級(jí),電壓放大;T 1 ,T 2 -推挽功率輸出級(jí);D 1 ,D 2 -提供小偏壓;T 4 ,T 5 -輸出過(guò)載保護(hù)電路圖6-35 OTL電路 運(yùn)算放大器由直接耦合多級(jí)放大電路集成制造的高增益放大器，它的方框圖如圖6-36所示。圖 6-36 運(yùn)放組成及符號(hào)第五節(jié) 集成運(yùn)算放大器 1.輸入級(jí):高性能的差動(dòng)放大電路

19、。運(yùn)放有兩個(gè)輸入端，一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)U表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相異，用符號(hào)U表示。 4.恒流源偏置可提供穩(wěn)定的幾乎不隨溫度而變化的偏置電流，以穩(wěn)定工作點(diǎn)。 3.低阻輸出級(jí)由PNP和NPN兩種極性的三極管或復(fù)合管組成，以獲得正負(fù)兩個(gè)極性的輸出電壓或電流。具體電路參閱功率放大器。 2.中間放大級(jí)：提供高的電壓增益，以保證運(yùn)放的運(yùn)算精度。多為差動(dòng)電路和帶有源負(fù)載的高增益放大器。6-37集成運(yùn)放F741(F007)電路原理一.通用型集成運(yùn)放F007電路原理 由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)、恒流偏置構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)：輸入阻抗高，共模

20、范圍大，開環(huán)增益高，工作穩(wěn)定，輸出有短路保護(hù)。(一)恒流源偏置電路T8、 T9、 T10、 T11、 T12、 T13、 R4、 R5為偏置電路， T11、 T12、 R5形成偏置電路的基準(zhǔn)電流Ir圖639 恒流偏置3.閉環(huán)恒流偏置T10、 T11、 R4連成的小電流恒流源帶動(dòng)由橫向PNP管T8、 T9組成的恒流源，并為 T3、 T4提供基極電流。1.基本恒流源電路T12所帶動(dòng)的恒流源 T13是雙集電極橫向PNP管2.微電流源電路由NPN對(duì)管T10、 T11組成，可提供一微小恒定電流 Ic10圖639 恒流偏置(二)輸入級(jí)電路由T1 T7、R1 R3構(gòu)成，其中：T1、 T2和 T3、 T4 接

21、成共集共基組合差分電路， T3、 T4 的輸入阻抗分別作為 T1、 T2 的射極阻抗；T5、 T6是 T3、 T4 的有源負(fù)載，兼有雙端變單端作用；T7作用是減小 T5、 T6兩管電流差別， R3用來(lái)增大工作電流，從而提高值；圖640 輸入級(jí)電路電路特點(diǎn)1.PNP對(duì)管T3、 T4 具有高的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)擊穿電壓,這可使F007的最大差模輸入電壓大于30V;2.具有較高的差模輸入電阻3.由于T7的耦合作用,使單端輸出具有雙端輸出的差模增益;4.由于T7的耦合,使單端輸出具有雙端輸出抑制共模信號(hào)的效果.(三)中間級(jí)由T16、 T17 、 T23組成T16 -射極跟隨器,在輸入級(jí)與中間增益級(jí)間起緩沖

22、作用;T17 -共射電路,中間增益級(jí), T13B為集電極有源負(fù)載;T23 -射隨器,作有源負(fù)載。圖641 中間放大級(jí)(四)輸出級(jí)及其保護(hù)電路T19 、T20為互補(bǔ)輸出級(jí)T14 、T15給T19 、T20提供偏壓,消除交越失真.過(guò)載保護(hù)電路T15、T21 、R6 、R7 、 T22、T24及T23的發(fā)射結(jié)D1。圖642 輸出級(jí)及其保護(hù)電路(五)調(diào)零及相位補(bǔ)償Rw -調(diào)零電位器,使Ui =0時(shí), Uo =0;C=30pF-相位補(bǔ)償電容,防止閉環(huán)時(shí)產(chǎn)生自激振蕩.圖638 F007 外部連接二 集成運(yùn)放參數(shù)及相位補(bǔ)償技術(shù) (一)集成運(yùn)放的主要特性參數(shù)1.傳輸參數(shù)1)差模電壓增益AUd =|Uo /Uid|或AUd (dB)=20lg|Uo /Uid|2)輸入電阻RidAUd =Uid /Iid3)輸出電阻Ro4)共模輸入電阻Ric 5)共模抑制比CMRRCMRR =|AUd /AUc|6)頻率帶寬截止頻率fo -運(yùn)放開環(huán)增益下降到直流增益的0.707倍對(duì)應(yīng)頻率;單位增益帶寬fc -運(yùn)放開環(huán)增益下降到1時(shí)頻帶寬度;對(duì)單極點(diǎn)系統(tǒng),有AUd fo = fc7)差模輸入電壓范圍Udm8)共模輸入電壓范圍Ucm 1.輸入失調(diào)電壓Uos 2.輸入偏置電流 Ib 3.輸入失調(diào)電流Ios2. 失調(diào)誤差參數(shù)4.輸入失調(diào)電壓溫漂 dUos /dT5.輸入失調(diào)電流溫漂dIos /dT 在規(guī)定工作溫度