雙極型模擬集成電路課件

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)第六章雙極型模擬集成電路集成化元、器件及其特點(diǎn)第二節(jié)第一1第一節(jié)集成化元器件及其特點(diǎn)一集成電路工藝簡介

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.平面工藝第一節(jié)集成化元器件及其特點(diǎn)一集成電路工藝簡介22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2電路元件制造工藝基區(qū)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)擴(kuò)3集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式4二、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)隔離島隱埋層擴(kuò)散P型基區(qū)二、集成化元器件1.NPN晶體管隔離島隱埋層擴(kuò)散P型基區(qū)52.PNP晶體管

從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運(yùn)動(dòng)1)縱向PNP管優(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。

2.PNP晶體管從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿6(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)。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c結(jié)反向擊穿電壓高缺點(diǎn)：

由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大1－2個(gè)數(shù)量級，很小，特征頻率低。(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)73.二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得（如圖）:常用的兩種形式3.二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得（如圖84.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好（2）擴(kuò)散電阻，按結(jié)構(gòu)分：基區(qū)電阻:50－100K

＝±20%發(fā)射區(qū)電阻:1－1000（電阻率低）窄基區(qū)電阻:電阻率高10－1000K＝±20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差小（小于3％）4.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好95.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。MOS電容：5.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10二集成化元器件特點(diǎn)4.集成電路中寄生參量的存在會(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.集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電阻，盡量用晶體管代替電阻、電容。3.單個(gè)元件的精度不高，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，對稱性好，故大量采用差放電路及增益取決于電阻比值的負(fù)反饋放大器。二集成化元器件特點(diǎn)4.集成電路中寄生參量的存在會(huì)引起元件11第二節(jié)集成差分放大電路（一）差分放大電路的組成：

由對稱的兩個(gè)基本放大電路通過射極公共電阻Ree耦合構(gòu)成。一、差分放大電路的工作原理：第二節(jié)集成差分放大電路（一）差分放大電路的組成：一、差分放12Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,

1=2

=,hie1=hie2

=hie,對稱指兩個(gè)三極管特性一致、電路參數(shù)相等：IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,

Ube1=Ube2,

Uc1=Uc2,靜態(tài)參數(shù)一致：雙端輸出時(shí)：靜態(tài)輸出為0問題？為什么單邊電路沒有偏置電阻？為什么電路中沒有隔直電容？Rb1=Rb2=Rb,對稱指兩個(gè)三極管特性一致、電13雙端輸入：輸入信號接在兩個(gè)輸入端間。單端輸入：輸入信號接在一個(gè)輸入端與地間，另一端接地。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。信號輸入方式差放輸出方式雙端輸入雙端輸出差放雙端輸入：輸入信號接在兩個(gè)輸入端間。雙端輸出（平衡輸出）：信14差模信號：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，記為，Uid1、Uid2Uid1=-Uid2=Uid

（二）對差模信號的放大作用雙端輸入雙端輸出差放Ie1Ie2當(dāng)輸入差模信號時(shí)：（動(dòng)態(tài)）由于電路的對稱性有：據(jù)此，可畫出差放在差模輸入情況下的交流等效電路（如圖）故RL的中點(diǎn)呈地電位，即等效為每管外接負(fù)載為RL/2。又因?yàn)椋篣c1=-Uc2Ie1=-Ie2；故URe=0（交流接地）Uc1Uc2++--URe差模信號：是指在差放兩個(gè)輸入端接入兩個(gè)幅度相等、極性15雙端輸入雙端輸出時(shí)：雙端輸出時(shí)，Rod=2Rc//(2/hoe)2Rc；

(當(dāng)1/hoe>>Rc時(shí))1.差模電壓增益Aud：

2.差模輸入電阻Rid：3.差模輸出電阻Rod：由差模輸入等效電路可求得:其中與單邊電路的增益相同雙端輸入雙端輸出時(shí)：雙端輸出時(shí)，Rod=2Rc//(2/16共模信號：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。記為：Uic1.Uic2；

Uic1=Uic2=Uic

（三）對共模信號的抑制作用在共模信號下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效為每個(gè)管子發(fā)射極接入一個(gè)2Re的電阻。其等效電路如圖所示。共模信號：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171共模電壓增益Auc雙端輸出時(shí)，由于電路對稱，單端輸出時(shí):當(dāng)（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）時(shí)，圖6－10(b)共模輸入等效電路由差模輸入等效電路可求得:可見：Ree越大共模增益越小。與單邊電路的增益相同1共模電壓增益Auc單端輸出時(shí):當(dāng)（1+hfe）2Re>>18定義：差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值即

CMMR=|AUd/AUc|或

CMMR（dB）=20lg|AUd/AUc|

2共模輸入電阻3共模抑制比CMRR單端輸出時(shí)

CMMR（單）=|AUd(單)/AUc(單)|雙端輸出時(shí)，CMMR可以認(rèn)為等于無窮大定義：差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值2共模輸入電阻19結(jié)論：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：1.對電源擾動(dòng)、及溫度變化，在直接耦合放大電路中被逐級放大，從而引起較大輸出誤差。(零點(diǎn)漂移)2.對差放電路這些現(xiàn)象會(huì)引起兩管同時(shí)產(chǎn)生同樣的漂移，這種大小相等、極性相同的漂移電壓就是共模電壓。3.差放電路是利用電路對稱的特點(diǎn)，將一個(gè)管子產(chǎn)生的漂移用來補(bǔ)償另一只管子產(chǎn)生的漂移，從而抑制漂移。4.這種對稱性在集成工藝中較易實(shí)現(xiàn)。因此，集成電路中廣泛使用差分電路。結(jié)論：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：20輸入U(xiǎn)i1,

Ui2可寫為：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)若輸入為一對任意數(shù)值和極性的信號，則可分解為：一對差模信號和一對共模信號（四）對任意輸入信號的分析典型差放電路分解任意輸入信號的一般公式為：Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2輸入U(xiǎn)i1,Ui2可寫為：若輸入為一對任意數(shù)值和極性的信21例題6-1：圖6-11電路參數(shù)及Ui1、

Ui2為已知；求輸入的差模電壓和共模電壓;雙端輸出的差模電壓和共模電壓。典型差放電路解：1.靜態(tài)計(jì)算：(Ui=0)RbIbQ+Ube+(1+)IbQ[RW/2+2Ree]-Ec=0解得：IbQ=4.37AIcQ=IbQ=0.26mAhie=rbb’+

(1+hfe)26/IcQ=6.2k2.差、共模輸入電壓Uid1、Uid1、UicUid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=4mVUic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=1mV例題6-1：圖6-11電路參數(shù)及Ui1、Ui2為已知；求223.差模增益Aud和差模輸出電壓Uod:（雙端輸出）4.共模輸出電壓Uoc:共模增益為：AUc=0(雙出)共模輸出電壓為：Uoc=0(雙出)3.差模增益Aud和差模輸出電壓Uod:（雙端輸出）4.共23（五）差放的輸入和輸出方式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）主要討論的問題有：差模電壓增益Aud差模輸入電阻Rid差模輸出電阻Ric共模抑制比CMRR（五）差放的輸入和輸出方式差放的差模工作狀態(tài)可分為四種：主要24相當(dāng)于Ui1=Ui,Ui2=0,

則可分解為一對差模信號和一對共模信號。1.單端輸入方式：Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2與雙端輸入相比較，效果相同。即是說：差放的增益與輸入方式無關(guān)。例如，對單入雙出差放，其增益為:+-Ui相當(dāng)于Ui1=Ui,Ui2=0,則可分解252.單端輸出方式：負(fù)載RL接在T1或T2集電極到地之間，對地電壓相當(dāng)于雙端輸出電壓的一半。所以其中2.單端輸出方式：負(fù)載RL接在T1或T2集電極到地之間，對地26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由上述分析可知：

Ree

的接入可有效地抑制共模信號，對差模沒有影響。

Ree越大、CMRR越大，效果越好。但增加Ree受兩方面的限制：其一是集成工藝不宜制作大電阻；其二是增加Ree就要提高電源Ee的電壓；(靜態(tài)需要)即在不提高靜態(tài)電阻的條件下，提供一個(gè)等效高阻Ree；同時(shí)還可以提供穩(wěn)定偏流Ic3。采用恒流源電路代替Ree可有效解決上述問題。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27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：恒流源差放電流串聯(lián)負(fù)反饋恒流源電路分析如下：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－28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)第六章雙極型模擬集成電路集成化元、器件及其特點(diǎn)第二節(jié)第一29第一節(jié)集成化元器件及其特點(diǎn)一集成電路工藝簡介

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.平面工藝第一節(jié)集成化元器件及其特點(diǎn)一集成電路工藝簡介302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2電路元件制造工藝基區(qū)擴(kuò)散發(fā)射區(qū)擴(kuò)31集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式集成電路的封裝(b)圓殼式(a)雙列直插式32二、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)隔離島隱埋層擴(kuò)散P型基區(qū)二、集成化元器件1.NPN晶體管隔離島隱埋層擴(kuò)散P型基區(qū)332.PNP晶體管

從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿晶體管斷面的垂直方向運(yùn)動(dòng)1)縱向PNP管優(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。

2.PNP晶體管從隔離槽P＋上引出集電極，載流子沿34(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)。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c結(jié)反向擊穿電壓高缺點(diǎn)：

由于加工原因，基區(qū)寬度比普通NPN大1－2個(gè)數(shù)量級，很小，特征頻率低。(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)353.二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得（如圖）:常用的兩種形式3.二極管晶體管制作時(shí)，只要開路或短路某一PN結(jié)即得（如圖364.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好（2）擴(kuò)散電阻，按結(jié)構(gòu)分：基區(qū)電阻:50－100K

＝±20%發(fā)射區(qū)電阻:1－1000（電阻率低）窄基區(qū)電阻:電阻率高10－1000K＝±20%雖集成化電阻阻值誤差大，但為同向偏差，匹配誤差小（小于3％）4.電阻：（一般有兩種）（1）金屬膜電阻:溫度特性好375.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。MOS電容：5.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38二集成化元器件特點(diǎn)4.集成電路中寄生參量的存在會(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.集成化電阻阻值越大占用硅片面積越大，一般避免用大電阻，盡量用晶體管代替電阻、電容。3.單個(gè)元件的精度不高，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，對稱性好，故大量采用差放電路及增益取決于電阻比值的負(fù)反饋放大器。二集成化元器件特點(diǎn)4.集成電路中寄生參量的存在會(huì)引起元件39第二節(jié)集成差分放大電路（一）差分放大電路的組成：

由對稱的兩個(gè)基本放大電路通過射極公共電阻Ree耦合構(gòu)成。一、差分放大電路的工作原理：第二節(jié)集成差分放大電路（一）差分放大電路的組成：一、差分放40Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,

1=2

=,hie1=hie2

=hie,對稱指兩個(gè)三極管特性一致、電路參數(shù)相等：IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,

Ube1=Ube2,

Uc1=Uc2,靜態(tài)參數(shù)一致：雙端輸出時(shí)：靜態(tài)輸出為0問題？為什么單邊電路沒有偏置電阻？為什么電路中沒有隔直電容？Rb1=Rb2=Rb,對稱指兩個(gè)三極管特性一致、電41雙端輸入：輸入信號接在兩個(gè)輸入端間。單端輸入：輸入信號接在一個(gè)輸入端與地間，另一端接地。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。信號輸入方式差放輸出方式雙端輸入雙端輸出差放雙端輸入：輸入信號接在兩個(gè)輸入端間。雙端輸出（平衡輸出）：信42差模信號：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，記為，Uid1、Uid2Uid1=-Uid2=Uid

（二）對差模信號的放大作用雙端輸入雙端輸出差放Ie1Ie2當(dāng)輸入差模信號時(shí)：（動(dòng)態(tài)）由于電路的對稱性有：據(jù)此，可畫出差放在差模輸入情況下的交流等效電路（如圖）故RL的中點(diǎn)呈地電位，即等效為每管外接負(fù)載為RL/2。又因?yàn)椋篣c1=-Uc2Ie1=-Ie2；故URe=0（交流接地）Uc1Uc2++--URe差模信號：是指在差放兩個(gè)輸入端接入兩個(gè)幅度相等、極性43雙端輸入雙端輸出時(shí)：雙端輸出時(shí)，Rod=2Rc//(2/hoe)2Rc；

(當(dāng)1/hoe>>Rc時(shí))1.差模電壓增益Aud：

2.差模輸入電阻Rid：3.差模輸出電阻Rod：由差模輸入等效電路可求得:其中與單邊電路的增益相同雙端輸入雙端輸出時(shí)：雙端輸出時(shí)，Rod=2Rc//(2/44共模信號：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。記為：Uic1.Uic2；

Uic1=Uic2=Uic

（三）對共模信號的抑制作用在共模信號下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效為每個(gè)管子發(fā)射極接入一個(gè)2Re的電阻。其等效電路如圖所示。共模信號：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451共模電壓增益Auc雙端輸出時(shí)，由于電路對稱，單端輸出時(shí):當(dāng)（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）時(shí)，圖6－10(b)共模輸入等效電路由差模輸入等效電路可求得:可見：Ree越大共模增益越小。與單邊電路的增益相同1共模電壓增益Auc單端輸出時(shí):當(dāng)（1+hfe）2Re>>46定義：差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值即

CMMR=|AUd/AUc|或

CMMR（dB）=20lg|AUd/AUc|

2共模輸入電阻3共模抑制比CMRR單端輸出時(shí)

CMMR（單）=|AUd(單)/AUc(單)|雙端輸出時(shí)，CMMR可以認(rèn)為等于無窮大定義：差放的差模增益與共模增益之比值的絕對值2共模輸入電阻47結(jié)論：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：1.對電源擾動(dòng)、及溫度變化，在直接耦合放大電路中被逐級放大，從而引起較大輸出誤差。(零點(diǎn)漂移)2.對差放電路這些現(xiàn)象會(huì)引起兩管同時(shí)產(chǎn)生同樣的漂移，這種大小相等、極性相同的漂移電壓就是共模電壓。3.差放電路是利用電路對稱的特點(diǎn)，將一個(gè)管子產(chǎn)生的漂移用來補(bǔ)償另一只管子產(chǎn)生的漂移，從而抑制漂移。4.這種對稱性在集成工藝中較易實(shí)現(xiàn)。因此，集成電路中廣泛使用差分電路。結(jié)論：差放對共模信號的抑制作用有重要的意義：48輸入U(xiǎn)i1,

Ui2可寫為：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)若輸入為一對任意數(shù)值和極性的信號，則可分解為：一對差模信號和一對共模信號（四）對任意輸入信號的分析典型差放電路分解任意輸入信號的一般公式為：Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2輸入U(xiǎn)i1,Ui2可寫為：若輸入為一對任意數(shù)值和極性的信49例題6-1：圖6-11電路參數(shù)及Ui1、

Ui2為已知；求輸入的差模電壓和共模電壓;雙端輸出的差模電壓和共模電壓。典型差放電路解：1.靜態(tài)計(jì)算：(Ui=0)RbIbQ+Ube+(1+)IbQ[RW/2+2Ree]-Ec=0解得：IbQ=4.37AIcQ=IbQ=0.26mAhie=rbb’+

(1+hfe)26/IcQ=6.2k2.差、共模輸入電壓Uid1、Uid1、UicUid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=4mVUic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=1mV例題6-1：圖6-11電路參數(shù)及Ui1、Ui2為