【教学课件】第六章双极型模拟集成电路-Read.ppt

第六章第六章 双极型模拟集成电路双极型模拟集成电路集成化元、器件及其特点集成化元、器件及其特点集成差分放大电路集成差分放大电路电流模电路电流模电路功率输出级电路功率输出级电路集成运算放大器集成运算放大器第二节第二节第一节第一节第五节第五节第四节第四节第三节第三节第一节第一节 集成化元器件及其特点集成化元器件及其特点一一 集成电路工艺简介集成电路工艺简介 以制造以制造NPN管的工艺流程为例管的工艺流程为例 氧化氧化 光刻光刻 隐埋层扩散隐埋层扩散 外延和氧化外延和氧化 隔离扩散隔离扩散选择隔离槽选择隔离槽P型硅片型硅片1.平面工艺平面工艺2 2 电路元件制造工艺电路元件制造工艺基区扩散基区扩散 发射区扩散发射区扩散 蒸铝蒸铝 NPN选择基区选择基区选择发射区选择发射区选择电极选择电极引线窗口引线窗口选择要去选择要去除的铝层除的铝层集成电路的封装集成电路的封装(b)圆壳式圆壳式(a)双列直插式双列直插式二、二、集成化元器件集成化元器件1.NPN1.NPN晶体管晶体管 在在P P型硅片衬底上扩散型硅片衬底上扩散N N隐埋层，生长隐埋层，生长N N型外延层，扩散型外延层，扩散P P型基区，型基区，N N型发射区和集电区型发射区和集电区隔离岛隔离岛隐埋层隐埋层扩散扩散P型基区型基区3.二极管二极管w晶体管制作时，只要开路或短路某一晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得（如图）结即得（如图）:常用的两种形式常用的两种形式4.4.电阻电阻：（一般有两种）（一般有两种）（1 1）金属膜电阻）金属膜电阻:温度特性好温度特性好（2 2）扩散电阻，按结构分：）扩散电阻，按结构分：w基区电阻基区电阻:50:50 100100K K 20%20%w发射区电阻发射区电阻:1:11000 1000 （电阻率低）（电阻率低）w窄基区电阻窄基区电阻:电阻率高电阻率高 10 1010001000K K 20%20%w虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差小（小于小（小于3 3）5.电容电容w利用利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板。保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板。w电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正比，单位面积电容量与氧化物厚度成反比，与极板面积成正比，单位面积电容量不大，但漏电较小、击穿电压较高。电容量不大，但漏电较小、击穿电压较高。MOS电容：电容：二 集成化元器件特点4.集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡。响电路稳定，使电路产生寄生振荡。1.集成电路工艺不能制作集成电路工艺不能制作电感电感，超过，超过100pF的大电容因占用的大电容因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用面积大也不易制作，故集成电路中不采用阻容耦合阻容耦合，而采用而采用直接耦合。直接耦合。2.集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电阻阻，尽量用尽量用晶体管晶体管代替电阻、电容。代替电阻、电容。3.单个元件的精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻单个元件的精度不高，受温度影响大，但同一晶片上相邻元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采元件在制作尺寸和温度上有同向偏差，对称性好，故大量采用用差放电路差放电路及增益取决于电阻比值的及增益取决于电阻比值的负反馈放大器负反馈放大器。第二节 集成差分放大电路（一）差分放大（一）差分放大电路的组成：电路的组成：由对称的两个基由对称的两个基本放大电路通过本放大电路通过射极公共电阻射极公共电阻R Reeee耦合构成。耦合构成。一、差分放大电路的工作原理：一、差分放大电路的工作原理：Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,1=2=,hie1=hie2=hie,对称指两个三极管特性一致、电路参数相等：对称指两个三极管特性一致、电路参数相等：对称指两个三极管特性一致、电路参数相等：对称指两个三极管特性一致、电路参数相等：IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,Ube1=Ube2,Uc1=Uc2,静态参数一致：静态参数一致：双端输出时：静态输出为双端输出时：静态输出为 0问题？问题？为什么单边电路没有为什么单边电路没有偏置电阻？偏置电阻？为什么电路中没有为什么电路中没有隔直电容？隔直电容？双端输入：双端输入：输入信号接在两个输入端间。输入信号接在两个输入端间。单端输入：单端输入：输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地。输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地。双端输出（平衡输出）：双端输出（平衡输出）：输出取自两个集电极之间。输出取自两个集电极之间。单端输出（不平衡输出）：单端输出（不平衡输出）：输出取自一个集电极与地间。输出取自一个集电极与地间。信号输入方式信号输入方式差放输出方式差放输出方式双端输入双端输出差放 差模信号：差模信号：是指在差放两个输入端接入是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性两个幅度相等、极性 相反的信号，相反的信号，记为，记为，U Uid1 id1、U Uid2 id2 U Uid1 id1=-U=-Uid2 id2=U Uidid （二）对差模信号的放大作用（二）对差模信号的放大作用双端输入双端输出差放双端输入双端输出差放Ie1Ie2当输入差模信号时：（动态）当输入差模信号时：（动态）由于电路的对称性有：由于电路的对称性有：据此，可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路（如图）据此，可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路（如图）故故RL的中点呈地电位，即等的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为效为每管外接负载为RL/2。又因为：又因为：Uc1=-Uc2Ie1=-Ie2 ；故故 URe=0（交流接地）（交流接地）Uc1Uc2+-URe双端输入双端输出时：双端输入双端输出时：双端输出时，双端输出时，Rod=2Rc/(2/hoe)2Rc；(当当1/hoe Rc时时)1.差模电压增益差模电压增益Aud：2.差模输入电阻差模输入电阻 Rid：3.差模输出电阻差模输出电阻Rod：由差模输入等效电路可求得由差模输入等效电路可求得:其中其中与单边电路的与单边电路的增益相同增益相同共模信号：共模信号：是指在差放两个输入端接入两个是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相同幅度相等、极性相同的信号。的信号。记为：记为：U Uic1 ic1.U Uic2 ic2 ；U Uic1 ic1=U=Uic2 ic2=U=Uicic （三）对共模信号的抑制作用（三）对共模信号的抑制作用在共模信号下在共模信号下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效为每个管子发交流通路中等效为每个管子发射极接入一射极接入一 个个2Re的电阻。的电阻。其等效电路如图所示。其等效电路如图所示。1 1 共模电压增益共模电压增益A Aucuc双端输出时，由于电路对称，双端输出时，由于电路对称，单端输出时单端输出时:当（当（1+h1+hfefe）2R2Re e（R Rb b+h+hieie）时，）时，图图610(b)共模输入等效电路共模输入等效电路由差模输入等效电路可求得由差模输入等效电路可求得:可见：可见：R Reeee越大共模增益越小。越大共模增益越小。与单边电路的与单边电路的增益相同增益相同定义：定义：差放的差模增益差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值与共模增益之比值的绝对值即即 CMMR=|AUd/AUc|或或 CMMR（dB）=20lg|AUd/AUc|2 共模输入电阻3 共模抑制比CMRR单端输出时单端输出时 CMMR（单）单）=|AUd(单单)/AUc(单单)|)|双端输出时双端输出时，CMMR可以认为等于无穷大可以认为等于无穷大结论：结论：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：1.对电源扰动、及温度变化，在直接耦合放大电路中被逐对电源扰动、及温度变化，在直接耦合放大电路中被逐级放大，从而引起较大输出误差。级放大，从而引起较大输出误差。(零点漂移零点漂移)2.对差放电路这些现象会引起两管同时产生同样的漂移，对差放电路这些现象会引起两管同时产生同样的漂移，这种大小相等、极性相同的漂移电压就是这种大小相等、极性相同的漂移电压就是共模电压共模电压。3.差放电路是利用电路对称的特点，将一个管子产生的漂差放电路是利用电路对称的特点，将一个管子产生的漂移用来补偿另一只管子产生的漂移，从而抑制漂移。移用来补偿另一只管子产生的漂移，从而抑制漂移。4.这种对称性在集成工艺中较易实现。因此，集成电路中这种对称性在集成工艺中较易实现。因此，集成电路中广泛使用差分电路。广泛使用差分电路。输入输入U Ui1i1,U Ui2 i2 可写为：可写为：U Ui1i1=(U=(Uic1ic1+U+Uid1id1)U Ui2i2=(U=(Uic2ic2+U+Uid2id2)若输入为一对任意数值和极性若输入为一对任意数值和极性的信号，则可分解为：的信号，则可分解为：一对差模信号和一对共模信号一对差模信号和一对共模信号（四）对任意输入信号的分析（四）对任意输入信号的分析典型差放电路典型差放电路分解任意输入信号的一般公式为：分解任意输入信号的一般公式为：U Uic1ic1=U=Uic2ic2=(U=(Ui1 i1+U+Ui2i2)/2)/2U Uid1id1=-U=-Uid2id2=(U=(Ui1i1-U-Ui2i2)/2)/2例题例题6-1：图图6-11电路参数及电路参数及Ui1、Ui2为已知；求输入的差为已知；求输入的差模电压和共模电压模电压和共模电压;双端输出的差模电压和共模电压。双端输出的差模电压和共模电压。典型差放电路典型差放电路解：解：1.静态计算：静态计算：(Ui=0)RbIbQ+Ube+(1+)IbQRW/2+2Ree-Ec=0解得：解得：IbQ=4.37 AIcQ=IbQ=0.26mAhie=rbb+(1+hfe)26/IcQ=6.2k 2.差、共模输入电压差、共模输入电压Uid1、Uid1、UicU Uid1id1=-U=-Uid2id2=(U=(Ui1i1-U-Ui2i2)/2=4mV)/2=4mVU Uic1ic1=U=Uic2ic2=(U=(Ui1 i1+U+Ui2i2)/2=1mV)/2=1mV3.差模增益差模增益Aud和差模输出电压和差模输出电压Uod:（双端输出）（双端输出）4.共模输出电压共模输出电压Uoc:共模增益为：共模增益为：A AUcUc=0(双出双出)共模输出电压为：共模输出电压为：U Uococ=0(双出双出)（五）差放的输入和输出方式（五）差放的输入和输出方式差放的差模工作状态可分为四种：差放的差模工作状态可分为四种：差放的差模工作状态可分为四种：差放的差模工作状态可分为四种：双端输入、双端输出双端输入、双端输出（双双双双）双端输入、单端输出双端输入、单端输出（双单双单）单端输入、双端输出单端输入、双端输出（单双单双）单端输入、单端输出单端输入、单端输出（单单单单）主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：主要讨论的问题有：差模电压增益差模电压增益 A Audud差模输入电阻差模输入电阻 R Ridid差模输出电阻差模输出电阻 R Ricic共模抑制比共模抑制比 CMRRCMRR 相当于相当于 Ui1=Ui,Ui2=0,则可分解为一对差模信号和一对则可分解为一对差模信号和一对共模信号。共模信号。1 1.单端输入方式：单端输入方式：Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2与双端输入相比较，效果与双端输入相比较，效果相同。即是说：相同。即是说：差放的增差放的增益与输入方式无关。益与输入方式无关。例如，对单入双出差放，例如，对单入双出差放，其增益为其增益为:+-Ui2.单端输出方式单端输出方式：负载负载RL接在接在T1或或T2集电极集电极到地之间，对地电压相当于双端输出到地之间，对地电压相当于双端输出电压的一半。所以电压的一半。所以其中恒流源电路优点恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻。：低的直流内阻，高的动态内阻。二、恒流源差分放大电路二、恒流源差分放大电路由上述分析可知：由上述分析可知：Ree 的接入可有效地抑制共模信号，对差模没有影响。的接入可有效地抑制共模信号，对差模没有影响。Ree越大、越大、CMRR越大，效果越好。越大，效果越好。但增加但增加Ree受两方面的限制：受两方面的限制：其一是集成工艺不宜制作大电阻；其一是集成工艺不宜制作大电阻；其二是增加其二是增加Ree就要提高电源就要提高电源Ee的电压；的电压；(静态需要静态需要)即在不提高静态电阻的条件下，提供一个等效高阻即在不提高静态电阻的条件下，提供一个等效高阻R Reeee；同时还可以提供稳定偏流同时还可以提供稳定偏流I Ic3c3。采用恒流源电路代替采用恒流源电路代替R Reeee可有效解决上述问题。可有效解决上述问题。忽略忽略T3基极电流，则基极电流，则故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻有源负载有源负载等效输出电阻：等效输出电阻：恒流源差放电流串联电流串联负反馈负反馈恒流源电路分析如下：恒流源电路分析如下：