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第六章 双极型模拟集成电路

第六章 双极型模拟集成电路. 第一节. 集成化元、器件及其特点 集成差分放大电路 电流模电路 功率输出级电路 集成运算放大器. 第二节. 第三节. 第四节. 第五节. 选择隔离槽. P 型硅片. 氧化 光刻 隐埋层扩散 外延和氧化 隔离扩散. 第一节 集成化元器件及其特点. 一 集成电路工艺简介 以制造 NPN 管的工艺流程为例. 1. 平面工艺. 选择要去 除的铝层. 选择电极 引线窗口. 选择发射区. 选择基区.

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第六章 双极型模拟集成电路

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Presentation Transcript

  1. 第六章 双极型模拟集成电路 第一节 集成化元、器件及其特点 集成差分放大电路 电流模电路 功率输出级电路 集成运算放大器 第二节 第三节 第四节 第五节

  2. 选择隔离槽 P型硅片 氧化 光刻 隐埋层扩散 外延和氧化 隔离扩散 第一节 集成化元器件及其特点 一 集成电路工艺简介 以制造NPN管的工艺流程为例 1. 平面工艺

  3. 选择要去 除的铝层 选择电极 引线窗口 选择发射区 选择基区 基区扩散 发射区扩散 蒸铝 NPN 2 电路元件制造工艺

  4. 集成电路的封装 (a)双列直插式 (b)圆壳式

  5. 二、 集成化元器件 1. NPN晶体管 在P型硅片衬底上扩散N＋隐埋层，生长N型外延层，扩散P型基区，N＋型发射区和集电区 扩散P型基区 隔离岛 隐埋层

  6. 3.二极管 • 晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得（如图）: 常用的两种形式

  7. 4.电阻：（一般有两种） （1）金属膜电阻:温度特性好 （2）扩散电阻，按结构分： • 基区电阻: 50－100K＝±20% • 发射区电阻: 1－1000 （电阻率低） • 窄基区电阻: 电阻率高 10－1000K ＝±20% • 虽集成化电阻阻值误差大，但为同向偏差，匹配误差小（小于3％）

  8. 5. 电容 MOS电容： • 利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电容极板。 • 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。

  9. 二 集成化元器件特点 1. 集成电路工艺不能制作电感，超过100pF的大电容因占用面积大也不易制作，故集成电路中不采用阻容耦合，而采用直接耦合。 4. 集成电路中寄生参量的存在会引起元件间的寄生耦合，影响电路稳定，使电路产生寄生振荡。 2. 集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般避免用大电阻，尽量用晶体管代替电阻、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，故大量采用差放电路及增益取决于电阻比值的负反馈放大器。

  10. 第二节 集成差分放大电路 一、差分放大电路的工作原理： （一）差分放大电路的组成： 由对称的两个基本放大电路通过射极公共电阻Ree耦合构成。

  11. 对称指两个三极管特性一致、电路参数相等： Rb1= Rb2 = Rb, Rc1= Rc2 = Rc, 1= 2= , hie1= hie2= hie, • 问题？ • 为什么单边电路没有 • 偏置电阻？ • 为什么电路中没有 • 隔直电容？ • 静态参数一致： IbQ1= IbQ2, IcQ1= IcQ2, Ube1= Ube2, Uc1= Uc2, • 双端输出时：静态输出为 0

  12. 双端输入：输入信号接在两个输入端间。 单端输入：输入信号接在一个输入端与地间，另一端接地。 双端输入双端输出差放 • 信号输入方式 • 差放输出方式 • 双端输出（平衡输出）： • 输出取自两个集电极之间。 • 单端输出（不平衡输出）： • 输出取自一个集电极与地间。

  13. 差模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性 相反的信号，记为，Uid1 、Uid2 Uid1 = - Uid2 = Uid （二）对差模信号的放大作用 • 当输入差模信号时：（动态） • 由于电路的对称性有： Uc1 Uc2 Ie1= -Ie2 ； 故 URe=0（交流接地） + URe - - • 又因为：Uc1= -Uc2 Ie1 Ie2 故RL的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为RL/2。 + 双端输入双端输出差放 • 据此，可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路（如图）

  14. 其中 • 由差模输入等效电路可求得: 与单边电路的 增益相同 1. 差模电压增益Aud： 双端输入双端输出时： 2. 差模输入电阻 Rid： 3. 差模输出电阻Rod： 双端输出时，Rod =2Rc//(2 /hoe) 2Rc；(当1/ hoe >>Rc时)

  15. （三）对共模信号的抑制作用 共模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性相同的信号。 记为：Uic1 .Uic2 ；Uic1 = Uic2 = Uic • 在共模信号下: • Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2 • URe=2Ie1Re=2Ie2Re • 交流通路中等效为每个管子发射极接入一 个2Re的电阻。 • 其等效电路如图所示。

  16. 图6－10 (b)共模输入等效电路 • 由差模输入等效电路可求得: 1 共模电压增益Auc 双端输出时，由于电路对称， 与单边电路的 增益相同 • 单端输出时: 当（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）时， • 可见：Ree越大共模增益越小。

  17. 单端输出时CMMR（单）= |AUd(单)/AUc(单 • )| 2 共模输入电阻 3 共模抑制比CMRR 定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值 即CMMR=|AUd/AUc| 或CMMR（dB）=20lg |AUd/AUc| • 双端输出时， CMMR可以认为等于无穷大

  18. 结论： • 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级放大，从而引起较大输出误差。(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，这种大小相等、极性相同的漂移电压就是共模电压。 • 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，集成电路中广泛使用差分电路。

  19. 输入Ui1,Ui2 可写为： Ui1=(Uic1 + Uid1) Ui2=(Uic2 + Uid2) Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2 Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2 典型差放电路 （四）对任意输入信号的分析 • 若输入为一对任意数值和极性的信号，则可分解为： • 一对差模信号和一对共模信号 • 分解任意输入信号的一般公式为：

  20. 典型差放电路 例题6-1：图6-11电路参数及Ui1 、Ui2为已知；求输入的差模电压和共模电压;双端输出的差模电压和共模电压。 解： 1.静态计算：(Ui=0) RbIbQ +Ube +(1+) IbQ[RW /2+2Ree]-Ec =0 解得： IbQ =4.37A IcQ =  IbQ =0.26mA hie = rbb’+(1 + hfe )26/ IcQ =6 . 2k 2.差、共模输入电压Uid1、Uid1、Uic Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2=4mV Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2=1mV

  21. 3.差模增益Aud和差模输出电压Uod :（双端输出） 4.共模输出电压Uoc : • 共模增益为：AUc=0(双出) • 共模输出电压为：Uoc=0(双出)

  22. 差放的差模工作状态可分为四种： 双端输入、双端输出（双－双） 双端输入、单端输出（双－单） 单端输入、双端输出（单－双） 单端输入、单端输出（单－单） （五）差放的输入和输出方式 • 主要讨论的问题有： • 差模电压增益 Aud • 差模输入电阻 Rid • 差模输出电阻 Ric • 共模抑制比 CMRR

  23. + - Ui 1.单端输入方式： Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2 Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2 • 相当于 Ui1= Ui , Ui2 = 0 ,则可分解为一对差模信号和一对共模信号。 • 与双端输入相比较，效果相同。即是说：差放的增益与输入方式无关。 例如，对单入双出差放，其增益为:

  24. 其中 2.单端输出方式： • 负载RL接在T1或T2集电极到地之间，对地电压相当于双端输出电压的一半。所以

  25. 二、恒流源差分放大电路 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。 • Ree越大、CMRR越大，效果越好。 恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻。 但增加Ree受两方面的限制： • 其一是集成工艺不宜制作大电阻； • 其二是增加Ree就要提高电源Ee的电压；(静态需要) • 采用恒流源电路代替Ree可有效解决上述问题。 • 即在不提高静态电阻的条件下，提供一个等效高阻Ree； 同时还可以提供稳定偏流Ic3。

  26. 恒流源差放 • 恒流源电路分析如下： 电流串联 负反馈 忽略T3基极电流，则 等效输出电阻： • 故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻－有源负载

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