第1讲_模电基础

1、模拟集成电路原理与应用模拟集成电路原理与应用王青蒂王青蒂第第1讲讲 模拟集成电路基础知识模拟集成电路基础知识n1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n1.3 MOS场效应管工作原理及主要参数场效应管工作原理及主要参数n1.4 集成运算放大器集成运算放大器1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n集成电路（集成电路（Integrated circuit, IC）n将整个电路中的元器件制作在一块半导体材料基片上，构将整个电路中的元器件制作在一块半导体材料基片上，构成特定功能的电子电路成特定功能的电子电路n与分立元件电路

2、相比：体积小、功耗低、可靠性高与分立元件电路相比：体积小、功耗低、可靠性高n按功能分类：数字集成电路；模拟集成电路按功能分类：数字集成电路；模拟集成电路n模拟集成电路模拟集成电路n产生、放大和处理各种模拟信号产生、放大和处理各种模拟信号n元器件种类多、对器件性能要求高、制造工艺复杂元器件种类多、对器件性能要求高、制造工艺复杂1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n模拟集成电路的发展模拟集成电路的发展n三极管：电子管三极管：电子管-晶体管（晶体管（1950年代）年代）n硅平面工艺的出现，集成电路飞速发展（硅平面工艺的出现，集成电路飞速发展（1960年代）年代）n数字集成电路迅速发展

3、，超过模拟集成电路数字集成电路迅速发展，超过模拟集成电路n1980s往后，模拟电路长足发展：自然界信号、微弱信号往后，模拟电路长足发展：自然界信号、微弱信号n广泛应用：广泛应用：u信号放大、频率变换、模拟运算信号放大、频率变换、模拟运算u计算机接口、自动控制、卫星通信计算机接口、自动控制、卫星通信第第1讲讲 模拟集成电路基础知识模拟集成电路基础知识n1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n1.3 MOS场效应管工作原理及主要参数场效应管工作原理及主要参数n1.4 集成运算放大器集成运算放大器1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集

4、成电路中的元器件n电阻、电容电阻、电容n二极管二极管n不需特别制作，利用不需特别制作，利用BJT即可即可n三极管三极管n双极结型三极管（双极结型三极管（BJT）n场效应管（场效应管（FET）1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n双极结型三极管（双极结型三极管（BJT） 两种类型两种类型:NPN型和型和PNP型。型。两种类型的三极管两种类型的三极管发射结发射结(Je) 集电结集电结(Jc) 基极基极，用用B或或b表示（表示（Base） 发射极发射极，用用E或或e表示（表示（Emitter）；）；集电极集电极，用用C或或c表示（表示（Collector）。）。 发射区发射区集电区集

5、电区基区基区三极管符号三极管符号1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件-BJT输入特性曲线输入特性曲线+-bce共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE iB=f(vBE) vCE=constvCE = 0VvCE 1V（以共射极放大电路为例）（以共射极放大电路为例）1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件-BJT饱和区：饱和区：iC明显受明显受vCE控控制的区域，该区域内，制的区域，该区域内，一般一般vCE0.7V(硅管硅管)。此时，此时，发射结正偏，集发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很电结正偏或反偏电压很小小。iC=f(vCE) iB=const输出特性

6、曲线输出特性曲线输出特性曲线的三个区域输出特性曲线的三个区域:截止区：截止区：iC接近零的接近零的区域，相当区域，相当iB=0的曲的曲线的下方。此时，线的下方。此时， vBE小于死区电压，小于死区电压，发射结和集电结反偏发射结和集电结反偏放大区：放大区：iC平行于平行于vCE轴轴的区域，曲线基本平行的区域，曲线基本平行等距。此时，等距。此时，发射结正发射结正偏，集电结反偏偏，集电结反偏。+-bce共射极放大电路共射极放大电路VBBVCCvBEiCiB+-vCE1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件-BJTn输出特性三个区域的特点输出特性三个区域的特点n放大区放大区发射结正偏，集电

7、结反偏，发射结正偏，集电结反偏，Ic= Ibn饱和区饱和区发射结正偏，集电结正偏，发射结正偏，集电结正偏，VCE=VBE， Ic Ibn截止区截止区发射结反偏，集电结反偏，发射结反偏，集电结反偏， VBE 门坎电压，门坎电压，IC 01.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n场效应管场效应管nMOS FETN沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道（耗尽型）（耗尽型）FET场效应管场效应管JFET结型结型MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)分类：分类：场效应管没有加偏置电压时，场效应管没有加偏置电压时，就有导电沟道存在就有导电沟道存在

8、场效应管没有加偏置电场效应管没有加偏置电压时，没有导电沟道压时，没有导电沟道1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件-MOSnN沟道增强型沟道增强型MOSFET沟道长度沟道长度沟道宽度沟道宽度绝缘层厚度绝缘层厚度1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件-MOS漏极漏极D(Drain)集电极集电极C源极源极S(Source )发射极发射极E栅极栅极G(Gate )基极基极B衬底衬底B电极电极金属金属(METAL)绝缘层绝缘层氧化物氧化物(OXIDE)基体基体半导体半导体(SEMICONDUCTOR)因此称之为因此称之为MOS管管第第1讲讲 模拟集成电路基础知识模拟集成电路

9、基础知识n1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n1.3 MOS场效应管工作原理及主要参数场效应管工作原理及主要参数n1.4 集成运算放大器集成运算放大器 当当VGSVT时时, 沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同vDS的作用下，的作用下，iD将进一步增加。将进一步增加。vGS越大，导电沟道越厚。越大，导电沟道越厚。VT称为开启电压称为开启电压N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理A、vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用vDSiD+ +- -+-+- - -vGS反型层反型层开始无导电沟道

10、，当在开始无导电沟道，当在vGS VT时才形成沟道时才形成沟道,这这种类型的管子称为种类型的管子称为增强增强型型MOS管。管。N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理A、vGS对沟道的控制作用对沟道的控制作用B、vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vGS一定（一定（vGSVT）时）时vDSiD沟道电位梯度沟道电位梯度靠近漏极靠近漏极d处处的电位升高的电位升高电场强度减小电场强度减小沟道变薄沟道变薄整个沟道呈楔形分布整个沟道呈楔形分布N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理iDB、vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当当vDS增加到使增加到使vGD=VT时，在紧靠漏极

11、处出现预夹断。时，在紧靠漏极处出现预夹断。在预夹断处在预夹断处N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理B、vDS对沟道的控制作用对沟道的控制作用当预夹断后当预夹断后vDSiD基本不变基本不变夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理沟道被夹断，有电流吗？沟道被夹断，有电流吗？VDS增加，为何增加，为何iD基本不变？基本不变？C、vDS和和vGS同时作用时同时作用时给定一个给定一个vGS就有一就有一条不同的条不同的iD-vDS曲线曲线N沟道增强型沟道增强型MOSFET工作原理工作原理截止区小结小结沟道中只有沟道中只有一种类型的载流子一种类型的

12、载流子参与导电，所以场效应管也参与导电，所以场效应管也 称为称为单极型三极管单极型三极管。MOSFET的的栅极是绝缘的栅极是绝缘的，所以，所以iG0，输入电阻很高输入电阻很高。MOSFET是是电压控制电流器件电压控制电流器件（VCCS），），iD受受 vGS控制。控制。只有当只有当vGSVT时，增强型时，增强型MOSFET的的d、s间才能导通。间才能导通。预夹断前预夹断前iD与与vDS呈近似线性关系；预夹断后，呈近似线性关系；预夹断后，iD趋于饱和。趋于饱和。N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线给定不同的给定不同的v vGSGS， i iD D与与v vDSD

13、S的变化曲线，是一族曲线的变化曲线，是一族曲线 i iD D= =f f( (v vDSDS) ) v vGSGS=C =C 输出特性曲线输出特性曲线1.可变电阻区可变电阻区： iD与与vDS的关系近线性的关系近线性 iD 2 Kn(vGS-VT)vDSGSDSdsovDdvdir常数GSTn11vV2KKn导电因子（导电因子（mA/V2)vGS=6V vGS=5VvGS=4VvGS=VT=3VvDS(V)iD(mA)当当vGS变化时，变化时，rdso将随之变化将随之变化因此称之为因此称之为可变电阻区可变电阻区,表示表示rdso是是一个受到一个受到vGS控制的可变电阻。控制的可变电阻。可变电阻

14、区条件：可变电阻区条件：vGSVTvDS(vGS-VT)输出特性曲线输出特性曲线2. 恒流区（饱和区）恒流区（饱和区）： 该区内，该区内，vGS一定，一定，iD基本不随基本不随vDS变化而变，也称为饱和区。变化而变，也称为饱和区。3. 截止区截止区：当当vGSVGS-VTVGS(V)ID(mA)UT在恒流区，在恒流区，iD与与vGS的关系为的关系为iDKn(vGS-VT)2沟道较短时，应考虑沟道较短时，应考虑vDS对对沟道长度的调节作用：沟道长度的调节作用：iDKn (vGS-VT)2（1+ vDS)Kn导电因子（导电因子（mA/V2) 沟道调制长度系数沟道调制长度系数2nOXnCWKLLWK

15、2nSK210.1VL n反型层电子的表面迁移率反型层电子的表面迁移率COX栅极氧化层单位面积电容栅极氧化层单位面积电容W沟道宽度沟道宽度L沟道长度（单位为沟道长度（单位为m）Sn沟道宽长比沟道宽长比K本征导电因子本征导电因子MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数1. 开启电压开启电压VT (Threshold voltage) 直流参数：直流参数：开启电压是开启电压是MOS增强型增强型管的参数，栅源电压小于管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值开启电压的绝对值,场效应管不能导通。场效应管不能导通。增强型增强型NMOS增强型增强型PMOS夹断电压夹断电压（Pinch off volt

16、age)令令 vDS 为一固定值为一固定值 ( 如如10V),调整调整vGS 使其通过的电流使其通过的电流iD等于一个微小电流等于一个微小电流( 如如50 A )时时的的vGS电压称为夹断电压电压称为夹断电压VP。是是耗尽型耗尽型MOS管的参数。管的参数。MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数直流参数：直流参数：耗尽型耗尽型NMOS耗尽型耗尽型PMOS 在在vGS=0 的情况下的情况下 , 当当vDS | VP |时的漏时的漏极电流称为极电流称为IDSS。3.饱和漏电流饱和漏电流IDSSvDSiD0ABCVPvGS=0vGS=-1VvGS=-2VvGS=-3VvGS=-VP=-5Vv

17、GS=-4VIDSS)是是耗尽型耗尽型MOS管的参数。管的参数。MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数直流参数：直流参数：4. 直流输入电阻直流输入电阻RGS绝缘栅场效应三极管绝缘栅场效应三极管RGS约是约是1091015。MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数直流参数：直流参数：1. 低频互导低频互导gm 低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用DSDmGSvCigvgm的求法的求法:交流参数：交流参数：解析法：如增强型解析法：如增强型MOS管存在管存在iD=Kn(vGS-VT)2 图解法图解法gm实际就是转移特性曲线的斜率实际就是转移

18、特性曲线的斜率gm=2Kn(vGS-VT)恒流区恒流区MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数2. 输出电阻输出电阻rdsGSDSdDVCvris反映了反映了vDS对对iD的影响，实际上是输出特性曲线上工作点的影响，实际上是输出特性曲线上工作点切线上的斜率的倒数切线上的斜率的倒数 =0，rds= 0， rds =1/ Kn(vGS-VT)2 =1/( iD)恒流区恒流区交流参数：交流参数：MOSMOS场效应管的主要参数场效应管的主要参数0，即场效应，即场效应管输出电阻有限时管输出电阻有限时小信号模型小信号模型nMOS集成电路集成电路n优点：工艺简单、低功耗、温度稳定性和抗辐射能力好、优

19、点：工艺简单、低功耗、温度稳定性和抗辐射能力好、集成度高（集成度高（MOS管可作电阻使用）管可作电阻使用）n早期多用单一早期多用单一MOS管：管：NMOS管性能更好（电子迁移率远管性能更好（电子迁移率远大于空穴）大于空穴）n发展：发展：CMOSu同时存在同时存在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在很多领域取代了在很多领域取代了BJT集成电路集成电路第第1讲讲 模拟集成电路基础知识模拟集成电路基础知识n1.1 绪论：模拟集成电路概况绪论：模拟集成电路概况n1.2 模拟集成电路中的元器件模拟集成电路中的元器件n1.3 MOS场效应管工作原理及主要参数场

20、效应管工作原理及主要参数n1.4 集成运算放大器集成运算放大器1.4 集成运算放大器集成运算放大器n集成运算放大器集成运算放大器IC Operational Amplifer（缩写为（缩写为OP-Amp）简称为）简称为集成运放集成运放n二十世纪六十年代发展起来的一种二十世纪六十年代发展起来的一种高增益直接耦合放大器高增益直接耦合放大器n集成运放与其它集成电路一样，经历了小、中、大和超大集成运放与其它集成电路一样，经历了小、中、大和超大规模集成电路的发展阶段规模集成电路的发展阶段n集成运放是目前模拟集成电路中发展最快、品种最多、集成运放是目前模拟集成电路中发展最快、品种最多、应应用最广泛一种模拟集成电子器件用最广泛一种模拟集成电子器件n集成运放配上不同的外围器件，可构成功能和特性完全不集成运放配上不同的外围器件，可构成功能和特性完全不同各种的集成运放电路，简称同各种的集成运放电路，简称运放电路运放电路n运放电路是各种电子电路中最基本的组成部分运放电路是各种电子电路中最基本的组成部分1.4 集成运算放大器集成运算放大器n按工艺分类按工艺分类nBJT型型功耗较大、集成度低，负载电流大功耗较大、集成度