半导体集成电路第三篇资料

1、半导体集成电路第三篇模拟集成电路一概念具有对各种模拟量进行处理功能的集成电路，包括了数字电路以外的所有集成电路。二分类线性电路： 输出信号与输入信号之间存在线性关系，如运放， 电压跟随器，放大器等；非线性电路：如乘法器，比较器，稳压器，调制器，对数放大器等。三特点品种多，线路复杂，重复单元少；电源电压高（12V ）；工艺复杂，精度要求高。四发展概况继数字电路之后，六十年代中期迅速发展，开始称之为线性电路，后来出现了许多新品种，很多品种超出了线路电路的范畴，没有归属，于是，67 年国际电器委员会（IEC ）正式提出了模拟集成电路的概念。1下面以运放为例看发展：四十年代：电子管运放，用于计算机中，

2、进行各种数学运算，运放由此得名。五十年代：双极型晶体管运放。六十年代：单片集成运放出现。原始型：A702 为代表，电阻负载；第一代：A709 为代表，标志：采用横向PNP 管；七十年代：第二代：A741 为代表（七十年代） ，标志：有源负载；第三代：MC1556 为代表（七十年代） ，标志：超管八十年代：第四代：MA 2900 为代表（八十年代） ，标志：双极，MOS 结合，斩波稳零技术，大规模。2第十一章模拟集成电路中的特殊元件预备知识：晶体管平面工艺半导体工艺原理晶体管直流特性晶体管原理11-1 横向 PNP 管一典型结构及制造工艺在 n 型外延层上， 同时完成发射极和集电极的硼扩散，然后

3、磷扩散给出基区引线孔，蒸铝，反刻。ECBPPPnnn+P由于射区注入的少子在基区中沿衬底平行的方向流动，故称横向管。二电学特性：1电流增益：从横向 PNP 管的结构可知，横向PNP 管存在两个寄生纵向PNP 管。3当横向 PNP 管正向有源时VeVB VC V衬底这样：射区基区衬底寄生纵向PNP 管也牌正向有源区；集电区基区衬底寄生管反向截止，可忽略其影响。由于存在寄生晶体管，严重地影响到横向PNP 管的电学特性，这也是它质量不高的一个重要原因。下面我们采用简化模型分析横向PNP 管的 HFE 。假设：发射区均匀掺杂，则均匀注入；忽略 n+埋层上推形成的漂移场影响；横向及纵向基区宽度均小于空穴

4、扩散长度。*I PX利用： IC IPX XIBIBX IBYI CI B可得：1WbXAYeWbYeAXbWeY2L2pbbWeX式中： AX 为发射结横向面积；AY 为发射结纵向面积；4WbX ， WbY 为横（纵）向基区宽度；WeY 为发射结纵向深；WeX 为发射极引线孔到发射区边距离。当纵向寄生管基区宽度WbYLPb 时1WbXAYe1eAXbWeYLpbbWeL按照一般的设计数据：Xjc（eY ）3 mWN BS51018 / cm3NBC11015 / cm3WbX8WbY15WeL10计算值10RO 150/b5cm事实上，执照上述设计数据制作的横向管，其放大倍数要大得多，目前国

5、内水平一般在50 以内，国外约为100。5偏差的原因：发射区非均匀注入；Na-Ndebcppmn+b： n+ 隐埋层上推形成对少子（空穴）纵向的阻滞区，减小了寄生纵向管的作用。提高的途径：横向结面积尽可能大，纵向结面积尽可能小（取决于图形设计及结深设计）；：射区（硼）深扩散；：提高注入效率；eb：表面钝化（减小表面复合）；：间隙埋层，埋层为高复合区将增加纵向基区复合电流（使I增大，下降），采用间隙埋层则是一种折衷的办法；：采用场助PNP 管，外加电场，提高横向发射结有效偏置。事实上， 所有的这些措施都受到条件及其它元件特性的限制，在实际工艺中，往往是通过减少污染，表面吸杂与钝化，增大硼扩散结深

6、来控制。6另外，由于横向PNP 管基区浓度低，发生大注入效应（基区电导调制效应，大注入自建电场，有效基区扩展效应）的临界电流密度小，且由于纵向无效注入，使其电流容量较小 5A /m 。一般采用最小设计尺寸时，认为有效电流不得超过0.5 1mA。2击穿特性：PN 结有三种地窖机构：热击穿（漏电） ，隧道击穿（重掺杂） ，雪崩击穿（轻掺杂）；对横向 PNP 管，属雪崩击穿。由于基区电阻较大，雪崩击穿电压较高，当cb 结反偏时，耗尽区扩展很严重，以至尚未达到cb 结击穿电压，而ce 结已穿通。因此横向PNP 管的击穿特性实际上是ce 结的穿通电压。采用突变结近似：qNBWbX2VPT2 0 si3频

7、率特性：由于基区宽度大，渡越时间长，且存在寄生晶体管效应，频率特性较差，一般为几兆赫。7三横向PNP 管常用图形两个特点： ：基区为外延层， 因而基区等电位的管子可置于同一隔离岛；：只有发射结正对着收集极的侧面积才对有贡献， 因而图形设计中总是以集电区围绕着发射区。据此，我们可以采用一个基极制作出多个发射极和集电极，也可以根据需要，以多个集电极围取一定比例的发射区侧面积，来制作成比例的多个共基极晶体管，还可按设计要求，制作具有固定的电流放大倍数的晶体管。1单个横向PNP 管圆形结构：特点：发射结周界小，有利于减小复合电流，且消除了棱角电场。环形结构：特点：在同样扩散深度下，发射结侧面积与纵向面

8、积之比较大。从版图尺寸考虑：发射区面积要小（提高fT ，）； WbX 全程（兼顾fT ， VPT ）；基区引线孔靠近射区，且面积大（减小Rb ）。2多集电极横向PNP 管特点：共用基、射极，各集电极I C （）之比正比于它们所正对的射区8侧面积之比。3可控增益横向PNP 管特点：将多个集电极中的一个与基极短接形成负反馈，稳定电流增益，此时增益由版图定。4多发射极，多集电极横向PNP综合：1横向PNP 管受基区宽度及寄生效应影响，增益较低，1050，频率特性较差，几MH 。2其击穿特性受穿通电压限制，约几十伏。3版图设计采用集电区围绕发射区，以尽量利用其有效射区侧面，且采用埋层结构。4大电流特性

9、较差。5工艺与NPN 管相容，简便，可简化电路，因而获广泛应用。911-2 纵向 PNP 管在模拟集成电路中，在某些场合下，要求PNP 管具有较高的耐压和较大的电流容量。 例如输出管， 要求具有额定输出电流，耐压大于电源电压，这时，横向晶体管难以胜任。这里，我们介绍纵向PNP 管。一衬底PNP 管1结构及其制造工艺：P 型衬底作为集电极，n 型外延层作为基区，硼扩散形成发射区。EBCnP+nP-s2电学特性：电流增益晶体管原理P104 导出了 NPN 型均匀基区晶体管的为：1eWbWb2b Lpe2Lnb变换到 PNP 管，并利用eR eLpe10得：1R eWbWb22Lpbb显然，对于纵向

10、PNP 管来说： Wb 较大，因而较低；R e 较大，注入效率不够高；影响了电流增益。书中对典型设计数据下纵向PNP 管的电流增益作了计算。提高的途径：工艺上避免玷污，吸杂，钝化，以提高少子寿命。选择适当的基区宽度。加 p 隐埋层，在基区形成少子的加速场。适当调整硼扩散浓度及外延层电阻率。击穿特性纵向 PNP 管的 cb 结实际上就是隔离结，一般击穿电压在100 V 以上，设计中不需改善。大电流特性与横向 PNP 管类似，衬底PNP 管的基区宽度大，基区浓度低，容易发生发射极电流集边效应和基区电导电导调制效应，不同的是，衬底PNP 管没有11寄生晶体管，但其集电区浓度较低，容易发生有效基区扩展

11、效应，因此其电流容量也较小，一般取10A /m 。频率特性由于没有寄生晶体管的影响，衬底PNP 管的频率特性优于横向PNP 管，一般为 10 M 左右。D pb fT 2 b Wb2fT 决定于 Wb3衬底 PNP 的图形由额定电流决定发射极条长，可取梳状；基区包围发射区，以降低Rb ；集电极从隔离槽引出。二三重扩散PNP 管1结构与制造工艺在普通 NPN 管的基础上再扩p发射区 p基区 n集电区 p122特点：具有双重隔离性能，因而所有这种晶体管可置于同一岛上； n 浓度已很高，由于受固浓度限制，p 区域的浓度难以提高到获得满意的发射注入效率；基区重掺杂，少子寿命低；图形尺寸大，寄生电容大。

12、这样，既增加了工序，又难以得到满意的晶体管，因而极少采用。1311-3 超 管在模拟集成电路中，差动放大器是一个基本单元电路，差分对的质量直接影响到电路的性能。回顾差分对电路，有两个重要指标Ri ， I IO差模输入电阻：dVid(VB 1 VB 2 )RidI CdI B显然从两端看到的差模阻抗应为单管的阻抗的两倍。（差模信号输入相当于两管 be 结串联）Ri2rbe 2rbb(1 )re 2(1 )re于是： redVBE1dI EdI EdVBEqVBEI EI ESe nKT于是renKTqI ER2(1) nKT2nVTiqI EI B失调电流： I IOI B 1I B2可见，在保

13、证一定的工作电流（I C ）时， I B 越小，差分对的指标越高。这可从两方面达到。一是线路设计，如达林顿复合管输入，场效应管输入。14二是工艺措施，增大输入管值，由此产生超管。所谓超管，一般1000 ，当 I C 几十A 时， I B 为 nA 数量级。下面我们讨论超IB 管。一提高的主要途径对缓变基区晶体管：1D pe NBWb2SAWIWbSbreDnb N E Lpe5DnbnbAE DnbI neR2SAWIe1WrebSbR bLnbAE DnbI ne第一项表示了注入效率，从实际考虑，受固社会浓度限制，R e 不能无限R b制减小，当NE5 1020 时，由于重掺杂效应，有效浓度

14、反而降低，且射区内俄歇复合迅速增加，使注入效率降低。第二项表示基区输运系数，通常 NPN 管 Wb1，故这一项对影响很小。第三项表示基区表面复合，第四项表示发射结势垒区复合，可以从设计及工艺上将其影响减小到最小。分析可知， 对第三项的要求，超管与普通NPN 管相同， 这就意味着超管的关键仍在注入效率与基区车运系数。我们将第一项再作变换153穿通型超1eWb1 Wb2.ex jeLnb显然：尽可能减小Wb ，不但使基区输运系数达到几乎等于零而且同时提高了注入效率，可大大地提高值。在足够大的基区输运系数的前提下，降低基区掺杂浓度，提高注入效率。基此，形成二种超管二穿通型超管1设计思想：这种超管的设

15、计思想是减小Wb ，以降低 BVcbo 、 BVceo 为代价来获得高值，由于 Wb 很小，当cb 结反偏时，势垒区很快扩展过基区，而造成ce 穿通，故称穿通型。2工艺： a：两次磷扩散在普通 NPN 管的射区加一次磷扩散，将射区推深， 减小 Wb ，得到超管。b：两次硼扩散超管的硼扩散与普通NPN 管硼扩散分别进行，使超管的硼扩结深较浅，再一起扩磷。管特点16a：基宽调制效应明显，特性曲线呈扫帚形；b：穿通电压低，约27V ；c：为减小基区及发射结势垒表面复合，在版图设计上，通常采用圆形发射区，及大面积金属覆盖；d：线路设计中，通常使超管 bc 结偏置为接近0V 。这样首先是保护其不被击穿，

16、其次降低了基宽调制效应，再就是避免了I cbo ，提高了温度稳定性。三离子注入超管a：设计思想：降低基区杂质浓度，提高注入效率，获得高值。b：工艺首先离子注入p ，高温推深，形成基区，再扩硼，在p 周围形成p 环，一方面避免p 表面反型造成ce 穿通，另一方面作基区的欧姆接触。扩磷形成17发射区。c：特点：由于采用离子注入，成本较高，但重复性好，工艺上容易控制。只要基区少子寿命较长，Wb 可较大，穿通电压比较高。18 11-4 隐埋齐纳二极管模拟集成电路中，有些基本单元电路，如基准电压，源电路，电平位移电路等，常常利用一个二极管的反向特性，来获得一个比较稳定的电压，这种二极管称为齐纳二极管。直

17、流电路中，当前一级的工作点发生偏移时，会被放大传输到下一级，因此，许多多级放大电路中包含有内稳压源，提供稳定的工作点。在这些电路中，对齐纳二极管的共同的要求是：a：动态内阻小，以避免大电容退耦；b：击穿电压稳定；c：噪声小。对于普通齐纳二极管，其特性并不令人满意。大家知道，不良的表面状态会使PN 结击穿电压降低。普通齐纳二极管PN 结的一部分暴露于表面，受到SiO2 中电荷及界面态的影响，因此击穿往往在表面首先发生，形成软击穿，且击穿电压不稳定。由此出现了隐埋齐纳二极管，它的设计思想是：将PN 隐埋于体内，从而不受表面状态的影响。1扩散法首先进行深硼扩散p ，再按正常工艺扩硼，覆盖 p ，扩磷

18、覆盖p ，这样，19相当于两个PN 结并联，由于浓度的差异，体内PN 结首先击穿。pnp-np+Pn+P注入衬底2离子注入法：先按正常工艺淡硼扩散及磷扩散，离子注入离子覆盖 n 并连通 p 。由于注入离子峰值在体内，因而体内先击穿。3版图设计时应采用圆形结构，避免棱角电场造成面部击穿。20 11-5 集成电路中的电容器模拟集成电路中有两种类型的电容器：第一类寄生电容：结电容第二类平板电容：MOS 电容薄膜电容一结电容一个反偏PN 结具有与结相关联的耗尽层电容；一个正偏的PN 结具有与结相关联的扩散电容。我们先看一个PN 的等效电路：正偏时，电容两端呈低阻抗，显然无法使用；反偏时，主要是CT ，

19、 gI ， RS 起作用，电容两端呈高阻抗，此时，对于突1N2变结： CTV为轻掺杂侧杂质浓度；为反偏电压；对于扩散结，表达式要复杂得多，但有相类似的关系。21显然我们要求与结电容相关的PN 具有较大的CT ，较小的 RS 和 gI 。在模拟集成电路中，be 结电容量最大，但由于Wb 小， Rb 大， Q 值不变，实用价值不大。cs 结单位面积电容量最小，也不适用，cb 结电容量适中，串联电阻不大（20）采用最多。1bc 结电容结构如图示：ABnpn+P零偏时C1 3 10 4 pf /m22当要求电容量较大时，可采用pn 并联结构。ABn+P+pP+n-n+P-si零偏时3 4 10 3 p

20、f /m2耐压4.5 V223结电容的特点：a具有极性，只能使用于反偏状态；b串联电阻较大，Q 值不高；c存在反偏漏电流，温度特性差；I R1倍 10O Cd电容量随电压变化。二 MOS 电容器1结构： MOS 电容器相当于一个平板电容器，在隔离岛上扩磷形成下极板，以铝膜作为上极板，SiO2 作为介质，由此称为MOS 电容。其等效电路如下：对于 MOS 电容器的分析可直接引用半导体物理的结果。C/Cox多子积累1低频Cfb反型平带耗尽交频开关信P 型半导体Vg但是在这里，n 浓度非常高，一般近似认为电容量不变。230iCMOSA2特点：a无极性；b耐压高；c精度高；d串联电阻小，Q 值高；e面

21、积大，成品率较低。三薄膜电容器薄膜电容器实际上是平板电容器，一般限于需要较大电容量时使用。平板电容器的电容量与介质材料及其厚度有关，采用薄膜电容器，可以自由选择介质材料，因而比之MOS 电容具有更大的灵活性，缺点是增加工序。24 11-6 薄膜电阻器在集成电路中，由于制作方便，一般采用硼扩散电阻，有时根据电路设计要求，也采用磷扩散电阻及外延层电阻。硼扩散电阻有其固有的缺点：a难于制作大阻值电阻；b精度不高；c温度系数高。因此，对于大阻值电阻，高精度电阻等不太适用。薄膜电阻弥补了这一不足。薄膜电阻器以金属，合金或化合物为材料，淀积在绝缘层上而形成，可以根据需要选择不同电阻率及温度系数的材料，以达

22、到电路的要求。薄膜电阻器的优点尤在于制作后可调整阻值，采用激光切割调整后，精度可达 1%。25综述：1纵向 PNP 管的击穿特性，大电流特性，频率特性均优于横向PNP 管，可用于宽带放大器，三重扩散PNP。由于制作上的困难，一般不采用衬底PNP，限于使用在集电极接最低电位的场合，图形设计上采取基区围绕发射极，以减小 Rb 。2超管分穿通型和离子注入型。穿通型超管采用牺牲BVcbo 、BVceo 为代价来获得高值，措施是减小Wb ，一方面提高注入效率，另一方面提高基区输运系数，工艺上分两次硼扩和两次磷扩两种，图形设计采用圆射区，大面积铝覆盖，使用时使Vcb0 。离子注入超管采用降低基区浓度的办法

23、获取高，比之穿通型， 击穿电压有所提高，工艺重复性更好。3隐埋齐纳二极管体内高掺杂，表面低掺杂，使PN 结的击穿特性避开表面影响，获得低阻抗，低噪声，高稳定度的击穿特性，为电路提供一个高质量的参考电压，其制作分集散法和离子注入法，图形设计上采用圆形，以消除棱角电场。4扩散结电容器由于只有极性，漏电，温度稳定性差，容量随电压变化，值不高等缺点，应用较少。MOS 电容器实际上相当于一个平板电容器，由于耐压，精度高，应用广26泛，但成品率不高。薄膜电容器实际上象是平板电容器，比之MOS 电容器，容量大，Q 值更高，但增加工序。5薄膜电阻采用金属，合金或化合物作材料，在SiO 2 上淀积而成，其特点是

24、，精度高，阻值可调整，温度系数低。27第十二章模拟集成电路中的基本单元电路引言：尽管模拟集成电路种类繁多， 但大多是由为数不多的几种单元电路所组成。这些单元电路中， 有的是随着模拟集成电路的出现及发展而产生， 有的则沿用分立元件的线路形式，根据集成电路的特点加以改进而出现。这些单元电路的共同特点是： 适于集成化生产且充分利用了集成电路中元件的特长。常用的单元电路有：差分电路、双差分电路、恒流源电路、稳压源电路、有源负载、电平位移电路、阻抗变换电路、双端输出变单端输出电路、输出级及其保护电路、模拟开关等。了解了这些单元电路的形式、 特点，掌握了它们的分析方法，我们就可以很容易地分析各种各样的模拟

25、集成电路。考虑到大家电路知识基础较薄弱，本章将在教材的基础上增添一点内容，便于下两章的分析。12-1差分放大器差分放大器出现于集成电路之先，但集成技术使其性能大大提高。已成为模拟集成电路中应用十分普遍，最基本的单元电路之一。由于采用集成技术，使得差动放大器具有几个主要优点：1、元件特性一致，失调及温度很小。（温度补偿）2、用电容机会极少，且可避免大电阻，有利于集成化。3、性能多样化，作为线性放大器，工作频率可从直流、音频、视频直至甚高频， 也可作为宽带放大器，作为非线性电路，具有限幅、 增益控制、 混频、倍频、调制、乘积、检波等多种功能。28一、差分电路工作原理及主要性能1、小信号特性：如图示

26、基本差分电路，由两个完全对称的半电路组成。两管静态电流取决于VEE 及 RE。（ 1）输入差模信号情况：Vs1 =Vs2此时， T1 、T2 两管输入信号大小相等，方向相反，两管流过RE 的信号电流也大小相等，方向相反，彼此抵消，RE 上无信号压降，E 点相当于交流接点，称为虚地点。此时：因电路完全对称于是：双端输出差模电压增益显然，单端输出时：（ 2）单端输入信号Vs1 =Vs2Vs2 =0此时， T2 相当于一个射随器，其输出阻抗：RozRoz 通常远小于RE，因而 RE 的分流作用可以忽略，信号回路为：每个管子所分配的输入信号均为1/2V S，但极性相反，因而与差模输入信号具有同样的性质

27、。（ 3）共模信号：Vs1 = Rs2两管输入信号大小、方向均等，因而RE 上信号压降为2ieR E，据此可作出交流等效电路图。当电路完全对称时，共模增益。2、传输特性： （大信号特性）当输入信号较大时，差分放大器的工作点可能进入非线性区，这时他的特性需利用传输特性进行分析。传输特性是指电路输出电流与输入电压之间的函数关系。研究它。能帮助我们对整个信号输入范围内电路的输出特性有一个全面的了解。291）传输特性曲线讨论一个采用恒流源的基本差分电路得到传输特性：可得到传输特性曲线（ 2）传输特性曲线的特点a:平衡状态b:在平衡状态附近，|V i | VT 范围内，线性区、 Vi 与 I c1 、I

28、 c2 呈线性关系，这就是通常的小信号线性放大区域，此时有近似关系成立当 |V i | 4VT 时，限幅区总有一个晶体管截止，电流近似为零，另一晶体管充分导通，受恒流源限制，电流近似，且I C1、 I C2 恒定不变。这表明差分电路在大信号区具有良好的限幅作用，可构成限幅放大器。为过渡区e:由于始终有I C1+I C2=dI0 ，因此，曲线a、 b 互为镜象（ 3）传输特性线性区扩宽在某些差分电路中，在 T1、T2 的射极串接有一小电阻，下面讨论它的作用。采用图解法可得到有RE 时传输特性曲线图中， a 为没有 RE 时的传输特性曲线；b 为 RE 的伏一安特性，显然它为穿过的一条直线。任取

29、I C 轴上一点P，对应于 P 点电流， PQ表示此时两管信号Vi =Vi1 Vi2 ,PS则对应于两RE 上压降，因此，对应于P 点电流，信号压降应等于PQ+PS=PT。 逐点作出，可得曲线 c，即为加 RE 时差分电路的传输特性。现在我们来讨论 RE 的影响。传输特性线性范围展宽线性范围：无 RE时：有 RE时：30增益：由于负反馈作用，增益下降带宽：设负反馈系数为则低频下半功率点频率下降为原来的：高频端上半功率点频率上升为原来的：上升速率 SQ 提高3、输入阻抗：定义：显然，从两输端看到的差模阻抗应为单端输入的两倍：4、跨导与增益：跨导定义为：差模电压的变化 dvi 与输出电流的变化 d

30、Ic 的比值 ，它就是传输特性曲线的斜率。单端输出：双端输出时：两端输出电压为单端输出电压的两倍，因而在小信号区域，可以认为gm不变，为平衡状态时的跨导：平衡状态：可见： gm 与温度有关gm与工作电流成正比利用第二个特点，可以实现自动增益控制。再讨论差分电路的增益：根据定义：由于对称性可知，增益与工作电流有关由此，可设计出简单的乘法器电路：5、共模抑制比以上我们讨论了理想状态下差动电路的性质，但实际差分放大器总不可能完全对称，反映到电路性能中，主要表现在共模抑制比及失调，下面分别予31以讨论。当输入共模信号时当电路出现不对称时定义放大器的差模信号增益与共模信号增益称为共模抑制比，它反映了差分

31、电路对共模信号的抑制能力。通常用分贝表示：当电路完全对称时但实际电路总是正对称的提高共模抑制比取决于两个因素：1：提高元件的对称性2：加大共模负反馈电阻，担受工作电流及电源电压的限制，故一般采用恒流源来代替RE 。6、失调1）定义：零输入时不为零的输出电压称输出失调电压，为得到零输出所必须加于输入端的电压称为输入失调电压当维持静态输出为零时，差分电路两输入端偏置电流的偏差称输入失调电流2）失调的产生先讨论 VOS设差分电路两输入端接地忽略二次分量可见 VOS主要由 RC 及 VBE 不对称引起，当不考虑RC 时教材中将 VBE 进一步分析，进而指出了由及不对称引起的分量。讨论 IOS根据定义：

32、综上所述，失调由电路中元件的不对称所造成，产生元件特性不对称的原因有： a:对称元件的几何开关、尺寸有差别，或光刻过程中造成几何尺寸32差别。材料不均匀工艺过程中，掺杂浓度，洁深的误差差分对管引线电阻的误差。7、漂移：失调电压、失调电流随时间、温度等因素变化的现象称为漂移，其中主要的是温度漂移。一般说来，失调的本身并不可怕，可以通过外部补偿而消除，麻烦的是它将随外部因素而漂移，此时的各部补偿反而附加了一个漂移项。在这里我们讨论失调的温度漂移。首先讨论事实上，当集成块工作时，芯片将产生温度梯度，由此附加有一项温度漂移。一般情况下：由以上分析可知，减小差分电路的静态输入电流，不仅可以减失调电流及其

33、漂移，而且可以提高输入阻抗， 这对改善差分电路的性能起到重要的作用，为此，在基本差分电路的基础上，以减小输入电流为目标，发展了多种形式的改进型差分电路。下面略加介绍。二、达林顿差分电路1、电路形式：2、基本特性：A、输入阻搞需端阻抗为3、特点：在同样的工作电流下， I B：减少了（ 1+ 1）倍。因此，提高了 2（ 1+ 1）倍调电流减少了（ 1+ 1）倍b：最大差模输入电压增加一倍。33最大 d 曲输入管 Va bo 决定。：跨导降低d：工艺要求高，须掌握小电流高 技术。三：互补差分电路1：电路形式2：基本特性a：输入阻抗b：跨导：3：特点a：利用高性能的npn 管与低性能的pnp 管复合，

34、实现了npn 的高 使I B 较小， pnp 管共基接法政善频响。b：由于横向pnp管 BVebo很高的差摸电压。四：超 输入差分电路1：电路形式：2：输出电压只高3：特点：补充：双差分电路一：电路形式三：小信号特性2：增益控制3：混频器4：鉴相器设小信号：三、大信号特性利用传输特性类似于乘法的分析可得：信号电压V2 被载波 V2 所调制3412-1恒流源电路与有源负载对差分电路的讨论可以年到，为获得良好的共模特性。要求RE 越大越好，而 RE 增大，将使工作电流下降，跨导降低，增益gmR随之降低。在模拟集成电路中，常常采用恒流源的电路，利用其较低的直流阻抗，获得较稳定的偏置电流，利用其较高的

35、交流阻抗可获得良好的共模特性，此外，采用恒流源作为放大器的有源负载（如差分电路RC）可以提高增益。由于在集成电路中，恒流源的成本比大电阻低很多，而其特性又高得多，故得到广泛应用。一、基本型恒流源1、设计思想2、电路结构3、原理分析：4、特点：a、温度稳定性好二、比例恒流源：基本思想1、使两管输出电流不相等，可采取两条措施，由此形成两种比例恒流源：a：设计中使两管不对称b：电路形式上使VBE不相等。2、电路形式3、原理分析：另外、设计上使两管不对称时：此时、由于采用基本型恒流源电路由此，改变两管射区面积比，也可获得比例恒流源。须便指出，若以Ir作输入端， I 作输出端，则得到一个放大能力完全取决

36、于两管射区面积之比的电流放大电路。35这种电流放大电路的优点是：a：在较大的输入范围内，电流增益不变。b：具有温度补偿，温度稳定性好。c：精度很高。d：频率特性好。三：小电流恒流源：在模拟集成电路中，偏置电流往往小至微安级，用基本恒流源，Rr在106 数量级，采用比例恒流源因使适于，故不适用，由此发了小电流恒流源：1、基本思想：与比例恒流源相同（且取）R1=0 的极端。2、电路形式：3、原理分析：4、特点：对电源电压抑制性好。温度系数很小四：温度朴偿恒流源五： pnp 管恒流源以上讨论的npn 管恒流源电路，均适于供给npn 管射极电流，当需供给npn 管集电极电流时，可采用pnp 管恒流源电

37、路。原则上讲， npn 恒流源的电路形式原理分析均适于pnp 管恒流源电路，只需将极性改正就可以，模拟集成电路中均以横向pnp 管构成恒流源。 由于横向pnp 管以外还会作为基区，则所有基区等电位的晶体管可作于同一隔离岛上，而基本型，比例型，小电流型等恒流源均满足这一要求，因此，可能制作出共基极，共射极，多集电极晶体管作为恒流源，从而大大节省了硅片面积。此外，横向 pnp 管具有一个重要的特点，只有正对着集电区的发射侧面积才对 有贡献，也就是说，对于多集电极横向pnp 管，每一集电极所分配到的电流之比，等于集电区的发射侧面积比。因此，特别适于制作比例恒流源。1、基本型恒流源362、可控 恒流源

38、：（比例恒流源）六、场效应管恒流源：在很多模拟集成电路中，还常常常用场效应晶体管恒流电路。1、基本想思对于一个结型场效应晶体管，当漏源电压超过断电压VP 时，漏源电流呈饱和值，其大小由设计确定。另外， I DS 具有很好的温度特性。适当选择工作点，可使I DS 具有零温度系数。这样得到一路与电源电压及温度均无关的电流，利用这一路电流作为参考电流，反映出多路输出电流作为整个电路的静态编置电流。2、电路形式：设 T1、 T2、 T3、 T4 特性一次与小电流恒流源的输出电流表达式类似。电路中，R5 为外区层电阻，与场效应管的阻抗具有同样的温度系数，其作用是保持I o1 的稳定，当场效应管工作于非饱

39、和区时，设有则电压波动来变化。D 点电压波动：选取 R5 数值，使得：于是：这样，即使Ir改变， I 01 仍恒定。R2 是沟通电阻， 它具有比硼扩散电阻R1 、R3 、R4 高得多的正温度系数0.5%当 T VBE3 VB4 T R2 I R2 VR4VB4、 VR4，都将使I 01 ，这样可以补偿输入级因温度上升而造成的跨导降低。七、有源负载：1、问题的提出对于晶体管共射放大电路37欲增大电压增益，可从I C、 RC 两者看来，增大I C 的困难。I C I B Ri Ios ，且 PW影响电路的其它性能。增大 Rc 的困难。首先大电阻在集成技术中难以实现。另外，若电源电压一定，Rc Ic

40、 gm Av仍达不到目的。因此，在这里，我们希望有这样一种等效负载阻抗。对直流来源，其阻值不大，以保证一定的工作电流，即保证了电路具有一定的跨导。对交流来说，他的阻抗很大，从而有效地提高电路的增益。2、理论依据分析一个晶体管输出特性曲线设晶体管工作在放大区Q 点，则直流阻抗R-不大且可以调节交流阻值VA 称为厄利电压， 是一个主要与基宽调制效应有关的数值，与 Wb、NB 有关。对于共射电路：VA一百多伏对于只基电路：VA104可见 R是很大的。因此，在模拟集成电路中，常利用晶体管作为负载，由于是有源元件，故称有源负载。显然： R与 VA 有关。R与晶体管的接法有关， 采用共基接法时， R为共射

41、接法的 （ 1+B）倍。 R与工作电流Ic 有关，但有源负载的工作电流就是放大管的工作电流，降低Ic 会使 gm降低。R与负载管射极电阻有关。如图所示：相当于共基接法383、有源负载的优点：显著提高电路增益。对于多数放大电路，可以减少电路的级数达到同样的增益，这对电路的频率特性有好处。直流阻抗小，在较低的电源电压下，可得到合适的工作电流。使得电路的电源运用范围较大，只要晶体管工作在放大区，电源电压变化引起， Vce 的变化几乎与工作电流无关。避勉了电阻，有利于集成化。4、电路形式NPN管作有源负载 PNP管作有源负载39第十三章集成运算放大器运放早期被应用于模拟计算机中进行各种教学运算，并由此

42、而得名. 它是模拟集成电路的基础。随电子技术的发展、运放的功能已远远地超出计算机的范围，而广泛应用于信号调整， 有源滤波， 人司服系统， 程序控制、 非线性函数发生器等各领域，已成为线性电路中最通用的一种。13-1运放的基本概念一、运放的概念运放本质上是一个具有高增益， 深度负反馈的直流放大器， 以电子线路的角度出发，其图示如下：AV 表示一个高增益直流放大器，Z、Zf 构成外加反馈网络，为满足负反馈，AV 为负。引入一个重要结论：深度负反馈放大器的特性取决于反馈网络的性质，而与内放大器Av 几乎无关。于是，也可以说：运放本质上是一种输出、输入信号函数关系受外加反馈条件严格控制的器件。下面以负

43、反馈的观点证明这一点将上框图略作修改：40可知，这是一个电压并联负反馈放大器.Zf 折算到输入端Z fiZ fZi1AV于是：I B0I fI gVI B Zi0虚地这样：VgI g ZVOI f Z fVZ f VOZg二、运放的结构1、对称电路结构： （原始型第三代）差分对输入中放（单端化）射随器偏置电路电平位移输出特点：电路简单，集成度低。2、斩波稳零结构： （第四代）A1为主放大器A2辅助放大器信号通道：41高频A1输出低频A2特性：AVdAV1d AV 2dVOS1VOSVOS2VOS2AVd 2经典斩波稳零运放中，A2 是斩波器调制的交流放大器，可以保证 VOS20 .动态校零斩波

44、器稳零运放中，以具有任意VOS的直耦放大代替A2 ，整个放大器工作过程分两个节拍，一个对校正失调电压的校正电压进行记存的误差记存节拍。另一个是放大，较零节拍，与此同时，利用输出采样保持电路保证V0 的连续性， 这样 Vos2 及漂移被周期性地较正到零，保证了 Vos 及漂移近于零。交流前置输出放大器采样 /保持放大器in低通滤波器斩波前置放大器斩波调制器放大器调制器漂移校正电路2KHZ 激励源误差记存节拍：当Vin 输入时，斩波放大器输出与C17 相接放大较零节拍：当Vin 接地时，斩波放大器输出与C9 相接。三、主要参数定义：1、开环电压增益：42运放无反馈时，差模电压放大倍数AVdVO10

45、4 106Vi1 Vi 2KVd20lg AVd80 120dB2、共模抑制比运放开环时，差模电压增益与共模电压增益之比CMMRAVd46AVc10 10通常以分贝表示：CMRR20lg AVd80 120dBAVc3、输入阻抗Rin运放开环时，两输入端之间差模阻抗4、输出阻抗：R0开环时输出阻抗5、输入偏置电流I B6、输入失调电流的I OS 及温漂I OSI B 1IOSI B 2T7、输入失调电压及温漂VOS: 使 VO=0 时，两端所加补偿电压VOST8、带宽：单位增益带宽fcp-3 分贝带宽fc最大功率带宽f pp此外还有上升速率SR43建立时间最大差模、共模输入电压静态功耗等。其中

46、某些重要的指标后面将作专门介绍四、理想运算放大器1、 AVd2、 CMRR3、 Ri4、 开环带宽5、 SR6、 IOS，IOS0T7、 VOS， VOS0T8、噪声 0目前水平在许多场合， 并不要求许多指标都十分完美，而仅对某一方指提出特殊要求，由此，在通用型的基础上，派生出一个分支，专用型运放。低漂移型：A725VOS0.5A O CI OS 0.5nA O CTT低功耗型：735POM0.1AmW高速型：A772SR65VS高输入阻抗型：A740Ri106 M 13-2运放的频率特性及频率补偿44一、放大器的开环频率特性1、单极点传输函数的频率特性。讨论一个单管共射电路，将各种寄电容等效

47、为一集电极至地电容c，则其增益11AV fgm RC /j CgmR1j C设 gm 与 f无关且f p1RC2则AV fgmRgm RAVOe j 为一单极点传输函数 .1j ff2f p1f p幅频频性AVOAV2f1f p相频特性arctanff p2、单极点传输函数波德图。将幅频特性及相频特性分别绘出曲线以直观地了解其性质由关系式有：45AVOf1f pAV fAVO3dBf1f pAVO20lg ff1f pf p004509003db806040200.14590为简便起见，近似用折线代替曲线。AVOAVfAVO20lgff p00450 DEC900f1f pf1f pf1f p

48、-20db/DECf10100fpff pff pf0.1 f p0.1 f pf10 f pf10 f p46这种近似法由H、 W、 Bode 提出，故名波德图。3、多极点传输函数的Bode 图运放问题一个多级放大器讨论一个三级放大器，这一放大器的每一级均为单极点传输函数，则放大器为一具有三极点传输出数的电路。AV fAV 1 f AV 2 f AV 3 fAVO1AVO 2 AVO 3ej 1232221fff1f p21f p1f p3设 f p1f p2f p3显然，对幅频特性：ff p1AVAVOf p1ff p 2斜率20dB DECf p 2ff p 3斜率40dB DECff

49、p 3斜率60dB DEC对相频特性 :f0.1 f p 1000.1 f p1ff p100450f p1ff p24501350f p 2ff p31350 2250f p 3f10 f p32250 2700f10 f p 32700总相移2700波德图如下：47-20db/DEC80-40db/DEC60Q1/f40-60db/DEC20Fp1Fp2f1 Fp345 90 -90 45 -135 -180 -180 45 -225 -270 二、闭环稳定性1、闭环稳定条件：设运放处于闭环状态，反馈系数为FAfAVf1AVfF当环增益AVfF1时， Af.此时，放大器处于自激振荡状态，其

50、物理意义为随频率增大，放大器及反馈网络可产生附加相移。当附加相移达180时，负反馈变为正反馈，反馈量足够大时，产生自激振荡。临界振荡条件：AVfFAVf F1118002n1于是闭环稳定条件：1800 时 ,AVf F 1;或 AVfF1时 ,1800 .482、闭环特性：放大器加入负反馈后，其幅频特性及相频特性叫闭环特性。未加负反馈时，称开环特性设反馈网络不产生附加相移，反馈系数F 为常数。则低频范围内,AVf很大 . 通常有 :AVfF1Aff1F为一不随频率变化的常数，在波德图中为一水平直线，与开环幅频特性交于 Q1 点，表示在此频率下，闭环增益等于开环增益，此时AVf1Af f11FA

51、Vf1F1当 ff1 时 ,AVf F 1;ff1 时 ,AVfF 1.注意到：AffAVfAV f1AVfFf1 时，随 f 增大时， AV f 不断下降 .可近似认为AffAVf于是可以近似地描述放大器的闭环特性：当 ff1 时 ,为一水平直线;f1 1 时 , 与开环幅频曲线重合 .f1 称闭环特性的极点频率或称闭环带宽频率，这时开环附加相移为1 .3、闭环稳定性闭环特性别法 . （近似判别法）由闭环稳定性条件49AVf F1时 ,1800 .看闭环特性：ff1AVfF11ff1AVfF11ff1AVfF11欲使闭环稳定，应有11800 .为保证在恶劣环境下稳定可靠，一般应取一定余量，一

52、般取：增益裕量6 12dB(1800 )相位裕量200 400( AF1)为方便起见，我们取相位裕量45 .认为 | 1 | 135时，闭环稳定，从波德图上可直接看出。f1f p 2，则可确保稳定，亦即交点1 在开环幅频特性的20dB DEC 处为Q稳定，否则认为是不稳定的。尼奎斯特性判别准则（严格）根据 AVfF 为 f 的函数，可在复平面上画出动点P 随 f 变化的轨迹，这样得到的曲线为Nyguist曲线。而临界振荡条件对应于复平面上点（-1 ，0） .Nyguist判别准则：如果AF闭合曲线包含或通过点（-1 ， j 0 ）则放大器不稳定，否则是稳定的。对三极放大器可画出尼奎斯特曲线如下

53、无物理意义-1.0 AfAvFo1+Af曲线进入单位园内表示AF11 进行正反馈.50Nyguist判别法包含两种稳定条件的判别法，但仍需取一定的增益或相位裕量才能应用于实际电路。三、运放的频率补偿技术1、单电容补偿（频带压缩技术，主导极点补偿，滞后补偿）这种补偿的关键在于人为地在放大器中引入一点主导极点，使环路增益为 1 时，迫使附加相移小于-135 。1/FQQf fp1 f1 fp1fp2fp3补偿前f1f p 2,补偿后f1f p 2,11350不稳定 ;11350稳定 .这种补偿的特点是使得低频附加相移增加，故称滞后补偿。由于牺牲运放的频率特性为代价，开环时，运放的带宽远小于原来的带

54、宽，闭环时，回路反馈效益在fp 1 处就开始下降。简单电容补偿R1C1RpAvAv将补偿电容加于某一级输出端此时 f p11C2 R1C1欲使补偿后闭环稳定，则ff p2 , 取临介点 f f p 2 .511f p2AVF此时AVOFC CC12 R1f p2密勒电容补偿对于简单电容补偿, 通常要求 C 10 4 pf ，只能外接，利用密勒效应，可大大减小 C ，使得可采用集成技术，直接做在芯片中，如A741，采用一个30pf 密勒电容CmAv等效到输入端，相当于输入端并联一大电容，1 AV CM.2、 RC 串联网络补偿， （极点 - 零点补偿）其特点：压低第一极点的同时，消除第二极点，使

55、运放带宽有所改善，但仍压低了第一极点频率，因此仍属滞后补偿，设有一个三级放大器，第一极点输出等效电容产生。在其输出端并联一Rc 串联网络R1RLRC1CLC此时ZAV 1fAVO1 R1ZZC1/ RC设R1 R,CC1, 则521jR CAV 1 fAVO1jRC11这样，在放大器中引入一个新的极点1和一个零点12 RC12 R C选择适当的 R , C 使得由此产生的零点正好消去第二个极点. 即 :f p212 R C则改变了放大器的幅频特性。R , C 串联网络可应用密勒效应，跨接于某一级的输出、输入端。3、超前补偿（微分较正）特点是，在放大器中引入一个零点，使该零点正好消去一个极点（一

56、般为第二极点），减小了高频附加相移，故称超前补偿。CRLCL中提供高频通道，减小了高频附加相移，也减小了高频增益下降，从而实现超前补偿，AV 2 fAVO 21jR2CjR2C C21一般 CC2,1jR2 CAV 2 fAVO2 1j R2 CAVO 2这样消除了第二极点达到了补偿的目的。53 13-3大信号运放的瞬态特性一、根据以上分析：运放采用对称电路结构，即差分输入级以减小零点漂移。采用频率补偿以避免自激振荡。由此产生一个特殊问题：输出电压的上升取决于对补偿电容的充电，而充电电流又取决于差分级的输出电流，由差分电路传输特性可知，当大信号输入时，将出现电流饱和，因而输出电压响应速度受电流

57、饱和限制，因而提出了大信号瞬态响应问题。二、考查一个典型运放结构-20db/DECfpGBW主导极点 : f p12 RLC设完全补偿 :AV fAVOAVOf pff p2ff1f pGBWAVO f pAVOgmRL 2 RL Cgm2RLC2 C给运放加一信号，Vi为阶路信号。54iCgmVidVOCMiCdtdVOgm VidtCM1、小信号状态：dVOgm VdtiCM即输出电压上升速率正比于Vi 的大小 .详细分析如下：dtCMdVgmViOtr0.9VO1dVO0.1VOgm2 Vi2 CM0.9VO0.1VO0.9VO0.1VO12dVOf p AVOVi12dVOf pVO1

58、ln 0.9VO ln 0.1VO 2f p0.35f p上升时间不变 , VidVOVOdt2、大信号状态：dVOI MdtCM即随 Vi, 出现电流饱和I M , 此时 dVO 达到最大值 .dt定义：输入大信号阶跃电压时，输出电压的上升速率为转移速率（压摆率）55SR。3、总结：a:只有 Vi 为大信号状态时，响应才受SR限制，否则受小信号频率特性限制。SR 是 VO 的最大值。T大电容负载时 SR由输出电流决定SRIO (max)CLSR 的限制与闭环组态无关，而响应速率的变化与闭环组态有关。SR 与 GBW成正比。三、功率带宽f p设一大信号正弦波，其最大斜率出现于通过OV处。dV2

59、fVpdt max欲使波形不发生失真，应使dVSRdtmax定义：峰值电压达到最大输出电压时，运放输出不失真，正弦波的最高频率为功率带宽f p ，显然，此时：SR2f pVmaxSRf p2Vmax5613-4A741 分析A741为第二代通用运放，其标志是采用有源负载一、原理分析：输入级： T1、 T2、T3、T4互补差分T5 、 T6、 T7、 R1 、 R2 、 R3 、 射随缓冲恒流源作有源负载，同时完成单端化。注意； T7 的作用：缓冲作用负反馈VCB5I C7IB5, IB6使 T5、T6不进入饱和 .V c6 =Vc5 =2VBE，向 T16 、T17 提供偏置，并作温度补偿。中

60、间放大级： T16、 T17 达林顿管T13 有源负载R12 泄放电阻输出级： T14 、 T19 互补输出T18 、 R7、R8 提供静态偏置T15 、 R9 正向限流保护R10 平衡正负向输出阻抗T20 、 R11 负向限流保护偏置网络： T12 、 R5 、 T11 主偏置回路57T10 、 T11 、 R4 小电流恒流源T12 、 T17 基本型恒流源T8 、 T9 与输入管改进型恒流源2、主要参数分析：输出电压幅度不考虑负载，取临界饱和 , Vcb 0VOMVCC VBE14 I E 14R9 14.3VVOMVEE VBE17 VBE 16 VBE 19 I E 17R 11 I