双极型模拟集成电路课件

第六章双极型模拟集成电路集成化元、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一节第五节第四节第三节第六章双极型模拟集成电路集成化元、器件及其特点第二节第一1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

氧化光刻隐埋层扩散外延和氧化隔离扩散选择隔离槽P型硅片1.平面工艺第一节集成化元器件及其特点一集成电路工艺简介22电路元件制造工艺基区扩散发射区扩散蒸铝NPN选择基区选择发射区选择电极引线窗口选择要去除的铝层2电路元件制造工艺基区扩散发射区扩3集成电路的封装(b)圆壳式(a)双列直插式集成电路的封装(b)圆壳式(a)双列直插式4二、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＋型发射区和集电区隔离岛隐埋层扩散P型基区二、集成化元器件1.NPN晶体管隔离岛隐埋层扩散P型基区52.PNP晶体管

从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动1)纵向PNP管优点：制造方便基区较NPN宽特征频率高输出电流大缺点由于隔离的需要，C极必须接电路电源最低电位常作射极跟随器。

2.PNP晶体管从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿6(2)横向PNP管发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。优点：

因为由轻掺杂的P型扩散区和N型外延区构成，e结和c结反向击穿电压高缺点：

由于加工原因，基区宽度比普通NPN大1－2个数量级，很小，特征频率低。(2)横向PNP管发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运73.二极管晶体管制作时，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84.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％）4.电阻：（一般有两种）（1）金属膜电阻:温度特性好95.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。MOS电容：5.电容利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电10二集成化元器件特点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。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。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11第二节集成差分放大电路（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。一、差分放大电路的工作原理：第二节集成差分放大电路（一）差分放大电路的组成：一、差分放12Rb1=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：IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,

Ube1=Ube2,

Uc1=Uc2,静态参数一致：双端输出时：静态输出为0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？Rb1=Rb2=Rb,对称指两个三极管特性一致、电13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。信号输入方式差放输出方式双端输入双端输出差放双端输入：输入信号接在两个输入端间。双端输出（平衡输出）：信14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、Uid2Uid1=-Uid2=Uid

（二）对差模信号的放大作用双端输入双端输出差放Ie1Ie2当输入差模信号时：（动态）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）故RL的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为RL/2。又因为：Uc1=-Uc2Ie1=-Ie2；故URe=0（交流接地）Uc1Uc2++--URe差模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性15双端输入双端输出时：双端输出时，Rod=2Rc//(2/hoe)2Rc；

(当1/hoe>>Rc时)1.差模电压增益Aud：

2.差模输入电阻Rid：3.差模输出电阻Rod：由差模输入等效电路可求得:其中与单边电路的增益相同双端输入双端输出时：双端输出时，Rod=2Rc//(2/16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

（三）对共模信号的抑制作用在共模信号下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效为每个管子发射极接入一个2Re的电阻。其等效电路如图所示。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171共模电压增益Auc双端输出时，由于电路对称，单端输出时:当（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）时，图6－10(b)共模输入等效电路由差模输入等效电路可求得:可见：Ree越大共模增益越小。与单边电路的增益相同1共模电压增益Auc单端输出时:当（1+hfe）2Re>>18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|

2共模输入电阻3共模抑制比CMRR单端输出时

CMMR（单）=|AUd(单)/AUc(单)|双端输出时，CMMR可以认为等于无穷大定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值2共模输入电阻19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。结论：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：20输入Ui1,

Ui2可写为：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)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（四）对任意输入信号的分析典型差放电路分解任意输入信号的一般公式为：Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2输入Ui1,Ui2可写为：若输入为一对任意数值和极性的信21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。典型差放电路解：1.静态计算：(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、共模输入电压Uid1、Uid1、UicUid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=4mVUic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=1mV例题6-1：图6-11电路参数及Ui1、Ui2为已知；求223.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)3.差模增益Aud和差模输出电压Uod:（双端输出）4.共23（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：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）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（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：主要24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。1.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:+-Ui相当于Ui1=Ui,Ui2=0,则可分解252.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26恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻。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。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)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。采用恒流源电路代替Ree可有效解决上述问题。恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻。二、恒流源差分放27忽略T3基极电流，则故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻－有源负载等效输出电阻：恒流源差放电流串联负反馈恒流源电路分析如下：忽略T3基极电流，则故可利用恒流源输出等效高阻代替实体电阻－28第六章双极型模拟集成电路集成化元、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一节第五节第四节第三节第六章双极型模拟集成电路集成化元、器件及其特点第二节第一29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

氧化光刻隐埋层扩散外延和氧化隔离扩散选择隔离槽P型硅片1.平面工艺第一节集成化元器件及其特点一集成电路工艺简介302电路元件制造工艺基区扩散发射区扩散蒸铝NPN选择基区选择发射区选择电极引线窗口选择要去除的铝层2电路元件制造工艺基区扩散发射区扩31集成电路的封装(b)圆壳式(a)双列直插式集成电路的封装(b)圆壳式(a)双列直插式32二、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＋型发射区和集电区隔离岛隐埋层扩散P型基区二、集成化元器件1.NPN晶体管隔离岛隐埋层扩散P型基区332.PNP晶体管

从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动1)纵向PNP管优点：制造方便基区较NPN宽特征频率高输出电流大缺点由于隔离的需要，C极必须接电路电源最低电位常作射极跟随器。

2.PNP晶体管从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿34(2)横向PNP管发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。优点：

因为由轻掺杂的P型扩散区和N型外延区构成，e结和c结反向击穿电压高缺点：

由于加工原因，基区宽度比普通NPN大1－2个数量级，很小，特征频率低。(2)横向PNP管发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运353.二极管晶体管制作时，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364.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％）4.电阻：（一般有两种）（1）金属膜电阻:温度特性好375.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。MOS电容：5.电容利用SiO2保护层作绝缘介质，用金属板和半导体作电38二集成化元器件特点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。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。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39第二节集成差分放大电路（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。一、差分放大电路的工作原理：第二节集成差分放大电路（一）差分放大电路的组成：一、差分放40Rb1=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：IbQ1=IbQ2,IcQ1=IcQ2,

Ube1=Ube2,

Uc1=Uc2,静态参数一致：双端输出时：静态输出为0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？Rb1=Rb2=Rb,对称指两个三极管特性一致、电41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。信号输入方式差放输出方式双端输入双端输出差放双端输入：输入信号接在两个输入端间。双端输出（平衡输出）：信42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、Uid2Uid1=-Uid2=Uid

（二）对差模信号的放大作用双端输入双端输出差放Ie1Ie2当输入差模信号时：（动态）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）故RL的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为RL/2。又因为：Uc1=-Uc2Ie1=-Ie2；故URe=0（交流接地）Uc1Uc2++--URe差模信号：是指在差放两个输入端接入两个幅度相等、极性43双端输入双端输出时：双端输出时，Rod=2Rc//(2/hoe)2Rc；

(当1/hoe>>Rc时)1.差模电压增益Aud：

2.差模输入电阻Rid：3.差模输出电阻Rod：由差模输入等效电路可求得:其中与单边电路的增益相同双端输入双端输出时：双端输出时，Rod=2Rc//(2/44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

（三）对共模信号的抑制作用在共模信号下:Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2URe=2Ie1Re=2Ie2Re交流通路中等效为每个管子发射极接入一个2Re的电阻。其等效电路如图所示。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451共模电压增益Auc双端输出时，由于电路对称，单端输出时:当（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）时，图6－10(b)共模输入等效电路由差模输入等效电路可求得:可见：Ree越大共模增益越小。与单边电路的增益相同1共模电压增益Auc单端输出时:当（1+hfe）2Re>>46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|

2共模输入电阻3共模抑制比CMRR单端输出时

CMMR（单）=|AUd(单)/AUc(单)|双端输出时，CMMR可以认为等于无穷大定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值2共模输入电阻47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。结论：差放对共模信号的抑制作用有重要的意义：48输入Ui1,

Ui2可写为：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)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（四）对任意输入信号的分析典型差放电路分解任意输入信号的一般公式为：Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2输入Ui1,Ui2可写为：若输入为一对任意数值和极性的信49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。典型差放电路解：1.静态计算：(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、共模输入电压Uid1、Uid1、UicUid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=4mVUic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=1mV例题6-1：图6-11电路参数及Ui1、Ui2为