【教学课件】第六章双极型模拟集成电路-Read

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,2,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,集成电路的封装,(b)圆壳式,(a),双列直插式,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,2.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)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,12,个数量级，,很小，特征频率低。,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,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:50,100,K,20%,发射区电阻:11000,（电阻率低）,窄基区电阻:电阻率高 101000,K,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）,5.电容,利用,S,i,O,2,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：,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,。,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R,ee,耦合构成。,一、差分放大电路的工作原理：,R,b1,=R,b2,=R,b,R,c,1,=R,c2,=R,c,1,=,2,=,h,ie1,=h,ie2,=h,ie,对称指两个三极管特性一致、电路参数相等：,I,bQ1,=I,bQ2,I,cQ1,=I,cQ2,U,be1,=U,be2,U,c,1,=U,c,2,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？,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,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，,U,id1、,U,id2,U,id1,=-U,id2,=,U,id,（二）对差模信号的放大作用,双端输入双端输出差放,I,e1,I,e2,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R,L,的中点呈地电位，即等效为每管外接负载为R,L,/2。,又因为：,U,c1,=-U,c2,I,e1,=-I,e2,；,故 U,Re,=0（交流接地）,U,c1,U,c2,+,+,-,-,U,Re,双端输入双端输出时：,双端输出时，R,od,=2R,c,/(2/h,oe,),2,R,c,；,(当1/h,oe,R,c,时),1.差模电压增益A,ud,：,2.差模输入电阻 R,id,：,3.差模输出电阻R,od,：,由差模输入等效电路可求得,:,其中,与单边电路的,增益相同,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：,U,ic1,.,U,ic2,；,U,ic1,=U,ic2,=U,ic,（三）对共模信号的抑制作用,在共模信号下:,I,e,=I,e1,+I,e2,=2I,e1,=2I,e2,U,Re,=2I,e1,R,e,=2I,e2,R,e,交流通路中等效为每个管子发射极接入一 个,2,R,e,的电阻。,其等效电路如图所示。,1 共模电压增益A,uc,双端输出时，由于电路对称，,单端输出时:,当（1+h,fe,）2R,e,（R,b,+h,ie,）时，,图610(b)共模输入等效电路,由差模输入等效电路可求得:,可见：,R,ee,越大共模增益越小。,与单边电路的,增益相同,定义：,差放的差模增益,与共模增益之比值的绝对值,即,CMMR=|A,Ud,/A,Uc,|,或,CMMR（dB）=20lg|A,Ud,/A,Uc,|,2 共模输入电阻,3 共模抑制比CMRR,单端输出时,CMMR（,单）=|,A,Ud,(,单)/,A,Uc,(,单,)|,双端输出时,，,CMMR,可以认为等于无穷大,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。,输入U,i1,U,i2,可写为：,U,i1,=(U,ic1,+U,id1,),U,i2,=(U,ic2,+U,id2,),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：,U,ic1,=U,ic2,=(U,i1,+U,i2,)/2,U,id1,=-U,id2,=(U,i1,-U,i2,)/2,例题6-1：,图6-11电路参数及,U,i1,、,U,i2,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：(U,i,=0),R,b,I,bQ,+U,be,+(1+,)I,bQ,R,W,/2+2R,ee,-E,c,=0,解得：,I,bQ,=4.37,A,I,cQ,=,I,bQ,=0.26,m,A,h,ie,=r,bb,+,(1+h,fe,)26/,I,cQ,=6.2,k,2.差、共模输入电压U,id1,、U,id1,、U,ic,U,id1,=-U,id2,=(U,i1,-U,i2,)/2=4mV,U,ic1,=U,ic2,=(U,i1,+U,i2,)/2=1mV,3.差模增益A,ud,和差模输出电压U,od,:（双端输出）,4.共模输出电压U,oc,:,共模增益为：,A,Uc,=0(,双出),共模输出电压为：,U,oc,=0(,双出),（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,A,ud,差模输入电阻,R,id,差模输出电阻,R,ic,共模抑制比,CMRR,相当于,U,i1,=U,i,U,i2,=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：,U,id1,=-U,id2,=(U,i1,-U,i2,)/2=U,i,/2,U,ic1,=U,ic2,=(U,i1,-U,i2,)/2=U,i,/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:,+,-,U,i,2,.,单端输出方式,：,负载,R,L,接在,T,1,或,T,2,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,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：,R,ee,的接入可有效地抑制共模信号，对差模没有影响。,R,ee,越大、CMRR越大，效果越好。,但增加,R,ee,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R,ee,就要提高电源,E,e,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R,ee,；同时还可以提供稳定偏流I,c3,。,采用恒流源电路代替R,ee,可有效解决上述问题。,忽略T,3,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：,