【教学课件】第六章双极型模拟集成电路-Read.ppt

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,1.平面工艺,2 电路元件制造工艺,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:50100K 20%发射区电阻:11000（电阻率低）窄基区电阻:电阻率高 101000K 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：,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Ree耦合构成。,一、差分放大电路的工作原理：,Rb1=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？,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，Uid1、Uid2 Uid1=-Uid2=Uid,（二）对差模信号的放大作用,双端输入双端输出差放,Ie1,Ie2,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=-Uc2,Ie1=-Ie2；故 URe=0（交流接地）,Uc1,Uc2,+,+,-,-,URe,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,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。,1 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610(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,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,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：,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+)IbQRW/2+2Ree-Ec=0,解得：,IbQ=4.37A,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=4mVUic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2=1mV,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),（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,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:,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,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：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。,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：,