第六章 双极型模拟集成电路第六章 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

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 － 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 ％）

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：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：

ieb

Lfe

id

c

idid

cc

hR

Rh

U

U

UU

UU

'

1

21

21Ud 2

2A

)(22 iebididid hRIUR

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 :

)2///('LcL RRR 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=2Ie2

URe=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。

021

ic

ococ

ic

ocUc U

UU

U

UA

efeieb

cfe

ic

oc

ic

ocUc RhhR

Rh

U

U

U

UA

2)1()( 21

＝单

e

cUc R

RA

2)(

单

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 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

2/2)1(2

)( 21 efeiebi

icicicic RhhRR

IIRR

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 |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

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：

Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2

Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2

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 =4.37A

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=4mV

Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2=1mV

3. 差模增益 Aud 和差模输出电压 Uod : （双端输出）

312/)1(

AUd

Wfeieb

Cfe

RhhR

Rh

mV248)U-U(AUAU id2id1UdidUdod

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：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：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：

ieb

LfeUd hR

RhA

'

2//' L

cL

RRR

Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2

Uic1=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 :

021

ic

ococUc U

UUA

+ -

Ui

2. 单端输出方式：

)(2

1

2

1

)(

'

21

2

双

单

Udieb

Lfe

idid

odUd

AhR

Rh

UU

UA

ee

L

eefeieb

LfeUc R

R

RhhR

RhA

22)1(

''

)(2 iebid hRR

)/1//( oeCod hRR )/( iebeefe hRRhCMRR

•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

LcL RRR //' 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。

22333 2 RIURIU Dbe

忽略 T3 基极电流，则)/()2( 2121 RRUEII De

213 , RRUU Dbe

))(2/( 333 恒定REII ec

)1(1

333

33

33 RhR

Rh

hFRRR

ieb

fe

oeoofo

•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：