双极型模拟集成电路
第六章习题解答
g m1 g m3 gm2
rds1
rds3
g m rds1 rds3 设g m1 g m2 g m3 g m
3 、 已 知 如 下 图 所 示 运 放 ， 其 中 MOS 管 器 件 参 数 ： Kn=25A/V2，Kp=10A/V2， n=p==0.04V-1， 则：
（１）、根据图中所示电路结构判断宜选Ｎ阱还是Ｐ阱工艺实现集成？简述理由。 （２）、若VDD=5V，VSS=-5V，求运放的静态功耗Pdiss和小信号电压增益AV（忽略 输出级产生的负载）。
gds5 p Ids5 0.04 40 1.6S
g ds8 n I ds8 0.04 40 1.6S
将以上各值代入增益表达式中，可求出该电路小 信号增益：
Av
109.5 74.8 2.4 2 1.6 2
533.2
解：
（1） 应采用P阱CMOS工艺。理由： 由电路拓扑可知，该电路为无缓冲二级放大器，差分放大器作输入级，为消除
输入NMOS管的衬底偏置效应导致的阈值电压漂移，应使其VBS=0。如将NMOS管 做在p型衬底上，则衬底必须接最低电位Vss，而NMOS差分对的共同源端电位至少 比Vss高一个饱和压降Vdsat7，必有VBS<0，显然有衬偏效应。因此应考虑将NMOS 差分对做在P阱中，利用阱的电位浮动技术，将其B、S短接，确保VBS=0。
Av
gm2 gds2 gds4
gm5 gds8 gds5
gm2
2 W L
2
kn
I ds2
ห้องสมุดไป่ตู้
2 4 25 60 109.5S
gm5
2
W L
5
k
p
I ds5
2 7 10 40 74.8S
第六章 模拟集成电路84751
1= 2 = ,
r r r be1= be2 = be,
IbQ1= IbQ2,
IcQ1= IcQ2,
Ube1= Ube2,
Uc1= Uc2,
信号输入方式
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
差放输出方式
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
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
Ie1
Ie2
图6－10（a）共模电路
1 共模电压增益Auc
双端输出时，由于电路对称，
AUc Uoc Uic
(Uoc1
Uoc2 ) Uic
0
单端输出时，
图6－10 (b)共模输入等效电路
Uo
2 差模输入电阻 rid
不论单端输入还是双端输入，
rid均为基本放大电路的两倍
r id U idIid 2 (R b h i) e
3 差模输出电阻rod
双端输出时， rod =2Rc//(2 /hoe) 当1/ hoe >>Rc时，rod 2Rc
图6-8（b）差模输入等效电路
（三）对共模信号的抑制作用
Ic1 Ie1 Ie1s Se1 1 Ic2 Ie2 Ies2 Se2 2 IoIc22Ic12Ir
图6－20(b) 比例恒流源
（三）微电流源（Wildar电流源）
U b1eU b2 eIe2R2
U b1eU Tln Ie1(/Ie1 s)
集成电路中的双极性和CMOS工艺
集成电路是将多个器件及其之间的连线制作在同一个 基片上，使器件结构和分立元件有所不同，即产生寄生的 有源器件和无源器件。寄生效应对电路的性能有一定的影 响，下图是做在一个基片上的两个双极性晶体管，它们之 间会相互影响，因此各个元件之间的隔离是集成电路中必 须考虑的问题。
（3）集成电路中进行隔离的方法
N阱光刻：
涂胶 光源
腌膜对准
曝光
显影
刻蚀（等离子体刻蚀）
去胶
N阱掺杂：
P+
N-well
P掺杂（离子注入）
去除氧化膜
3、光刻2---有源区光刻
N-well
SiO2隔离岛
N-well
N+ P-Si
N+
P+
N-well
P+
淀积二氧化硅与氮化硅 光刻有源区 场区氧化 去除有源区的氮化硅与二氧化硅
E P+ n+
B
C
S
C
B
E
n+
p
n+
n
n+ P+ n+
n
p
n+
P+
P-Si
二、双极性工艺流程
典型的pn结隔离工艺是实现集成电路制造的最 原始工艺，迄今为止产生的双极型集成电路制造 工艺都是在此基础上为达到特定的目的增加适当 的工序来完成的。这里以pn结隔离的npn晶体管的 形成过程为例，介绍双极型集成电路的制造工艺。
在光刻接触孔后，若 采用金属铝作为电极引 线，则需要进行铝的淀 积。
9:第六次光刻----反刻铝
此次反刻的目的是 在不需要铝线的地方 将上步工艺中淀积的 铝刻蚀掉。
双极型集成电路器件具有速度高、驱动 能力强、模拟精度高的特点，但是随着集 成电路发展到系统级的集成，其规模越来 越大，却要求电路的功耗减少，而双极型 器件在功耗和集成度方面无法满足这些方 面的要求。CMOS电路具有功耗低、集成度 高和抗干扰能力强的特点，下面就对CMOS 进行简要讲解。
集成电路的分类有几种
集成电路的分类有几种集成电路的分类有几种 （一）按功能结构分类 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。
模拟集成电路又称线性电路，用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间边疆变化的信号。
例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。
而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。
例如VCD、DVD重放的音频信号和视频信号）。
（二）按制作工艺分类 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和薄膜集成电路。
薄膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。
（三）按集成度高低分类 集成电路按集成度高低的不同可分为小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路、特大规模集成电路和巨大规模集成电路。
（四）按导电类型不同分类 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。
双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，比如TTL类型。
单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，有CMOS、NMOS、PMOS等类型。
（五）按用途分类 集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。
（六）按应用领域分 集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。
（七）按外形分 集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好，体积小）和双列直插型。
数字集成电路的分类
数字集成电路的分类数字集成电路有多种分类方法，以下是几种常用的分类方法。
1.按结构工艺分按结构工艺分类，数字集成电路可以分为厚膜集成电路、薄膜集成电路、混合集成电路、半导体集成电路四大类。
图如下所示。
世界上生产最多、使用最多的为半导体集成电路。
半导体数字集成电路（以下简称数字集成电路）主要分为TTL、CMOS、ECL三大类。
ECL、TTL为双极型集成电路，构成的基本元器件为双极型半导体器件，其主要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。
双极型集成电路主要有TTL(Transistor-Transistor Logic)电路、ECL(Emitter Coupled Logic)电路和I２L(Integrated Injection Logic)电路等类型。
其中TTL电路的性能价格比最佳，故应用最广泛。
ECL，即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。
它是利用运放原理通过晶体管射极耦合实现的门电路。
在所有数字电路中，它工作速度最高，其平均延迟时间tpd可小至1ns。
这种门电路输出阻抗低，负载能力强。
它的主要缺点是抗干扰能力差，电路功耗大。
MOS电路为单极型集成电路，又称为MOS集成电路，它采用金属－氧化物半导体场效应管(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor,缩写为MOSFET)制造，其主要特点是结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。
MOS集成电路又分为PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor，P沟道金属氧化物半导体)、NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)和CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor，复合互补金属氧化物半导体)等类型。
MOS电路中应用最广泛的为CMOS电路，CMOS数字电路中，应用最广泛的为4000、4500系列，它不但适用于通用逻辑电路的设计，而且综合性能也很好，它与TTL电路一起成为数字集成电路中两大主流产品。
模拟集成电路按照用途分类
模拟集成电路按照用途分类
集成电路还可以按照以下几种方法进行分类：
（1）按结构和功能分类： 分为数据转换器、线性和非线性放大器、电子开关和多路转 换器、稳压电源调节器及驱动器、传感器等。其中数据转换 电路既包括数字/模拟混合信号处理功能的电路，也包括纯 模拟信号产生、放大和处理的电路，因此可将这些电路归入 模拟电路。 （2）按集成度分类： 如前所述，根据每个芯片所包含的元器件数，分为小规模、 中规模、大规模、超大规模和极大规模集成电路。 （3）按导电类型分类： 分为双极型和单极型集成电路，以双极型晶体管为基础的单 片集成电路即为双极型集成电路，以MOS管为主组成的集成 电路即为单极型集成电路。
（2）仪用放大电路 是一类专门提供给仪器仪表使用的模拟集成电路，其实质也 是运算放大器，但结构比较特殊，一般由几个运算放大器组 合而成。
模拟集成电路按照用途分类
（3）稳压集成电路 用以声解码电路、音频前置放大电路、音频功率放大集 成电路、环绕声处理、电平驱动、电子音量控制、延时混响 集成电路等，常用于收音机、录音机、扩音机等。
模拟电子技术
模拟电子技术
模拟集成电路按照用途分类
按照用途的不同，常见的模拟集成电路可分为以下几类：
（1）集成运算放大电路（简称运放） 是多级差分放大电路集成而成的高增益直接耦合放大电路， 其内部通常包含输入级、中间放大级和输出级三部分。运算 放大电路用于模拟信号的运算和处理，也用来产生各种模拟 信号，由于其用途广泛，又分为：通用型运算放大电路、低 功耗运算放大电路、低噪声运算放大电路、高速运算放大电 路、高压运算放大电路等多种。
双极型电路
双极型电路
在半导体内，多数载流子和少数载流子两种极性的载流子（空穴和电子）都参与有源元件的导电，如通常的NPN或PNP双极型晶体管。
以这类晶体管为基础的单片集成电路，称为双极型集成电路。
以通常的NPN或PNP型双极型晶体管为基础的单片集成电路。
它是1958年世界上最早制成的集成电路。
双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。
按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两类。
在数字集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形式，典型的双极型数字集成电路主要有晶体管-晶体管逻辑电路(TTL)，发射极耦合逻辑电路(ECL)，集成注入逻辑电路(I2L)。
TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。
ECL电路速度快，但功耗大。
I2L电路速度较慢，但集成密度高。
同金属-氧化物-半导体集成电路相比，双极型集成电路速度快，广泛地应用于模拟集成电路和数字集成电路。
双极型集成电路是最早制成集成化的电路，出现于1958年。
双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离
技术，以双极型晶体管为基础元件。
它包括数字集成电路和线性集成电路两类。
集成电路型号含义
集成电路型号含义1．国产集成电路第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分国产IC类型系列与序号工作温度范围封装符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义C 中国制造T TTL材料数字与国际同类品种一致C0~70W陶瓷扁平H HTL材料E-40~85B塑料扁平E ECL材料R-55~85F全密封扁平C CMOS材料M-55~125D陶瓷双列直插F放大器P塑料双列直插D音晌、电视器件H玻璃扁平W稳压器件J黑陶瓷双列直插J接口器件K金属菱形B非线性器件T金属圆形M存储器U 微处理器国产IC各厂家会采用不同的前缀作为本厂标志（详情请看IC前缀与厂家介绍），同类产品序号也不一样，有的IC型号、序号与引进的一样。
2．日本松下公司半导体集成电路型号的命名1). 双极型线性集成电路：第1部分第2部分第3 部分第4 部分2个字母2个数字2个数字1个字母例AN 12 34 Sa.第1部分：双极型集成电路有两个标志（包括AN及DN）是按照电路类型而划分的，双极型集成电路、线性集成电路（模拟电路）：AN 、数字集成电路：DN、MOS电路：MN、EP两个字母表示微型计算机或小批量生产b.第2部分：这部分数字与应用领域有关（有一些例外），对于专用集成电路，在数字后面加上1～2个字母作为特性的区分（常规的集成电路不用这些字母。
对于稳压电源，根据其输出电流值使用L、M及N中的一个字母或根本不用字母，例：AN78L04。
对于三极管阵列，根据其电流值或耐压值使用字母A、B、C等中的一个字母，例ANB00。
第2部分的数字与其应用领域有关,例：第2部分数字应用领域10～19 运算放大器、比较电路20～25 摄像机26～29 电视唱片30～39 录像机40～49 运算放大器50～59 电视机60～64 录像机及音响65 运算放大器及它66～68 工业用及家用电器69 比较器及其它70～76 音响方面的用途78～80 稳压器81～83 工业用及家用电器90 三极管阵列c.第3部分：用二位数字，其范围一般为00～99，例如AN4321d.第4部分：一般不用这部分，但在集成电路功能几乎相同而封装不同时或者是改进型，这种情况下大致用大致字母S、P、N。
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第一节
集成化元、器件及其特点
集成差分放大电路
第二节
第三节
电流模电路
功率输出级电路 集成运算放大器
第四节
第五节
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
选择隔离槽
P型硅片
氧化
光刻
隐埋层扩散
外延和氧化
隔离扩散
2 电路元件制造工艺
当（1+hfe）2Re>>（Rb+hie）时， •可见：Ree越大共模增益越小。
Rc AUc (单) 2 Re
2 共模输入电阻
Ri Ric Ric ( I ic1 I ic2 ) Rb hie (1 h fe )2 Re / 2 2
3 共模抑制比CMRR
定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值
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。
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。 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。
偏置电阻？ •静态参数一致： •为什么电路中没有
IbQ1= IbQ2, •隔直电容？ IcQ1= IcQ2, Ube1= Ube2, Uc1= Uc2,
•双端输出时：静态输出为 0
•信号输入方式
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。 •差放输出方式 双端输出（平衡输出）： 输出取自两个集电极之间。
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%
＝±20% 发射区电阻: 1－1000 （电阻率低） 窄基区电阻: 电阻率高 10－1000K
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％）
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
基区扩散
发射路的封装
(a)双列直插式
(b)圆壳式
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 扩散P型基区
隔离岛
隐埋层
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）:
单端输出（不平衡输出）：
输出取自一个集电极与地间。
双端输入双端输出差放
（二）对差模信号的放大作用
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 •当输入差模信号时：（动态） 由于电路的对称性有：
Ie1= -Ie2
5. 电容
MOS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。
二 集成化元器件特点
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。
•其等效电路如图所示。
•由差模输入等效电路可求得:
1 共模电压增益Auc
双端输出时，由于电路对称，
与单边电路的 增益相同
U oc U oc1 U oc 2 AUc 0 U ic U ic
•单端输出时: 图6－10 (b)共模输入等效电路
h fe Rc U oc1 U oc 2 AUc (单)＝ U ic U ic Rb hie (1 h fe )2Re
第二节 集成差分放大电路
一、差分放大电路的工作原理： （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。
•对称指两个三极管特性一致、电路参数相等： Rb1= Rb2 = Rb, 问题？ Rc1= Rc2 = Rc, 1= 2 = , •为什么单边电路没有 hie1= hie2 = hie,
（三）对共模信号的抑制作用
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 •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。
；
+ +
Uc1
Uc2
故 URe=0（交流接地） • 又因为：Uc1= -Uc2 故RL的中点呈地电位，即等 效为每管外接负载为RL/2。
URe
Ie1 Ie2
双端输入双端输出差放
•据此，可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路（如图）
•由差模输入等效电路可求得:
1. 差模电压增益Aud： 双端输入双端输出时： 与单边电路的 增益相同
即 或 CMMR=|AUd/AUc| CMMR（dB）=20lg |AUd/AUc|
•双端输出时， CMMR可以认为等于无穷大 •单端输出时 CMMR（单）= |AUd(单)/AUc(• 单 )|
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
A Ud
U c1 U c 2 2U c1 U id1 U id 2 2Uid
' hfeRL Rb hie
' 其中 RL Rc //( RL / 2)
2. 差模输入电阻 Rid：
Rid 2Uid I id 2( Rb hie )
3. 差模输出电阻Rod： 双端输出时，Rod =2Rc//(2 /hoe) 2Rc； (当1/ hoe >>Rc时)