第5章、集成电路基本单元(1)
大学电子电路基础 第五章
例1：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍 数的表达式。
解： 根据虚断 I-= I+ 0
根据虚短 V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 If = (V-－ Vo )/Rf -Vo/Rf ∵Ii If ∴ Vi/R1=-Vo/Rf
反相比例运算电路
II+
电压增益 Avf= Vo /Vi =－Rf /R1
rbe
差模输入电阻
不论是单端输入还是双端输入，差模输入电阻 Rid是基本放大电路的两倍。
Rid 2Rs rbe
输出电阻
单端输出时， 双端输出时，
Ro Rc Ro 2Rc
5.3 集成运算放大器内部电路结构
5.3.1集成运算放大器的基本单元电路
1.电 流 源 电路
特点：输出电流恒定，它具有很高的输出电阻。 （1）、BJT、FET工作在放大状态时，其输出电流都是具有恒 流特性的受控电流源；由它们都可构成电流源电路。 （2）、在模拟集成电路中，常用的电流源电路有： 镜像电流源、精密电流源、微电流源、多路电流源等 （3）、电流源电路一般都加有电流负反馈， （4）、电流源电路一般都利用PN结的温度特性，对电流源电 路进行温度补偿，以减小温度对电流的影响。
Aoc1越小，抑制共模信号的能力越强。
共模抑制比
共模抑制比KCMR是差分放大器的一个重要指标。
K CMR
K CMR
Aod Aoc
Aod dB 20 lg Aoc
(1) 双端输出时KCMR为无穷大
K
CMR
A A
od
oc
（2）单端输出时共模抑制比 re
K
CMR
集成电路设计与制造技术作业指导书
集成电路设计与制造技术作业指导书第1章集成电路设计基础 (3)1.1 集成电路概述 (3)1.1.1 集成电路的定义与分类 (3)1.1.2 集成电路的发展历程 (3)1.2 集成电路设计流程 (4)1.2.1 设计需求分析 (4)1.2.2 设计方案制定 (4)1.2.3 电路设计与仿真 (4)1.2.4 布局与布线 (4)1.2.5 版图绘制与验证 (4)1.2.6 生产与测试 (4)1.3 设计规范与工艺限制 (4)1.3.1 设计规范 (4)1.3.2 工艺限制 (4)第2章基本晶体管与MOSFET理论 (5)2.1 双极型晶体管 (5)2.1.1 结构与工作原理 (5)2.1.2 基本特性 (5)2.1.3 基本应用 (5)2.2 MOSFET晶体管 (5)2.2.1 结构与工作原理 (5)2.2.2 基本特性 (5)2.2.3 基本应用 (5)2.3 晶体管的小信号模型 (5)2.3.1 BJT小信号模型 (6)2.3.2 MOSFET小信号模型 (6)2.3.3 小信号模型的应用 (6)第3章数字集成电路设计 (6)3.1 逻辑门设计 (6)3.1.1 基本逻辑门 (6)3.1.2 复合逻辑门 (6)3.1.3 传输门 (6)3.2 组合逻辑电路设计 (6)3.2.1 组合逻辑电路概述 (6)3.2.2 编码器与译码器 (6)3.2.3 多路选择器与多路分配器 (6)3.2.4 算术逻辑单元（ALU） (7)3.3 时序逻辑电路设计 (7)3.3.1 时序逻辑电路概述 (7)3.3.2 触发器 (7)3.3.3 计数器 (7)3.3.5 数字时钟管理电路 (7)第4章集成电路模拟设计 (7)4.1 放大器设计 (7)4.1.1 放大器原理 (7)4.1.2 放大器电路拓扑 (7)4.1.3 放大器设计方法 (8)4.1.4 放大器设计实例 (8)4.2 滤波器设计 (8)4.2.1 滤波器原理 (8)4.2.2 滤波器电路拓扑 (8)4.2.3 滤波器设计方法 (8)4.2.4 滤波器设计实例 (8)4.3 模拟集成电路设计实例 (8)4.3.1 集成运算放大器设计 (8)4.3.2 集成电压比较器设计 (8)4.3.3 集成模拟开关设计 (8)4.3.4 集成模拟信号处理电路设计 (8)第5章集成电路制造工艺 (9)5.1 制造工艺概述 (9)5.2 光刻工艺 (9)5.3 蚀刻工艺与清洗技术 (9)第6章硅衬底制备技术 (10)6.1 硅材料的制备 (10)6.1.1 硅的提取与净化 (10)6.1.2 高纯硅的制备 (10)6.2 外延生长技术 (10)6.2.1 外延生长原理 (10)6.2.2 外延生长设备与工艺 (10)6.2.3 外延生长硅衬底的应用 (10)6.3 硅片加工技术 (10)6.3.1 硅片切割技术 (10)6.3.2 硅片研磨与抛光技术 (10)6.3.3 硅片清洗与检验 (10)6.3.4 硅片加工技术的发展趋势 (11)第7章集成电路中的互连技术 (11)7.1 金属互连 (11)7.1.1 金属互连的基本原理 (11)7.1.2 金属互连的制备工艺 (11)7.1.3 金属互连的功能评价 (11)7.2 多层互连技术 (11)7.2.1 多层互连的原理与结构 (11)7.2.2 多层互连的制备工艺 (11)7.2.3 多层互连技术的挑战与发展 (11)7.3.1 铜互连技术 (12)7.3.2 低电阻率金属互连技术 (12)7.3.3 低电阻互连技术的发展趋势 (12)第8章集成电路封装与测试 (12)8.1 封装技术概述 (12)8.1.1 封装技术发展 (12)8.1.2 封装技术分类 (12)8.2 常见封装类型 (12)8.2.1 DIP封装 (12)8.2.2 QFP封装 (13)8.2.3 BGA封装 (13)8.3 集成电路测试方法 (13)8.3.1 功能测试 (13)8.3.2 参数测试 (13)8.3.3 可靠性测试 (13)8.3.4 系统级测试 (13)第9章集成电路可靠性分析 (13)9.1 失效机制 (13)9.2 热可靠性分析 (14)9.3 电可靠性分析 (14)第10章集成电路发展趋势与展望 (14)10.1 先进工艺技术 (14)10.2 封装技术的创新与发展 (14)10.3 集成电路设计方法学的进展 (15)10.4 未来集成电路的发展趋势与挑战 (15)第1章集成电路设计基础1.1 集成电路概述1.1.1 集成电路的定义与分类集成电路（Integrated Circuit，IC）是指在一个半导体衬底上，采用一定的工艺技术，将一个或多个电子电路的组成部分集成在一起，以实现电子器件和电路的功能。
集成电路
1．2 集成运放的基本构成和表示符号1．2．1集成运放的基本构成集成运放是以双端为输入，单端对地为输出的直接耦合型高增益放大器，是一种模拟集成电子器件。
集成运放内部电路包括四个基本组成环节，分别是：输入级、中间级、输出级和各级的偏置电路。
对于高性能、高精度等特殊集成运放，还要增加有关部分的单元电路。
例如：温度控制电路、温度补偿电路、内部补偿电路、过流或过热保护电路、限流电路、稳压电路等。
图1—2—l所示为集成运放内部电路方框图。
由于三极管容易制造，且它在硅片上占的面积小，所以集成运放内部电路大量采用三极管代替其他元件，如用三极管代替二极管，用有源负载代替电阻负载等。
由于三极管是在相同的工艺条件下同时制造的，同一硅片上的对管特性比较相近，易获得良好的对称特性，且在同一温度场，易获得良好的温度补偿，具有很好的温度稳定性。
在集成电路中，各元件易于集成的顺序是：三极管、二极管、小的电阻、小的电容等，对于大的电阻或大的电容、电感等难以集成，可采用外接的方法。
在集成电路中，不能直接集成电感元件，如在集成电路内部需要电感时，可用其他元件(如：三极管、电阻、电容等)模拟出电感元件1，输入级为了提高集成运放的输入电阻、减小失调电压和偏置电流、提高差模和共模输入电压范围等性能，集成运放的输入级的差动输入放大电路，常采用超揖管、达林顿复合管、串联互补复合管、场效应管等。
为了获得较高的增益，减少内部电路的补偿要求，在差动输入放大级中，还采用有源负载或恒流源负载。
输入级的保护电路也是不可缺少的。
2，中间级集成运放的中间级常采用电平位移电路，将电平移动到地电平，其电路多采用恒流源、横向PNP管、稳压管、正向二极管链、电阻降压电路等。
从双端变单端的变换，常采用并联电压负反馈、有源负载、电流负反馈、PNP管等方法。
为了提高共模抑制能力、提高差模增益和提供稳定的内部工作电流，实际电路中广泛采用各种恒流源电路，如稳压管恒流源、镜像恒流源、多集电极恒流源、场效应管恒流源等。
讲义第5章集成运算放大电路
第5章集成运算放大电路（上一章介绍的用三极管、场效应管等组成的放大电路称为分立元件电子电路。
）集成电路：如果在一块微小的半导体基片上，将用晶体管（或场效应管）组成的实现特定功能的电子电路制造出来，这样的电子电路称为集成电路。
（集成电路是一个不可分割的整体，具有其自身的参数及技术指标。
模拟集成电路种类较多，本章主要介绍集成运算放大电路。
）本章要求：（1）了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。
（2）理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。
（3）理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理。
（4）理解电压比较器的工作原理和应用。
5.1集成运算放大器简介5.1.1集成运算放大器芯片集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。
是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。
集成运算放大器简称运放，是一种多端集成电路。
集成运放是一种价格低廉、用途广泛的电子器件。
早期，运放主要用来完成模拟信号的求和、微分和积分等运算，故称为运算放大器。
现在，运放的应用已远远超过运算的范围。
它在通信、控制和测量等设备中得到广泛应用。
1、集成电路的概念（1）集成电路：禾U用半导体的制造工艺，把晶体管、电阻、电容及电路连线等做在一个半导体基片上，形成不可分割的固体块。
集成电路优点：工作稳定、使用方便、体积小、重量轻、功耗小。
（2）集成电路分类：模拟、数字集成电路；单极型、双极型集成电路，小、中、大、超大规模集成电路。
①模拟集成电路：以电压或电流为变量，对模拟量进行放大、转换、调制的集成电路。
（可分为线性集成电路和非线性集成电路。
）②线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成线性关系的电路，如集成运算放大器。
③非线性集成电路：输入信号和输出信号的变化成非线性关系的电路，如集成稳压器。
（3）线性集成电路的特点①电路一般采用直接耦合的电路结构，而不采用阻容耦合结构。
②输入级采用差动放大电路，目的是克服直接耦合电路的零漂。
电子元器件基础知识大全
电子元器件基础知识大全篇一：电子元器件基础知识第一讲电子元器件基础知识课程大纲：第一章电子元器件分类第二章集成电路的基础知识第三章集成电路的发展及分类第四章集成电路的命名第五章集成电路的封装第六章集成电路的第七章集成电路的品牌分销商第一章电子元器件分类第一节电子元器件分类●概念：●电子元器件分为两类：半导体、电子元件第二节行业概念●被动组件是电子产品中不可缺少的基本组件。
电子电路有主动与被动两种装置，所谓被动组件是不必接电就可以动作，而产生调节电流电压，储蓄静电、防治电磁波不干扰、过滤电流杂质等的功能。
相对应主动组件，被动足是在电压改变的时候，电阻和阻抗都不会随之改变。
被动组件可以涵盖三大类产品：电阻器、电感器和电容器。
●半导体分立器件主要包括半导体二极管、三极管、三极管阵列、ＭＯＳ场效应管、结型场效应管、光电耦合器、可控硅等各种两端和三端器件。
●有源器件和无源器件简单地讲就是需能（电）源的器件叫有源器件，无需能（电）源的器件就是无源器件。
有源器件一般用来信号放大、变换等，无源器件用来进行信号传输，或者通过方向性进行“信号放大”。
电容、电阻、电感都是无源器件，ＩＣ、模块等都是有源器件。
●摩尔定律INTEL公司创建人之一戈登・摩尔的经验法则，他曾经这样描述：“随着芯片上的电路复杂度提高，元件数目必将增加，然而每个元件的成本却每年下降一半。
”摩尔定律看似非常简单，实则对于半导体工业的发展的指导意义深远。
一些分析家预测摩尔定律终将实效――一种自我激励的机制，只要半导体技术和经济的发展还能满足市场需要，摩尔定律还将继续生存下去，只不过是速度上的减缓。
第二章集成电路的基础知识第一节集成电路的基础介绍我们通常说的“芯片”是指集成电路，它是微电子技术的主要产品。
所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言，指它处理的电子信号极其微小，它是现代信息技术的基础，我们通常所接触的电子产品，包括通讯、电脑、智能化系统、自动控制、空间技术、电台、电视等等都是在微电子技术的基础上发展起来的。
第五章 MOS基本逻辑单元电路
KI KL
=
(W/L)I (W/L)L
有比电路
27
5.2.4自举负载NMOS反相器 1. 结构和自举原理(续)
VDD
自举过程：
Vi 变为VOL ,MI截止,Vo上升，
MB
VGL随Vo上升(电容自举)，
VGL ML
MB截止,ML逐渐由饱和进入
CB Vo 非饱和导通，上升速度加快。
自举结果：
Vi
MI
tr缩短，VOH可达到VDD。
18
思考题
1. 各种MOS反相器的结构有何不同？各 自的优缺点是什么？ 2.各种MOS反相器的输出高低电平是多少？ 分别受什么因素影响？ 3.什么叫有比电路？什么叫无比电路？ 4.各种MOS反相器的速度、功耗、噪声容 限分别受哪些因素影响？
19
5.2.1 电阻负载NMOS反相器
1. 结构和工作原理
VDD MD
(1)VOH比可达到电源电压VDD (2)VOL与R有关，但是VTD是 关键的因素，近似于无比电路，
面积小。
Vi
Vo ME
(3)上升过程由于负载管由饱和
逐渐进入非饱和， tr缩短，速
度快。
33
5.2.6 CMOS反相器
1. 结构和工作原理 MP 为PMOS,VTP <0, MN 为NMOS,VTN >0
28
5.2.4自举负载NMOS反相器 2. 寄生电容与自举率
VDD
MB
VGL
ML
CO CB Vo
Vi
MI
由于寄生电容CO的存在：
VGL CO = VGSL CB
VGL = VGSL + Vo
自举率定义：
=
VGL Vo
第5篇 数字集成电路系统设计
第五章 数字集成电路系统设计
另一种方法是采用场效应管作为编程开关，编程 数据储存于EPROM、EEPROM、FLASH RAM等可重 复擦写的存储器中。这类器件灵活性大，适用于不同 的场合。缺点是价格较高。
图 5 - 19 和图 5 - 20 分别是可编程与阵列和可编 程或阵列的实际电路结构及其等效电路举例。
乘 积项
P1 P2 P3 P4
乘 积项
F(P 1, P 2, P 3, P 4) GN D
P1 P2 P3 P4
F(P 1, P 2, P 3, P 4) ＝ P2＋ P4
GN D
F(P 1, P 2, P 3, P 4) ＝ P2＋ P4
图 5 - 20 可编程或阵列及其等效电路举例
第五章 数字集成电路系统设计
第五章 数字集成电路系统设计
GAL器件的输出级OLMC的电路结构如图5 - 27 所 示。 从图中可以看出, OLMC主要由一个D触发器, 一 个用于选择输出方式和极性的 4 输入多路选择器（4-1 MUX）和一个用于选择反馈信号的两输入数据选择器 （2-1 MUX）构成。
第五章 数字集成电路系统设计
F1＝ P 3＋ P 5＋ P 7
F2＝ P 2＋ P 4＋ P 5＋ P 6
F3＝ P 1＋ P 2＋ P 7
P1
P3
P5
P7
P2
P4
P6
图 5 - 21 用可编程与/或阵列实现给定逻辑功能的实例
第五章 数字集成电路系统设计
2. 可编程逻辑器件的输出结构 PLD输出部分的主要作用是提供输出信号的极性选 择， 控制三态输入/输出， 输出信号的寄存与反馈等。 图5 - 22 所示是PLD器件几种常见的输出极性： 同 相输出、 反相输出、 互补输出和可编程极性选择输出。
(整理)集成电路设计习题答案1-5章
CH11．按规模划分，集成电路的发展已经经历了哪几代？它的发展遵循了一条业界著名的定律，请说出是什么定律？晶体管-分立元件-SSI-MSI-LSI-VLSI-ULSI-GSI-SOC。
MOORE定律2．什么是无生产线集成电路设计？列出无生产线集成电路设计的特点和环境。
拥有设计人才和技术，但不拥有生产线。
特点：电路设计，工艺制造，封装分立运行。
环境：IC产业生产能力剩余，人们需要更多的功能芯片设计3．多项目晶圆（MPW）技术的特点是什么？对发展集成电路设计有什么意义？MPW：把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上，然后以步行的方式排列到一到多个晶圆上。
意义：降低成本。
4．集成电路设计需要哪四个方面的知识？系统，电路，工具，工艺方面的知识CH21．为什么硅材料在集成电路技术中起着举足轻重的作用 ?原材料来源丰富，技术成熟，硅基产品价格低廉2．GaAs和InP材料各有哪些特点? P10,11 3．怎样的条件下金属与半导体形成欧姆接触？怎样的条件下金属与半导体形成肖特基接触？接触区半导体重掺杂可实现欧姆接触，金属与掺杂半导体接触形成肖特基接触4．说出多晶硅在CMOS工艺中的作用。
P13 5．列出你知道的异质半导体材料系统。
GaAs/AlGaAs, InP/ InGaAs, Si/SiGe, 6．SOI材料是怎样形成的，有什么特点?SOI绝缘体上硅，可以通过氧隔离或者晶片粘结技术完成。
特点：电极与衬底之间寄生电容大大减少，器件速度更快，功率更低7. 肖特基接触和欧姆型接触各有什么特点？肖特基接触：阻挡层具有类似PN结的伏安特性。
欧姆型接触：载流子可以容易地利用量子遂穿效应相应自由传输。
8. 简述双极型晶体管和MOS晶体管的工作原理。
P19,21CH31．写出晶体外延的意义，列出三种外延生长方法，并比较各自的优缺点。
意义：用同质材料形成具有不同掺杂种类及浓度而具有不同性能的晶体层。
外延方法:液态生长，气相外延生长，金属有机物气相外延生长2．写出掩膜在IC制造过程中的作用，比较整版掩膜和单片掩膜的区别，列举三种掩膜的制造方法。
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• C区： Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区；PMOS也导通， 处于饱和区；均等效于一 个电流源。
• D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反，PMOS导通，处于饱和区，等效一个电流源；NMOS 强导通，等效于非线性电阻
Vi从0到1 CL放电
NMOS的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱 和状态，输出脉冲的下降时间也可分为两段来计 算。
22
CMOS反相器的瞬态特性(续2)
饱和状态 假定VC(0)=Vdd，恒流放电时间段
1 2nVddVtn2CLddV to
tf1nV 2 d d C L V tn20 V .9 d d V d d V tnd V o 2 C L nV 0 .d 1 d V d d V tn V 2 tn
Vdd • NMOS的源极接地，漏极接高电
位 • PMOS的源极接Vdd，漏极接低
电位
输入信号Vi加在两管g和s之间，由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vdd，所以Vi对两管参考电位不同。
14
CMOS反相器工作原理
• Vin为低电平VOL（VOL<Vtn）时， NMOS截止，PMOS导通，输出高电平 Vo = VOH
Vo<|Vtp|
24
CMOS反相器的瞬态特性(续4)
VOL=Vces2=Vces02+rces2(IR2+IOL)
• 当输入端有至少一端为低电平时，T1工作在 深饱和状态，T2工作在截止状态，电路 截止，输出低电平VOH：
VOH=VCC-R2*IOH
6
电路特性
• 电压传输特性：电路的输出电压与输入电压的 关系
• 负载能力：电路在正常工作条件下可以驱动多 少个同类门，常用扇出No表示
• E区：Vi Vdd +Vtp PMOS截止，NMOS导通。Vdsn = 0，|Vdsp| = Vdd，Idsp = 0，与A区相反
18
CMOS反相器转移特性(3)
n/p对转移特性的影响
19
CMOS反相器转移特性(4)
PMOS和NMOS在5个区域中的定性
PMOS on+++ on++
on+
on
off
NMOS off
on
on+
on++ on+++
对于数字信号，CMOS反相器静态时，工作在A区 或E区
Vi = 0 (I = 0) Vi = Vdd (I = 1)
Vo = Vdd Vo = 0
( O = 1 ) Is-s= 0 ( O = 0 ) Pdc= 0
状态转换时：(I = 0) (I = 1) Is-s 0 (I =1) (I = 0) Ptr 0
集成电路设计
上一章 集成电路模拟
SPICE简介 SPICE电路输入语句 SPICE电路分析语句 SPICE电路控制语句
第五章 集成电路基本单元
1 双极型数字集成电路 2 CMOS数字集成电路 3 焊盘输入输出单元(I/O PAD) 4 模拟集成电路
3
双极型数字集成电路
•TTL(transistor-transistor logic)
非饱和状态 n V dsV tnV ds1 2V ds2 C Ld d V to
tf2CL
n
0.1Vdd VddVtn
dVo VddVtn Vo1 2Vo2
tf = tf1 + tf2
nVC ddLVtnln19VddV dd20Vtn 23
CMOS反相器的瞬态特性(续3)
Vi从1到0，CL充电 上拉管PMOS导通时先为饱和状态而后为 非饱和状态，输出脉冲上升时间可分为两 段来计算。
20
CMOS反相器的瞬态特性
研究瞬态特性必须考虑负载电容（下一级门的输 入电容）的影响。 脉冲信号参数定义
上升时间tr Vo=10%VomaxVo=90%Vomax 下降时间tf Vo=90%VomaxVo=10%Vomax 延迟时间td Vi=50%VimaxVo=50%Vomax
21
CMOS反相器的瞬态特性(续1)
• 反相器又称非门
11
TTL基本门逻辑扩展
• 缓冲器/与门/或非门/或门/异或门/异或非门/与或非门/或 与非门
• OC门 • 三态门 • 施密特逻辑门 • 触发器
12
CMOS数字集成电路
• CMOS反相器 • CMOS传输门 • CMOS存储器
13
CMOS反相器
• NMOS和PMOS的衬底分开 • NMOS的衬底接最低电位——地 • PMOS的衬底接最高电位——
整个工作区分 为五个区域 ABCDE
16
CMOS反相器转移特性(1)
CMOS反相器的转移特性和稳态支路电流
A
V dd V O
B
D
E
I dsn
C
0
V tn
V dd 2
Vdd Vtp V d d
Vi
17
CMOS反相器的转移特性(2)
• A区：0 Vi Vtn NMOS截止，Idsn = 0，PMOS导通，Vdsn = Vdd，Vdsp = 0
➢ TTL与非门 ➢ TTL反相器
•ECL(emitter coupled logic) •I2L(integrated injection logic)
4
TTL基本单元电路与非门
(a)单管与非门
(b)两管与非门
5
TTL与非门工作原理
• 当输入端都为高电平时，T1工作在反向 有源状态，T2工作在饱和状态，电路导 通，输出低电平VOL：
• 瞬态特性：输入电压在高低电平之间转换时输 出电压随时间的变化，代表逻辑状态的转换速 度
• 电路功耗：静态功耗和动态功耗
7
TTL基本单元电路与非门改进电路
四管与非门及逻辑符号
三管与非门
8
TTL基本单元电路与非门
五管与非门及多射极晶体管等效电路
9
TTL基本单元电路与非门
10
TTL基本单元电路反相器
• Vin为高电平VOH（VOH>VDD+Vtp） 时， NMOS导通，PMOS截止 Vo = VOL
15
CMOS反相器工作原理
NMOS：
Vi Vi
< >
Vtn Vtn
截止 导通
PMOS：VVii
> <
Vdd Vdd
-
|Vtp| |Vtp|
截止 导通
• PMOS视为NMOS的负载，可以像作负载线一 样，把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上