（微电子学与固体电子学专业论文）基于bicmos工艺的pwm调制dcdc电源设计.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 随着电子技术的发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也 越来越多，而电源是电子设备的重要组成部分，其性能的好坏直接影响着电子设 备的稳定和可靠性。单片式开关电源管理集成电路是国际最新技术进展，它具有 高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率电源等优点， 得到了广泛应用。 本文在分析国内外开关电源发展和现状的基础上，提出了一种基于b i c m o s 工艺的p w m 调制d c - d c 开关电源控制芯片的设计。首先对开关电源的变换形 式和控制方式以及电流型p w m 调制方式进行了研究和分析，并对b i c m o s 工艺 进行了介绍，在系统设计完成之后，在l u r e 工艺下设计了芯片内部各个功能模块， 包括振荡器、带隙基准、误差放大器、比较器和各种保护电路等，完成了具体电 路的设计，给出了所有的电路图以及由c a d e n c e 仿真器h s p i c e 仿真验证的结果图， 仿真结果与预期结果相符，表明电路的主要设计任务已经完成。 关键词：开关电源，p w m ，d c d c ，b i c m o s 工艺 p w mm o d u l a t i o nd c d cp o w e r m a n a g e m e n t c o n t r o l l e r d e s i g nb a s e d o n b i c m o sp r o c e s s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r o n i cs y s t e m sb e c o m e m o r ea n dm o r ep o p u l a ra n dt h ek i n d so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tb e c o m em o r ea n dm o r e a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe l e c t r o n i cs y s t e m s ，t h ep e r f o r m a n c eo fp o w e rs u p p l y d i r e c t l yi n f l u e n c et h es t a b i l i z a t i o na n ds e c u r i t y o fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t s i n g l e c h i p s w i t c hp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti ci st h el a t e s te v o l v e dj nt h ew o r l d i th a st h e c h a r a c t e r so fs u c ha sh i g hi n t e g r a t i o nl e v e l ，m o s tc o s te f f i c e n c y ，l o w e s tc o m p o n e n t c o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n ，t h es i m p l e s tp e r i p h e r i a lc i r c u i t ，h i 【g hp e r f o r m a n c e ， f o r m i n g h i g he f f i c i e n c yp o w e rs u p p l ya n ds oo n i th a sw i d e l ya p p l i c a t i o no v e rt h ew o r l d b a s e do nt h er e s e a r c ho nm o d e mp o w e rs u p p l yt e c h n o l o g y ，ap w mm o d ed c d c c o n t r o l l e rc h i pw a sp r o p o s e d i t sp r i n c i p l ea n dp w mm o d u l a t em o d ew e r cs t u d i e da n d a n a l y z e d a n dt h eb i c m o sp r o c e s sw a sg i v e n f i n i s h e dt h es y s t e md e s i g n ，t h e f u n c t i o n a lb l o c k sw e r ed e s i g n e di nl u mt e c h n o l o g y ，w h i c hi n c l u d eo s c i l l a t o r ，b g ， e r r o ra m p l i f i e r ，c o m p a r a t o r , p r o t e c tc i r c u i t sa n ds oo n a l lc i r c u i t sa n ds i m u l a t er e s u l t s b yc a d e n c eh s p i c ew e r eg i v e n t h ef i g u r e ss h o wt h a ta l ld e s i g n sw e r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：s w i t c hp o w e rs u p p l y ，p w m ，d c - d c ，b i c m o s p r o c e s s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 刘宝莹一指导教师签名：芏虱立拿 渺可年6 月劈日如b 蓐年6 月膀日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弓i j 宁亍 沙孑年5 月z 莎日 西北大学硕士学位论文 1 1 本论文研究的背景 第一章绪论 1 1 1 开关电源的发展历史和现状 电源是现代通信、航空航天、生物技术、计算机等高科技领域内电子设备的 动力支撑，被誉为电子设备的心脏，其性能好坏直接关系到电子设备的技术指标 及能否安全可靠的工作【1 1 。目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大 类。线性稳压电源也称为串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很 小，致使电源的体积和重量大，效率低。而开关电源以其功耗小、效率高、体积 小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，它被誉为高效节能电源，代表着稳压 电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品【2 。由于开关电源内部的器件工 作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率比普通性能稳压电源提高近 一倍。其中，小功率的开关电源芯片是一种正在快速发展的功率集成电路，由于 其较小的体积和较高的转换效率( 7 0 9 0 ) ，具有很好的市场前景和研究价值。 开关电源发展至今已有四十多年的历史，在这期间经历了三个发展阶段【3 】。 第一阶段为2 0 世纪6 0 年代出现的晶闸管( 可控硅) 相位控制式开关电源，这 种产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。 第二阶段为2 0 世纪7 0 年代开始由分离原件制成的各种开关电源，但也由于 效率不够高、开关频率低和调试复杂等原因而难于推广，应用受到了很大的限制。 第三个阶段为8 0 年代至今，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关 电源专用芯片的大量问世，这种新型的节能电源才重获发展。 目前，开关频率已经从早期的2 0 k h z 左右提高到几千赫兹甚至几兆赫兹。同 时，m o s 功率开关管、肖特基二极管( s b d ) 、超快恢复二极管( s r d ) 、瞬态电 压抑制器( t v s ) 、高导磁率磁性材料等新材料的应用也为开关电源的发展和普及 提供了条件。 ， 开关电源的相关技术研究现在正处于迅速发展的阶段，今后的发展方向主要 有以下几个方面： 1 ) 高效率、高功率密度。如今的通信产品的小型化必然要求电源减小体积， 提高功率密度，而提高功率密度和高效率是相辅相成的。开关电源的工作效率高， 会使自身发热减少，散热容易，从而提高开关电源甚至通信产品的寿命。实现这 个目标主要应采用高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s h m ) 代替传 统的二极管，降低电路的导通电压，同时采用新型的转换及封装技术可以提高电 源的功率密度和效率。 2 ) 低压大电流。随着微处理器工作电压的下降，模块电源的输出电压也逐渐 降低，3 3 v 甚至1 8 v 开关电源已经开始成为市场的主流，并且很可能降至l v 以 下。同时，电源的高效率又要求其具有大的负载输出能力，因此需要输出大电流。 实现这个目标主要依赖于电路整体布局技术的发展，提高集成度，降低电流传输 过程中损耗在传输线上的电压，尽量采用模块化设计，优化模块间的通信，最大 程度的降低电路中不必要的功率流失。 3 ) 低噪声和良好的动态响应。由于目前的开关电源都具有很高的频率，噪声 大就成为其固有的缺点之一【4 】。减小噪声的方法为采用部分谐振转换电路技术， 这样既可以满足频率的要求，又可以降低电路的噪声，提高电路的稳定性。 1 1 2b i c m o s 工艺的发展历史和趋势 在集成电路( i c ) 技术发展的初期，绝大多数的i c 芯片都是通过采用双极型晶体 管( b i t ) 来实现的，用双极技术虽然可以制造出速度高、驱动能力强、精度高的 模拟器件，但是其功耗高和集成度低的缺点阻碍了在超大规模集成电路( v l s i ) 中 的应用。随后，互补金属氧化物半导体( c m o s ) 器件又以低功耗、高集成度和设 计简便等性能优势成为v l s i 的主导技术。然而，随着2 0 世纪9 0 年、：特大规模集成 电路( u l s i ) 时代的到来，单一的c m o s 技术已无法适应日益复杂的系统在驱动能 力和速度等方面的需求。在需要超高速和大电流驱动性能的场合，b j t 仍是一种 处于优势的技术方案，但存在着i c 芯片的功耗和面积居高不下的缺点。因此，无 论是c m o s 器件还是双极型器件，都不具备完全覆盖延迟功率空间所要求达到 的适应性。因此双极互补金属氧化物半导体( b i c m o s ：b i p o l a rc o m p l e m e n t a r y 2 西北大学硕士学位论文 m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 兼容技术便应运而生，成为最佳的解决方案。 b i c m o s 是在同一芯片上制备c m o s 与b j t 器件的集成与兼容技术，具有高速、 大驱动能力、高集成度、低功耗和低电源电压等显著特点 s l 。b i c m o s 技术的概念， 早在6 0 年代末就己提出，但由于当时双极和c m o s 两种技术在工艺和设备上差异 较大，结合起来工艺复杂、难度大、设计和制备成本高，使b i c m o s 在发展初期 阶段处于不利的竞争地位。直到2 0 世纪8 0 年代，b i c m o s 技术才显现出强大的生 命力。美国无线电公司制造出被人们称为b i c m o s 技术先锋的c a 3 4 4 0 运算放大 器；日立、哈利斯、德克萨斯仪器( 1 1 ) ，美国l s i 逻辑公司和摩托罗拉等公司纷纷 开发出s r a m ，d r a m ，b i c m o s 门阵列、a d ( d a ) l s i 芯片、微处理机、a s i c 等基于b i c m o s 技术的产品，充分体现出b i c m o s 技术的优越性、先进性和实用性。 近几年来，b i c m o s 应用领域的扩大不断推动着该技术的深入研究。例如，低温 b i c m o s 技术己在低温双极技术等方面获得突破，将成为研究高性能器件的重要 前沿方向；使用特别的电路技术和对b i c m o s 器件结构的改进出现了m c b i c m o s ， c b i c m o s ，f s b s c m o s 等结构门电路；现阶段，在高端开发中已融合了最先进 的双极技术，如：硅锗异质结双极晶体管( s i g eh a t ) 、绝缘材料衬底上的硅( s 0 1 ) 技术、任意材料衬底上的硅( s o a ) 双极工艺等，使b i c m o s 工艺得到了进一步的 发展。 以b i c m o s 为基础的工艺技术和器件具有广泛的适应性，可以很好地满足不同 领域的需要。从应用角度分析，b i c m o s 在数字系统中应用的典型代表是硅静态 存储器s r a m ，其加接口、灵敏放大器和控制电路等，采用了b i c m o s 结构和工 艺技术，大大提高了信号的传输速度，高效地实现了不同电平信号的转换与配合。 b i c m o s 技术还被广泛应用于各种数字逻辑门电路、门阵列，低功耗、超高速数 字逻辑运算及控制和高速数字信号处理器、片上系统( s o c ) 等。在模拟系统中， 由于双极器件和m o s 器件在高频性质、电压增益、噪声性能、变化率、失调电压 等方面的重要性质有着明显的灵活性，b i c m o s 技术己被用到运算放大器、差动 放大器、低阻抗输出级、宽带低噪声放大器和模拟乘法器等电路中，电压电流 比较使模拟i c 摆脱了在相当长的一个时期落后于数字i c 的局面，推动了模拟i c 及 其工艺的飞速发展。由此可见，b i c m o s 技术将成为未来系统集成的主流技术。 b i c m o s 工艺技术将双极和c m o s 器件的独有特性结合在一起，获得了优于这 两种器件的最佳性能。然而，随着光刻尺寸的等比例缩小，有必要从根本上提高 双极器件的性能，从而获得b i c m o s 器件的高速特性。器件尺寸的等比例缩小必 然伴随电源电压的降低，然而，在低电源电压条件下，由于工艺复杂程度和生产 成本的原因，通过附加高性能双极器件，提高或改进c m o s 器件性能不容易实现。 除了传统的体硅器件以外，采用部分耗尽s 0 1 c m o s 和低温c m o s ，可以进一步 提高性能，为将c m o s 规模扩展至1 0 n m 沟道长度带来了希望。另外，在s i s i g e 双 极互补型金属氧化物半导体( s 鸿i g eb i c m o s ) 技术中，s i s i g e 异质结双极晶 体管( h b t ) 制造b i c m o s 的工艺与硅集成电路工艺基本兼容，待异质结关键工 艺技术突破后，其成本和性能可以与硅集成电路竞纠5 1 。 1 2 本论文研究的意义 开关电源管理芯片于9 0 年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力， 目前已成为国际上开关电源及电源模块的优选集成电路，新一代开关电源管理芯 片采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性工作，控制开关元件的时间占 空比来调整输出电压，按照开关型稳压电源的控制方式可以分为脉冲宽度调制 ( p w m ) 式、脉冲频率调制( p f m ) 式和p w m 与p f m 混合式。p w m 控制方式 为保持开关元件周期不变，控制开关的导通时间。变化，p f m 控制方式为保持导 通时间k 不变，改变开关工作周期，也即改变关断时间的工作方式。目前采用 p w m 控制方式的电源芯片较多，如l i n f i n i t y 公司的s g l 5 2 4 、r i c o h 公司 r h 5 r h 系列、s i l i c o n i x 公司的s 1 9 1 5 4 、m a x i m 公司的m a x 7 3 6 7 3 7 、p o w e r i n t e g r a t e d 公司的t o p i i 系列等1 6 j 。 正是由于采用了新的工作方式和较高的工作频率，开关电源管理芯片能大大 提高电源效率，纹波幅度明显下降，并且能使输出稳定。例如s g l 5 2 4 内部所需 电流小于1 0 m a ；m a x 3 6 7 3 7 效率可以达到8 3 ，输出电压为1 5 v 时，纹波幅度 为0 7 5 v ；t o p i i 系列效率最高可达到9 0 。而新一代开关电源管理芯片中，则 加入了必要的过热和过流保护电路，成为真正的智能控制电路，有的控制芯片还 加入了欠压滞回、自动重启等功能，使得控制系统更加完善1 7 】。 以p w m 控制方式的芯片大部分都是用来驱动外面的开关元件，其中既有驱 4 西北大学硕士学位论文 动m o s 型功率器件的，也有驱动双极型功率管的。但从使用的角度来考虑，如 果在芯片内部不但集成控制功能，而且将功率器件也集成在内部，则可以大大方 便用户【剐。目前，已经有一些集成开关元件的控制电路出现，这种控制芯片一般 采用b i p o l a r 工艺或b i c m o s 工艺来实现。 面对巨大电源管理芯片的市场，国外开发电源管理芯片的厂商很多，如m 、 m a x i m 、1 r i 、s t 、p i 等，它们的产品在技术上已经经历了长时间的积累，非常 的成熟，能提供高质量、全系列的电源管理芯片，包括升压、降压、升降压，固 定或可调输出等类型的芯片。而国内的厂家，由于在功率集成器件方面起步较晚， 虽然可以自主研发以及生产部分的电源管理芯片，但其大都缺乏核心芯片技术， 不能和国外的厂商竞争，致使国内的整机电源市场几乎被国外厂家垄断，这样，不 但使电源产品的大部分利润被国外厂家剥夺，还使国内的技术受制于人，很难实 现大的突破。所以研发具有自主知识产权的电源管理芯片就显得至关重要。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是设计了一个用于有源矩阵薄膜晶体管( t l 丌) 、液晶显示器 ( l c d ) 以及汽车导航显示面板等的升压型开关电源芯片，该集成电路采用了 p w m 工作方式，其主要的性能指标如下： 1 、输入电压3 v 一5 v ，输出电压3 v l l v 。 2 、工作频率1 2 m h z 。 3 、芯片关断温度1 6 0 。c ，迟滞范围1 0 。 4 、欠压保护开启电压2 5 v ，迟滞范围1 5 0 m v 。 5 、启动时间1 4 m s 。 6 、故障发生后系统重启时间5 5 m s 。 7 、系统负载调整率最大值0 0 3 a 。 第一章介绍了本课题研究的重要意义，对开关电源的背景、现状和发展趋势 做了阐述，同时对本文的章节进行了安排。 第二章介绍了升压型开关电源的主要几种调制方式，并着重介绍了p w m 调 制方式的工作原理和本文设计的结构框图。 第三章介绍了b i c m o s 工艺，给出了电路所需器件的部分版图设计。 第四章进行了电路中所需子模块的分析和设计，主要有振荡器、基准电压源、 误差放大器电路、p w m 比较器电路、过温保护电路、欠压和过压保护电路等， 分别给出了各模块的电路结构、工作原理和仿真结果。 第五章对本文的工作进行了总结和展望。 6 西北大学硕士学位论文 第二章d c d c 开关电源的工作原理 2 1d c d c 开关电源变换形式和控制方式 开关电源包括主电路和控制电路两部分，开关状态的调整管配合不同的变 换形式，导通时对储能元件充电；截止时储能元件对输出电容放电，就可以实现 d c - d c 变换。本文采用的是b o o s t 变换，如图2 1 所示。 l 1 d 1 夕妇 v o t r t r l 图2 1b o o s t 变换形式 在上述主电路中加入控制电路，就可以构成一个完整的d c d c 开关电源。控 制电路的作用是控制调整管的开启和关断，使输出达到使用者的需求。常用的控 制主要有以下三种1 9 】： 1 ) 脉冲宽度调制方式，简称脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 。 这种调制方式是在功率管控制信号的脉冲频率一定的情况下，调整脉冲的占空比。 实现方法是由内部振荡器产生一个频率恒定的锯齿波，与一个参考电压比较，输 出方波，用于控制调整管。目前的商用产品大都使用这种控制方式。 2 ) 脉冲频率调制方式，简称脉频调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩写为 p f m ) 。这种调制方式是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比的。电 路实现时要用固定脉宽发生器开代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压 频率转换器来改变频率。 3 ) 混合调制方式，是指脉冲宽度与频率都不固定，两者都能改变的方式，属 于p w m 和p f m 的混合方式。 2 2 电流型p w m 调制方式的工作原理 p w m 型调制方式的实现方法有很多种，主要分为电流型和电压型。电流型 p w m 调制的特点是：利用电感电流的反馈直接去控制功率开关的占空比，以实 现电流对电压反馈的跟踪，其工作原理如图2 2 所示。 v o u t 图2 2电流型p w m 调制方式工作原理 要依靠p w m 调制方式获得稳定的直流输出，除了设计相应的振荡器外，还 需要引入负反馈回路，负反馈可以减小电路自身的噪声对输出的影响，并使输出 电压与开环增益无关。电流型p w m 调制方式包括两个反馈回路：电压反馈和电 流反馈。 电压反馈：输出电压经电阻采样电路得到反馈电压杉和参考电压y 0 进行 比较，输出信号加在p w m 比较器的反向端，最终可以控制开关管n 1 的导通情 况，改变控制信号的占空比，构成整个系统的电压外环。 电流反馈：采样电路( c u r r e n r - s e n s e ) 检测到开关管的电流信号加在p w m 比较器的同向端，最终控制开关管n 1 的导通情况，改变控制信号的占空比，构 成整个系统的电流内环。 电流型p w m 调制方式在大负载时效率高，对负载变化跟随较好，而且噪声 频谱恒定，回路稳定性好，有较好的并联能力，但当负载较小时，控制电路的工 作电流占总工作电流的比例上升，会导致效率降低，静态功耗增加【1 0 l 。 8 西北大学硕士学位论文 2 3 本文设计的开关电源结构框图 本毕业设计欲实现一款电流型p w m 调制升压型d c d c 开关电源的控制电 路，所设计的控制器主要包括振荡器( o s c o s c i l l a t o r ) 、基准电压源( b g b a n d g a p ) 、 误差放大器( c o m p ) 、电流采样电路( c u r r e 肝s e n s e ) 、斜波补偿电路 ( s l o p e ) 、p w m 比较器、过温保护电路( o t p o v e rt h e r m a lp r o t e c t i o n ) 、欠压锁 存电路( u v l o ) 、控制和驱动电路( d r i v e r ) 、软启动电路( s o f t - s t a r t ) 、故 障保护电路( f p f a u l tp r o t e c t i o n ) 等单元，整体结构框图如2 3 所示。图中虚线 框内是芯片的控制电路部分，为本文设计的主要内容，在外部引脚i n 、l x 、f b 、 ： 图2 3 本文设计的开关电源整体电路结构框图 第三章b i c m o s 工艺介绍 在集成电路的设计中，除了电路性能的改进之外，额外增加的工艺复杂性也 是需要考虑的主要因素。b i c m o s 工艺即是将b i p o l a r 工艺与c m o s 工艺相结合 的一种综合工艺，它具有双极工艺高跨导、强负载驱动能力和c m o s 器件高集成 度、低功耗的优点【1 1 】。一般b i c m o s 工艺还可以分为两类：一是以c m o s 工艺 为基础的b i c m o s 工艺，包括p 阱b i c m o s 和n 阱b i c m o s 两种工艺；另一类 是以标准双极工艺为基础的b i c m o s 工艺，其中包括p 阱b i c m o s 和双阱 b i c m o s 。 3 1 双极和c m o s 工艺介绍 3 1 1 双极工艺介绍 点： 一种典型的纵向n p n 结构如图3 1 所示。这种结构存在的问题主要有以下几 cbe p 型衬底 图3 1 典型的n p n 结构 1 、各接触孔金属之间、p + 结隔离和e b 间非自对准都需要有一定的间隔， 使得晶体管的面积较大。 2 、+ 掩埋层的加入在减小c 极串联电阻的同时，增加了工艺复杂度，也引 入了寄生参数。 3 、采用p + 结隔离和+ 埋层的引入使得集电极对衬底的电容很大。 4 、器件的b c 结没有隔离，存在集电极电流的横向效应，而且这种效应会随 b c 两极间距离的减小而增加，将严重影响双极器件的直流特性。 1 0 西北大学硕士学位论文 5 、e b 间的非自对准工艺，使得有源基区和边缘面积大，导致b c 问电容较 大，高频时的密勒效应严重。 6 、铝与+ 发射区形成欧姆接触时会形成合金，而合金后铝、s i 的相互侵蚀 以及铝的电迁移现象都使发射极不易形成浅结，从而影响纵向尺寸的缩小，且铝 与+ 区的合金会形成一些缺陷，使发射极注入效率下降。 尽管双极工艺具有以上的不足，但是由于双极晶体管具有高跨导、强驱动等 显著优点，仍然得到广泛应用。另外，人们已经研制出一些改善双极晶体管的工 艺方法，目前常用的有多晶硅发射极技术、超卢双极型技术【1 2 l 和双扩散p n p 管技 术等。 多晶硅发射极技术可以满足双极型器件在高频场合的应用要求，该类器件具 有较小的基区宽度，因此降低了基区渡越延时，同时缩小了器件的整体尺寸，减 小了器件的寄生电容。该技术的特别之处在于在p 型的衬底上生长+ 掩埋层和用 于下隔离的多晶硅，然后是n 型外延层，它与掩埋层一起作为纵向n p n 的集电 极，然后在外延层上形成一层薄的p 型基区掺杂层。为了形成非常薄的基区和发 射极结构，并给它们提供低电阻的欧姆接触，通常用一个+ 掺杂的多晶硅覆盖在 基区的某个区域以形成发射极，然后进行高温处理，使得多晶硅中的n 型杂质扩 散到基区，形成非常薄的重掺杂发射极。然后是对基区进行高浓度p 型离子注入， 这时的发射极多晶硅起到掩蔽作用，阻止了p 型离子透入到发射极下面的基区中， 此时的多晶硅发射极可以起到自动对准基区和发射区的作用。有资料表明【1 3 l ，采 用多晶硅发射极工艺的双极管晶体管的疗已经大大超过1 0 g h ：。 超卢双极型技术利用的是延长发射极掺杂时间以减小基极宽度，进而改善基 极传输因子和发射极效率的原理，可以制作出具有较大电流增益的双极晶体管。 该晶体管主要作为运算放大器的输入级，从而降低放大器输入偏置电流，但是增 加电流增益会引起c e 极击穿电压的下降，因此不可能将这一技术应用在运放的 所有管子上。为了在同一个晶片上同时实现普通管和超卢管的制作，常用的办法 上增加一种扩散，实现同一种基区扩散和不同的发射极扩散，或者不同的基区扩 散和相同的发射极扩散。 双扩散p n p 管技术的应用可以改善横向p n p 的高频特性。该工艺通常增加三 层掩膜或扩散：一层是p 型轻掺杂形成集电极；一层是n 型掺杂形成基极；还有 一层是p 型掺杂形成发射极。这种工艺大约需要1 0 道掩膜工序和两次外延的生长 步骤。 总之，随着制造工艺水平的进步和对电路速度要求的增高，人们对双极工艺 的研究不断深入，取得的双极型管的性能越来越好，双极工艺在b i c m o s 工艺中 也越显其重要性。 3 1 2c m o s 工艺介绍 c m o s 工艺技术包括p 阱工艺、n 阱工艺和双阱工艺三种。其中n 阱c m o s 电路优于p 阱c m o s 电路，它可以采用低掺杂浓度的p 型衬底和n 阱降低n m o s 和p m o s 管的源、漏结寄生电容和衬偏效应，从而提高电路性能。n 阱c m o s 工艺的p m o s 和n m o s 截面图如图3 2 所示。 图3 2n 阱c m o s 工艺的截面图 双阱c m o s 电路则是一种更好的电路结构，这种结构便于独立控制n m o s 和 p m o s 性能，可以获得更好的直流和瞬态特性。图3 3 给出了简化的双阱c m o s 工艺流程【1 4 】。 c m o s 工艺经历了从金属栅到硅栅的发展过程，这项进步的主要意义是多晶 硅栅能直接作为m o s f e t 管的源、漏区注入的掩蔽，从而限定了栅下源、漏区的 精确边界，使栅源、栅漏交叠电容最小，实现了自对准，改善了电路性能。硅栅 的d 可分为两种，一种为薄的、高质量的栅区氧化层，具有高控制灵敏度，简 称栅氧；一种为厚的对外场不敏感的甄d 层，可以用来隔离芯片中各个m o s f e t 器件，并提高场寄生管阂值电压，防止场寄生管的开启。 西北大学硕士学位论文 定义有源区刻蚀及在绝 缘沟槽中填充氧讹物 上 阱区离子注入 淀积及形成多晶硅层图形 上 蕊燃 j r 灏嬲艇勰 图3 3 双阱c m o s 工艺流程简化图 c m o s 工艺的新发展为绝缘体上硅( s o d ，s o i 工艺是在一层非常薄的硅层 上形成的，而这一硅层淀积在一层厚的甄d ，绝缘层上。该工艺的主要优点是减少 了寄生效应以及具有较好的晶体管导通截止特性。研究表明，把一个设计从体硅 c m o s 移植到s o i 工艺( 保持所有其他设计和工艺参数完全一样) ，将使性能改 善2 2 【1 5 1 。 ， 3 2b i c m o s 工艺介绍 3 2 1 以c m o s 工艺为基础的b i c m o s 工艺介绍 以c m o s 工艺为基础的b i c m o s 是在已有的c m o s 工艺上将有关的双极型 器件移植过来。比较简单的制作双极型器件是利用c m o s 工艺中的n 阱作为双极 型器件的集电区，同时利用p m o s 器件的源漏区注入来作为双极型晶体管的基区， 而n m o s 器件的源漏区注入来产生双极型器件的发射区。 这种做法的缺陷有以下两点： 1 、基区浓度太高，进而导致双极型器件的电流增益较低。 2 、集电极的串联电阻较大，增加了c m o s 结构发生闩锁效应的敏感度。 为解决以上两个问题，常用的办法是增加两层光刻，分别来控制双极型器件 的本征基区的掺杂和制作+ 型埋层，而增加+ 埋层也就意味着要在原来的硅晶 片衬底上再生长一层外延，且要通过热扩散将原来的n 阱推的足够深，使n 阱和 + 埋层相连，减小集电极串联电阻。 在上述工艺的基础上，以c m o s 工艺为基础的n 阱b i c m o s 设计工艺发展 至今，其主要流程如下： 第一步：在p 型衬底上采用高能离子注入工艺形成+ 埋层，通常选择砷为埋 层离子注入的掺杂元素，这样可以减少埋层在外延过程中的扩散。 第二步：在形成p + 下隔离后，然后形成n 外延和双极型晶体管的集电区。在 这一步中必须对n 外延的掺杂浓度进行准确的控制，保证p m o s 器件和n p n 器 件的性能最优化。 第三步：在高压下生长场区氧化层，实现器件隔离，并通过n 外延上的窗口 进行一系列大剂量n 型离子注入以形成一个连接+ 埋层的集电极区接触通道， 来减小n p n 管的集电极电阻。 第四步：生长注入屏蔽氧化层，并进行沟道区离子注入，以调节不同器件的 阈值电压和漏源击穿特性。然后重新生长栅氧化层，淀积+ 掺杂的多晶硅，并光 刻、刻蚀出多晶硅栅电极。 第五步：进行n m o s 和p m o s 器件的源漏区离子注入，同时可以进行本征基 区的离子注入。通常要控制本征基区的掺杂浓度要比m o s 器件源漏区的掺杂浓 度低两个数量级左右，因此杂质补偿作用并不明显。 第六步：淀积基区多晶硅电极并进行p + 离子注入以实现双极型器件非本征基 区的掺杂。然后淀积发射区多晶硅电极，并进行离子注入掺杂和光刻、刻蚀以及 发射区推进。 图3 4 给出了以c m o s 工艺为基础的n 阱b i c m o s 工艺下的p m o s 器件、 n m o s 器件和n p n 器件的结构剖面图。 1 4 西北大学硕士学位论文 横向n p n 图3 4n 阱b i c m o s 工艺下器件剖面图 3 2 2 以双极工艺为基础的b i c m o s 工艺介绍 以双极工艺为基础的b i c m o s 工艺既保证了c m o s 器件的性能不低于纯 c m o s 器件，同时又兼顾了双极器件，使其性能得到提升。由于在b i c m o s 工艺 中影响器件性能的主要是双极部分，因此以双极工艺为基础的b i c m o s 工艺较多。 下面将分别介绍以双极工艺为基础的p 阱和双阱b i c m o s 工艺。 1 、以双极工艺为基础的p 阱b i c m o s 工艺 图3 5p 阱b i c m o s 工艺下器件剖面图 该工艺采用p 型衬底，+ 埋层、n 型外延层，在外延层上形成p 阱结构，该 工艺采用成熟的p n 结对通隔离技术，图3 5 给出了该工艺下的p m o s 器件、n m o s 器件、齐纳二极管、n p n 、l p n p 以及v p n p 的结构剖面图。 2 、以双极工艺为基础的双阱b i c m o s 工艺 以双极工艺为基础的p 阱b i c m o s 工艺的缺陷是c m o s 器件的性能不够理 想，为满足双极和c m o s 两种器件的不同要求，可采用以双极工艺为基础的双阱 b i c m o s 工艺。该工艺的特点是采用p + 、+ 双埋层双阱结构，采用薄外延层来 实现双极器件的高截止频率和窄隔离宽度。此外，利用c m o s 工艺的第二层多晶 硅做双极器件的多晶硅发射极。本论文采用的即是双阱b i c m o s 工艺的，图3 6 给出了该工艺下n m o s 器件和p m o s 器件的剖面图。 n p n 器件是集成电路中常用的器件，其剖面图如图3 7 所示。由其剖面图可 见，n p n 存在寄生的p n p ，但是这个寄生的p n p 不是在任何情况下都起作用。 在模拟电路中，由于n p n 管一般都处于截止或正向工作区，v b c - n p n 0 ，所以寄 生p n p 的发射结是反偏的，因为v b e - p n p - - v s c - n p n 0 ，寄生 p n p 将处于正向工作区，这将使相当大的一股反向n p n 管的“发射极电流”变 成无用电流流入衬底。所以在数字电路中要注意减小寄生p n p 效应。本文通过埋 层工艺来减小寄生p n p 正向运用时的共基极短路电流增益a s f ，从而减小寄生p n p 管的影响，增加有用电流的比值。 n m o s p m o s gg 图3 6 双阱b i c m o s 工艺下n m o s 和p m o s 器件剖面图 1 6 西北大学硕士学位论文 图3 7 双阱b i c m o s 工艺下n p n 器件剖面图 除了寄生的p n p 之外，n p n 管还存在三种寄生电阻：发射极串联电阻，集电 极串联电阻，基区电阻。首先，发射区电阻由发射区体电阻和发射区接触电阻组 成，一般发射区做成方形其宽长比相当小，所以电阻可忽略。接触电阻由发射区 接触孔面积和硅与发射极金属的欧姆接触系数决定，所以小电流情况下，发射极 的串联电阻是很小的，可以忽略；第二是集电极串联电阻，相对来说比较大，在 工艺上通过加埋层和深+ 集电极接触扩散方法来减小；第三，基区电阻主要有外 基区( 发射区扩散边缘到基极接触孔边缘) 、内基区( 发射区扩散层下面的那部分 基区) 电阻和基极接触电阻。 图3 8 双阱b i c m o s 工艺下l p n p 剖面图 另外，模拟电路中常用的器件还有p n p 和电阻，其中p n p 器件有l p n p 和 v p n p 两种，一般情况下由于要与n p n 管的制造工艺兼容，所以做出的p n p 管 的卢小，异低，临界电流小。图3 8 所示即为双阱b i c m o s 下的l p n p 管的剖面 图，由图中可以看出，该l p n p 管也存在寄生的v p n p 结构，在工艺中采用增加 结深和埋层工艺的办法来减小寄生v p n p 的影响。 cbe 图3 9 双阱b i c m o s 工艺下v p n p 剖面图 为了将p n p 管用于大电流，可以使用衬底p n p ，即v p n p 。但由于v p n p 的 集电区是电路的共用衬底，需要接地电位，在使用时具有局限性，且v p n p 还存 在较大的集电极串联电阻和集电结电容。所以一般将集电极接触窗口放在与之靠 近的隔离槽上，这样可以避免集电极电流较大时在衬底产生大压降，导致电路的 其他地方的衬底外延变成正偏而破坏电路的正常工作。该器件的剖面图如图3 9 所示。 基于双极工艺的b i c m o s 工艺还可以做出基区扩散电阻和离子注入电阻。其 剖面图如图3 1 0 和图3 1 1 所示。 图3 1 0 双极b i c m o s 工艺下基区扩散电阻剖面图 1 8 西北大学硕士学位论文 图3 1 1 双极b i c m o s 工艺下离子注入电阻剖面图 基区扩散电阻直接做于外延上，两端进行p + 扩散，以获得欧姆接触，作为电 阻的引出端。电阻体从p + 扩散的边缘到边缘。其薄层电阻在2 0 0 - 6 0 0 欧方，基 区扩散电阻的缺点是，其阻值受基区的影响。离子注入电阻是在外延层上注入硼 离子形成电阻区，在电阻区的两端进行p 扩散做为电阻的引出端。其薄层电阻 0 1 2 0 k 欧方，是电阻中精确度较高的一类电阻( 可以达到_ 1 0 ) ，常做高精 度要求的高阻。其温度系数t c r 与退火条件及r s 有关，可以控制，通常可以达 到1 a r 4 以下。缺点是注入的结深较小，注入层的厚度受耗尽层的影响较大，导致 压差大时会由于结深浅而被击穿。 3 2 3b i c m o s 工艺应用 目前，b i c m o s 工艺主要应用在以下几个方面【1 6 】： 1 、静态存储器等存储电路中，可以采用双极型器件构成灵敏放大器来监测电 路中微小的电压变化。 2 、高速数字集成电路中，双极型器件可以用来驱动比较大的电容负载。 3 、数字模拟混合集成电路中，如运算放大器、低阻抗输出级、电压电流比 较器、宽带低噪声放大器和模拟乘法器等模块。 从应用领域方面考虑，b i c m o s 工艺还可以分为低成本、中速数字b i c m o s ； 高性能、高成本数字b i c m o s 和模拟数字混合b i c m o s 三类。 低成本、中速数字b i c m o s 工艺着眼于减少制备工艺的复杂程度，从而降低 制造成本，最简单的b i c m o s 工艺仅在c m o s 工艺基础上增加1 2 块掩膜版， 但双极部分的性能不够理想，整体性能没有得到很好的改善。 高性能、高成本数字b i c m o s 工艺追求在最大程度上发挥c m o s 和双极电路 各自的优势，充分运用两种工艺的最新成果。例如深沟隔离技术、外延基区注入、 多晶硅发射极器件技术等，以增加工艺复杂程度和制造成本为代价，充分兼容了 c m o s 和双极的最佳结构，最终提高b i c m o s 器件和电路的性能。模拟数字混 合b i c m o s 工艺则强调工艺向双极工艺技术靠拢。因为要解决数模兼容性问题， 除了必须获得高性能的n - p n 性能外，还需要制备高精度电阻、电容、甚至是高性 能的p n p 管。基于双极的b i c m o s 将广泛用于高压、大电流驱动和输出控制等 模拟或功率应用场合。 2 0 西北大学硕士学位论文 4 1 振荡器 第四章电路主要子模块的分析与仿真 在p w m 调制型开关电源电路中，振荡电路是核心的功能模块，它对电路的 信号处理性能有很大的影响，因此要求在电源电压、温度、工艺和环境负载变化 或漂移的条件下，振荡电路能够产生频率稳定的信号输出【1 刀。本文设计的振荡器 可以为电路提供开关管的控制信号和用于电流补偿的锯齿波信号，振荡频率为 1 2 m h z ，占空比为8 7 ，锯齿波的幅值在0 5 v 和1 0 v 之间。 4 1 1 振荡器原理 振荡器采用锯齿波发生器的原理，通过电流源对电容的充放电实现锯齿波， 然后通过锯齿波和参考电压的比较实现同频率的方波。其原理图如4 1 所示。 图4 1 振荡器工作原理图 开关k 1 、k 2 、k 3 的导通情况控制电容的充放电，v r e f l 、v r e f 2 、r 1 和r 2 的值设置锯齿波的上下限，电流源的大小可以决定电容充放电的时间，从而确定 方波信号的频率和占空比。当k 1 和k 2 打开，k 3 闭合时，电流源开始对电容 c 充电，比较器c o m p 的正向端输入值为v r e f l ，当电容c 上的电压值达到v r e f l 时，比较器翻转，控制开关k 1 和k 2 导通，k 3 关闭，电容通过k 1 通路开始放 电，当电容上的电压值达到v r e f 2 时，比较器再次翻