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采用双外延悬浮PNP管输出的八通道音频功率放大电路的设计摘要随着科技水平的提高，功率集成电路发展迅速。功率集成电路（PIC）是指将高压功率器件与信号处理系统及外围驱动电路、接口电路、保护电路、检测电路等集成在同一芯片上的集成电路。音频功率放大电路是功率集成电路中的一个重要组成部分。而音频功率放大电路的设计也一直是集成电路中的一个热门课题，最简单的电路有时可以提供最佳性价比方案。虽然市场上已有众多新的低功率放大电路表现出向D类音频性能发展的趋势，但就低成本、低失真、低噪声及高性价比而言，AB类音频功率放大电路仍然最具有竞争力。本论文设计的是基于模拟集成电路的八通道AB类音频功率放大电路，应用于车载音响系统。该电路采用了三级结构，分别设计了由单端输出差分放大电路组成的输入级、电压放大级以及互补对称推挽式功率输出级。辅助电路包括静音功能电路、保护电路和偏置电路等。电路内部采用BTL接法，BTL可以充分利用系统电压，因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。为降低功率输出管饱和压降，提高电路输出功率，本设计采用了先进的磷埋双外延工艺。并利用Cadence对各部分电路进行了仿真，仿真结果完全满足设计要求。最后，对电路的器件及性能进行了测试，测试结果符合用户需求。关键词：AB类输出 音频功率放大器 磷埋 双外延AbstractWith the technology level, Power Integrated Circuits (PIC) gets rapid development. Power integrated circuit (PIC) is a single chip including high voltage power devices and controlled ICs. Audio power amplifier is an important component of PIC. The audio power amplifier design of integrated circuits has been a hot to PIC. Sometimes, the simplest circuit can provide the best cost-effective program. However, the simplest circuit sometimes provides the most appropriate project. Now more and more production of amplifiers with low power loudspeaker show the trend to develop class-D audio power amplifier, but class-AB audio power amplifiers have preponderant all the same in lower price, lower distortion, lower noise and better cost-effective.Based on bipolar technology, a 8-channel audio power amplifier used in the sound box that is on a car. The circuit is a three-tier structure, namely the design of a single-ended output differential amplifier circuit of the input stage, voltage amplification level, and complementary symmetry push-pull power output stage. Auxiliary circuit includes mute circuit, protection circuit and bias circuit. The circuit is used of BTL connection. BTL circuit to make full use of system voltage, so often applied to BTL structure of low-voltage systems or battery-powered systems. In order to reduce the Vsat of output power transistor, improve the output power of the circuit, It used advanced process of phosphorus buried double epi . And utilize Cadence to run circuit simulation. Simulation results fully satisfy the design requirements. Finally, the transistors and function of the circuit are tested, and the results match the users need.Keywords: Class-AB output stage audio power amplifier phosphorus buried double epi目 录摘要IAbstractII第一章 引言11.1车载音频功放市场背景11.2音频功放的现状与发展趋势11.3音频功放的主要技术指标3第二章 音频功放的原理与分类52.1音频功放的组成原理52.2音频功放的分类62.3 AB类互补功率放大电路原理与分析72.3.1电路工作原理72.3.2 电路的输出功率及效率9第三章 电路设计113.1电路典型应用及设计指标113.2具体电路功能模块113.2.1 输入级123.2.2 输出级133.2.3 输出过载保护电路153.2.4 对Vcc、GND短路保护电路173.2.5 输出限幅电路193.2.6 静音功能电路203.2.7 增益的计算213.3电路仿真223.3.1 输入输出信号的仿真223.3.2 通频带的调整26第四章 工艺设计与实现284.1悬浮PNP管工艺进展284.2磷埋双外延工艺294.3具体工艺过程30第五章 电路测试335.1电路器件参数测试335.2电路性能参数测试34第六章 结论37参考文献：38致谢39附录403第一章 引言1.1车载音频功放市场背景随着社会经济的不断发展，汽车进入家庭正变得越来越普遍。与之相适应的是，汽车电子技术也得到迅速发展，汽车音频系统也在不断升级，以满足消费者对音频体验的更高要求。例如，支持多种外加音源(诸如DVD、SD卡、蓝牙、数字广播等)；电台接收效果更好；音效处理更加丰富，甚至要达到Dolby 5.1等家用音响的效果。同时，汽车厂商和设计公司又希望能够缩短产品开发周期，加速上市。所有这些都对汽车功放产品提出更高要求。功率放大器简称功放，它是一种放大电路，能够输出足够大的信号功率，带动一定的负载，例如驱动扬声器发出声音，推动电机转动等等。汽车功放就是汽车影音系统中的音频功率放大器。其作用是将音频输入的信号进行选择与处理，并进行功率放大，使电信号具有推动音箱的能力。汽车功放和普通家庭影院中的功放略有不同，由于很多车载主机集成了功率放大功能，起到前级放大功能，因此汽车功放有时又被称为后级放大，也就是说可以连接已经放大过的高电平输入。功放是一套好的音响必不可少的组成。主机上所带的功放往往不能很真实地放大声音电流，所以要想有好的音乐感受就必须加装音频功放。1.2音频功放的现状与发展趋势晶体管音频功率放大器的设计与技术，自开始时算起，已经有近50年的历史了。早在60年代以前，真空管功率放大器一直占着主导地位，其工作类别采用A类(甲类)或B类(甲乙类)，并由变压器与负载耦合。这一趋势，随着半导体技术的发展，可认为终止于真正可靠的半导体管达到了合理价格之时。随后，使用锗器件的设计首先出现，但是锗管在一般的高温时容易损坏而严重地遭受着磨难，热逃逸这个词由此诞生。之后硅材料的NPN型半导体管出现，在一段时期里，绝大多数功率放大器采用此管用于功率放大级的推挽工作中，但仍依赖于输入和输出变压器进行耦合。显然，这些变压器往往是笨重而价高，线性不佳，再加上其低频和高频相移，严重地限制了可安全使用的负反馈量，从而增加了其伤害性。后来，人们已认识到在功率晶体管和8扬声器之间的阻抗匹配上，无需再用变压器了。于是出现了无变压器的Lin氏电路组合，从而构成了准互补输出级。因为当时已有相当不错的PNP激励管在市场上可售，而功率输出器件采用推挽电路可做成NPN型管。合适的互补功率器件，出现在60年代后期。这时，全互补输出级立刻证明了它比准互补电路具有失真较小的优点。大约同一时期.由于晶体管差分对已成为人们熟悉的电路单元，直流耦合放大器开始超越电容耦合方式的交流放大器。随着现代电子技术的不断发展，功率放大电路也得到了飞速发展和应用。特别是半导体技术的进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方向不断发展。功率放大器通常根据其工作状态分为五类.即A类、AB类、B类、C类和D类.在音频功放领城中，前四类均可采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有两种状态，不是通就是断。因此，它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。人们把此种具有“开关”方式的放大，称为“数字放大器”。模拟功率放大器通过采用优质元件，复杂的补偿电路，深负反馈，使失真变得很小，但大功率和高效率一直没有很好的解决。而且传统的音频功放工作时，直接对模拟信号进行放大，工作期间必须工作在线性放大区，功率耗散较大，这都可以通过采用推挽输出结构来减小功率器件的承受功率，但在较大功率情况下，仍需设计复杂的补偿电路和过流、过压、过热等保护电路，体积较大。虽然模拟功放始终无法解决效率、成本、非线性失真这三者之间的矛盾，但今天的功放和音箱仍然是模拟统治的天下。原因是数字功放(D类功放)在价格上偏高，远远超过了普通大众的接受能力。因此，从世界水平来看，现有的功放仍停留在模拟放大的水平上，而数字功放技术尚未大规模商业应用。1.3音频功放的主要技术指标音频功率放大器的作用是将音频输入的信号进行选择与处理，进行功率放大，使电信号具有推动音箱的能力。因此在输出功率、频率响应、失真度、信噪比、输出阻抗和阻尼系数等方面都有明确要求。1. 额定输出功率额定输出功率是指在有效音频范围内，当产生额定总谐波失真时，在额定负载阻抗上产生的功率。由于功放的额定输出功率是由供电电压，功率管特性及所接负载大小决定的，所以在总谐波失真这个条件下，不同的失真指标所对应的输出功率是不同的。也就是说，额定输出功率是受总谐波失真指标限制的，即当总谐波失真增大时，其输出功率也将增大。显然，额定输出功率与总谐波失真是相关联的。同时，在不同的负载阻抗条件下，其额定输出功率也是不同的。因此，在说明功放的额定输出功率时，也必须给出是在多大负载条件下得出的。而且，功率的负载阻抗不能过小，否则会烧毁功率管。2. 最大输出功率最大输出功率也叫瞬间功率，或者峰值功率。对功放来说，最大输出功率是指在一定的谐波失真指标内，给功放输入足够大的信号，并将音量和音调电位器调到最大时，功放所能输出的最大功率。它是车载功放在不考虑失真情况下，在极短时间(通常只有几毫秒)内不发生物理损坏或电气损坏时的功率值。最大输出功率体现产品在瞬间超负荷运转的能力，并且可以在一定程度上反映出额定功率。3. 转换效率功率放大电路的最大输出功率与电源所提供的功率之比称为转换效率。电源提供的功率是直流功率，其值等于电源输出电流平均值及其电压之积。通常功放输出的功率大，电源消耗的直流功率也就多。因此，在一定的输出功率下，减小直流电源的功耗，就可以提高电源的效率。4. 总谐波失真（THD）总谐波失真是指输入单一频率的余弦信号，输出的各次谐波总有效值和基波功率有效值之比的平方跟。THD的大小是功率放大器非常重要的指标，所谓高保真功率放大器，谐波失真在一般都在1%以内。一般而言，输出功率越大，THD要做得好就越不容易。降低总谐波失真的方法，一般都是使用负反馈。反馈深度为1+AF，则加入负反馈之后失真就降为开环条件下的1/（1+AF）。负反馈是降低非线性失真行之有效的方法。5. 频率响应频率响应反映功率放大器对音频信号各频率分量的放大能力，功率放大器的频响范围应不底于人耳的听觉频率范围，因而在理想情况下，主声道音频功率放大器的工作频率范围为20Hz20kHz。国际规定一般音频功放的频率范围是40Hz16kHz1.5dB。6. 信噪比在电路中，由于电子的不规则运动所形成的干扰和感应产生的干扰，通常都称为噪声。这种噪声的声压和频率都会对音频信号造成一定的干扰，特别是当噪声信号的频率和音频信号的频率接近时，干扰会更大。因此，对这种噪声信号的干扰必须加以限制，要求它不要超过所允许的上限值，通常采用信噪比(S/N)指标来衡量。音频功放的信噪比，通常定义为其额定输出功率与噪声功率之比，用dB表示。7. 负载阻抗负载阻抗是指车载功放正常工作时所能支持的负载，也就是车载扬声器的阻抗，其单位是欧姆()。目前，大部分车载功放的负载阻抗是在2-8欧姆。负载阻抗越低则车载功放的电流输出能力越大，越容易搭配一些低阻抗的车载扬声器，而且也越容易驱动比较长的信号线。8 音频功放声道所谓声道(Sound Channel)是指在录制或播放时声音在不同空间位置采集或音频信号相互独立的回放。所以声道数也就是声音录制时的音源数量或回放时相应的扬声器数量。理论上声音的完全真实再现需要无限多的拾音器、无限多的声道和无限多的扬声器，这实际上无法办到，只能利用特定的音效技术尽量真实地再现声音。所以声道数越多，人耳所听到的声音也就越连续、跳跃感就会越少，声音也就越真实越完美。 第二章 音频功放的原理与分类2.1音频功放的组成原理在电源电压确定后，输出尽可能大的功率和提高转换效率始终是功率放大电路要研究的主要问题。因而围绕这两个性能指标的改善，可组成不同的电路形式，主要有以下两类：1.OCL电路如图2.1所示，电路互补输出级摒弃了输出电容，成为无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。 图 2.1 OCL电路在OCL电路中， 和特性对称，采用了双电源供电。静态时， 和均截止，输出电压为零。设晶体管b-e间的开启电压可忽略不计；输入电压为正弦波。当uio时，管导通，管截止，正电源供电，电流如图2.1中实线所示，电路为射极输出形式，uoui时；当ui0时，和管导通，和管截止，电流如图2.2中实线所示，负载上获得正半周电压；当ui0且逐渐增大时，增大，管基极电流随之增大，发射极电流也必然增大，负载电阻RL上得到正方向的电流；与此同时，ui的增大使减小，当减小到一定数值时，管截止。同样道理，当ui0，负载电阻RL上得到负方向的电流；与此同时，ui的减小，使减小，当减小到一定数值时，管截止。这样，即使ui很小，总能保证至少有一只晶体管导通，因而消除了交越失真。和管在ui作用下，其输入特性中的图解分析如图2.4所示。 图2.4 和管在ui作用下输入特性中的图解分析2.3.2 电路的输出功率及效率功率放大电路最重要的技术指标是电路的最大输出功率及效率。为了求解，需首先求出负载上能够得到的最大输出电压幅值。若输出功率最大，则在正弦波信号的正半周，ui从零逐渐增大时，输出电压随之逐渐增大，管管压降必然逐渐减小，当管压降下降到饱和管压降时，输出电压达到最大幅值，其值为，因此最大不失真输出电压的有效值 （22）最大输出功率 （23）在忽略基极回路电流的情况下，电源Vcc提供的电流 （24）电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率等于其平均电流与电源电压之积，其表达式为 （25）整理后可得 （26）因此，转换效率 （27）在理想情况下，即饱和管压降可忽略不计的情况下 （28） （29） （210）应当指出，大功率管的饱和管压降常为23V,因而一般情况下都不能忽略饱和管压降，即不能用式（28）和（210）计算电路的最大输出功率和效率。41第三章 电路设计3.1电路典型应用及设计指标本设计电路为AB类音频功率放大器，是兼具A类与B类功放优势的一种设计。AB类功放在效率以及保真度方面，优于A类和B类功放，因而AB类功放成为目前汽车音响中应用最为广泛的设计方案。AB类车载功放电路典型应用如图3.1所示。图3.1 电路典型应用本电路使用时的工作电压为14.4V，要求每个BTL通道各输出25W的功率，即输出功率需达到425W（BTL），这对于电路输出级的设计提出了相当高的要求。为了减小输出级饱和压降，提高输出功率，满足设计指标，本电路采用特殊工艺的悬浮PNP管作为输出管。另外，本电路还内置过载保护，输出对地、对电源保护及静音功能等。 3.2具体电路功能模块本设计AB类功率放大器主要由输入级、中间级、输出级、偏置电路及保护电路等组成，如图3.2所示。输入级采用差分放大电路，利用差分电路的对称性可以减小温度漂移，从而提高整个电路的共模抑制比，它的两个输入端可以扩大集成运算放大器的应用范围。中间级主要作用是提高电压增益。输出级主要用于提高负载能力。偏置电路用以供给各级直流偏置电流，它由各种电流源电路组成。过载过温保护、对Vcc、GND保护等防止功率放大器烧毁的电路统称为保护电路。 图3.2 电路主要结构框图3.2.1 输入级输入电路的性能将影响整个放大器的技术指标。对于输入级电路一般有以下几点要求：（1）输入级应有尽可能小的输入偏置电流，也就是应有高的输入电阻；（2）输入级应有良好的匹配特性，以保证电路具有较小的失调、漂移以及良好的共模抑制特性；（3）输入级应有一定的电压增益，以减小后级电路的失调、噪声等参数对整个运放性能的影响；（4）输入级能允许输入较大的差模信号及共模信号。放大器的输入级，几乎一律都采用差分对管放大电路，一般是因为它的直流失调量很小。其中，除电压相互抵消而使失调量在本质上就很小外，还有两条理由：其一是它的固定电流不再必须通过反馈网络了；其二是它的线性远比单管输入级好。由于输入级所处理的信号与输出级放大后的信号相比很小，其线性问题容易处理。但是，对输入级的设计也不能轻视，因为设计出来的输入级稍有不妥，很容易地出现高频失真。在许多电路中，输入级一般都采用NPN差分对管，这是因为NPN管的频率特性比PNP管好。对音频功放而言，是处理20Hz20kHz的信号，故对输入管频率特性的要求没有其他处理高频信号的电路那样高，主要要求其在高的工作电压和大的输出功率下能够有较好的稳定性和较小的信号失真。该电路的输入级采用了PNP差分对管如图3.3所示。可以保证较高的输入差分电压承受能力。该级的工作电流确定为几十A。一方面保证了电路有较大的输入阻抗；另一方面，有利于降低该级电路所产生的噪声，确保后级电路能够获得保真度更高的信号。图3.3 采用了PNP差分对管的输入级3.2.2 输出级半导体技术的发展，对于功放类集成电路的技术要求越来越高，希望能在尽可能小的芯片上输出尽可能大的功率。为此，功放类集成电路的输出级设计就显的尤为关键。目前功放电路使用较多的输出级结构如图3.4所示，图中T1,T2复合而成的PNP型管与NPN型管T3构成互补形式输出。当输入信号为正半周时，T1,T2导通，T3截止，输出管饱和压降取决于T1管饱和压降+T2管VBE；当输入信号为负半周时，T1,T2截止，T3导通，饱和压降取决于T3管饱和压降。众所周知，电路饱和压降越小，输出功率越大。由此可见，以上电路的输出功率主要受制于T1管饱和压降，因为T1管一般为横向PNP管，饱和压降较大。如果用PNP管直接作输出管取代上图中的T1,T2管，如图3.5所示，这样既可以降低输出级饱和压降，提高电路输出功率，又可以减小芯片面积，降低成本。但是这要求输出PNP管必须具备大电流下工作的能力，并且饱和压降要小于图3.4中T1管饱和压降+T2管VBE，否则没有意义。本设计采用先进工艺的悬浮PNP管，较好的解决了这一技术难题 VccGndVoutT1T2T3VccGndVoutT1T3图3.4常规功放电路输出级结构 图3.5采用PNP管输出级结构图3.6所示为本设计AB类功放电路的输出级。其中T25为输出悬浮PNP管，T26为输出NPN管，两管共同构成互补推挽输出级。 图3.6 电路输出级3.2.3 输出过载保护电路常规输出过载保护电路：如图3.7所示，常规的输出设计采用的是T1，T2复合而成的PNP管与NPN管T3构成互补形式输出。它的输出过载保护设计的原理是：当负载很小时，输出管T2的电流变大，因I2为T2的驱动电流，从而I2也变大。而T5、T4、T3构成比例电流源，所以I1变大。再通过I1触发使偏置电路关闭。 图3.7常规输出过载保护的设计本电路的输出过载保护的设计：因为该电路采用了悬浮PNP管输出，所以它的输出过载保护与常规输出过载保护有区别。它的工作原理是：如图3.8所示，当负载很小时，输出管电流很大，在上管T25的电流很大，上管发射极铝线上产生一定的压降，即R39上产生压降，使T28的电流小于T27，从而T35导通，接着T36基极电位升高，T36导通。T36导通后电流源偏置关闭，从而达到输出过载保护的设计。图3.8 本电路输出过载保护的设计3.2.4 对Vcc、GND短路保护电路对GND短路保护：如图3.9所示，输出脚OUT1+接地时 ，T29、T30导通，此时上管电流很大，上管发射极铝线上产生一定的压降，即R39上产生压降，使T28的电流小于T27，T35导通，T36基极电位升高，T36导通。T36导通后电流源偏置关闭，从而达到对GND短路保护的设计。 图3.9对GND短路保护电路(此图是从图3.8中截取部分)对Vcc短路保护：如图3.10所示，输出OUT1+被接到电源时，T31、T32导通，同上管，由于下管发射极铝线上产生一定的压降，即R40上产生压降，使T34的电流小于T33，R44压降变大。接着T36导通。T36导通后电流源偏置关闭，从而达到对Vcc短路保护的设计。 图3.10对Vcc短路保护电路(此图是从图3.8中截取部分)3.2.5 输出限幅电路上管输出限幅设计：如图3.11所示，当上管T25输出幅度变大时，输出电流变大，从而T25基极电流变大，R30分压变大，当R30的压降大于VBE时，T23导通，电流反馈至R13上，R13电压升高，T8集电极电流变小，流入T9的基极电流变大，上管导通变小。T23与 R13构成负反馈，调整上管输出幅度。下管输出限幅设计：当下管T26电流很大，即下管饱和时，T20集电极电位约为0V，基极电位约为0.7V，T20反向导通，流入T9基极的电流减小，下管导通变小。T20与R34构成负反馈，调整下管输出幅度。图3.11输出限幅电路3.2.6 静音功能电路该设计电路的静音功能是通过差分输入对来完成的。当MUTE脚接高电平时，第一个差分对有偏置电流流入，能正常工作，电路正常工作，而第二个差分对没有偏置电流流入，不能正常工作。如图3.12所示。当MUTE脚接低电平时，静音开启 ，第一个差分对没有偏置电流流入不能正常工作，而第二个差分对有偏置电流流入能正常工作。因为第一个差分对不工作，输入信号传不进来，所以达到静音功能，通过两个差分输入对完成静音功能可以有效的防止静音时的噗噗声。 图3.12 静音功能电路3.2.7 增益的计算该电路内部为BTL接法。如图3.13为功放内部一个通道工作原理图，其中OUT1为同相放大器输出端，OUT2为反相放大器输出端。负载的两端分别接在两个放大器的输出端。其中一个放大器的输出是另外一个放大器的镜像输出，也就是说加在负载两端的信号仅在相位上相差180。负载上将得到原来单端输出的2倍电压。从理论上来讲电路的输出功率将增加4倍。BTL电路能充分利用系统电压，因此BTL结构常应用于低电压系统或电池供电系统中。在汽车音响中当每声道功率超过10W时，大多采用BTL形式。BTL形式不同于推挽形式，BTL的每一个放大器放大的信号都是完整的信号，只是两个放大器的输出信号反相而已。电路采用了BTL接法，故其通道增益为：同相放大器： （31）反相放大器： （32） 图3.13 电路BTL工作示意图3.3电路仿真3.3.1 输入输出信号的仿真图3.14为同相放大器输入仿真波形。其Vin=200mV。图3.14 同相放大器输入波形图3.15为同相放大器输出仿真波形。其Vout=2.31V。故 (33)仿真值与理论值接近。图3.15 同相放大器输出波形图3.16为反相放大器输入仿真波形。其Vin=198mV。图3.16反相放大器输入波形图3.17为反相放大器输出仿真波形。其Vout=2.23V。故 。 (34)仿真值与理论值接近。图3.17反相放大器输出波形3.3.2 通频带的调整图3.18中C1、C2为通频带设定电容。C1的作用是改变带宽。增大C1时，带宽展宽。C2的作用为提高阻带衰减速度。减小C2时，滤波效果就越好，但不是越小就越好，因为C1、C2构成二阶低通滤波器，减小C2的同时，低通滤波器的Q值就越大，带宽就越小。而下限截止频率是由输入信号的耦合电容决定的。图3.19为优化后的通频带。图3.18通频带调整电容 图3.19 通频带优化前后的比较第四章 工艺设计与实现4.1悬浮PNP管工艺进展前一章已经分析过，采用PNP管作为输出管，理论上可以降低电路饱和压降，提高电路输出功率。但是，如何解决PNP管在大电流工作下的放大能力以及饱和压降问题呢？若用横向PNP管，则其较小，大电流下更无法满足要求；而衬底PNP管集电极又交流固定接地。为了获得性能较好，集电极电位又可自由连接的PNP管，以提出了多种设计方案，其中之一是与对通隔离工艺兼容的自由集电极纵向PNP管，即悬浮PNP管。但是早期悬浮PNP管采用单外延工艺，其饱和压降受制于集电极浓度，无法做的很小。当采用双外延工艺制作悬浮PNP管的技术出现后，悬浮PNP管饱和压降就可以做的很小，且电流能力较强，因此双外延悬浮PNP管可以直接用作输出管，这样既可以降低输出级饱和压降，提高电路输出功率，又可以减小芯片面积，降低成本。目前国外及国内只有少数几个厂家掌握双外延工艺，并且均采用锑埋工艺技术，而锑埋浓度不能做的较淡，否则悬浮PNP管集电极与衬底容易穿通失效，锑埋浓度做浓的后果会补偿较多的硼埋（即悬浮PNP管集电极）浓度，这样就限制了悬浮PNP管饱和压降进一步减小，影响了电路输出功率的进一步提高。常规双外延工艺采用锑埋作为第一次外延的N型埋层，工艺流程如图4.1所示， 在这个工艺平台下，最终形成的悬浮PNP管纵向结构如图4.2所示，其基本单管参数如下：=100140/Ic=1mA，BVceo=3740V，BVcbo=5060V，BVebo=1920V。外延二硼埋二外延一锑埋硼埋一一一一一锑埋发射区P-、基区、P+隔离深磷N阱压点二铝通孔一铝接触孔 图4.1常规锑埋双外延工艺流程P+集电极发射极基极集电极上隔离硼埋二硼埋一P衬底硼埋一硼埋二上隔离N外延一N外延二上隔离上隔离N阱N+P+P+硼埋一硼埋二锑埋P+P+N+SubPWELL2N+P+N+NWELL1PWELL2N+P+NN+P+N+图4.2常规锑埋双外延悬浮PNP管纵向剖面图P+集电极发射极基极集电极上隔离硼埋二硼埋一硼埋一硼埋二上隔离N外延一N外延二上隔离上隔离N阱N+P+P+硼埋二P+P+N+SubPWELL2N+P+N+NWELL1PWELL2N+P+NN+P+N+硼埋一磷埋P衬底图4.3采用磷埋双外延悬浮PNP管纵向剖面图4.2磷埋双外延工艺本设计电路为了减小输出悬浮PNP管饱和压降，提高电路输出功率。采用磷埋技术的双极型悬浮PNP管双外延制作工艺，即在制作悬浮PNP管的双外延工艺中采用掺磷埋层技术，因磷埋剂量较淡，可补偿较少的硼埋（即悬浮PNP管集电极）浓度，如图4.3所示。通过比较（图4.2）和（图4.3），我们可以看出，在采用锑埋技术的双外延工艺中，因锑埋浓度较硼埋一大，因此，锑埋补偿硼埋一较多，造成硼埋一剩余杂质总量较小；而在采用磷埋技术的双外延工艺中，因磷埋浓度较硼埋一淡，因此磷埋补偿硼埋一较少，硼埋一剩余杂质总量较大。而决定悬浮PNP管饱和压降的，主要是硼埋浓度（硼埋一+硼埋二），硼埋浓度越浓，悬浮PNP管集电极串联电阻越小，饱和压降也就越小。因此采用磷埋技术的双外延悬浮PNP管，其饱和压降肯定优于采用锑埋技术的双外延悬浮PNP管。我司通过单管实验，比较了采用磷埋双外延工艺制作的悬浮PNP管与采用锑埋工艺制作的悬浮PNP管，发现在相同的悬浮PNP管面积下，磷埋工艺比锑埋工艺管子饱和压降减少约20%。数据如下：悬浮PNP管面积均为692*124m2，采用常规锑埋双外延工艺，其饱和压降为0.22V/Ic=100mA；采用磷埋双外延工艺，其饱和压降为0.18V/Ic=100mA。因此，达到相同的饱和压降，采用磷埋技术的双外延工艺制作的悬浮PNP管，其面积可比采用锑埋技术缩小约20%，这在半导体集成电路产品成本压力日益增大的今天，无疑将产生极大的竞争力，从而有利于推动功放类集成电路不断向更高要求发展。4.3具体工艺过程从芯片面积上来说，采用磷埋双外延技术与常规采用锑埋双外延技术芯片面积大小相同，不需额外增加芯片面积，仅工艺过程有所不同。我司采用磷埋双外延工艺制作悬浮PNP管的材料片为P型晶向，电阻率为1020cm，工艺流程如图4.4所示，外延二硼埋二锑埋外延一硼埋一磷埋发射区P-、基区、P+隔离深磷N阱压点二铝通孔一铝接触孔 图4.4采用磷埋双外延工艺流程具体工艺步骤如下： 1. 投料： 采用P型基片，晶向为。2. 氧化： 厚度 5000 10000 。3. 磷埋光刻、腐蚀： 在悬浮PNP管N埋部位刻出光刻窗口。4. 磷埋注入： 在悬浮PNP管N埋部位注入磷，注入能量 50 KeV 120KeV，注入剂量5E131E14，杂质为磷。5. 磷埋退火： 退火温度为10501200 ，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气。 6. 硼埋一光刻、注入： 在悬浮PNP管集电区部位注入硼，注入能量50 KeV 100KeV ，注入剂量1E145E14，杂质为硼。7. 硼埋一退火： 退火温度10501200，通入氮气 。 8. 第一次外延： 在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度58微米。9. 锑埋光刻、注入： 注入部位为NPN管埋层区，悬浮PNP管部位未注。 注入能量50KeV100KeV，注入剂量1E158E15，杂质为锑。10. 锑埋退火： 退火温度11001200，先通300分钟氮气，再通120分钟氧气。 11. 硼埋二光刻、注入：注入部位为悬浮PNP管集电区，注入能量50KeV 100KeV，注入剂量1E158E15 ，杂质为硼。硼埋二与硼埋一共同形成悬浮PNP管集电极。12. 硼埋退火： 退火温度为10501200 ，通入60分钟氮气。13. 第二次外延： 在悬浮PNP管集电区部位外延，厚度7 11微米。 14. N阱光刻、注入： 注入部位为悬浮PNP管基区，注入能量50KeV 100KeV，注入剂量3E125E13，杂质为磷。15. N阱退火： 退火温度10001160 ，通入 30分钟氮气。16. 深磷扩散： 扩散部位为NPN管集电区，悬浮PNP管部位未做。深 磷预扩10001100，先通15分钟氮气和氧气，接着通50分钟磷源，最后通5分钟氮气和氧气；深磷再扩为11001200， 先通5分钟氧气，接着通45分钟氢气和氧气，最后通5分钟氧气。17. 隔离扩散： 扩散部位为悬浮PNP管集电区以及隔离槽，目的是将悬浮PNP管集电区引至圆片上表面，再通过铝引线从上表面引出。隔离预扩为600900，先通10分钟氮气和氧气，接着通20分钟硼源，最后通10分钟氮气和氧气；隔离再扩为11001200，通入50分钟氮气和氧气。18. P-、基区注入： 注入部位为P-电阻区、基区电阻区及NPN管基区，悬浮PNP管未注。19. P+注入： 注入部位为悬浮PNP管发射区，集电区的欧姆接触区，以及横向PNP管发射区、集电区。注入能量为50KeV100KeV，剂量为1E152E15，杂质为硼。20. P+退火： 退火温度10501130，通入30分钟氮气。21. 发射区注入： 注入部位为悬浮PNP管基极欧姆接触区，以及NPN管发射区、集电区欧姆接触区，注入能量50KeV100 KeV，剂量为5E152E16，杂质为磷。22. 发射区退火： 退火温度10501130，通入30分钟氮气。23. 孔光刻、腐蚀： 采用干法加湿法的方法刻蚀，以形成良好的表面状态。24. 一铝溅射： 溅射1.01.5微米铝硅。25. 介质淀积： 淀积1000020000埃氮化硅。26. 通孔光刻、刻蚀：刻出一铝与二铝之间连接的通孔区域。27. 二铝溅射： 溅射23微米铝硅，采用厚铝，为提高电路能力。28. 压点光刻，刻蚀：刻出芯片压点区域。在这个工艺平台下，最终形成的悬浮PNP管纵向结构如图4.3所示。第五章 电路测试5.1电路器件参数测试该电路采用2um双极双层布线工艺流片，选用ASML 5：1光刻机，流片周期约45天。圆片首流批完成后，通过晶体管特性图示仪进行元器件参