模拟电子技术基础第六章课件-002

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六章双极型模拟集成电路集成化元、器件及其特点第二节第一1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平面工艺第一节集成化元、器件及其特点一集成电路工艺简介22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2电路元件制造工艺基区扩散发射区3硅片上的管芯集成电路的封装(a)双列直插式(b)圆壳式硅片上的管芯集成电路的封装4二集成化元、器件1NPN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＋型发射区和集电区二集成化元、器件1NPN晶体管52PNP晶体管

从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿晶体管断面的垂直方向运动优点：制造方便基区较NPN宽特征频率高输出电流大缺点由于隔离的需要，C极必须接电路电源最低电位常作射极跟随器

1)纵向PNP管2PNP晶体管从隔离槽P＋上引出集电极，载流子沿晶6(2)横向PNP管:发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平运动。缺点：

由于加工原因，基区宽度比普通NPN大1－2个数量级，

很小，特征频率低优点：

因为由轻掺杂的P型扩散区和N型外延区构成，e结和c1结反向击穿电压高(2)横向PNP管:发射极和集电极横向排列，载流子沿断面水平73多发射极管和多集电极管3多发射极管和多集电极管84二极管晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得：4二极管晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得：95电阻:金属膜电阻:温度特性好扩散电阻，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电阻:金属膜电阻:温度特性好106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6电容MOS电容：11结电容：由反向PN结构成，容量与结面积成正比，击穿电压低，漏电流大，但单位面积电容值高集成电路元件平面图结电容：集成电路元件平面图12二集成化元器件特点4集成电路中的寄生参量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电阻阻值越大占用硅片面积越大，一般几十

至几十K

，尽量用晶体管代替电阻电容3单个精度不高，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放大倍数取决于电阻比值的

负反馈放大器二集成化元器件特点4集成电路中的寄生参量存在会引起元件间13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：第二节集成差分放大电路（一）差分放大电路的组成：一、差分放14对称指两个三极管特性一致、电路参数相等Rb1=Rb2=Rb,Rc1=Rc2=Rc,

1=

2=

,rbe1=rbe2=rbe,

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对称指两个三极管特性一致、电路参数相等15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,Uid2Uid1=-Uid2=Uid（二）对差模信号的放大作用图6-8(a)双端输入双端输出差放Ie1Ie2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16双端输入双端输出时：Uo图6-8（b）差模输入等效电路不论单端输入还是双端输入，rid均为基本放大电路的两倍双端输出时，rod=2Rc//(2/hoe)当1/hoe>>Rc时，1差模电压增益AUd

2差模输入电阻rid3差模输出电阻rod双端输入双端输出时：17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，（三）对共模信号的抑制作用图6－10（a）共模电路Ie1Ie2记为：Uic1,Uic2Uic1=Uic2=Uic

共模信号：（三）对共模信号的抑制作用图6－10（a）共模电路181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）*2Ree>>（Rb+hie）时，图6－10(b)共模输入等效电路1共模电压增益Auc单端输出时，当（1+hfe）*2Ree19单端输出时，双端输出时，定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值即CMMR=IAUd/AUcI或CMMR（dB）=20lgIAUd/AUcI

双端输出时，CMMR可以认为等于无穷大单端输出时CMMR（单）=lAUd(单)/AUc(单)l2共模输入电阻3共模抑制比CMRR动画6-1单端输出时，定义：差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值220输入Ui1,

Ui2可写为：Ui1=(Uic1+Uid1)Ui2=(Uic2+Uid2)Uic1=Uic2=(Ui1+Ui2)/2Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2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图6－11典型差放电路动画6-2输入Ui1,Ui2可写为：若输入为一对任意数值和极性的信21（五）差放的输入和输出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：差模电压增益差模输入电阻输出电阻（五）差放的输入和输出差放的差模工作状态可分为四种：22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。对“单－双”和“双－双”状态1单端输入方式：图6－12单端输入、输出方式AUc=0Rid=2(Rb+hie)Rod=2Rc//(2/hoe)相当于Ui1=Ui,Ui2=0,则232单端输出方式：负载一端接集电极之一,另一端接地，对“双－单”和“单－单”状态2单端输出方式：负载一端接集电极之一,另一端接地，24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忽略T3基极电流，则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图6－13恒流源差放恒流源电路优点：低的直流内阻，高的动态内阻二、恒流源差分放大25三组合差分输入级(一)共射--共基组合差放图6－14(a)共射－共基差放T1,T2

----共射电路T3,T4

----共基电路并完成单端－双端输出转换T5,T6

----T3,T4集电极有源负载，三组合差分输入级(一)共射--共基组合差放图6－14(a26(二)共集-共基差放电路----高β值NPN管----低β横向PNP管特点：输入电阻高，电流和电压增益大。又称为互补差分电路。（利用NPN管β大弥补PNP管β小，利用PNP管反向击穿电压高提高差模输入电压范围。)图6－14(b)共集－共基差放(二)共集-共基差放电路----高β值NPN管特点：输入电27四共模负反馈差放两级共模负反馈第一级：T1、T2、T3构成恒流源差放第二级：T4、T5构成典型差放R1、R2构成两级电流负反馈，抑制共模信号图6－15共模负反馈差放四共模负反馈差放两级共模负反馈第一级：T1、T2、T328对差模信号无负反馈作用抑制共模信号过程对差模信号无负反馈作用抑制共模信号过程29五差放的传输特性传输特性：输出集电极电流Ic与输入差模电压Ui的函数关系及输出电压Uo与差模电压Ui的函数关系(一)Ic随Ui的变化曲线图6－16恒流源差放五差放的传输特性传输特性：输出集电极电流Ic与输入差模电压30(二)Uo与Ui关系曲线图6－17传输特性(二)Uo与Ui关系曲线图6－17传输特性315)在T1、T2管接入射极电阻Re会使传输特性线性范围加宽。结论1)当输入信号Ui＝0时（静态工作点Q)，差放处于平衡状态，Ic1＝Ic2＝0.5I0，Uo＝0。2)

在Ui=±UT=25mV范围内，Uo与Ui成线性关系。这一范围(约50mV)即小信号工作线性放大区。3)当Ui>±2UT时，Ic1、Ic2基本恒定不变，称为大信号限幅特性4)两管集电极电流之和βIo为一常数，故一管电流增大，另一管电流必然减小。5)在T1、T2管接入射极电阻Re会使传输特性线性范围加32一镜像电流源电路（一）基本恒流源第三节电流模电路则基准电流若Ib1=Ib2,Ic1=Ic2,若,则有因为T1、T2构造相同，Ube相同，所以Ic相同。称为镜像电流源电路。电路优点：结构简单，两管参数对称符合集成电路特点。电路缺点：Ic1数值仍受电源电压、R和Ube影响，且不易得到小电流（μA级)图6－19基本电流源一镜像电流源电路（一）基本恒流源第三节电流模电路则基33（二）比例恒流源1.在基本恒流源的T1、T2管接入射极电阻R1、R2，∵当Ic1=(5~10)Ic2时，图6－20(a)比例恒流源（二）比例恒流源1.在基本恒流源的T1、T2管接入射极电阻342.改变基本恒流源的T1、T2管的发射区面积Se----发射区面积W----基区宽度N----基区杂质浓度图6－20(b)比例恒流源2.改变基本恒流源的T1、T2管的发射区面积Se---35（三）微电流源（Wildar电流源）设计时一般先定Ir、Ic1值，再确定R2值图6－21微电流源（三）微电流源（Wildar电流源）设计时一般先定Ir、36（四）闭环负反馈电流源——威尔逊电流源如图：若T1、T2、T3特性一致，可得：由上式可看出，变化对保持影响较小，故此种电路传输精度高。图6－22闭环负反馈电流源（四）闭环负反馈电流源——威尔逊电流源如图：若T1、T237（五）多路恒流源如图(a)，各管特性一致，则：n越大，Δ越大，故可采用(b)电路以使Io与Ir接近相等。此时：图6－23多路基本恒流源（五）多路恒流源如图(a)，各管特性一致，则：n越大，Δ越大38二跨导线性电路（一）跨导线性的基本概念上式表明理想双极晶体管跨导gm是集电极电流Ic的线性函数，称为跨导线性(TL)二跨导线性电路（一）跨导线性的基本概念上式表明理想双极晶体39（二）跨导线性(TL)回路原理由图，回路方程为其中：则有：控制发射区尺寸使则有：TL回路：含有偶数个正偏发射结的闭合回路。回路中顺时针方向排列的正偏PN结数目与反时针方向排列的正偏PN结数目相等。在TL回路中，若顺时针方向排列的正偏PN结数目与反时针方向排列的正偏PN结数目相等，则顺时针正偏PN结的各电流乘积等于反时针正偏PN结的各电流乘积。跨导线性回路原理：图6-24TL回路（二）跨导线性(TL)回路原理由图，回路方程为其中：则有：控40（三）由跨导线性回路构成的

电流放大器1.A回路电流放大器图中，输入为T1、T4，其静态电流为Ix，输入差模电流是在Ix基础上变化x,输入电流：T2、T3管的静态电流为Iy图6－25(a)A回路电流放大器（三）由跨导线性回路构成的

电流放大器1.A回路电流放大器图41可得：即输入差模电流：输出差模电流：可得：即输入差模电流：422.B回路电流放大器输入差模信号：输出：同理可得：输入差模电流：输出差模电流：与A回路相比，输入输出电流极性相反。图6－25(b)B回路电流放大器2.B回路电流放大器输入差模信号：输出：同理可得：输入差模电43（四）两级可变增益电流放大器图6－26两级电流放大器（四）两级可变增益电流放大器图6－26两级电流放大器44每一级的电流增益为每一级的电流增益为每一级的电流增益为每一级的电流增益为45设计低频功放应考虑以下几个特殊问题：1.转换效率η：

η＝Po/PDc2.非线性失真：在大信号下，晶体管、变压器等非线性元件的特性不能看成线性，而是非线性的，故非线性失真不可忽略。3.晶体管的安全运用：在功放中，晶体管工作时电压、电流幅度变化大，接近极限运用，故应保证晶体管各电流、电压及集电极耗散功率不超过规定值。第四节功率输出级电路功率放大器：放大设备中直接与负载相连并向负载提供信号功率的输出级及其推动电路工作原理：实质是能量转换器。即在输入信号控制下，通过晶体管的作用将直流电源供给的能量转换成输出信号功率。设计低频功放应考虑以下几个特殊问题：第四节功率输出级电路功46三极管的工作状态三极管根据导通时间可分为如下四个状态，如图所示。

甲类-------三极管360°导电；特点：非线性失真小，但效率最低；甲乙类----三极管180°～360°导电；特点：兼有甲类失真小和乙类效率高的优点；乙类-------三极管180°导电；特点：失真较大，但效率较高；丙类-------三极管<180°导电；特点：失真最大，效率更高，只用于高频放大器。三极管的工作状态47甲乙类180°～360°导电乙类180°导电图17.01三极管的四种工作状态丙类<180°导电甲类360°导电甲乙类180°～360°导电乙类180°导电图17.0148一、甲类功率输出级T1----射极跟随输出级T2

----恒流源偏置电路，可提供ICQ，并作为T1发射极有源负载电阻6-27(a)射级跟随甲类输出级一、甲类功率输出级T1----射极跟随输出级6-27(a)49η＝Po/PDc=25%实际η＝10％～20％图6-27（b)T1管输出特性输入正弦信号正半周时输入正弦信号负半周时η＝Po/PDc=25%实际η＝10％～20％图6-27（50二、乙类功率输出级原理：当Ui为正弦信号正半周，T2截止，T1导通，Uo随Ui变化；当Ui为正弦信号负半周，T1截止，T2导通，Uo随Ui变化，故输出完整波形。图6-28(a)互补对称乙类推挽输出级(一)乙类推挽输出级工作原理1.互补对称乙类推挽输出级结构：由T1(NPN管)和T2(PNP管)分别与负载RL连成射极跟随器形成，T1、T2管的输出特性对称。二、乙类功率输出级原理：当Ui为正弦信号正半周，T2截止，516-28(b)变压器耦合乙类推挽输出级2.变压器耦合乙类推挽输出级结构

T1、T2特性相同，输入变压器次级有中心抽头以获得对称信号原理：正半周：N1次级感应电压上正下负，T1截止，T2导通，有iC2流过N2，得到iL负半周：N1次级感应电压上负下正，T2截止，T1导通，有iC1流过N2，得到反向iL在RL上得到完整正弦波。6-28(b)变压器耦合乙类推挽输出级2.变压器耦合乙类推挽52图6-29乙类输出特性（二）乙类推挽输出级的功率分析图6-29乙类输出特性（二）乙类推挽输出级的功率分析53忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为1.交流输出功率Po2．电源提供的直流功率PDC电源供给每管的直流功率为:电源提供给双管的直流功率为:电源提供给双管的最大直流功率为:忽略三极管的饱和压降，负载上的最大不失真功率为1.交流输出功543．功率转换效率η当Uom=EC

时效率最大，3．功率转换效率η当Uom=EC时效率最大，554．晶体管集电极功耗Pc

电源输入的直流功率，有一部分通过三极管转换为输出功率，剩余的部分则消耗在三极管上，形成三极管的管耗。显然

将Pc画成曲线，如图所示。乙类互补功放电路的管耗4．晶体管集电极功耗Pc将Pc画成曲线，乙类互补565.PC与Po关系曲线PCM=PCmax=Poη=50%O→MPo↑,PC↑;N点PoN=Ppmax,ηN=ηmax=78.5%M→NPo↑,PC↓,η↑;图6-30

Po与PC关系M点5.PC与Po关系曲线PCM=PCmax=Po57(三)乙类推挽输出级转移特性分析:1)Ui=0时,U0=0,T1,T2截止2)Ui>0且Ui<Ube0,U0

03)Ui

Ube0,T1导通,T2截止,Uo

Ui4)Ui

Ui1=Ec+Ube1-Uces1时,T1饱和,突变为水平线,Ui

为负电压时,相应为对称部分图6-31转移特性图中:U01=Ec-Uces1U02=Ec+Ube1-Uces1(三)乙类推挽输出级转移特性分析:图6-31转移特性图中:58

严格说，输入信号很小时，达不到三极管的开启电压，三极管不导电。因此在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。如图所示。输入信号很大时,T1、T2进入饱和,造成输出信号顶部失真,称为饱和失真。严格说，输入信号很小时，达不到三极管59三甲乙类功率输出级(一)双电源甲乙类输出级1甲乙类工作原理由于有Ub1,U02给T1,T2提供正向小偏压,使T1,T2接近导通,在Ui=

Ubeo范围内有输出跟随电压,可避免交越失真图6-32（a）甲乙类输出级原理图三甲乙类功率输出级(一)双电源甲乙类输出级图6-32（a）606-32(b)甲乙类推挽输出级转移特性原理Ui=0处，T1与T2处于导通，使整个转移特性曲线在工作区域的斜率接近于己于人，从而克服交越失真的影响6-32(b)甲乙类推挽输出级转移特性原理Ui=0处，T1612.互补推挽输出级T3--共射激励级,可提高输入信号电压幅度;T1,T2--互补推挽输出级D1,D2--给T1,T2提供小偏压图6-33互补输出级2.互补推挽输出级T3--共射激励级,可提高输入信号电压623.准互补推挽输出级复合管:两只导电类型相同的管子组成,复合后管子导电类型不变.T1A,T1B--NPN型复合管T2A,T2B--PNP型复合管复合管极性决定于小功率管T1A,T2A,输出特性决定于大功率管T1B,T2B,复合管电流放大倍数为T1A,T1B两管电流放大倍数乘积UB1-2=IR2(R1+R2)=Ube4(1+R1/R2)上两种电路负载RL可直接连到功放输出,不用耦合电容,称为OCL电路.3.准互补推挽输出级复合管:两只导电类型相同的管子组成,复合63图6-34准互补输出级图6-34准互补输出级64(二)单电源甲乙类推挽输出级(OTL)T3--共射激励级,电压放大;T1,T2--推挽功率输出级;D1,D2--提供小偏压;T4,T5--输出过载保护电路图6-35OTL电路(二)单电源甲乙类推挽输出级(OTL)T3--共射激励级65

运算放大器由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它的方框图如图6-36所示。图6-36运放组成及符号第五节集成运算放大器运算放大器由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大661.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输入端，一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号U－‘表示，另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相异，用符号U＋‘表示。4.恒流源偏置可提供稳定的几乎不随温度而变化的偏置电流，以稳定工作点。3.低阻输出级由PNP和NPN两种极性的三极管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电压或电流。具体电路参阅功率放大器。2.中间放大级：提供高的电压增益，以保证运放的运算精度。多为差动电路和带有源负载的高增益放大器。1.输入级:高性能的差动放大电路。运放有两个输676-37集成运放F741(F007)电路原理6-37集成运放F741(F007)电路原理68一.通用型集成运放F007电路原理

由输入级、中间级、输出级、恒流偏置构成。优点：输入阻抗高，共模范围大，开环增益高，工作稳定，输出有短路保护。一.通用型集成运放F007电路原理69(一)恒流源偏置电路T8、T9、T10、T11、T12、T13、R4、R5为偏置电路，

T11、T12、

R5形成偏置电路的基准电流Ir图6－39恒流偏置(一)恒流源偏置电路T8、T9、T10、T11、T1703.闭环恒流偏置T10、T11、R4连成的小电流恒流源带动由横向PNP管T8、T9组成的恒流源，并为T3、T4提供基极电流。1.基本恒流源电路T12所带动的恒流源T13是双集电极横向PNP管2.微电流源电路由NPN对管T10、T11组成，可提供一微小恒定电流Ic10图6－39恒流偏置3.闭环恒流偏置1.基本恒流源电路2.微电流源电路图6－3971(二)输入级电路由T1～T7、R1～R3构成，其中：T1、T2和T3、T4

接成共集－共基组合差分电路，T3、T4的输入阻抗分别作为T1、T2

的射极阻抗；T5、T6是T3、T4

的有源负载，兼有双端变单端作用；T7作用是减小T5、T6两管电流差别，R3用来增大工作电流，从而提高ß值；图6－40输入级电路(二)输入级电路由T1～T7、R1～R3构成，其中：图672电路特点1.PNP对管T3、T4具有高的发射结和集电结击穿电压,这可使F007的最大差模输入电压大于±30V;2.具有较高的差模输入电阻3.由于T7的耦合作用,使单端输出具有双端输出的差模增益;4.由于T7的耦合,使单端输出具有双端输出抑制共模信号的效果.电路特点73(三)中间级由T16、T17、T23组成T16--射极跟随器,在输入级与中间增益级间起缓冲作用;T17--共射电路,中间增益级,T13B为集电极有源负载;T23--射随器,作有源负载。图6－41中间放大级(三)中间级由T16、T17、T23组成图6－41中74(四)输出级及其保护电路T19、T20为互补输出级T14、T15给T19、T20提供偏压,消除交越失真.过载保护电路T15、T21、R6、R7、T22、T24及T23的发射结D1。图6－42输出级及其保护电路(四)输出级及其保护电路T19、T20为互补输出级图6－475(五)调零及相位补偿Rw

--调零电位器,使Ui=0时,Uo=0;CΦ=30pF--相位补偿电容,防止闭环时产生自激振荡.图6－38F007外部连接(五)调零及相位补偿Rw--调零电位器,使Ui=0时,76二集成运放参数及相位补偿技术

(一)集成运放的主要特性参数1.传输参数1)差模电压增益AUd=|Uo/Uid|或AUd(dB)=20lg|Uo/Uid|2)输入电阻RidAUd=Uid/Iid3)输出电阻Ro4)共模输入电阻Ric

5)共模抑制比CMRRCMRR=|AUd/AUc|二集成运放参数及相位补偿技术(一)集成运放的主要特性参数776)频率带宽截止频率fo

--运放开环增益下降到直流增益的0.707倍对应频率;单位增益带宽fc--运放开环增益下降到1时频带宽度;对单极点系统,有AUdfo=

fc7)差模输入电压范围Udm8)共模输入电压范围Ucm6)频率带宽78

1.输入失调电压Uos2.输入偏置电流

Ib3.输入失调电流Ios2.失调误差参数1.输入失调电压Uos2.输入偏置