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1、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,2 电路元件制造工艺,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,2 PNP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
2、向PNP管,(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12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,3 多发射极管和多集电极管,4 二极管,晶体管制作时，只要开路或短路某一PN结即得：,5 电阻:,金属膜电阻:温度特性好 扩散电阻，按结构分： 基区电阻 50100K 20% 发射区电阻 11000 （电阻率低） 窄基区电阻 电阻率高 101000K 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）,6 电容,MOS电容： 利用SiO2保护层作
3、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,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,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
4、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,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：,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
5、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,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,（二）对差模信号的放大作用,双端输入双端输出时：,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 rid,3 差模输出电阻rod,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,记为： Ui
6、c1 ,Uic2 Uic1 = Uic2 = Uic,1 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610 (b)共模输入等效电路,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）=20lg IAUd/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)l,2 共模输入电阻,3 共模抑制比CMRR,动画6-1,输入Ui1, Ui2 可写为： Ui1=(Uic1 + Uid1) Ui2=(U
7、ic2 + Uid2) Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2 Uid1 =- 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611 典型差放电路,动画6-2,（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,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
8、 ” 状态,1单端输入方式：,图612 单端输入、输出方式,AUc=0 Rid=2(Rb+hie) Rod=2Rc/(2/hoe),2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,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613 恒流源差放,三 组合差分输入级,(一) 共射-共基组合差放,图614(a) 共射共基差放,T1 ,T2 -共射电路,T3 ,T4 -共基电路,(二) 共集-共基差放电路,-高值NPN管 -低横向PNP管,特点：
9、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管大弥补PNP管小，利用PNP管反向击穿电压高提高差模输入电压范围。),图614(b) 共集共基差放,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615 共模负反馈差放,对差模信号无负反馈作用,抑制共模信号过程,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616 恒流源差放,(二 )Uo与Ui关系曲线,图617 传
10、输特性,5)在T1 、 T2管接入射极电阻Re会使传输特性线性范围加宽。,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 0.5 I0 ， Uo0。,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 2 UT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 Io为一常数，故一管电流增大，另一管电流必然减小。,一 镜像电流源电路,（一）基本恒流源,第三节 电流模电路,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：
11、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（A级),图619 基本电流源,（二）比例恒流源,1.在基本恒流源的T1 、T2管接入射极电阻R1 、R2 ，,当Ic1 =(510) Ic2时，,图620(a) 比例恒流源,2.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620(b) 比例恒流源,（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621 微电流源,（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
12、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622 闭环负反馈电流源,（五）多路恒流源,如图(a)，各管特性一致，则：,n越大，越大，故可采用(b)电路以使Io与Ir接近相等。此时：,图623 多路基本恒流源,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(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
13、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6-24 TL回路,（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625(a) A回路电流放大器,可得：,即,输入差模电流： 输出差模电流：,2.B回路电流放大器,输入差模信号：,输出：,同理可得：,与A回路相比，输入输出电流极性相反。,图625(b) B回路电流放大器,（四）两级可变增益电流放大器,图
14、626 两级电流放大器,每一级的电流增益为,每一级的电流增益为,设计低频功放应考虑以下几个特殊问题： 1.转换效率： Po/ PDc 2.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。,三极管的
15、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180360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。,甲乙类180360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,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,Po/ PDc=25%,实际
16、1020,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,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。,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
