半導(dǎo)體集成電路第三篇資料

1、半導(dǎo)體集成電路第三篇模擬集成電路一概念具有對(duì)各種模擬量進(jìn)行處理功能的集成電路，包括了數(shù)字電路以外的所有集成電路。二分類線性電路： 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在線性關(guān)系，如運(yùn)放， 電壓跟隨器，放大器等；非線性電路：如乘法器，比較器，穩(wěn)壓器，調(diào)制器，對(duì)數(shù)放大器等。三特點(diǎn)品種多，線路復(fù)雜，重復(fù)單元少；電源電壓高（12V ）；工藝復(fù)雜，精度要求高。四發(fā)展概況繼數(shù)字電路之后，六十年代中期迅速發(fā)展，開(kāi)始稱之為線性電路，后來(lái)出現(xiàn)了許多新品種，很多品種超出了線路電路的范疇，沒(méi)有歸屬，于是，67 年國(guó)際電器委員會(huì)（IEC ）正式提出了模擬集成電路的概念。1下面以運(yùn)放為例看發(fā)展：四十年代：電子管運(yùn)放，用于計(jì)算機(jī)中，

2、進(jìn)行各種數(shù)學(xué)運(yùn)算，運(yùn)放由此得名。五十年代：雙極型晶體管運(yùn)放。六十年代：?jiǎn)纹蛇\(yùn)放出現(xiàn)。原始型：A702 為代表，電阻負(fù)載；第一代：A709 為代表，標(biāo)志：采用橫向PNP 管；七十年代：第二代：A741 為代表（七十年代） ，標(biāo)志：有源負(fù)載；第三代：MC1556 為代表（七十年代） ，標(biāo)志：超管八十年代：第四代：MA 2900 為代表（八十年代） ，標(biāo)志：雙極，MOS 結(jié)合，斬波穩(wěn)零技術(shù)，大規(guī)模。2第十一章模擬集成電路中的特殊元件預(yù)備知識(shí)：晶體管平面工藝半導(dǎo)體工藝原理晶體管直流特性晶體管原理11-1 橫向 PNP 管一典型結(jié)構(gòu)及制造工藝在 n 型外延層上， 同時(shí)完成發(fā)射極和集電極的硼擴(kuò)散，然后

3、磷擴(kuò)散給出基區(qū)引線孔，蒸鋁，反刻。ECBPPPnnn+P由于射區(qū)注入的少子在基區(qū)中沿襯底平行的方向流動(dòng)，故稱橫向管。二電學(xué)特性：1電流增益：從橫向 PNP 管的結(jié)構(gòu)可知，橫向PNP 管存在兩個(gè)寄生縱向PNP 管。3當(dāng)橫向 PNP 管正向有源時(shí)VeVB VC V襯底這樣：射區(qū)基區(qū)襯底寄生縱向PNP 管也牌正向有源區(qū)；集電區(qū)基區(qū)襯底寄生管反向截止，可忽略其影響。由于存在寄生晶體管，嚴(yán)重地影響到橫向PNP 管的電學(xué)特性，這也是它質(zhì)量不高的一個(gè)重要原因。下面我們采用簡(jiǎn)化模型分析橫向PNP 管的 HFE 。假設(shè)：發(fā)射區(qū)均勻摻雜，則均勻注入；忽略 n+埋層上推形成的漂移場(chǎng)影響；橫向及縱向基區(qū)寬度均小于空穴

4、擴(kuò)散長(zhǎng)度。*I PX利用： IC IPX XIBIBX IBYI CI B可得：1WbXAYeWbYeAXbWeY2L2pbbWeX式中： AX 為發(fā)射結(jié)橫向面積；AY 為發(fā)射結(jié)縱向面積；4WbX ， WbY 為橫（縱）向基區(qū)寬度；WeY 為發(fā)射結(jié)縱向深；WeX 為發(fā)射極引線孔到發(fā)射區(qū)邊距離。當(dāng)縱向寄生管基區(qū)寬度WbYLPb 時(shí)1WbXAYe1eAXbWeYLpbbWeL按照一般的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：Xjc（eY ）3 mWN BS51018 / cm3NBC11015 / cm3WbX8WbY15WeL10計(jì)算值10RO 150/b5cm事實(shí)上，執(zhí)照上述設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)制作的橫向管，其放大倍數(shù)要大得多，目前國(guó)

5、內(nèi)水平一般在50 以內(nèi)，國(guó)外約為100。5偏差的原因：發(fā)射區(qū)非均勻注入；Na-Ndebcppmn+b： n+ 隱埋層上推形成對(duì)少子（空穴）縱向的阻滯區(qū)，減小了寄生縱向管的作用。提高的途徑：橫向結(jié)面積盡可能大，縱向結(jié)面積盡可能?。ㄈQ于圖形設(shè)計(jì)及結(jié)深設(shè)計(jì)）；：射區(qū)（硼）深擴(kuò)散；：提高注入效率；eb：表面鈍化（減小表面復(fù)合）；：間隙埋層，埋層為高復(fù)合區(qū)將增加縱向基區(qū)復(fù)合電流（使I增大，下降），采用間隙埋層則是一種折衷的辦法；：采用場(chǎng)助PNP 管，外加電場(chǎng)，提高橫向發(fā)射結(jié)有效偏置。事實(shí)上， 所有的這些措施都受到條件及其它元件特性的限制，在實(shí)際工藝中，往往是通過(guò)減少污染，表面吸雜與鈍化，增大硼擴(kuò)散結(jié)深

6、來(lái)控制。6另外，由于橫向PNP 管基區(qū)濃度低，發(fā)生大注入效應(yīng)（基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大注入自建電場(chǎng)，有效基區(qū)擴(kuò)展效應(yīng)）的臨界電流密度小，且由于縱向無(wú)效注入，使其電流容量較小 5A /m 。一般采用最小設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，認(rèn)為有效電流不得超過(guò)0.5 1mA。2擊穿特性：PN 結(jié)有三種地窖機(jī)構(gòu)：熱擊穿（漏電） ，隧道擊穿（重?fù)诫s） ，雪崩擊穿（輕摻雜）；對(duì)橫向 PNP 管，屬雪崩擊穿。由于基區(qū)電阻較大，雪崩擊穿電壓較高，當(dāng)cb 結(jié)反偏時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展很嚴(yán)重，以至尚未達(dá)到cb 結(jié)擊穿電壓，而ce 結(jié)已穿通。因此橫向PNP 管的擊穿特性實(shí)際上是ce 結(jié)的穿通電壓。采用突變結(jié)近似：qNBWbX2VPT2 0 si3頻

7、率特性：由于基區(qū)寬度大，渡越時(shí)間長(zhǎng)，且存在寄生晶體管效應(yīng)，頻率特性較差，一般為幾兆赫。7三橫向PNP 管常用圖形兩個(gè)特點(diǎn)： ：基區(qū)為外延層， 因而基區(qū)等電位的管子可置于同一隔離島；：只有發(fā)射結(jié)正對(duì)著收集極的側(cè)面積才對(duì)有貢獻(xiàn)， 因而圖形設(shè)計(jì)中總是以集電區(qū)圍繞著發(fā)射區(qū)。據(jù)此，我們可以采用一個(gè)基極制作出多個(gè)發(fā)射極和集電極，也可以根據(jù)需要，以多個(gè)集電極圍取一定比例的發(fā)射區(qū)側(cè)面積，來(lái)制作成比例的多個(gè)共基極晶體管，還可按設(shè)計(jì)要求，制作具有固定的電流放大倍數(shù)的晶體管。1單個(gè)橫向PNP 管圓形結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：發(fā)射結(jié)周界小，有利于減小復(fù)合電流，且消除了棱角電場(chǎng)。環(huán)形結(jié)構(gòu)：特點(diǎn)：在同樣擴(kuò)散深度下，發(fā)射結(jié)側(cè)面積與縱向面

8、積之比較大。從版圖尺寸考慮：發(fā)射區(qū)面積要?。ㄌ岣遞T ，）； WbX 全程（兼顧fT ， VPT ）；基區(qū)引線孔靠近射區(qū)，且面積大（減小Rb ）。2多集電極橫向PNP 管特點(diǎn)：共用基、射極，各集電極I C （）之比正比于它們所正對(duì)的射區(qū)8側(cè)面積之比。3可控增益橫向PNP 管特點(diǎn)：將多個(gè)集電極中的一個(gè)與基極短接形成負(fù)反饋，穩(wěn)定電流增益，此時(shí)增益由版圖定。4多發(fā)射極，多集電極橫向PNP綜合：1橫向PNP 管受基區(qū)寬度及寄生效應(yīng)影響，增益較低，1050，頻率特性較差，幾MH 。2其擊穿特性受穿通電壓限制，約幾十伏。3版圖設(shè)計(jì)采用集電區(qū)圍繞發(fā)射區(qū)，以盡量利用其有效射區(qū)側(cè)面，且采用埋層結(jié)構(gòu)。4大電流特性

9、較差。5工藝與NPN 管相容，簡(jiǎn)便，可簡(jiǎn)化電路，因而獲廣泛應(yīng)用。911-2 縱向 PNP 管在模擬集成電路中，在某些場(chǎng)合下，要求PNP 管具有較高的耐壓和較大的電流容量。 例如輸出管， 要求具有額定輸出電流，耐壓大于電源電壓，這時(shí)，橫向晶體管難以勝任。這里，我們介紹縱向PNP 管。一襯底PNP 管1結(jié)構(gòu)及其制造工藝：P 型襯底作為集電極，n 型外延層作為基區(qū)，硼擴(kuò)散形成發(fā)射區(qū)。EBCnP+nP-s2電學(xué)特性：電流增益晶體管原理P104 導(dǎo)出了 NPN 型均勻基區(qū)晶體管的為：1eWbWb2b Lpe2Lnb變換到 PNP 管，并利用eR eLpe10得：1R eWbWb22Lpbb顯然，對(duì)于縱向

10、PNP 管來(lái)說(shuō)： Wb 較大，因而較低；R e 較大，注入效率不夠高；影響了電流增益。書(shū)中對(duì)典型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)下縱向PNP 管的電流增益作了計(jì)算。提高的途徑：工藝上避免玷污，吸雜，鈍化，以提高少子壽命。選擇適當(dāng)?shù)幕鶇^(qū)寬度。加 p 隱埋層，在基區(qū)形成少子的加速場(chǎng)。適當(dāng)調(diào)整硼擴(kuò)散濃度及外延層電阻率。擊穿特性縱向 PNP 管的 cb 結(jié)實(shí)際上就是隔離結(jié)，一般擊穿電壓在100 V 以上，設(shè)計(jì)中不需改善。大電流特性與橫向 PNP 管類似，襯底PNP 管的基區(qū)寬度大，基區(qū)濃度低，容易發(fā)生發(fā)射極電流集邊效應(yīng)和基區(qū)電導(dǎo)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，不同的是，襯底PNP 管沒(méi)有11寄生晶體管，但其集電區(qū)濃度較低，容易發(fā)生有效基區(qū)擴(kuò)展

11、效應(yīng)，因此其電流容量也較小，一般取10A /m 。頻率特性由于沒(méi)有寄生晶體管的影響，襯底PNP 管的頻率特性優(yōu)于橫向PNP 管，一般為 10 M 左右。D pb fT 2 b Wb2fT 決定于 Wb3襯底 PNP 的圖形由額定電流決定發(fā)射極條長(zhǎng)，可取梳狀；基區(qū)包圍發(fā)射區(qū)，以降低Rb ；集電極從隔離槽引出。二三重?cái)U(kuò)散PNP 管1結(jié)構(gòu)與制造工藝在普通 NPN 管的基礎(chǔ)上再擴(kuò)p發(fā)射區(qū) p基區(qū) n集電區(qū) p122特點(diǎn)：具有雙重隔離性能，因而所有這種晶體管可置于同一島上； n 濃度已很高，由于受固濃度限制，p 區(qū)域的濃度難以提高到獲得滿意的發(fā)射注入效率；基區(qū)重?fù)诫s，少子壽命低；圖形尺寸大，寄生電容大。

12、這樣，既增加了工序，又難以得到滿意的晶體管，因而極少采用。1311-3 超 管在模擬集成電路中，差動(dòng)放大器是一個(gè)基本單元電路，差分對(duì)的質(zhì)量直接影響到電路的性能?；仡櫜罘謱?duì)電路，有兩個(gè)重要指標(biāo)Ri ， I IO差模輸入電阻：dVid(VB 1 VB 2 )RidI CdI B顯然從兩端看到的差模阻抗應(yīng)為單管的阻抗的兩倍。（差模信號(hào)輸入相當(dāng)于兩管 be 結(jié)串聯(lián)）Ri2rbe 2rbb(1 )re 2(1 )re于是： redVBE1dI EdI EdVBEqVBEI EI ESe nKT于是renKTqI ER2(1) nKT2nVTiqI EI B失調(diào)電流： I IOI B 1I B2可見(jiàn)，在保

13、證一定的工作電流（I C ）時(shí)， I B 越小，差分對(duì)的指標(biāo)越高。這可從兩方面達(dá)到。一是線路設(shè)計(jì)，如達(dá)林頓復(fù)合管輸入，場(chǎng)效應(yīng)管輸入。14二是工藝措施，增大輸入管值，由此產(chǎn)生超管。所謂超管，一般1000 ，當(dāng) I C 幾十A 時(shí)， I B 為 nA 數(shù)量級(jí)。下面我們討論超IB 管。一提高的主要途徑對(duì)緩變基區(qū)晶體管：1D pe NBWb2SAWIWbSbreDnb N E Lpe5DnbnbAE DnbI neR2SAWIe1WrebSbR bLnbAE DnbI ne第一項(xiàng)表示了注入效率，從實(shí)際考慮，受固社會(huì)濃度限制，R e 不能無(wú)限R b制減小，當(dāng)NE5 1020 時(shí)，由于重?fù)诫s效應(yīng)，有效濃度

14、反而降低，且射區(qū)內(nèi)俄歇復(fù)合迅速增加，使注入效率降低。第二項(xiàng)表示基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，通常 NPN 管 Wb1，故這一項(xiàng)對(duì)影響很小。第三項(xiàng)表示基區(qū)表面復(fù)合，第四項(xiàng)表示發(fā)射結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合，可以從設(shè)計(jì)及工藝上將其影響減小到最小。分析可知， 對(duì)第三項(xiàng)的要求，超管與普通NPN 管相同， 這就意味著超管的關(guān)鍵仍在注入效率與基區(qū)車運(yùn)系數(shù)。我們將第一項(xiàng)再作變換153穿通型超1eWb1 Wb2.ex jeLnb顯然：盡可能減小Wb ，不但使基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)達(dá)到幾乎等于零而且同時(shí)提高了注入效率，可大大地提高值。在足夠大的基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的前提下，降低基區(qū)摻雜濃度，提高注入效率?；?，形成二種超管二穿通型超管1設(shè)計(jì)思想：這種超管的設(shè)

15、計(jì)思想是減小Wb ，以降低 BVcbo 、 BVceo 為代價(jià)來(lái)獲得高值，由于 Wb 很小，當(dāng)cb 結(jié)反偏時(shí)，勢(shì)壘區(qū)很快擴(kuò)展過(guò)基區(qū)，而造成ce 穿通，故稱穿通型。2工藝： a：兩次磷擴(kuò)散在普通 NPN 管的射區(qū)加一次磷擴(kuò)散，將射區(qū)推深， 減小 Wb ，得到超管。b：兩次硼擴(kuò)散超管的硼擴(kuò)散與普通NPN 管硼擴(kuò)散分別進(jìn)行，使超管的硼擴(kuò)結(jié)深較淺，再一起擴(kuò)磷。管特點(diǎn)16a：基寬調(diào)制效應(yīng)明顯，特性曲線呈掃帚形；b：穿通電壓低，約27V ；c：為減小基區(qū)及發(fā)射結(jié)勢(shì)壘表面復(fù)合，在版圖設(shè)計(jì)上，通常采用圓形發(fā)射區(qū)，及大面積金屬覆蓋；d：線路設(shè)計(jì)中，通常使超管 bc 結(jié)偏置為接近0V 。這樣首先是保護(hù)其不被擊穿，

16、其次降低了基寬調(diào)制效應(yīng)，再就是避免了I cbo ，提高了溫度穩(wěn)定性。三離子注入超管a：設(shè)計(jì)思想：降低基區(qū)雜質(zhì)濃度，提高注入效率，獲得高值。b：工藝首先離子注入p ，高溫推深，形成基區(qū)，再擴(kuò)硼，在p 周圍形成p 環(huán)，一方面避免p 表面反型造成ce 穿通，另一方面作基區(qū)的歐姆接觸。擴(kuò)磷形成17發(fā)射區(qū)。c：特點(diǎn)：由于采用離子注入，成本較高，但重復(fù)性好，工藝上容易控制。只要基區(qū)少子壽命較長(zhǎng)，Wb 可較大，穿通電壓比較高。18 11-4 隱埋齊納二極管模擬集成電路中，有些基本單元電路，如基準(zhǔn)電壓，源電路，電平位移電路等，常常利用一個(gè)二極管的反向特性，來(lái)獲得一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓，這種二極管稱為齊納二極管。直

17、流電路中，當(dāng)前一級(jí)的工作點(diǎn)發(fā)生偏移時(shí)，會(huì)被放大傳輸?shù)较乱患?jí)，因此，許多多級(jí)放大電路中包含有內(nèi)穩(wěn)壓源，提供穩(wěn)定的工作點(diǎn)。在這些電路中，對(duì)齊納二極管的共同的要求是：a：動(dòng)態(tài)內(nèi)阻小，以避免大電容退耦；b：擊穿電壓穩(wěn)定；c：噪聲小。對(duì)于普通齊納二極管，其特性并不令人滿意。大家知道，不良的表面狀態(tài)會(huì)使PN 結(jié)擊穿電壓降低。普通齊納二極管PN 結(jié)的一部分暴露于表面，受到SiO2 中電荷及界面態(tài)的影響，因此擊穿往往在表面首先發(fā)生，形成軟擊穿，且擊穿電壓不穩(wěn)定。由此出現(xiàn)了隱埋齊納二極管，它的設(shè)計(jì)思想是：將PN 隱埋于體內(nèi)，從而不受表面狀態(tài)的影響。1擴(kuò)散法首先進(jìn)行深硼擴(kuò)散p ，再按正常工藝擴(kuò)硼，覆蓋 p ，擴(kuò)磷

18、覆蓋p ，這樣，19相當(dāng)于兩個(gè)PN 結(jié)并聯(lián)，由于濃度的差異，體內(nèi)PN 結(jié)首先擊穿。pnp-np+Pn+P注入襯底2離子注入法：先按正常工藝淡硼擴(kuò)散及磷擴(kuò)散，離子注入離子覆蓋 n 并連通 p 。由于注入離子峰值在體內(nèi)，因而體內(nèi)先擊穿。3版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用圓形結(jié)構(gòu)，避免棱角電場(chǎng)造成面部擊穿。20 11-5 集成電路中的電容器模擬集成電路中有兩種類型的電容器：第一類寄生電容：結(jié)電容第二類平板電容：MOS 電容薄膜電容一結(jié)電容一個(gè)反偏PN 結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的耗盡層電容；一個(gè)正偏的PN 結(jié)具有與結(jié)相關(guān)聯(lián)的擴(kuò)散電容。我們先看一個(gè)PN 的等效電路：正偏時(shí)，電容兩端呈低阻抗，顯然無(wú)法使用；反偏時(shí)，主要是CT ，

19、 gI ， RS 起作用，電容兩端呈高阻抗，此時(shí)，對(duì)于突1N2變結(jié)： CTV為輕摻雜側(cè)雜質(zhì)濃度；為反偏電壓；對(duì)于擴(kuò)散結(jié)，表達(dá)式要復(fù)雜得多，但有相類似的關(guān)系。21顯然我們要求與結(jié)電容相關(guān)的PN 具有較大的CT ，較小的 RS 和 gI 。在模擬集成電路中，be 結(jié)電容量最大，但由于Wb 小， Rb 大， Q 值不變，實(shí)用價(jià)值不大。cs 結(jié)單位面積電容量最小，也不適用，cb 結(jié)電容量適中，串聯(lián)電阻不大（20）采用最多。1bc 結(jié)電容結(jié)構(gòu)如圖示：ABnpn+P零偏時(shí)C1 3 10 4 pf /m22當(dāng)要求電容量較大時(shí)，可采用pn 并聯(lián)結(jié)構(gòu)。ABn+P+pP+n-n+P-si零偏時(shí)3 4 10 3 p

20、f /m2耐壓4.5 V223結(jié)電容的特點(diǎn)：a具有極性，只能使用于反偏狀態(tài)；b串聯(lián)電阻較大，Q 值不高；c存在反偏漏電流，溫度特性差；I R1倍 10O Cd電容量隨電壓變化。二 MOS 電容器1結(jié)構(gòu)： MOS 電容器相當(dāng)于一個(gè)平板電容器，在隔離島上擴(kuò)磷形成下極板，以鋁膜作為上極板，SiO2 作為介質(zhì)，由此稱為MOS 電容。其等效電路如下：對(duì)于 MOS 電容器的分析可直接引用半導(dǎo)體物理的結(jié)果。C/Cox多子積累1低頻Cfb反型平帶耗盡交頻開(kāi)關(guān)信P 型半導(dǎo)體Vg但是在這里，n 濃度非常高，一般近似認(rèn)為電容量不變。230iCMOSA2特點(diǎn)：a無(wú)極性；b耐壓高；c精度高；d串聯(lián)電阻小，Q 值高；e面

21、積大，成品率較低。三薄膜電容器薄膜電容器實(shí)際上是平板電容器，一般限于需要較大電容量時(shí)使用。平板電容器的電容量與介質(zhì)材料及其厚度有關(guān)，采用薄膜電容器，可以自由選擇介質(zhì)材料，因而比之MOS 電容具有更大的靈活性，缺點(diǎn)是增加工序。24 11-6 薄膜電阻器在集成電路中，由于制作方便，一般采用硼擴(kuò)散電阻，有時(shí)根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，也采用磷擴(kuò)散電阻及外延層電阻。硼擴(kuò)散電阻有其固有的缺點(diǎn)：a難于制作大阻值電阻；b精度不高；c溫度系數(shù)高。因此，對(duì)于大阻值電阻，高精度電阻等不太適用。薄膜電阻彌補(bǔ)了這一不足。薄膜電阻器以金屬，合金或化合物為材料，淀積在絕緣層上而形成，可以根據(jù)需要選擇不同電阻率及溫度系數(shù)的材料，以達(dá)

22、到電路的要求。薄膜電阻器的優(yōu)點(diǎn)尤在于制作后可調(diào)整阻值，采用激光切割調(diào)整后，精度可達(dá) 1%。25綜述：1縱向 PNP 管的擊穿特性，大電流特性，頻率特性均優(yōu)于橫向PNP 管，可用于寬帶放大器，三重?cái)U(kuò)散PNP。由于制作上的困難，一般不采用襯底PNP，限于使用在集電極接最低電位的場(chǎng)合，圖形設(shè)計(jì)上采取基區(qū)圍繞發(fā)射極，以減小 Rb 。2超管分穿通型和離子注入型。穿通型超管采用犧牲BVcbo 、BVceo 為代價(jià)來(lái)獲得高值，措施是減小Wb ，一方面提高注入效率，另一方面提高基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，工藝上分兩次硼擴(kuò)和兩次磷擴(kuò)兩種，圖形設(shè)計(jì)采用圓射區(qū)，大面積鋁覆蓋，使用時(shí)使Vcb0 。離子注入超管采用降低基區(qū)濃度的辦法

23、獲取高，比之穿通型， 擊穿電壓有所提高，工藝重復(fù)性更好。3隱埋齊納二極管體內(nèi)高摻雜，表面低摻雜，使PN 結(jié)的擊穿特性避開(kāi)表面影響，獲得低阻抗，低噪聲，高穩(wěn)定度的擊穿特性，為電路提供一個(gè)高質(zhì)量的參考電壓，其制作分集散法和離子注入法，圖形設(shè)計(jì)上采用圓形，以消除棱角電場(chǎng)。4擴(kuò)散結(jié)電容器由于只有極性，漏電，溫度穩(wěn)定性差，容量隨電壓變化，值不高等缺點(diǎn)，應(yīng)用較少。MOS 電容器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)平板電容器，由于耐壓，精度高，應(yīng)用廣26泛，但成品率不高。薄膜電容器實(shí)際上象是平板電容器，比之MOS 電容器，容量大，Q 值更高，但增加工序。5薄膜電阻采用金屬，合金或化合物作材料，在SiO 2 上淀積而成，其特點(diǎn)是

24、，精度高，阻值可調(diào)整，溫度系數(shù)低。27第十二章模擬集成電路中的基本單元電路引言：盡管模擬集成電路種類繁多， 但大多是由為數(shù)不多的幾種單元電路所組成。這些單元電路中， 有的是隨著模擬集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展而產(chǎn)生， 有的則沿用分立元件的線路形式，根據(jù)集成電路的特點(diǎn)加以改進(jìn)而出現(xiàn)。這些單元電路的共同特點(diǎn)是： 適于集成化生產(chǎn)且充分利用了集成電路中元件的特長(zhǎng)。常用的單元電路有：差分電路、雙差分電路、恒流源電路、穩(wěn)壓源電路、有源負(fù)載、電平位移電路、阻抗變換電路、雙端輸出變單端輸出電路、輸出級(jí)及其保護(hù)電路、模擬開(kāi)關(guān)等。了解了這些單元電路的形式、 特點(diǎn)，掌握了它們的分析方法，我們就可以很容易地分析各種各樣的模擬

25、集成電路?？紤]到大家電路知識(shí)基礎(chǔ)較薄弱，本章將在教材的基礎(chǔ)上增添一點(diǎn)內(nèi)容，便于下兩章的分析。12-1差分放大器差分放大器出現(xiàn)于集成電路之先，但集成技術(shù)使其性能大大提高。已成為模擬集成電路中應(yīng)用十分普遍，最基本的單元電路之一。由于采用集成技術(shù)，使得差動(dòng)放大器具有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：1、元件特性一致，失調(diào)及溫度很小。（溫度補(bǔ)償）2、用電容機(jī)會(huì)極少，且可避免大電阻，有利于集成化。3、性能多樣化，作為線性放大器，工作頻率可從直流、音頻、視頻直至甚高頻， 也可作為寬帶放大器，作為非線性電路，具有限幅、 增益控制、 混頻、倍頻、調(diào)制、乘積、檢波等多種功能。28一、差分電路工作原理及主要性能1、小信號(hào)特性：如圖示

26、基本差分電路，由兩個(gè)完全對(duì)稱的半電路組成。兩管靜態(tài)電流取決于VEE 及 RE。（ 1）輸入差模信號(hào)情況：Vs1 =Vs2此時(shí)， T1 、T2 兩管輸入信號(hào)大小相等，方向相反，兩管流過(guò)RE 的信號(hào)電流也大小相等，方向相反，彼此抵消，RE 上無(wú)信號(hào)壓降，E 點(diǎn)相當(dāng)于交流接點(diǎn)，稱為虛地點(diǎn)。此時(shí)：因電路完全對(duì)稱于是：雙端輸出差模電壓增益顯然，單端輸出時(shí)：（ 2）單端輸入信號(hào)Vs1 =Vs2Vs2 =0此時(shí)， T2 相當(dāng)于一個(gè)射隨器，其輸出阻抗：RozRoz 通常遠(yuǎn)小于RE，因而 RE 的分流作用可以忽略，信號(hào)回路為：每個(gè)管子所分配的輸入信號(hào)均為1/2V S，但極性相反，因而與差模輸入信號(hào)具有同樣的性質(zhì)

27、。（ 3）共模信號(hào)：Vs1 = Rs2兩管輸入信號(hào)大小、方向均等，因而RE 上信號(hào)壓降為2ieR E，據(jù)此可作出交流等效電路圖。當(dāng)電路完全對(duì)稱時(shí)，共模增益。2、傳輸特性： （大信號(hào)特性）當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，差分放大器的工作點(diǎn)可能進(jìn)入非線性區(qū)，這時(shí)他的特性需利用傳輸特性進(jìn)行分析。傳輸特性是指電路輸出電流與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。研究它。能幫助我們對(duì)整個(gè)信號(hào)輸入范圍內(nèi)電路的輸出特性有一個(gè)全面的了解。291）傳輸特性曲線討論一個(gè)采用恒流源的基本差分電路得到傳輸特性：可得到傳輸特性曲線（ 2）傳輸特性曲線的特點(diǎn)a:平衡狀態(tài)b:在平衡狀態(tài)附近，|V i | VT 范圍內(nèi)，線性區(qū)、 Vi 與 I c1 、I

28、 c2 呈線性關(guān)系，這就是通常的小信號(hào)線性放大區(qū)域，此時(shí)有近似關(guān)系成立當(dāng) |V i | 4VT 時(shí)，限幅區(qū)總有一個(gè)晶體管截止，電流近似為零，另一晶體管充分導(dǎo)通，受恒流源限制，電流近似，且I C1、 I C2 恒定不變。這表明差分電路在大信號(hào)區(qū)具有良好的限幅作用，可構(gòu)成限幅放大器。為過(guò)渡區(qū)e:由于始終有I C1+I C2=dI0 ，因此，曲線a、 b 互為鏡象（ 3）傳輸特性線性區(qū)擴(kuò)寬在某些差分電路中，在 T1、T2 的射極串接有一小電阻，下面討論它的作用。采用圖解法可得到有RE 時(shí)傳輸特性曲線圖中， a 為沒(méi)有 RE 時(shí)的傳輸特性曲線；b 為 RE 的伏一安特性，顯然它為穿過(guò)的一條直線。任取

29、I C 軸上一點(diǎn)P，對(duì)應(yīng)于 P 點(diǎn)電流， PQ表示此時(shí)兩管信號(hào)Vi =Vi1 Vi2 ,PS則對(duì)應(yīng)于兩RE 上壓降，因此，對(duì)應(yīng)于P 點(diǎn)電流，信號(hào)壓降應(yīng)等于PQ+PS=PT。 逐點(diǎn)作出，可得曲線 c，即為加 RE 時(shí)差分電路的傳輸特性?，F(xiàn)在我們來(lái)討論 RE 的影響。傳輸特性線性范圍展寬線性范圍：無(wú) RE時(shí)：有 RE時(shí)：30增益：由于負(fù)反饋?zhàn)饔茫鲆嫦陆祹挘涸O(shè)負(fù)反饋系數(shù)為則低頻下半功率點(diǎn)頻率下降為原來(lái)的：高頻端上半功率點(diǎn)頻率上升為原來(lái)的：上升速率 SQ 提高3、輸入阻抗：定義：顯然，從兩輸端看到的差模阻抗應(yīng)為單端輸入的兩倍：4、跨導(dǎo)與增益：跨導(dǎo)定義為：差模電壓的變化 dvi 與輸出電流的變化 d

30、Ic 的比值 ，它就是傳輸特性曲線的斜率。單端輸出：雙端輸出時(shí)：兩端輸出電壓為單端輸出電壓的兩倍，因而在小信號(hào)區(qū)域，可以認(rèn)為gm不變，為平衡狀態(tài)時(shí)的跨導(dǎo)：平衡狀態(tài)：可見(jiàn)： gm 與溫度有關(guān)gm與工作電流成正比利用第二個(gè)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。再討論差分電路的增益：根據(jù)定義：由于對(duì)稱性可知，增益與工作電流有關(guān)由此，可設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的乘法器電路：5、共模抑制比以上我們討論了理想狀態(tài)下差動(dòng)電路的性質(zhì)，但實(shí)際差分放大器總不可能完全對(duì)稱，反映到電路性能中，主要表現(xiàn)在共模抑制比及失調(diào)，下面分別予31以討論。當(dāng)輸入共模信號(hào)時(shí)當(dāng)電路出現(xiàn)不對(duì)稱時(shí)定義放大器的差模信號(hào)增益與共模信號(hào)增益稱為共模抑制比，它反映了差分

31、電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。通常用分貝表示：當(dāng)電路完全對(duì)稱時(shí)但實(shí)際電路總是正對(duì)稱的提高共模抑制比取決于兩個(gè)因素：1：提高元件的對(duì)稱性2：加大共模負(fù)反饋電阻，擔(dān)受工作電流及電源電壓的限制，故一般采用恒流源來(lái)代替RE 。6、失調(diào)1）定義：零輸入時(shí)不為零的輸出電壓稱輸出失調(diào)電壓，為得到零輸出所必須加于輸入端的電壓稱為輸入失調(diào)電壓當(dāng)維持靜態(tài)輸出為零時(shí)，差分電路兩輸入端偏置電流的偏差稱輸入失調(diào)電流2）失調(diào)的產(chǎn)生先討論 VOS設(shè)差分電路兩輸入端接地忽略二次分量可見(jiàn) VOS主要由 RC 及 VBE 不對(duì)稱引起，當(dāng)不考慮RC 時(shí)教材中將 VBE 進(jìn)一步分析，進(jìn)而指出了由及不對(duì)稱引起的分量。討論 IOS根據(jù)定義：

32、綜上所述，失調(diào)由電路中元件的不對(duì)稱所造成，產(chǎn)生元件特性不對(duì)稱的原因有： a:對(duì)稱元件的幾何開(kāi)關(guān)、尺寸有差別，或光刻過(guò)程中造成幾何尺寸32差別。材料不均勻工藝過(guò)程中，摻雜濃度，潔深的誤差差分對(duì)管引線電阻的誤差。7、漂移：失調(diào)電壓、失調(diào)電流隨時(shí)間、溫度等因素變化的現(xiàn)象稱為漂移，其中主要的是溫度漂移。一般說(shuō)來(lái)，失調(diào)的本身并不可怕，可以通過(guò)外部補(bǔ)償而消除，麻煩的是它將隨外部因素而漂移，此時(shí)的各部補(bǔ)償反而附加了一個(gè)漂移項(xiàng)。在這里我們討論失調(diào)的溫度漂移。首先討論事實(shí)上，當(dāng)集成塊工作時(shí)，芯片將產(chǎn)生溫度梯度，由此附加有一項(xiàng)溫度漂移。一般情況下：由以上分析可知，減小差分電路的靜態(tài)輸入電流，不僅可以減失調(diào)電流及其

33、漂移，而且可以提高輸入阻抗， 這對(duì)改善差分電路的性能起到重要的作用，為此，在基本差分電路的基礎(chǔ)上，以減小輸入電流為目標(biāo)，發(fā)展了多種形式的改進(jìn)型差分電路。下面略加介紹。二、達(dá)林頓差分電路1、電路形式：2、基本特性：A、輸入阻搞需端阻抗為3、特點(diǎn)：在同樣的工作電流下， I B：減少了（ 1+ 1）倍。因此，提高了 2（ 1+ 1）倍調(diào)電流減少了（ 1+ 1）倍b：最大差模輸入電壓增加一倍。33最大 d 曲輸入管 Va bo 決定。：跨導(dǎo)降低d：工藝要求高，須掌握小電流高 技術(shù)。三：互補(bǔ)差分電路1：電路形式2：基本特性a：輸入阻抗b：跨導(dǎo)：3：特點(diǎn)a：利用高性能的npn 管與低性能的pnp 管復(fù)合，

34、實(shí)現(xiàn)了npn 的高 使I B 較小， pnp 管共基接法政善頻響。b：由于橫向pnp管 BVebo很高的差摸電壓。四：超 輸入差分電路1：電路形式：2：輸出電壓只高3：特點(diǎn)：補(bǔ)充：雙差分電路一：電路形式三：小信號(hào)特性2：增益控制3：混頻器4：鑒相器設(shè)小信號(hào)：三、大信號(hào)特性利用傳輸特性類似于乘法的分析可得：信號(hào)電壓V2 被載波 V2 所調(diào)制3412-1恒流源電路與有源負(fù)載對(duì)差分電路的討論可以年到，為獲得良好的共模特性。要求RE 越大越好，而 RE 增大，將使工作電流下降，跨導(dǎo)降低，增益gmR隨之降低。在模擬集成電路中，常常采用恒流源的電路，利用其較低的直流阻抗，獲得較穩(wěn)定的偏置電流，利用其較高的

35、交流阻抗可獲得良好的共模特性，此外，采用恒流源作為放大器的有源負(fù)載（如差分電路RC）可以提高增益。由于在集成電路中，恒流源的成本比大電阻低很多，而其特性又高得多，故得到廣泛應(yīng)用。一、基本型恒流源1、設(shè)計(jì)思想2、電路結(jié)構(gòu)3、原理分析：4、特點(diǎn)：a、溫度穩(wěn)定性好二、比例恒流源：基本思想1、使兩管輸出電流不相等，可采取兩條措施，由此形成兩種比例恒流源：a：設(shè)計(jì)中使兩管不對(duì)稱b：電路形式上使VBE不相等。2、電路形式3、原理分析：另外、設(shè)計(jì)上使兩管不對(duì)稱時(shí)：此時(shí)、由于采用基本型恒流源電路由此，改變兩管射區(qū)面積比，也可獲得比例恒流源。須便指出，若以Ir作輸入端， I 作輸出端，則得到一個(gè)放大能力完全取決

36、于兩管射區(qū)面積之比的電流放大電路。35這種電流放大電路的優(yōu)點(diǎn)是：a：在較大的輸入范圍內(nèi)，電流增益不變。b：具有溫度補(bǔ)償，溫度穩(wěn)定性好。c：精度很高。d：頻率特性好。三：小電流恒流源：在模擬集成電路中，偏置電流往往小至微安級(jí)，用基本恒流源，Rr在106 數(shù)量級(jí)，采用比例恒流源因使適于，故不適用，由此發(fā)了小電流恒流源：1、基本思想：與比例恒流源相同（且?。㏑1=0 的極端。2、電路形式：3、原理分析：4、特點(diǎn)：對(duì)電源電壓抑制性好。溫度系數(shù)很小四：溫度樸償恒流源五： pnp 管恒流源以上討論的npn 管恒流源電路，均適于供給npn 管射極電流，當(dāng)需供給npn 管集電極電流時(shí)，可采用pnp 管恒流源電

37、路。原則上講， npn 恒流源的電路形式原理分析均適于pnp 管恒流源電路，只需將極性改正就可以，模擬集成電路中均以橫向pnp 管構(gòu)成恒流源。 由于橫向pnp 管以外還會(huì)作為基區(qū)，則所有基區(qū)等電位的晶體管可作于同一隔離島上，而基本型，比例型，小電流型等恒流源均滿足這一要求，因此，可能制作出共基極，共射極，多集電極晶體管作為恒流源，從而大大節(jié)省了硅片面積。此外，橫向 pnp 管具有一個(gè)重要的特點(diǎn)，只有正對(duì)著集電區(qū)的發(fā)射側(cè)面積才對(duì) 有貢獻(xiàn)，也就是說(shuō)，對(duì)于多集電極橫向pnp 管，每一集電極所分配到的電流之比，等于集電區(qū)的發(fā)射側(cè)面積比。因此，特別適于制作比例恒流源。1、基本型恒流源362、可控 恒流源

38、：（比例恒流源）六、場(chǎng)效應(yīng)管恒流源：在很多模擬集成電路中，還常常常用場(chǎng)效應(yīng)晶體管恒流電路。1、基本想思對(duì)于一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，當(dāng)漏源電壓超過(guò)斷電壓VP 時(shí)，漏源電流呈飽和值，其大小由設(shè)計(jì)確定。另外， I DS 具有很好的溫度特性。適當(dāng)選擇工作點(diǎn)，可使I DS 具有零溫度系數(shù)。這樣得到一路與電源電壓及溫度均無(wú)關(guān)的電流，利用這一路電流作為參考電流，反映出多路輸出電流作為整個(gè)電路的靜態(tài)編置電流。2、電路形式：設(shè) T1、 T2、 T3、 T4 特性一次與小電流恒流源的輸出電流表達(dá)式類似。電路中，R5 為外區(qū)層電阻，與場(chǎng)效應(yīng)管的阻抗具有同樣的溫度系數(shù)，其作用是保持I o1 的穩(wěn)定，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管工作于非飽

39、和區(qū)時(shí)，設(shè)有則電壓波動(dòng)來(lái)變化。D 點(diǎn)電壓波動(dòng)：選取 R5 數(shù)值，使得：于是：這樣，即使Ir改變， I 01 仍恒定。R2 是溝通電阻， 它具有比硼擴(kuò)散電阻R1 、R3 、R4 高得多的正溫度系數(shù)0.5%當(dāng) T VBE3 VB4 T R2 I R2 VR4VB4、 VR4，都將使I 01 ，這樣可以補(bǔ)償輸入級(jí)因溫度上升而造成的跨導(dǎo)降低。七、有源負(fù)載：1、問(wèn)題的提出對(duì)于晶體管共射放大電路37欲增大電壓增益，可從I C、 RC 兩者看來(lái)，增大I C 的困難。I C I B Ri Ios ，且 PW影響電路的其它性能。增大 Rc 的困難。首先大電阻在集成技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)。另外，若電源電壓一定，Rc Ic

40、 gm Av仍達(dá)不到目的。因此，在這里，我們希望有這樣一種等效負(fù)載阻抗。對(duì)直流來(lái)源，其阻值不大，以保證一定的工作電流，即保證了電路具有一定的跨導(dǎo)。對(duì)交流來(lái)說(shuō)，他的阻抗很大，從而有效地提高電路的增益。2、理論依據(jù)分析一個(gè)晶體管輸出特性曲線設(shè)晶體管工作在放大區(qū)Q 點(diǎn)，則直流阻抗R-不大且可以調(diào)節(jié)交流阻值VA 稱為厄利電壓， 是一個(gè)主要與基寬調(diào)制效應(yīng)有關(guān)的數(shù)值，與 Wb、NB 有關(guān)。對(duì)于共射電路：VA一百多伏對(duì)于只基電路：VA104可見(jiàn) R是很大的。因此，在模擬集成電路中，常利用晶體管作為負(fù)載，由于是有源元件，故稱有源負(fù)載。顯然： R與 VA 有關(guān)。R與晶體管的接法有關(guān)， 采用共基接法時(shí)， R為共射

41、接法的 （ 1+B）倍。 R與工作電流Ic 有關(guān)，但有源負(fù)載的工作電流就是放大管的工作電流，降低Ic 會(huì)使 gm降低。R與負(fù)載管射極電阻有關(guān)。如圖所示：相當(dāng)于共基接法383、有源負(fù)載的優(yōu)點(diǎn)：顯著提高電路增益。對(duì)于多數(shù)放大電路，可以減少電路的級(jí)數(shù)達(dá)到同樣的增益，這對(duì)電路的頻率特性有好處。直流阻抗小，在較低的電源電壓下，可得到合適的工作電流。使得電路的電源運(yùn)用范圍較大，只要晶體管工作在放大區(qū)，電源電壓變化引起， Vce 的變化幾乎與工作電流無(wú)關(guān)。避勉了電阻，有利于集成化。4、電路形式NPN管作有源負(fù)載 PNP管作有源負(fù)載39第十三章集成運(yùn)算放大器運(yùn)放早期被應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)中進(jìn)行各種教學(xué)運(yùn)算，并由此

42、而得名. 它是模擬集成電路的基礎(chǔ)。隨電子技術(shù)的發(fā)展、運(yùn)放的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出計(jì)算機(jī)的范圍，而廣泛應(yīng)用于信號(hào)調(diào)整， 有源濾波， 人司服系統(tǒng)， 程序控制、 非線性函數(shù)發(fā)生器等各領(lǐng)域，已成為線性電路中最通用的一種。13-1運(yùn)放的基本概念一、運(yùn)放的概念運(yùn)放本質(zhì)上是一個(gè)具有高增益， 深度負(fù)反饋的直流放大器， 以電子線路的角度出發(fā)，其圖示如下：AV 表示一個(gè)高增益直流放大器，Z、Zf 構(gòu)成外加反饋網(wǎng)絡(luò)，為滿足負(fù)反饋，AV 為負(fù)。引入一個(gè)重要結(jié)論：深度負(fù)反饋放大器的特性取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，而與內(nèi)放大器Av 幾乎無(wú)關(guān)。于是，也可以說(shuō)：運(yùn)放本質(zhì)上是一種輸出、輸入信號(hào)函數(shù)關(guān)系受外加反饋條件嚴(yán)格控制的器件。下面以負(fù)

43、反饋的觀點(diǎn)證明這一點(diǎn)將上框圖略作修改：40可知，這是一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋放大器.Zf 折算到輸入端Z fiZ fZi1AV于是：I B0I fI gVI B Zi0虛地這樣：VgI g ZVOI f Z fVZ f VOZg二、運(yùn)放的結(jié)構(gòu)1、對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)： （原始型第三代）差分對(duì)輸入中放（單端化）射隨器偏置電路電平位移輸出特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，集成度低。2、斬波穩(wěn)零結(jié)構(gòu)： （第四代）A1為主放大器A2輔助放大器信號(hào)通道：41高頻A1輸出低頻A2特性：AVdAV1d AV 2dVOS1VOSVOS2VOS2AVd 2經(jīng)典斬波穩(wěn)零運(yùn)放中，A2 是斬波器調(diào)制的交流放大器，可以保證 VOS20 .動(dòng)態(tài)校零斬波

44、器穩(wěn)零運(yùn)放中，以具有任意VOS的直耦放大代替A2 ，整個(gè)放大器工作過(guò)程分兩個(gè)節(jié)拍，一個(gè)對(duì)校正失調(diào)電壓的校正電壓進(jìn)行記存的誤差記存節(jié)拍。另一個(gè)是放大，較零節(jié)拍，與此同時(shí)，利用輸出采樣保持電路保證V0 的連續(xù)性， 這樣 Vos2 及漂移被周期性地較正到零，保證了 Vos 及漂移近于零。交流前置輸出放大器采樣 /保持放大器in低通濾波器斬波前置放大器斬波調(diào)制器放大器調(diào)制器漂移校正電路2KHZ 激勵(lì)源誤差記存節(jié)拍：當(dāng)Vin 輸入時(shí)，斬波放大器輸出與C17 相接放大較零節(jié)拍：當(dāng)Vin 接地時(shí)，斬波放大器輸出與C9 相接。三、主要參數(shù)定義：1、開(kāi)環(huán)電壓增益：42運(yùn)放無(wú)反饋時(shí)，差模電壓放大倍數(shù)AVdVO10

45、4 106Vi1 Vi 2KVd20lg AVd80 120dB2、共模抑制比運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，差模電壓增益與共模電壓增益之比CMMRAVd46AVc10 10通常以分貝表示：CMRR20lg AVd80 120dBAVc3、輸入阻抗Rin運(yùn)放開(kāi)環(huán)時(shí)，兩輸入端之間差模阻抗4、輸出阻抗：R0開(kāi)環(huán)時(shí)輸出阻抗5、輸入偏置電流I B6、輸入失調(diào)電流的I OS 及溫漂I OSI B 1IOSI B 2T7、輸入失調(diào)電壓及溫漂VOS: 使 VO=0 時(shí)，兩端所加補(bǔ)償電壓VOST8、帶寬：?jiǎn)挝辉鲆鎺抐cp-3 分貝帶寬fc最大功率帶寬f pp此外還有上升速率SR43建立時(shí)間最大差模、共模輸入電壓靜態(tài)功耗等。其中

46、某些重要的指標(biāo)后面將作專門(mén)介紹四、理想運(yùn)算放大器1、 AVd2、 CMRR3、 Ri4、 開(kāi)環(huán)帶寬5、 SR6、 IOS，IOS0T7、 VOS， VOS0T8、噪聲 0目前水平在許多場(chǎng)合， 并不要求許多指標(biāo)都十分完美，而僅對(duì)某一方指提出特殊要求，由此，在通用型的基礎(chǔ)上，派生出一個(gè)分支，專用型運(yùn)放。低漂移型：A725VOS0.5A O CI OS 0.5nA O CTT低功耗型：735POM0.1AmW高速型：A772SR65VS高輸入阻抗型：A740Ri106 M 13-2運(yùn)放的頻率特性及頻率補(bǔ)償44一、放大器的開(kāi)環(huán)頻率特性1、單極點(diǎn)傳輸函數(shù)的頻率特性。討論一個(gè)單管共射電路，將各種寄電容等效

47、為一集電極至地電容c，則其增益11AV fgm RC /j CgmR1j C設(shè) gm 與 f無(wú)關(guān)且f p1RC2則AV fgmRgm RAVOe j 為一單極點(diǎn)傳輸函數(shù) .1j ff2f p1f p幅頻頻性AVOAV2f1f p相頻特性arctanff p2、單極點(diǎn)傳輸函數(shù)波德圖。將幅頻特性及相頻特性分別繪出曲線以直觀地了解其性質(zhì)由關(guān)系式有：45AVOf1f pAV fAVO3dBf1f pAVO20lg ff1f pf p004509003db806040200.14590為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，近似用折線代替曲線。AVOAVfAVO20lgff p00450 DEC900f1f pf1f pf1f p

48、-20db/DECf10100fpff pff pf0.1 f p0.1 f pf10 f pf10 f p46這種近似法由H、 W、 Bode 提出，故名波德圖。3、多極點(diǎn)傳輸函數(shù)的Bode 圖運(yùn)放問(wèn)題一個(gè)多級(jí)放大器討論一個(gè)三級(jí)放大器，這一放大器的每一級(jí)均為單極點(diǎn)傳輸函數(shù)，則放大器為一具有三極點(diǎn)傳輸出數(shù)的電路。AV fAV 1 f AV 2 f AV 3 fAVO1AVO 2 AVO 3ej 1232221fff1f p21f p1f p3設(shè) f p1f p2f p3顯然，對(duì)幅頻特性：ff p1AVAVOf p1ff p 2斜率20dB DECf p 2ff p 3斜率40dB DECff

49、p 3斜率60dB DEC對(duì)相頻特性 :f0.1 f p 1000.1 f p1ff p100450f p1ff p24501350f p 2ff p31350 2250f p 3f10 f p32250 2700f10 f p 32700總相移2700波德圖如下：47-20db/DEC80-40db/DEC60Q1/f40-60db/DEC20Fp1Fp2f1 Fp345 90 -90 45 -135 -180 -180 45 -225 -270 二、閉環(huán)穩(wěn)定性1、閉環(huán)穩(wěn)定條件：設(shè)運(yùn)放處于閉環(huán)狀態(tài)，反饋系數(shù)為FAfAVf1AVfF當(dāng)環(huán)增益AVfF1時(shí)， Af.此時(shí)，放大器處于自激振蕩狀態(tài)，其

50、物理意義為隨頻率增大，放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)可產(chǎn)生附加相移。當(dāng)附加相移達(dá)180時(shí)，負(fù)反饋?zhàn)優(yōu)檎答?，反饋量足夠大時(shí)，產(chǎn)生自激振蕩。臨界振蕩條件：AVfFAVf F1118002n1于是閉環(huán)穩(wěn)定條件：1800 時(shí) ,AVf F 1;或 AVfF1時(shí) ,1800 .482、閉環(huán)特性：放大器加入負(fù)反饋后，其幅頻特性及相頻特性叫閉環(huán)特性。未加負(fù)反饋時(shí)，稱開(kāi)環(huán)特性設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)不產(chǎn)生附加相移，反饋系數(shù)F 為常數(shù)。則低頻范圍內(nèi),AVf很大 . 通常有 :AVfF1Aff1F為一不隨頻率變化的常數(shù)，在波德圖中為一水平直線，與開(kāi)環(huán)幅頻特性交于 Q1 點(diǎn)，表示在此頻率下，閉環(huán)增益等于開(kāi)環(huán)增益，此時(shí)AVf1Af f11FA

51、Vf1F1當(dāng) ff1 時(shí) ,AVf F 1;ff1 時(shí) ,AVfF 1.注意到：AffAVfAV f1AVfFf1 時(shí)，隨 f 增大時(shí)， AV f 不斷下降 .可近似認(rèn)為AffAVf于是可以近似地描述放大器的閉環(huán)特性：當(dāng) ff1 時(shí) ,為一水平直線;f1 1 時(shí) , 與開(kāi)環(huán)幅頻曲線重合 .f1 稱閉環(huán)特性的極點(diǎn)頻率或稱閉環(huán)帶寬頻率，這時(shí)開(kāi)環(huán)附加相移為1 .3、閉環(huán)穩(wěn)定性閉環(huán)特性別法 . （近似判別法）由閉環(huán)穩(wěn)定性條件49AVf F1時(shí) ,1800 .看閉環(huán)特性：ff1AVfF11ff1AVfF11ff1AVfF11欲使閉環(huán)穩(wěn)定，應(yīng)有11800 .為保證在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠，一般應(yīng)取一定余量，一

52、般?。涸鲆嬖Ａ? 12dB(1800 )相位裕量200 400( AF1)為方便起見(jiàn)，我們?nèi)∠辔辉Ａ?5 .認(rèn)為 | 1 | 135時(shí)，閉環(huán)穩(wěn)定，從波德圖上可直接看出。f1f p 2，則可確保穩(wěn)定，亦即交點(diǎn)1 在開(kāi)環(huán)幅頻特性的20dB DEC 處為Q穩(wěn)定，否則認(rèn)為是不穩(wěn)定的。尼奎斯特性判別準(zhǔn)則（嚴(yán)格）根據(jù) AVfF 為 f 的函數(shù)，可在復(fù)平面上畫(huà)出動(dòng)點(diǎn)P 隨 f 變化的軌跡，這樣得到的曲線為Nyguist曲線。而臨界振蕩條件對(duì)應(yīng)于復(fù)平面上點(diǎn)（-1 ，0） .Nyguist判別準(zhǔn)則：如果AF閉合曲線包含或通過(guò)點(diǎn)（-1 ， j 0 ）則放大器不穩(wěn)定，否則是穩(wěn)定的。對(duì)三極放大器可畫(huà)出尼奎斯特曲線如下

53、無(wú)物理意義-1.0 AfAvFo1+Af曲線進(jìn)入單位園內(nèi)表示AF11 進(jìn)行正反饋.50Nyguist判別法包含兩種穩(wěn)定條件的判別法，但仍需取一定的增益或相位裕量才能應(yīng)用于實(shí)際電路。三、運(yùn)放的頻率補(bǔ)償技術(shù)1、單電容補(bǔ)償（頻帶壓縮技術(shù)，主導(dǎo)極點(diǎn)補(bǔ)償，滯后補(bǔ)償）這種補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于人為地在放大器中引入一點(diǎn)主導(dǎo)極點(diǎn)，使環(huán)路增益為 1 時(shí)，迫使附加相移小于-135 。1/FQQf fp1 f1 fp1fp2fp3補(bǔ)償前f1f p 2,補(bǔ)償后f1f p 2,11350不穩(wěn)定 ;11350穩(wěn)定 .這種補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)是使得低頻附加相移增加，故稱滯后補(bǔ)償。由于犧牲運(yùn)放的頻率特性為代價(jià)，開(kāi)環(huán)時(shí)，運(yùn)放的帶寬遠(yuǎn)小于原來(lái)的帶

54、寬，閉環(huán)時(shí)，回路反饋效益在fp 1 處就開(kāi)始下降。簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償R1C1RpAvAv將補(bǔ)償電容加于某一級(jí)輸出端此時(shí) f p11C2 R1C1欲使補(bǔ)償后閉環(huán)穩(wěn)定，則ff p2 , 取臨介點(diǎn) f f p 2 .511f p2AVF此時(shí)AVOFC CC12 R1f p2密勒電容補(bǔ)償對(duì)于簡(jiǎn)單電容補(bǔ)償, 通常要求 C 10 4 pf ，只能外接，利用密勒效應(yīng)，可大大減小 C ，使得可采用集成技術(shù)，直接做在芯片中，如A741，采用一個(gè)30pf 密勒電容CmAv等效到輸入端，相當(dāng)于輸入端并聯(lián)一大電容，1 AV CM.2、 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償， （極點(diǎn) - 零點(diǎn)補(bǔ)償）其特點(diǎn)：壓低第一極點(diǎn)的同時(shí)，消除第二極點(diǎn)，使

55、運(yùn)放帶寬有所改善，但仍壓低了第一極點(diǎn)頻率，因此仍屬滯后補(bǔ)償，設(shè)有一個(gè)三級(jí)放大器，第一極點(diǎn)輸出等效電容產(chǎn)生。在其輸出端并聯(lián)一Rc 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)R1RLRC1CLC此時(shí)ZAV 1fAVO1 R1ZZC1/ RC設(shè)R1 R,CC1, 則521jR CAV 1 fAVO1jRC11這樣，在放大器中引入一個(gè)新的極點(diǎn)1和一個(gè)零點(diǎn)12 RC12 R C選擇適當(dāng)?shù)?R , C 使得由此產(chǎn)生的零點(diǎn)正好消去第二個(gè)極點(diǎn). 即 :f p212 R C則改變了放大器的幅頻特性。R , C 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用密勒效應(yīng)，跨接于某一級(jí)的輸出、輸入端。3、超前補(bǔ)償（微分較正）特點(diǎn)是，在放大器中引入一個(gè)零點(diǎn)，使該零點(diǎn)正好消去一個(gè)極點(diǎn)（一

56、般為第二極點(diǎn)），減小了高頻附加相移，故稱超前補(bǔ)償。CRLCL中提供高頻通道，減小了高頻附加相移，也減小了高頻增益下降，從而實(shí)現(xiàn)超前補(bǔ)償，AV 2 fAVO 21jR2CjR2C C21一般 CC2,1jR2 CAV 2 fAVO2 1j R2 CAVO 2這樣消除了第二極點(diǎn)達(dá)到了補(bǔ)償?shù)哪康摹?3 13-3大信號(hào)運(yùn)放的瞬態(tài)特性一、根據(jù)以上分析：運(yùn)放采用對(duì)稱電路結(jié)構(gòu)，即差分輸入級(jí)以減小零點(diǎn)漂移。采用頻率補(bǔ)償以避免自激振蕩。由此產(chǎn)生一個(gè)特殊問(wèn)題：輸出電壓的上升取決于對(duì)補(bǔ)償電容的充電，而充電電流又取決于差分級(jí)的輸出電流，由差分電路傳輸特性可知，當(dāng)大信號(hào)輸入時(shí)，將出現(xiàn)電流飽和，因而輸出電壓響應(yīng)速度受電流

57、飽和限制，因而提出了大信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。二、考查一個(gè)典型運(yùn)放結(jié)構(gòu)-20db/DECfpGBW主導(dǎo)極點(diǎn) : f p12 RLC設(shè)完全補(bǔ)償 :AV fAVOAVOf pff p2ff1f pGBWAVO f pAVOgmRL 2 RL Cgm2RLC2 C給運(yùn)放加一信號(hào)，Vi為階路信號(hào)。54iCgmVidVOCMiCdtdVOgm VidtCM1、小信號(hào)狀態(tài)：dVOgm VdtiCM即輸出電壓上升速率正比于Vi 的大小 .詳細(xì)分析如下：dtCMdVgmViOtr0.9VO1dVO0.1VOgm2 Vi2 CM0.9VO0.1VO0.9VO0.1VO12dVOf p AVOVi12dVOf pVO1

58、ln 0.9VO ln 0.1VO 2f p0.35f p上升時(shí)間不變 , VidVOVOdt2、大信號(hào)狀態(tài)：dVOI MdtCM即隨 Vi, 出現(xiàn)電流飽和I M , 此時(shí) dVO 達(dá)到最大值 .dt定義：輸入大信號(hào)階躍電壓時(shí)，輸出電壓的上升速率為轉(zhuǎn)移速率（壓擺率）55SR。3、總結(jié)：a:只有 Vi 為大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，響應(yīng)才受SR限制，否則受小信號(hào)頻率特性限制。SR 是 VO 的最大值。T大電容負(fù)載時(shí) SR由輸出電流決定SRIO (max)CLSR 的限制與閉環(huán)組態(tài)無(wú)關(guān)，而響應(yīng)速率的變化與閉環(huán)組態(tài)有關(guān)。SR 與 GBW成正比。三、功率帶寬f p設(shè)一大信號(hào)正弦波，其最大斜率出現(xiàn)于通過(guò)OV處。dV2

59、fVpdt max欲使波形不發(fā)生失真，應(yīng)使dVSRdtmax定義：峰值電壓達(dá)到最大輸出電壓時(shí)，運(yùn)放輸出不失真，正弦波的最高頻率為功率帶寬f p ，顯然，此時(shí)：SR2f pVmaxSRf p2Vmax5613-4A741 分析A741為第二代通用運(yùn)放，其標(biāo)志是采用有源負(fù)載一、原理分析：輸入級(jí)： T1、 T2、T3、T4互補(bǔ)差分T5 、 T6、 T7、 R1 、 R2 、 R3 、 射隨緩沖恒流源作有源負(fù)載，同時(shí)完成單端化。注意； T7 的作用：緩沖作用負(fù)反饋VCB5I C7IB5, IB6使 T5、T6不進(jìn)入飽和 .V c6 =Vc5 =2VBE，向 T16 、T17 提供偏置，并作溫度補(bǔ)償。中

60、間放大級(jí)： T16、 T17 達(dá)林頓管T13 有源負(fù)載R12 泄放電阻輸出級(jí)： T14 、 T19 互補(bǔ)輸出T18 、 R7、R8 提供靜態(tài)偏置T15 、 R9 正向限流保護(hù)R10 平衡正負(fù)向輸出阻抗T20 、 R11 負(fù)向限流保護(hù)偏置網(wǎng)絡(luò)： T12 、 R5 、 T11 主偏置回路57T10 、 T11 、 R4 小電流恒流源T12 、 T17 基本型恒流源T8 、 T9 與輸入管改進(jìn)型恒流源2、主要參數(shù)分析：輸出電壓幅度不考慮負(fù)載，取臨界飽和 , Vcb 0VOMVCC VBE14 I E 14R9 14.3VVOMVEE VBE17 VBE 16 VBE 19 I E 17R 11 I