Post on 19-Jan-2016
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第六章 双极型模拟集成电路第六章 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
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
2 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
集成电路的封装
(b) 圆壳式
(a) 双列直插式
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
隔离岛
隐埋层
扩散 P 型基区
3. 二极管 晶体管制作时,只要开路或短路某一 PN 结即得(如图) :
常用的两种形式
4. 电阻:(一般有两种)
( 1 )金属膜电阻 : 温度特性好( 2 )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。
MOS 电容:
二 集成化元器件特点
4. 集成电路中寄生参量的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. 集成化电阻阻值越大占用硅片面积越大,一般避免用大电阻,尽量用晶体管代替电阻、电容。
3. 单个元件的精度不高,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增益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:
Rb1= Rb2 = Rb,
Rc1= Rc2 = Rc,
1= 2 = ,
hie1= hie2 = hie,
•对称指两个三极管特性一致、电路参数相等:对称指两个三极管特性一致、电路参数相等:
IbQ1= IbQ2,
IcQ1= IcQ2,
Ube1= Ube2,
Uc1= Uc2,
•静态参数一致:
•双端输出时:静态输出为 0
问题?
•为什么单边电路没有
偏置电阻?
•为什么电路中没有
•隔直电容?
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。
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。
•信号输入方式
•差放输出方式
双端输入双端输出差放
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
双端输入双端输出差放
Ie1 Ie2
•当输入差模信号时:(动态)由于电路的对称性有:
•据此,可画出差放在差模输入情况下的交流等效电路(如图)
故 RL 的中点呈地电位,即等效为每管外接负载为 RL/2 。
• 又因为: Uc1= -Uc2
Ie1= -Ie2 ;
故 URe=0 (交流接地)
Uc1 Uc2
+
+
--
URe
双端输入双端输出时:
ieb
Lfe
id
c
idid
cc
hR
Rh
U
U
UU
UU
'
1
21
21Ud 2
2A
)(22 iebididid hRIUR
双端输出时, Rod =2Rc//(2 /hoe) 2Rc; (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 :
•由差模输入等效电路可求得 :
)2///('LcL RRR 其中
与单边电路的增益相同
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。
记为: Uic1 .Uic2 ; Uic1 = Uic2 = Uic
(三)对共模信号的抑制作用
•在共模信号下 :
Ie=Ie1+Ie2=2Ie1=2Ie2
URe=2Ie1Re=2Ie2Re
•交流通路中等效为每个管子发射极接入一 个 2Re 的电阻。•其等效电路如图所示。
021
ic
ococ
ic
ocUc U
UU
U
UA
efeieb
cfe
ic
oc
ic
ocUc RhhR
Rh
U
U
U
UA
2)1()( 21
=单
e
cUc R
RA
2)(
单
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 ) 2Re>>( Rb+hie )时,
图 6 - 10 (b) 共模输入等效电路
•由差模输入等效电路可求得 :
•可见: Ree 越大共模增益越小。
与单边电路的增益相同
2/2)1(2
)( 21 efeiebi
icicicic RhhRR
IIRR
定义:差放的差模增益与共模增益之比值的绝对值即 CMMR=|A
Ud/A
Uc|
或 CMMR ( dB ) =20lg |AUd
/AUc
|
2 共模输入电阻
3 共模抑制比 CMRR
•单端输出时 CMMR (单) = |AUd
( 单 )/AUc
( 单•)|
•双端输出时, CMMR可以认为等于无穷大
结论:
•差放对共模信号的抑制作用有重要的意义:
1. 对电源扰动、及温度变化,在直接耦合放大电路中被逐级放大,从而引起较大输出误差。 (零点漂移 )
2. 对差放电路这些现象会引起两管同时产生同样的漂移,这种大小相等、极性相同的漂移电压就是共模电压。
3. 差放电路是利用电路对称的特点,将一个管子产生的漂移用来补偿另一只管子产生的漂移,从而抑制漂移。
4.这种对称性在集成工艺中较易实现。因此,集成电路中广泛使用差分电路。
输入Ui1, Ui2 可写为:
Ui1=(Uic1 + Uid1)
Ui2=(Uic2 + Uid2)
•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
典型差放电路•分解任意输入信号的一般公式为:
Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2
Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2
例题 6-1 :图 6-11 电路参数及 Ui1 、 Ui2 为已知;求输入
的差模电压和共模电压 ; 双端输出的差模电压和共模电压。
典型差放电路
解: 1. 静态计算: (Ui=0)
RbIbQ +Ube +(1+) IbQ[RW /2+2Ree]-Ec =0
解得:IbQ =4.37A
IcQ = IbQ =0.26mA
hie = rbb’+ (1 + hfe )26/ IcQ =6 . 2k
2. 差、共模输入电压 Uid1 、 Uid1 、 Uic
Uid1 =- Uid2 =(Ui1 - Ui2)/2=4mV
Uic1 = Uic2 =(Ui1 +Ui2)/2=1mV
3. 差模增益 Aud 和差模输出电压 Uod : (双端输出)
312/)1(
AUd
Wfeieb
Cfe
RhhR
Rh
mV248)U-U(AUAU id2id1UdidUdod
4. 共模输出电压 Uoc :
•共模增益为: AUc=0( 双出 )
•共模输出电压为: Uoc=0( 双出 )
(五)差放的输入和输出方式 差放的差模工作状态可分为四种: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:主要讨论的问题有: 差模电压增益 Aud
差模输入电阻 Rid差模输出电阻 Ric共模抑制比 CMRR
• 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。
1. 单端输入方式:
ieb
LfeUd hR
RhA
'
2//' L
cL
RRR
Uid1=-Uid2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2
Uic1=Uic2=(Ui1-Ui2)/2=Ui/2
•与双端输入相比较,效果相同。即是说:差放的增益与输入方式无关。
例如,对单入双出差放,其增益为 :
021
ic
ococUc U
UUA
+ -
Ui
2. 单端输出方式:
)(2
1
2
1
)(
'
21
2
双
单
Udieb
Lfe
idid
odUd
AhR
Rh
UU
UA
ee
L
eefeieb
LfeUc R
R
RhhR
RhA
22)1(
''
)(2 iebid hRR
)/1//( oeCod hRR )/( iebeefe hRRhCMRR
•负载 RL 接在 T1 或 T2 集电极到地之间,对地电压相当于双端输出电压的一半。所以
LcL RRR //' 其中
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由上述分析可知:
• Ree 的接入可有效地抑制共模信号,对差模没有影响。
• Ree 越大、 CMRR 越大,效果越好。
但增加 Ree 受两方面的限制:
• 其一是集成工艺不宜制作大电阻;
• 其二是增加 Ree就要提高电源 Ee 的电压; ( 静态需要 )
• 即在不提高静态电阻的条件下,提供一个等效高阻 Ree; 同时还可以提供稳定偏流 Ic3 。
• 采用恒流源电路代替 Ree可有效解决上述问题。
22333 2 RIURIU Dbe
忽略 T3 基极电流,则)/()2( 2121 RRUEII De
213 , RRUU Dbe
))(2/( 333 恒定REII ec
)1(1
333
33
33 RhR
Rh
hFRRR
ieb
fe
oeoofo
•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:
恒流源差放
电流串联负反馈
• 恒流源电路分析如下: