半导体集成电路第三篇

《半导体集成电路》

第三篇 模拟集成电路

一．概念

具有对各种模拟量进行处理功能的集成电路，包括了数字电路以外的所有集成电路。 二．分类

线性电路：输出信号与输入信号之间存在线性关系，如运放，电压跟随器，放大器等；

非线性电路：如乘法器，比较器，稳压器，调制器，对数放大器等。 三．特点

①品种多，线路复杂，重复单元少； ②电源电压高（12V）； ③工艺复杂，精度要求高。 四．发展概况

继数字电路之后，六十年代中期迅速发展，开始称之为线性电路，后来出现了许多新品种，很多品种超出了线路电路的范畴，没有归属，于是，67年国际电器委员会（IEC）正式提出了模拟集成电路的概念。

下面以运放为例看发展：

四十年代：电子管运放，用于计算机中，进行各种数学运算，运放由此得名。

五十年代：双极型晶体管运放。 六十年代：单片集成运放出现。 原始型：A702为代表，

电阻负载；

第一代：A709为代表，

标志：采用横向PNP管；

七十年代：第二代：A741为代表（七十年代），

标志：有源负载；

第三代：MC1556为代表（七十年代）， 标志：超管

八十年代：第四代：MA2900为代表（八十年代），

标志：双极，MOS结合，斩波稳零技术，大规模。

第十一章 模拟集成电路中的特殊元件

预备知识：晶体管平面工艺 《半导体工艺原理》

晶体管直流特性 《晶体管原理》

§11-1 横向PNP管

一．典型结构及制造工艺

在n型外延层上，同时完成发射极和集电极的硼扩散，然后磷扩散给出基区引线孔，蒸铝，反刻。

由于射区注入的少子在基区中沿衬底平行的方向流动，故称横向管。 二．电学特性：

1．电流增益：

从横向PNP管的结构可知，横向PNP管存在两个寄生纵向PNP管。

当横向PNP管正向有源时

VeVBVCV衬底 这样：

射区—基区—衬底寄生纵向PNP管也牌正向有源区； 集电区—基区—衬底寄生管反向截止，可忽略其影响。

由于存在寄生晶体管，严重地影响到横向PNP管的电学特性，这也是它质量不高的一个重要原因。下面我们采用简化模型分析横向PNP管的HFE。

假设：①发射区均匀掺杂，则均匀注入； ②忽略n+埋层上推形成的漂移场影响；

③横向及纵向基区宽度均小于空穴扩散长度。

*

利用：ICIPXXIPX

IBIBXIBY



IC

IB

可得：



1WbX

AYAX

eWbYe

2W2LbWeXbeYpb

式中：AX为发射结横向面积； AY为发射结纵向面积；

WbX，WbY为横（纵）向基区宽度； WeY为发射结纵向深；

WeX为发射极引线孔到发射区边距离。 当纵向寄生管基区宽度WbYLPb时



1WbX

AYAX

ee1

W

beYLpbbWeL

按照一般的设计数据：

Xjc（WeY ） 3m

NBS 51018/cm3 RO ~150/ NBC 11015/cm3 b 5cm WbX 8 WbY 15 WeL 10 计算值 10

事实上，执照上述设计数据制作的横向管，其放大倍数要大得多，目前国内水平一般在50以内，国外约为100。

偏差的原因： ①：发射区非均匀注入；

②：n+ 隐埋层上推形成对少子（空穴）纵向的阻滞区，减小了寄生纵向

管的作用。 提高的途径：

①：横向结面积尽可能大，纵向结面积尽可能小（取决于图形设计及结

深设计）；

②：射区（硼）深扩散； ③：提高注入效率；

e

b

④：表面钝化（减小表面复合）；

⑤：间隙埋层，埋层为高复合区将增加纵向基区复合电流（使I增大，

下降），采用间隙埋层则是一种折衷的办法；

⑥：采用场助PNP管，外加电场，提高横向发射结有效偏置。

事实上，所有的这些措施都受到条件及其它元件特性的限制，在实际工艺中，往往是通过减少污染，表面吸杂与钝化，增大硼扩散结深来控制。

另外，由于横向PNP管基区浓度低，发生大注入效应（基区电导调制效应，大注入自建电场，有效基区扩展效应）的临界电流密度小，且由于纵向无效注入，使其电流容量较小~5A/m。

一般采用最小设计尺寸时，认为有效电流不得超过0.5~1mA。 2．击穿特性：

PN结有三种地窖机构：

热击穿（漏电），隧道击穿（重掺杂），雪崩击穿（轻掺杂）； 对横向PNP管，属雪崩击穿。

由于基区电阻较大，雪崩击穿电压较高，当cb结反偏时，耗尽区扩展很严重，以至尚未达到cb结击穿电压，而ce结已穿通。

因此横向PNP管的击穿特性实际上是ce结的穿通电压。 采用突变结近似：

2

qNBWbX



20si

VPT

3．频率特性：

由于基区宽度大，渡越时间长，且存在寄生晶体管效应，频率特性较差，一般为几兆赫。

三．横向PNP管常用图形

两个特点：①：基区为外延层，因而基区等电位的管子可置于同一隔离岛； ②：只有发射结正对着收集极的侧面积才对有贡献，因而图

形设计中总是以集电区围绕着发射区。

据此，我们可以采用一个基极制作出多个发射极和集电极，也可以根据需要，以多个集电极围取一定比例的发射区侧面积，来制作成比例的多个共基极晶体管，还可按设计要求，制作具有固定的电流放大倍数的晶体管。

1．单个横向PNP管 ①圆形结构：

特点：发射结周界小，有利于减小复合电流，且消除了棱角电场。 ②环形结构：

特点：在同样扩散深度下，发射结侧面积与纵向面积之比较大。 从版图尺寸考虑：

①发射区面积要小（提高fT，）； ②WbX全程（兼顾fT，，VPT）；

③基区引线孔靠近射区，且面积大（减小Rb）。 2．多集电极横向PNP 管

特点：共用基、射极，各集电极IC（）之比正比于它们所正对的射区

侧面积之比。

3．可控增益横向PNP管

特点：将多个集电极中的一个与基极短接形成负反馈，稳定电流增益，此时增益由版图定。

4．多发射极，多集电极横向PNP 综合：

1．横向PNP管受基区宽度及寄生效应影响，增益较低，10~50，频率特

性较差，几MH。

2．其击穿特性受穿通电压限制，约几十伏。

3．版图设计采用集电区围绕发射区，以尽量利用其有效射区侧面，且采

用埋层结构。 4．大电流特性较差。

5．工艺与NPN管相容，简便，可简化电路，因而获广泛应用。

§11-2 纵向PNP管

在模拟集成电路中，在某些场合下，要求PNP管具有较高的耐压和较大的电流容量。例如输出管，要求具有额定输出电流，耐压大于电源电压，这时，横向晶体管难以胜任。这里，我们介绍纵向PNP管。 一．衬底PNP管

1．结构及其制造工艺：

P型衬底作为集电极，n型外延层作为基区，硼扩散形成发射区。

2．电学特性： ⑴电流增益

《晶体管原理》P104导出了NPN型均匀基区晶体管的为：

WW

2

ebb

bLpe2Lnb

变换到PNP管，并利用 Re

e

L

pe

得：



ReWb

b

Wb2

2Lpb

显然，对于纵向PNP管来说：Wb 较大，因而较低；

Re较大，注入效率不够高；

影响了电流增益。

书中对典型设计数据下纵向PNP管的电流增益作了计算。 提高的途径：

①工艺上避免玷污，吸杂，钝化，以提高少子寿命。 ②选择适当的基区宽度。

③加p隐埋层，在基区形成少子的加速场。 ④适当调整硼扩散浓度及外延层电阻率。 ⑵击穿特性

纵向PNP管的cb结实际上就是隔离结，一般击穿电压在100V以上，设计中不需改善。

⑶大电流特性

与横向PNP管类似，衬底PNP管的基区宽度大，基区浓度低，容易发生发射极电流集边效应和基区电导电导调制效应，不同的是，衬底PNP管没有

寄生晶体管，但其集电区浓度较低，容易发生有效基区扩展效应，因此其电流容量也较小，一般取10A/m。

⑷频率特性

由于没有寄生晶体管的影响，衬底PNP管的频率特性优于横向PNP管，一般为10M左右。

fT

12b



Dpb

Wb2

fT决定于Wb 3．衬底PNP的图形

①由额定电流决定发射极条长，可取梳状； ②基区包围发射区，以降低Rb； ③集电极从隔离槽引出。 二．三重扩散PNP管

1．结构与制造工艺

在普通NPN管的基础上再扩p 发射区p 基区n 集电区p

2．特点：

①具有双重隔离性能，因而所有这种晶体管可置于同一岛上；

②n浓度已很高，由于受固浓度限制，p区域的浓度难以提高到获得满意的发射注入效率；

③基区重掺杂，少子寿命低； ④图形尺寸大，寄生电容大。

这样，既增加了工序，又难以得到满意的晶体管，因而极少采用。

§11-3 超管

在模拟集成电路中，差动放大器是一个基本单元电路，差分对的质量直接影响到电路的性能。

回顾差分对电路，有两个重要指标Ri，IIO 差模输入电阻： Ri

dVid(VB1VB2)



dIBdIC

显然从两端看到的差模阻抗应为单管的阻抗的两倍。（差模信号输入相当于两管be结串联）

Ri2rbe2[rbb'(1)re]2(1)re

于是：re

dVBE

dIE

qVBEnKT

dIEdVBE

IEIESe

于是

re

nKTqIE

nKT2nVT

qIEIB

Ri2(1)

失调电流：IIOIB1IB2

可见，在保证一定的工作电流（IC）时，IB越小，差分对的指标越高。这可从两方面达到。

一是线路设计，如达林顿复合管输入，场效应管输入。

二是工艺措施，增大输入管值，由此产生超管。

所谓超管，一般1000，当IC几十A时，IB为nA数量级。 下面我们讨论超IB管。 一．提高的主要途径

对缓变基区晶体管：

Wb2SAWI

SbreDnbNELpe5DnbnbAEDnbIne1

Re1WbSASWbIre



RbLnbAEDnbIne

2

DpeNBWb

第一项表示了注入效率，从实际考虑，受固社会浓度限制，

Re

不能无限Rb

制减小，当NE51020时，由于重掺杂效应，有效浓度反而降低，且射区内俄歇复合迅速增加，使注入效率降低。

第二项表示基区输运系数，通常NPN管Wb1，故这一项对影响很小。 第三项表示基区表面复合，第四项表示发射结势垒区复合，可以从设计及工艺上将其影响减小到最小。

分析可知，对第三项的要求，超管与普通NPN管相同，这就意味着超管的关键仍在注入效率与基区车运系数。

我们将第一项再作变换

W1W

ebb...... exjeLnb

1

2

显然：①尽可能减小Wb，不但使基区输运系数达到几乎等于零而且同时

提高了注入效率，可大大地提高值。

②在足够大的基区输运系数的前提下，降低基区掺杂浓度，提高注入效率。

基此，形成二种超管 二．穿通型超管

1．设计思想：这种超管的设计思想是减小Wb，以降低BVcbo、BVceo为

代价来获得高值，由于Wb很小，当cb结反偏时，势垒区很快扩展过基区，而造成ce穿通，故称穿通型。

2．工艺：a：两次磷扩散

在普通NPN管的射区加一次磷扩散，将射区推深，减小Wb，得到超管。

b：两次硼扩散

超管的硼扩散与普通NPN管硼扩散分别进行，使超管

的硼扩结深较浅，再一起扩磷。

3．穿通型超管特点

a：基宽调制效应明显，特性曲线呈扫帚形； b：穿通电压低，约2~7V；

c：为减小基区及发射结势垒表面复合，在版图设计上，通常采用圆形发射区，及大面积金属覆盖；

d：线路设计中，通常使超管bc结偏置为接近0V。

这样首先是保护其不被击穿，其次降低了基宽调制效应，再就是避免了

Icbo，提高了温度稳定性。

三．离子注入超管

a：设计思想：降低基区杂质浓度，提高注入效率，获得高值。 b：工艺

首先离子注入p，高温推深，形成基区，再扩硼，在p周围形成p环，一方面避免p表面反型造成ce

穿通，另一方面作基区的欧姆接触。扩磷形成

发射区。

c：特点：

①由于采用离子注入，成本较高，但重复性好，工艺上容易控制。 ②只要基区少子寿命较长，Wb可较大，穿通电压比较高。

§11-4 隐埋齐纳二极管

模拟集成电路中，有些基本单元电路，如基准电压，源电路，电平位移电路等，常常利用一个二极管的反向特性，来获得一个比较稳定的电压，这种二极管称为齐纳二极管。

直流电路中，当前一级的工作点发生偏移时，会被放大传输到下一级，因此，许多多级放大电路中包含有内稳压源，提供稳定的工作点。

在这些电路中，对齐纳二极管的共同的要求是： a：动态内阻小，以避免大电容退耦； b：击穿电压稳定； c：噪声小。

对于普通齐纳二极管，其特性并不令人满意。

大家知道，不良的表面状态会使PN结击穿电压降低。普通齐纳二极管PN结的一部分暴露于表面，受到SiO2中电荷及界面态的影响，因此击穿往往在表面首先发生，形成软击穿，且击穿电压不稳定。

由此出现了隐埋齐纳二极管，它的设计思想是：将PN隐埋于体内，从而不受表面状态的影响。

1．扩散法

首先进行深硼扩散p，再按正常工艺扩硼，覆盖p，扩磷覆盖p，这样，

相当于两个PN结并联，由于浓度的差异，体内PN结首先击穿。

2．离子注入法：

先按正常工艺淡硼扩散及磷扩散，离子注入离子覆盖n并连通p。由于注入离子峰值在体内，因而体内先击穿。

3．版图设计时应采用圆形结构，避免棱角电场造成面部击穿。

§11-5 集成电路中的电容器

模拟集成电路中有两种类型的电容器： 第一类 寄生电容： 结电容

第二类 平板电容： MOS电容 薄膜电容 一．结电容

一个反偏PN结具有与结相关联的耗尽层电容； 一个正偏的PN结具有与结相关联的扩散电容。 我们先看一个PN的等效电路：

正偏时，电容两端呈低阻抗，显然无法使用；

反偏时，主要是CT，gI，RS起作用，电容两端呈高阻抗，此时，对于突

N

变结：CT

V

N为轻掺杂侧杂质浓度； V为反偏电压；

12

对于扩散结，表达式要复杂得多，但有相类似的关系。

显然我们要求与结电容相关的PN具有较大的CT，较小的RS和gI。 在模拟集成电路中，be结电容量最大，但由于Wb小，Rb大，Q值不变，实用价值不大。cs结单位面积电容量最小，也不适用，cb结电容量适中，串联电阻不大（20）采用最多。

1．

bc结电容结构如图示：

零偏时 C1~3104pf/m2 2．

当要求电容量较大时，可采用pn并联结构。

零偏时 3~4103pf/m2 耐压 4.5V

3．结电容的特点：

a．具有极性，只能使用于反偏状态； b．串联电阻较大，Q值不高； c．存在反偏漏电流，温度特性差；IRd．电容量随电压变化。 二．MOS电容器

1．结构：MOS电容器相当于一个平板电容器，在隔离岛上扩磷形成下极板，以铝膜作为上极板，SiO2作为介质，由此称为MOS电容。

其等效电路如下：

1OC

对于MOS电容器的分析可直接引用《半导体物理》的结果。

但是在这里， n浓度非常高，一般近似认为电容量不变。

CMOSA

0i

tox

2．特点： a．无极性； b．耐压高； c．精度高；

d．串联电阻小，Q值高； e．面积大，成品率较低。 三．薄膜电容器

薄膜电容器实际上是平板电容器，一般限于需要较大电容量时使用。 平板电容器的电容量与介质材料及其厚度有关，采用薄膜电容器，可以自由选择介质材料，因而比之MOS电容具有更大的灵活性，缺点是增加工序。

§11-6薄膜电阻器

在集成电路中，由于制作方便，一般采用硼扩散电阻，有时根据电路设计要求，也采用磷扩散电阻及外延层电阻。

硼扩散电阻有其固有的缺点： a．难于制作大阻值电阻； b．精度不高； c．温度系数高。

因此，对于大阻值电阻，高精度电阻等不太适用。 薄膜电阻弥补了这一不足。

薄膜电阻器以金属，合金或化合物为材料，淀积在绝缘层上而形成，可以根据需要选择不同电阻率及温度系数的材料，以达到电路的要求。

薄膜电阻器的优点尤在于制作后可调整阻值，采用激光切割调整后，精度可达1%。

综述：

1．纵向PNP管的击穿特性，大电流特性，频率特性均优于横向PNP管，可用于宽带放大器，三重扩散PNP。由于制作上的困难，一般不采用衬底PNP，限于使用在集电极接最低电位的场合，图形设计上采取基区围绕发射极，以减小Rb。

2．超管分穿通型和离子注入型。

穿通型超管采用牺牲BVcbo、BVceo为代价来获得高值，措施是减小Wb，一方面提高注入效率，另一方面提高基区输运系数，工艺上分两次硼扩和两次磷扩两种，图形设计采用圆射区，大面积铝覆盖，使用时使Vcb0。

离子注入超管采用降低基区浓度的办法获取高，比之穿通型，击穿电压有所提高，工艺重复性更好。

3．隐埋齐纳二极管体内高掺杂，表面低掺杂，使PN结的击穿特性避开表面影响，获得低阻抗，低噪声，高稳定度的击穿特性，为电路提供一个高质量的参考电压，其制作分集散法和离子注入法，图形设计上采用圆形，以消除棱角电场。

4．扩散结电容器由于只有极性，漏电，温度稳定性差，容量随电压变化，

Q值不高等缺点，应用较少。

MOS电容器实际上相当于一个平板电容器，由于耐压，精度高，应用广

泛，但成品率不高。

薄膜电容器实际上象是平板电容器，比之MOS电容器，容量大，Q值更高，但增加工序。

5．薄膜电阻采用金属，合金或化合物作材料，在SiO2上淀积而成，其特点是，精度高，阻值可调整，温度系数低。

第十二章 模拟集成电路中的基本单元电路

引言：尽管模拟集成电路种类繁多，但大多是由为数不多的几种单元电路所组成。

这些单元电路中，有的是随着模拟集成电路的出现及发展而产生，有的则沿用分立元件的线路形式，根据集成电路的特点加以改进而出现。

这些单元电路的共同特点是：适于集成化生产且充分利用了集成电路中元件的特长。

常用的单元电路有：差分电路、双差分电路、恒流源电路、稳压源电路、有源负载、电平位移电路、阻抗变换电路、双端输出变单端输出电路、输出级及其保护电路、模拟开关等。

了解了这些单元电路的形式、特点，掌握了它们的分析方法，我们就可以很容易地分析各种各样的模拟集成电路。

考虑到大家电路知识基础较薄弱，本章将在教材的基础上增添一点内容，便于下两章的分析。

§12-1 差分放大器

差分放大器出现于集成电路之先，但集成技术使其性能大大提高。已成为模拟集成电路中应用十分普遍，最基本的单元电路之一。

由于采用集成技术，使得差动放大器具有几个主要优点： 1、元件特性一致，失调及温度很小。（温度补偿） 2、用电容机会极少，且可避免大电阻，有利于集成化。

3、性能多样化，作为线性放大器，工作频率可从直流、音频、视频直至甚高频，也可作为宽带放大器，作为非线性电路，具有限幅、增益控制、混频、倍频、调制、乘积、检波等多种功能。

一、差分电路工作原理及主要性能 1、小信号特性：

如图示基本差分电路，由两个完全对称的半电路组成。 两管静态电流取决于VEE及RE。 （1）输入差模信号情况： Vs1=Vs2

此时，T1、T2两管输入信号大小相等，方向相反，两管流过RE的信号电流也大小相等，方向相反，彼此抵消，RE上无信号压降，E点相当于交流接点，称为虚地点。

此时：

因电路完全对称

于是：双端输出差模电压增益 显然，单端输出时： （2）单端输入信号

Vs1=Vs2

Vs2=0

此时，T2相当于一个射随器，其输出阻抗：Roz

Roz通常远小于RE，因而RE的分流作用可以忽略，信号回路为： 每个管子所分配的输入信号均为1/2VS，但极性相反，因而与差模输入信号具有同样的性质。

（3）共模信号：Vs1= Rs2

两管输入信号大小、方向均等，因而RE上信号压降为2ieRE，据此可作出交流等效电路图。

当电路完全对称时，共模增益。 2、传输特性：（大信号特性）

当输入信号较大时，差分放大器的工作点可能进入非线性区，这时他的特性需利用传输特性进行分析。

传输特性是指电路输出电流与输入电压之间的函数关系。研究它。能帮助我们对整个信号输入范围内电路的输出特性有一个全面的了解。

（1）传输特性曲线

讨论一个采用恒流源的基本差分电路 得到传输特性： 可得到传输特性曲线 （2）传输特性曲线的特点 a: 平衡状态

b: 在平衡状态附近，|Vi|≤VT范围内，线性区、Vi与Ic1、Ic2呈线性关系，这就是通常的小信号线性放大区域，此时有近似关系成立

c: 当|Vi|≥4VT时，限幅区总有一个晶体管截止，电流近似为零，另一晶体管充分导通，受恒流源限制，电流近似，且IC1、IC2恒定不变。这表明差分电路在大信号区具有良好的限幅作用，可构成限幅放大器。

d: 为过渡区

e: 由于始终有IC1+IC2=dI0，因此，曲线a、b互为镜象 （3）传输特性线性区扩宽

在某些差分电路中，在T1、T2的射极串接有一小电阻，下面讨论它的作用。 采用图解法可得到有RE时传输特性曲线

图中，a为没有RE时的传输特性曲线；b为RE的伏一安特性，显然它为穿过 的一条直线。

任取IC轴上一点P，对应于P点电流，PQ表示此时两管信号Vi=Vi1－Vi2,PS则对应于两RE上压降，

因此，对应于P点电流，信号压降应等于PQ+PS=PT。 逐点作出，可得曲线c，即为加RE时差分电路的传输特性。

现在我们来讨论RE的影响。 a: 传输特性线性范围展宽 线性范围： 无RE时： 有RE时：

b: 增益：由于负反馈作用，增益下降 c: 带宽： 设负反馈系数为

则低频下半功率点频率下降为原来的： 高频端上半功率点频率上升为原来的： d: 上升速率SQ提高 3、输入阻抗： 定义：

显然，从两输端看到的差模阻抗应为单端输入的两倍： 4、跨导与增益：

跨导定义为：差模电压的变化dvi与输出电流的变化dIc的比值 ，它就是传输特性曲线的斜率。

单端输出：

双端输出时：两端输出电压为单端输出电压的两倍，因而 在小信号区域，可以认为gm不变，为平衡状态时的跨导： 平衡状态： 可见：

①gm 与温度有关 ②gm与工作电流成正比

利用第二个特点，可以实现自动增益控制。再讨论差分电路的增益： 根据定义： 由于对称性

可知，增益与工作电流有关

由此，可设计出简单的乘法器电路： 5、共模抑制比

以上我们讨论了理想状态下差动电路的性质，但实际差分放大器总不可能完全对称，反映到电路性能中，主要表现在共模抑制比及失调，下面分别予

以讨论。

当输入共模信号时 当电路出现不对称时

定义放大器的差模信号增益与共模信号增益称为共模抑制比，它反映了差分电路对共模信号的抑制能力。

通常用分贝表示： 当电路完全对称时 但实际电路总是正对称的

提高共模抑制比取决于两个因素： 1：提高元件的对称性

2：加大共模负反馈电阻，担受工作电流及电源电压的限制，故一般采用恒流源来代替RE。

6、失调

（1）定义：零输入时不为零的输出电压称输出失调电压，为得到零输出所必须加于输入端的电压称为输入失调电压

当维持静态输出为零时，差分电路两输入端偏置电流的偏差称输入失调电流

（2）失调的产生 先讨论VOS

设差分电路两输入端接地 忽略二次分量

可见VOS主要由RC及△VBE不对称引起，当不考虑△RC时

教材中将△VBE进一步分析，进而指出了由 及 不对称引起的分量。 讨论IOS 根据定义：

综上所述，失调由电路中元件的不对称所造成，产生元件特性不对称的原因有：a: 对称元件的几何开关、尺寸有差别，或光刻过程中造成几何尺寸

差别。

b: 材料不均匀

c: 工艺过程中，掺杂浓度，洁深的误差 d: 差分对管引线电阻的误差。 7、漂移：

失调电压、失调电流随时间、温度等因素变化的现象称为漂移，其中主要的是温度漂移。

一般说来，失调的本身并不可怕，可以通过外部补偿而消除，麻烦的是它将随外部因素而漂移，此时的各部补偿反而附加了一个漂移项。

在这里我们讨论失调的温度漂移。 首先讨论

事实上，当集成块工作时，芯片将产生温度梯度，由此附加有一项温度漂移。

一般情况下：

由以上分析可知，减小差分电路的静态输入电流，不仅可以减失调电流及其漂移，而且可以提高输入阻抗，这对改善差分电路的性能起到重要的作用，为此，在基本差分电路的基础上，以减小输入电流为目标，发展了多种形式的改进型差分电路。下面略加介绍。

二、达林顿差分电路 1、电路形式： 2、基本特性： A、输入阻搞 需端阻抗为 3、特点：

a:在同样的工作电流下，IB：减少了（1+β1）倍。 因此，提高了2（1+β1）倍调电流减少了（1+β1）倍 b：最大差模输入电压增加一倍。

最大υd曲输入管Vabo决定。 c:：跨导降低

d：工艺要求高，须掌握小电流高β技术。 三：互补差分电路 1：电路形式 2：基本特性 a：输入阻抗 b：跨导： 3：特点

a：利用高性能的npn管与低性能的pnp管复合，实现了B较小，pnp管共基接法政善频响。

b：由于横向pnp 管BVebo很高的差摸电压。 四：超β输入差分电路 1：电路形式： 2：输出电压只高 3：特点： 补充：双差分电路 一：电路形式 三：小信号特性 2：增益控制 3：混频器 4：鉴相器 设小信号： 三、大信号特性

利用传输特性类似于乘法的分析 可得：信号电压V2被载波V2所调制

npn 的高β使I

§12-1 恒流源电路与有源负载

对差分电路的讨论可以年到，为获得良好的共模特性。要求RE越大越好，而RE增大，将使工作电流下降，跨导降低，增益 gmR随之降低。

在模拟集成电路中，常常采用恒流源的电路，利用其较低的直流阻抗，获得较稳定的偏置电流，利用其较高的交流阻抗可获得良好的共模特性，此外，采用恒流源作为放大器的有源负载（如差分电路RC）可以提高增益。

由于在集成电路中，恒流源的成本比大电阻低很多，而其特性又高得多，故得到广泛应用。

一、基本型恒流源 1、设计思想 2、电路结构 3、原理分析： 4、特点： a、温度稳定性好

二、比例恒流源： 基本思想

1、使两管输出电流不相等，可采取两条措施，由此形成两种比例恒流源： a：设计中使两管不对称 b：电路形式上使VBE不相等。 2、电路形式 3、原理分析：

另外、设计上使两管不对称时： 此时、由于采用基本型恒流源电路

由此，改变两管射区面积比，也可获得比例恒流源。

须便指出，若以Ir作输入端，I作输出端，则得到一个放大能力完全取决于两管射区面积之比的电流放大电路。

这种电流放大电路的优点是：

a：在较大的输入范围内，电流增益不变。 b：具有温度补偿，温度稳定性好。 c：精度很高。 d：频率特性好。 三：小电流恒流源：

在模拟集成电路中，偏置电流往往小至微安级，用基本恒流源，Rr 在106数量级，采用比例恒流源因使适于，故不适用，由此发了小电流恒流源：

1、基本思想：

与比例恒流源相同（且取）R1=0的极端。 2、电路形式： 3、原理分析：

4、特点：① 对电源电压抑制性好。 ②温度系数很小 四：温度朴偿恒流源 五： pnp管恒流源

以上讨论的npn 管恒流源电路，均适于供给npn管射极电流，当需供给npn管集电极电流时，可采用pnp管恒流源电路。

原则上讲，npn恒流源的电路形式原理分析均适于pnp管恒流源电路，只需将极性改正就可以，模拟集成电路中均以横向pnp管构成恒流源。由于横向pnp管以外还会作为基区，则所有基区等电位的晶体管可作于同一隔离岛上，而基本型，比例型，小电流型等恒流源均满足这一要求，因此，可能制作出共基极，共射极，多集电极晶体管作为恒流源，从而大大节省了硅片面积。

此外，横向pnp管具有一个重要的特点，只有正对着集电区的发射侧面积才对β有贡献，也就是说，对于多集电极横向pnp管，每一集电极所分配到的电流之比，等于集电区的发射侧面积比。因此，特别适于制作比例恒流源。

1、基本型恒流源

2、可控β恒流源：（比例恒流源） 六、场效应管恒流源：

在很多模拟集成电路中，还常常常用场效应晶体管恒流电路。 1、基本想思

对于一个结型场效应晶体管，当漏源电压超过断电压VP时，漏源电流呈饱和值，其大小由设计确定。

另外，IDS具有很好的温度特性。

适当选择工作点，可使IDS具有零温度系数。

这样得到一路与电源电压及温度均无关的电流，利用这一路电流作为参考电流，反映出多路输出电流作为整个电路的静态编置电流。

2、电路形式：

设T1、T2、T3、T4特性一次

与小电流恒流源的输出电流表达式类似。电路中，R5为外区层电阻，与场效应管的阻抗具有同样的温度系数，其作用是保持Io1的稳定，当场效应管工作于非饱和区时，设有 则 电压波动来变化。

D点电压波动： 选取R5数值，使得： 于是：

这样，即使Ir改变，I01仍恒定。

R2是沟通电阻，它具有比硼扩散电阻R1、R3、R4高得多的正温度系数~0.5% 当T↑→VBE3↓→VB4↑ T↑→R2↑→IR2↓→VR4↓

VB4↑、VR4↓，都将使I01↑，这样可以补偿输入级因温度上升而造成的跨导降低。

七、有源负载： 1、问题的提出

对于晶体管共射放大电路

欲增大电压增益，可从IC、RC两者看来，增大IC的困难。 IC↑→IB↑→Ri↓Ios↑，且PW↑ 影响电路的其它性能。 增大Rc的困难。

首先大电阻在集成技术中难以实现。另外，若电源电压一定，Rc↑→Ic↓→gm↓→Av↓仍达不到目的。

因此，在这里，我们希望有这样一种等效负载阻抗。对直流来源，其阻值不大，以保证一定的工作电流，即保证了电路具有一定的跨导。

对交流来说，他的阻抗很大，从而有效地提高电路的增益。 2、理论依据

分析一个晶体管输出特性曲线

设晶体管工作在放大区Q点，则直流阻抗 R-不大且可以调节 交流阻值

VA称为厄利电压，是一个主要与基宽调制效应有关的数值，与Wb、NB有关。 对于共射电路：VA~一百多伏 对于只基电路：VA~104 可见R~是很大的。

因此，在模拟集成电路中，常利用晶体管作为负载，由于是有源元件，故称有源负载。

显然：①R~与VA有关。

②R~与晶体管的接法有关，采用共基接法时，R~为共射接法的（1+B）倍。

③R~与工作电流Ic有关，但有源负载的工作电流就是放大管的工作电流，降低Ic会使gm降低。

④R~与负载管射极电阻有关。如图所示： 相当于共基接法

3、有源负载的优点：

①显著提高电路增益。对于多数放大电路，可以减少电路的级数达到同样的增益，这对电路的频率特性有好处。

②直流阻抗小，在较低的电源电压下，可得到合适的工作电流。 ③使得电路的电源运用范围较大，只要晶体管工作在放大区，电源电压变化引起，Vce的变化几乎与工作电流无关。

④避勉了电阻，有利于集成化。 4、电路形式 ①NPN管作有源负载 ②PNP管作有源负载

第十三章 集成运算放大器

运放早期被应用于模拟计算机中进行各种教学运算，并由此而得名.它是模拟集成电路的基础。

随电子技术的发展、运放的功能已远远地超出计算机的范围，而广泛应用于信号调整，有源滤波，人司服系统，程序控制、非线性函数发生器等各领域，已成为线性电路中最通用的一种。

§13-1 运放的基本概念

一、运放的概念

运放本质上是一个具有高增益，深度负反馈的直流放大器，以电子线路的角度出发，其图示如下：

AV表示一个高增益直流放大器，Z、Zf构成外加反馈网络，为满足负反馈，AV为负。

引入一个重要结论：深度负反馈放大器的特性取决于反馈网络的性质，而与内放大器Av几乎无关。

于是，也可以说：运放本质上是一种输出、输入信号函数关系受外加反馈条件严格控制的器件。

下面以负反馈的观点证明这一点 将上框图略作修改：

可知，这是一个电压并联负反馈放大器.

Zf折算到输入端 Zfi于是：

IB0

Zf1AV

Zi

IfIg

VIBZi0

虚地

这样：

VgIgZVOIfZf VO

二、运放的结构 1、

对称电路结构：（原始型～第三代）

ZfZ

Vg

特点：电路简单，集成度低。 2、

斩波稳零结构：（第四代）

A1 为主放大器 A2 辅助放大器 信号通道：

高频A1输出



低频A2

特性：

AVdAV1dAV2d

VOSVOS2

VOS1

VOS2

AVd2

经典斩波稳零运放中，A2是斩波器调制的交流放大器，可以保证VOS20. 动态校零斩波器稳零运放中，以具有任意VOS的直耦放大代替A2，整个放大器工作过程分两个节拍，一个对校正失调电压的校正电压进行记存的误差记存节拍。另一个是放大，较零节拍，与此同时，利用输出采样保持电路保证V0的连续性，这样Vos2 及漂移被周期性地较正到零，保证了Vos及漂移近于零。

误差记存节拍：当Vin输入时，斩波放大器输出与C17相接

放大较零节拍：当Vin接地时，斩波放大器输出与C9相接。 三、主要参数定义： 1、开环电压增益：

运放无反馈时，差模电压放大倍数

VO

AVd

V~106i1V104i2

KVd20lgAVd

80~120dB

2、共模抑制比

运放开环时，差模电压增益与共模电压增益之比 CMMRAVd4A10~106

Vc

通常以分贝表示： CMRR20lgAVdA80~120dB

Vc

3、输入阻抗Rin

运放开环时，两输入端之间差模阻抗 4、输出阻抗：R0 开环时输出阻抗 5、输入偏置电流IB

6、输入失调电流的IOS及温漂 IOSIIOS

B1IB2T

7、输入失调电压及温漂

VVOS:使VO=0时，两端所加补偿电压 OS

T

8、带宽：

单位增益带宽 fcp -3分贝带宽 fc 最大功率带宽 fpp 此外还有上升速率SR

建立时间

最大差模、共模输入电压 静态功耗等。

其中某些重要的指标后面将作专门介绍 四、理想运算放大器 1、AVd 2、CMRR 3、Ri 4、开环带宽 5、SR

I

6、IOSOS0

TV

7、VOSOS0

T

8、噪声0 目前水平

在许多场合，并不要求许多指标都十分完美，而仅对某一方指提出特殊要求，由此，在通用型的基础上，派生出一个分支，专用型运放。

低漂移型： A725低功耗型： A735高速型： A772高输入阻抗型：A740

§13-2 运放的频率特性及频率补偿

VOS

0.5AT

O

C

IOS

0.5T

O

C

PmW OM0.1SR65VS

Ri106M

一、放大器的开环频率特性 1、单极点传输函数的频率特性。

讨论一个单管共射电路，将各种寄电容等效为一集电极至地电容c，则其增益

A11

VfgmRC//jC

gmR1jC 设gm与f无关 且 f1p

2RC

则 AV

fggmRmR

1j

f

j为一单极点传输函数.

fp

幅频频性

AV

相频特性

arctanf



fp

2、单极点传输函数波德图。

将幅频特性及相频特性分别绘出曲线以直观地了解其性质 由关系式有：

f

AVOf1p

Af

f

VAVO3dB

f1 pf

A20lg

f

VOfpf1p

00f

f1p

f

450

f

f1 p900f



f1p

为简便起见，近似用折线代替曲线。

Affp A

VOVf

fAff



VO20lgfp

p00f0.1fp

f

450DEC

0.1fpf10fp



900f10fp

这种近似法由H、W、Bode提出，故名波德图。 3、多极点传输函数的Bode图 运放问题一个多级放大器

讨论一个三级放大器，这一放大器的每一级均为单极点传输函数，则放大器为一具有三极点传输出数的电路。

AVfAV1fAV2fAV3

f





j123

设fp1fp2fp3 显然，对幅频特性：

ffp1

AVAVO

fp1ffp2斜率20dBDECf斜率40DEC

p2ffp3

ffp3

斜率60dBDEC

对相频特性:

f0.1fp1

00

0.1fp1ffp1

00~450fp1ffp2450~1350fp2ffp31350

~2250

fp3f10fp3

2250~2700

f10fp3

2700

总相移 2700

波德图如下：

二、闭环稳定性 1、闭环稳定条件：

设运放处于闭环状态，反馈系数为F Af

AVf

1AVfF

当环增益AVfF1时，Af.

此时，放大器处于自激振荡状态，其物理意义为随频率增大，放大器及反馈网络可产生附加相移。当附加相移达±180°时，负反馈变为正反馈，反馈量足够大时，产生自激振荡。临界振荡条件：

AVfF1

AVfF1 0

2n1180

于是闭环稳定条件：

1800时, AVfF1; 或AVfF1时, 1800.

2、闭环特性：

放大器加入负反馈后，其幅频特性及相频特性叫闭环特性。 未加负反馈时，称开环特性

设反馈网络不产生附加相移，反馈系数F为常数。 则低频范围内, AVf很大.通常有:

AVfF11

Aff

F

为一不随频率变化的常数，在波德图中为一水平直线，与开环幅频特性交于Q1点，表示在此频率下，闭环增益等于开环增益，此时

AVf1Aff1AVf1F1

1F

当ff1时, AVfF1; ff1时, AVfF1. 注意到：

Aff

AVf

AVf

1AVfF

ff1时，随f增大时，AVf不断下降. 可近似认为AffAVf

于是可以近似地描述放大器的闭环特性： 当ff1时, 为一水平直线; ff11时, 与开环幅频曲线重合.

f1称闭环特性的极点频率或称闭环带宽频率，这时开环附加相移为1. 3、闭环稳定性

a: 闭环特性别法.（近似判别法） 由闭环稳定性条件

AVfF1时, 1800. 看闭环特性：

ff1ff1ff1

AVfF1AVfF1AVfF1

1

1 1

欲使闭环稳定，应有11800.

为保证在恶劣环境下稳定可靠，一般应取一定余量，一般取： 增益裕量 6~12dB 相位裕量 200~400

(180)

(AF1)

为方便起见，我们取相位裕量45°.

认为|φ1|＜135°时，闭环稳定，从波德图上可直接看出。

f1fp2，则可确保稳定，亦即交点Q1在开环幅频特性的20dBDEC处为稳定，否则认为是不稳定的。

b: 尼奎斯特性判别准则（严格）

根据AVfF为f的函数，可在复平面上画出动点P随f变化的轨迹，这样得到的曲线为Nyguist曲线。

而临界振荡条件对应于复平面上点（-1，0）.

Nyguist判别准则：如果AF闭合曲线包含或通过点（-1，j0）则放大器不稳定，否则是稳定的。

对三极放大器可画出尼奎斯特曲线如下

曲线进入单位园内表示AF11进行正反馈.