作者：王可恕
出版社：电子工业出版社
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模拟集成电路原理与应用试读：
前言
近30年来，以大规模数字集成电路为依托的微处理器和微型计算机得到了极为迅速的发展，它不仅使计算机有了革命性的变革，而且已被广泛应用于工业、农业、商业、交通运输和医疗卫生等领域，掀起了数字化的浪潮，颇有数字技术一统电子信息产业之势。
人们从自然界感知的绝大多数物理量（如声、光、温度、压力、流量等）均属模拟性质，为了检测、控制、处理、传输这些物理量，就要把它们转换为电流、电压等电学量，这些电学量是时间连续、数值也连续的模拟信号，它们都具有无穷多的数值，其数学表达式也较复杂。电子系统中一般均含有模拟和数字两种构件，模拟电路是系统中必需的组成部分。为了存储、分析或传输信号，常用在时间上和数值上均是离散的数字0和1来表示的数字信号来量化模拟信号。这里的0和1不是十进制中的数字，而是逻辑0和逻辑1。数字电路是以二值数字逻辑为基础的，其中的工作信号是离散的数字信号。逻辑门是数字电路的基本单元，存储器是用来存储二值数据的电路。数字信号与模拟信号在时间和数值上截然不同，模拟信号可通过模/数转换器转换为数字信号，而数字信号可通过数/模转换器转换为模拟信号，不能相互替代。根据定义，数字电路主要处理和产生数字信号，模拟电路则处理、产生或放大模拟信号。广义而言，除数字电路以外的所有各种电路统称为模拟电路，集成电路同样遵循以上定义。由于数字电路与模拟电路的差异，同属硅为基材的模拟集成电路和数字集成电路的工作原理、制作工艺、设计方法和应用场合也各有不同。
数字集成电路内部传输的是数字信号，它的主要研究对象是电路的输出与输入之间的逻辑关系。通常可把组件视为“黑匣子”，无须知道其内部结构。模拟集成电路的研究对象是输出与输入之间的实际关系，一般工作于小信号状态，信号频率往往从直流延伸到射频段。即使同一类电路有各种不同的要求，并采用不同的单元电路，同一单元电路在不同系统中具有不同功能，同一模拟集成电路可能有不同的功能。不论对使用者还是集成电路的设计者，或者是生产、开发人员都应熟悉模拟集成电路的内部结构、工作原理、电路特点、应用电路，以及应用系统结构，才能设计出性能优越的模拟集成电路。正确、灵活、有效地使用模拟集成电路，为模拟集成电路开创更广阔的市场。
本书从模拟集成电路的应用角度出发选材，而不依据某教学大纲。尽量做到跟踪现代电子技术的成就和应用，同时也顾及经典的基础电路和通用模拟集成电路的原理及应用。既对组成芯片的单元电路进行分析，又对它们组成的系统给予描述，使读者对模拟集成电路有一个完整的概念。
本书第1章概述模拟集成电路的分类和发展概况。
第2章讲述了模拟集成电路基础，不仅介绍了BJT，还介绍MOS模拟集成电路中元器件的结构、有源器件的模型，详尽而全面地分析（BJT和MOS）模拟集成电路中所遇到的各种基本电路和基本单元电路。本章还介绍了电流模式模拟集成电路的基本单元电路、电流模式电路的基本概念和跨导线性原理和电路。
第3章电压模式集成运算放大器及基本应用。对其中VOA构成的负反馈放大器的闭环特性进行了系统的讨论，引出一些重要而有趣的结论，着重分析几个有代表性的电压模式运算放大器及线性、非线性运用。
第4章所阐述的仍是电压模式集成运算放大器的应用，是由第3章基本应用电路为基本构成的综合应用，并试图对集成运放所有的应用都给予讨论。本章还阐述了RC网络和集成运放构成的有源滤波器，把RC网络与单个运放构成的有源滤波器命名为4种类型，导出各类型结构的传递函数具体应用于实际的有源低通、高通、带通和带阻滤波器。还介绍由多个运放能完成各种滤波功能的状态变量滤波器的结构和传递函数通式及应用电路，以及由该原理构成的集成通用有源滤波器及其应用。
第5章电流模式集成运放与集成隔离放大器。这一课题在近二十年才得到重视和发展。本章中所讲述的电流模式集成运放有：跨导集成运放（OTA）、电流模反馈运放（CFA）、电流传输器（CC）等。还介绍了真正意义上的电流模式集成运放—电流放大器的电路组成并进行了分析。
由于本章所列电路所占篇幅较小，为了使各章页数相对平衡，本章把并不属同类性质的隔离放大器编入，介绍了各种类型隔离放大器的电路结构、工作原理及应用。
第6章为集成模拟乘法器。介绍基本概念及构成模拟乘法器的几种方法。着重讲述最适于集成的模拟乘法器——四象限变跨导模拟乘法器，也称双平衡模拟乘法器或吉尔伯特（Gilbert）乘法器的工作原理。介绍几种由Gilbert乘法器为基本单元的集成模拟乘法器及应用时外围电路连接，阐述集成模拟乘法器在模拟运算、频谱搬移、测量技术方面的应用，表明Gilbert乘法器是构成集成锁相环路、集成频率合成器、模拟专用集成电路的基本单元。Gilbert乘法器又可看做是电流模式电路用TL原理分析。
第7章讲述了集成锁相环路与集成频率合成器。阐述了锁相环路和频率合成器（频率综合器）的组成及其工作原理，介绍典型单片集成锁相环路和集成频率合成器的结构及其工作原理与主要应用，分析各种实用电路的工作原理。
第8章讲解了集成稳压电源。阐述了集成稳压电源的基本结构与参数，对典型的线性集成稳压器进行分析并介绍其应用，同时还介绍近年来推出的集成精密基准电压源和低落差（LDO）电压集成稳压器的原理、结构和应用。对20世纪80年代以来最受关注的开关稳压电源进行了详细的讨论。列举了几个集成开关稳压控制器，分析其原理并阐述其应用电路。
第9章为模拟专用集成电路。介绍了收音机专用集成电路、无线电发射机专用集成电路、电视机专用集成电路等。在介绍每种专用集成电路之前，对与其应用相关的系统都进行了阐述。本章中锁相环同步解调收音机原理及方框图、脉冲式鉴频及导频制调频立体声解调的新方法等课题编者都曾进行过比较深入的研究。
本书的构思与内容来自编者多年从事电子线路及相关课程的经验积累，以及指导学生毕业设计、课积设计的实践心得体会。在本人的工作经历中还参与过半导体集成电路的生产和模拟集成电路的部分研制工作，这些都给本书的编写提供了诸多无形的帮助。
本书在编写过程参阅了大量国内外著作和期刊杂志，在此对这些作者表示感谢。此外，我还要感谢电子工业出版社的编辑人员，特别对高级策划编辑张榕女士的支持与帮助表示感谢。
由于编者阅历有限，书中立论可能有失偏颇，疏漏之处在所难免，希望读者批评指正。
王可恕第1章 概述
集成电路（Integrated Circuit，IC）是通过一系列特定的加工工艺将许多元器件按照一定的电路连接集成在基片上，作为不可分割的整体来执行某种功能的电路组件。所有元件、器件都制作在同一块半导体（如硅或砷化镓等）基片上的集成电路称为半导体集成电路或单片集成电路，这也是最常用的一种集成电路，本书只涉及此类集成电路。另一类集成电路称为膜集成电路或混合集成电路，本书不涉及。
集成电路（如不特别标注即指半导体集成电路）是把所有的元器2件及连接线都制作在面积为1～3mm的基片（又称芯片或管芯）上。几百个具有相同的元器件及连接线的基片同时制作在直径为30～100mm的硅晶片上，制作好后把它们切割成具有同等功能的基片，再各自封装成标称型号相同的若干个集成电路。
集成电路与分立元件电路相比具有以下优点：（1）体积小、重量轻、耗能低，有利于电子设备的微型化；（2）由于元器件和内部连接线都是在最初制造过程一起形成的，大大减少了整个设备的接线焊点，因此可靠性高；（3）连线的缩短和元器件尺寸的减小，使集成电路的频率响应范围提高；（4）集成电路适用于大规模生产，使成本降低。1.1 半导体集成电路的分类
集成电路的门类繁多，应用范围多种多样，通常分类如下。
1.按电路功能用途分类
按电路功能用途可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类。
数字集成电路主要用于产生和处理各种在时间上和数值上离散取值的数字信号，它是用“开”和“关”两种工作状态或以高、低电平对应“1”和“0”二进制数字量，并进行数字运算和转换的一类集成电路。
模拟集成电路则是处理、产生或放大在时间和数值上连续取值的模拟信号。广义而言，除数字集成电路以外的所有各种集成电路统称为模拟集成电路。
模拟集成电路与数字集成电路相比，从工作原理和功能要求上考虑有以下一些特点：（1）模拟集成电路处理的是连续变化的模拟信号（即模拟量），标准的模拟信号是正弦波；（2）模拟集成电路一般多工作于小信号状态，电路中信号的电平值比较小，当然某些特殊情况（如功率输出级等电路）除外，数字集成电路则工作在开关状态；（3）模拟集成电路的信号频率可从直流延伸到高频段；（4）多样化的功能要求及应用的多样性要求模拟集成电路具有多种多样、千差万别的电路功能，有些模拟集成电路本身可能就具有多种功能，不仅有各种放大功能，还有以模拟乘法器为基础完成调制、解调的功能；（5）某些模拟集成电路的输出级输出大功率信号，另外，它往往在较高的电源电压下工作。以上前3个特点要求模拟集成电路在整个工作区域内具有良好的线性。后2个特点要求模拟集成电路采用比较复杂多样的电路结构形式，并对工艺和材料提出颇为严格的要求。
2.按器件的结构和制造工艺分类
按半导体集成电路内部的器件类型不同，把集成电路分为以下3种。
双极型晶体管（BJT）集成电路，该类集成电路中有源器件主要是NPN型晶体管。二极管及有源电阻也用NPN型管构成。BJT管中有两种载流子电子与空穴参与导电，故称为双极型。BJT集成电路出现较早，工艺也比较成熟，频率特性好，驱动能力强。缺点是生产工艺复杂，功耗较大，集成度低。现今大多数模拟集成电路都是双极型的，尤其在通信和高频工作的消费类模拟集成电路领域具有突出优势，暂无其他类集成电路所能取代。
单极型半导体集成电路，这类集成电路的有源器件及电阻是由金属、氧化物绝缘栅场效应管（MOSFET）构成的。MOSFET管内部只有一种载流子（电子或空穴）参与导电，故称为单极型，或称为MOS型集成电路。它的主要优点是输入电阻大、抗干扰能力强、功耗小、工艺简单、易于大规模集成。但工作速度低、处理信号延迟时间长、工作频率较低、带动负载的能力较小。
双极—单极混合型集成电路，缩写为（Bi-MOS）。
这种电路采用MOS和双极兼容工艺，因而电路具有两种集成电路的优点，但工艺复杂。
3.按集成电路的规模分类2
按一个基片（10～30mm）上所含电路的复杂程度和元器件数量的多少，可分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）、特大规模集成电路（ULSI）和巨大规模集成电路（GSI）。按集成电路基片所包含元器件数目分类如表1-1所示。表1-1 集成电路按规模分类表1.2 半导体集成电路的发展概况
1958年第一批集成电路——混合集成电路研制成功，1959年开始以制造硅平面晶体管的“平面工艺”为基础，采用与之大体相同的氧化、掩模光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，把电路元件、器件及它们之间的连线集成在一块半导体硅片上，然后封装在一个壳体内，构成一个完整的、具有一定功能的电路——半导体集成电路。和传统的分立元件电路相比，集成电路的元件密度大大提高，体积小、重量轻，进一步推动了电子设备的微型化进程。同时，由于外部焊点大大减少，互连线缩短，从而提高了设备的可靠性。但采用集成电路工艺制作的晶体管、电阻、电容等元件的参数的离散性大，且PN结的反向击穿电压低、参数范围窄、温度系数大，因此早期的半导体集成电路为数字集成电路。伴随着微型计算机的发展，数字集成电路以惊人的速度发展着。经历了小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）集成电路阶段，1979年已制出超大规模（VLSI）集成电路。随着MOS工艺的CMOS工艺与微型计算机技术的相互渗透、相互支撑、相互促进，CMOS工艺的发展已十分成熟，已成为数字集成电路的主流工艺，出现了微处理器（CPU）芯片、存储器芯片、计算机外围电路芯片等。目前数字集成电路已研发出特大规模（ULSI）、巨大规模（GSI）芯片，把微处理器和存储器等集成在单个芯片上，以致所谓专用集成电路（ASIC）的定义仅指数字专用集成电路。
模拟集成电路的发展稍晚，这是由于模拟集成电路主要用于通信系统，通信系统中的模拟电路种类繁多，规格化和系统化不如数字电路容易。直至1964年才出现可供使用的模拟集成电路——集成运算放大器。虽然集成运放不仅用于放大，还可以完成很多放大外的信号处理功能，但毕竟只能完成通信系统中所需功能的一小部分。1968年，吉尔伯特（B.Gilbert）提出四象限变跨导模拟乘法器的单元电路被称为吉尔伯特乘法器，吉尔伯特乘法器在电路结构上相当于集成运放的单元电路射耦差动放大器的改进型。功能上则能实现四象限乘法功能。四象限乘法功能使频谱变换迎刃而解，还可实现鉴相等功能。把非线性电子线路的集成化和微型化推进到新的发展阶段，使BJT工艺为主流的模拟集成电路步入成熟。至此，出现了通用的非放大型模拟集成电路及许多模拟专用集成电路，如电视机集成电路、收音机集成电路、发射机专用集成电路等。其中电视机集成电路的集成度达到大规模及超大规模集成电路水平。以硅为基材的模拟集成电路频率范围已达3GHz。
1980年，砷化镓（GaAs）集成电路进入商业应用领域。砷化镓（GaAs）工艺制作的集成电路具有更高的击穿电压、更高的截止频率、半绝缘衬底、高品质的电感和电容等特点，更适合于频率更高的模拟集成电路，已出现了适应商业应用的L波段、C波段的砷化镓集成芯片。砷化镓为基材的集成电路工作频率可高达40GHz或更高。砷化镓较之硅BJT集成电路的不足之处在于成品率低、功耗高和成本较高。
至今，集成电路的制造工艺有BJT工艺、MOS工艺和砷化镓工艺。由于各工艺中的有源器件分别为BJT管、MOS管和砷化镓管。理论上和若干年发展的实践相比来看，MOS工艺是数字集成电路的主流工艺，BJT工艺是模拟集成电路的主流工艺，而当使用频率高于（1～2）GHz以上时则用砷化镓工艺的模拟集成电路。第2章 模拟集成电路基础
半导体集成电路是从硅平面晶体管工艺的基础上发展起来的，它采用与硅平面晶体管大体相同的氧化、掩模光刻、扩散、外延、蒸铝等工艺，把器件（晶体管、场效应管、二极管）、电阻、电容等元件及元器件之间的连线等整个电路集成在一块半导体硅片上，元器件的结构与分立元器件不同，因此本章首先介绍模拟集成电路中元器件的结构。为了给分析模拟电路建立基础，紧接着讨论模拟集成电路有源器件的模型。
20世纪70年代以来，MOS模拟集成电路得到了迅速发展。因此，在讨论有源器件的模型时，不仅讨论BJT，也讨论MOSFET模型。模拟集成电路是植根于数字集成电路的，但它的功能、种类、应用与数字集成电路截然不同，在发展过程中形成了具有模拟集成电路自身特点的设计思想、工艺体系和发展途径，特别在电路结构上要比数字集成电路复杂、种类繁多，不过它们都是由基本电路和基本单元电路组合而成。因此本章较详尽地讨论模拟集成电路的基本电路与单元电路以作为后面各章节的基础，包括由BJT组成的基本电路与单元电路，以及由MOSFET组成的电压模式基本电路与单元电路，最后还讲述了电流模式单元电路及与之有关的概念及分析。2.1 模拟集成电路中的元器件结构
集成电路要把器件和元件及它们之间的连线等整个电路集成在一块半导体硅片上。因此，元器件自身的结构与分立元器件不同。2.1.1 模拟集成电路中的BJT管
模拟集成电路中的BJT管与分立晶体管一样，有3个区，分别是发射区、基区和集电区。发射区重掺杂，基区很薄。由3个区分别引出发射极、基极和集电极3个电极，基区的半导体掺杂类型与其他两个区相反，它与发射区之间的PN结称为发射结，与集电区之间的PN结称为集电结，晶体管似乎是两个背靠背的PN结构成。晶体管中电子和空穴两种极性的载流子都参与导电，故称为双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）。集成电路中的BJT管与分立晶体管在结构上最突出的不同之处是：所有电极都要在基片的同一侧引出，以便于集成电路内部各元器件之间互相连线。
BJT是模拟集成电路的主要器件，集成电路中的BJT可按BJT在电路中的不同作用设计不同的图形结构和几何尺寸。设计者能够充分利用集成电路的特点，通过设计最合理的BJT管来满足整个电路的要求。确定晶体管的图形结构及尺寸时，通常要考虑以下几个方面的要求。（1）耐压要求。晶体管的电流传输系数β和耐压的综合要求要比数字集成电路严格。以此来选择衬底材料的电阻率。材料的电阻率越高雪崩击穿电压越高，模拟集成电路耐压要求高，因而模拟集成电路衬底材料的电阻率选择得比数字集成电路高。（2）工作电流要求。晶体管在电路中的作用不同，所承受的最大工作电流也不同，以此来选择发射区的有效长度。晶体管的发射区存在看“集边效应”，使晶体管的允许最大工作电流I正比于发射区CM的“有效长度”而与其面积无关，所谓“有效长度”是指发射区相对于基区的那部分长度。模拟集成电路中单位有效边长的承受能力为0.04～0.16mA/μm，而数字集成电路为0.4mA／μm。（3）频率特性的要求。晶体管的直流电流传输系数β是随频率上升而下降的，β=1时对应的频率称为特征频率f。高频时f·β=常数，T当f=f时f·β=f·1=f，因此特征频率也称带宽增盆积。f是设计晶体管TTTT的重要依据，f与发射极工作电流I、基区宽度W、电子扩散系数TED（或空穴扩散系数D）、集电结势垒宽度δ、载流子在势垒中运nρC动速度v，集电极串联电阻r、集电结势垒电容C、发射结面积mCμA、集电结面积A有关。另一个频率参数是晶体管最高振荡频率f，ecm当频率升高时，晶体管的功率增益下降。功率增益A下降到A=1时pp所对应的频率称为最高振荡频率f。m
式中，f是特征频率、r是晶体管基区体电阻、C是晶体管集Tbb′μ电结势垒电容。（4）噪声的要求。降低噪声要减少r，提高f，增大β。bb′T
综合考虑上述4方面的要求，通过改变元器件的图形结构和尺寸设计出最佳、最合理的晶体管满足整体的电路要求。当然，还要兼顾工艺水平，如光刻精度、套准精度、占有面积及成品率等。
1.模拟集成电路中的NPN型管
BJT模拟集成电路中NPN型管的数量多于PNP型管，NPN型管的质量对整个集成电路的影响很大。由于众多元器件集成在同一块基片上，为了减少相互间的影响以保证电路性能，必须对各元器件实行有效的隔离。通常采用PN结隔离，NPN型管是制作在隔离岛上的。如图2-1（a）所示为分立NPN晶体管的结构，如图2-1（b）所示为集成电路中的NPN型管。两个图的上部是剖面图，下部为平面图。图示分立NPN型管的基极和发射极从基片的上面引出，基片的下端金属化后置于管壳上，管壳与集电极相连接，电子流从发射区径直往下经基区流入集电极。集成电路中的NPN型管的集电极是在发射极与基极的同一侧引出，这样就使电子流的通路延长，造成集电区的等效电阻加大，导致NPN型管外特性饱和电阻值加大，集电极功耗增加，为此在集电+区与衬底之间加入N隐埋层，其电阻率比N型集电区电阻率小很多，从而可使电子流在侧向通过集电区时等效电阻大为减少，使饱和电阻及集电极功耗降低改善了NPN型管的特性。图2-1 NPN晶体管结构剖面图及平面图
如图2-1（b）所示可看出NPN晶体管采用的是单基极条形结构，这种图形结构简单是集成电路中较常用的图形，它占用的面积小，特征频率高，发射区有效长度小，最大工作电流小，基区电阻大，最高振荡频率f低。噪声略大。如图2-2所示为双基极条形结构NPN晶体m管，与单基极条形结构的NPN晶体管相比，在相同的发射面积下发射区有效面积增加一倍，允许最大工作电流增加一倍，集电极面积稍大，特征频率f略有下降，基区体电阻r减小一半，f也相应变高，这种Tbb′m结构所占面积大。如图2-3所示为集成电路中另外两种NPN晶体管的结构，如图2-3（a）所示是马蹄形结构NPN型管的平面图，它的有效长度长、允许最大工作电流大。集电区串联电阻小，饱和压降小，适合于作输出管。如图2-3（b）为梳状结构NPN型管，它的发射区有效长度很长，允许最大工作电流也大，基区体电阻r小，最高振荡频bb′率f也高，但所占面积大适合于做驱动管。m
2.模拟集成电路中的PNP型管
利用制作NPN型管的标准工艺，在同一基片上制作性能优良的PNP型管是比较困难的。目前常见的集成电路中的PNP型管有两种，如图2-4所示。（1）衬底PNP晶体管
图2-4左边隔离岛内的晶体管是集成电路中的衬底PNP晶体管结+构，它以P型衬底作为集电区，从P隔离槽上引出集电极，隔离岛内岛状N压是它的基区，在制作NPN型管的P型发射区时同时制成了衬底PNP型管的发射区。由于载流子是沿着晶体管断面的垂直方向运动+的，所以又称为纵向PNP型管。由于它的集电极是从隔离岛P上引出，根据隔离技术的要求隔离槽必须接电路中电位最负端，因此衬底PNP型管只能用在集电极接电源电压最负端的场合，如作为射极跟随器（即共集电路）使用。此外衬底PNP型管的基区相应于NPN型管的集电区，基区不可能很薄，它的电流传输系数β一般集电极工作电流1mA左右时只有30～50。而且特征频率f≈10MHz，高频特性也比TNPN型管差。图2-2 双基极条形结构NPN型管图2-3 另外两种NPN型管结构（2）横向PNP晶体管
图2-4右边隔离岛的晶体管是集成电路中的横向PNP型管，横向PNP型管的P型发射区和集电区是在制作NPN型管的P型基区时同时形成的，它的N型基区则对应于NPN型管的集电区，它的载流子是沿着剖面的水平方向运动的，故取名为横向PNP型管。由于掩模光刻工艺水平的限制，横向PNP型管集电区与发射区之间的间隔不可能做得太小，这样横向PNP型管的基区不可能很薄，所以它的电流传输系数β很低（通常集电极工作电流为1mA时只有3～5，低电流时也只有20～40），频率特性更差，特征频率f只有NPN型管的1%。但它的结构T特点使它的发射结和集电结都具有较高的反向击穿电压。组成电路时把横向PNP和普通PNP型管巧妙的组合，弥补它在β与f方面的不T足，充分发挥它反向击穿电压高的特长。图2-4 集成电路中的PNP型管
3.模拟集成电路中的多极晶体管
集成电路是以硅平面工艺为基础的，因此很容易制造出多发射极或多集电极的多极晶体管。如图2-5所示为多发射极NPN晶体管的与结构平面图符号，在进行发射区扩散之前，如果利用光刻技术在氧化层上多开几个“窗口”，就可以通过N型杂质扩散获得多个N型发射区，这样就制作出多发射极NPN型管。如图2-6所示是多集电极横向PNP型管的结构平面图及符号。
4.模拟集成电路中的超β晶体管
在模拟集成电路中，有时希望晶体管在极低基极偏置电流下β=2000～10000，这种特殊器件称为超β晶体管。为了制作超β管，必须把基区做得尽可能薄，这样必然会引起晶体管反向击穿电压BVCEO降低。同一基片的所有晶体管如果都采用扩散薄基极工艺来制作，所有晶体管的BV都将降低，将无法承受整个集成电路所需的工作电CEO压，目前有两种办法解决上述矛盾。一种是在NPN晶体管标准生产工艺中增加一道P型薄基区扩散工艺，专门用来制作超β晶体管的基区。另一种办法是仍采用标准P型杂质基区扩散，然后分别进行两次++N型发射区扩散。第一次N型扩散专门制作超β晶体管的发射区，它的扩散深度比标准工艺更深些，以便获得超β管所需的薄基区。第二+次N扩散则只用来制作常规NPN型管的发射区。粗略的结构示意图表示不出与常规NPN型管的不同，不再画它的结构图。2-5 多发射极NPN型管的结构平面图及符号图2-6 多集电极横向PNP型管的结构平面图及符号2.1.2 模拟集成电路中的MOSFET管
金属—氧化物—半导体场效应管（Metal-Oxide-Pemiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）是MOS集成电路的基本有源器件。MOSFET管又分为N型沟道MOS管（NMOS）、P型沟道MOS管（PMOS）和NMOS与PMOS相互补组成的CMOS。NMOS器件内部的电流由电子传导，PMOS器件内部的电流由空穴传导。由于硅材料中电子迁移率是空穴的2～3倍，所以在相同条件下NMOS管比PMOS管可使电路实现更高的工作速度。CMOS（Complementary Metal Oxide Semicontuctor）中NMOS管与PMOS管是成对出现的，其主要特点是功耗低，抗干扰能力强，输出电压范围宽。CMOS的发展已十分成熟，占据了MOS集成电路市场的大部分份额。
CMOS是由NMOS和PMOS互补构成的，如图2-7所示为CMOS结构剖面图，用该图也可表示PMOS和NMOS的结构。图2-7（a）、（b）、（c）分别表示P阱CMOS、N阱CMOS、双阱CMOS的结构，（a）、（b）、（c）三个图的左边都是NMOS，右边都是PMOS。图2-7 CMOS结构剖面图
由图2-7可知，它的PMOS是把NPN晶体管标准工艺略加修改制+作出来的，在N型硅衬底上用扩散或离子注入形成两个高浓度的P区构成MOSFET管的源（S）区和漏（D）区。源区与漏区之间的间距为L，被称为沟道长度，然后在源区和漏区之间的硅表面上氧化一层很薄的氧化层SiO，氧化层上再蒸一层金属作为栅（G）极，同时在2源区、漏区上也分别蒸上金属电极分别为源（S）极和漏（D）极，这就构成了MOSFET管。
近年来，有用掺杂的多晶硅代替金属作为栅极的趋势，用掺杂的多晶硅作为栅极被称为“硅栅”，也有用金属硅化物和多晶硅构成复合栅的。图2-7（a）的左边是NMOS管，由于NMOS与PMOS制作在同一基片上，NMOS管需要一个P型本体（阱），而图2-7（a）这块基-型片是N型衬底，因此需在N型衬底上加一次P扩散形成P阱，再在P阱上构成N型源区和漏区，工艺与PMOS大体相同，栅极也位于在源区与漏区之间。图2-7（b）为N阱CMOS，衬底是P型硅，它的NMOS（左边）直接制作在衬底上，PMOS（右边）制作在P阱上，N阱CMOS电路的性能优于P阱CMOS。图2-7（c）为双阱CMOS，双阱制作在高阻硅外延层上，便于独立控制NMOS管和PMOS管的性能，可获得更好的直流特性，双阱结构是一种更好的CMOS结构。以上3种CMOS都是把NMOS管与PMOS管的漏极接在一起构成的。
不论NMOS还是PMOS都可分为增强型和耗尽型两类，这与源区和漏区之间的氧化（SiO）绝缘层中是否掺入离子有关。绝缘层中不2掺入正离子，栅极源极间电压为零时，栅极氧化层下面不存在“反型层”，只有当栅源间施加一定电压（PMOS为负压，NMOS为正压）才能形成反型层沟道，这类MOSFET管称为增强型或常闭型MOSFET。在制作时绝缘层中掺入正离子，当栅源间电压为零时氧化层下面已存在反型层，即漏源之间已有导电沟道，施加反向偏置（PMOS为正偏，NMOS为负偏），才能使载流子耗尽而无电流，这类MOSFET管称为耗尽型或常用型MOSFET。因此MOSFET有4种类型。如图2-8所示为四种MOSFET的符号及特性。它们是N沟道增强型（增强型NMOS）、N沟道耗尽型（耗尽型NMOS）、P沟道增强型（增强型PMOS）和P沟道耗尽型（耗尽型PMOS）。图2-8 四种MOSFET的符号及特性2.1.3 模拟集成电路中的无源元件
在模拟集成电路中除了上述BJT管和MOSFET外，还包括各种无源元器件，如二极管、稳压管、电阻、电容等，这些元器件要用NPN晶体管的标准工艺制作，它与分立元件有明显的区别。
1.集成电路中的二极管
原理上来说，任何PN结都可以构成二极管，PN结隔离技术中，衬底和N型外延层之间的隔离PN结便可构成衬底二极管，但由于公共衬底必须接到电源电位的最低端，衬底二极管不便采用。集成电路中的二极管常利用晶体管的PN结，在制作NPN晶体管的标准工艺中便同时形成二极管。如图2-9所示为五种用NPN晶体管构成二极管的形式。图2-9（a）是集电极—基极短接构成二极管，把发射结当作二极管，这种二极管和同一衬底上的其他器件是相互隔离的，并且由于P型基区的周围均被N型集电区包围和短路，所以不可能有寄生PNP型管，这正是c-b短接二极管在集成电路中获得普遍采用的主要原因。NPN标准工艺制作出的发射结反向击穿电压为6～8V，因此c-b短接二极管的反向击穿电压也为6～8V，似乎有些低，但已足够满足大部分模拟集成电路的要求。图2-9（b）是发射极—基极短接构成二极管，把晶体管的集电结当作二极管，NPN标准工艺制作出的集电结反向击穿电压较高，BV≈50～100V，因此这种二极管的反向击穿电压也CEO约为50～100V。但此种二极管正负极和衬底之间将形成一个寄生PNP晶体管，由于隔离的需要，衬底又必须接在负电源上，因此这种二极管处于正偏置时，作为寄生PNP型管集电区的衬底将有电流流过，由于以上原因，b-e短接二极管并未能得到普遍采用。图2-9（c）是发射极—集电极短接构成的二极管，该二极管是由发射结和集电结并联而成。其反向击穿电压决定于击穿电压低的发射结，反向击穿电压为6～8V。图2-9（d）为发射极开路由集电结构成的二极管。它的反向击穿电压为50～100V。图2-9（e）为集电极开路由发射结构成的二极管，反向击穿电压为6～8V。图2-9 五种用NPN晶体管构成二极管的形式
集成电路中的稳压二极管通常是利用反向击穿电压比较低的发射结构成，如图2-10（a）所示是它的构成电路，其动态电阻约为60～100Ω，电压温度系数约+2mV/℃，反向击穿电压刚好符合稳压值的要求，为了减少温度系数，通常采用一个正向发射结和一个反向发射结串联起来，利用正向PN结的负温度系数对反向运用的稳压管进行温度补偿，从而减少稳压管的稳压值随温度的漂移，如图2-10（b）所示。图2-10 稳压管结构
2.集成电路中的电阻
集成电路中常用的电阻有两大类：扩散电阻和薄膜电阻。（1）扩散电阻
扩散电阻是集成电路中应用最多的一种电阻，它利用扩散层所具有的体电阻构成，扩散层体电阻的电阻值可表示为
式中，L是扩散层的长度；W为扩散层的宽度；R是扩散层的薄□层电阻又称方块电阻，其单位是Ω/□。
式中，ρ是扩散层材料的电阻率；d是扩散深度，采用NPN晶体管标准工艺时，基区R=100～200Ω，发射区R=2～10Ω，方块电阻□□值决定于掺杂浓度和扩散窗口尺寸。扩散深度与扩散层材料已确定后，扩散电阻的阻值决定于扩散层的长度L与宽度W之比。要求电阻值大则增大L/W，要求电阻值小则减少L/W。这样都要占据基片较大面积，因此，集成电路中不去制作阻值很大和阻值很小的扩散电阻。由于扩散参数不易控制，制作出的电阻阻值误差很大，但同一基片上几何尺寸相同或成比例的两个电阻可以制作得很匹配。
扩散电阻有3种结构，如图2-11所示。
① 基区扩散电阻。如图2-11（a）所示，利用NPN晶体管标准工艺按设计图形扩散的基区两端引出作为电阻。实际上是利用P型半导体作电阻。
② 发射区扩散电阻。如图2-11（b）所示，按设计图形扩散的发射区两端引出作为电阻，实际上利用N型半导体作电阻。
③ 窄基区电阻，如图2-11（c）所示，为了制作出较高的电阻值，+而又不多占基片面积，利用N发射区与N型外延层之间的基区作电阻，故也称基区沟道电阻。可认为是基区扩散电阻的特例，由于基区沟道断面很窄，其电阻值较大，可达15kΩ左右。图2-11 集成电路中的扩散电阻（2）金属膜电阻
金属膜电阻是在硅基片表面的氧化层上制作一层金属膜，在金属膜上再制作一层氧化铝绝缘层，并引出两个节点。金属膜的材料为镍—铬合金、硅—钼合金、氧化锡或氮化钽等温度系数较低的材料。它的结构如图2-12所示。图2-12 集成电路中的金属膜电阻
金属膜电阻具有精度高、热稳定性好、耐压高等优点，常用于高精度模拟集成电路中。
3.集成电路中的电容
集成电路中的电容有两种结构形式：PN结电容和MOS电容。（1）PN结电容
原理上讲任何一个反向偏置的PN结都可作为电容使用，电容量与所加偏置有关。发射结和集电结都可构成电容。PN结的电容量与结面积成正比。结面积不可能很大，受到基片面积的限制，结电容的容量不大。发射结电容的电容量最大可达400pF左右，击穿电压7V左右。集电结电容的电容量最大可达200pF，击穿电压高。此类电容除电容量小的缺点外，寄生效应大。所以结电容应用不多。（2）MOS电容
MOS电容是利用SiO绝缘层薄膜为介质的平行板电容。上极板2是SiO绝缘层上的金属膜，下极板是SiO绝缘层下的高浓度扩散层。22由于介质是SiO，故MOS电容的击穿电压很高。MOS电容的电容量2与外加电压无关，这种电容是无极性的，工艺稳定且制作不很困难。+它的结构如图2-13所示，图中上极板为A，下极板为扩散制出的N，由B金属横引出。MOS电容也称为薄膜电容。
不论哪种电容，电容量越大所占基片面积越大，电容的制造误差也大，因此集成电路中尽可能不用电容，使用的电容都是电容量较小且对电容量要求不太严格的场合。图2-13 MOS电容结构
综上所述，集成元器件的特点可归纳如下。（1）集成电路中从所占基片面积考虑，通常不制作电感；电阻阻值不宜过大或过小，一般在几十欧到几十千欧之间，电容的容量则小于500pF以下，并尽量用晶体管代替电阻、电容。（2）集成电路中晶体管主要是NPN型管，MOS集成电路中大多采用NMOS及CMOS工艺。两种器件的集成电路都在发展。在高频方面MOS集成电路还难以与BJT竞争。（3）集成电路中单个元器件的精度不高，受温度影响也大，但在同一基片上相同的元器件具有良好的匹配性。因此设计电路时应大量选用差动放大器与各种电流源电路。电路耦合方式上尽量采用直接耦合。有可能采用较为复杂的偏置电路，使整个电路少受温度影响。2.2 模拟集成电路有源器件的模型
集成电路的分析与设计很大程度上取决于所用的集成电路的模型是否恰当，分析与设计者必须对各种常用模型的导出及各种模型所达到的近似程度有深入的了解。
本节从分析、设计模拟集成电路的需要出发，首先介绍有源器件的工作原理与特性，然后描述它们的直流模型、小信号模型，为分析集成电路建立基础。
本书所采用的BJT小信号模型为g参数等效电路，这是为了针对集成化BJT管的特点并与MOSFET小信号电路模型取得一致。后面有关章节中也始终使用g参数等效电路。2.2.1 BJT电路模型
1.BJT管直流模型
晶体管工作时应先加一定的直流偏置电压，三个电极分别有三个电流I、I和I。加入偏置电压V和V（或V、V）。三个电流BCEEBCBBECE和电压之间的关系用特性曲线或电路模型表示。电路模型首推埃伯斯（Ebers-Moll）模型，该模型是以BJT管内部载流子扩散方程、晶体管物理模型、实际的电流电压关系为基础建立的，随着计算机工具的发展，Eoers-Moll模型（缩写为EM模型）更受青睐。图2-14 NPN晶体管EM模型
BJT集成电路中以NPN晶体管为主要器件，主要描述NPN晶体管的EM模型。如图2-14所示是未考虑电荷储存效应和基压宽度调制效应情况下NPN晶体管的EM模型。晶体管由两个背靠背的PN结构成，由于基区很薄，两个PN结不是独立的，相互之间有影响，图中I和IFR分别表示流过发射结D和集电结D的电流。FR
式中，I是集电结短路时发射结的反向饱和电流；I是发射结ESCS短路时集电结的反向饱和电流；V是b-e间的电压；V是b-c之间BEBC的电压；称为温度电压当量，常温T=300°K时V≈26mV。T
从EM模型可以看出：
I、I分别是发射极、集电极电流。EC
式（2-5）及式（2-6）表明晶体管的发射极电流I除了发射结电E流外还需要考虑集电结电流的影响，这个影响可用一个受控电流源αI来表示，α为反向电流传输系数。同样集电极电流I除了集电结RRRC电流I外，还要考虑发射结电流对它的影响，这个影响用受控电流源RαI来表示，α为正向电流传输系数。FFF
把式（2-3）和式（2-4）代入式（2-5）和式（2-6）可得
式（2-7）和式（2-8）称为Ebers-Moll方程或称为EM数字模型。这个模型适合于任何BJT管，适合于任何接法，其中的电流和电压可以是直流量，也可以是含有一定变化量的总量。方程中引入4个参数，α、α、I、I，它们不是完全独立的，利用可逆性原理FRESCS
其中，I是晶体管饱和电流。S
晶体管各极之间偏置的不同，晶体管处于不同的工作状态，有4种不同的工作状态。（1）放大状态
发射结加正偏，集电结加反向偏置，即V＞0，V＜0（VBEBCCB＜0），由于通常V≫V则式（2-7）及式（2-8）可近似为CBT
两式都有由此解得
于是得到
由晶体管电流分配关系知
比较得知
EM方程中的正向电流传输系数α就是晶体管的共基直流电流分F配系数α，集电极—基极间反向饱和电流I=（1-αα）I。CBORFCS
共发射极连接时I是输入端的电流量B
把式（2-10）及式（2-11）代入
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