第4章 模擬集成基本單元電路

本章介紹在半導體模擬集成電路IC（Integrated Circuits）中廣泛使用的幾種基本單元電路：恒流源電路、有源負載放大器、差動放大電路和互補推挽功放輸出級等，雖然這些電路是組成模擬集成電路的基本單元，但它們（如差動放大器、互補推挽功放）仍可作為分立元件電路使用。應該指出，第3章討論的基本組態的放大電路當然也應該是模擬IC中的基本單元電路。

4.1 半導體集成電路概述

20世紀60年代初期，人們開始用特殊的工藝方法把半導體器件、電阻、電容以及連接導線等整個電路制作在一小塊硅片上，形成不可分割的整體。這種集成在一起并能完成一定功能的電路叫做半導體集成電路（IC）。另外還有一種集成電路是在介質基片上集成無源RLC元件，而半導體器件則是將管芯焊在基片上。這種集成電路稱為厚膜或薄膜集成電路。

與生產晶體管一樣，半導體集成電路也是先生產出芯片，再經封裝后形成產品。第一塊集成電路出現于1958年。隨著半導體技術、工藝的發展，特別是20世紀70年代后期，VLSI（超大規模集成電路）的出現，集成電路的設計制造發生了革命性變化。實際上，在使用電子電路的絕大多數場合，IC已經基本上取代了分立元件電路?？梢院敛豢鋸埖卣f：從家用電器到大型電子儀器設備，從個人電腦到信息高速公路，無一不依靠著集成電路。

集成電路按處理信號的類型可分為數字IC和模擬IC。數字IC由于只處理0和1兩個電平的信號，且電路的重復性較大，使它更易于實現VLSI?，F代數字IC已形成多種系列化的產品。模擬IC處理時間連續信號，其電路的多變性決定了它不能像數字IC那樣大規模集成。但近代模擬IC在品種、功能、產品性能等方面均可與數字IC媲美。通用模擬IC的主要品種有運算放大器、寬帶放大器、功率放大器、模擬乘法器、電壓比較器、電壓調整器（穩壓器）、模數和數模轉換器、模擬開關、時基電路和鎖相環等類型。至于專用的模擬IC更是不計其數。

用各種半導體工藝制造的模擬集成電路因其制造工藝的特殊性，使它在電路設計、元件選取等方面與分立元件電路有所不同。歸納起來，模擬IC工藝大致有以下特點：

（1）晶體管按標準工藝制作，成本低且占用硅片面積小。二極管一般都用BJT的一個PN結擔任，不再用專門工藝生產。

（2）生產電阻的工藝不比生產晶體管的工藝簡單，而且電阻值越大，占用硅片面積越大。

（3）制造數十皮法以上的電容將占用很大的硅片面積，集成電路中使用電容非常不合算。

（4）無法集成電感元件。

（5）集成電路易于生產配對的元件（相對誤差1%以下），但元件的絕對誤差較大（絕對誤差20%）。

表4-1示出了硅平面工藝中各種元件占有硅片的面積比。

根據模擬集成工藝的特點，在設計模擬IC時應該多用晶體管，少用電阻（50 kΩ以下），盡量不用電容（50 pF以下），并且不能使用電感。因此，在模擬集成電路中，用恒流源代替電阻偏置電路，用有源負載代替電阻負載，采用直接耦合電路，利用元件易于配對的特點采用差動放大電路。這些電路特點都是與集成電路工藝有關的，也是我們本章學習的重點內容。