第4章 模拟集成基本单元电路

本章介绍在半导体模拟集成电路IC（Integrated Circuits）中广泛使用的几种基本单元电路：恒流源电路、有源负载放大器、差动放大电路和互补推挽功放输出级等，虽然这些电路是组成模拟集成电路的基本单元，但它们（如差动放大器、互补推挽功放）仍可作为分立元件电路使用。应该指出，第3章讨论的基本组态的放大电路当然也应该是模拟IC中的基本单元电路。

4.1 半导体集成电路概述

20世纪60年代初期，人们开始用特殊的工艺方法把半导体器件、电阻、电容以及连接导线等整个电路制作在一小块硅片上，形成不可分割的整体。这种集成在一起并能完成一定功能的电路叫做半导体集成电路（IC）。另外还有一种集成电路是在介质基片上集成无源RLC元件，而半导体器件则是将管芯焊在基片上。这种集成电路称为厚膜或薄膜集成电路。

与生产晶体管一样，半导体集成电路也是先生产出芯片，再经封装后形成产品。第一块集成电路出现于1958年。随着半导体技术、工艺的发展，特别是20世纪70年代后期，VLSI（超大规模集成电路）的出现，集成电路的设计制造发生了革命性变化。实际上，在使用电子电路的绝大多数场合，IC已经基本上取代了分立元件电路。可以毫不夸张地说：从家用电器到大型电子仪器设备，从个人电脑到信息高速公路，无一不依靠着集成电路。

集成电路按处理信号的类型可分为数字IC和模拟IC。数字IC由于只处理0和1两个电平的信号，且电路的重复性较大，使它更易于实现VLSI。现代数字IC已形成多种系列化的产品。模拟IC处理时间连续信号，其电路的多变性决定了它不能像数字IC那样大规模集成。但近代模拟IC在品种、功能、产品性能等方面均可与数字IC媲美。通用模拟IC的主要品种有运算放大器、宽带放大器、功率放大器、模拟乘法器、电压比较器、电压调整器（稳压器）、模数和数模转换器、模拟开关、时基电路和锁相环等类型。至于专用的模拟IC更是不计其数。

用各种半导体工艺制造的模拟集成电路因其制造工艺的特殊性，使它在电路设计、元件选取等方面与分立元件电路有所不同。归纳起来，模拟IC工艺大致有以下特点：

（1）晶体管按标准工艺制作，成本低且占用硅片面积小。二极管一般都用BJT的一个PN结担任，不再用专门工艺生产。

（2）生产电阻的工艺不比生产晶体管的工艺简单，而且电阻值越大，占用硅片面积越大。

（3）制造数十皮法以上的电容将占用很大的硅片面积，集成电路中使用电容非常不合算。

（4）无法集成电感元件。

（5）集成电路易于生产配对的元件（相对误差1%以下），但元件的绝对误差较大（绝对误差20%）。

表4-1示出了硅平面工艺中各种元件占有硅片的面积比。

表4-1 集成电路中元件的相对面积比

根据模拟集成工艺的特点，在设计模拟IC时应该多用晶体管，少用电阻（50 kΩ以下），尽量不用电容（50 pF以下），并且不能使用电感。因此，在模拟集成电路中，用恒流源代替电阻偏置电路，用有源负载代替电阻负载，采用直接耦合电路，利用元件易于配对的特点采用差动放大电路。这些电路特点都是与集成电路工艺有关的，也是我们本章学习的重点内容。