什么是线性集成电路?

什么是线性集成电路?

[拼音]：xianxing jicheng dianlu

[外文]：linear integrated circuit

以放大器为基础的一种集成电路。60年代初，用半导体硅片制成第一个简单的集成放大器，用“线性”一词表示放大器对输入信号的响应通常呈现线性关系。后来，这种电路又包括振荡器、定时器，以及数据转换器等许多非线性电路和数字与线性功能相结合的电路。由于处理的信息都涉及到连续变化的物理量(模拟量)，人们也把这种电路称为模拟集成电路。

发展情况

与分立元件电路相比，集成电路在设计上具有若干有利条件。由于所有器件是在一个很小的芯片上同时制造出来，其特性十分一致，而且元件参数具有高的比例精度。线性电路通常需要在一个电路中使用不同类型的器件，因而难以集成，初期发展缓慢。1964年，制成横向PNP晶体管，对线性集成电路的发展起了重要的作用。这是用一个环状的P型扩散区作集电极，用环中另一个P型扩散区作发射极。这种结构能与标准的NPN晶体管同时制造，为实现双极型互补电路创造了条件。1966年，第一个高性能的通用运算放大器问世。它在电路中应用灵活，体积很小，促进了电子学的迅速发展。60年代后期，各种线性电路获得广泛应用。70年代，各种高精度的数-模和模-数转换器成为数字技术和微处理机在信息处理、过程控制等领域里推广应用的关键器件。

线性电路方面的一个新进展是采用 MOS工艺制造音频滤波器。其原理是开关电容法，即用开关将电容器交替接至电路中不同的电压节点来传输电荷，从而产生等效电阻。这种技术特别适用于 MOS工艺（见开关电容滤波器）。另一方面，由于应用模拟采样技术，采用 MOS工艺已能制出高稳定度的运算放大器和高精度的数－模与模-数转换器。这两种技术的结合，为模拟信息处理和通信设备分系统的大规模集成技术开辟了广阔的前景。

制作工艺

大多数线性集成电路采用标准双极型工艺制造。为获得高性能电路，有时在标准工艺基础上作某些修改或采取附加的制造工序，以便在同一芯片上制作不同性能的各种元件和器件。

双极-场效应相容技术

在双极型芯片上制作高性能结型场效应晶体管的技术。当芯片上NPN管形成后，分别用两次离子注入技术掺杂形成低浓度P-型沟道和高浓度N+型栅区（图1）。其栅-漏击穿电压可达50～60伏，夹断电压可控制在1伏左右。

超增益晶体管

共发射极电流增益高达1000～5000的NPN晶体管。用离子注入技术制作基区，基区掺杂浓度比通常NPN管基区低一个数量级，基区厚度也比通常NPN管基区更薄（图2）。

亚表面击穿二极管

通常的击穿二极管利用 NPN晶体管的eb结，其击穿现象发生在结表面。而亚表面击穿二极管则是在N+型发射区下用离子注入法制作一个高浓度P+型层，在表面下方深处形成一个N+-P+结（图3）。这种晶体管的击穿电压低于表面结的击穿电压，击穿过程不受表面状况的影响，噪音低，并且具有良好的长期稳定性。

高频工艺

采用标准双极型工艺制造的 NPN晶体管，其特征频率一般低于1000兆赫。要求高频和高速性能时则采用微细加工、薄层外延和浅结技术等，器件的特征频率可达3000～5000兆赫。典型的高频工艺如图4。

高耐压技术

线性双极型工艺通常可达到50～60伏的耐压性能。若要获得近100伏或更高的耐压性能，可采取如下措施：

（1）增加N型外延层厚度（如 20微米以上），以提高NPN管的击穿电压；

（2）增加氧化层厚度，防止带负电位的金属互连线在跨越横向PNP晶体管时产生寄生MOS管效应；

（3）用场电极保护隔离结表面，以避免电场过于集中，导致击穿电压降低（图5）。

线性CMOS技术

这是一种十分复杂的通用性兼容技术，能同时制作各种双极型器件和CMOS器件（见互补金属-氧化物-半导体集成电路）。用这种技术可将高性能线性电路与高密度的高速逻辑电路结合在一个芯片上。一种用难熔金属钼作为栅极材料的线性CMOS工艺，能把P沟道与N沟道MOS器件制作在线性双极型芯片的N型外延层上，仅须用10次光刻，它具有铝与钼两层互连线。P沟道与N沟道器件可单独或共用一个N区（图6）。

精密元件

无源元件电阻器通常采用扩散层或离子注入层形成的半导体电阻器。在硅片上制作合金薄膜电阻器，可获得更好的温度稳定性。然而，两者的阻值精度大致都不超过 1％。高精度电阻器需要借助各种阻值修正技术而获得。通常采用直径大约10微米的脉冲激光束，修正方法有熔断互连线法（图7a）和熔断扩散层法（图7b）。

电路类型

根据电路的功能和用途，线性集成电路大致可划分为：

（1）通用电路，包括运算放大器、电压比较器、电压基准电路、稳压电源电路；

（2）工业控制与测量电路，包括定时器、波形发生器、检测器、传感器电路、锁相环路、模拟乘法器、马达驱动电路、功率控制电路、模拟开关；

（3）数据转换电路，包括数－模转换器、模-数转换器、电压-频率转换器；

（4）通信电路，包括电话通信电路、移动通信电路；

（5）消费类电路，包括电视机电路、录像机电路、音响电路。实际上，还有许多其他的电路，如心脏起搏器等医疗用电路。另一方面，由于大规模集成技术和计算机辅助设计和测量技术的日益发展，线性电路的设计正在从传统的标准单元向功能复杂的定制集成电路发展。

基本电路形式

线性集成电路品种很多，设计各不相同。但有一些功能单元电路用作基本构件，在许多电路中已得到广泛应用。

差动放大器

具有对称结构（图8）。晶体管对Q1与Q2特性一致，称为差分对。由于采用恒流源偏置，若基极电流可忽略不计，则集电极电流I


与I


之和等于I0，与输入电压U1、U2无关，输入电压只改变偏置电流 I0在Q1与Q2中的分配情况。I


与I


之差对输入差动电压U1- U2的关系由下式给出：

这是正切函数。当驱动信号很小时(|U1-U2|<<UT)，它是一个线性放大器，可以用来鉴别两个输入信号之间的微小差值，也可以作为普通的单端输入放大器。当|U1-U2|


4UT时，它成为限幅放大器，可用于两个信号的相位比较。限幅作用并非由于晶体管的饱和，而是由于恒流偏置限制了集电极电流的增加，因而具有很好的频率响应特性。差动放大器有多种变型。在单端输出时，可以仅用一个负载电阻器或者用电流镜代替电阻器(图9)。偏置恒流源有时也可以用一个电阻器取代。此外，两个晶体管的发射极之间也可串入电阻，用来改变放大器的性能。

模拟乘法器

它能接受两个模拟信号的输入并产生与其乘积成比例的输出信号。图10为盖尔伯特乘法器，核心部分是由Q5～Q8组成的交叉连接的两对差动晶体管。利用上式可导出电压U2=2RcIytanh(墹U/2UT)。 二极管 D1与 D2用来产生反双曲正切函数：


。信号电流Ix与Iy由电压-电流转换电路产生。如果电阻Rx与Ry足够大，则





。因此，U2正比于输入电压Ux与Uy的乘积

盖尔伯特乘法器允许输入电压具有正或负的极性，因而通常称为四象限乘法器。它可与运算放大器结合完成乘法和除法、平方和开方运算，还可用于相位检测、倍频和增益控制。

能隙电压基准

一种能够产生低电压输出的基准电压源（图11）。它利用一个与绝对温度成正比的电压 U


来补偿正向发射结电压的负温度系数。U


是由工作电流密度不同的晶体管Q1与Q2在电阻R2上产生。基准电压UR不随温度变化的理论值大约为1.2伏，与半导体硅的禁带宽度近似相等，因而称作能隙电压基准。由于掺杂浓度与器件几何尺寸的加工误差，实际可获得的基准电压温度系数通常为10ppm/


量级。