第5章-ECL电路.ppt

第五章第五章 ECL和和I²L电路电路 ØØ内容提要内容提要内容提要内容提要 介绍介绍介绍介绍ECLECL和和和和I I2 2L L的设计思想，演变过程，结构的设计思想，演变过程，结构的设计思想，演变过程，结构的设计思想，演变过程，结构及性能特点及性能特点及性能特点及性能特点ØØ 我们已对双极型逻辑，集成电路中应用最广我们已对双极型逻辑，集成电路中应用最广我们已对双极型逻辑，集成电路中应用最广我们已对双极型逻辑，集成电路中应用最广泛的泛的泛的泛的TTLTTL电路进行系统的分析，现在有必要再介电路进行系统的分析，现在有必要再介电路进行系统的分析，现在有必要再介电路进行系统的分析，现在有必要再介绍两种重要的双极型逻辑集成电路：绍两种重要的双极型逻辑集成电路：绍两种重要的双极型逻辑集成电路：绍两种重要的双极型逻辑集成电路：ØØ 双极型逻辑速度最高的电路双极型逻辑速度最高的电路双极型逻辑速度最高的电路双极型逻辑速度最高的电路ECLECLØØ 唯一能进入超大规模的双极型电路唯一能进入超大规模的双极型电路唯一能进入超大规模的双极型电路唯一能进入超大规模的双极型电路 I I2 2L L5-1 ECL电路电路 ECLECL是一种典型的非饱和型逻辑电路，特点是一种典型的非饱和型逻辑电路，特点是一种典型的非饱和型逻辑电路，特点是一种典型的非饱和型逻辑电路，特点是在工作过程中，晶体管不进入饱和区，电路无是在工作过程中，晶体管不进入饱和区，电路无是在工作过程中，晶体管不进入饱和区，电路无是在工作过程中，晶体管不进入饱和区，电路无存储时间，因而速度非常高。

此外，存储时间，因而速度非常高此外，存储时间，因而速度非常高此外，存储时间，因而速度非常高此外，ECLECL基本单基本单基本单基本单之具有之具有之具有之具有“ “或或或或” ”及及及及“ “或非或非或非或非” ”两个输出端，灵活性强，两个输出端，灵活性强，两个输出端，灵活性强，两个输出端，灵活性强，易于构成各种复杂的逻辑电路缺点是功耗大，易于构成各种复杂的逻辑电路缺点是功耗大，易于构成各种复杂的逻辑电路缺点是功耗大，易于构成各种复杂的逻辑电路缺点是功耗大，逻辑摆幅小，扰干扰能力差逻辑摆幅小，扰干扰能力差逻辑摆幅小，扰干扰能力差逻辑摆幅小，扰干扰能力差ØØ 由于由于由于由于ECLECL电路中的晶体管不进入饱和区，晶电路中的晶体管不进入饱和区，晶电路中的晶体管不进入饱和区，晶电路中的晶体管不进入饱和区，晶体管的电流，电压关系服从于简单的数学表达式，体管的电流，电压关系服从于简单的数学表达式，体管的电流，电压关系服从于简单的数学表达式，体管的电流，电压关系服从于简单的数学表达式，于是在电路的分析过程中，我们可以推导出数学于是在电路的分析过程中，我们可以推导出数学于是在电路的分析过程中，我们可以推导出数学于是在电路的分析过程中，我们可以推导出数学表达式来表征电路的性能。

表达式来表征电路的性能表达式来表征电路的性能表达式来表征电路的性能一、一、ECL电路的工作原理电路的工作原理ØØ两输入端或两输入端或两输入端或两输入端或/ /或非门，如图所示或非门，如图所示或非门，如图所示或非门，如图所示 ØØ整个电路可分为三大部分：整个电路可分为三大部分：整个电路可分为三大部分：整个电路可分为三大部分： 电流开关、电流开关、电流开关、电流开关、 定偏电压源、定偏电压源、定偏电压源、定偏电压源、 射随器输出射随器输出射随器输出射随器输出1 1：电流开关：电流开关：电流开关：电流开关ØØ 由由由由T T1 1、、、、T T2 2及负载电阻及负载电阻及负载电阻及负载电阻R RC1C1、、、、R RC2C2，，，， 耦合电阻耦合电阻耦合电阻耦合电阻R RE E构成，完成构成，完成构成，完成构成，完成“ “或或或或” ”及及及及“ “或非或非或非或非” ”功能。

功能R RP P为为为为下拉电阻下拉电阻下拉电阻下拉电阻ØØ 当当当当A A、、、、B B开路时开路时开路时开路时 ：：：： ØØ 设设设设A A、、、、B B至少有一个高电平，则至少有一个高电平，则至少有一个高电平，则至少有一个高电平，则V VE E上升，上升，上升，上升，T T2 2截止，截止，截止，截止，V VC1C1为低电平为低电平为低电平为低电平 V VC2C2输出高电平输出高电平输出高电平输出高电平 此时：此时：此时：此时： ØØ ØØ 设设设设A A，，，，B B全为低电平，全为低电平，全为低电平，全为低电平，T T1 1截止，截止，截止，截止，T T2 2导通导通导通导通 V VC1C1高电平高电平高电平高电平 V VC2C2低电平低电平低电平低电平 故：故：故：故： 2 2：射随器输出：射随器输出：射随器输出：射随器输出 由由由由T T3 3，，，，T T4 4，，，，R RO1O1，，，，R R0202构成。

构成ØØ电流开关虽已完成了或电流开关虽已完成了或电流开关虽已完成了或电流开关虽已完成了或/ /或非的基本功能，或非的基本功能，或非的基本功能，或非的基本功能，但存在两个致命的缺陷：但存在两个致命的缺陷：但存在两个致命的缺陷：但存在两个致命的缺陷：ØØ 其一是负载能力的问题其一是负载能力的问题其一是负载能力的问题其一是负载能力的问题ØØ 其二是前后级的耦合问题其二是前后级的耦合问题其二是前后级的耦合问题其二是前后级的耦合问题ØØ设设设设V VOHOH=OV=OV，驱动下级门，此时后级门，驱动下级门，此时后级门，驱动下级门，此时后级门，驱动下级门，此时后级门V VC1C1=- =- α α I IE ER RC C＜＜＜＜0 V0 V于是T T1 1进入饱和，与进入饱和，与进入饱和，与进入饱和，与ECLECL非饱和相矛盾非饱和相矛盾非饱和相矛盾非饱和相矛盾ØØ 显然，加射随器首先解决了负载能显然，加射随器首先解决了负载能显然，加射随器首先解决了负载能显然，加射随器首先解决了负载能力问题力问题力问题力问题 其次，降低了输出电平：其次，降低了输出电平：其次，降低了输出电平：其次，降低了输出电平：ØØ设设设设 V VBE3BE3=V=VBe4Be4 I IEIEIR RC1C1=I=IE2E2R RC2C2ØØ则两个输出端则两个输出端则两个输出端则两个输出端“ “0” “1”0” “1”电平分别等值。

电平分别等值电平分别等值电平分别等值ØØ现在分析耦合问题现在分析耦合问题现在分析耦合问题现在分析耦合问题ØØ 设：设：设：设：V VA A=V=VOHOH=-V=-VBEBEØØ 则：则：则：则：V VC1C1=-=-α αI IE1E1R RC1C1ØØ V VCBCB=- =- α α I IE1E1R RC1C1+V+VBEBEØØ根据非饱和要求，应有根据非饱和要求，应有根据非饱和要求，应有根据非饱和要求，应有V VCBCB≥O≥O - - α α I IE1E1R RC1C1+V+VBEBE ≥O ≥OØØ （（（（- - α α I IE ER RC C-V-VBEBE））））+V+VBEBE≥-V≥-VBEBEØØ V VOLOL-V-VOHOH≥-V≥-VBEBEØØ V VOHOH-V-VOHOH≥V≥VBEBEØØ于是：于是：于是：于是：ECLECL电路逻辑摆幅小于电路逻辑摆幅小于电路逻辑摆幅小于电路逻辑摆幅小于V VBEBE。

3 3．参考电压源．参考电压源．参考电压源．参考电压源V VBBBBØØ由由由由 R1R1、、、、R2R2、、、、D1D1、、、、D2D2、、、、T5T5构成ØØ考虑单输入端考虑单输入端考虑单输入端考虑单输入端ECLECL单元单元单元单元ØØ当当当当V VA A=V=VBBBB时，时，时，时，T T1 1、、、、T T2 2导通能力相当导通能力相当导通能力相当导通能力相当ØØ V VC1C1=V=VC2 C2 V Voror= =V Vnornor ØØ此时，此时，此时，此时，VAVA微弱的变化将使输出电平确定微弱的变化将使输出电平确定微弱的变化将使输出电平确定微弱的变化将使输出电平确定ØØ因此可以认为因此可以认为因此可以认为因此可以认为最佳抗干扰设计：最佳抗干扰设计：最佳抗干扰设计：最佳抗干扰设计： 当温度变化时，当温度变化时，当温度变化时，当温度变化时，V VOHOH ，，，，V VL L变化，于是变化，于是变化，于是变化，于是V VBBBB应跟随变化。

应跟随变化应跟随变化应跟随变化 将将将将V VOHOH ，，，，V VL L代入：代入：代入：代入：V VBBBB = - V = - VBEBEØØ这就是对参考电源的要求这就是对参考电源的要求这就是对参考电源的要求这就是对参考电源的要求ØØ分析参考电压源分析参考电压源分析参考电压源分析参考电压源 ØØ当当当当D D采用采用采用采用BEBE结，适当地选了以结，适当地选了以结，适当地选了以结，适当地选了以R R1 1, R, R2 2数值ØØ可使可使可使可使V VBBBB保持在高、低电平的中点保持在高、低电平的中点保持在高、低电平的中点保持在高、低电平的中点二、二、ECL电路的特性及参数电路的特性及参数 1 1：电压传输特性：：电压传输特性：：电压传输特性：：电压传输特性：ØØ分析分析分析分析V Vnornor～～～～V Vi i关系关系关系关系 设设设设B B开路，开路，开路，开路，V VA A=V=Vi iØØ设设设设I IESAESA=I=IES2ES2=I=IESES ØØ又又又又 ØØ将将将将V VE E代入，代入，代入，代入，以曲线直观地表示如图：以曲线直观地表示如图：以曲线直观地表示如图：以曲线直观地表示如图：ØØ对对对对ECLECL，通常定义：，通常定义：，通常定义：，通常定义：ØØ当当当当 时，对应的时，对应的时，对应的时，对应的V Vi i为关门电压为关门电压为关门电压为关门电压V VILIL；；；；ØØ当当当当 时，对应的时，对应的时，对应的时，对应的V Vi i为开门电压为开门电压为开门电压为开门电压V VIHIH。

ØØ又：又：又：又：ØØ当当当当 时：时：时：时： 于是：于是：于是：于是： 同理可求：同理可求：同理可求：同理可求：过渡区宽度过渡区宽度过渡区宽度过渡区宽度: : ØØ 2 2、主要直流参数、主要直流参数、主要直流参数、主要直流参数抗干扰：抗干扰：抗干扰：抗干扰：ØØ a a：：：：V VOHOHØØ b b：：：：V VOLOL ØØ c c：：：：V VILIL, V, VIHIHØØd d：：：：V VNMHNMH, V, VNMLNML 负载能力：负载能力：负载能力：负载能力：ØØ a a：输入电流：输入电流：输入电流：输入电流I IB B ØØ ØØ b b：最大输出电流：最大输出电流：最大输出电流：最大输出电流I IOMOM 规定加负载后规定加负载后规定加负载后规定加负载后: : ØØ c c：扇出：：扇出：：扇出：：扇出： 但但但但NoNo多，引线寄生电容大，故一般规定多，引线寄生电容大，故一般规定多，引线寄生电容大，故一般规定多，引线寄生电容大，故一般规定NoNo～～～～8 8。

ØØ 静态功耗静态功耗静态功耗静态功耗 ØØ R RE E：输入高电平：：输入高电平：：输入高电平：：输入高电平： 输入低电平：输入低电平：输入低电平：输入低电平： R3R3：：：： R2R2：：：： R R0101、、、、R R0202电流互补：电流互补：电流互补：电流互补：ØØ 总电流：总电流：总电流：总电流：I IEEEE=9.4mA=9.4mA 静态功耗：静态功耗：静态功耗：静态功耗：P=48.9mWP=48.9mW 3 3、瞬态特性：、瞬态特性：、瞬态特性：、瞬态特性： ECLECL电路的高速性能可以从以下几电路的高速性能可以从以下几电路的高速性能可以从以下几电路的高速性能可以从以下几个方面反映出来：个方面反映出来：个方面反映出来：个方面反映出来：A A：逻辑摆幅小，节点电流充放电幅度：逻辑摆幅小，节点电流充放电幅度：逻辑摆幅小，节点电流充放电幅度：逻辑摆幅小，节点电流充放电幅度 小，时间短。

小，时间短小，时间短小，时间短B B：晶体管不进入饱和，无存贮时间晶体管不进入饱和，无存贮时间晶体管不进入饱和，无存贮时间晶体管不进入饱和，无存贮时间C C：定偏管：定偏管：定偏管：定偏管T2T2工作于共基极状态，输入管工作于共基极状态，输入管工作于共基极状态，输入管工作于共基极状态，输入管 T1T1基极电位变化幅度小，相当于定偏基极电位变化幅度小，相当于定偏基极电位变化幅度小，相当于定偏基极电位变化幅度小，相当于定偏 管电流作为输入信号，通过射极传递管电流作为输入信号，通过射极传递管电流作为输入信号，通过射极传递管电流作为输入信号，通过射极传递 到集电极，故到集电极，故到集电极，故到集电极，故T1T1类似于共基使用，频类似于共基使用，频类似于共基使用，频类似于共基使用，频 响好 三、逻辑扩展：三、逻辑扩展： 1. 1.多输出端多输出端多输出端多输出端“ “或或或或/ /或非或非或非或非” ”门门门门 在单输出门基础上增加射随输出器。

在单输出门基础上增加射随输出器在单输出门基础上增加射随输出器在单输出门基础上增加射随输出器 2.“2.“或与或与或与或与/ /或与非或与非或与非或与非” ”门门门门: : 3.“3.“与与与与/ /与非与非与非与非” ”门门门门 4 4、、、、“ “异或异或异或异或” ”门门门门四、版图设计特点：四、版图设计特点：1 1、、、、R Rc1c1、、、、R Rc2c2、、、、R RE E在电路设计中要求依从此例关系，在电路设计中要求依从此例关系，在电路设计中要求依从此例关系，在电路设计中要求依从此例关系，因而版图设计中，应取条宽一致，且平行排列因而版图设计中，应取条宽一致，且平行排列因而版图设计中，应取条宽一致，且平行排列因而版图设计中，应取条宽一致，且平行排列这样，当存在工艺偏差时，阻值偏并趋于一致这样，当存在工艺偏差时，阻值偏并趋于一致这样，当存在工艺偏差时，阻值偏并趋于一致这样，当存在工艺偏差时，阻值偏并趋于一致 a a、两个端输出低电平一致：、两个端输出低电平一致：、两个端输出低电平一致：、两个端输出低电平一致： 设设设设T3T3、、、、T4T4完全相同，且完全相同，且完全相同，且完全相同，且I IC C≈I≈IE E 则：则：则：则：  b b、、、、V VL L极限值为极限值为极限值为极限值为V VBEBE 2 2、电流开关晶体管特性要求一致，尺寸相同，、电流开关晶体管特性要求一致，尺寸相同，、电流开关晶体管特性要求一致，尺寸相同，、电流开关晶体管特性要求一致，尺寸相同， 位置靠近。

位置靠近位置靠近位置靠近3 3、除偏置电源外，所有晶体管图形尺寸尽可能、除偏置电源外，所有晶体管图形尺寸尽可能、除偏置电源外，所有晶体管图形尺寸尽可能、除偏置电源外，所有晶体管图形尺寸尽可能 小，并尽量减小后，以提高，改善响应速度小，并尽量减小后，以提高，改善响应速度小，并尽量减小后，以提高，改善响应速度小，并尽量减小后，以提高，改善响应速度4 4、所有输出管应特性一致，故图形尺寸一致，置、所有输出管应特性一致，故图形尺寸一致，置、所有输出管应特性一致，故图形尺寸一致，置、所有输出管应特性一致，故图形尺寸一致，置 于同一隔离区，以保证各端输出等电平于同一隔离区，以保证各端输出等电平于同一隔离区，以保证各端输出等电平于同一隔离区，以保证各端输出等电平5-2 I2L电路电路ØØ 一、工作原理一、工作原理一、工作原理一、工作原理ØØ1 1、、、、I I2 2L L电路的由来电路的由来电路的由来电路的由来ØØ I I2 2L L电路又称并合晶体管逻辑（电路又称并合晶体管逻辑（电路又称并合晶体管逻辑（电路又称并合晶体管逻辑（MTLMTL）、诞生）、诞生）、诞生）、诞生于七二年具有集成度高，电路优值小，工艺及版于七二年具有集成度高，电路优值小，工艺及版于七二年具有集成度高，电路优值小，工艺及版于七二年具有集成度高，电路优值小，工艺及版图简单，且与模拟图简单，且与模拟图简单，且与模拟图简单，且与模拟ICIC及其它数字及其它数字及其它数字及其它数字ICIC工艺相容等优工艺相容等优工艺相容等优工艺相容等优点。

它的出现，标志着双极型点它的出现，标志着双极型点它的出现，标志着双极型点它的出现，标志着双极型ICIC在集成度及功耗在集成度及功耗在集成度及功耗在集成度及功耗方面的一次重大突破方面的一次重大突破方面的一次重大突破方面的一次重大突破ØØ 回顾双极型逻辑回顾双极型逻辑回顾双极型逻辑回顾双极型逻辑ICIC的发展历史，最早考虑集的发展历史，最早考虑集的发展历史，最早考虑集的发展历史，最早考虑集成的是成的是成的是成的是DCTLDCTL，由于抢电流的致使弱点，，由于抢电流的致使弱点，，由于抢电流的致使弱点，，由于抢电流的致使弱点，DCTLDCTL并并并并未得到实际应用最早集成的电路未得到实际应用最早集成的电路未得到实际应用最早集成的电路未得到实际应用最早集成的电路RTLRTL，为改善，为改善，为改善，为改善响应速度，出现了响应速度，出现了响应速度，出现了响应速度，出现了RCTLRCTL，制作上的困难导致，制作上的困难导致，制作上的困难导致，制作上的困难导致DTLDTL的诞生，对速度的考虑发明了的诞生，对速度的考虑发明了的诞生，对速度的考虑发明了的诞生，对速度的考虑发明了TTLTTL，随之是，随之是，随之是，随之是四管单元，五管单元，六管单元。

四管单元，五管单元，六管单元四管单元，五管单元，六管单元四管单元，五管单元，六管单元ØØ 性能上的每一次进步，付出的代价性能上的每一次进步，付出的代价性能上的每一次进步，付出的代价性能上的每一次进步，付出的代价是电路中元件的增加，结构随之复杂，是电路中元件的增加，结构随之复杂，是电路中元件的增加，结构随之复杂，是电路中元件的增加，结构随之复杂，因而大规模集成遇到很大困难，归纳因而大规模集成遇到很大困难，归纳因而大规模集成遇到很大困难，归纳因而大规模集成遇到很大困难，归纳有三条：有三条：有三条：有三条：a a、单门电路元件多，结构复杂，即使大、单门电路元件多，结构复杂，即使大、单门电路元件多，结构复杂，即使大、单门电路元件多，结构复杂，即使大 量采用简化门，仍不够简单量采用简化门，仍不够简单量采用简化门，仍不够简单量采用简化门，仍不够简单b b、电路中使用电阻，功耗大，占用芯片、电路中使用电阻，功耗大，占用芯片、电路中使用电阻，功耗大，占用芯片、电路中使用电阻，功耗大，占用芯片 面积大c c、元件之间需隔离，约占据芯片总面积、元件之间需隔离，约占据芯片总面积、元件之间需隔离，约占据芯片总面积、元件之间需隔离，约占据芯片总面积 的的的的4040～～～～60%60%，且造成工艺复杂。

且造成工艺复杂且造成工艺复杂且造成工艺复杂ØØ 对应大规模集成所遇到的困难，对应大规模集成所遇到的困难，对应大规模集成所遇到的困难，对应大规模集成所遇到的困难，人们考虑了许多对策，归纳起来也人们考虑了许多对策，归纳起来也人们考虑了许多对策，归纳起来也人们考虑了许多对策，归纳起来也有三条：有三条：有三条：有三条：a a、饱和型开关电路均以共射晶体管作、饱和型开关电路均以共射晶体管作、饱和型开关电路均以共射晶体管作、饱和型开关电路均以共射晶体管作 基本电路组态，如以衬底作为射基本电路组态，如以衬底作为射基本电路组态，如以衬底作为射基本电路组态，如以衬底作为射 区，则晶体管之间无需专门隔离区，则晶体管之间无需专门隔离区，则晶体管之间无需专门隔离区，则晶体管之间无需专门隔离b b、如以有源负载代替电阻，则功耗及、如以有源负载代替电阻，则功耗及、如以有源负载代替电阻，则功耗及、如以有源负载代替电阻，则功耗及 面积均可缩小面积均可缩小面积均可缩小面积均可缩小c c、、、、ICIC中的晶体管存在寄生效应，如利中的晶体管存在寄生效应，如利中的晶体管存在寄生效应，如利中的晶体管存在寄生效应，如利 用寄生晶体管作为电路中的某些基用寄生晶体管作为电路中的某些基用寄生晶体管作为电路中的某些基用寄生晶体管作为电路中的某些基 本元件，则既可节省面积，又可简本元件，则既可节省面积，又可简本元件，则既可节省面积，又可简本元件，则既可节省面积，又可简 化工艺。

化工艺 沿着这三条思路，人们又回过头重新考沿着这三条思路，人们又回过头重新考沿着这三条思路，人们又回过头重新考沿着这三条思路，人们又回过头重新考虑最简的电路虑最简的电路虑最简的电路虑最简的电路DCTLDCTL，对其进行改进，研制，对其进行改进，研制，对其进行改进，研制，对其进行改进，研制成功成功成功成功I I2 2L LØØ演变过程如下：演变过程如下：演变过程如下：演变过程如下：ØØ 考虑两级考虑两级考虑两级考虑两级DCTLDCTL电路：首先将集电极电路：首先将集电极电路：首先将集电极电路：首先将集电极电阻移至下级门的基极，这样不影响逻辑电阻移至下级门的基极，这样不影响逻辑电阻移至下级门的基极，这样不影响逻辑电阻移至下级门的基极，这样不影响逻辑关系ØØ 再考虑虚线框内三个晶体管，它们共再考虑虚线框内三个晶体管，它们共再考虑虚线框内三个晶体管，它们共再考虑虚线框内三个晶体管，它们共基极和射极电位，仅集电极分离，可合并基极和射极电位，仅集电极分离，可合并基极和射极电位，仅集电极分离，可合并基极和射极电位，仅集电极分离，可合并为一个多集电极管。

最后以一个为一个多集电极管最后以一个为一个多集电极管最后以一个为一个多集电极管最后以一个PNPPNP管作管作管作管作为有源负载代替为有源负载代替为有源负载代替为有源负载代替R R，得到一个新的逻辑单，得到一个新的逻辑单，得到一个新的逻辑单，得到一个新的逻辑单元元元元————多集电极倒相器多集电极倒相器多集电极倒相器多集电极倒相器ØØ这就是这就是这就是这就是I I2 2L L电路的基本单元电路的基本单元电路的基本单元电路的基本单元 2 2、、、、I I2 2L L基本单元结构基本单元结构基本单元结构基本单元结构结构及单元线路图如下结构及单元线路图如下结构及单元线路图如下结构及单元线路图如下ØØ 由结构可见，由结构可见，由结构可见，由结构可见，I I2 2L L电路基本单元由两个电路基本单元由两个电路基本单元由两个电路基本单元由两个晶体管构成，有两个电极为晶体管共用，结晶体管构成，有两个电极为晶体管共用，结晶体管构成，有两个电极为晶体管共用，结晶体管构成，有两个电极为晶体管共用，结合成一个统一的整体，故又称并合晶体管逻合成一个统一的整体，故又称并合晶体管逻合成一个统一的整体，故又称并合晶体管逻合成一个统一的整体，故又称并合晶体管逻辑（辑（辑（辑（MTLMTL）））） EpEp：多集电极倒相器注入条，连接寄生横向：多集电极倒相器注入条，连接寄生横向：多集电极倒相器注入条，连接寄生横向：多集电极倒相器注入条，连接寄生横向 PNPPNP管射极，外接电源，向各倒相器提管射极，外接电源，向各倒相器提管射极，外接电源，向各倒相器提管射极，外接电源，向各倒相器提 供电流。

供电流B B：输入端，连接：输入端，连接：输入端，连接：输入端，连接PNPPNP管集电极及倒相器基管集电极及倒相器基管集电极及倒相器基管集电极及倒相器基 极C1C1、、、、C2C2、、、、C3C3：输出端：输出端：输出端：输出端ENEN：接地端，作为多集电极晶体管射极及寄：接地端，作为多集电极晶体管射极及寄：接地端，作为多集电极晶体管射极及寄：接地端，作为多集电极晶体管射极及寄 生横向生横向生横向生横向PNPPNP管基区ØØ由版图及剖面图看：由版图及剖面图看：由版图及剖面图看：由版图及剖面图看：a a、、、、I I2 2L L基本单元采用基本单元采用基本单元采用基本单元采用DCTLDCTL形式，简单，元形式，简单，元形式，简单，元形式，简单，元 件少b b、将普通、将普通、将普通、将普通NPNNPN反向运用，射极等电位（地）反向运用，射极等电位（地）反向运用，射极等电位（地）反向运用，射极等电位（地），故各倒相器间无需隔离故各倒相器间无需隔离故各倒相器间无需隔离故各倒相器间无需隔离c c、注入条可供各单元共用。

注入条可供各单元共用注入条可供各单元共用注入条可供各单元共用d d、以寄生横向、以寄生横向、以寄生横向、以寄生横向PNPPNP管替代电阻管替代电阻管替代电阻管替代电阻R R，节省了，节省了，节省了，节省了 面积又减小了功耗面积又减小了功耗面积又减小了功耗面积又减小了功耗ØØ这样，大规模集成电路的几点必备条件这样，大规模集成电路的几点必备条件这样，大规模集成电路的几点必备条件这样，大规模集成电路的几点必备条件均具备了，（每门功耗低、元件少，结均具备了，（每门功耗低、元件少，结均具备了，（每门功耗低、元件少，结均具备了，（每门功耗低、元件少，结构简单，工艺简单），因而可以进入构简单，工艺简单），因而可以进入构简单，工艺简单），因而可以进入构简单，工艺简单），因而可以进入LSILSI及及及及VLSIVLSI 3 3、、、、I I2 2L L工作原理工作原理工作原理工作原理ØØ I I2 2L L单元具有两个状态：单元具有两个状态：单元具有两个状态：单元具有两个状态：ØØ载流子积累状态载流子积累状态载流子积累状态载流子积累状态——导通态导通态导通态导通态“ “0”0”ØØ载流子耗尽状态载流子耗尽状态载流子耗尽状态载流子耗尽状态——截止态截止态截止态截止态“ “1”1”ØØ设设设设EpEp>V>VBEBE，则空穴从，则空穴从，则空穴从，则空穴从P P1 1区注入区注入区注入区注入n n区，大部分被区，大部分被区，大部分被区，大部分被P P2 2收集。

收集ØØa a、、、、B B开路（浮空或前级截止），则空穴在开路（浮空或前级截止），则空穴在开路（浮空或前级截止），则空穴在开路（浮空或前级截止），则空穴在P P2 2区域区域区域区域ØØ 积累，积累，积累，积累，V Vp2p2上升，迫使上升，迫使上升，迫使上升，迫使NPNNPN管管管管BEBE结导通，结导通，结导通，结导通，N N区区区区ØØ 向向向向P P2 2注入电子，被集电极注入电子，被集电极注入电子，被集电极注入电子，被集电极N N+ +收集，于是收集，于是收集，于是收集，于是NPNNPN管管管管ØØ 导通，导通，导通，导通，C C1 1、、、、C C2 2输出输出输出输出“ “0”0”电平ØØb b、、、、B B短路（对地短接或前级导通），注入短路（对地短接或前级导通），注入短路（对地短接或前级导通），注入短路（对地短接或前级导通），注入P P2 2ØØ 的空穴由的空穴由的空穴由的空穴由B B端流出，端流出，端流出，端流出，V Vp2p2

电平ØØ由此可见，由此可见，由此可见，由此可见，I I2 2L L的工作过程实际上是注入条注的工作过程实际上是注入条注的工作过程实际上是注入条注的工作过程实际上是注入条注入的载流子在器件内部输运，引起基本门导入的载流子在器件内部输运，引起基本门导入的载流子在器件内部输运，引起基本门导入的载流子在器件内部输运，引起基本门导通或截止的过程，故称集成注入逻辑通或截止的过程，故称集成注入逻辑通或截止的过程，故称集成注入逻辑通或截止的过程，故称集成注入逻辑 4 4、、、、I I2 2L L开关过程开关过程开关过程开关过程ØØ 考虑三个基本门级连，以恒流考虑三个基本门级连，以恒流考虑三个基本门级连，以恒流考虑三个基本门级连，以恒流源代替源代替源代替源代替PNPPNP管管管管ØØa a、、、、KK闭合：闭合：闭合：闭合：I I0101流向地，流向地，流向地，流向地，T T1 1无驱动而截止无驱动而截止无驱动而截止无驱动而截止ØØ I I0202驱动驱动驱动驱动T T2 2导通，导通，导通，导通，ØØ I I0303被被被被T T2 2抽走，抽走，抽走，抽走，T T3 3无驱动而截止无驱动而截止无驱动而截止无驱动而截止ØØb b、、、、KK断开：断开：断开：断开：I I0101驱动驱动驱动驱动T1T1导通导通导通导通ØØ I I0202被被被被T1T1集电极抽走，集电极抽走，集电极抽走，集电极抽走，T T2 2截止截止截止截止ØØ I I0303驱动驱动驱动驱动T T3 3导通导通导通导通ØØ以电流以电流以电流以电流“ “0”0”、、、、“ “1”1”状态判断法，则有状态判断法，则有状态判断法，则有状态判断法，则有 ：：：：ØØ K=“0” K=“0” ØØ V V0101=“1” V=“1” V0202=“0” V=“0” VOO=“1”=“1”ØØ K=“1 K=“1” ” ØØ V V0101=“0” V=“0” V0202=“1” V=“1” VOO=“0”=“0” 5 5、、、、I I2 2L L正常工作的必要条件正常工作的必要条件正常工作的必要条件正常工作的必要条件考虑两级基本门级连，注入电流均为考虑两级基本门级连，注入电流均为考虑两级基本门级连，注入电流均为考虑两级基本门级连，注入电流均为I I0 0。

ØØ 设设设设A=“1” A=“1” ØØ为满足逻辑关系，应有为满足逻辑关系，应有为满足逻辑关系，应有为满足逻辑关系，应有T1T1饱和饱和饱和饱和ØØ而而而而 故故故故ØØ即即即即ØØ注意此时：注意此时：注意此时：注意此时：T3T3深饱和深饱和深饱和深饱和 α α3 3较小较小较小较小ØØ T4T4临界饱和临界饱和临界饱和临界饱和α α4 4较大较大较大较大ØØ实际测量表明，实际测量表明，实际测量表明，实际测量表明，I I2 2L L正常工作时，正常工作时，正常工作时，正常工作时，α α4 4≈2≈2α α3 3，，，，于是于是于是于是I I2 2L L正常工作的条件为正常工作的条件为正常工作的条件为正常工作的条件为 ØØ一般工艺条件下：一般工艺条件下：一般工艺条件下：一般工艺条件下：  二、二、二、二、I I2 2L L电路特性分析电路特性分析电路特性分析电路特性分析ØØ 1 1、、、、I I2 2L L电路电压传输特性电路电压传输特性电路电压传输特性电路电压传输特性ØØ 推导过程相当复杂，首先必须建立稳态下单推导过程相当复杂，首先必须建立稳态下单推导过程相当复杂，首先必须建立稳态下单推导过程相当复杂，首先必须建立稳态下单元的电荷控制方程组，再从方程组中解得元的电荷控制方程组，再从方程组中解得元的电荷控制方程组，再从方程组中解得元的电荷控制方程组，再从方程组中解得V V0 0～～～～V Vi i关系，具体结果如下：关系，具体结果如下：关系，具体结果如下：关系，具体结果如下：ØØ式中：式中：式中：式中：I In0n0 NPN NPN管射区注入电子流管射区注入电子流管射区注入电子流管射区注入电子流ØØ I Ip0p0 PNP PNP管射区注入空穴流管射区注入空穴流管射区注入空穴流管射区注入空穴流ØØ NPNNPN管各集电极对应的电流增益管各集电极对应的电流增益管各集电极对应的电流增益管各集电极对应的电流增益 ØØ 电压传输特性曲线如下：电压传输特性曲线如下：电压传输特性曲线如下：电压传输特性曲线如下： 过渡区很窄，高电平接近过渡区很窄，高电平接近过渡区很窄，高电平接近过渡区很窄，高电平接近VpVp，低电平接近，低电平接近，低电平接近，低电平接近0V0V。

2 2、直流参数：、直流参数：、直流参数：、直流参数： ØØ 定义定义定义定义 　　　　　　　　　　　　　　　　 所对应的所对应的所对应的所对应的V Vi i为阀值电压为阀值电压为阀值电压为阀值电压V VththØØ 则：则：则：则： ØØ可见抗干扰能力很差可见抗干扰能力很差可见抗干扰能力很差可见抗干扰能力很差, ,对内部门问题不大，对输入对内部门问题不大，对输入对内部门问题不大，对输入对内部门问题不大，对输入管，输出管则在版图设计中有意将管，输出管则在版图设计中有意将管，输出管则在版图设计中有意将管，输出管则在版图设计中有意将 设计很大，设计很大，设计很大，设计很大，以提高抗干扰能力以提高抗干扰能力以提高抗干扰能力以提高抗干扰能力 3 3、瞬态特性、瞬态特性、瞬态特性、瞬态特性 考虑一个三级考虑一个三级考虑一个三级考虑一个三级I I2 2L L倒相四级连电路倒相四级连电路倒相四级连电路倒相四级连电路ØØ初始状态：初始状态：初始状态：初始状态：V Vi i=1=1，，，，ØØ 即：即：即：即：T T1 1导通，导通，导通，导通，T T2 2截止，截止，截止，截止，T T3 3导通。

导通ØØ设设设设t=0t=0时，时，时，时，KK闭合（闭合（闭合（闭合（V Vi i=0=0））））ØØT T1 1：：：：BEBE短路，抽取电流很大，相对于短路，抽取电流很大，相对于短路，抽取电流很大，相对于短路，抽取电流很大，相对于T T2 2、、、、T T3 3可认可认可认可认ØØ 为瞬时截止为瞬时截止为瞬时截止为瞬时截止ØØ 即：即：即：即：t=0t=0时，时，时，时，V Vc1c1=V=VOHOHØØT T2 2：：：：I I0 0对对对对B B2 2势垒电容势垒电容势垒电容势垒电容C Ce2e2、、、、C Cc2c2充电接近充电接近充电接近充电接近0.5V0.5V时，发时，发时，发时，发 ØØ 射结扩散电容开始充电射结扩散电容开始充电射结扩散电容开始充电射结扩散电容开始充电T2T2导通，导通，导通，导通，I IC2C2开始上开始上开始上开始上 ØØ 升，当升，当升，当升，当B B2 2的势垒电容及扩散电容充电至的势垒电容及扩散电容充电至的势垒电容及扩散电容充电至的势垒电容及扩散电容充电至V VOHOHØØ 时，时，时，时，T2T2饱和，饱和，饱和，饱和，V Vc2c2= =V VoLoL。

T T3 3：：：：T T2 2刚导通，刚导通，刚导通，刚导通，I I0 0一部分供一部分供一部分供一部分供I IC2C2，另一部分继续提，另一部分继续提，另一部分继续提，另一部分继续提 供供供供I IB3B3，随，随，随，随I IC2C2上升，上升，上升，上升，I IB3B3↓ ↓，当，当，当，当I IC2C2=I=I0 0时，时，时，时，I IC2C2↑ ↑ 对对对对B B3 3扩散电容放电扩散电容放电扩散电容放电扩散电容放电→→超量贮存电荷被抽取超量贮存电荷被抽取超量贮存电荷被抽取超量贮存电荷被抽取 → →T T3 3退饱和，退饱和，退饱和，退饱和，V VB3B3开始下降，直至开始下降，直至开始下降，直至开始下降，直至V VB3B3= =V VoLoL，，，， V Vc3c3在在在在T T3 3退饱和后开始上升，退饱和后开始上升，退饱和后开始上升，退饱和后开始上升，B B3 3节点电容放电节点电容放电节点电容放电节点电容放电 完毕后，完毕后，完毕后，完毕后，V Vc3c3=V=VOHOHØØ欲求每门平均延迟时间，需列出恒流源对欲求每门平均延迟时间，需列出恒流源对欲求每门平均延迟时间，需列出恒流源对欲求每门平均延迟时间，需列出恒流源对T T2 2基极基极基极基极充电、以及充电、以及充电、以及充电、以及T T3 3基极电容通过基极电容通过基极电容通过基极电容通过T2T2放电的微分方程。

放电的微分方程放电的微分方程放电的微分方程方程包含势垒电容及扩散电容，且方程包含势垒电容及扩散电容，且方程包含势垒电容及扩散电容，且方程包含势垒电容及扩散电容，且T T2 2、、、、T T3 3需联立需联立需联立需联立求解过程非常复杂，因此仅进行定量分析过程非常复杂，因此仅进行定量分析过程非常复杂，因此仅进行定量分析过程非常复杂，因此仅进行定量分析ØØ 考虑两种极端情况：考虑两种极端情况：考虑两种极端情况：考虑两种极端情况：ØØa a、小电流近似：、小电流近似：、小电流近似：、小电流近似：ØØNPNNPN管发射结正偏较小，注入到外延层中电子管发射结正偏较小，注入到外延层中电子管发射结正偏较小，注入到外延层中电子管发射结正偏较小，注入到外延层中电子较少，可忽略扩散电容，此时较少，可忽略扩散电容，此时较少，可忽略扩散电容，此时较少，可忽略扩散电容，此时tpdtpd主要取决于主要取决于主要取决于主要取决于势至电容：势至电容：势至电容：势至电容：ØØ理论计算：理论计算：理论计算：理论计算：ØØb b、大电流近似、大电流近似、大电流近似、大电流近似ØØ势垒电容可忽略，势垒电容可忽略，势垒电容可忽略，势垒电容可忽略，tpdtpd主要取决于扩散电容。

主要取决于扩散电容主要取决于扩散电容主要取决于扩散电容ØØ晶体管反向运用时：晶体管反向运用时：晶体管反向运用时：晶体管反向运用时：ØØ 即即即即 故故故故 且且且且tpdtpd应与饱和度有关，应与饱和度有关，应与饱和度有关，应与饱和度有关，而而而而 理论计算：理论计算：理论计算：理论计算：  4 4、电路优值、电路优值、电路优值、电路优值ØØ由于由于由于由于I I2 2L L工作于低电压，且采用恒流源负载，工作于低电压，且采用恒流源负载，工作于低电压，且采用恒流源负载，工作于低电压，且采用恒流源负载，工作电流可小至工作电流可小至工作电流可小至工作电流可小至1nA/1nA/门，比一般门，比一般门，比一般门，比一般TTLTTL小三小三小三小三个数量级个数量级个数量级个数量级ØØ尽量速度较慢（尽量速度较慢（尽量速度较慢（尽量速度较慢（2020～～～～30ns30ns），但电路优值），但电路优值），但电路优值），但电路优值仍很小，是双极型逻辑集成电路中优值最仍很小，是双极型逻辑集成电路中优值最仍很小，是双极型逻辑集成电路中优值最仍很小，是双极型逻辑集成电路中优值最小的电路。

小的电路小的电路小的电路ØØI I2 2L L的速度是影响其发展的主要因素的速度是影响其发展的主要因素的速度是影响其发展的主要因素的速度是影响其发展的主要因素 三、三、I2L抢电流问题抢电流问题 I I2 2L L采用了采用了采用了采用了DCTLDCTL电路结构因此，有必要分电路结构因此，有必要分电路结构因此，有必要分电路结构因此，有必要分析一下抢电流的问题：析一下抢电流的问题：析一下抢电流的问题：析一下抢电流的问题：ØØ1 1、、、、I I2 2L L将将将将DCTLDCTL中多个晶体管合并为多集电极晶体中多个晶体管合并为多集电极晶体中多个晶体管合并为多集电极晶体中多个晶体管合并为多集电极晶体管，管，管，管，V VBEBE不一致导致的抢电流问题不复存在不一致导致的抢电流问题不复存在不一致导致的抢电流问题不复存在不一致导致的抢电流问题不复存在ØØ2 2、根据、根据、根据、根据E-ME-M模型模型模型模型ØØ I IB B不仅与不仅与不仅与不仅与V VBEBE有关，而且与有关，而且与有关，而且与有关，而且与V VBCBC相关ØØ当当当当V VBCBC>0>0时，第二项不能忽略，可将一个多集电时，第二项不能忽略，可将一个多集电时，第二项不能忽略，可将一个多集电时，第二项不能忽略，可将一个多集电极晶体管视为多个发射结完全相同的晶体管。

极晶体管视为多个发射结完全相同的晶体管极晶体管视为多个发射结完全相同的晶体管极晶体管视为多个发射结完全相同的晶体管 设输入高电平，则设输入高电平，则设输入高电平，则设输入高电平，则T T1 1、、、、T T2 2、、、、T T3 3同时饱和导同时饱和导同时饱和导同时饱和导通，若集电极负载一致，则通，若集电极负载一致，则通，若集电极负载一致，则通，若集电极负载一致，则I IC1C1=I=IC2C2=I=IC3C3，，，，I IB1B1=I=IB2B2=I=IB3B3，不存在抢电流现象不存在抢电流现象不存在抢电流现象不存在抢电流现象设设设设I IC1C1减小，据：减小，据：减小，据：减小，据： V Vceslcesl将下降将下降将下降将下降→→V VBC1BC1上升上升上升上升→→I IB1B1增大T T1 1抢了抢了抢了抢了T T2 2、、、、T T3 3的电流，即的电流，即的电流，即的电流，即I IC1C1变化引变化引变化引变化引起起起起I IC2C2、、、、I IC3C3变化利用多集电极晶体管利用多集电极晶体管利用多集电极晶体管利用多集电极晶体管E-ME-M模型对这模型对这模型对这模型对这种抢电流现象进行数学推导，可以种抢电流现象进行数学推导，可以种抢电流现象进行数学推导，可以种抢电流现象进行数学推导，可以证明：只要这个晶体管正向运用时证明：只要这个晶体管正向运用时证明：只要这个晶体管正向运用时证明：只要这个晶体管正向运用时的电流增益足够大，则抢电流现象的电流增益足够大，则抢电流现象的电流增益足够大，则抢电流现象的电流增益足够大，则抢电流现象可以忽略。

可以忽略可以忽略可以忽略。