集成电路-课件-第四章-ECL电路与I2L电路

1、第四章 ECL电路和I2L电路2019年 韩 良1第四章 ECL电路和I2L电路2019年 4-1 ECL电路2019年 韩 良24-1 ECL电路2019年 韩 良2 发射极耦合逻辑（ECL）电路是电流型逻辑电路，晶体管不进入饱和区工作，而是在截止和放大两个状态间转换，电平变化幅度小，因而速度快，但功耗大。2019年 韩 良3 发射极耦合逻辑（ECL）电路是电流型逻辑电路 思考题1.ECL电路速度快的原因有哪些？2.ECL电路为什么要用射极跟随器？3.射极跟随器有哪些作用？4.参考电压源有什么作用？5. ECL电路版图设计有什么特点？2019年 韩 良4 思考题1.E4.1.1 ECL电路工

2、作原理 1. ECL电路基本单元-或/或非门-VEEABornor22024550k50k7799076.1k4.96k2k2k电流开关参考电压源射极跟随器2019年 韩 良54.1.1 ECL电路工作原理 1. ECL电路基本单元-4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT2 T1A 、T1B为输入管， T2为定偏管。工作时VEE=-5.2V定偏电压： VBB = (VOH + VOL )/2=-1.3V 输入信号的高低电平各为VIH=-0.92V, VIL=-1.75V。 当

3、A、B都输入低电平时，T1A,T1B的基极都是-1.75V，2019年 韩 良64.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEAB4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT2而此时T2的基极电平更高些(-1.3V)，故T2导通并将其发射极点平钳位在VE=VBB-VBE=-2.07V(假定发射结的正向导通压降为0.77V)。这时T1A,T1B的发射结上只有0.32V，故T1A,T1B截至， T2导通。C1为高电平，C2为低电平。2019年 韩 良74.1.1 ECL电路工作

4、原理 2. 电流开关-VEEAB4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT2当A、B有高输入电平时，假定A为高电平，T1A的基极为-0.92V,高于VBB,所以T1A导通并将发射极电平钳在VE=VIH-VBE=1.69V。此时，加在T2发射结上的电压只有0.39V，故T2截至，C1为低电平，C2为高电平。2019年 韩 良84.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEAB4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEABC2C122024550k50k779VB

5、B(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT2此电路的作用相当于一个电流开关，时而把电流拨给输入管，时而又把电流拨给T2管。C1=A+B (nor)C2=A+B (or)2019年 韩 良94.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEAB4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关 RPA 、RPB是为了防止输入浮空效应。改进：用恒流源代替RE 在两种状态中，电流IRE的值不同，因而为了使两端输出低电平一致，RC1 、RC2应取不同的值。VOH =0V VOL= -IC1 RC1 = -IC2 RC2-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V

6、)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT22019年 韩 良104.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关 4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关问题：电流开关虽然完成了逻辑功能，但是直接级联时会使输入晶体管进入饱和，失去高速的特点。例如：VA输入高电平0V,T1A导通，VC1输出低电平（小于0V），因而T1A饱和导通。-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT22019年 韩 良114.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关问题：电流开4.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEABC2C12

7、2024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT2-VEEABC2C122024550k50k779VBB(-5.2V)RERPARPBRC1RC2T1AT1BT22019年 韩 良124.1.1 ECL电路工作原理 2. 电流开关-VEEAB4.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器VOH = -Vbe3 = -Vbe4VOL = -Vbe3 -IC1 RC1 = -Vbe4 -IC2 RC2 VL = IC1 RC1 = IC2 RC2 为了实现前后级耦合时电平匹配，要求： 取VL=VbeT3 、T4进行电平移位典型值：VOH -0.9 V V

8、OL -1.7V VBB -1.3 V-VEEornor2k2kC1C2T3T4RO3RO42019年 韩 良134.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器VOH = 4.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器（续）ornor-VEE2k2kC1C2T3T4RO3RO4-VEE2k2kRO3RO4 可以开射级输出，更好地实现系统匹配。 可以接多个射级跟随器，实现更多个输出。 具有电流放大作用，提高了负载能力。2019年 韩 良144.1.1 ECL电路工作原理 3.射级跟随器（续）orn4.1.1 ECL电路工作原理 4.参考电压源9076.1k4.96k-VEEVBBR3R1R2对参

9、考电压的要求: VBB = (VOH + VOL )/2 = (-2Vbe - IC1 RC1)/2 = -3Vbe/2VBB VEE2VbeR1 + R2R1 Vbe实际电路：适当选取电阻R1 、R2的值即可达到要求值。2019年 韩 良154.1.1 ECL电路工作原理 4.参考电压源9076.14.1.2 ECL电路的特点1.所有晶体管都不进入饱和区工作，没有超量存储电荷，速度快；2.逻辑摆幅小，节点电容充放电幅度小，速度快；3.功耗大，噪声容限低。但是两种工作状态下的电源电流几乎相同，内部噪声小。2019年 韩 良164.1.2 ECL电路的特点1.所有晶体管都不进入饱和区工作4.1.

10、3 ECL电路逻辑扩展 1. ECL或与非/或与门-VEEABF1F2DCVBBF1=(A+B)(C+D)F2 =(A+B)(C+D)2019年 韩 良174.1.3 ECL电路逻辑扩展 1. ECL或与非/或4.1.3 ECL电路逻辑扩展 2. ECL与/与非门F1 =ABF2 =AB 需要参考电压源提供两个相应的参考电压，输入信号也需要进行电平匹配。-VEEABVBB1VBB2F1F2VBB3R4R1R2ReR32019年 韩 良184.1.3 ECL电路逻辑扩展 2. ECL与/与非门F14.1.3 ECL电路版图设计特点1.晶体管采用条状结构，较小基极电阻，降低噪声，尽量减小尺寸，以便

11、提高特征频率。2.输出晶体管形状、尺寸要相同，放在等温线上，以便减小特性差异。3. 精度高、比例关系强的电阻条宽要相等，宽度适当，并行排放。精度不高的高阻值电阻采用沟道电阻。电阻的排放要注意温场。2019年 韩 良194.1.3 ECL电路版图设计特点1.晶体管采用条状结构，4-2 I2L电路2019年 韩 良204-2 I2L电路2019年 韩 良2 集成注入逻辑（Integrated Injection Logic, I2L）电路占用芯片面积小，功耗低，但速度慢，驱动能力弱。2019年 韩 良21 集成注入逻辑（Integrated Inje 思考题1.I2L电路的集成度为什么会很高？2.

12、I2L电路的速度为什么会很慢？3.进行I2L电路版图设计时应注意那些问题？2019年 韩 良22 思4.2.1 I2L基本单元电路结构及特点PN-sub (GND)PN+N+N+VPVi 单元内公用电极多，没有内连线，没有电阻，不需要隔离，单输入多输出的倒相器。倒置NPN2019年 韩 良234.2.1 I2L基本单元电路结构及特点PN-sub 4.2.2 I2L基本单元工作原理 1. 注入电流的产生PN-sub (GND)PN+N+N+VPVi VP加一个大于pn结正向导通压降的电压，横向PNP管导通，产生注入电流。2019年 韩 良244.2.2 I2L基本单元工作原理 1. 注入电流的产

13、生P4.2.2 I2L基本单元工作原理 2. 导通态PN-sub (GND)PN+N+N+VPVi 如果输入为1（或前级I2L 截止），空穴在NPN管基区（PNP管集电区）堆积，使NPN管饱和导通（PNP管深饱和）。VOL0.05V2019年 韩 良254.2.2 I2L基本单元工作原理 2. 导通态PN-su4.2.2 I2L基本单元工作原理 3. 截止态PN-sub (GND)PN+N+N+VPVi 如果输入对地短路（或前级I2L 导通），空穴被从NPN管基极抽走，使NPN管截止（PNP管临界饱和）。VOH0.7V (被后级同类们箝位）2019年 韩 良264.2.2 I2L基本单元工作原

14、理 3. 截止态PN-su4.2.2 I2L基本单元工作原理 3. 截止态VPVi 如果输入对地短路（或前级I2L 导通），空穴被从NPN管基极抽走，使NPN管截止（PNP管临界饱和）。VOH0.7V (被后级同类们箝位）VPVi2019年 韩 良274.2.2 I2L基本单元工作原理 3. 截止态VPVi 4.2.3 I2L基本单元正常工作的条件 Q1输出低电平时， Q3处于深饱和，IB1=3深饱IP； Q1处于深饱和， Q4处于临界饱和， Q1要吸收后级(Q4)全部的灌入电流， IC1=NO4临饱IP,为了能够全部吸收，要求：1 IB1 IC1 ， 而 23深饱4临饱因此： 1 2 NOV

15、PVPABQ1Q2Q3Q4IPIP为了提高驱动能力应提高NPN管值或减少扇出。管子饱和，速度慢。2019年 韩 良284.2.3 I2L基本单元正常工作的条件 Q1输4.2.4 I2L电路的逻辑组合 1. 输出可以直接“线与”VPA+CA+CVPB+CB+CVPA+BA+BVPA+B+CA+B+CVPCVPBVPAABC2019年 韩 良294.2.4 I2L电路的逻辑组合 1. 输出可以直接“线与4.2.4 I2L电路的逻辑组合 2. 半加器电路VP(Carry)VPAAVPBBVPVPA+ BVPAB(Sum)AB+ AB2019年 韩 良304.2.4 I2L电路的逻辑组合 2. 半加器

16、电路VP(C4.2.5 I2L电路的版图设计 1. 注入条的设计 所有单元可以公用一条注入条（接电源），注入条应尽可能窄（较小纵向注入浪费），开孔并用不间断的金属覆盖，长度要适当，金属要足够宽（电源等位）2019年 韩 良314.2.5 I2L电路的版图设计 1. 注入条的设计 4.2.5 I2L电路的版图设计 2.有效基区宽度： 基区条正对注入条的宽度为有效基区宽度，注入电流的大小与之成正比。宽度越大，注入电流越大，驱动能力就越大，但影响集成度。WI02w2I0W/2I0/24w4I02019年 韩 良324.2.5 I2L电路的版图设计 2.有效基区宽度： 4.2.5 I2L电路的版图设计 2.基极引线孔的位置： 基极引线孔的位置就是输入端，一般可根据方便单元间的互连关系来设计它的位置。但是，基极引线孔的位置离注入条越远，速度越慢。PN-sub (GND)PN+N+N+N+N+P2019年 韩 良334.2.5 I2L电路的版图设计 2.基极引线孔的位置： 4.2.5 I2L电路的版图设计 3. 多集电区的设计 NPN管的集电区离注入条越远，集电极电流密度越小，电流增益下降，可以适当增大远离注